铀矿冶造成绝大部分尾矿砂颗粒细小，且多裸露放置，在干燥、季风频发的季节或地区，尾矿库运行期间尾矿砂会随风扩散.目前，全世界已控制的天然铀储量高达1600.81万t，经水冶后的铀尾矿中残存原矿中除铀之外几乎全部的铀系和钍系核素(Ferry et al., 2002)，其随尾矿砂进行迁移后，以悬浮或沉积的固体形式存在于周边居民的活动空间内，通过γ外照射和经呼吸后造成的α内照射两种途径对人们造成辐射危害，严重者甚至毙命.

携带放射性核素的尾矿扬尘对环境和人体的危害是显而易见的，而降低这些放射性危害的根本途径则是控制尾矿扬尘的产生.目前，应用于城市扬尘控制的、针对不同场合实施的主要措施有喷淋降尘法、化学粉尘覆盖法及近些年来盛行的防风网屏蔽法等(李荣海等，2011)，然而，喷淋降尘法具有耗水量大(特别是干旱地区)、时效性短的缺点，化学粉尘覆盖法和防风网屏蔽法虽具有较好的防护效果，却易造成二次污染，成本较高，对于运行期间的尾矿库来说可操作性较差.虽然这些方法都有其各自的缺点，但人们在对扬尘控制的研究过程中也提出了一系列较为有效的方法.例如，研究人员在研究不同形式的防风网对扬尘源抑制效果的同时，也开始关注在自然来流和尘源地复杂地形下尘源附近区域流场的变化.王卫国等(1996；1998)通过对某深凹露天矿区进行数值模拟分析得出，坑内流场演变在坑底和采壁处受地形影响较大，并探讨了改变矿坑的开口宽度与深度比(L/D)对坑内湍流的影响.Liu等(2013)进行了某深凹露天矿区动态开采对风流状态影响的数值模拟试验，研究了露天矿开采矿坑深度、堆土形式及测定高度来流风速对矿坑周围流场影响.

基于此，本文对运行期间裸露铀尾矿库可能以扬尘形式造成的辐射危害进行评价，构建几种不同形状的铀尾矿库滩面，分别进行滩面尾矿扬尘的仿真模拟，探讨不同形状滩面对铀尾矿库滩面尾矿扬尘的抑制效果，寻求减轻或控制运行期间尾矿库滩面颗粒物大气迁移和环境污染的方法.

本文选用平地型铀尾矿库为研究对象，根据实际铀尾矿库的筑坝形式，设定尾矿库坝体四周为固壁，仅设置滩面为起尘面.如图 1所示，棱台体部分即为尾矿库滩面裸露时的坝体物理模型，底面尺寸为500 m×900 m，滩面尺寸为400 m×800 m，坝体高度为30 m；设定计算域为长方体，尺寸为7000 m×3900 m×300 m.为研究铀尾矿库不同形状滩面对尾矿扬尘的抑制效果，将尾矿库滩面即起尘面做成凹面，凹陷深度均以5 m为准，选定弧形、棱形、锥形3种形状做对比研究，分别对其在4种不同风速(0.5、1.0、2.0、4.0 m · s^-1)下的抑尘效果进行分析研究.模型中将棱台状铀尾矿库的边缘部分设为壁面，将滩面设为均匀起尘源.

图 1(Fig. 1)

图 1 尾矿库物理模型 Fig. 1 Physical model uranium tailings impoundment

良好的风场模拟是研究尾矿库颗粒物大气迁移的基础，铀尾矿库风场控制方程为低速N-S方程，包括连续性方程(1)和动量方程(2);湍流模型为κ-ε模型，本文采用标准k-ε模型模拟流场，包括湍动能k方程(3)和耗散率ε的方程(4).

数值方法采用成熟的SIMPLE算法，应用目前最通用的FLUENT商业软件，采用UDF等模块来定义风场来流等，以适用于本文的需求.采用六面体进行网格划分，对尾矿库周边、近地面区域及不同形状的滩面区域部分的网格进行局部加密，其它部分网格呈渐扩型稀疏分布，这样既在保证计算速度的同时也确保了求解的精确度.本文所采用的风场数值模拟方法具有一定的精度和较高的效率，适合用于分析复杂的工程问题.

