基于模糊综合评价模型的阿希金矿尾矿库风险评价

胡颖 唐丽玉

摘要：尾矿库是具有高势能的重大危险源，在尾矿库事故中溃坝事故占比很高。阿希金矿是新疆最大的金矿，本文综合评价了该尾矿库溃坝风险。目前尾矿库安全评价指标体系未能形成统一的标准与规范。根据尾矿库溃坝致灾因素的关联情况，将影响尾矿库安全性的32个风险因子筛选成18个评价指标，构建评价指标体系。利用主客观综合赋权法进行权重赋值并得出影响尾矿库安全性较大的两个评价指标（尾矿库监测系统及日常管理系数），将模糊综合评价模型应用于尾矿库溃坝风险评价，计算分析得出新疆阿希金矿尾矿库的风险等级为“较好（B）”。通过实例分析表明本文所构建的评价指标体系及采用的评价方法适合尾矿库溃坝风险评价。

关键词：阿希金矿；尾矿库；指标体系；风险评价；主客观赋权；模糊综合评价

基金项目：国家重点研发计划课题（2017YFB0504203）。

Risk evaluation of Axi Gold Mine tailing dam based on fuzzy comprehensive evaluation model

HU Ying1，2， TANG-Liyu1，2

1.National Eng. Research Center of Geospatial Information Technology， Fuzhou University， Fuzhou 350108 2.Key Laboratory of Spatial Data Mining & Information Sharing of Ministry Education， Fuzhou University， Fuzhou 350108

Abstract： The tailings dam is a major hazard with high potential energy， and the dam-breaking accidents account for a high proportion of the tailings dam accidents. The Axi Gold Mine is the largest in Xinjiang. In the paper， a comprehensive evaluation of the dam-breaking risk of the tailings dam was carried out. In view of the current tailings dam safety evaluation index system has not yet formed a unified standard and norms， according to the correlation of the tailings dam failure factors， through correlation analysis， will screen the 32 risk factors that affect the safety of the tailings dam into 18 evaluation indicators， built an evaluation indicator system. The subjective and objective comprehensive weighting method was used to assign weights and obtain two evaluation indicators （tailing pond monitoring system and daily management coefficient） that greatly affect the safety of the tailings pond， and apply the fuzzy comprehensive evaluation model to the tailings pond. According to the dam-breaking risk evaluation and calculation analysis， the risk grade of Axi Gold Mine tailings dam in Xinjiang is "Better（B）". Through case analysis， it is shown that the evaluation index system and evaluation method constructed in this paper are suitable for the risk assessment of tailings dam failure.

Key words： Axi gold mine； tailings pond； index system； risk evaluation； subjective and objective weighting； fuzzy comprehensive evaluation

1.引言

尾礦库是具有高势能的重大危险源，截至到2017年底，我国共有尾矿库约10500座[1]。针对1960-2015年发生的109起尾矿库事故进行分析，表明尾矿库溃坝占尾矿库事故比60%以上[2-3]。尾矿库溃坝不仅造成大量尾矿下泄污染周围环境，而且威胁下游居民的生命财产安全[4-6]。因此，研究尾矿库溃坝风险，对相关部门进行尾矿库的管理和监测、保护矿区环境及制订应急措施具有重要意义。

目前，有关尾矿库的安全评价方法尚无统一规范。评价方法主要有层次分析法、集对分析法、可靠度理论法、模糊数学综合评价法，人工神经网络法[7]。层次分析法主要是根据尾矿库安全评价指标体系所建立的目标层、准则层和方案层三层结构体系，从而确定各层的权重[8-12]。集对分析主要是将具有一定联系的两个集合利用同（同一）、异（差异不确定性）、反（对立性）三个侧面研究系统得到联系度，根据联系度确定尾矿库所处的风险等级[13-15]。可靠度理论法利用概率统计和运筹学理论将尾矿库溃坝风险（或稳定性）定量化，将尾矿库溃坝的概率（或保持稳定的概率）作为可靠度进行研究，根据可靠度确定可靠级别[16]。模糊数学综合评价法是根据模糊理论将难以定量研究的定性评价转化为定量评价，利用隶属度函数具体量化风险评价指标，在评价过程中可以最大限度降低人为主观因素的干扰，对不确定性问题做出更加科学性及客观性的量化评价[17-23]。人工神经网络克服了传统方法需要精确模型的不足，特别适合处理需要同时考虑许多因素且信息模糊的问题，利用已知数据构建训练区从而预测尾矿库的溃坝风险[24-25]。

