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某铀矿山退役治理后的环境效益分析 2011-1-12 11:25:20    浏览: 次   我要评论
[导读]铀矿山退役治理是一项庞大复杂的系统工程,铀矿山退役治理后的效益分析包括自然环境和生态环境效益分析。由于铀矿山区域环境特殊,退役治理的内容和标准有别与其它类别的矿山,所以选择的指标有一定的特殊性。本文采取层次分析法(AHP)确立各项指标的权重,以污染物的去除率作为治理的效益,各种污染物的去除率乘以其对应的权重作为总效益。以某铀矿山为例,通过分析认为此铀矿冶退役治理效益较好。

铀资源是重要的战略资源,也是发展新能源的物质基础。铀矿山开采几十年后面临着退役,退役之后的环境质量,一直是很多学者比较关注的问题。退役铀矿山的环境整治,要根据环境整治规划、设计、管理、决策及污染程度,对环境质量要求目标等结合国家财力和技术水平,制定其环境整治方案,力争费用最省,所获得的效果最佳。

一、退役铀矿山的概况

(一)退役铀矿山与退役标准

铀矿山退役是指对永久中止运行的铀矿冶设施所做的善后处理,以保证工作人员和公众免受残留放射性的照射和其它可能的危害(据GB14586-93)。退役铀矿山整治,是一项非常复杂而庞大的综合性工程,需要对矿区的井巷工程、塌陷坑、废石堆、尾矿库、贮矿场、水冶厂房、受污染的设备和器材及受污染的农田、水体等,进行彻底的清污、治理和处置,使矿区的环境质量达到退役标准。

我国于1988年颁布了《辐射防护规定》的国家标准,明确规定:“伴有辐射照射的一切实践和设施的选址、设计、运行和退役,都必须遵守本规定,都必须符合实践的正当性和辐射防护最优化的原则,并确定个人所受的照射低于相应的剂量限值”。辐射防护三原则是实践的正当性、辐射防护的最优化和对个人剂量的限制。标准还对个人剂量限值、γ辐射剂量、α表面污染程度、氡析出率等有关辐射防护做了限制标准。经过一系列治理工程后,水环境、土壤环境和大气环境达到退役标准后,可以宣布铀矿山退役。

(二)铀矿山概况

某铀矿山位于中国南方,雨水充沛,矿区主要由东、西矿区组成。有露天采场2个,矿井5个,共采出矿石约104万t(金属995t),废石290万t,地表存留有大小废石堆12处,废石堆裸露面积约17.3万m2。矿坑污水中铀、镭含量较高,治理前,废石堆氡气年排放量达6.51×l012Bq。该矿属于典型的浅部“三下”(村镇下、河流下、道路下)开采矿床。不仅严重威胁桥梁、河流和建筑物的安全,同时影响地方土地开发和利用。退役工程包括二次封闭坑(井)口26个;治理废石场、工业场地1.5万m2;建构筑物拆除(处理)9800m2;处置塌陷区6个,约2.4万m2;注浆4380m3;回填和充填3237m3;挡渣墙1644m,6200m3;排水沟3025m,3660m3;覆土69700m3;植树58900棵,植被49500m2;废石外运87800m3;等等。

(三)退役铀矿山治理后的环境效益分析

通过对退役铀矿山的综合治理,各个环境指标都达到国家规定的标准,取得了很好的环境效益。为了具有代表性,选取氡析出率、集体有效剂量、土壤恢复改善程度、γ辐射剂量率、公众个人辐射剂量、水质污染程度、大气污染程度、植被覆盖率、土地恢复使用率和矿区生物量,作为衡量退役铀矿山环境治理效益的指标。

