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摘要：本文在总结近年来尾矿库安全环保风险问题的基础上，提出利用遥感与GIS技术对尾矿库进行监测识别和风险预警，通过分析某尾矿库时段内遥感图像数据变化情况，识别、分析该尾矿库运行参数的变化是否符合要求；并提出未来遥感与GIS技术在尾矿库的研究方向，以期为尾矿库的安全监测、风险预警以及安全监管执法工作提供有效技术支撑。
关键词：尾矿库,遥感与GIS技术,安全监测,风险预警
近几年，随着全国金属非金属矿山政策及规范性文件陆续出台和落地，全国范围尾矿库在线监测系统已基本建成。但从日常管理和监管执法发现的问题看，尾矿库在线监测问题存量依然突出。按照《“十四五”矿山安全生产规划》（应急﹝2022﹞64号）的相关要求，要加强充分发挥矿山安全信息化建设工程对矿山企业现场安全管理和安全监管监察执法的支撑作用。从预防、控制和消除尾矿库安全隐患的角度，寻找新的尾矿库安全监测手段作为补充或代替，预警安全隐患和风险，为尾矿库安全管理和监管工作提供技术支撑，显得十分必要。
1尾矿库安全环保风险监测及识别
我国尾矿库主要特点是数量多、规模小、分布散。据统计，国内尾矿库最大坝高达336米，最大设计库容达10亿万立方米，90%以上采用稳定性相对较差的上游法筑坝，并且有相当数量的尾矿库位于生活区、工矿企业或城镇、长江或黄河重点区域流域等上游的“头顶库”。随着细粒筑坝与高堆尾矿坝发展，受极端天气影响，尾矿库隐蔽隐患和溃坝风险更加突出。
2001至2020年，我国尾矿库溃坝死亡550余人。如2008年“9.8”襄汾尾矿库溃坝，死亡281人；2017年“3.12”湖北大冶尾矿库溃坝，死亡3人；2020年“3.28”伊春鹿鸣矿业尾矿库发生泄漏事故。在国外，2019年巴西“1.25”尾矿库溃坝，死亡270人。官方统计的数据资料表明，尾矿库泄露、溃坝等灾害已成为制约我国乃至世界金属矿山安全生产和环境保护的主要风险。
尾矿库安全生产工作专业性强、技术要求高、管理难度大，安全事故和环保事件往往交织叠加，即使没有造成人员伤亡，也会危及公共安全，对生态环境和群众生活造成重大影响。识别尾矿库安全、环保风险是保证安全生产的重要前提，其风险主要来源于三方面。
1.1在线监测设施故障、失效风险
根据全国范围内已经建成的尾矿库在线监测系统情况，结合日常管理、监管执法发现的问题来看，现有尾矿库在线监测系统普遍存在监测参数不全、扩展性和兼容性差以及缺乏监测设施故障在线诊断等问题。安全监测系统运行不正常未及时修复，安全监测系统将无法发挥应有的作用，相关人员就难以及时地掌握尾矿库的安全状况。
我国尾矿库数量多、分布广，传统的人工现场踏勘方式费时、费力且受地面条件限制大，高分遥感技术具备覆盖范围广、数据获取周期短等优势，可以弥补尾矿库在线监测设施故障、失效的风险，不失为当前安全生产形势下，监测、识别尾矿库的重要技术手段。
1.2尾矿库安全、环保意识不强风险
尾矿库的建设是制约矿山企业发展的一大因素，随着全国尾矿库数量原则上只减不增，有的尾矿库生产企业为了保增长、促效益，在运行期间违反设计要求，超规模、超产能排放尾矿，导致坝体上升速率过快，稳定性降低；也有的尾矿库运行、维护不足或监测设施不符合要求，监测数据未及时分析，无法及时发现和处理问题，从而增加了尾矿库的安全风险。例如，库水位超过设计的正常水位，超量存水而无水位监测设施。2019年广西锦瑞矿业尾矿库溃坝、2020年陕西汉达公司尾矿库排洪斜槽盖板断裂等，都与超量存水直接相关。
1.3极端天气频发导致事故风险
根据国内尾矿库事故统计资料分析，导致尾矿库事故的因素主要有洪水漫顶、坝基渗漏、坝体破坏、排洪系统失效等，其中洪水漫顶占28%、坝基渗漏占22%、坝体破坏占19%、排洪系统失效占16%、不良地质作用占10%，从上可以看出，在引起尾矿库事故的各因素中洪水漫顶和坝体破坏两者占比达47%。