其中，可靠度理论法和人工神经网络需要大量的样本和统计数据做支撑，因此在数据量较少的情况下不建议采用。利用层次分析[26]这一主观赋权法确定尾矿库风险评价指标权重，弊端在于过分依赖主观的定性分析，而客观赋权法恰好可以弥补这一缺点，故可以采用熵值法[27]和变异系数法[28]确定各指标的权重。由于主观赋权法和客观赋权法都存在着信息的损失，因此本文选择主客观组合赋权法[29-30]确定评价指标的最终权重，以最大限度地减少信息损失，使得赋权结果更加准确。尾矿库的安全本身带有不确定性，将模糊数学综合评价法用于尾矿库溃坝风险评价，从而实现评价结果的定量化，得到尾矿库所处风险的等级。且该方法可以与其他评价方法结合运用，相互补充以完善评价结果，从而更好保障尾矿库的运行安全。

由于目前国内外没有形成统一的尾矿库溃坝风险指标的分级标准。在进行尾矿库溃坝风险评价中，李全明[31]提出的由16个指标组成的尾矿库溃坝风险指标体系得到较为广泛的应用，谭钦文[1]基于系统性与多元性对评价指标体系进行优化进而提出由20个指标组成的尾矿库重大危险源评价指标体系。因此，本文选取各自独立构建的尾矿库风险评价指标体系的18篇文献[1，8-15，17-21，23，32-34]中影响尾矿库安全性的风险因子利用相关性分析进行筛选，从而建立尾矿库溃坝风险指标体系，并运用主客观组合赋权法确定指标体系的权重，利用模糊数学评价法对尾矿库进行综合评价，得出尾矿库的安全等级，为确保尾矿库安全运行及安全隐患排查治理提供依据。

2.尾矿库安全评价模型

2.1评价指标体系的建立

根据科学性、系统性和实用性的原则，结合尾矿库安全状况受多因素影响的特点，将18篇文献中影响尾矿库安全性的风险因子全部列出，依照不同评价指标保留且相同的评价指标只保留一个的原则筛选出32个风险因子，再利用相关性分析进行进一步的筛选，通过剔除相关性较大的指标，即该指标在0.05水平（双侧）以及0.01水平（双侧）显著相关，提取其中不存在显著相关性的18个风险因子作为最终的评价指标（表1）。

将上述筛选完成的18个评价因子按尾矿库自身特点、尾矿库的周围环境以及尾矿库的安全管理这三个方面进行划分，从而根据目标层、准则层和方案层构建尾矿库安全评价指标体系（图1）。

2.2确定指标权重

2.2.1层次分析法确定权重

层次分析法利用判断矩阵对各层中的评价指标进行权重分配，将判断矩阵的随机一致性比率（CR）用作矩阵一致性检验，以确定权重分配是否合理。当随机一致性比率CR<0.10时[10]，认为判断矩阵的不一致程度在允许范围之内，具有较好的一致性，否则就需要对判断矩阵进行调整。

各层指标的权重为上级权重的继续分解，各层指标权重计算时采用系统内部权重累计和为1的形式，最终的组合权重需要乘以上级指标权重值。最后对组合权重进行一致性检验（式1），若CR<0.10，则认为最终确定的指标权重合理[13，17-18，37]。

式中，bi（i=1，2，3，…，n）为方案层各因素对总目标S的排序；CIi、RIi（i=1，2，3，…，n）分别为每层元素对其上层元素层次单排序一致性指标和随机一致性指标。

2.2.2熵值法确定权重

在利用熵值法进行权重的确定，首先要对数据进行归一化处理，将各项不同质指标同质化，且正负向指标数值代表不同的含义。通过对各指标熵值及差异系数的计算，利用式（2）得出各项指标的权重[27]。

其中，Wj是各项指标的权重，gj表示第j项指标的差异系数，差异系数与熵值的关系为：gj=1-ej，对于第j项指标，指标值的差异值越大，熵值也就越小，对方案评价的作用就越大，其权重也就越大。