辐射环境。以某矿山为例,通过系统的退役治理,地表222Rn析出率已由治理前的平均1.73Bq/m2s降到管理限值(0.74Bq/m2s)以下,其总平均值为0.29Bq/m2s,最高0.48Bq/m2s。气态流出物所致的最大个人剂量在评价中心的E方位0~1km子区内,从治理前的0.132mSv/a降到治理后的0.0124mSv/a,远小于0.25mSv/a的管理限值以下,降低了91.6%;在0~80km范围内,集体辐射剂量从治理前的0.59人·Sv/a降到治理后的0.179人·Sv/a,降低了69.6%;γ辐射剂量率由治理前的76.3×10-8Gy/h降到了20. 68×10-8Gy/h,降低了73%;矿区大气222Rn浓度从治理前的平均36.4 Bq/m3降到治理后的平均16.18Bq/m3,降低了56%。

水环境。矿区内地表水系为河流,实施坑口堵水工程和地表治理工程后,整个矿区环境水体质量较治理前明显好转,河水水质达到生活饮用水标准。具体的数据见表1。

表1  某退役铀矿区环境水质量指标值

铀矿山附近河水中U、226Ra指标,从治理前的0.146 Bq/L、0.076Bq/L降到治理后的0.037 Bq/L、0.01 Bq/L,pH值上升为7.6,水质达到生活饮用水标准。尾矿水和废石场渗水中的pH值,由治理前的3.6~4.8降到6.5~7.5,水中BOD、SS和镉等金属离子治理后浓度基本达到排放标准。

土壤环境。矿区污染农田的土壤经改种、改水治理后,土壤环境质量较治理前明显好转。土壤中的U、226Ra含量较治理前明显下降,分别为11.1mg/kg和151Bq/kg,远低于管理限值。蔬菜中U的含量为0. 16mg/kg,低于管理限值(1.5mg/kg);农田稻谷中U的含量为1.3mg/kg,低于管理限值(1.9mg/kg)。具体的土壤环境质量指标见表2。

表2  土壤环境质量指标

铀矿山塌陷坑、废石堆、尾矿库、贮矿场、水冶厂房等经过整治,覆土种植之后各项重金属含量都能达到标准。矿区土壤由于酸法浸铀使pH值偏低,经过退役治理后基本上能达到6.5左右。

其他环境指标。矿区退役工程植树58900棵,植被49500m2,植被覆盖率达到84%,矿区的大气环境也明显变好。如TSP和SO2浓度基本降到0.2mg/m3和0.15mg/m3以下;通过退役治理后,以前征用的土地(包括农田、荒山荒坡地和公益林地)重新种植和恢复生产,土地恢复使用率达到90%。由于矿区在山区,且环境和周边地区环境相同,退役后的矿区由于周边的生物迁入而继续繁衍,使生物量基本恢复开采前的水平。

二、退役铀矿山综合环境效益计算

(一)用层次分析法确定综合环境效益各项指标的权重

综合环境效益计算从自然环境和生态环境出发,分析评价退役铀矿山区域治理后的效果。铀矿山治理效益计算系统,是一个相互关联和制约、多因素构成的系统。而层次分析法(简称AHP法)是一种定性与定量分析相结合的多目标决策方法,常用于求解服从某一总目标的多目标的权重,或求解多个因素对所关联的另一因素的权重。其方法步骤如下:

1、建立效益计算指标体系。合理选择评价指标体系及控制指标量,是建立退役铀矿山环境质量评价体系的关键。经过系统分析、研究铀矿山各因素之间的关系,选取10个代表性的指标因子,建立退役铀矿山环境效益计算指标体系,见图1。

图1  退役铀矿山环境效益分析框架图

2、构造判断矩阵。判断矩阵P是表示本层所有的因素针对上一层某一个因素的相对重要性的比较。判断矩阵的元素aij用Santy的1-9标度方法给出。

3、对应于判断矩阵最大特征根λmax的特征向量,经归一化(使向量中各元素之和等于1)后记为的元素为同一层次因素对于上一层次某因素相对重要性的排序权值,这一过程称为层次单排序。计算方法,可以归结为采用平均近似法计算判断矩阵的特征值和特征向量。对结果进行一致性检验:

