自然灾害频发下的铀尾矿库韧性程度探讨研究

曾志伟,李向阳*,王 攀,洪昌寿

(1.南华大学 资源环境与安全工程学院,湖南 衡阳421001;2.核工业北京化工冶金研究院,北京101149)

0 引 言

联合国环境规划署(United Nations Environment Programme,UNEP)提出尾矿坝数量和规模的增长给环境、社会和经济带来了潜在的风险，人类面临着巨大的挑战。UNEP最新报告《尾矿库：零事故才安全》(MineTailingsStorage:SafetyIsNoAccident)显示，在过去的10年中，全球尾矿坝事故超过40起，造成近700人死亡。

铀尾矿库作为一种特殊的尾矿库，它是核燃料循环系统中最庞大的放射性废物贮存场所。据统计,我国每生产1 t铀金属产品，会产生250～600 t的尾矿[1]。铀尾矿可分为放射性固废尾砂及放射性废水两部分，其中含有镭、铀、钍等多种放射性物质，所含有核素半衰期长、毒性大、污染持续时间长，是一个长期潜在的放射性污染源。铀尾矿坝一旦失稳，极有可能形成重大核泄漏事故，将对周边区域的生态环境安全构成严重的威胁。

在日本福岛核电站核泄漏事故发生后，中华人民共和国国家国防科技工业局要求我国核设施必须提高本质安全度和应急能力，要充分考虑抗御自然灾害叠加能力，确保核设施安全稳定。其中，铀尾矿要按照IAEA(International Atomic Energy Agency)《使用放射性物质设施退役安全评价》要求，保证1 000年绝对安全基础指标。因此，提升铀尾矿库应对突发灾害冲击下的应急能力迫在眉睫。

因此，引入物理学“韧性”一词的概念，其定义为材料在断裂前所能吸收的能量与体积的比值[2]，提出“韧性铀尾矿库”的建设理念，即铀尾矿库具有类似于材料的韧性特性，能够在一定时空内具有抵御自然灾害冲击的能力，不至于引发溃坝、垮坝安全事故。将我国待建、在役及退役铀尾矿库应对突发灾害冲击下的应急能力进行统筹化管理，旨在让铀尾矿库对灾害有着强劲的免疫力。以湖南省境内的某大型铀尾矿库为例，本文选取三级指标地质环境条件开展了韧性铀尾矿库的构建实践，建立了相应的韧性评估模型，分析了地震应力作用时的韧性演化过程，提出了增加韧性的对策措施。

1 韧性铀尾矿库

1.1 韧性铀尾矿库概述

为解决铀尾矿对环境及公众造成的污染和损害的问题，世界各国针对铀尾矿的处理处置技术开展了很多研究，国际原子能机构也多次召开会议，研讨铀尾矿的处理处置技术、对策和管理方法[3]。人类对于铀尾矿库有着充分的能动性，自然灾害威胁铀尾矿安全运营的事实客观存在，但是人类可以采取积极的应对措施，去避免发生铀尾矿库溃坝、垮坝等安全事故。

传统铀尾矿库治理与实践研究的核心是集中在铀尾矿库防灾减灾上，只关注铀尾矿库建址地质环境安全和坝体结构防护设计，具体表现为自然灾害会使坝体失稳，发生溃坝、垮坝等安全事故，从而威胁人类社会。因此，要研究各种安全技术保障人类生存空间的安全并保护生态安全，但是忽视了其所处社会时代的深层次社会因素。自然灾害不仅直接作用于铀尾矿库，考验坝体结构稳定性和防护措施的有效性；而且也会检验其所处社会时代在自然灾害冲击下的应急处置能力，衡量其社会发展水平和文明程度。实际上，铀尾矿库与人类生存的社会时代一直呈现着交互现象，测量工具则可以帮助人类了解铀尾矿的情况，亦可抽象为社会时代与铀尾矿库的交互面，见图1。

图1 铀尾矿库与人类社会的关系Fig.1 The relationship between uranium tailings pond and human society

自然灾害一直是在不断演化中，从生态系统学的观点来看，可将自然灾害、铀尾矿库和人类社会时代视为一个整体有机系统，见图2。韧性铀尾矿库的建设目标是，韧性铀尾矿库有机系统在应对每一次自然灾害时，表现出良好的“学习”能力，即通过对每一次抵抗自然灾害冲击、灾后逐渐恢复，适应后进行经验总结、优化升级结构，使之具备成长属性，以更加强大的韧性状态应对未来的不确定性。

图2 韧性铀尾矿库的成长原理Fig.2 Growth principle of uranium tailings pond with resilience

1.2 韧性判定式

韧性铀尾矿库是指，铀尾矿库具有在一定时空内受到冲击时，抵御冲击、迅速恢复和优化系统的安全状态，并通过“学习”来提升应对下一次灾害的能力。因此，韧性是铀尾矿库自身的属性，但其韧性的强弱与其自身构成有关，铀尾矿库韧性越好，其发生铀尾矿库失事的可能性越小；反之则反。综上所述，给出韧性铀尾矿库的判别式，即铀尾矿库抵御冲击能力与当前灾害冲击程度的比值，如公式1所示。