2.2.3变异系数法确定权重

在变异系数法赋权过程中，指标中各观测值的差异程度越大，表明此指标重要性越高，即此指标权重也就越大。由于评价指标体系中的各项指标的量纲不同，不宜直接比较其差别程度。为了消除各项评价指标的量纲不同的影响，需要用各项指标的变异系数来衡量各项指标取值的差异程度。利用式（3）得出各项指标的权重[28]。

2.2.4主客观组合赋权法

式中，Qi是綜合赋权后的各项指标的权重，λ为偏好系数；Wi表示利用层次分析法计算出的权重；Wi表示利用熵值法或变异系数法计算出的权重。

2.3尾矿库安全模糊综合评价

基于《尾矿库安全技术规程》（AQ2006-2005）及相关文献将尾矿库安全量化为安全（A）、较好（B）、带病（C）和危险（D）四个等级，见表2。

基于所构建的评价因子集特征值矩阵及其标准特征值矩阵，利用相对隶属函数分别将矩阵变换为与之对应的相对隶属度矩阵R=（rij）和S=（sih）。随后利用评价因子集的指标权向量ω=（ωi），i=1，2，…，m，结合欧式距离dhj得出最终的模糊综合评价模型（式5），结合式（6）计算出尾矿库安全级别的最终得分[17]。

3.阿希金矿尾矿库安全性评价

3.1研究区域概况

阿希金矿尾矿库（图2）属于西部黄金伊犁有限责任公司，位于新疆维吾尔自治区伊宁县境内，属于伊犁哈萨克自治州管辖，矿区地处大阿希河与小阿希河之间的河间地块式山岭地带，地理坐标为东经81.6236°，北纬44.2370°，高程为1513m，距离伊犁河主河道直线距离为46km；该尾矿库为山谷型尾矿库，设计库容360万m3，大坝长210m，宽21m，高58m，为四等库。阿希金矿尾矿库所在的伊犁哈萨克自治州年降水量在200mm～550mm之间，山区降雨量较大；该尾矿库所处位置属低山丘陵蒿属草原带，植被以蒿草类自然植被为主，为伊犁谷底的春秋草场。

2018年8月与2019年9月对阿希金矿进行了两次实地调查。目前该库运行良好，但已接近服务年限尾期，服務年限内排放尾矿总量为204.93万m3。该库目前运行及稳定性良好，浸润线高度处于安全范围内，该库有两套毫米级坝体变形监测设备，两个溢洪井，一个环保库（图3）。尾矿经压滤后排入尾矿库，含水量约为22%，颗粒极小，为粉尘尾矿[35-36]。

3.2基于模糊综合评价法的尾矿库安全评价流程

（1）构建尾矿库安全评价指标体系

以新疆阿希金矿尾矿库为例，将1.1所筛选出的18个评价因子作为评价该尾矿库安全的指标体系。

（2）确定评价指标的权重

根据1.2节所阐述的原理及计算方法，利用层次分析法、熵值法以及变异系数法分别确定评价指标权重，利用AHP-熵值组合赋权法和AHP-变异系数组合赋权法，根据公式（4）取偏好系数λ为0.5，计算出各评价指标的综合权重（表3）。

（3）尾矿库安全模糊综合评价

对于上述所确定的指标体系中，参照《尾矿库安全等级标准》《尾矿库安全监督管理规定》《防洪标准》《尾矿库安全技术规程》《水文气象资料》等国家规范与规定以及相关文献内容进行等级划分，将尾矿库溃坝风险指标分成安全（A）、较好（B）、带病（C）和危险（D）四个级别（表4）。

通过对新疆阿希金矿尾矿库实地考察及咨询西部黄金伊犁有限公司，根据新疆历年水资源公报及相关文献[17，23，31，32，36-37]，并结合空间分辨率为30m的DEM数据及无人机遥感影像，该尾矿库的18个指标实际值和依据指标体系的分级标准得出的相应等级见表4。其中，坝高、库容、地下水情况以及年降水量属于递增型指标，其他指标均属于递减型指标。

基于评价因子集X=（0.75，0.75，0.75，7，344.3，0.75，30，360，58，4，2，0.75，5.5，150，0.75，0.75，0.625，0.75）T和相应评价指标的标准特征值矩阵Y利用相对隶属函数构建与之对应的相对隶属度矩阵，随后利用已经计算出的评价因子集的指标权重结合欧式距离得出最终的模糊综合评价模型，依据公式（6）计算得到新疆阿希金矿尾矿库的安全性总得分为80.54分（AHP-熵值组合赋权法）和83.95分（AHP-变异系数组合法），根据尾矿库安全划分等级（表2）得出新疆阿希金矿尾矿库的安全级别为“较好（B）”。