为保证近地层模拟结果接近真实大气环境，选用风廓线模式而不将入口来流速度设为某确定均匀流速值，文中将X正方向来流拟定为当地常年主导风，其规律按照大气边界层风速廓线的幂函数分布公式进行描述：

计算域的上界面、侧面和流出面边界均属于无穷远处自由流动情况，按照自由边界处理；地面采用无滑移壁面边界条件，地面粗糙度为0.5.

将尾矿砂以离散相的形式插入铀尾矿库风场之中，采用DPM模型进行模拟.基于Bagnold起尘量的计算公式(Horikawa et al., 1960)，再结合物理模型尾矿库滩面面积计算，起尘量为0.1 kg · s^-1；尾矿砂密度取为2650 kg · m^-3；尾矿砂采用文献(万芬等，2013)描述的样品，其粒径组成见表 1.根据此粒径组成在模拟过程中采用标准Rosin-Rammler分布中对射流源尾矿砂颗粒中的最小粒径、最大粒径、平均直径及分布指数等几项分别进行定义，近似模拟尾矿砂颗粒径的分布情况；然后在DPM模型中选择随机轨道模型来模拟此尾矿砂扩散分布规律.

表1(Table 1)

表1 尾矿砂粒径分布组成 Table 1 Partial size distribution of tailing sands

表1 尾矿砂粒径分布组成 Table 1 Partial size distribution of tailing sands 粒径/μm ≤10 10~43 43~74 74~147 ≥147 质量分数 12.5% 40.2% 12.0% 34.5% 0.8%

近年来，扬尘已成为导致全球环境问题的四大主要影响因素之一，而其中可吸入颗粒物则是对人体和生态造成最大危害的罪魁祸首.本文的研究对象尾矿砂多为细小颗粒，表 1中所述尾矿砂粒径小于43 μm的比例高达52.7%，其中小于10 μm的颗粒比例也高达12.5%，是可悬浮颗粒物的有力制造者；其次，尾矿砂本身的辐射毒害特性也是造成环境污染的重要因素.本文以此细小尾矿砂为研究对象，模拟铀尾矿库不同形状滩面结构在不同风速下计算域中尾矿砂的运移模式和沉降规律.

来流通过地面凸起物的流动属于流体力学中经典的绕流问题.图 2是来流风经过置于地表的铀尾矿库(滩面为平面)后，在尾矿库背风区域流场充分发展条件下形成的整个计算域中流场结构图.图 3是滩面形状分别为平面、弧形、棱形、锥形情况下铀尾矿库区域的流场细图.

图 2(Fig. 2)

图 2 尾矿库纵截面(Y=1950 m)流场图 Fig. 2 Flow field of the section(Y=1950 m)in uranium tailings impoundment

由图 2及图 3a可知，来流经过地面垫高区域尾矿库时，因其阻碍作用风场发生突变，压强和风速急剧增大，在流经大面积水平尾矿库滩面时几乎以平移的方式前进，之后在尾矿库尾部区域压强和风速迅速减小，于其背风区域产生向下的回流形成漩涡.而由图 3b~d可知，在3种不同形状滩面条件下，由于相对于水平滩面的5 m垂直差距，来流风在接近滩面区域发生改变，由几乎全部平移前进改为部分削弱或分离，风速减小，方向也发生改变.其中，弧形滩面的分离现象最为明显，特别是在前半部分近壁面区域来流风方向发生巨大改变，风速迅速减小；棱形和锥形滩面情况下，近壁面区域来流风方向沿滩面结构发生改变，风速也有部分减弱.

图 3(Fig. 3)

图 3 尾矿库滩面流场细节图(a.平面，b.弧形，c.棱形，d.锥形) Fig. 3 Flow field of the beach

铀尾矿库中细颗粒尾矿砂所占比例较大，当其长时间暴露在大气中，受地理位置、环境因素(风速、湿度等)及作业条件的影响，细小尾矿砂或经搬运迁移至远方，或悬浮于空气中通过呼吸道被吸入体内，由于其含大量长辐射周期的重金属，对人体和环境造成重大危害.本研究忽略湿度的影响，主要考虑风速对不同形状铀尾矿库滩面条件下尾矿砂浓度分布的影响.