在自然环境因素方面，地震、暴雨等自然灾害是尾矿库溃决的主要触发因素，近年来，极端天气频发，长时间、高强度的降雨极大增加了尾矿库事故发生概率，洪水漫顶往往会诱发坝体破坏，并伴随着对下游环境造成污染，对在多雨地区或地震带的尾矿库，需要特别关注其安全生产条件及应急救援的条件。2020年8月6日，陕西洛南县石门镇普降特大暴雨，6h降雨量达204.8mm，导致5座尾矿库发生不同程度的事故，部分尾矿泄露造成下游石门河、洛河河道出现严重污染，直接经济损失1.5亿元。
2基于遥感与GIS的尾矿库监测与风险预警
为实现对尾矿库的安全监测与风险预警，遥感与地理信息系统（GIS）技术可作为一种有效的方法。该技术具有多项优势。首先，它能够快速获取尾矿库的空间信息，并监测其变化，通过空间分析建立风险预警模型；其次，遥感与GIS技术能弥补目前尾矿库在线监测设施的问题和不足，如监测参数不全、扩展性和兼容性差以及缺乏故障的在线诊断。最后，这项技术还能为实现尾矿库的远程监测和监管执法提供有效的信息和技术支撑。
2.1遥感技术在尾矿库监测中的应用
遥感技术通过获取远距离、非接触式的信息，为尾矿库监测提供了重要手段。目前应用于矿山及尾矿库行业的遥感技术主要有高分遥感技术以及无人机遥感技术，高分遥感技术指的是像素分辨率在5m内的遥感影像，高分辨率的空间影像使尾矿库相关要素均可以在遥感图像上得到反映，并且可以根据各种实体要素的遥感成像机理和影像特征提取相关信息。借助高分辨率遥感影像大范围、时空连续性的特点，可以精确对尾矿库位置及相关信息进行提取及动态分析，并满足大范围监测要求，并能够动态监测尾矿库及其周边环境的变化情况。
借助高分辨率遥感影像大范围、时空连续性的特点，可以精确对尾矿库位置及相关信息进行提取及动态分析。通过建立遥感技术模型可实现影像中不同等级尾矿库识别，尾矿库等级越高、影像地物场景越简单，检测模型可识别的目标一般就越清晰、可靠。利用Google Earth 16级遥感影像，可实现尾矿库粗略定位，开展尾矿库识别和统计相关工作；在2m分辨率影像上，尾矿库具有清晰的形状、大小、纹理、色调等特征，可捕捉尾矿库主体结构，如坝体位置、干滩长度等。
另外，利用多光谱遥感数据，能获取尾矿库淹没区域及周围植被变化等情况，对判别尾矿库生产企业是否违反《金属非金属矿山重大事故隐患判定标准》（矿安﹝2022﹞88号）相关规定如：“用以贮存独立选矿厂进行矿石选别后排出尾矿的场所，未按尾矿库实施安全管理”的情况，提供了有力的技术支撑。
2.2 GIS技术在尾矿库监测中的应用
GIS技术可以对利用遥感技术获取的尾矿库信息进行存储、管理和分析，构建尾矿库的空间数据库。通过建立尾矿库的空间数据库，可以方便地查询尾矿库的历史数据及空间范围变化情况等，为监测与分析提供数据依据。
在GIS中建立尾矿库的数字高程模型（DEM），可以较为准确的测算尾矿库的库容和表面形态，通过DEM分析，可以远程判别尾矿库库容和表面形态是否产生较大变化，是否存在重大隐患，如，“库区是否存在开采、挖掘、爆破等危及尾矿库安全的活动”“坝体是否出现严重的变形、坍塌、滑动迹象”等情况，从而及时采取安全管理或应急预防措施。
2.3基于遥感与GIS的尾矿库监测与风险预警模型
结合遥感与GIS技术，可以实现对尾矿库的安全监测与风险预警。首先，遥感图像数据可以快速获取尾矿库的边界、库容等基本信息，并进行多期图像对比分析，了解其在一定时间范围内的变化情况，进而判断尾矿库是否存在异常情况。在GIS中构建尾矿库的风险评估模型，根据尾矿库的历史数据和风险识别因素，计算尾矿库的风险指数。当风险指数达到一定阈值时，系统将自动发出预警信号，提醒相关部门及时采取应对措施，以降低尾矿库溃决风险。以下为基于遥感与GIS的结合的尾矿库监测与风险预警流程。
（1）数据获取。利用遥感技术获取尾矿库的多期图像数据、DEM数据等。
（2）数据处理。对获取的遥感数据进行预处理，包括校正、配准、去噪等。
（3）尾矿库边界信息提取。利用遥感图像数据，提取尾矿库的边界信息。
