基于長期侵蝕影響的鈾礦廢石堆覆土覆蓋工程優(yōu)化研究

汪嘉吾，吳 冬，程文娟，詹樂音，張神州

(1.中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司，河北 石家莊 050021；2.湖南省核工業(yè)地質(zhì)局三一一大隊(duì)，湖南 長沙 410007)

覆土覆蓋是對鈾廢石堆等含天然放射性物質(zhì)[1]的場所進(jìn)行治理最常用、最有效的技術(shù)之一，能起到抑制鈾廢石堆氡析出和屏蔽γ輻射的作用。中國于1990年開始對停閉的鈾礦廢石堆進(jìn)行退役覆蓋治理[2]，以使天然放射性廢物與生態(tài)環(huán)境進(jìn)行有效隔離，治理的最終目標(biāo)不僅是將潛在危害降低到可接受水平，而且還要使控制危害的覆蓋隔離工程長期有效[3]。

室外覆土層長時(shí)間承受雨水、地表水、甚至大風(fēng)造成的侵蝕，覆土覆蓋的長期有效性難以估計(jì)，覆土厚度必須考慮長期侵蝕的影響[4]。目前中國鈾礦廢石堆覆土覆蓋治理，主要以氡析出率-覆蓋厚度的雙曲擴(kuò)散理論為基礎(chǔ)[5]，通過覆土試驗(yàn)公式計(jì)算確定覆土厚度，對于克服長期侵蝕的影響考慮不足或缺乏嚴(yán)謹(jǐn)性。通過對1992—2010年完成覆蓋治理的52個(gè)鈾礦廢石堆輻射環(huán)境現(xiàn)狀、覆土覆蓋工程現(xiàn)狀質(zhì)量等進(jìn)行監(jiān)測、檢測，并開展覆土覆蓋與長期侵蝕相關(guān)研究，以期為鈾礦覆土覆蓋治理工程優(yōu)化與長期有效提供支撐。

1 調(diào)研對象與方法

1.1 調(diào)研對象

以中南地區(qū)(湖南、江西、廣西、湖北、河南)“八五”“九五”“十五”“十一五”期間52個(gè)廢石堆為研究對象(表1)，該地區(qū)土壤侵蝕類型以水蝕為主，土壤侵蝕模數(shù)為66～1 155 t/(km2·a)、平均為447 t/(km2·a)(0.331 mm2/a)[6]。

表1 研究對象情況Table 1 List of research subjects

52個(gè)廢石堆完成治理時(shí)間為1992年1月—2010年5月，距本研究間隔9～29年，有利于展開覆土覆蓋長期侵蝕相關(guān)研究。

1.2 調(diào)研方法

對52個(gè)廢石堆現(xiàn)狀的輻射環(huán)境、生態(tài)環(huán)境、覆土層厚度及壓實(shí)度進(jìn)行調(diào)查。

1.2.1 現(xiàn)狀輻射環(huán)境監(jiān)測

依據(jù)《環(huán)境地表γ輻射劑量率測定規(guī)范》(GB/T 14583—93)，采用BH3103B型X-γ劑量率儀測定廢石堆γ輻射劑量率。依據(jù)《表面氡析出率測定(累積法)》(EJ/T 979—1995)，采用RECM-03型氡析出率儀監(jiān)測222Rn析出率。

1.2.2 現(xiàn)狀覆土層質(zhì)量檢測

依據(jù)《地質(zhì)雷達(dá)探測測繪技術(shù)規(guī)程》(DB22/T 2574—2016)，采用施工探坑配合LTD-2100型探地雷達(dá)探測廢石堆覆土厚度。依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)，采用JWTM-1K型填土密實(shí)度檢測儀檢測廢石堆壓實(shí)度。

1.2.3 植被現(xiàn)狀調(diào)查

采用觀察、測量、統(tǒng)計(jì)方法對植物種類、植被根系進(jìn)行調(diào)查。按照《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤流失量測算導(dǎo)則》(SL 773—2018)，采用照相法、目估法計(jì)算植被覆蓋率。

2 調(diào)研結(jié)果分析

2.1 輻射環(huán)境監(jiān)測結(jié)果分析

52個(gè)廢石堆的現(xiàn)狀地表γ輻射劑量率監(jiān)測結(jié)果如圖1所示?？梢钥闯?，現(xiàn)狀地表γ輻射劑量率為(13.2～138.1)×10-8Gy/h，平均為39.1×10-8Gy/h。

