結合GIS空間分析的老灌河流域尾礦庫潰壩事故模擬預警

張珂+李慶召+劉仁志+張志嬌

摘要：根據尾礦庫潰壩特征，引入泥流水力計算對尾礦庫潰壩事故進行計算模擬，并將模擬結果與GIS工具耦合，從空間層面對潰壩事故進程和產生的影響進行動態預測和展示，從而建立尾礦庫潰壩事故預警體系，為事故應急工作提供指導。以南水北調中線水源地支流老灌河流域為例，選取流域上下游兩個典型尾礦庫進行潰壩事故情景模擬，得出上游尾礦庫潰壩事故影響范圍55 km，對該尾礦庫下游3～5 km處居民區有嚴重危害，事故影響時間約6～7 h；下游尾礦庫潰壩事故影響范圍13 km，主要破壞該尾礦庫周邊農業資源，事故影響時間約2 h。模擬結果在驗證本研究實用性的同時，為該流域尾礦庫潰壩事故預警應急措施和流域日常安全管理提供決策支持。

關鍵詞：尾礦庫；潰壩模擬；GIS；事故預警

中圖分類號：X936文獻標志碼：A文章編號：1672-1683（2017）01-0095-07

Abstract：This article was aimed to establish an early warning system of tailings dam-break accidents，and provide guidance for emergency operation.The model of sand flow from tailings dam-break was used to simulate accident scenarios based on the characteristic of tailings dam-break.Combining simulation results with GIS tools，the process and impact of accidents were predicted and displayed spatially.The article used Laoguan River Basin，a tributary of the middle route of South to North Water Transfers，as a study case，and chose two typical tailing ponds from upstream and downstream to simulate accident scenario.The scale of the accident impact from upstream was 55 km，and the residential land in 3～5 km downstream of the tailing pond would be subjected to serious harm.The duration of accident impact was about 6～7 hours.The scale of the accident impact from downstream was 13 km，and the agricultural resources from downstream would be subjected to main harm.The duration of accident impact was about 2 hours.The simulation results have verified the practicability of the research and provided decision supports for emergency measures of tailings dam-break and daily safety management in this basin.

Key words：tailing pond；dam-break simulation；GIS；early warning of accident

尾礦庫潰壩事故是各類尾礦庫安全事故中破壞性最強、后果最為嚴重的一類。目前國內對尾礦庫潰壩事故的模擬與后果分析進行了大量研究[1]，在致災機理[2]和潰壩水流計算[3]的基礎上建立尾礦庫潰壩數學模型[4-6]，對潰壩后果的影響范圍與程度進行計算[7-8]；從多指標入手，展開潰壩事故損失風險評估和對潰壩風險評價模型的探索[9-10]；以及根據事故特征與模擬結果，對事故應急處理措施進行的初步探究[11-12]和尾礦庫安全管理措施的探索[13]。由于尾礦庫潰壩事故具有突發性，潰壩速度快、波及范圍廣、破壞性強，因此預先做好空間層面的事故情景模擬與事故影響預測，對事故進行直觀展示，有助于快速、準確合理的對快速合理應對尾礦庫突發潰壩事故。本文在尾礦庫潰壩事故模擬研究基礎上，將GIS工具與潰壩模型聯用，發揮其空間數據處理優勢[14-15]，建立潰壩事故預警體系，對保障尾礦庫密集區居民人身及財產安全具有重大意義。

1 基本情況

老灌河流域位于河南省境內西南部，發源于洛陽欒川縣，經南陽盧氏縣、西峽縣，由淅川縣匯入南水北調中線水源地丹江口水庫。老灌河主干流長254 km，流域面積4 219 km2。流域內地形北高南低，落差1 340 m，是典型的山區型河道。老灌河流域礦產資源豐富，開發主要集中在上游欒川縣和盧氏縣。流域上游存在大量尾礦庫，是整個流域的一個巨大的潛在風險，一旦出現潰壩事故，直接威脅下游河道兩岸居民安全，并可能對老灌河及丹江口水庫水資源和生態環境產生較大的破壞作用。

自當地安監部門、礦區及尾礦庫進行資料與現場調研得知，老灌河流域內現有主要尾礦庫34座，其中欒川縣境內23座，盧氏縣2座，西峽縣5座，淅川縣1座。盧氏縣境內還有金礦、釩礦尾渣直接堆存各6處。老灌河流域地理位置與各尾礦庫分布見圖1。

