結(jié)合GIS空間分析的老灌河流域尾礦庫(kù)潰壩事故模擬預(yù)警

張珂+李慶召+劉仁志+張志嬌

摘要：根據(jù)尾礦庫(kù)潰壩特征，引入泥流水力計(jì)算對(duì)尾礦庫(kù)潰壩事故進(jìn)行計(jì)算模擬，并將模擬結(jié)果與GIS工具耦合，從空間層面對(duì)潰壩事故進(jìn)程和產(chǎn)生的影響進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)和展示，從而建立尾礦庫(kù)潰壩事故預(yù)警體系，為事故應(yīng)急工作提供指導(dǎo)。以南水北調(diào)中線水源地支流老灌河流域?yàn)槔?，選取流域上下游兩個(gè)典型尾礦庫(kù)進(jìn)行潰壩事故情景模擬，得出上游尾礦庫(kù)潰壩事故影響范圍55 km，對(duì)該尾礦庫(kù)下游3～5 km處居民區(qū)有嚴(yán)重危害，事故影響時(shí)間約6～7 h；下游尾礦庫(kù)潰壩事故影響范圍13 km，主要破壞該尾礦庫(kù)周邊農(nóng)業(yè)資源，事故影響時(shí)間約2 h。模擬結(jié)果在驗(yàn)證本研究實(shí)用性的同時(shí)，為該流域尾礦庫(kù)潰壩事故預(yù)警應(yīng)急措施和流域日常安全管理提供決策支持。

關(guān)鍵詞：尾礦庫(kù)；潰壩模擬；GIS；事故預(yù)警

中圖分類(lèi)號(hào)：X936文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：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(kù)潰壩事故是各類(lèi)尾礦庫(kù)安全事故中破壞性最強(qiáng)、后果最為嚴(yán)重的一類(lèi)。目前國(guó)內(nèi)對(duì)尾礦庫(kù)潰壩事故的模擬與后果分析進(jìn)行了大量研究[1]，在致災(zāi)機(jī)理[2]和潰壩水流計(jì)算[3]的基礎(chǔ)上建立尾礦庫(kù)潰壩數(shù)學(xué)模型[4-6]，對(duì)潰壩后果的影響范圍與程度進(jìn)行計(jì)算[7-8]；從多指標(biāo)入手，展開(kāi)潰壩事故損失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和對(duì)潰壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型的探索[9-10]；以及根據(jù)事故特征與模擬結(jié)果，對(duì)事故應(yīng)急處理措施進(jìn)行的初步探究[11-12]和尾礦庫(kù)安全管理措施的探索[13]。由于尾礦庫(kù)潰壩事故具有突發(fā)性，潰壩速度快、波及范圍廣、破壞性強(qiáng)，因此預(yù)先做好空間層面的事故情景模擬與事故影響預(yù)測(cè)，對(duì)事故進(jìn)行直觀展示，有助于快速、準(zhǔn)確合理的對(duì)快速合理應(yīng)對(duì)尾礦庫(kù)突發(fā)潰壩事故。本文在尾礦庫(kù)潰壩事故模擬研究基礎(chǔ)上，將GIS工具與潰壩模型聯(lián)用，發(fā)揮其空間數(shù)據(jù)處理優(yōu)勢(shì)[14-15]，建立潰壩事故預(yù)警體系，對(duì)保障尾礦庫(kù)密集區(qū)居民人身及財(cái)產(chǎn)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(nèi)西南部，發(fā)源于洛陽(yáng)欒川縣，經(jīng)南陽(yáng)盧氏縣、西峽縣，由淅川縣匯入南水北調(diào)中線水源地丹江口水庫(kù)。老灌河主干流長(zhǎng)254 km，流域面積4 219 km2。流域內(nèi)地形北高南低，落差1 340 m，是典型的山區(qū)型河道。老灌河流域礦產(chǎn)資源豐富，開(kāi)發(fā)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(kù)，是整個(gè)流域的一個(gè)巨大的潛在風(fēng)險(xiǎn)，一旦出現(xiàn)潰壩事故，直接威脅下游河道兩岸居民安全，并可能對(duì)老灌河及丹江口水庫(kù)水資源和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生較大的破壞作用。

自當(dāng)?shù)匕脖O(jiān)部門(mén)、礦區(qū)及尾礦庫(kù)進(jìn)行資料與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研得知，老灌河流域內(nèi)現(xiàn)有主要尾礦庫(kù)34座，其中欒川縣境內(nèi)23座，盧氏縣2座，西峽縣5座，淅川縣1座。盧氏縣境內(nèi)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(kù)分布見(jiàn)圖1。