3.3结果分析

（1）根据1.1将影响尾矿库安全性的32个风险指标利用相关性分析进行筛选，通过提取其中不存在显著相关性的18个风险性指标构建的评价指标体系。利用主客观赋权法并结合模糊评价综合模型计算出新疆阿希金矿尾矿库安全性的得分，且根据尾矿库安全划分等级（表2）得出新疆阿希金矿尾矿库的安全级别为“较好（B）”。故应加强对尾矿库的安全检查力度，从而加强尾矿库的安全管理，以避免尾矿库的溃坝风险。

（2）根据层次分析法确定的权重可以看出尾矿库监测系统和日常管理系数这两个评价指标权重较高，而熵权法确定每个指标的权重都较为平均，变异系数法确定的权重范围在0.07-0.09内的指标有7个，分别是尾矿库监测系统、日常管理系数、地质条件、地下水情况、排洪系统的完好性、排洪设施能力系数以及抗震能力。根据AHP-熵权法和AHP-变异系数法综合权重可知，尾矿库监测系统和日常管理系数两个评价指标权重较高，说明在尾矿库的运行过程中要多注重尾矿库的监测和日常管理。

4.结论

（1）针对目前尾矿库安全评价指标体系还未形成统一的标准与规范，本文根据尾矿库溃坝致灾因素的关联情况，利用相关性分析筛选出不存在显著相关的风险性指标，构建最终的评价指标体系。

（2）由于主观赋权法和客观赋权法优缺点互补，故利用主客观综合赋权法对评价指标进行权重赋值，并利用模糊评价综合模型对新疆阿希金矿尾矿库进行尾矿库安全性的综合评价，最终得出阿希金矿尾矿库的安全级别为“较好（B）”，与新疆阿希金矿尾矿库的运行现状相符合。

（3）通过主观赋权法，客观赋权法以及主客观综合赋权法所计算出的各个评价指标的权重值，得出其中对尾矿库安全性影响最大的两个指标：尾矿库监测系统以及日常管理系数。

综上所述，通过基于模糊综合评价模型对尾矿库的安全评价及风险分析，不仅可以使尾矿库的安全管理人员及相关安全部门了解到尾矿库的安全现状，也便于发现潜在的风险因素，加大对尾矿库的检查力度以排查尾矿库的风险隐患，从而确保阿希金矿尾矿库的安全运行。

参考文献：

[1]谭钦文，辛保泉，万露，等.尾矿库重大危险源风险评价指标及分级方法[J].中国安全生产科学技术， 2018， 14（7）： 99-106.

[2]吴宗之，梅国栋.尾矿库事故统计分析及溃坝成因研究[J].中国安全科学学报， 2014， 24（9）： 70-76.

[3]张家荣，刘建林.中国尾矿库溃坝与泄漏事故统计及成因分析[J].中国钼业， 2019， 43（4）： 10-14.

[4]Burritt R L ， Christ K L . Water risk in mining： Analysis of the Samarco dam failure[J]. Journal of Cleaner Production， 2018， 178： 196-205.

[5]Syifa M， Park S J， Rizqiyanto A R， et al. Flood Mapping Using Remote Sensing Imagery and Artificial Intelligence Techniques： A Case Study in Brumadinho， Brazil[J]. Journal of Coastal Research， 2019， 90（sp1）： 197.

[6]Porsani J L， Jesus F， Stangari M C. GPR Survey on an Iron Mining Area after the Collapse of the Tailings Dam I at the Córrego do Feija？o Mine in Brumadinho-MG， Brazil[J]. Remote Sensing. 2019， 11（7）： 860.

[7]楊金艳，蒲生彦，谢燕华，等.尾矿库溃坝风险评价方法的研究进展[J].环境污染与防治， 2014， 36（11）： 84-88+91.

[8]刘畅，徐必根，唐绍辉.基于AHP的尾矿库灾害风险评估方法研究[J].有色金属（矿山部分）， 2012， 64（6）： 87-91.

[9]李玉涵.尾矿库安全评价的模糊层次析分析法[J].现代矿业， 2017， 33（5）： 209-211.