2 事故模擬與展示

2.1 事故模擬

2.1.1 情景設置

尾礦庫的危險性由尾礦庫的庫容和壩高、尾砂毒理性質和尾礦庫安全狀況所決定[16-17]。根據調研所得各尾礦庫信息，在流域上、下游分別選取一座綜合危險性最高的尾礦庫（C6、C31）作為重點事故源，模擬該流域最可能發生、潛在影響最大的潰壩事故，從而使基于上述情景所提供的預警決策參考足

以應對最大險情。C6、C31號尾礦庫基本信息見表1。

情景（1）：

C6尾礦庫位于老灌河流域上游欒川縣境內，礦種為鉬礦，為老灌河流域上游尾礦庫主要礦種，尾礦庫容（W）450萬m3，壩高95 m，使用期已滿服務年限，風險性高、易發生潰壩事故。情景（1）假設C6尾礦庫發生潰壩事故。

情景（2）：

C31尾礦庫位于老灌河下游淅川縣境內，距丹江口水庫入庫口約32 km，礦種為金礦，為老灌河流域中下游尾礦庫主要礦種，尾礦庫容（W）22.5萬m3，壩高70 m，已投入使用21年，為老灌河中下游具有代表性的高危尾礦。情景（2）假設C31尾礦庫發生潰壩事故。

2.1.2 潰壩砂流計算

尾礦庫潰壩過程雖與小型水庫潰壩類似，但尾礦壩外坡較大，壩址處到達泥深峰值所需時間比水壩產生水深峰值所需時間長；此外，尾礦庫潰壩時庫內尾砂隨洪水傾瀉，所產生的砂流更似稀性泥石流。尾礦庫潰壩事故特征決定了尾礦庫潰壩與水庫潰壩、泥石流各有異同。計算潰壩砂流時，可考慮采用類比方法，結合水壩潰壩與泥石流計算特點，修正土體系數，引入泥流水力計算。

（1）潰口寬度。

采用黃河水利委員會水力科學研究院根據實際資料統計得到的公式：

2.2 預警展示

在ArcGIS軟件中對該區域DEM圖進行水文分析，獲取集水流域和河道矢量數據，結合調研所得老灌河各監測斷面基本資料，對所篩選尾礦庫進行潰壩砂流計算。老灌河流域DEM高程圖見圖2，各主要斷面位置及2013年平均水位數據見表2。

將上述各要素的計算結果輸入ArcGIS軟件中，轉化為河段矢量數據在空間上予以展示，明確不同時段潰壩事故影響區域。尾礦庫發生潰壩后，在事故影響傳遞到下游前，將模擬計算結果與事發地土地利用矢量數據圖層、行政區劃矢量數據圖層以及集水流域矢量數據圖層等進行空間層疊，生成事故空間圖示，并依據盡快制定針對性的應對措施，最大程度減小和避免人員財產損失。

3 結果與討論

3.1 模擬結果與展示

按照尾礦庫潰壩砂流計算方法，為使在實際應用中偏于安全，以庫容作為泄砂量，取風險最高、事故影響最大的情況，對情景（1）、（2）潰壩事故砂流向下游的演進情況予以分析預測，并可根據含泥沙水流水位流量關系曲線求得最大流量時的含泥沙水流深度，結果如下。

情景（1）：

由圖3、圖4和表3的潰壩事故砂流計算結果可知，事故發生地最大泄砂量高達20 000 m3/s，計算所得泥水深度為174.78 m；1 min內，泄砂量隨距事發地距離的增加大幅減小，至事發地2 km處泄砂量降至1 000 m3/s，計算泥水深度降至10 m；距事發地2～20 km河段到達泄砂量仍以較明顯的速度下降，泥水深度自2 km處的10 m，經60 min到達距事發地20 km處時已降至1 m。20 km后，泄砂量隨事故持續時間、泥沙到達距離緩慢減小，事發6 h后尾砂到達距事發地55 km處時，泥水深度已降至0.6 m，之后變化已不明顯。將砂流量、泥水深度數據在GIS中進行聚類分析可得出，C6尾礦庫潰壩后，事故最大影響范圍約為55 km，其中受影響嚴重及較嚴重河段約20 km，整個事故約歷經6～7 h，尾砂到達下游某斷面時間隨斷面距事故點距離的增加而增大，即下游在承受更小泄砂量的同時也擁有更多的應急時間。情景（1）事故模擬展示見圖5。

