考虑下游损失的尾矿库溃坝风险评价研究

胡建平，王世杰，吴 浩，曾 航，胡少华

(1.武汉理工大学 安全科学与应急管理学院，湖北 武汉 430070；2.华中师范大学 城市与环境科学学院，湖北 武汉 430079)

尾矿库是储存金属或非金属矿山在开采过程中产生的矿渣的场所，属于高势能的人造泥石流危险源[1]。尾矿库一旦发生溃坝，会对其周边及下游区域产生极大的危害。我国作为矿业大国，拥有的尾矿库数量庞大，溃坝事故损失逐年增加，其安全形势比较严峻[2]。对尾矿库进行溃坝风险评价，可确定其风险状态并采取具有针对性的管控措施，从而降低尾矿库的溃坝风险。因此，开展尾矿库溃坝风险研究，对于保证尾矿库的安全运行、保障企业与下游居民的生命财产安全、保护下游区域环境等方面具有重要的现实意义[3]。

目前，许多学者在尾矿库溃坝风险指标确定方面开展过相关研究，并取得了一定的研究成果。如李全明等[4]分析总结了尾矿库的5类溃坝模式和23种可能的溃坝路径，筛选出16个尾矿库溃坝风险指标。王晋淼等[5]整理分析了造成尾矿库溃坝的主要因素，建立了涵盖渗流破坏、坝基失稳、洪水漫顶和安全管理4个方面的尾矿库溃坝风险指标体系。谢旭阳等[6]从尾矿库本身安全、地质条件、气象条件和人为因素4个方面分析了尾矿库灾害的影响因素，选取了16个尾矿库区域预警指标。董译萱等[7]从管理、机械、物质、环境角度着手，对溃坝成因进行分析，确定了17个尾矿库安全性能指标。

综上，以上研究多是从尾矿库的溃坝成因和溃坝机理出发，总结出导致溃坝的风险因素，再根据系统理论或相关性分析，提出相对科学合理的尾矿库溃坝风险指标体系。但是，在开展风险评价时，若不将尾矿库溃坝产生的后果考虑在内，很可能会降低评价的准确性。因此，为全面衡量尾矿库的溃坝风险，应从溃坝可能性与溃坝后果两个方面综合评价。笔者在分析尾矿库溃坝成因的基础上，考虑了溃坝对下游区域可能造成的损失，主要包括生命损失、财产损失和环境损失，选取了23个溃坝风险指标，建立了考虑下游损失的尾矿库溃坝风险指标体系。结合改进层次分析法(AHP)与改进熵权法(EWM)求取权重，并对某尾矿库进行模糊综合评价，验证该指标体系的系统性与科学性。

1 尾矿库溃坝风险指标体系

1.1 基于溃坝成因的风险指标初选

从尾矿库的溃坝成因出发，文献[5]将导致尾矿库溃坝的主要原因分为坝基失稳、洪水漫顶、渗流破坏和安全管理4个方面。为全面分析导致尾矿库溃坝的主要因素，将上述4种溃坝成因进行细化。根据系统化原则，利用逆向思维开展成因剖析，初步选取了19个引发溃坝的基本影响因素，如图1所示。

图1 引发溃坝的基本影响因素

1.2 考虑下游损失的风险指标选取

尾矿库溃坝风险指尾矿库在运行期间发生溃坝的可能性及溃坝可能造成的危害程度[8-9]。上述基于溃坝成因梳理的风险因素仅指发生溃坝的可能性，为建立完整的溃坝风险指标体系，需将溃坝后果考虑在内。尾矿库一旦溃坝，对下游区域的危害巨大，故下游区域作为尾矿库溃坝的风险受体，需对其具体分析并纳入溃坝风险指标体系当中。下游损失涵盖的风险指标具体内容如表1所示。

表1 下游损失涵盖的风险指标内容

1.3 溃坝风险指标体系建立

根据尾矿库的溃坝成因，总结归纳出引发溃坝的主要因素，并考虑了尾矿库溃坝导致下游区域产生的风险损失，最终选取了23个影响尾矿库安全和反映事故损失的指标，构建尾矿库溃坝风险指标体系，如图2所示。尾矿库溃坝风险指标体系分为目标层(A)、准则层(B)、指标层(C)，其中目标层(A)是以尾矿库溃坝风险综合评价结果为目标，反映尾矿库的溃坝风险状况；准则层(B)包括自然风险(B1)、固有风险(B2)和管理风险(B3)，代表尾矿库溃坝风险的主要类别；指标层(C)涵盖了23个由风险因素和风险损失组成的指标。

