退役铀尾矿库环境稳定性分析及应用*

李国辉　刘永　招国栋　张忠相

(1.南华大学环境保护与安全工程学院　湖南衡阳 421001；　2.南华大学研究生院　湖南衡阳 421001)



退役铀尾矿库环境稳定性分析及应用*

李国辉1刘永2招国栋2张忠相1

(1.南华大学环境保护与安全工程学院湖南衡阳 421001；2.南华大学研究生院湖南衡阳 421001)

为了对退役铀尾矿库的环境稳定性进行分析，以某退役铀尾矿库为实例，在收集了连续3年环境监测数据的基础上，通过因子分析法对影响铀尾矿库环境稳定的13个指标进行了筛选，确定了pH值等6个主要指标，并利用层次分析法确定了各指标的权重。利用模糊数学理论求出了概率α=0.9时各指标的稳定区间，通过构造函数算出了铀尾矿库环境稳定率随时间的变化情况。结果表明，该铀尾矿库的环境稳定性整体较差，仍需进一步加强治理。

铀尾矿库模糊数学因子分析环境稳定率

0　引言

目前对铀尾矿库的研究主要集中在铀尾矿坝的静力稳定性分析及评价，放射性核素、重金属等有毒有害物质运移规律，铀尾矿库的风险评估及退役治理等几个方面。例如，国际原子能机构(IAEA)早在2004年就对铀尾矿坝的长期稳定性进行了研究[1]；夏美琼等利用模糊理论对某铀尾矿坝的稳定性进行了综合评价，并与传统的瑞典圆弧法计算结果进行了对比，验证了该方法的可靠性[2]；刘振昊等对平地型铀尾矿库氡在大气中的扩散规律进行了数值模拟，得出了不同风速下氡浓度分布及其安全防护距离[3]；李俊对272厂铀尾矿库放射性核素的运移规律进行了模拟研究，并估算了一定时期内226Ra的迁移距离和污染范围[4]；聂小琴等测定了某铀尾矿库优势植物体内核素的含量，得出了14种植物对U，Th的富集作用和耐受性，为铀尾矿库的生态修复技术提供了指导[5]；谢东等以铀矿排风井为对象建立了核素氡扩散的数学模型，利用CFD方法耦合得出了大气风速和下垫面粗糙度对氡浓度分布的影响规律[6]。

这些研究在对铀尾矿库的稳定性进行分析时往往忽略了尾矿库长期存在的环境问题，无法满足铀尾矿库退役治理后生态环保和可持续发展的需要。对于铀尾矿库而言，由于其环境影响因素十分复杂，而环境稳定性的度量本身又是一个很模糊的概念，本文引入模糊数学理论，用精确的数学语言定义了铀尾矿库环境稳定的模糊现象，并通过实例对铀尾矿的环境稳定性进行了分析和论证。

1　基于模糊数学理论的铀尾矿库环境稳定性分析

模糊数学，又称弗晰数学，以不确定性的事物为研究对象，用精确的数学语言去描述模糊性现象，目前已在环境评价、模式识别及人工智能等方面取得了广泛的应用[7-9]。

1.1基于模糊概率论的指标稳定区间计算

为了能够对各环境指标的稳定区间进行定量计算，需利用切比雪夫定理进行如下定义：

为了对铀尾矿库的环境稳定性进行定量描述，引入了环境稳定率ρ，它表示某一时刻铀尾矿库的环境稳定性程度，并进行了如下定义：

设xt为指标Ci在t时刻的监测值，wCi为指标对应的权重，φCi(x)为指标稳定区间的示性函数，则环境稳定率ρ可表示为指标C、权重w和时间t的三元函数，如式(1)所示。

(1)

示性函数φCi(x)反映了各环境指标监测值对相应指标稳定区间的隶属程度，同时示性函数还必需满足以下条件：

(1)稳定区间的上下限是示性函数的零点分界线，即φCi(aCi)=φCi(bCi)=0；

(2)监测值离期望值越近，则该指标稳定性程度越高，反之则稳定性程度越低，即∀xj,xj′，若|xj-EYk|≤|xj′-EYk|，均有φCi(xj)≥φCi(xj′)；