2 事故模擬與展示

2.1 事故模擬

2.1.1 情景設(shè)置

尾礦庫(kù)的危險(xiǎn)性由尾礦庫(kù)的庫(kù)容和壩高、尾砂毒理性質(zhì)和尾礦庫(kù)安全狀況所決定[16-17]。根據(jù)調(diào)研所得各尾礦庫(kù)信息，在流域上、下游分別選取一座綜合危險(xiǎn)性最高的尾礦庫(kù)（C6、C31）作為重點(diǎn)事故源，模擬該流域最可能發(fā)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(yù)警決策參考足

以應(yīng)對(duì)最大險(xiǎn)情。C6、C31號(hào)尾礦庫(kù)基本信息見(jiàn)表1。

情景（1）：

C6尾礦庫(kù)位于老灌河流域上游欒川縣境內(nèi)，礦種為鉬礦，為老灌河流域上游尾礦庫(kù)主要礦種，尾礦庫(kù)容（W）450萬(wàn)m3，壩高95 m，使用期已滿(mǎn)服務(wù)年限，風(fēng)險(xiǎn)性高、易發(fā)生潰壩事故。情景（1）假設(shè)C6尾礦庫(kù)發(fā)生潰壩事故。

情景（2）：

C31尾礦庫(kù)位于老灌河下游淅川縣境內(nèi)，距丹江口水庫(kù)入庫(kù)口約32 km，礦種為金礦，為老灌河流域中下游尾礦庫(kù)主要礦種，尾礦庫(kù)容（W）22.5萬(wàn)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(shè)C31尾礦庫(kù)發(fā)生潰壩事故。

2.1.2 潰壩砂流計(jì)算

尾礦庫(kù)潰壩過(guò)程雖與小型水庫(kù)潰壩類(lèi)似，但尾礦壩外坡較大，壩址處到達(dá)泥深峰值所需時(shí)間比水壩產(chǎn)生水深峰值所需時(shí)間長(zhǎng)；此外，尾礦庫(kù)潰壩時(shí)庫(kù)內(nèi)尾砂隨洪水傾瀉，所產(chǎn)生的砂流更似稀性泥石流。尾礦庫(kù)潰壩事故特征決定了尾礦庫(kù)潰壩與水庫(kù)潰壩、泥石流各有異同。計(jì)算潰壩砂流時(shí)，可考慮采用類(lèi)比方法，結(jié)合水壩潰壩與泥石流計(jì)算特點(diǎn)，修正土體系數(shù)，引入泥流水力計(jì)算。

（1）潰口寬度。

采用黃河水利委員會(huì)水力科學(xué)研究院根據(jù)實(shí)際資料統(tǒng)計(jì)得到的公式：

2.2 預(yù)警展示

在ArcGIS軟件中對(duì)該區(qū)域DEM圖進(jìn)行水文分析，獲取集水流域和河道矢量數(shù)據(jù)，結(jié)合調(diào)研所得老灌河各監(jiān)測(cè)斷面基本資料，對(duì)所篩選尾礦庫(kù)進(jìn)行潰壩砂流計(jì)算。老灌河流域DEM高程圖見(jiàn)圖2，各主要斷面位置及2013年平均水位數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

將上述各要素的計(jì)算結(jié)果輸入ArcGIS軟件中，轉(zhuǎn)化為河段矢量數(shù)據(jù)在空間上予以展示，明確不同時(shí)段潰壩事故影響區(qū)域。尾礦庫(kù)發(fā)生潰壩后，在事故影響傳遞到下游前，將模擬計(jì)算結(jié)果與事發(fā)地土地利用矢量數(shù)據(jù)圖層、行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)圖層以及集水流域矢量數(shù)據(jù)圖層等進(jìn)行空間層疊，生成事故空間圖示，并依據(jù)盡快制定針對(duì)性的應(yīng)對(duì)措施，最大程度減小和避免人員財(cái)產(chǎn)損失。

3 結(jié)果與討論

3.1 模擬結(jié)果與展示

按照尾礦庫(kù)潰壩砂流計(jì)算方法，為使在實(shí)際應(yīng)用中偏于安全，以庫(kù)容作為泄砂量，取風(fēng)險(xiǎn)最高、事故影響最大的情況，對(duì)情景（1）、（2）潰壩事故砂流向下游的演進(jìn)情況予以分析預(yù)測(cè)，并可根據(jù)含泥沙水流水位流量關(guān)系曲線求得最大流量時(shí)的含泥沙水流深度，結(jié)果如下。