(1)

式中：T表示韧性铀尾矿库判别值；R(p,s,d)表示铀尾矿库抵御冲击的能力函数，与物理空间(p)、社会背景(s)、信息数据(d)相关的函数；N(n,j,h)表示当前灾害冲击程度函数，由自然灾害(n)、技术灾害(j)、人为灾害(h)叠加组成的函数。

韧性铀尾矿库的T值判定：

1)当T>1时，即铀尾矿库抵御冲击能力大于当前灾害冲击程度，此时铀尾矿库韧性极好，不会造成铀尾矿库失事，是韧性铀尾矿库；

2)当T=1时，即铀尾矿库抵御冲击能力等于当前灾害冲击程度，此时铀尾矿库韧性处于一种临界状态，有可能会发生事故，也有可能不发生失事，是临界态韧性铀尾矿库；

3)当T<1时，即铀尾矿库抵御冲击能力小于当前灾害冲击程度，此时铀尾矿库韧性极差，会造成铀尾矿库失事，不是韧性铀尾矿库。

1.3 铀尾矿库韧性：抵御、恢复、适应

铀尾矿韧性是状态量，主要包含了抵御、恢复和适应三个阶段。其中，抵御阶段是指铀尾矿库可以承受冲击所带来的消极作用，在抵御灾害冲击的同时，其安全结构不会被破坏。恢复阶段是从开展应急响应开始，铀尾矿库逐渐恢复其受损结构。适应阶段指铀尾矿库通过“学习”(安全检查、隐患排查、加固升级、优化管理、借鉴总结、经验教训等)的方式，应对未来的不确定性冲击。在此，定义出铀尾矿韧性的数学表达式，如公式(2)所示。

(2)

公式中，Λ表示铀尾矿库韧性比；Tx(t)表示x时刻铀尾矿库的韧性程度；T0(t)表示未遭受冲击时刻的铀尾矿库韧性程度(铀尾矿库在未遭受冲击的状态下韧性为100%)。

图3表示了韧性的演进过程，t0时刻，在自然灾害冲击的作用下，铀尾矿库初始状态遭到破坏，铀尾矿韧性开始随时间下降，进入抵御阶段；在下降到tmin时刻时，此时铀尾矿库韧性处于临界值(继续下降将会处于事故状态，上升则会处于安全状态)，这是一种临界状态，也是铀尾矿库韧性允许的最小值，低于这一数值，则铀尾矿库存在失事的危险，反之则安全。显然，为保证铀尾矿库安全平稳运行，铀尾矿库韧性应高于临界值。当启动应急响应，采取应对措施以后，铀尾矿库韧性又开始上升，进入恢复阶段，在上升到t1时刻时，此时铀尾矿库韧性程度恢复到未发生灾害时的水平。在t2时刻以后，通过“学习”(经验总结，优化升级)提升铀尾矿库韧性，铀尾矿库韧性将会高于初始状态，铀尾矿韧性得到提升，应对下一次冲击的能力得到加强。

图3 铀尾矿库韧性演进Fig.3 Evolution of uranium tailings pond’s resilience

2 韧性构成及指标

2.1 构成要素

建设好铀尾矿库，要明确其构成要素。铀尾矿库不只有放射性废物堆砌形成的坝体，还有库区内生物活动、监测信息的传递。随着大数据时代的到来和互联网、云计算的迅速发展，人们可以足不出户就能完成对数据的获取和监测，建立信息化、立体化的监测体系，可以实时获取受灾情况[4]。

物理空间、社会时代、信息数据共同组成了整个韧性铀尾矿库。物理空间是指铀尾矿库存客观存在的时空，如自然环境、坝体、排洪沟、基础设施等。社会时代是指与铀尾矿库相关的时代产物，包括建成原因、治理研究、社会影响等。信息数据是指各类信息流所组成的数据空间，包括监管部门之间的沟通信息、监测信息和预警信息等。以湖南省某铀尾矿库为例，列举主要物理空间、社会时代和信息数据的映射，见表1。

表1 韧性铀尾矿库构成要素Table 1 Elements of uranium tailings pond with resilience

2.2 韧性指标

准确掌握铀尾矿库的潜在危害，全面了解铀尾矿库运行现状，良好的指标体系能够为治理提供参考依据[5]。影响铀尾矿库韧性的因素具有多样性，构建铀尾矿库韧性指标体系，对铀尾矿库韧性状态进行评估是非常重要的。由于铀尾矿库韧性是一个状态量，加之灾害冲击的不确定性，演进具有过程性的特点。综合考量，从预防阶段、抵御与恢复阶段、适应阶段，构建铀尾矿库韧性指标，可以为铀尾矿库提升核应急能力奠定基础，更进一步获知铀尾矿库安全韧性情况，见表2。

表2 铀尾矿库韧性评价指标体系Table 2 Evaluation index system of uranium tailings pond’s resilience

