自然災(zāi)害頻發(fā)下的鈾尾礦庫韌性程度探討研究

曾志偉,李向陽*,王 攀,洪昌壽

(1.南華大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 衡陽421001;2.核工業(yè)北京化工冶金研究院,北京101149)

0 引 言

聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(United Nations Environment Programme,UNEP)提出尾礦壩數(shù)量和規(guī)模的增長(zhǎng)給環(huán)境、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)帶來了潛在的風(fēng)險(xiǎn)，人類面臨著巨大的挑戰(zhàn)。UNEP最新報(bào)告《尾礦庫：零事故才安全》(MineTailingsStorage:SafetyIsNoAccident)顯示，在過去的10年中，全球尾礦壩事故超過40起，造成近700人死亡。

鈾尾礦庫作為一種特殊的尾礦庫，它是核燃料循環(huán)系統(tǒng)中最龐大的放射性廢物貯存場(chǎng)所。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國每生產(chǎn)1 t鈾金屬產(chǎn)品，會(huì)產(chǎn)生250～600 t的尾礦[1]。鈾尾礦可分為放射性固廢尾砂及放射性廢水兩部分，其中含有鐳、鈾、釷等多種放射性物質(zhì)，所含有核素半衰期長(zhǎng)、毒性大、污染持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，是一個(gè)長(zhǎng)期潛在的放射性污染源。鈾尾礦壩一旦失穩(wěn)，極有可能形成重大核泄漏事故，將對(duì)周邊區(qū)域的生態(tài)環(huán)境安全構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。

在日本福島核電站核泄漏事故發(fā)生后，中華人民共和國國家國防科技工業(yè)局要求我國核設(shè)施必須提高本質(zhì)安全度和應(yīng)急能力，要充分考慮抗御自然災(zāi)害疊加能力，確保核設(shè)施安全穩(wěn)定。其中，鈾尾礦要按照IAEA(International Atomic Energy Agency)《使用放射性物質(zhì)設(shè)施退役安全評(píng)價(jià)》要求，保證1 000年絕對(duì)安全基礎(chǔ)指標(biāo)。因此，提升鈾尾礦庫應(yīng)對(duì)突發(fā)災(zāi)害沖擊下的應(yīng)急能力迫在眉睫。

因此，引入物理學(xué)“韌性”一詞的概念，其定義為材料在斷裂前所能吸收的能量與體積的比值[2]，提出“韌性鈾尾礦庫”的建設(shè)理念，即鈾尾礦庫具有類似于材料的韌性特性，能夠在一定時(shí)空內(nèi)具有抵御自然災(zāi)害沖擊的能力，不至于引發(fā)潰壩、垮壩安全事故。將我國待建、在役及退役鈾尾礦庫應(yīng)對(duì)突發(fā)災(zāi)害沖擊下的應(yīng)急能力進(jìn)行統(tǒng)籌化管理，旨在讓鈾尾礦庫對(duì)災(zāi)害有著強(qiáng)勁的免疫力。以湖南省境內(nèi)的某大型鈾尾礦庫為例，本文選取三級(jí)指標(biāo)地質(zhì)環(huán)境條件開展了韌性鈾尾礦庫的構(gòu)建實(shí)踐，建立了相應(yīng)的韌性評(píng)估模型，分析了地震應(yīng)力作用時(shí)的韌性演化過程，提出了增加韌性的對(duì)策措施。

1 韌性鈾尾礦庫

1.1 韌性鈾尾礦庫概述

為解決鈾尾礦對(duì)環(huán)境及公眾造成的污染和損害的問題，世界各國針對(duì)鈾尾礦的處理處置技術(shù)開展了很多研究，國際原子能機(jī)構(gòu)也多次召開會(huì)議，研討鈾尾礦的處理處置技術(shù)、對(duì)策和管理方法[3]。人類對(duì)于鈾尾礦庫有著充分的能動(dòng)性，自然災(zāi)害威脅鈾尾礦安全運(yùn)營的事實(shí)客觀存在，但是人類可以采取積極的應(yīng)對(duì)措施，去避免發(fā)生鈾尾礦庫潰壩、垮壩等安全事故。