圖1 廢石堆現(xiàn)狀γ輻射劑量率監(jiān)測結(jié)果Fig. 1 Monitoring results of current γ radiation dose rate of waste rock dump

52個(gè)廢石堆的現(xiàn)狀地表氡析出率統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如圖2所示。可以看出，現(xiàn)狀地表氡析出率均未超過0.74 Bq/(m2·s)的管理限值[7]11，表明現(xiàn)狀覆土層厚度起到了抑制氡析出的作用。

圖2 廢石堆現(xiàn)狀氡析出率監(jiān)測結(jié)果Fig. 2 Monitoring results of current radon exhalation rate of waste rock dump

2.2 覆土層質(zhì)量檢測結(jié)果分析

采用填土密實(shí)度檢測儀檢測了52個(gè)廢渣堆的壓實(shí)度，現(xiàn)狀覆土土質(zhì)主要為粉質(zhì)壤土，盡管區(qū)域?qū)倌戏郊t黏性土地區(qū)，但多數(shù)廢石堆處于山石丘陵區(qū)，覆土多用山區(qū)黃棕色壤土蓋層。

52個(gè)廢石堆的現(xiàn)狀覆土厚度、壓實(shí)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示?，F(xiàn)狀覆土厚度為30～41 cm，平均厚度37.0 cm，對比完工時(shí)覆土厚度的統(tǒng)計(jì)(厚度范圍30～60 cm，平均厚度45.3 cm)，覆土厚度平均減小了8.3 cm，這主要是由于自然營力作用下的水土流失。壓實(shí)度為84%～92%，平均88%，滿足不低于85%[8]46的覆土質(zhì)量要求。

圖3 廢石堆覆土厚度、壓實(shí)度監(jiān)測結(jié)果Fig. 3 Monitoring results of thickness and compactness of overburden of waste rock dump

2.3 植被狀況調(diào)查結(jié)果分析

2.3.1 野生植物種類

52個(gè)廢石堆上野生植物種類主要為草本類、灌木類。廢石堆上現(xiàn)狀優(yōu)勢野生草灌植物種類見表2?？梢缘贸?，中南各省區(qū)廢石堆上優(yōu)勢野生草灌植物種類主要為狗牙根草(草本)、毛軸蕨(草本)、木莓(灌木)、木藤蓼(半灌木)等；河南礦床(點(diǎn))地處偏北方，植物種略顯單一。對比“十一五”治理方案選用的植被恢復(fù)、護(hù)坡先鋒植物，如狗牙根、毛軸蕨、檸檬草等，表明植物已形成自然更替。

表2 廢石堆上現(xiàn)狀優(yōu)勢野生草灌植物種類Table 2 Current dominant wild grass shrub plant species on waste rock dump

2.3.2 實(shí)測植被覆蓋度

52個(gè)廢石堆實(shí)測植被覆蓋度見表3。

表3 廢石堆植被覆蓋統(tǒng)計(jì)Table 3 Vegetation coverage statistics of waste rock dump

從表3可得出，植被覆蓋率>70%和>50%～70%的廢石堆占比分別為61.54%、36.54%?！笆晃濉睆U渣堆植被覆蓋率略好于“八五”～“十五”時(shí)期，“八五”～“十五”植被覆蓋率略低的主要原因是“八五”～“十五”廢石堆因長期自然侵蝕，覆土厚度逐漸減薄，影響植被覆蓋率。

2.3.3 優(yōu)勢野生草灌類植物

52個(gè)廢石堆的優(yōu)勢野生草灌類植物根系長度測量結(jié)果如圖4所示。

圖4 廢石堆草灌植物根系長度統(tǒng)計(jì)Fig. 4 Root length of grass shrub plants of waste rock dump

從圖4可看出，現(xiàn)狀草本植物根系長度為5～38 cm，平均17 cm；灌木植物根系長度為17～46 cm，平均30 cm?，F(xiàn)狀草本植物根系長度均不超過覆土層厚度，灌木植物根系超過覆土層厚度的占比為15%，超出相應(yīng)覆土層厚度(32～41 cm)約1～8 cm。在設(shè)計(jì)覆土厚度時(shí)，應(yīng)考慮灌木植物根系因素。

