基于模糊綜合評(píng)價(jià)模型的阿希金礦尾礦庫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

胡穎 唐麗玉

摘要：尾礦庫是具有高勢(shì)能的重大危險(xiǎn)源，在尾礦庫事故中潰壩事故占比很高。阿希金礦是新疆最大的金礦，本文綜合評(píng)價(jià)了該尾礦庫潰壩風(fēng)險(xiǎn)。目前尾礦庫安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系未能形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。根據(jù)尾礦庫潰壩致災(zāi)因素的關(guān)聯(lián)情況，將影響尾礦庫安全性的32個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子篩選成18個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。利用主客觀綜合賦權(quán)法進(jìn)行權(quán)重賦值并得出影響尾礦庫安全性較大的兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)（尾礦庫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及日常管理系數(shù)），將模糊綜合評(píng)價(jià)模型應(yīng)用于尾礦庫潰壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，計(jì)算分析得出新疆阿希金礦尾礦庫的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為“較好（B）”。通過實(shí)例分析表明本文所構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及采用的評(píng)價(jià)方法適合尾礦庫潰壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：阿希金礦；尾礦庫；指標(biāo)體系；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；主客觀賦權(quán)；模糊綜合評(píng)價(jià)

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（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

尾礦庫是具有高勢(shì)能的重大危險(xiǎn)源，截至到2017年底，我國共有尾礦庫約10500座[1]。針對(duì)1960-2015年發(fā)生的109起尾礦庫事故進(jìn)行分析，表明尾礦庫潰壩占尾礦庫事故比60%以上[2-3]。尾礦庫潰壩不僅造成大量尾礦下泄污染周圍環(huán)境，而且威脅下游居民的生命財(cái)產(chǎn)安全[4-6]。因此，研究尾礦庫潰壩風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)相關(guān)部門進(jìn)行尾礦庫的管理和監(jiān)測(cè)、保護(hù)礦區(qū)環(huán)境及制訂應(yīng)急措施具有重要意義。

目前，有關(guān)尾礦庫的安全評(píng)價(jià)方法尚無統(tǒng)一規(guī)范。評(píng)價(jià)方法主要有層次分析法、集對(duì)分析法、可靠度理論法、模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)法，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[7]。層次分析法主要是根據(jù)尾礦庫安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系所建立的目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層三層結(jié)構(gòu)體系，從而確定各層的權(quán)重[8-12]。集對(duì)分析主要是將具有一定聯(lián)系的兩個(gè)集合利用同（同一）、異（差異不確定性）、反（對(duì)立性）三個(gè)側(cè)面研究系統(tǒng)得到聯(lián)系度，根據(jù)聯(lián)系度確定尾礦庫所處的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)[13-15]。可靠度理論法利用概率統(tǒng)計(jì)和運(yùn)籌學(xué)理論將尾礦庫潰壩風(fēng)險(xiǎn)（或穩(wěn)定性）定量化，將尾礦庫潰壩的概率（或保持穩(wěn)定的概率）作為可靠度進(jìn)行研究，根據(jù)可靠度確定可靠級(jí)別[16]。模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)法是根據(jù)模糊理論將難以定量研究的定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，利用隸屬度函數(shù)具體量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，在評(píng)價(jià)過程中可以最大限度降低人為主觀因素的干擾，對(duì)不確定性問題做出更加科學(xué)性及客觀性的量化評(píng)價(jià)[17-23]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)克服了傳統(tǒng)方法需要精確模型的不足，特別適合處理需要同時(shí)考慮許多因素且信息模糊的問題，利用已知數(shù)據(jù)構(gòu)建訓(xùn)練區(qū)從而預(yù)測(cè)尾礦庫的潰壩風(fēng)險(xiǎn)[24-25]。

其中，可靠度理論法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要大量的樣本和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)做支撐，因此在數(shù)據(jù)量較少的情況下不建議采用。利用層次分析[26]這一主觀賦權(quán)法確定尾礦庫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，弊端在于過分依賴主觀的定性分析，而客觀賦權(quán)法恰好可以彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，故可以采用熵值法[27]和變異系數(shù)法[28]確定各指標(biāo)的權(quán)重。由于主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法都存在著信息的損失，因此本文選擇主客觀組合賦權(quán)法[29-30]確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的最終權(quán)重，以最大限度地減少信息損失，使得賦權(quán)結(jié)果更加準(zhǔn)確。尾礦庫的安全本身帶有不確定性，將模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)法用于尾礦庫潰壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，從而實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)結(jié)果的定量化，得到尾礦庫所處風(fēng)險(xiǎn)的等級(jí)。且該方法可以與其他評(píng)價(jià)方法結(jié)合運(yùn)用，相互補(bǔ)充以完善評(píng)價(jià)結(jié)果，從而更好保障尾礦庫的運(yùn)行安全。