情景（1）：

由圖3、圖4和表3的潰壩事故砂流計(jì)算結(jié)果可知，事故發(fā)生地最大泄砂量高達(dá)20 000 m3/s，計(jì)算所得泥水深度為174.78 m；1 min內(nèi)，泄砂量隨距事發(fā)地距離的增加大幅減小，至事發(fā)地2 km處泄砂量降至1 000 m3/s，計(jì)算泥水深度降至10 m；距事發(fā)地2～20 km河段到達(dá)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(jīng)60 min到達(dá)距事發(fā)地20 km處時(shí)已降至1 m。20 km后，泄砂量隨事故持續(xù)時(shí)間、泥沙到達(dá)距離緩慢減小，事發(fā)6 h后尾砂到達(dá)距事發(fā)地55 km處時(shí)，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(shù)據(jù)在GIS中進(jìn)行聚類(lèi)分析可得出，C6尾礦庫(kù)潰壩后，事故最大影響范圍約為55 km，其中受影響嚴(yán)重及較嚴(yán)重河段約20 km，整個(gè)事故約歷經(jīng)6～7 h，尾砂到達(dá)下游某斷面時(shí)間隨斷面距事故點(diǎn)距離的增加而增大，即下游在承受更小泄砂量的同時(shí)也擁有更多的應(yīng)急時(shí)間。情景（1）事故模擬展示見(jiàn)圖5。

情景（2）：

由圖6、圖7和表4的潰壩事故砂流計(jì)算結(jié)果可知，事故發(fā)生地最大泄砂量931 m3/s，計(jì)算所得泥水深度為22.59 m，；1 min內(nèi)，泄砂量隨距事發(fā)地距離的增加大幅減小，至事發(fā)地1.5 km處泄砂量降至65 m3/s，計(jì)算泥水深度降至10 m；距事發(fā)地1.5～11 km河段到達(dá)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(jīng)約40 min到達(dá)距事發(fā)地11 km處時(shí)降至1 m，又經(jīng)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(shù)據(jù)在GIS中進(jìn)行聚類(lèi)分析可得出， C31尾礦庫(kù)潰壩后，事故最大影響范圍約為13 km，其中受影響嚴(yán)重河段約1.5 km，保守估計(jì)整個(gè)事故約歷經(jīng)2 h，尾砂到達(dá)下游某斷面時(shí)間隨斷面距事故點(diǎn)距離的增加而增大。

在情景（1）C6尾礦庫(kù)庫(kù)容、壩高均遠(yuǎn)大于與情景（2）C31尾礦庫(kù)的初始條件下，計(jì)算所得情景（1）事故發(fā)生點(diǎn)處最大泄砂量、泥水深度遠(yuǎn)高于情景（2）所得結(jié)果，其事故持續(xù)時(shí)間和影響河段距離也明顯長(zhǎng)于情景（2）事故；然而由圖表數(shù)據(jù)可知，盡管事發(fā)點(diǎn)計(jì)算數(shù)值差距較大，但兩事故均在事發(fā)1 min后泄砂到達(dá)1.5～2 km段，且泥水深度此時(shí)均降至10 m。因此比較模擬結(jié)果可知，潰壩砂流模型既反映了尾礦庫(kù)庫(kù)容、壩高等初始數(shù)據(jù)對(duì)事故影響距離、事故持續(xù)時(shí)間的正相關(guān)關(guān)系，同時(shí)也表征了潰壩事故所具有的瞬時(shí)性、爆發(fā)性特征。

3.2 預(yù)警響應(yīng)

將事故情景計(jì)算結(jié)果輸入ArcGIS軟件，轉(zhuǎn)化為河段矢量數(shù)據(jù)，生成事故模擬結(jié)果空間展示圖（見(jiàn)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(xiàn)狀圖進(jìn)行空間層疊，展示受影響河段所流經(jīng)的土地類(lèi)別，直觀反映出可能遭受事故危害的受體類(lèi)型；同時(shí)，將該流域最受關(guān)注的受體（丹江口水庫(kù)入庫(kù)口、老灌河流域地下水源）與河段進(jìn)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(kù)潰壩地點(diǎn)下游3～5 km處分布有居住用地，屬于事故嚴(yán)重影響范圍內(nèi)。砂流從發(fā)生險(xiǎn)情到蔓延至該居住用地區(qū)域不足5 min，如不在其上游采取攔截措施，該區(qū)域居民根本來(lái)不及撤離，事故一旦發(fā)生人員將無(wú)一幸免，居民房屋亦將受到嚴(yán)重?fù)p毀。因此，應(yīng)在該尾礦庫(kù)下游附近建立攔截壩，或考慮遷移該尾礦庫(kù)下游5 km范圍內(nèi)居住人員。事故發(fā)生后5～60 min，潰壩砂流將流經(jīng)距事故發(fā)生地下游5～20 km河段，該段為事故影響較重區(qū)域，砂流所到之處大多為耕地，農(nóng)業(yè)資源將遭受較嚴(yán)重的損失。事故發(fā)生后1 h，砂流隨河進(jìn)入盧氏縣，對(duì)沿河耕地產(chǎn)生小范圍破壞；事故發(fā)生后5 h，由于河流對(duì)流擴(kuò)散作用和支流的匯入，潰壩砂流產(chǎn)生的泥水深度已低于1 m，對(duì)周邊環(huán)境影響輕微，同時(shí)5 h后砂流流至盧氏縣居住用地區(qū)域，該區(qū)域居民應(yīng)注意遠(yuǎn)離河道。潰壩砂流對(duì)下游西峽、淅川縣河段影響輕微，下游居民區(qū)、自然保護(hù)區(qū)及丹江口水庫(kù)入庫(kù)口均不會(huì)受到潰壩危害，慎重起見(jiàn)，可在事故發(fā)生后1～4 d對(duì)下游斷面重金屬水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，密切關(guān)注潰壩砂流攜帶的有害物質(zhì)可能對(duì)河流下游水質(zhì)產(chǎn)生的影響，及時(shí)防止污染的產(chǎn)生。

