CN113032725B - 一种多核素污染土壤核素残留水平优化分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多核素污染土壤核素残留水平优化分析方法，步骤一：需考虑因素的确定；步骤二：各因素的权重因子的计算；步骤三：利用多属性效应函数分析方法进行优化；步骤四：采用牛顿—最速下降法寻找最优点；步骤五：核素i的残留水平。本发明的有益效果在于：从辐射防护最优化的角度，考虑不同核素的治理难度，治理代价及其它因素，实现单一核素残留水平的最优化分配结果，为制定更好的治理方案提供真实可信的数据支撑。

Description

一种多核素污染土壤核素残留水平优化分析方法

技术领域

本发明属于辐射防护最优化技术领域，具体涉及一种多核素污染土壤中核素最大可允许残留活度的优化分析方法，它主要针对多核素污染土壤的修复需要。

背景技术

核能的发展对我国和平利用核能与核技术利用作出了巨大贡献，但同时在一定程度上对周围环境产生了污染，对厂区内外环境构成较严重的威胁，需要对该部分污染区域进行治理。而污染区域土壤中核素可最大允许的残留水平，是制定污染区域治理目标的主要问题之一。现今美国阿贡实验室开发的RESRAD程序对退役终态场址土壤残留放射性水平控制值的进行了推导计算，该软件广泛应用于美国能源部(DOE)管理核设施场址，并在亚洲、欧洲等地区的研究院所、大学及管理部门应用，我国参照该程序制定了《推导退役后场址土壤中放射性残存物可接受浓度的照射情景、计算模式和参数》(EJ/T1191-2005)，其有效的解决了我国大部分放射性污染土壤治理过程中最大可允许残留水平的确定问题。

但是该方法主要是推导单一核素的最大可允许残留水平，对于部分污染场地，其存在多种核素并存状态，则需经审管部门验证，确认已满足与场址的应满足相应的剂量准则，按照剂量准则来对土壤中放射性残存物的活度浓度加以控制。多核素污染土壤中单一核素的残留水平的确定就靠人为来进行分配，不同的分配方式，导致后期的治理工作的难度及经费有较大差异，无法体现辐射防护最优化原则。

本专利即是基于以上考虑，从辐射防护最优化的角度，考虑不同核素的治理难度，治理代价及其它因素，实现单一核素残留水平的最优化分配结果，为制定更好的治理方案提供真实可信的数据支撑。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多核素污染土壤核素残留水平优化分析方法，它能够科学准确地对多核素污染土壤单一核素残留水平的最优化分配，为多核素污染场地的修复治理提供数据支撑。