由于目前國內(nèi)外沒有形成統(tǒng)一的尾礦庫潰壩風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。在進(jìn)行尾礦庫潰壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中，李全明[31]提出的由16個(gè)指標(biāo)組成的尾礦庫潰壩風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系得到較為廣泛的應(yīng)用，譚欽文[1]基于系統(tǒng)性與多元性對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行優(yōu)化進(jìn)而提出由20個(gè)指標(biāo)組成的尾礦庫重大危險(xiǎn)源評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。因此，本文選取各自獨(dú)立構(gòu)建的尾礦庫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的18篇文獻(xiàn)[1，8-15，17-21，23，32-34]中影響尾礦庫安全性的風(fēng)險(xiǎn)因子利用相關(guān)性分析進(jìn)行篩選，從而建立尾礦庫潰壩風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，并運(yùn)用主客觀組合賦權(quán)法確定指標(biāo)體系的權(quán)重，利用模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法對(duì)尾礦庫進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，得出尾礦庫的安全等級(jí)，為確保尾礦庫安全運(yùn)行及安全隱患排查治理提供依據(jù)。

2.尾礦庫安全評(píng)價(jià)模型

2.1評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

根據(jù)科學(xué)性、系統(tǒng)性和實(shí)用性的原則，結(jié)合尾礦庫安全狀況受多因素影響的特點(diǎn)，將18篇文獻(xiàn)中影響尾礦庫安全性的風(fēng)險(xiǎn)因子全部列出，依照不同評(píng)價(jià)指標(biāo)保留且相同的評(píng)價(jià)指標(biāo)只保留一個(gè)的原則篩選出32個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子，再利用相關(guān)性分析進(jìn)行進(jìn)一步的篩選，通過剔除相關(guān)性較大的指標(biāo)，即該指標(biāo)在0.05水平（雙側(cè)）以及0.01水平（雙側(cè)）顯著相關(guān)，提取其中不存在顯著相關(guān)性的18個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子作為最終的評(píng)價(jià)指標(biāo)（表1）。

將上述篩選完成的18個(gè)評(píng)價(jià)因子按尾礦庫自身特點(diǎn)、尾礦庫的周圍環(huán)境以及尾礦庫的安全管理這三個(gè)方面進(jìn)行劃分，從而根據(jù)目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層構(gòu)建尾礦庫安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（圖1）。

2.2確定指標(biāo)權(quán)重

2.2.1層次分析法確定權(quán)重

層次分析法利用判斷矩陣對(duì)各層中的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重分配，將判斷矩陣的隨機(jī)一致性比率（CR）用作矩陣一致性檢驗(yàn)，以確定權(quán)重分配是否合理。當(dāng)隨機(jī)一致性比率CR<0.10時(shí)[10]，認(rèn)為判斷矩陣的不一致程度在允許范圍之內(nèi)，具有較好的一致性，否則就需要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行調(diào)整。

各層指標(biāo)的權(quán)重為上級(jí)權(quán)重的繼續(xù)分解，各層指標(biāo)權(quán)重計(jì)算時(shí)采用系統(tǒng)內(nèi)部權(quán)重累計(jì)和為1的形式，最終的組合權(quán)重需要乘以上級(jí)指標(biāo)權(quán)重值。最后對(duì)組合權(quán)重進(jìn)行一致性檢驗(yàn)（式1），若CR<0.10，則認(rèn)為最終確定的指標(biāo)權(quán)重合理[13，17-18，37]。

式中，bi（i=1，2，3，…，n）為方案層各因素對(duì)總目標(biāo)S的排序；CIi、RIi（i=1，2，3，…，n）分別為每層元素對(duì)其上層元素層次單排序一致性指標(biāo)和隨機(jī)一致性指標(biāo)。

2.2.2熵值法確定權(quán)重

在利用熵值法進(jìn)行權(quán)重的確定，首先要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，將各項(xiàng)不同質(zhì)指標(biāo)同質(zhì)化，且正負(fù)向指標(biāo)數(shù)值代表不同的含義。通過對(duì)各指標(biāo)熵值及差異系數(shù)的計(jì)算，利用式（2）得出各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重[27]。

其中，Wj是各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重，gj表示第j項(xiàng)指標(biāo)的差異系數(shù)，差異系數(shù)與熵值的關(guān)系為：gj=1-ej，對(duì)于第j項(xiàng)指標(biāo)，指標(biāo)值的差異值越大，熵值也就越小，對(duì)方案評(píng)價(jià)的作用就越大，其權(quán)重也就越大。