傳統(tǒng)鈾尾礦庫治理與實(shí)踐研究的核心是集中在鈾尾礦庫防災(zāi)減災(zāi)上，只關(guān)注鈾尾礦庫建址地質(zhì)環(huán)境安全和壩體結(jié)構(gòu)防護(hù)設(shè)計(jì)，具體表現(xiàn)為自然災(zāi)害會(huì)使壩體失穩(wěn)，發(fā)生潰壩、垮壩等安全事故，從而威脅人類社會(huì)。因此，要研究各種安全技術(shù)保障人類生存空間的安全并保護(hù)生態(tài)安全，但是忽視了其所處社會(huì)時(shí)代的深層次社會(huì)因素。自然災(zāi)害不僅直接作用于鈾尾礦庫，考驗(yàn)壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和防護(hù)措施的有效性；而且也會(huì)檢驗(yàn)其所處社會(huì)時(shí)代在自然災(zāi)害沖擊下的應(yīng)急處置能力，衡量其社會(huì)發(fā)展水平和文明程度。實(shí)際上，鈾尾礦庫與人類生存的社會(huì)時(shí)代一直呈現(xiàn)著交互現(xiàn)象，測(cè)量工具則可以幫助人類了解鈾尾礦的情況，亦可抽象為社會(huì)時(shí)代與鈾尾礦庫的交互面，見圖1。

圖1 鈾尾礦庫與人類社會(huì)的關(guān)系Fig.1 The relationship between uranium tailings pond and human society

自然災(zāi)害一直是在不斷演化中，從生態(tài)系統(tǒng)學(xué)的觀點(diǎn)來看，可將自然災(zāi)害、鈾尾礦庫和人類社會(huì)時(shí)代視為一個(gè)整體有機(jī)系統(tǒng)，見圖2。韌性鈾尾礦庫的建設(shè)目標(biāo)是，韌性鈾尾礦庫有機(jī)系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)每一次自然災(zāi)害時(shí)，表現(xiàn)出良好的“學(xué)習(xí)”能力，即通過對(duì)每一次抵抗自然災(zāi)害沖擊、災(zāi)后逐漸恢復(fù)，適應(yīng)后進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)、優(yōu)化升級(jí)結(jié)構(gòu)，使之具備成長(zhǎng)屬性，以更加強(qiáng)大的韌性狀態(tài)應(yīng)對(duì)未來的不確定性。

圖2 韌性鈾尾礦庫的成長(zhǎng)原理Fig.2 Growth principle of uranium tailings pond with resilience

1.2 韌性判定式

韌性鈾尾礦庫是指，鈾尾礦庫具有在一定時(shí)空內(nèi)受到?jīng)_擊時(shí)，抵御沖擊、迅速恢復(fù)和優(yōu)化系統(tǒng)的安全狀態(tài)，并通過“學(xué)習(xí)”來提升應(yīng)對(duì)下一次災(zāi)害的能力。因此，韌性是鈾尾礦庫自身的屬性，但其韌性的強(qiáng)弱與其自身構(gòu)成有關(guān)，鈾尾礦庫韌性越好，其發(fā)生鈾尾礦庫失事的可能性越?。环粗畡t反。綜上所述，給出韌性鈾尾礦庫的判別式，即鈾尾礦庫抵御沖擊能力與當(dāng)前災(zāi)害沖擊程度的比值，如公式1所示。

(1)

式中：T表示韌性鈾尾礦庫判別值；R(p,s,d)表示鈾尾礦庫抵御沖擊的能力函數(shù)，與物理空間(p)、社會(huì)背景(s)、信息數(shù)據(jù)(d)相關(guān)的函數(shù)；N(n,j,h)表示當(dāng)前災(zāi)害沖擊程度函數(shù)，由自然災(zāi)害(n)、技術(shù)災(zāi)害(j)、人為災(zāi)害(h)疊加組成的函數(shù)。

韌性鈾尾礦庫的T值判定：

1)當(dāng)T>1時(shí)，即鈾尾礦庫抵御沖擊能力大于當(dāng)前災(zāi)害沖擊程度，此時(shí)鈾尾礦庫韌性極好，不會(huì)造成鈾尾礦庫失事，是韌性鈾尾礦庫；

2)當(dāng)T=1時(shí)，即鈾尾礦庫抵御沖擊能力等于當(dāng)前災(zāi)害沖擊程度，此時(shí)鈾尾礦庫韌性處于一種臨界狀態(tài)，有可能會(huì)發(fā)生事故，也有可能不發(fā)生失事，是臨界態(tài)韌性鈾尾礦庫；

3)當(dāng)T<1時(shí)，即鈾尾礦庫抵御沖擊能力小于當(dāng)前災(zāi)害沖擊程度，此時(shí)鈾尾礦庫韌性極差，會(huì)造成鈾尾礦庫失事，不是韌性鈾尾礦庫。