(3)当监测值等于期望值时，环境稳定性程度等于最大值1，即φCi(EYk)=1。

根据以上要求，本文构造的示性函数如式(2)所示。显然，φCi(x)是从集合Yk到[0,1]上的一个映射，通过示性函数计算单个指标监测值在其对应稳定区间上的稳定性程度。

(2)

其中，aCi和bCi分别为指标Ci稳定区间的上、下限值，xt为对应指标在t时刻的监测值，EYk为随机变量序列Yk的期望值。

2　铀尾矿库环境稳定性实例分析

2.1工程概况及原始数据来源

表1　2010—2012年某铀尾矿库环境监测数据

2.2退役铀尾矿库稳定性分析

2.2.1环境稳定性分析指标的确定

将表1的数据经标准化处理后导入SPSS软件中进行因子分析，并提取特征值λi>1的主成分，得到旋转成分矩阵如表2所示，根据各主成分上因子的载荷值，从中选取绝对值大于0.7的因子作为该铀尾矿库环境稳定性分析的指标集，因此最终选取的因子为C1，C5，C6，C8，C9和C10。

表2　环境指标的旋转成分矩阵

注:提取方法:主成份法；旋转法:具有Kaiser标准化的正交旋转法，旋转在11次迭代后收敛。

2.2.2指标权重及稳定区间的计算

根据前文因子分析筛选的结果，利用层次分析法构造判断矩阵求解各指标的权重，通过环境指标两两比较构造的判断矩阵Cn×n等于

通过Matlab进行矩阵运算得到了最大特征值λmax和特征向量w分别为：λmax=6.027，w=(0.514 4

0.691 60.342 90.171 50.209 60.2572)。

经计算，一致性指标CI=0.005 4，同时查表得到RI=1.24，进一步计算随机一致性比率CR=0.004 4<0.1，满足要求，因此将特征向量w归一化便可得到各指标的权重向量w′=(0.235 2,0.316 2,0.156 8,0.078 4,0.095 8,0.117 6)。

表3　各环境指标稳定区间的范围

2.2.3环境稳定率的计算及分析

将所有指标原始监测数据分别代入示性函数，得到由映射结果构成的示性矩阵φm×n，因此环境稳定率可表示为ρ=w′·φm×n，根据计算结果得出了2010—2012年铀尾矿库环境稳定率随时间的变化规律，如图1所示。由图1可以看出，环境稳定率的波动性较大；由图2可以看出，环境稳定率表现出较强的周期性变化规律，在每年3月份和12月份铀尾矿库环境的稳定性处于最差状态，而在每年7，8月份环境稳定性处于优良状态。因此，在进行退役治理及日常管理维护时，应适当考虑季节性所导致的环境稳定性差异。

表4是铀尾矿库环境稳定性等级表，结合图1、图2可知，该铀尾矿库环境稳定性总体情况较差，36个月中有12个月的环境稳定性处于较差状态，第12月和第24月的环境稳定率甚至低于0.3，其余大多数月份的环境稳定性都处于中等水平，说明铀尾矿库大部分时间的主要环境指标均处于不稳定状态，该铀尾矿库的环境问题十分严峻。通过进一步分析发现，铀尾矿库环境不稳定主要是由酸碱度及放射性核素210Po，210Pb等因素造成的，建议对放射性核素进行专项退役治理。

图1　环境稳定率随时间变化规律

图2　各年份环境稳定率对比

区间分段环境表征等级划分0.85≤ρ≤1.0所有环境项目的监测值均未超出稳定区间的范围,铀尾矿库对周围区域大气、土壤及水环境等几乎无影响优0.75≤ρ<0.85主要环境项目的监测值均是稳定的,铀尾矿库对周围区域大气、土壤及水环境的污染程度可忽略良0.6≤ρ<0.75部分环境项目的监测值轻微超出稳定区间的限值,铀尾矿库对周围区域大气、土壤及水环境有轻微污染中0≤ρ<0.6主要环境项目的监测值超出了稳定区间的限值,铀尾矿库对周围区域大气、土壤及水环境有较大污染差