续表

3 应用实践

我国正在加强核应急能力建设的步伐，提升核应急响应能力已经成为当前核应急工作的主要任务[7]。在征求湖南省某铀尾矿库管理部门的同意下，获取其地震监测数据资料，以湖南省某铀尾矿库为例，选取本文表2中的三级指标“A11地质环境条件”，构建铀尾矿库韧性评估模型，见图4。决定铀尾矿库韧性强弱的因素是多方面，简化研究，将三级指标“A11地质环境条件”中的地震冲击作为铀尾矿库韧性评估模型中的单一影响因素。模型中有三个边界条件，一是在未发生地震时的铀尾矿库韧性为100%；二是地震灾害冲击持续时间相同；三是适应阶段的韧性状态相同。将设防烈度作为计算基准，即可将公式(1)简化为公式(3)。

(3)

式中，Te表示铀尾矿库抗震韧性程度；Rp表示物理空间上铀尾矿库的抗震能力，即设防烈度；Nn表示地震的冲击程度，即发生地震烈度。

图4 韧性评估模型Fig.4 Model of resilience assess

该铀尾矿库厂区内坝体、建筑设施等的设防烈度为7级，故在预防阶段，其所有结构抵抗地震的能力是一样的。以地震烈度作为衡量考核标准，该铀尾矿库抵御地震冲击能力为7级，且该地区近二十年地震历史记录最大为3.5级，通过公式3计算，该铀尾矿库T1=2，属于韧性铀尾矿库；同理6级地震T2=1.17，属于韧性铀尾矿库；7级地震T2=1，属于临界态铀尾矿库；大于7级地震，T4<1，发生地震冲击大于该铀尾矿库抵御能力，不具备韧性。

发生3.5级地震时，该尾矿库坝体和设施的结构不会被破坏，铀尾矿库稳定运营；随着地震的结束和应急响应的开展，铀尾矿库开始恢复到未发生地震前水平；通过对此次地震中出现的问题进行整改，间接促使设防烈度变高，使铀尾矿库能够更好的应对下一次地震冲击。

该铀尾矿库处于6级地震带，在发生6级地震时，该尾矿库坝体和主要设施并不会出现因结构毁坏而造成坝体失稳的情况，铀尾矿库依然稳定；当地震结束和应急响应开展后，铀尾矿库各项功能开始逐渐恢复完善；通过开展灾后隐患排查并整改(坝体出现裂隙进行加固升级)、优化应急响应不足，综合提升铀尾矿库抵抗地震冲击的能力，以便更好的应对未来不确定的情况。

当发生7级地震时，该铀尾矿库的韧性就处于临界值状态；发生大于7级的地震，虽然该铀尾矿库并不具备抵抗大于7级地震冲击的能力，但是该铀尾矿库韧性并不会立即失效，会在地震冲击持续极端时间后，该铀尾矿库韧性才会完全被破坏，开展应急响应，韧性依然会持续下降，直至发生铀尾矿库失事事故。

根据公式(2)，利用JMatPro仿真软件即可求解出该铀尾矿库在应对3.5级、6级、7级和大于7级地震的韧性随时间变化情况。图5表示了湖南省某尾矿库在抵御不同震级地震时的韧性演化过程，抵御3.5级地震的韧性能力要强于抵御6级地震、7级地震。

图5 地震冲击韧性演化Fig.5 Resilience’s evolution of earthquake shock

铀尾矿库可以在冗余设计方面，通过适当提高设防烈度的阈值增加韧性。除此之外，进行防震前的结构加固、地震后的坝体受损评估及修缮升级；恢复的过程中有意识地汲取经验、地震后进行总结；降低地震后铀尾矿库恢复如初的成本、减少应急响应的后恢复时间；适应阶段通过优化应急响应方案、改良抗震技术等被动“学习”途径，都可以使铀尾矿库在面对下一次可承受范围内的地震灾害冲击时，能够做好充分的应对，提升铀尾矿库应急能力。

4 结 论

在自然灾害频发的当下，保证铀尾矿库的安全与稳定是铀尾矿库建设、管理和退役治理的要务之一,建成韧性铀尾矿库能够显著提升其应对自然灾害冲击的应急能力。韧性铀尾矿库的思想有助于我国放射性物质设施退役提升应急能力工作的开展，为铀尾矿库的建设、治理与研究提供新视角。铀尾矿库韧性概念的提出，明确了人类社会与铀尾矿库之间的交互关系，为实现铀尾矿与人类生存环境的和谐与共奠定了理论基础。韧性铀尾矿库的判定式能够判别铀尾矿库是否具有韧性，衡量铀尾矿库抵御灾害冲击的能力；铀尾矿库韧性演进过程，更容易理解铀尾矿库在遭受自然灾害时安全运行与发生事故的全过程；韧性铀尾矿库可视化为物理空间、社会时代、信息数据三者组成，更加全面系统的解释了韧性铀尾矿的组成单元，指明了建设韧性铀尾矿库的方向；铀尾矿韧性指标体系的初步构建具体化了韧性类别，为韧性评估工作的开展提供了先行条件。