1.3 鈾尾礦庫韌性：抵御、恢復(fù)、適應(yīng)

鈾尾礦韌性是狀態(tài)量，主要包含了抵御、恢復(fù)和適應(yīng)三個(gè)階段。其中，抵御階段是指鈾尾礦庫可以承受沖擊所帶來的消極作用，在抵御災(zāi)害沖擊的同時(shí)，其安全結(jié)構(gòu)不會(huì)被破壞?；謴?fù)階段是從開展應(yīng)急響應(yīng)開始，鈾尾礦庫逐漸恢復(fù)其受損結(jié)構(gòu)。適應(yīng)階段指鈾尾礦庫通過“學(xué)習(xí)”(安全檢查、隱患排查、加固升級(jí)、優(yōu)化管理、借鑒總結(jié)、經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)等)的方式，應(yīng)對(duì)未來的不確定性沖擊。在此，定義出鈾尾礦韌性的數(shù)學(xué)表達(dá)式，如公式(2)所示。

(2)

公式中，Λ表示鈾尾礦庫韌性比；Tx(t)表示x時(shí)刻鈾尾礦庫的韌性程度；T0(t)表示未遭受沖擊時(shí)刻的鈾尾礦庫韌性程度(鈾尾礦庫在未遭受沖擊的狀態(tài)下韌性為100%)。

圖3表示了韌性的演進(jìn)過程，t0時(shí)刻，在自然災(zāi)害沖擊的作用下，鈾尾礦庫初始狀態(tài)遭到破壞，鈾尾礦韌性開始隨時(shí)間下降，進(jìn)入抵御階段；在下降到tmin時(shí)刻時(shí)，此時(shí)鈾尾礦庫韌性處于臨界值(繼續(xù)下降將會(huì)處于事故狀態(tài)，上升則會(huì)處于安全狀態(tài))，這是一種臨界狀態(tài)，也是鈾尾礦庫韌性允許的最小值，低于這一數(shù)值，則鈾尾礦庫存在失事的危險(xiǎn)，反之則安全。顯然，為保證鈾尾礦庫安全平穩(wěn)運(yùn)行，鈾尾礦庫韌性應(yīng)高于臨界值。當(dāng)啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)，采取應(yīng)對(duì)措施以后，鈾尾礦庫韌性又開始上升，進(jìn)入恢復(fù)階段，在上升到t1時(shí)刻時(shí)，此時(shí)鈾尾礦庫韌性程度恢復(fù)到未發(fā)生災(zāi)害時(shí)的水平。在t2時(shí)刻以后，通過“學(xué)習(xí)”(經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，優(yōu)化升級(jí))提升鈾尾礦庫韌性，鈾尾礦庫韌性將會(huì)高于初始狀態(tài)，鈾尾礦韌性得到提升，應(yīng)對(duì)下一次沖擊的能力得到加強(qiáng)。

圖3 鈾尾礦庫韌性演進(jìn)Fig.3 Evolution of uranium tailings pond’s resilience

2 韌性構(gòu)成及指標(biāo)

2.1 構(gòu)成要素

建設(shè)好鈾尾礦庫，要明確其構(gòu)成要素。鈾尾礦庫不只有放射性廢物堆砌形成的壩體，還有庫區(qū)內(nèi)生物活動(dòng)、監(jiān)測(cè)信息的傳遞。隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來和互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算的迅速發(fā)展，人們可以足不出戶就能完成對(duì)數(shù)據(jù)的獲取和監(jiān)測(cè)，建立信息化、立體化的監(jiān)測(cè)體系，可以實(shí)時(shí)獲取受災(zāi)情況[4]。

物理空間、社會(huì)時(shí)代、信息數(shù)據(jù)共同組成了整個(gè)韌性鈾尾礦庫。物理空間是指鈾尾礦庫存客觀存在的時(shí)空，如自然環(huán)境、壩體、排洪溝、基礎(chǔ)設(shè)施等。社會(huì)時(shí)代是指與鈾尾礦庫相關(guān)的時(shí)代產(chǎn)物，包括建成原因、治理研究、社會(huì)影響等。信息數(shù)據(jù)是指各類信息流所組成的數(shù)據(jù)空間，包括監(jiān)管部門之間的溝通信息、監(jiān)測(cè)信息和預(yù)警信息等。以湖南省某鈾尾礦庫為例，列舉主要物理空間、社會(huì)時(shí)代和信息數(shù)據(jù)的映射，見表1。

