CN106018231B - 一种原位探测水蚀土壤中137Cs渗透深度的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种原位探测水蚀土壤中¹³⁷Cs渗透深度的方法和系统，其中，所述方法包括：从ISOCS系统获取全能峰计数率；根据全能峰技术率获取光谱推导系数；根据光谱推导系数和¹³⁷Cs在土壤中的穿透深度之间的关系求取质量深度；根据质量深度求取¹³⁷Cs在土壤中的活度。本发明一种原位探测水蚀土壤中¹³⁷Cs渗透深度的方法和系统，解决了现有技术中根据经验假设¹³⁷Cs渗透深度造成误差大的问题。

Description

一种原位探测水蚀土壤中137Cs渗透深度的方法和系统

技术领域

本发明涉及就地测量技术领域，具体涉及一种原位探测水蚀土壤中¹³⁷Cs渗透深度的方法和系统。

背景技术

我国是世界上水土流失最为严重的地区之一，严重的水土流失不仅造成土地生产力长期退化，同时侵蚀径流和泥沙所携带的农业化学物质已对下游水体造成了严重的污染，成为制约我国经济可持续发展的首要环境问题。为了治理严重的水土流失，国家先后实施了大面积的退耕还林工程和水土保持生态建设重点项目。我国水土保持措施的多样性、实效性在国际上是罕有的，但我国水土保持学科的发展却一直滞后于水土保持实践，不能对以往水土保持综合治理的减沙效益方面的工作予以充分、客观的评价。通过工程实施能否解决工程区严重的水土流失问题，能否减轻下游河流的泥沙淤积问题，回答这些问题亟需一种评价土壤水蚀速率及其对重大土壤保持工程响应的快速、原位、动态监测技术，为良性生态环境重建等重大决策的制定提供科学技术支撑。目前，对于土壤水蚀速率的检测主要有以下方法：

1.土壤侵蚀环境放射性核素示踪方法

与一般的土壤侵蚀研究方法相比，环境放射性核素示踪技术只需要一次或几次采集样品，就能快速、定量地评价土壤水蚀侵蚀产沙物质再分布空间格局^[1]。目前，传统的土壤侵蚀环境放射性核素示踪，尤其是¹³⁷Cs示踪技术已经在全球范围内得到广泛应用。近年来，在我国有关土壤水蚀的研究正在从注重于定向描述向定量研究转变。中国土壤侵蚀的核素示踪法研究始于80 年代后期，主要集中在应用传统的¹³⁷Cs示踪技术分析泥沙来源或湖泊泥沙沉积。

¹³⁷Cs传统土壤侵蚀示踪技术应用的原理，主要是通过测定采样地点的单位面积环境核素的总活度与该地点附近的参考点(没有侵蚀或泥沙沉积的地区，用于估算当地大气散落的环境核素的背景值)累积环境核素面积活度比较而获得散落核素在空间的再分布情况。通过测定采样地点环境放射性核素的流失或堆积量与试验获得的土壤流失量之间的关系，可定量估算土壤侵蚀或堆积速率。传统土壤水蚀的¹³⁷Cs示踪法是评价水蚀尤其是片状侵蚀和细构间侵蚀最为有效的方法之一，但仍然存在几个不足：(1)采样的面积和参考点问题。目前传统的土壤水蚀的环境放射性核素示踪如¹³⁷Cs示踪存在3方面不足：一是很小的采集样品面积(大多在150cm²)很难代表研究区域的空间微观变异性；二是由于人类活动的剧烈影响，寻找无侵蚀无堆积的参考点非常困难，而且在确定可靠参考点时土壤中¹³⁷Cs活度的小尺度异质性也是尤为突出的问题。多数土样采集方法中土样表面积相对很小，为了建立可靠的参考点就需要采集相当数量的土样；三是大量的钻孔采集样品不仅具有很大的破坏性(尤其对自然保护地区)，而且室内土样准备和Gamma(γ)谱仪测量费耗时间长，为了获取单个土样可靠的测量值，γ谱仪中的标准高纯锗(HPGe)探测器所需要的计数时间为6到8小时，如果γ谱仪效率＜30％，需要时间甚至在48小时以上。在同等计数统计精度的前提下，传统方法实验室取样分析还会花费更长的时间，而且增加了取样、制样等大量工作和系统误差。(2)研究思路与研究方法。快速、原位、动态监测和评价区域土壤水蚀速率及其与重大土壤保持工程的关系应当成为未来土壤侵蚀的同位素示踪领域的研究方向。但是，我国在这方面的研究思路和研究手段仍值得进一步探索。与国外比较，我国目前普遍采用的土壤侵蚀的传统环境放射性核素示踪研究面临更大挑战。由于受强烈人类活动的影响，我国在寻找过去50 年没有侵蚀或沉积的永久草地或农地作为与邻近侵蚀地点的参考点更加困难。无法确定的参考点、很小的采样面积(大多在150cm²)、非常有限的样本数目和长时间的室内测定，是¹³⁷Cs示踪技术在我国土壤水蚀研究中应用的最大困难，迫切需要寻求新的研究方法和研究思路解决这一问题。