图 4描述了对滩面不作任何处理时不同风速下尾矿砂在整个计算域中的浓度分布情况.云图中所示平面部分为滩面起尘面，主体阴影部分为尾矿砂分布区域，以1 mg · m^-3的浓度为标准，阴影更深部分以20 mg · m^-3为标准.由图 4可知，尾矿砂经风作用后主要集中在尾矿库下风向区域，受尾矿库背风面气流旋涡的影响，部分颗粒于此局部累积.这主要是由于尾矿砂粒级分布中较大的颗粒主要以跃移的形式进行迁移，运行距离较短；除图 4a因风速小(仅0.5 m · s^-1)携带能力微弱而使尾矿砂对周围危害甚小外，其余3个风速条件下(图 4b~d)，尾矿砂浓度随水平距离的增大而减小，当风速由0.5 m · s^-1增至2.0 m · s^-1时，计算域内浓度逐渐增大，及至风速增大到4.0 m · s^-1时，一定区域内尾矿砂的浓度反而逐渐减小.这个结果则是源于在一定程度内尾矿砂的迁移量随风速的增大而迅速增大，导致污染物浓度的升高，当风速增大到其携带能力大于起尘速率时，尾矿砂经高风速作用迅速迁移至计算域外时，计算域中的浓度反而随风速的增大而减小.

图 4(Fig. 4)

图 4 不同风速下尾矿砂浓度分布云图 Fig. 4 Concentration distribution cloud of tailing sands under different wind speed

图 5描述了不同铀尾矿库滩面形状时常年主导风速(V=1.0 m · s^-1)下尾矿砂在整个计算域中的浓度分布情况.图中不同形状面结构部分为滩面起尘面，主体阴影部分为尾矿砂分布区域，以1 mg · m^-3的浓度为标准，阴影更深部分以20 mg · m^-3为标准.

图 5(Fig. 5)

图 5 不同尾矿库滩面形状下尾矿砂浓度分布云图(a.平面，b.弧形，c.棱形，d.锥形) Fig. 5 Concentration distribution cloud of tailing sands under different beach shapes

当模拟风速为1.0 m · s^-1时，与图 5a相比，图 5b、c、d所示的浓度都有不同程度的减少，且由于此3图高为5 m的凹陷所构造的不同形状起尘面，致使部分尾矿砂在滩面上滞留.其中，如图 5b所示，以1 mg · m^-3的浓度为界时，仅有绝少部分尾矿砂移动后于滩面和尾矿库周边区域有少量停留.由此可见，将滩面做成弧形对于裸露尾矿库的防风抑尘有良好效果，棱形和锥形起尘面效果较差.这是由近尾矿库滩面区域风场的改变造成的，结合弧形的风场细部分解图(图 3)可知，由于近壁面风速的转向、分离及削弱导致近壁面风速迅速减小，其携带能力也随之减少，从根源上抑制了尾矿砂扬尘现象.

综合3.2.1节及3.2.2节模拟结果可知，将滩面做成弧形时其对裸露尾矿库的防风抑尘效果相对最好，因此，图 6着重模拟了不同风速(0.5、1.0、2.0、4.0 m · s^-1)下弧形滩面中尾矿砂的浓度分布情况.图中弧形结构部分为滩面起尘面，主体阴影部分为尾矿砂分布区域，以1 mg · m^-3的浓度为标准，阴影更深部分以20 mg · m^-3为标准.

图 6(Fig. 6)

图 6 滩面为弧形时不同风速下尾矿砂的分布规律 Fig. 6 Concentration distribution of tailing sands in different wind speed when beach is arc

由图 6可知，弧形滩面结构对来流风的良好削弱作用对减少滩面起尘量具有积极作用，以1 mg · m^-3的浓度为标准时，其作用结果使小风速来流风(V=0.5、1.0 m · s^-1)被大幅度削弱，携带能力微小，可忽略不计；及至风速增大到4.0 m · s^-1时，尾矿砂的作用范围才稍有提升，但其作用效果也仅较滩面为平面在0.5 m · s^-1风速(图 4a所示)时有稍微好转，却远远比滩面为平面1.0 m · s^-1风速(图 4b所示)时的作用效果要差.