表1 韌性鈾尾礦庫構(gòu)成要素Table 1 Elements of uranium tailings pond with resilience

2.2 韌性指標(biāo)

準(zhǔn)確掌握鈾尾礦庫的潛在危害，全面了解鈾尾礦庫運(yùn)行現(xiàn)狀，良好的指標(biāo)體系能夠?yàn)橹卫硖峁﹨⒖家罁?jù)[5]。影響鈾尾礦庫韌性的因素具有多樣性，構(gòu)建鈾尾礦庫韌性指標(biāo)體系，對(duì)鈾尾礦庫韌性狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估是非常重要的。由于鈾尾礦庫韌性是一個(gè)狀態(tài)量，加之災(zāi)害沖擊的不確定性，演進(jìn)具有過程性的特點(diǎn)。綜合考量，從預(yù)防階段、抵御與恢復(fù)階段、適應(yīng)階段，構(gòu)建鈾尾礦庫韌性指標(biāo)，可以為鈾尾礦庫提升核應(yīng)急能力奠定基礎(chǔ)，更進(jìn)一步獲知鈾尾礦庫安全韌性情況，見表2。

表2 鈾尾礦庫韌性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 2 Evaluation index system of uranium tailings pond’s resilience

續(xù)表

3 應(yīng)用實(shí)踐

我國正在加強(qiáng)核應(yīng)急能力建設(shè)的步伐，提升核應(yīng)急響應(yīng)能力已經(jīng)成為當(dāng)前核應(yīng)急工作的主要任務(wù)[7]。在征求湖南省某鈾尾礦庫管理部門的同意下，獲取其地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料，以湖南省某鈾尾礦庫為例，選取本文表2中的三級(jí)指標(biāo)“A11地質(zhì)環(huán)境條件”，構(gòu)建鈾尾礦庫韌性評(píng)估模型，見圖4。決定鈾尾礦庫韌性強(qiáng)弱的因素是多方面，簡(jiǎn)化研究，將三級(jí)指標(biāo)“A11地質(zhì)環(huán)境條件”中的地震沖擊作為鈾尾礦庫韌性評(píng)估模型中的單一影響因素。模型中有三個(gè)邊界條件，一是在未發(fā)生地震時(shí)的鈾尾礦庫韌性為100%；二是地震災(zāi)害沖擊持續(xù)時(shí)間相同；三是適應(yīng)階段的韌性狀態(tài)相同。將設(shè)防烈度作為計(jì)算基準(zhǔn)，即可將公式(1)簡(jiǎn)化為公式(3)。

(3)

式中，Te表示鈾尾礦庫抗震韌性程度；Rp表示物理空間上鈾尾礦庫的抗震能力，即設(shè)防烈度；Nn表示地震的沖擊程度，即發(fā)生地震烈度。

圖4 韌性評(píng)估模型Fig.4 Model of resilience assess

該鈾尾礦庫廠區(qū)內(nèi)壩體、建筑設(shè)施等的設(shè)防烈度為7級(jí)，故在預(yù)防階段，其所有結(jié)構(gòu)抵抗地震的能力是一樣的。以地震烈度作為衡量考核標(biāo)準(zhǔn)，該鈾尾礦庫抵御地震沖擊能力為7級(jí)，且該地區(qū)近二十年地震歷史記錄最大為3.5級(jí)，通過公式3計(jì)算，該鈾尾礦庫T1=2，屬于韌性鈾尾礦庫；同理6級(jí)地震T2=1.17，屬于韌性鈾尾礦庫；7級(jí)地震T2=1，屬于臨界態(tài)鈾尾礦庫；大于7級(jí)地震，T4<1，發(fā)生地震沖擊大于該鈾尾礦庫抵御能力，不具備韌性。

發(fā)生3.5級(jí)地震時(shí)，該尾礦庫壩體和設(shè)施的結(jié)構(gòu)不會(huì)被破壞，鈾尾礦庫穩(wěn)定運(yùn)營；隨著地震的結(jié)束和應(yīng)急響應(yīng)的開展，鈾尾礦庫開始恢復(fù)到未發(fā)生地震前水平；通過對(duì)此次地震中出現(xiàn)的問題進(jìn)行整改，間接促使設(shè)防烈度變高，使鈾尾礦庫能夠更好的應(yīng)對(duì)下一次地震沖擊。