2.现场谱仪野外原位示踪法的优势与应用难点

在传统野外γ射线能谱测量中，人们普遍认为低能γ射线是一种干扰因素，总是设法将其消除或减弱，这种观念较大地影响了对野外γ射线全谱信息的利用。我国自70年代初开始进行野外γ射线能谱测量技术及应用的研究。有人将地面γ能谱仪成功地应用于地质填图，水文地质，工程地质等地球科学领域取得了显著成绩，但国内目前还没有关于γ射线全谱测量在野外土壤侵蚀应用的报道。

ISOCS是现场物体计数系统的简称，它能够在野外现场条件下直接进行γ能谱测量和分析，就地测定土壤中的环境放射性核素面积含量(Bq/m²)。ISOCS系统通过探测器表征，用户输入源的几何数据及刻度软件，实现环境样品的无源刻度。与实验室测量系统相比，ISOCS现场谱仪有以下优点：一是结合无源刻度技术短时间内可以对土壤中核素的比活度进行定性、定量分析。以往对土壤中核素的比活度进行分析是通过野外取样，在实验室分析完成的。在同等计数统计精度的前提下，实验室取样分析需要花费更长的时间，而且增加了取样、制样等工作量和系统误差。二是测量精度高。ISOCS系统可以在0～12m半径范围内进行探测器的效率刻度，能探测到面积约0～500m²范围内的γ射线，所测土壤重量多达几吨，而传统的实验室测量取样不仅破坏地表、而且所测物品量一般为几十克到几百克^[11]。与国内外传统室内及野外γ射线测量技术相比，ISOCS使用BE5030宽能型高纯锗便携式探测器，具有以下特色：(1)兼备同轴P型探测器和平面低能型探测器的特性，在技术上实现了野外地面γ射线全谱快速测量，可在现场及时获得γ全谱曲线； (2)采用谱线拟合寻峰、计算机软件稳谱技术，摒弃了放射性核素源，实现了野外无干扰现场放射性核素快速测定；(3)低能区域效率高于同样效率的同轴P型探测器，探测效率50％；(4)在野外ISOCS现场获得γ射线全谱曲线，确定放射性核素种类及其分布概况，可实现资料处理的现场化。利用ISOCS现场谱仪及现场效率刻度软件，对野外获得γ谱线进行解谱、数据处理、定性分析，可以获取研究区的各放射性核素的含量文件，可绘制各核素含量分布的平面等值图及核素含量分布的三维立体图。