综上可知，对铀尾矿库起尘滩面进行造型，属于经济、无污染而又行之有效的方法，其中，将滩面做成弧形对于裸露尾矿库的防风抑尘有良好效果，而棱形和锥形起尘面的效果较差.

公众受到来自铀尾矿库的照射按核素的转移过程可分为一次转移和二次转移.一次转移是指核素从尾矿库中转移出来后直接使人体受照，如人吸入氡及其子体、尾矿砂，饮用污染的水等；二次转移指的是农作物吸收了受污染土壤中的核素和牲畜食入了受污染的牧草等，人再食入这些含放射性核素的农作物和畜产品等.美国国家研究委员会(US DOE，1986)曾对多个退役铀尾矿库的放射性污染情况进行辐射评价，结果表明，涉及一次转移的途径和直接γ外照射需考虑，涉及二次转移的途径可忽略.

本研究主要针对裸露干滩面扬尘对周边环境和人员的影响，由于悬浮于尾矿库区域之外空气中的尾矿砂所致的直接外照射微乎其微，可以忽略，因此，主要考虑人员活动频繁区域悬浮尾矿砂的内照射作用.本文假设人员不接受任何防护措施，模拟预测其可能的最大尾矿砂吸入所致内照射量，实际的受照剂量将低于计算剂量.尾矿库表面空气中悬浮尾矿砂的放射性浓度按模拟结果中的尾矿砂浓度进行估算.由于尾矿砂中含有原矿大约98%的核素—铀，针对铀尾矿库各主要核素放射性活度的问题，相关学者做了大量研究，如Luo等(2010)使用 EESI-MS 技术对水样中的铀及其同位素进行了高效快速的分析；Carvalho等(2007)通过使用α谱仪测定出尾矿的总放射性活度，并籍各核素占总放射性成份的比例推断出了各主要核素的活度.本研究则借鉴辐射防护研究人员(李旭彤等，2000)使用的数据，其通过实测铀含量，再按天然铀组分算出²³⁴U和²³⁸U的比活度，以及实测²²⁶Ra的比活度，而²¹⁰Pb、²¹⁰Po、²²⁶Ra和²³⁰Th几种核素的比活度按平衡推算，其结果及各核素的剂量系数如表 2所示.

表2(Table 2)

表2 核素比活度和剂量系数 Table 2 Nuclide specific activity and dose coefficients

表2 核素比活度和剂量系数 Table 2 Nuclide specific activity and dose coefficients 核素 比活度Ai/(Bq·g-1) 剂量系数ei/(Sv·Bq-1) 210Pb 8.43 1.1×10-6 210Po 8.43 2.2×10-6 226Ra 8.43 2.2×10-6 230Th 8.43 7.2×10-6 234U 1.27 6.8×10-6 238U 1.27 5.7×10-6

铀尾矿库退役要求对公众个人的年平均剂量估计值不应当超过1 mSv，文中以Z=2 m高处尾矿库下风向不同距离处的尾矿砂浓度可能导致的最大内辐射剂量为标准进行评价.公众个人1年吸入尾矿砂所致的待积有效剂量可按下式计算：

表3(Table 3)

表3 公众内照射所致年个人有效剂量 Table 3 Public individual effective dose caused by internal exposure