本发明的技术方案如下：一种多核素污染土壤核素残留水平优化分析方法，包括如下步骤，

步骤一：需考虑因素的确定；

步骤二：各因素的权重因子的计算；

步骤三：利用多属性效应函数分析方法进行优化；

步骤四：采用牛顿—最速下降法寻找最优点

步骤五：核素i的残留水平。

所述的步骤一包括如下步骤，

(1)所致敏感目标剂量占比；

(2)治理费用；

根据核素i污染土壤治理费用的F_i，计算核素i污染土壤治理费用的占比b_i：

(3)治理技术难度系数

假定核素i污染土壤的治理难度系数为N_i，参照步骤(2)中治理费用核素i占比的计算方法，计算核素i污染土壤治理难度系数占比c_i；

(4)二次污染物

假定核素i污染土壤治理过程中产生的二次污染物量为C_i。计算核素i污染土壤二次污染物产生量的占比d_i。

所述的步骤一中的步骤(1)包括如下步骤，

①首先采用微元法求解不同污染区域内核素i的平均浓度：

把污染区域划分为无限小的污染方块，则每一无限小方块内核素i的活度浓度是均匀的，从而得到污染区域内核素i的活度浓度的平均估算值，

假定dxdydz内的铀活度浓度是均匀的，则每一个方形区域内的核素i的活度浓度为B_i，则该污染区域内核素i的总活度A：

A＝∑pdxdydz

式中ρ表示土壤的密度，g/cm³，

则多核素污染区域内核素i的平均活度浓度水平B＝A/ρV，其中V为混合污染土壤的体积，m³；

②其次计算多核素污染区域内，核素i的活度浓度为1Bq/g时，根据不同污染场地的周围环境特点及污染状况，利用成熟的计算模型，计算核素i所致敏感目标的剂量D_i1；

③然后按照下式计算污染区域内核素i所致敏感目标的剂量D_i：

D_i＝B×D_i1

④按下式计算核素i所致敏感目标的剂量与多核素污染场地所致敏感目标的剂量之比a_i：

所述的步骤二包括如下步骤，

(1)分析评价以上因素之间的关系，建立u₁、u₂、u₃、u₄之间的递阶层次结构；

(2)构造u₁、u₂、u₃、u₄之间的比较判断矩阵；

(3)由(2)的比较判断矩阵计算被比较要素相对权重；

(4)计算各层要素对总目标的总权重，得出最优的计算用权重值w。

所述的步骤三包括，

令U为效用函数，

式中，w_i为i因素的权重因子(i＝1,2…)，u_ij是i因素第j个水平的归一化值；u∈(0,1)，

其中u_ij值为定量确定的(i，j)为数组，设f_j为某因素在第j个水平的值，则

由此，maxU_j即为最优水平，

由此，计算出各因素不同水平下的U_i值，即f(u_i，U_i)。

所述的步骤四包括，

(1)给定初始的u₀，精度大于ε，令k＝0；

(2)若||▽f(u_i)||≤ε，则得到u_i，算法终止；

否则，求解以下线性方程组：

▽²f(u_i)d+▽f(u_i)＝0

若方程有解d_i，且满足▽f(u_i)d<0，则转步骤3

否则，则取d_i＝-▽f(u_i)

(3)由线性搜索计算步长α_i

(4)令u_i+1＝u_i+α_i，k＝k+1，转步骤(2)。

所述的步骤五包括，

(1)根据多核素污染土壤的环境特征及水文地质情况，采用成熟的计算模型，推导核素i的在剂量约束值下的最大可允许残留水平A_{i最大残留}；

(2)利用牛顿—最速下降法得出最优解时，对应的核素i的占比情况m_i，计算核素i的残留水平：A_i残留＝A_{i最大残留}×m_i。

本发明的有益效果在于：从辐射防护最优化的角度，考虑不同核素的治理难度，治理代价及其它因素，实现单一核素残留水平的最优化分配结果，为制定更好的治理方案提供真实可信的数据支撑。

附图说明

图1不均匀性处理示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

一种多核素污染土壤核素残留水平优化分析方法，包括如下步骤：

步骤一：需考虑因素的确定

(1)所致敏感目标剂量占比

①首先采用微元法求解不同污染区域内核素i的平均浓度：

把污染区域划分为无限小的污染方块，则每一无限小方块内核素i的活度浓度是均匀的，从而得到污染区域内核素i的活度浓度的平均估算值。

假定dxdydz内的铀活度浓度是均匀的，则每一个方形区域内的核素i的活度浓度为B_i，则该污染区域内核素i的总活度A：

A＝∑pdxdydz

式中ρ表示土壤的密度，g/cm³。

则多核素污染区域内核素i的平均活度浓度水平B＝A/ρV，其中V为混合污染土壤的体积，m³。

②其次计算多核素污染区域内，核素i的活度浓度为1Bq/g时，根据不同污染场地的周围环境特点及污染状况，利用成熟的计算模型，计算核素i所致敏感目标的剂量D_i1。

③然后按照下式计算污染区域内核素i所致敏感目标的剂量D_i：

D_i＝B×D_i1

④按下式计算核素i所致敏感目标的剂量与多核素污染场地所致敏感目标的剂量之比a_i：

(2)治理费用

根据核素i污染土壤治理费用的F_i，计算核素i污染土壤治理费用的占比b_i：

(3)治理技术难度系数

假定核素i污染土壤的治理难度系数为N_i，参照(2)中治理费用核素i占比的计算方法，计算核素i污染土壤治理难度系数占比c_i。

(4)二次污染物

假定核素i污染土壤治理过程中产生的二次污染物量为C_i。计算核素i污染土壤二次污染物产生量的占比d_i。

步骤二：各因素的权重因子(w)的考虑

为了减少人为因素的干扰，此处基于层次分析方法(APH)，通过两两比较的方式确定层次中以上因素的相对重要性，重要性的判断依据为以保护公众健康的前提下，尽最大限度的减少治理费用和二次废物的产生量，并考虑治理技术的成熟度，并按照以下四个步骤，得出各因素的权重因子。

(1)分析评价以上因素之间的关系，建立u₁、u₂、u₃、u₄之间的递阶层次结构；

(2)构造u₁、u₂、u₃、u₄之间的比较判断矩阵；

(3)由(2)的比较判断矩阵计算被比较要素相对权重；

(4)计算各层要素对总目标的总权重，得出最优的计算用权重值w。

步骤三：利用多属性效应函数分析方法进行优化

令U为效用函数，

式中，w_i为i因素的权重因子(i＝1,2…)，u_ij是i因素第j个水平的归一化值；u∈(0,1)。

其中u_ij值为定量确定的(i，j)为数组，为专利的第2点中所考虑的因素的占比，设f_j为某因素在第j个水平的值，则

由此，maxU_j即为最优水平。

由此，计算出各因素不同水平下的U_i值，即f(u_i，U_i)。

步骤四：采用牛顿—最速下降法寻找最优点

因u_ij为定量确定的多维数组，离散度较大。因此，在搜寻最优值时，既要保证其快速收敛性，也要考虑其快速寻找最优值。在最优值搜寻过程中利用牛顿法收敛快的特点和最速下降法寻找最优值块的特点，对牛顿算法进行修改，利用其优点，并结合最速下降法的优点，来寻找最大值U_i对应的u_i，即牛顿—最速下降法：