式中,CI为一致性指标,其值越大表示判断矩阵一致性越差;λmax为判断矩阵的最大特征根;n为判断矩阵的阶数;CR为随机一致性比例;RI为平均随机一致性指标,见表3。当CR<0.1时,判断矩阵的不一致程度在容许范围之内,可用其归一化特征向量作为权重量,否则要重新构造判断矩阵,对判断矩阵加以调整。

表3  平均随机一致性指标对照表

4、层次总排序及一致性检验。计算某一层次所有因素对于最高层(总目标)相对重要性的权值,称为层次总排序。这一过程是从最高层次到最低层次依次进行的。

(二)综合效益各项指标的归一化处理

退役铀矿山环境各项指标的量纲不同,而且有些指标间的数量级存在明显的差异,这给环境治理效益的分析带来很大的难题。为了缩小指标间的数量级和统一量纲,本文采用极值法处理各个指标,进行归一化处理。根据所选取的10个指标的数量级和量纲,将其分为2类:

1、正向指标,即针对极大型指标值的处理,归一化公式为:

2、负向指标,即针对极小型指标值的处理,归一化公式为:

式中,ui为第i种指标的归一化指标值;xi为第i种指标的实际指标值;xmin、xmax分别为同类指标中实际最小值和最大值。由于退役治理后,铀矿山的各项环境指标都达到退役的标准,本文中大部分指标,是以废物处理率作为铀矿山退役治理的效益值。

(三)结果与分析

根据专家咨询意见,输入判断矩阵值,利用数学软件MATLAB计算最大特征值,并且计算各要素的权重。本文把自然环境和生态环境的的权重看成同等重要,即权重值都为0.5。本文选取环境效益作为总目标,对铀矿山的治理效果给定一个数值指标。以某退役矿山为例,选取氡析出率x1、集体有效剂量x2、γ辐射剂量率x3、公众个人辐射剂量x4、土壤恢复改善程度x5、水质污染程度x6、大气污染程度x7、植被覆盖率x8、土地恢复使用率x9和矿区生物量x10,作为衡量该矿山退役治理环境效益。通过两两比较构造判断矩阵,并利用数学软件MATLAB求得最大特征值 RI=1. 49所以,综合权重的一致性检验为CR=0.0019<0.1,可信度较好,求得各效益指标的权重为:w=(0.1639,0.1437,0.0714, 0.1294,0.0714,0. 0714,0.0714,0.1346,0.0714,0.0714)。可以看出,氡析出率x1、集体辐射剂量x2、公众个人辐射剂量x5、植被覆盖率x8的权重要更大,这符合现实要求。

(四)指标的权重确定和归一化处理

通过计算和归一化处理,得到各项指标的权重。

表4  环境效益指标的权重和归一化指标值

注:λmax=8.0192,CI=0.0027,CR=0.0019<0.1,可信度较好。

(五)退役铀矿山治理综合效益的计算

退役铀矿山环境治理的综合指数等于各个指标分值加权之和,即:

式中,F是退役铀矿山环境治理效益的综合指数;uj,是归一化指标j的数值;Wj是指标j的权重值,即通过层次单排序获得的数值。所得的环境综合效益指数可以从指数对照表(表5)来评定环境效益的好坏。

表5  环境效益综合指数对照表

所以环境效益综合指数为:

也即是退役铀矿山的效益为0. 7985,说明此铀矿退役治理的总体效果较好。但集体有效剂量、土壤改善程度和矿区生物量治理效果不明显,需要进一步治理。在以后的工作中,需要对铀矿山进行后评估。

三、结语

退役铀矿山环境效益分析是对铀矿山全面退役治理后,从自然环境和生态环境的角度,来评价铀矿山退役治理的效果,在数学的角度上给出一种评价等级。本文以某铀矿山为例,应用层次分析方法计算得到退役治理的环境效益,认为此铀矿山的治理效果较好,但也存在着不足之处。因所选取的指标不够全面,没有全面的分析经济和社会效益,后续研究中应进行深入调查,获得可靠数据予以分析。在分析过程中,仅仅是一个铀矿的效益分析,在纵横向比较上,需要在后续研究中继续深入探讨。

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