基于长期侵蚀影响的铀矿废石堆覆土覆盖工程优化研究

2022-07-27汪嘉吾程文娟詹乐音张神州

铀矿冶 2022年3期

汪嘉吾，吴冬，程文娟，詹乐音，张神州

(1.中核第四研究设计工程有限公司，河北石家庄 050021；2.湖南省核工业地质局三一一大队，湖南长沙 410007)

覆土覆盖是对铀废石堆等含天然放射性物质[1]的场所进行治理最常用、最有效的技术之一，能起到抑制铀废石堆氡析出和屏蔽γ辐射的作用。中国于1990年开始对停闭的铀矿废石堆进行退役覆盖治理[2]，以使天然放射性废物与生态环境进行有效隔离，治理的最终目标不仅是将潜在危害降低到可接受水平，而且还要使控制危害的覆盖隔离工程长期有效[3]。

室外覆土层长时间承受雨水、地表水、甚至大风造成的侵蚀，覆土覆盖的长期有效性难以估计，覆土厚度必须考虑长期侵蚀的影响[4]。目前中国铀矿废石堆覆土覆盖治理，主要以氡析出率-覆盖厚度的双曲扩散理论为基础[5]，通过覆土试验公式计算确定覆土厚度，对于克服长期侵蚀的影响考虑不足或缺乏严谨性。通过对1992—2010年完成覆盖治理的52个铀矿废石堆辐射环境现状、覆土覆盖工程现状质量等进行监测、检测，并开展覆土覆盖与长期侵蚀相关研究，以期为铀矿覆土覆盖治理工程优化与长期有效提供支撑。

1 调研对象与方法

1.1 调研对象

以中南地区(湖南、江西、广西、湖北、河南)“八五”“九五”“十五”“十一五”期间52个废石堆为研究对象(表1)，该地区土壤侵蚀类型以水蚀为主，土壤侵蚀模数为66～1 155 t/(km2·a)、平均为447 t/(km2·a)(0.331 mm2/a)[6]。

表1 研究对象情况Table 1 List of research subjects

52个废石堆完成治理时间为1992年1月—2010年5月，距本研究间隔9～29年，有利于展开覆土覆盖长期侵蚀相关研究。

1.2 调研方法

对52个废石堆现状的辐射环境、生态环境、覆土层厚度及压实度进行调查。

1.2.1 现状辐射环境监测

依据《环境地表γ辐射剂量率测定规范》(GB/T 14583—93)，采用BH3103B型X-γ剂量率仪测定废石堆γ辐射剂量率。依据《表面氡析出率测定(累积法)》(EJ/T 979—1995)，采用RECM-03型氡析出率仪监测222Rn析出率。

1.2.2 现状覆土层质量检测

依据《地质雷达探测测绘技术规程》(DB22/T 2574—2016)，采用施工探坑配合LTD-2100型探地雷达探测废石堆覆土厚度。依据《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)，采用JWTM-1K型填土密实度检测仪检测废石堆压实度。

1.2.3 植被现状调查

采用观察、测量、统计方法对植物种类、植被根系进行调查。按照《生产建设项目土壤流失量测算导则》(SL 773—2018)，采用照相法、目估法计算植被覆盖率。

2 调研结果分析

2.1 辐射环境监测结果分析

52个废石堆的现状地表γ辐射剂量率监测结果如图1所示。可以看出，现状地表γ辐射剂量率为(13.2～138.1)×10-8Gy/h，平均为39.1×10-8Gy/h。

图1 废石堆现状γ辐射剂量率监测结果Fig. 1 Monitoring results of current γ radiation dose rate of waste rock dump

52个废石堆的现状地表氡析出率统计分析结果如图2所示。可以看出，现状地表氡析出率均未超过0.74 Bq/(m2·s)的管理限值[7]11，表明现状覆土层厚度起到了抑制氡析出的作用。

图2 废石堆现状氡析出率监测结果Fig. 2 Monitoring results of current radon exhalation rate of waste rock dump

2.2 覆土层质量检测结果分析

采用填土密实度检测仪检测了52个废渣堆的压实度，现状覆土土质主要为粉质壤土，尽管区域属南方红黏性土地区，但多数废石堆处于山石丘陵区，覆土多用山区黄棕色壤土盖层。

52个废石堆的现状覆土厚度、压实度统计结果如图3所示。现状覆土厚度为30～41 cm，平均厚度37.0 cm，对比完工时覆土厚度的统计(厚度范围30～60 cm，平均厚度45.3 cm)，覆土厚度平均减小了8.3 cm，这主要是由于自然营力作用下的水土流失。压实度为84%～92%，平均88%，满足不低于85%[8]46的覆土质量要求。

图3 废石堆覆土厚度、压实度监测结果Fig. 3 Monitoring results of thickness and compactness of overburden of waste rock dump