表3 公众内照射所致年个人有效剂量 Table 3 Public individual effective dose caused by internal exposure 风速/ (m·s-1) 滩面 形状 不同下风向距离尾矿砂浓度/(mg·m-3) 不同下风向距离年有效剂量/(mSv·a-1) 0 m 1000 m 2000 m 3000 m 4000 m 5000 m 0 m 1000 m 2000 m 3000 m 4000 m 5000 m 0.5 平面 459.00 0.36 0.46 0.42 0.28 0.24 1.00 0.37 0.48 0.43 0.29 0.25 弧形 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 棱形 26.80 0.11 0.10 0.08 0.02 0.02 27.70 0.11 0.10 0.08 0.02 0.02 锥形 230.00 0.11 0.09 0.08 0.07 0.07 1.00 0.11 0.09 0.08 0.07 0.07 1.0 平面 152.00 1.03 0.96 1.09 1.26 1.38 1.00 1.07 0.99 1.13 1.30 1.43 弧形 0.82 0.08 0.03 0.01 0.01 0.01 0.85 0.08 0.03 0.01 0.01 0.01 棱形 40.00 0.99 1.25 1.24 1.22 0.97 41.36 1.02 1.29 1.33 1.26 1.00 锥形 75.00 0.82 0.76 0.71 0.77 0.67 1.00 0.85 0.79 0.73 0.80 0.69 2.0 平面 16.30 1.18 1.60 1.23 1.87 2.14 16.85 1.22 1.65 1.27 1.93 2.21 弧形 2.08 0.46 0.47 0.36 0.40 0.37 2.15 0.48 0.49 0.37 0.41 0.38 棱形 10.10 0.97 0.95 0.91 0.83 0.90 10.44 1.00 0.98 0.94 0.86 0.93 锥形 12.00 1.40 1.72 1.67 1.82 1.88 12.41 1.45 1.78 1.73 1.88 1.94

由表 3可知，对尾矿库裸露干滩面不作任何处理的情况(滩面形状为平面时)下，尾矿砂经风作用后，在尾矿坝下风向0 m处即尾矿坝边缘区域大量堆积，及至风速增大到1 m · s^-1以上，尾矿库下风向5000 m范围内因吸入悬浮尾矿砂所致内辐射年有效剂量都已超标，且随风速的增大影响范围逐渐扩大.将滩面经过改造后做成不同形状时，通过改变其风场状况使得尾矿坝背风区域尾矿砂累积量不同程度的减少，以致辐射强度都有不同程度的减弱.其中，滩面为弧形时，尾矿砂在不同风速下浓度最大值只有2.08 mg · m^-3，远低于其他几种情况.

小风速(0.5 m · s^-1)条件下，对滩面不作任何处理时，由于吸入悬浮尾矿砂所致年平均有效个人剂量为0.36 mSv，虽然满足退役铀尾矿库对公众个人年平均剂量的标准，但滩面经过改造后来流的携带能力大幅度减小，以1 mSv作为判断标准时，弧形滩面情况下辐射影响几乎可以忽略；棱形和锥形滩面在尾矿库下风向1000 m内辐射防护效果达到70%，2000 m内达到81%，并且都随迁移距离的增大而越加明显.3种滩面形状条件下防护效果均随风速的增大而减小，棱形和锥形滩面的防护效果有所改变，1 m · s^-1时棱形滩面防护效果最差，2 m · s^-1时优于锥形滩面的防护效果；弧形滩面的防护效果一直保持最佳状态，即使大风速环境(2 m · s^-1)下尾矿库下风向2000 m内也有70% 的防护效果，且其作用结果吸入尾矿砂所致年个人有效剂量均低于1 mSv，符合退役要求标准.

1)不同形状滩面尾矿库，来流在接近滩面区域发生削弱或分离，方向也发生改变，风速减小.其中，弧形滩面的前半部分近壁面区域来流风方向发生巨大改变，风速迅速减小.

2)不同形状滩面条件下尾矿砂的浓度分布基本都随风速和水平距离的增大而减小；在常年主导风速(1.0 m · s^-1)的影响下，其抑尘效果以1 mg · m^-3的浓度为标准时，弧形滩面抑尘效果最为明显，棱形和锥形的抑尘效果与之相比较差.

3)综合不同风速下3种不同形状滩面的辐射防护效果和作用范围可得，弧形滩面条件下防护效果最佳，即使大风速环境(2 m · s^-1)下尾矿库下风向2000 m内也有70% 的防护效果；随迁移距离的增大防护效果越来越好，小风速(0.5 m · s^-1)条件下3种滩面形式辐射防护均效果良好，但随风速的增大其效果逐渐减弱，及至增大到2.0 m · s^-1时防护效果有一定程度的削减.