該鈾尾礦庫處于6級(jí)地震帶，在發(fā)生6級(jí)地震時(shí)，該尾礦庫壩體和主要設(shè)施并不會(huì)出現(xiàn)因結(jié)構(gòu)毀壞而造成壩體失穩(wěn)的情況，鈾尾礦庫依然穩(wěn)定；當(dāng)?shù)卣鸾Y(jié)束和應(yīng)急響應(yīng)開展后，鈾尾礦庫各項(xiàng)功能開始逐漸恢復(fù)完善；通過開展災(zāi)后隱患排查并整改(壩體出現(xiàn)裂隙進(jìn)行加固升級(jí))、優(yōu)化應(yīng)急響應(yīng)不足，綜合提升鈾尾礦庫抵抗地震沖擊的能力，以便更好的應(yīng)對(duì)未來不確定的情況。

當(dāng)發(fā)生7級(jí)地震時(shí)，該鈾尾礦庫的韌性就處于臨界值狀態(tài)；發(fā)生大于7級(jí)的地震，雖然該鈾尾礦庫并不具備抵抗大于7級(jí)地震沖擊的能力，但是該鈾尾礦庫韌性并不會(huì)立即失效，會(huì)在地震沖擊持續(xù)極端時(shí)間后，該鈾尾礦庫韌性才會(huì)完全被破壞，開展應(yīng)急響應(yīng)，韌性依然會(huì)持續(xù)下降，直至發(fā)生鈾尾礦庫失事事故。

根據(jù)公式(2)，利用JMatPro仿真軟件即可求解出該鈾尾礦庫在應(yīng)對(duì)3.5級(jí)、6級(jí)、7級(jí)和大于7級(jí)地震的韌性隨時(shí)間變化情況。圖5表示了湖南省某尾礦庫在抵御不同震級(jí)地震時(shí)的韌性演化過程，抵御3.5級(jí)地震的韌性能力要強(qiáng)于抵御6級(jí)地震、7級(jí)地震。

圖5 地震沖擊韌性演化Fig.5 Resilience’s evolution of earthquake shock

鈾尾礦庫可以在冗余設(shè)計(jì)方面，通過適當(dāng)提高設(shè)防烈度的閾值增加韌性。除此之外，進(jìn)行防震前的結(jié)構(gòu)加固、地震后的壩體受損評(píng)估及修繕升級(jí)；恢復(fù)的過程中有意識(shí)地汲取經(jīng)驗(yàn)、地震后進(jìn)行總結(jié)；降低地震后鈾尾礦庫恢復(fù)如初的成本、減少應(yīng)急響應(yīng)的后恢復(fù)時(shí)間；適應(yīng)階段通過優(yōu)化應(yīng)急響應(yīng)方案、改良抗震技術(shù)等被動(dòng)“學(xué)習(xí)”途徑，都可以使鈾尾礦庫在面對(duì)下一次可承受范圍內(nèi)的地震災(zāi)害沖擊時(shí)，能夠做好充分的應(yīng)對(duì)，提升鈾尾礦庫應(yīng)急能力。

4 結(jié) 論

在自然災(zāi)害頻發(fā)的當(dāng)下，保證鈾尾礦庫的安全與穩(wěn)定是鈾尾礦庫建設(shè)、管理和退役治理的要?jiǎng)?wù)之一,建成韌性鈾尾礦庫能夠顯著提升其應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害沖擊的應(yīng)急能力。韌性鈾尾礦庫的思想有助于我國放射性物質(zhì)設(shè)施退役提升應(yīng)急能力工作的開展，為鈾尾礦庫的建設(shè)、治理與研究提供新視角。鈾尾礦庫韌性概念的提出，明確了人類社會(huì)與鈾尾礦庫之間的交互關(guān)系，為實(shí)現(xiàn)鈾尾礦與人類生存環(huán)境的和諧與共奠定了理論基礎(chǔ)。韌性鈾尾礦庫的判定式能夠判別鈾尾礦庫是否具有韌性，衡量鈾尾礦庫抵御災(zāi)害沖擊的能力；鈾尾礦庫韌性演進(jìn)過程，更容易理解鈾尾礦庫在遭受自然災(zāi)害時(shí)安全運(yùn)行與發(fā)生事故的全過程；韌性鈾尾礦庫可視化為物理空間、社會(huì)時(shí)代、信息數(shù)據(jù)三者組成，更加全面系統(tǒng)的解釋了韌性鈾尾礦的組成單元，指明了建設(shè)韌性鈾尾礦庫的方向；鈾尾礦韌性指標(biāo)體系的初步構(gòu)建具體化了韌性類別，為韌性評(píng)估工作的開展提供了先行條件。