(1)给定初始的u₀，精度大于ε，令k＝0；

(2)若||▽f(u_i)||≤ε，则得到u_i，算法终止；

否则，求解以下线性方程组：

▽²f(u_i)d+▽f(u_i)＝0

若方程有解d_i，且满足▽f(u_i)d<0，则转步骤3

否则，则取d_i＝-▽f(u_i)

(3)由线性搜索计算步长α_i

(4)令u_i+1＝u_i+α_i，k＝k+1，转步骤(2)。

步骤五：核素i的残留水平

(1)根据多核素污染土壤的环境特征及水文地质情况，采用成熟的计算模型，推导核素i的在剂量约束值下的最大可允许残留水平A_{i最大残留}。

(2)利用牛顿—最速下降法得出最优解时，对应的核素i的占比情况m_i，计算核素i的残留水平：A_i残留＝A_{i最大残留}×m_i。

Claims (4)

1.一种多核素污染土壤核素残留水平优化分析方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：需考虑因素的确定；

所述的步骤一包括如下步骤，

(1)所致敏感目标剂量占比；

所述的步骤一中的步骤(1)包括如下步骤，

①首先采用微元法求解不同污染区域内核素i的平均浓度：

把污染区域划分为无限小的污染方块，则每一无限小方块内核素i的活度浓度是均匀的，从而得到污染区域内核素i的活度浓度的平均估算值，

假定dxdydz内的铀活度浓度是均匀的，则每一个方形区域内的核素i的活度浓度为B_i，则该污染区域内核素i的总活度A：

Λ＝∑B_iρdxdydz

式中ρ表示土壤的密度，g/cm³，

则多核素污染区域内核素i的平均活度浓度水平B＝A/ρV，其中V为混合污染土壤的体积，m³；

②其次计算多核素污染区域内，核素i的活度浓度为1Bq/g时，根据不同污染场地的周围环境特点及污染状况，利用成熟的计算模型，计算核素i所致敏感目标的剂量D_i1；

③然后按照下式计算污染区域内核素i所致敏感目标的剂量D_i：

D_i＝B×D_i1

④按下式计算核素i所致敏感目标的剂量与多核素污染场地所致敏感目标的剂量之比a_i：

(2)治理费用；

根据核素i污染土壤治理费用的F_i，计算核素i污染土壤治理费用的占比b_i：

(3)治理技术难度系数

假定核素i污染土壤的治理难度系数为N_i，参照步骤(2)中治理费用核素i占比的计算方法，计算核素i污染土壤治理难度系数占比c_i；

(4)二次污染物

假定核素i污染土壤治理过程中产生的二次污染物量为C_i，计算核素i污染土壤二次污染物产生量的占比d_i；

步骤二：各因素的权重因子的计算；

步骤三：利用多属性效应函数分析方法进行优化；

步骤四：采用牛顿—最速下降法寻找最优点

步骤五：核素i的残留水平；

所述的步骤五包括，

(1)根据多核素污染土壤的环境特征及水文地质情况，采用成熟的计算模型，推导核素i的在剂量约束值下的最大可允许残留水平A_{i最大残留}；

(2)利用牛顿—最速下降法得出最优解时，对应的核素i的占比情况m_i，计算核素i的残留水平：A_i残留＝A_{i最大残留}×m_i。

2.如权利要求1所述的一种多核素污染土壤核素残留水平优化分析方法，其特征在于：所述的步骤二包括如下步骤，

(1)分析评价以上因素之间的关系，建立u₁、u₂、u₃、u₄之间的递阶层次结构；

(2)构造u₁、u₂、u₃、u₄之间的比较判断矩阵；

(3)由步骤(2)的比较判断矩阵计算被比较要素相对权重；

(4)计算各层要素对总目标的总权重，得出最优的计算用权重值w。

3.如权利要求1所述的一种多核素污染土壤核素残留水平优化分析方法，其特征在于：所述的步骤三包括，

令U为效用函数，

式中，w_i为i因素的权重因子(i＝1,2…)，u_ij是i因素第j个水平的归一化值；u∈(0,1)，

其中u_ij值为定量确定的(i，j)为数组，设f_j为某因素在第j个水平的值，则

由此，maxU_j即为最优水平，

由此，计算出各因素不同水平下的U_i值，即f(u_i，U_i)。

4.如权利要求1所述的一种多核素污染土壤核素残留水平优化分析方法，其特征在于：所述的步骤四包括，

(1)给定初始的u₀，精度大于ε，令k＝0；

(2)若

则得到u_i，算法终止；

否则，求解以下线性方程组：

若方程有解d_i，且满足

则转步骤(3)

否则，则取

(3)由线性搜索计算步长α_i

(4)令u_i+1＝u_i+α_i，k＝k+1，转步骤(2)。

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