2.2.3變異系數(shù)法確定權(quán)重

在變異系數(shù)法賦權(quán)過程中，指標(biāo)中各觀測(cè)值的差異程度越大，表明此指標(biāo)重要性越高，即此指標(biāo)權(quán)重也就越大。由于評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的各項(xiàng)指標(biāo)的量綱不同，不宜直接比較其差別程度。為了消除各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的量綱不同的影響，需要用各項(xiàng)指標(biāo)的變異系數(shù)來衡量各項(xiàng)指標(biāo)取值的差異程度。利用式（3）得出各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重[28]。

2.2.4主客觀組合賦權(quán)法

式中，Qi是綜合賦權(quán)后的各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重，λ為偏好系數(shù)；Wi表示利用層次分析法計(jì)算出的權(quán)重；Wi表示利用熵值法或變異系數(shù)法計(jì)算出的權(quán)重。

2.3尾礦庫安全模糊綜合評(píng)價(jià)

基于《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》（AQ2006-2005）及相關(guān)文獻(xiàn)將尾礦庫安全量化為安全（A）、較好（B）、帶病（C）和危險(xiǎn)（D）四個(gè)等級(jí)，見表2。

基于所構(gòu)建的評(píng)價(jià)因子集特征值矩陣及其標(biāo)準(zhǔn)特征值矩陣，利用相對(duì)隸屬函數(shù)分別將矩陣變換為與之對(duì)應(yīng)的相對(duì)隸屬度矩陣R=（rij）和S=（sih）。隨后利用評(píng)價(jià)因子集的指標(biāo)權(quán)向量ω=（ωi），i=1，2，…，m，結(jié)合歐式距離dhj得出最終的模糊綜合評(píng)價(jià)模型（式5），結(jié)合式（6）計(jì)算出尾礦庫安全級(jí)別的最終得分[17]。

3.阿希金礦尾礦庫安全性評(píng)價(jià)

3.1研究區(qū)域概況

阿希金礦尾礦庫（圖2）屬于西部黃金伊犁有限責(zé)任公司，位于新疆維吾爾自治區(qū)伊寧縣境內(nèi)，屬于伊犁哈薩克自治州管轄，礦區(qū)地處大阿希河與小阿希河之間的河間地塊式山嶺地帶，地理坐標(biāo)為東經(jīng)81.6236°，北緯44.2370°，高程為1513m，距離伊犁河主河道直線距離為46km；該尾礦庫為山谷型尾礦庫，設(shè)計(jì)庫容360萬m3，大壩長210m，寬21m，高58m，為四等庫。阿希金礦尾礦庫所在的伊犁哈薩克自治州年降水量在200mm～550mm之間，山區(qū)降雨量較大；該尾礦庫所處位置屬低山丘陵蒿屬草原帶，植被以蒿草類自然植被為主，為伊犁谷底的春秋草場。

2018年8月與2019年9月對(duì)阿希金礦進(jìn)行了兩次實(shí)地調(diào)查。目前該庫運(yùn)行良好，但已接近服務(wù)年限尾期，服務(wù)年限內(nèi)排放尾礦總量為204.93萬m3。該庫目前運(yùn)行及穩(wěn)定性良好，浸潤線高度處于安全范圍內(nèi)，該庫有兩套毫米級(jí)壩體變形監(jiān)測(cè)設(shè)備，兩個(gè)溢洪井，一個(gè)環(huán)保庫（圖3）。尾礦經(jīng)壓濾后排入尾礦庫，含水量約為22%，顆粒極小，為粉塵尾礦[35-36]。

3.2基于模糊綜合評(píng)價(jià)法的尾礦庫安全評(píng)價(jià)流程

（1）構(gòu)建尾礦庫安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

以新疆阿希金礦尾礦庫為例，將1.1所篩選出的18個(gè)評(píng)價(jià)因子作為評(píng)價(jià)該尾礦庫安全的指標(biāo)體系。

（2）確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重

根據(jù)1.2節(jié)所闡述的原理及計(jì)算方法，利用層次分析法、熵值法以及變異系數(shù)法分別確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，利用AHP-熵值組合賦權(quán)法和AHP-變異系數(shù)組合賦權(quán)法，根據(jù)公式（4）取偏好系數(shù)λ為0.5，計(jì)算出各評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重（表3）。

（3）尾礦庫安全模糊綜合評(píng)價(jià)

對(duì)于上述所確定的指標(biāo)體系中，參照《尾礦庫安全等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》《尾礦庫安全監(jiān)督管理規(guī)定》《防洪標(biāo)準(zhǔn)》《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》《水文氣象資料》等國家規(guī)范與規(guī)定以及相關(guān)文獻(xiàn)內(nèi)容進(jìn)行等級(jí)劃分，將尾礦庫潰壩風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)分成安全（A）、較好（B）、帶病（C）和危險(xiǎn)（D）四個(gè)級(jí)別（表4）。