3　结语

本文以模糊数学理论为基础，结合因子分析法和层次分析法，对铀尾矿库的环境稳定性进行了分析，提出了一种新的铀尾矿库环境稳定性分析方法，以精确的数学语言定义了环境稳定的模糊性概念，对进一步丰富和完善退役铀尾矿库综合评价技术有积极的意义。

利用因子分析法对影响铀尾矿库环境的13因素进行了筛选，确定了以pH值等6个指标作为环境稳定性分析的对象，并利用层次分析法确定了各指

标的权重，构造了稳定区间和环境稳定率的计算函数并进行了计算。

实例分析结果表明，经过一期退役治理后，该铀尾矿库的环境稳定性整体仍处于较差状态，需要继续进行退役治理才能达到长期的安全和稳定，对pH值和放射性核素Po，Pb等应进行专项治理，同时要考虑环境因素的季节性差异。

[1]IAEA.The Long Term Stabilization of Uranium Mill Tailings,TECDOC-1403,International Atomic Energy Agency,Vienna,2004.

[2]夏美琼,李向阳,赵发，等.基于模糊理论的某铀尾矿坝稳定性综合评价[J].南华大学学报(自然科学版),2014, 28(2):38-43.

[3]刘振昊,彭小勇,熊军，等.平地型铀尾矿库氡大气扩散数值模拟及环境效应分析[J].安全与环境学报,2012,12(3):93-96.

[4]李俊.272厂铀尾矿库放射性核素迁移模拟研究[D].南昌:东华理工大学,2013.

[5]聂小琴,丁德馨,李广悦，等.某铀尾矿库土壤核素污染与优势植物累积特征[J].环境科学研究,2010,23(6):719-725.

[6]Dong Xie,Hanqing Wang,Kimberlee J Kearfott， et al.Radon dispersion modeling and dose assessment for uranium mine ventilation shaft exhausts under neutral atmospheric stability[J].Journal of Environmental Radioactivity, 2014,129:57-62.

[7]陈庆,谢振华,金龙哲.基于模糊数学理论的尾矿库环境质量综合评价[J].工业安全与环保,2006,32(1):39-41.

[8]马丽丽,田淑芳,王娜.基于层次分析与模糊数学综合评判法的矿区生态环境评价[J].国土资源遥感,2013,25(3):165-170.

[9]郑欣,许开立,周家红，等.基于模糊数学和集对分析方法的尾矿库安全评价研究[J].工业安全与环保,2008,34(5):4-6.

Analysis and Application of Environmental Stability of Decommissioning Uranium Tailings Pond

LI Guohui1LIU Yong2ZHAO Guodong2ZHANG Zhongxiang1

(1.SchoolofEnvironmentalProtectionandSafetyEngineering,UniversityofSouthChinaHengyang,Hunan421001)

In order to analyse the environmental stability of uranium tailings pond, taking one decommissioned uranium tailings pond as an instance, based on the collection of three years of environmental monitoring data, six main indexes, such as pH, have been determined after screening of thirteen environmental indexes affecting the stability of uranium tailings pond environment by factor analysis, and the weight of each main index is determined by using analytic hierarchy process. At the same time, the stable region of each index is calculated through the fuzzy mathematics theory when the probability equals 0.9, and the change law of environmental stable rate varying with time of uranium tailings pond is worked out through building indicative function. The results show that the environmental stability of the uranium tailings pond is still poor and the further decommissioning disposal is still needed.

uranium tailings pondfuzzy mathematicsfactor analysisenvironmental stable rate

环保部科研基金项目(JG1409，JG1509)，湖南省研究生科研创新基金项目(2015SCX25)。

李国辉，男，1990年生，硕士研究生，研究方向：铀矿冶生态安全监测与安全评价技术。

2015-08-18)

刘永，男，1971年生，博士，教授，主要从事矿山岩土工程灾害预测与控制的研究工作。