2.3 植被状况调查结果分析

2.3.1 野生植物种类

52个废石堆上野生植物种类主要为草本类、灌木类。废石堆上现状优势野生草灌植物种类见表2。可以得出，中南各省区废石堆上优势野生草灌植物种类主要为狗牙根草(草本)、毛轴蕨(草本)、木莓(灌木)、木藤蓼(半灌木)等；河南矿床(点)地处偏北方，植物种略显单一。对比“十一五”治理方案选用的植被恢复、护坡先锋植物，如狗牙根、毛轴蕨、柠檬草等，表明植物已形成自然更替。

表2 废石堆上现状优势野生草灌植物种类Table 2 Current dominant wild grass shrub plant species on waste rock dump

2.3.2 实测植被覆盖度

52个废石堆实测植被覆盖度见表3。

表3 废石堆植被覆盖统计Table 3 Vegetation coverage statistics of waste rock dump

从表3可得出，植被覆盖率>70%和>50%～70%的废石堆占比分别为61.54%、36.54%。“十一五”废渣堆植被覆盖率略好于“八五”～“十五”时期，“八五”～“十五”植被覆盖率略低的主要原因是“八五”～“十五”废石堆因长期自然侵蚀，覆土厚度逐渐减薄，影响植被覆盖率。

2.3.3 优势野生草灌类植物

52个废石堆的优势野生草灌类植物根系长度测量结果如图4所示。

图4 废石堆草灌植物根系长度统计Fig. 4 Root length of grass shrub plants of waste rock dump

从图4可看出，现状草本植物根系长度为5～38 cm，平均17 cm；灌木植物根系长度为17～46 cm，平均30 cm。现状草本植物根系长度均不超过覆土层厚度，灌木植物根系超过覆土层厚度的占比为15%，超出相应覆土层厚度(32～41 cm)约1～8 cm。在设计覆土厚度时，应考虑灌木植物根系因素。

3 覆土层长期侵蚀影响分析

土壤土层将长时间承受雨水和地表水造成的侵蚀，虽然侵蚀速率是平均值；但并不意味着所有表面受均匀侵蚀，不同地域侵蚀速率和沉积速率差异很大。如果不使用植被和岩石覆盖物，或者不能保持其完整性，则侵蚀速率会更大。当用岩石或植物覆盖物保护废渣堆免受雨水侵蚀时，风蚀将微不足道[9]77。

中国水土流失面积大，水土流失强度大[9]2。本研究依据SL 773—2018的土壤侵蚀模数计算公式[10]6，计算各废石堆覆土土壤侵蚀模数，各参数取值及计算详见该规范。

M=R·K·Ly·Sy·Bv·E·T，

(1)

式中：M—土壤侵蚀模数，t/(hm2·a)；R—降雨侵蚀力因子，MJ·mm/(hm2·h·a)；K—土壤可蚀因子，t·h/(MJ·mm)；Ly—坡长因子，无量纲；Sy—坡度因子，无量纲；Bv—植被覆盖因子，无量纲；E—工程措施因子，无量纲；T—轮作制度因子，无量纲，无耕种取1。

铀矿覆土层长时间承受雨水和地表水造成的侵蚀，测定52个废石堆平均减薄/流失厚度约为7.18 mm/a，如图6所示。

根据公式(1)、图5、图6，计算得出52个废石堆土壤侵蚀模数为58～2 262 t/(km2·a)，平均为600 t/(km2·a)，平均减薄/流失厚度约为7.18 mm/a。

图5 废石堆覆盖土层土壤侵蚀模数分析Fig. 5 Soil erosion modulus analysis of of overburden soil layer of waste rock dump

图6 废石堆覆土厚度侵蚀率分析Fig. 6 Erosion rate analysis of overburden soil thickness of waste rock dump

中国铀矿废物覆盖隔离安全期限至少应保证100年，即为达到SL 190—2007中侵蚀后果危险度分级轻险型(100 a≤F<1 000 a)[11]12。废石堆按抑制氡析出计算出覆土厚度后，可按相关土壤侵蚀模数公式测算覆土流失量；同时应加强对治理后废石堆的长期监护，注意维护截排水沟渠，修剪植被，确保退役治理效果能够长期保持。

4 覆土覆盖工程优化

根据废石堆覆土厚度长期侵蚀影响分析及现状废石堆土壤侵蚀模数计算结果，从以下几方面降低覆土屏障侵蚀速率：1)提高废石堆表面覆土植被覆盖率。较好的植被覆盖率能起到浅根加筋、降雨截流、削弱溅蚀作用，减弱覆土的侵蚀速率；因减弱了覆土侵蚀速率，也更容易维持废石堆表面的植被覆盖率。2)在进行覆土覆盖工程时，选择适宜的植被覆盖度和砾石盖度。依据SL 773—2018，植被覆盖度和砾石盖度之和大于60%时，不考虑风蚀对覆土侵蚀影响[9]16；小于60%时，需考虑风蚀对覆土侵蚀影响。3)适当提高废石堆覆盖层覆土厚度余量，提高覆土屏障抗侵蚀年限。