图2 尾矿库溃坝风险指标体系

2 基于改进AHP-EWM的模糊综合评价模型

2.1 风险指标权重确定

(1)基于改进层次分析法的主观赋权。传统AHP法使用九分位标度法，存在难以准确赋值、判断矩阵一致性检验困难等问题，故采用改进AHP法确定指标主观权重。改进AHP法是在传统AHP法的基础上作出如下改进：采用三分位标度法(如表2所示)构造初始判断矩阵D=(dij)m×m，dij的取值方法如式(1)所示[11]；利用差值法将初始判断矩阵转换为一致性矩阵。

表2 三分位标度表

(1)

其中，ri、rj分别为指标i和指标j的相对重要权数。

(2)基于改进熵权法的客观赋权。熵权法(EWM)是一种客观赋权方法，是基于熵理论中信息熵的思想，对评价指标特征值之间的变异程度进行分析，从而实现权重的合理分配[12]。笔者采用改进EWM法确定指标客观权重，即对传统计算熵权重的公式进行完善，使得在信息熵ej趋近于1时，仍可取得合理的权重值[13]。将改进AHP法中的判断矩阵进行标准化处理，可得标准矩阵X=(xij)m×m，则第j项评价指标的信息熵为：

(2)

其中，yij为标准矩阵中各个元素的比重。

第j项评价指标的熵权重为：

(3)

(3)基于最小相对信息熵的综合赋权。为了提高计算组合权重的兼容性和稳定性，采用一种基于最小相对信息熵的组合权重优化方法[14]。即对于第j项评价指标，其基于最小相对信息熵的综合权重为：

(4)

式中：Wj为主观权重；Ej为客观权重。

2.2 模糊综合评价模型

Pj=Zj·Rj

(5)

B=Z·P

(6)

式中：Zj为指标层第j项指标的权重；Z为准则层指标的权重向量。

3 实例分析

3.1 工程概况

以某尾矿库为例，该尾矿库所处的地形主要为丘陵、平地，其西面和南面两面环山。尾矿库下游区域有3个自然湾，下游1 km内的人口数量达1 000余人，建筑物总数达500余座。尾矿库周边有学校、医院、老政府家属区、农贸市场等重要设施，无35 kV以上高压电线，320 m范围内无铁路、巷道、三级以上公路、油库。该尾矿库配备有专职安全管理人员2名，制定有尾矿库管理规定和相关应急预案，并实行安全生产责任制，定期组织人员开展尾矿库安全检查，安装有位移沉降观测系统和浸润线标高观测系统，监测设施目前状态比较完好。该尾矿库的安全生产基本情况如表3所示。

表3 某尾矿库基本情况

3.2 指标权重计算

根据已建立的尾矿库溃坝风险指标体系，按照目标层、准则层、指标层构建该指标体系的层次结构模型，依据三分位标度法对同一层次之间的指标进行相对重要性比较，从而构造初始判断矩阵并计算各指标相对重要权数。采用差值法构造出一致性矩阵D，该矩阵即为各级指标间的判断矩阵。利用Matlab算法程序对各个判断矩阵进行主客观权重计算，分别求出一级指标相对于目标层的权重和二级指标相对于一级指标的单层次权重，再将两者相乘可得到二级指标的总层次权重，最后根据式(4)计算出综合权重。由于判断矩阵本身已满足一致性要求，故权重计算结果具有满意的一致性，最终权重结果对比如图3所示。