情景（2）：

由圖6、圖7和表4的潰壩事故砂流計算結果可知，事故發生地最大泄砂量931 m3/s，計算所得泥水深度為22.59 m，；1 min內，泄砂量隨距事發地距離的增加大幅減小，至事發地1.5 km處泄砂量降至65 m3/s，計算泥水深度降至10 m；距事發地1.5～11 km河段到達泄砂量仍不斷下降，但降幅逐漸減小，泥水深度自1.5 km處的10 m，經約40 min到達距事發地11 km處時降至1 m，又經20 min后至13 km處泥水深度已降至0.2 m，之后變化已不明顯。

將砂流量、泥水深度數據在GIS中進行聚類分析可得出， C31尾礦庫潰壩后，事故最大影響范圍約為13 km，其中受影響嚴重河段約1.5 km，保守估計整個事故約歷經2 h，尾砂到達下游某斷面時間隨斷面距事故點距離的增加而增大。

在情景（1）C6尾礦庫庫容、壩高均遠大于與情景（2）C31尾礦庫的初始條件下，計算所得情景（1）事故發生點處最大泄砂量、泥水深度遠高于情景（2）所得結果，其事故持續時間和影響河段距離也明顯長于情景（2）事故；然而由圖表數據可知，盡管事發點計算數值差距較大，但兩事故均在事發1 min后泄砂到達1.5～2 km段，且泥水深度此時均降至10 m。因此比較模擬結果可知，潰壩砂流模型既反映了尾礦庫庫容、壩高等初始數據對事故影響距離、事故持續時間的正相關關系，同時也表征了潰壩事故所具有的瞬時性、爆發性特征。

3.2 預警響應

將事故情景計算結果輸入ArcGIS軟件，轉化為河段矢量數據，生成事故模擬結果空間展示圖（見圖5、圖8）。圖中白色線條代表老灌河，以不同灰度線段覆蓋原白色線條，表示受事故影響的河段位置及其所受影響的輕重程度；將河段與該流域土地利用現狀圖進行空間層疊，展示受影響河段所流經的土地類別，直觀反映出可能遭受事故危害的受體類型；同時，將該流域最受關注的受體（丹江口水庫入庫口、老灌河流域地下水源）與河段進行空間層疊，亦可從直觀上判斷上述受體是否受到事故源及事故波及河段的影響。

由圖5可知，C6尾礦庫潰壩地點下游3～5 km處分布有居住用地，屬于事故嚴重影響范圍內。砂流從發生險情到蔓延至該居住用地區域不足5 min，如不在其上游采取攔截措施，該區域居民根本來不及撤離，事故一旦發生人員將無一幸免，居民房屋亦將受到嚴重損毀。因此，應在該尾礦庫下游附近建立攔截壩，或考慮遷移該尾礦庫下游5 km范圍內居住人員。事故發生后5～60 min，潰壩砂流將流經距事故發生地下游5～20 km河段，該段為事故影響較重區域，砂流所到之處大多為耕地，農業資源將遭受較嚴重的損失。事故發生后1 h，砂流隨河進入盧氏縣，對沿河耕地產生小范圍破壞；事故發生后5 h，由于河流對流擴散作用和支流的匯入，潰壩砂流產生的泥水深度已低于1 m，對周邊環境影響輕微，同時5 h后砂流流至盧氏縣居住用地區域，該區域居民應注意遠離河道。潰壩砂流對下游西峽、淅川縣河段影響輕微，下游居民區、自然保護區及丹江口水庫入庫口均不會受到潰壩危害，慎重起見，可在事故發生后1～4 d對下游斷面重金屬水質指標進行連續監測，密切關注潰壩砂流攜帶的有害物質可能對河流下游水質產生的影響，及時防止污染的產生。

由圖8可知，C31尾礦庫潰壩事故發生后2 min，砂流流至距尾礦庫2 km處，此段區域為事故嚴重影響區，河流周邊多為耕地，泥水深度在該段區域達8 m以上，因此老灌河該河段周邊農業資源將受到巨大破壞。事故發生后2～40 min，潰壩砂流將流經距事故發生地下游2～10 km河段，該段為事故影響程度一般，砂流所到之處大多為耕地，農業資源將遭受一定損失。10 km后，砂流開始于事故發生后約50 min匯入老灌河干流，同時也開始流經淅川縣縣城人口密集區。但此時泄砂最大流量僅不到8 m/s，屬于老灌河日常流量范圍，泥水深度也已低于0.5 m，砂流對河流及周邊各敏感受體基本不產生破壞，其影響可忽略不計。但由于自此段開始，河流將依次流經人口密集區、地下水源區、自然保護區并到達丹江口水庫入庫口，慎重起見，可在事故發生后1～3 h內對下游斷面氰化物水質指標進行連續監測，密切關注潰壩砂流攜帶的有害物質對河流下游各敏感受體水質產生的影響，及時防止污染的產生。