（4）尾矿库容量计算。基于DEM数据，计算尾矿库的容量。
（5）尾矿库范围及形态变化。通过多期图像对比分析，监测尾矿库的范围及形态变化情况。
（6）构建风险预警模型。基于GIS技术，构建尾矿库的风险预警模型，综合考虑历史运行数据和风险因素。
（7）风险评估。根据风险预警模型，计算尾矿库的风险指数。
（8）风险预警。当风险指数达到设定阈值时，自动发出预警信号。
3未来发展方向研究
3.1遥感精度和传输性能提升
目前，基于遥感与GIS技术的尾矿库监测难点主要有两方面：一方面，尾矿库所处的自然场景类型多、相似地物干扰多，特征复杂，通过建立遥感与GIS技术模型虽然可实现影像中不同等级尾矿库识别，但影像地物场景越复杂，检测模型可识别的目标一般就越多、越不准确。此种情况将导致尾矿库大区域定位及前期数据收集提取结果的精确率较低，给实际的尾矿库监测应用带来较大误差。未来应开发更高效的遥感数据处理算法，提高遥感图像的分辨率、频次和数据精度，实现对尾矿库变化的更精细化监测，进一步提升风险预警的精准度，提高尾矿库风险评估的准确性和预警的及时性。另一方面，目前高分遥感的手段需要经过数据采集、处理，才能提取或计算技术参数，监测数据不具备安全传输性；未来应通过量子通信或5G等科技手段，提高监测数据互通互联和安全传输性，实现对尾矿库的远程监控和智能化维护。
3.2多源地理空间大数据的融合
利用遥感影像单一数据源较难获得理想的尾矿库提取结果，物联网信息技术除影像数据外,各类统计数据、调查与考察数据、众源地理空间数据等多源地理数据逐渐成为国土资源调查的重要数据来源。刘晓亮等针对大尺度区域内尾矿库高频次高精度和自动化监测的需求，提出了融合多源地理数据和高分辨率遥感影像的尾矿库识别策略和技术方案，能够满足个别尾矿库空间范围识别与监测。
尾矿库其在地理区位上通常与周边的矿区、选矿厂、重要交通道路等距离较近，借助相关企业空间分布点位，道路网等数据可辅助实现尾矿库潜在分布区域的快速定位，进而提高尾矿库的监测效率和识别精度。因此，整合多种数据源，如遥感数据源、地面监测数据源等，开展数据融合研究，多源数据的融合将为尾矿库风险评估提供更全面、全时空的数据支持。
3.3多种监测手段的融合
采用多种监测手段融合的方式，包括高分遥感、无人机航测等技术，实现对尾矿库的多层次、多角度的监测。这些手段能够及时获取尾矿库的各项参数数据及定位。如，库区淹没范围变化、周围构筑物变化，可通过高分遥感技术实现。
尾矿库安全参数方面，如，坝体表面位移、堆积坝外坡比、库水位、干滩长度、库区地质滑坡位移等详细参数，可通过高分辨率航拍图像和激光雷达点云，在较短的时间内对尾矿库进行全面监测、测量和评估，可以获取尾矿库的干滩、水位、淹没范围等参数情况。若以高分遥感对尾矿库完成大区域监测，再结合无人机/三维激光扫描对库区精确控制，可形成一套立体可视化及数字化灾害监测技术，这种两者结合的方式，为一种新的数字化安全监管思路。例如，通过收集政府相关部门公开数据资料，以高分遥感技术实现尾矿库区定位，再通过无人机和三维激光扫描仪，从地表获取库区精确三维实景场数据，按一定的规则形成全寿命周期健康档案。通过建立多次扫描数据档案，对尾矿库进行建模，获取不同标高时尾矿库三维实体模型，以获得坝高、外坡比、干滩长度等参数。通过对三维数据场的诊断，第一时间发现目标尾矿库存在的安全隐患，进而开展安全风险评估分析，提出隐患治理和风险防范措施。
4结语
通过基于遥感与GIS技术的尾矿库安全监测预警技术可以实现尾矿库安全参数、范围等变化的监测、预警存在的安全风险，可为日常安全管理及监管执法提供技术支撑和信息手段。
随着遥感与GIS技术的不断发展，未来需要综合运用遥感与GIS技术提升、多源地理空间大数据的融合和智能监测手段融合等技术，通过持续研究和创新，提升其赋能矿山尾矿库安全监测与监管的准确性和及时性，为矿山行业的高质量发展做出应有的贡献。
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