图3 各指标权重对比

从主观权重结果来看，下游人口数量C5(0.195 3)、排洪能力C19(0.133 0)和日常检查及隐患整改C22(0.127 0)的权重较大，表明下游人口数量对尾矿库的溃坝风险影响最大，尾矿库的排洪能力也是比较重要的风险因素。从客观权重结果来看，监测系统管理与维护C23(0.101 5)、日常检查及隐患整改C22(0.100 6)和强降水持续时间C2(0.077 8)的权重较大，二级指标C23、C22同属于一级指标管理风险，可见管理措施是导致尾矿库溃坝的重要因素，应定期对尾矿库库区进行检查，确保尾矿监测系统的正常运行。从综合权重结果来看，日常检查及隐患整改C22(0.123 6)、监测系统管理与维护C23(0.097 8)和下游人口数量C5(0.093 1)的权重较大，可知尾矿库的安全管理工作至关重要，且溃坝生命损失不容小觑，需高度重视下游区域的人口数量及分布，一旦发生溃坝应将下游人员及时进行疏散与转移。

3.3 风险评价结果

(1)构建尾矿库溃坝风险模糊判断矩阵。结合尾矿库的实际运行情况，对尾矿库各个溃坝风险指标的隶属度进行评判，模糊评判结果如表4所示。对准则层中的自然风险B1、固有风险B2、管理风险B3分别进行模糊综合评价，分别将指标C1～C4、C5～C19、C20～C23的隶属度矩阵进行归一化得到考虑下游损失的模糊判断矩阵。

表4 考虑下游损失的尾矿库溃坝风险指标隶属度

(2)尾矿库溃坝风险模糊评价结果。根据式(5)可得一级模糊评价结果，若考虑下游损失，则自然风险P1=(0.341 6，0.138 1，0.292 7，0.227 6)，固有风险P2=(0.319 2，0.108 0，0.284 7，0.288 2)，管理风险P3=(0.039 3，0.100 0，0.442 2，0.418 6)，进而由式(6)可得二级模糊评价结果B=(0.236 8，0.110 7，0.334 6，0.317 9)；若不考虑下游损失，则自然风险P1=(0.341 6，0.138 1，0.292 7，0.227 6)，固有风险P2=(0.114 9，0.095 3，0.360 7，0.429 1)，管理风险P3=(0.039 3，0.100 0，0.442 2，0.418 6)，二级模糊评价结果B=(0.130 7，0.104 1，0.374 1，0.391 1)。

(3)尾矿库溃坝风险等级确定。尾矿库溃坝风险评价结果如表5所示，可知在尾矿库溃坝风险评价体系中，若不将下游人口数量、下游基础设施、下游环境敏感保护目标和尾砂毒性4个指标纳入其中，会低估尾矿库的实际风险状态。

表5 尾矿库溃坝风险评价结果对比

若不考虑下游损失，该尾矿库的溃坝风险为低风险。该尾矿库的堆积干容重为1.35 t/m3，则实际堆积容重一旦超标，可能引发渗流破坏；该尾矿库所处区域日最大降雨量较大，不仅会增加排渗系统的压力，还会降低坝体的稳定性；该尾矿库的汇水面积较大，容易引发洪水漫顶。故该尾矿库存在一定的溃坝风险，相关部门应引起重视并加强安全管理，尽量避免发生溃坝事故。

若考虑下游损失，该尾矿库的溃坝风险为一般风险，风险等级提升。由于该尾矿库的下游区域人口比较密集，学校、医院、电信等基础设施数量较多，而且该尾矿库储存的铜矿，尾砂有毒性。因此，该尾矿库的下游风险较为突出。总之，考虑下游损失的溃坝风险指标体系更加完整，能够体现尾矿库的真实风险状态，对尾矿库的安全管理工作具有实际的指导意义。

4 结论

(1)综合考虑尾矿库的溃坝可能性与溃坝后果两个方面，分析并总结尾矿库的溃坝风险因素，同时将下游人口数量、下游基础设施、下游环境敏感保护目标和尾砂毒性纳入指标体系，并将指标按照自然风险、固有风险和管理风险进行归类，建立了考虑下游损失的尾矿库溃坝风险指标体系，共包含23个具体的风险指标。

(2)采用改进AHP-EWM法确定尾矿库溃坝风险指标权重，利用模糊综合评价法对某尾矿库进行溃坝风险评价，最终得出考虑下游损失与不考虑下游损失的尾矿库溃坝风险等级分别为一般风险和低风险。通过对比分析可得，考虑下游损失的尾矿库溃坝风险指标体系更加完善，更具备科学性与适用性。