通過對(duì)新疆阿希金礦尾礦庫實(shí)地考察及咨詢西部黃金伊犁有限公司，根據(jù)新疆歷年水資源公報(bào)及相關(guān)文獻(xiàn)[17，23，31，32，36-37]，并結(jié)合空間分辨率為30m的DEM數(shù)據(jù)及無人機(jī)遙感影像，該尾礦庫的18個(gè)指標(biāo)實(shí)際值和依據(jù)指標(biāo)體系的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)得出的相應(yīng)等級(jí)見表4。其中，壩高、庫容、地下水情況以及年降水量屬于遞增型指標(biāo)，其他指標(biāo)均屬于遞減型指標(biāo)。

基于評(píng)價(jià)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和相應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)特征值矩陣Y利用相對(duì)隸屬函數(shù)構(gòu)建與之對(duì)應(yīng)的相對(duì)隸屬度矩陣，隨后利用已經(jīng)計(jì)算出的評(píng)價(jià)因子集的指標(biāo)權(quán)重結(jié)合歐式距離得出最終的模糊綜合評(píng)價(jià)模型，依據(jù)公式（6）計(jì)算得到新疆阿希金礦尾礦庫的安全性總得分為80.54分（AHP-熵值組合賦權(quán)法）和83.95分（AHP-變異系數(shù)組合法），根據(jù)尾礦庫安全劃分等級(jí)（表2）得出新疆阿希金礦尾礦庫的安全級(jí)別為“較好（B）”。

3.3結(jié)果分析

（1）根據(jù)1.1將影響尾礦庫安全性的32個(gè)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)利用相關(guān)性分析進(jìn)行篩選，通過提取其中不存在顯著相關(guān)性的18個(gè)風(fēng)險(xiǎn)性指標(biāo)構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。利用主客觀賦權(quán)法并結(jié)合模糊評(píng)價(jià)綜合模型計(jì)算出新疆阿希金礦尾礦庫安全性的得分，且根據(jù)尾礦庫安全劃分等級(jí)（表2）得出新疆阿希金礦尾礦庫的安全級(jí)別為“較好（B）”。故應(yīng)加強(qiáng)對(duì)尾礦庫的安全檢查力度，從而加強(qiáng)尾礦庫的安全管理，以避免尾礦庫的潰壩風(fēng)險(xiǎn)。

（2）根據(jù)層次分析法確定的權(quán)重可以看出尾礦庫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和日常管理系數(shù)這兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重較高，而熵權(quán)法確定每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重都較為平均，變異系數(shù)法確定的權(quán)重范圍在0.07-0.09內(nèi)的指標(biāo)有7個(gè)，分別是尾礦庫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、日常管理系數(shù)、地質(zhì)條件、地下水情況、排洪系統(tǒng)的完好性、排洪設(shè)施能力系數(shù)以及抗震能力。根據(jù)AHP-熵權(quán)法和AHP-變異系數(shù)法綜合權(quán)重可知，尾礦庫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和日常管理系數(shù)兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重較高，說明在尾礦庫的運(yùn)行過程中要多注重尾礦庫的監(jiān)測(cè)和日常管理。

4.結(jié)論

（1）針對(duì)目前尾礦庫安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系還未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，本文根據(jù)尾礦庫潰壩致災(zāi)因素的關(guān)聯(lián)情況，利用相關(guān)性分析篩選出不存在顯著相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)性指標(biāo)，構(gòu)建最終的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

（2）由于主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)，故利用主客觀綜合賦權(quán)法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重賦值，并利用模糊評(píng)價(jià)綜合模型對(duì)新疆阿希金礦尾礦庫進(jìn)行尾礦庫安全性的綜合評(píng)價(jià)，最終得出阿希金礦尾礦庫的安全級(jí)別為“較好（B）”，與新疆阿希金礦尾礦庫的運(yùn)行現(xiàn)狀相符合。

（3）通過主觀賦權(quán)法，客觀賦權(quán)法以及主客觀綜合賦權(quán)法所計(jì)算出的各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值，得出其中對(duì)尾礦庫安全性影響最大的兩個(gè)指標(biāo)：尾礦庫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及日常管理系數(shù)。

綜上所述，通過基于模糊綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)尾礦庫的安全評(píng)價(jià)及風(fēng)險(xiǎn)分析，不僅可以使尾礦庫的安全管理人員及相關(guān)安全部門了解到尾礦庫的安全現(xiàn)狀，也便于發(fā)現(xiàn)潛在的風(fēng)險(xiǎn)因素，加大對(duì)尾礦庫的檢查力度以排查尾礦庫的風(fēng)險(xiǎn)隱患，從而確保阿希金礦尾礦庫的安全運(yùn)行。

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