[10]瞿美仙，吴浩，昝军，等.基于模糊层次分析法的湖北某尾矿库风险评价[J].中国矿业， 2019， 28（S2）： 148-153.

[11]梁力，刘奇，李明.基于变权综合层次分析法的尾矿库溃坝风险模型[J].东北大学学报（自然科学版）， 2017， 38（12）： 1790-1794.

[12]尹君，王玉杰，吕林，等.基于模糊层次和集对分析的尾矿库安全评价及预测[J].金属矿山， 2010（10）： 159-161+188.

[13]郑欣，许开立，周家红.基于集对分析的尾矿库安全评价研究[J].安全与环境学报， 2008（1）： 160-162.

[14]谭星宇，谢贤平，唐绍辉.基于灰色关联度与集对分析的尾矿库溃坝风险评价[J].黄金， 2014， 35（9）： 70-73.

[15]魏勇，许开立.集对分析法在尾矿坝稳定性安全评价中的应用[J].中国安全生产科学技术， 2012， 8（9）： 101-105.

[16]吕淑然，张新浩.基于可靠度分析的尾矿坝稳定性评价[J].现代矿业， 2013， 29（6）： 35-37+47.

[17]杨丽红.尾矿坝溃坝危险性指标建立及安全性评价方法的研究[D].北京：中国地质大学， 2009.

[18]车军平.基于模糊综合评价法的尾矿库环境风险评价研究[D].兰州：兰州大学， 2015.

[19]王醒，马斌，纪琨.基于模糊综合评价的尾矿库安全评价研究[J].水利与建筑工程学报， 2015， 13（3）： 125-129+167.

[20]李想.基于多因素模糊综合评价的某尾矿库稳定性评价[J].安全与健康， 2014（2）： 42-44.

[21]杨泽，周科平，康海岳，等. SPA和模糊数学在尾矿库安全评价中的应用研究[J].环境工程， 2016， 34（1）： 108-111+140.

[22]张秋文，章永志，钟鸣.基于云模型的水库诱发地震风险多级模糊综合评价[J].水利学报， 2014， 45（1）： 87-95.

[23]李全明，王云海，张兴凯，等.尾矿库溃坝灾害因素分析及风险指标体系研究[J].中国安全生产科学技术， 2008， 4（3）： 50-53.

[24]王英博，王琳，李仲学.基于HS-BP算法的尾矿库安全评价[J].系统工程理论与实践， 2012， 32（11）： 2585-2590.

[25]姚景新.深度神经网络算法在尾矿库安全评价中的应用研究[D].杭州：浙江工业大学， 2015.

[26]铁永波，唐川.层次分析法在单沟泥石流危险度评价中的应用[J].中国地质灾害与防治学报， 2006（4）： 79-84.

[27]罗军刚，解建仓，阮本清.基于熵权的水资源短缺风险模糊综合评价模型及应用[J].水利学报， 2008（9）： 1092-1097+1104.

[28]赵微，林健，王树芳，等.变异系数法评价人类活动对地下水环境的影响[J].环境科学， 2013， 34（4）： 1277-1283.

[29]张晨，王清，陈剑平，等.金沙江流域泥石流的组合赋权法危险度评价[J].岩土力学， 2011， 32（3）： 831-836.

[30]杨宇.多指标综合评价中赋权方法评析[J].统计与决策， 2006（13）： 17-19.

[31]李全明.尾矿库溃坝风险指标体系及风险评价模型研究[J].水利学报， 2008， 39（Z2）： 989-994.

[32]胡炼.尾砂坝环境风险评价体系构建及运用研究[D].吉首：吉首大学， 2016.

[32]黄志平.龙角山尾矿库的风险评价及其溃坝灾害损失评估研究[D].武汉：武汉科技大学， 2016.

[34]许月，卢明银，王苗.基于云模型的尾矿库安全评价[J].矿业研究与开发， 2017， 37（8）： 100-103.

[35]Yu D ， Tang L ， Chen C . Three-dimensional Numerical Simulation of Mud Flow from A Tailing Dam Failure Across Complex Terrain[J]. Natural Hazards and Earth System Sciences， 2020， 20（3）： 727-741.

[36]于大宇.基于虚拟地理环境的尾矿库溃坝模拟与分析.福州：福州大学， 2020.

[37]王婵.新疆阿希金矿地下水污染评价及防治研究[D].西安：长安大学， 2014.