3 覆土層長期侵蝕影響分析

土壤土層將長時(shí)間承受雨水和地表水造成的侵蝕，雖然侵蝕速率是平均值；但并不意味著所有表面受均勻侵蝕，不同地域侵蝕速率和沉積速率差異很大。如果不使用植被和巖石覆蓋物，或者不能保持其完整性，則侵蝕速率會更大。當(dāng)用巖石或植物覆蓋物保護(hù)廢渣堆免受雨水侵蝕時(shí)，風(fēng)蝕將微不足道[9]77。

中國水土流失面積大，水土流失強(qiáng)度大[9]2。本研究依據(jù)SL 773—2018的土壤侵蝕模數(shù)計(jì)算公式[10]6，計(jì)算各廢石堆覆土土壤侵蝕模數(shù)，各參數(shù)取值及計(jì)算詳見該規(guī)范。

M=R·K·Ly·Sy·Bv·E·T，

(1)

式中：M—土壤侵蝕模數(shù)，t/(hm2·a)；R—降雨侵蝕力因子，MJ·mm/(hm2·h·a)；K—土壤可蝕因子，t·h/(MJ·mm)；Ly—坡長因子，無量綱；Sy—坡度因子，無量綱；Bv—植被覆蓋因子，無量綱；E—工程措施因子，無量綱；T—輪作制度因子，無量綱，無耕種取1。

鈾礦覆土層長時(shí)間承受雨水和地表水造成的侵蝕，測定52個(gè)廢石堆平均減薄/流失厚度約為7.18 mm/a，如圖6所示。

根據(jù)公式(1)、圖5、圖6，計(jì)算得出52個(gè)廢石堆土壤侵蝕模數(shù)為58～2 262 t/(km2·a)，平均為600 t/(km2·a)，平均減薄/流失厚度約為7.18 mm/a。

圖5 廢石堆覆蓋土層土壤侵蝕模數(shù)分析Fig. 5 Soil erosion modulus analysis of of overburden soil layer of waste rock dump

圖6 廢石堆覆土厚度侵蝕率分析Fig. 6 Erosion rate analysis of overburden soil thickness of waste rock dump

中國鈾礦廢物覆蓋隔離安全期限至少應(yīng)保證100年，即為達(dá)到SL 190—2007中侵蝕后果危險(xiǎn)度分級輕險(xiǎn)型(100 a≤F<1 000 a)[11]12。廢石堆按抑制氡析出計(jì)算出覆土厚度后，可按相關(guān)土壤侵蝕模數(shù)公式測算覆土流失量；同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對治理后廢石堆的長期監(jiān)護(hù)，注意維護(hù)截排水溝渠，修剪植被，確保退役治理效果能夠長期保持。

4 覆土覆蓋工程優(yōu)化

根據(jù)廢石堆覆土厚度長期侵蝕影響分析及現(xiàn)狀廢石堆土壤侵蝕模數(shù)計(jì)算結(jié)果，從以下幾方面降低覆土屏障侵蝕速率：1)提高廢石堆表面覆土植被覆蓋率。較好的植被覆蓋率能起到淺根加筋、降雨截流、削弱濺蝕作用，減弱覆土的侵蝕速率；因減弱了覆土侵蝕速率，也更容易維持廢石堆表面的植被覆蓋率。2)在進(jìn)行覆土覆蓋工程時(shí)，選擇適宜的植被覆蓋度和礫石蓋度。依據(jù)SL 773—2018，植被覆蓋度和礫石蓋度之和大于60%時(shí)，不考慮風(fēng)蝕對覆土侵蝕影響[9]16；小于60%時(shí)，需考慮風(fēng)蝕對覆土侵蝕影響。3)適當(dāng)提高廢石堆覆蓋層覆土厚度余量，提高覆土屏障抗侵蝕年限。

5 結(jié)論

1)一定厚度的覆土起到抑制氡析出和屏蔽γ輻射的作用，覆土治理后受長期侵蝕影響，中南地區(qū)覆土層年平均減薄/流失厚度約為7.18 mm/a，該值大于當(dāng)?shù)仄骄寥狼治g模數(shù)0.331 mm/a。覆土治理工程須克服長期侵蝕作用。

2)在考慮覆土厚度和結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)考慮灌木植物根系的因素。建造草灌型植被時(shí)，建議最小覆土厚度應(yīng)在原不低于35 cm基礎(chǔ)上增加約15 cm；也可增設(shè)植物根系阻隔層，以防止植物根系充當(dāng)氡析出的通道。