尾礦庫潰壩事故發生突然、災情蔓延速度快，將對潰壩下游河流及沿岸大面積地區造成嚴重的物理破壞。防范尾礦庫潰壩事故所造成的危害，保護尾礦庫附近居民及財產安全是應急重點。

4 結論

本研究使用尾礦庫潰壩砂流計算模型對尾礦庫潰壩事故進行情景模擬，反映潰壩事故不同于一般水污染事件的災害特征，運用模型計算潰壩砂流向下游的演進情況、潰壩砂流到達和離開下游各斷面的時間和最大流量等，并與GIS數據相結合，對潰壩事故的進程與影響進行空間展示，為提前做好事故應急工作提供了理論依據和直觀參考，有助于減輕尾礦庫潰壩事故對下游居民人身及財產安全產生的損害。

本文所選擇的研究流域為典型的山區河流流域，河流上游存在大量尾礦庫，對流域安全構成威脅；河流下游匯入丹江口水庫，直接關系南水北調中線供水安全。根據各尾礦庫自身特征及流域分布情況，選取兩個易發生事故的、事故危害嚴重且具有代表性的尾礦庫進行事故情景模擬，其中上游尾礦庫潰壩事故波及范圍廣、破壞力強，事故影響范圍集中在流域上游；下游尾礦庫潰壩事故主要破壞該尾礦庫周邊農業資源，砂流在進入人口密集區、地下水源區、自然保護區及南水北調中線水源地前基本消散。

本研究為達到快速預警模擬的目的，所使用的尾礦庫潰壩砂流計算模型對潰壩事故進行了簡化處理，將尾礦庫潰壩事故源視為瞬時點源，簡化了尾砂下泄過程；將水流視為裹挾了均勻濃度泥沙的水流下瀉，未考慮泥沙的沿程沉積。在今后的研究中，應將上述問題考慮在內，進一步提高模擬的精確性，完善本模型。

參考文獻（References）：

[1] 張力霆.尾礦庫潰壩研究綜述[J].水利學報，2013，44（5）：594-600.（ZHANG Li-ting.Summary on the dam-break of tailing pond[J].Journal of Hydraulic Engineering，2013，44（5）：594-600.（in Chinese））

[2] 鄭欣，許開立，魏勇.尾礦壩潰壩致災機理研[J].中國安全生產科學技術，2008，4（5）：8-12.（ZHENG Xin，XU Kai-li，WEI Yong.Study on the disaster-causing mechanism of the tailings dam falling[J].Journal of Safety Science and Technology，2008，4（5）：8-12.（in Chinese））

[3] 許遠瑤，喬永安.潰壩水流計算的幾個問題[J].人民黃河，1983（6）：30-33.（XU Yuan-yao，QIAO Yong-an.A few questions of dam-breaking flow calculation[J].Yellow River，1983（6）：30-33.（in Chinese））

[4] 王純祥，白世偉，江崎哲郎，等 .泥石流的二維數學模型[J].巖土力學，2007，28（6）：1237-1241.（WANG Chun-xiang，BAI Shi-wei，ESAKI Tetsuro，et al.Two-dimensional mathematical model of debris flow[J].Rock and Soil Mechanics，2007，28（6）：1237-1241.（in Chinese））

[5] 郭朝陽，唐治亞.尾礦庫潰壩模型探討[J].中國安全生產科學技術，2010，6（1）：63-67.（GUO Chao-yang，TANG Zhi-ya.Study on the tailings dam-break model[J].Journal of Safety Science and Technology，2010，6（1）：63-67.（in Chinese））

[6] 張紅武，劉磊，卜海磊，等.尾礦庫潰壩模型設計及試驗方法[J].人民黃河，2011，33（12）：1-5.（ZHANG Hong-wu，LIU Lei，BU Hai-lei，et al.Test and design of tailings dam model[J].Yellow River，2011，33（12）：1-5.（in Chinese））

[7] 陶東良.某鉬礦尾礦庫洪水潰壩模型試驗研究[J].工程設計與研究，2011（130）：18-24.（TAO Dong-liang.Test of a molybdenum ore tailings flood dam-break model[J].Engineering Design & Research，2011（130）：18-24.（in Chinese））