由圖8可知，C31尾礦庫(kù)潰壩事故發(fā)生后2 min，砂流流至距尾礦庫(kù)2 km處，此段區(qū)域?yàn)槭鹿蕠?yán)重影響區(qū)，河流周邊多為耕地，泥水深度在該段區(qū)域達(dá)8 m以上，因此老灌河該河段周邊農(nóng)業(yè)資源將受到巨大破壞。事故發(fā)生后2～40 min，潰壩砂流將流經(jīng)距事故發(fā)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(nóng)業(yè)資源將遭受一定損失。10 km后，砂流開(kāi)始于事故發(fā)生后約50 min匯入老灌河干流，同時(shí)也開(kāi)始流經(jīng)淅川縣縣城人口密集區(qū)。但此時(shí)泄砂最大流量?jī)H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(duì)河流及周邊各敏感受體基本不產(chǎn)生破壞，其影響可忽略不計(jì)。但由于自此段開(kāi)始，河流將依次流經(jīng)人口密集區(qū)、地下水源區(qū)、自然保護(hù)區(qū)并到達(dá)丹江口水庫(kù)入庫(kù)口，慎重起見(jiàn)，可在事故發(fā)生后1～3 h內(nèi)對(duì)下游斷面氰化物水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，密切關(guān)注潰壩砂流攜帶的有害物質(zhì)對(duì)河流下游各敏感受體水質(zhì)產(chǎn)生的影響，及時(shí)防止污染的產(chǎn)生。

尾礦庫(kù)潰壩事故發(fā)生突然、災(zāi)情蔓延速度快，將對(duì)潰壩下游河流及沿岸大面積地區(qū)造成嚴(yán)重的物理破壞。防范尾礦庫(kù)潰壩事故所造成的危害，保護(hù)尾礦庫(kù)附近居民及財(cái)產(chǎn)安全是應(yīng)急重點(diǎn)。

4 結(jié)論

本研究使用尾礦庫(kù)潰壩砂流計(jì)算模型對(duì)尾礦庫(kù)潰壩事故進(jìn)行情景模擬，反映潰壩事故不同于一般水污染事件的災(zāi)害特征，運(yùn)用模型計(jì)算潰壩砂流向下游的演進(jìn)情況、潰壩砂流到達(dá)和離開(kāi)下游各斷面的時(shí)間和最大流量等，并與GIS數(shù)據(jù)相結(jié)合，對(duì)潰壩事故的進(jìn)程與影響進(jìn)行空間展示，為提前做好事故應(yīng)急工作提供了理論依據(jù)和直觀參考，有助于減輕尾礦庫(kù)潰壩事故對(duì)下游居民人身及財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生的損害。

本文所選擇的研究流域?yàn)榈湫偷纳絽^(qū)河流流域，河流上游存在大量尾礦庫(kù)，對(duì)流域安全構(gòu)成威脅；河流下游匯入丹江口水庫(kù)，直接關(guān)系南水北調(diào)中線供水安全。根據(jù)各尾礦庫(kù)自身特征及流域分布情況，選取兩個(gè)易發(fā)生事故的、事故危害嚴(yán)重且具有代表性的尾礦庫(kù)進(jìn)行事故情景模擬，其中上游尾礦庫(kù)潰壩事故波及范圍廣、破壞力強(qiáng)，事故影響范圍集中在流域上游；下游尾礦庫(kù)潰壩事故主要破壞該尾礦庫(kù)周邊農(nóng)業(yè)資源，砂流在進(jìn)入人口密集區(qū)、地下水源區(qū)、自然保護(hù)區(qū)及南水北調(diào)中線水源地前基本消散。

本研究為達(dá)到快速預(yù)警模擬的目的，所使用的尾礦庫(kù)潰壩砂流計(jì)算模型對(duì)潰壩事故進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，將尾礦庫(kù)潰壩事故源視為瞬時(shí)點(diǎn)源，簡(jiǎn)化了尾砂下泄過(guò)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(yīng)將上述問(wèn)題考慮在內(nèi)，進(jìn)一步提高模擬的精確性，完善本模型。

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