[8] 陳星，朱遠樂，肖雄，等.尾礦壩潰壩對下游淹沒和撞擊的研究[J].金屬礦山，2014（12）：188-192.（CHEN Xing，ZHU Yuan-le，XIAO Xiong，et al.Impact of tailings dam failure on the downstream flood and collision[J].Metal Mine，2014（12）：188-192.（in Chinese））

[9] 束永保，李培良，李仲學.尾礦庫潰壩事故損失風險評估[J].金屬礦山，2010（8）：156-159.（SHU Yong-bao，LI Pei-liang，LI Zhong-xue.Risk Assessment on Tailings Dam Break Losse[J].Metal Mine，2010（8）：156-159.（in Chinese））

[10] 李全明，張興凱，王云海，等.尾礦庫潰壩風險指標體系及風險評價模型研究[J].水利學報，2009，40（8）：989-994.（LI Quan-ming，ZHANG Xing-kai，WANG Yun-hai，et al.Risk index system and evaluation model for failure of tailings dams[J].Journal of Hydraulic Engineering ，2009，40（8）：989-994.（in Chinese））

[11] 敖漉，謝朝新，高殿森，等.某尾礦庫潰壩后的環境影響分析與預防措施[J].三峽環境與生態，2010，3（1）：41-43.（AO Lu，XIE Chao-xin，GAO Dian-sen，et al.Environment impact analysis and preventive measures to dam collapse of a tailing reservoir[J].Environment and Ecology in the Three Gorges，2010，3（1）：41-43.（in Chinese））

[12] 唐玉蘭，曹小玉，殷婷婷，等.大伙房水庫上游某尾礦庫潰壩應急處理工程措施研究[J].安全與環境學報，2013，13（3）：180-185.（TANG Yu-lan，CAO Xiao-yu，YIN Ting-ting，et al.On the dam-breaking emergency saving measures of a mining-tailing stockpile at the upstream Dahuofang Reservoir[J].Journal of Safety and Environment，2013，13（3）：180-185.（in Chinese））

[13] 何衍興，梅甫定，申志兵.我國尾礦庫安全現狀及管理措施探討[J].（HE Yan-xing，MEI Fu-ding，SHEN Zhi-bing.Analysis of the safety situation and discussion on the management measures of the tailing reservoir[J].Safety and Environmental Engineering，2009，16（3）：79-82.（in Chinese））

[14] Tsanis I K，Boyle S.A 2D hydrodynamic/pollutant transport GIS model[J].Advancing in Engineering Software，2001，32（5）：353-361.

[15] 饒清華，許麗忠，張江山.閩江流域突發性水污染事故預警應急系統構架初探[J].環境科學導刊，2009，28（3）：：69-72.（RAO Qing-hua，XU Li-zhong，ZHANG Jiang-shan.Study on framework of the emergency warning system of sudden water pollution accidents for Minjiang river[J].Environmental Science Survey，2009，28（3）：69-72.（in Chinese））

[16] 張珂，劉仁志，張志嬌，等.流域突發性水污染事故風險評價方法及其應用[J].應用基礎與工程科學學報，2014，22（4）：675-684.（ZHANG Ke，LIU Ren-zhi，ZHANG Zhi-jiao，et al.A method of environmental risk assessment for abrupt water pollution accidents in river basin[J].Journal of Basic Science and Engineering，2014，22（4）：675-684.（in Chinese））

[17] AQ 2006-2005，尾礦庫安全技術規程[S].（AQ 2006-2005，Safety Technical Regulations for the Tailing Pond[S].（in Chinese））

[18] 袁兵，王飛躍，金永健，等 .尾礦壩潰壩模型研究及應用[J].中國安全科學學報，2008，18（4）：169-172.（YUAN Bing，WANG Fei-yue，JIN Yong-jian，et al.Study on the model for tailing dam breaking and its application[J].China Safety Science Journal，2008，18（4）：169-172.（in Chinese））

[19] 陳殿強，何峰，王來貴.鳳城市某尾礦庫潰壩數值計算[J].金屬礦山，2009（10）：74-80.（CHEN Dian-qiang，HE Feng，WANG Lai-gui.Numerical calculation of the tailings dam failure in Fengcheng City[J].Metal Mine，2009（10）：74-80.（in Chinese））

[20] 徐克，趙云勝，張強.尾礦庫潰壩后果數值分析[J].工業安全與環保，2012，38（10）：28-30.（XU Ke，ZHAO Yun-sheng，ZHANG Qiang.Numerical analysis for the tailings dam break[J].Industrial Safety and Environmental Protection，2012，38（10）：28-30.（in Chinese））