在土壤侵蚀环境测量中，ISOCS就地HPGeγ谱仪通过对γ能谱的测量和识别，根据峰位可确定γ射线能量，即可判断该样品含有哪几种放射性核素；通过峰面积能定量推算出发射γ射线的放射性核素在土壤中的比活度。使用该项技术的关键在于如何准确确定谱仪的全能峰计数率与土壤中不同核素比活度间的关系，测量前必须进行能量刻度和效率刻度。ISOCS刻度软件采用模拟计算的方法计算环境样品的探测效率，通过把蒙特卡罗(MCNP，Monte Carlo N-Particle)模型程序所产生的探测器特征、数学几何样板和实际样品参数结合在一起，实现就地HPGeγ谱仪测量土壤中放射性核素活度的无源刻度。MCNP模拟计算方法，模拟在土壤中呈不同分布的放射性核素产生的主要γ射线在HPGeγ谱仪上产生的全能峰计数率，由大量全能沉积的γ光子的统计结果，获得刻度因子。该方法不受放射源的γ光子能量及几何形状的限制，但它要求获取准确的探测器结构几何参数和放射性核素随土壤深度的分布参数，正确的刻度及核素在土壤母体中的剖面分布特征的确定已成为它应用中的关键问题。

ISOCS原位测量技术系统应用MCNP模型程序进行就地测量时面临的问题和难点是：测量土壤中的放射性核素活度时，首先必须知道这些核素随土壤深度的分布情况，测量前要对放射性核素随土壤深度的分布参数进行选择，目前的方法是根据经验假设深度进行就地测量，但这种方法往往造成很 大误差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种原位探测水蚀土壤中¹³⁷Cs渗透深度的方法和系统，解决了现有技术中根据经验假设¹³⁷Cs渗透深度造成误差大的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种原位探测水蚀土壤中 ¹³⁷Cs渗透深度的方法，包括：

S1，用于从ISOCS系统获取全能峰计数率；

S2，根据全能峰技术率获取光谱推导系数；

S3，根据光谱推导系数和¹³⁷Cs在土壤中的穿透深度之间的关系获取质量深度；

S4，根据质量深度获取¹³⁷Cs在土壤中的活度。

本发明的有益效果是：通过采用ISOCS系统进行无源效率刻度测量，得到全能峰计数率；根据全能峰技术率获取光谱推导系数；根据光谱推导系数和¹³⁷Cs在土壤中的穿透深度之间的关系获取质量深度；根据质量深度获取 ¹³⁷Cs在土壤中的活度，从而能够更加精确地估计¹³⁷Cs在土壤中的活度，避免了传统的经验假设估计造成误差大的问题。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做出如下改进：所述S2中光谱推导系数按照以下方法求取：

S21，获取¹³⁷Cs在能量为661.6keV的全能峰面积，和在609.3keV和727.2keV之间的全能峰计数率差值；

S12，将¹³⁷Cs在能量为661.6keV的全能峰面积和在609.3keV和727.2keV之间的计数率差值的比率作为光谱推导系数。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过全能峰面积能定量且准确地推 算出发射γ射线的放射性核素在土壤中的比活度。

进一步，所述光谱推导系数和¹³⁷Cs在土壤中的穿透深度之间的关系：

式中，为就地测量土壤中散落核素¹³⁷Cs的光谱推导系数；D为¹³⁷Cs在土壤中的穿透质量深度，单位为kg m^-2；θ为就地测量坡地的坡度，Dcosθ为质量深度校正系数；和a为常数。

进一步，所述S4中按照以下方法求取¹³⁷Cs在土壤中的活度：

A₁＝A₁₀e^βCD；

式中，A₁为散落¹³⁷Cs的活度，单位为Bq m^-2；C为¹³⁷Cs在661.7keV的全能峰计数率，单位为s^-1，D为¹³⁷Cs在土壤中的穿透质量深度，单位为kg m^-2；A₁₀和β是常数。

进一步，所述S1之前还包括：

采用ISOCS系统进行无源刻度测量。

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：一种原位探测水蚀土壤中¹³⁷Cs渗透深度的系统，包括：

全能峰计数率获取模块，用于从ISOCS系统获取全能峰计数率；

光谱推导系数获取模块，用于根据全能峰技术率获取光谱推导系数；

质量深度计算模块，用于根据光谱推导系数和¹³⁷Cs在土壤中的穿透深度之间的关系求取质量深度；

活度计算模块，用于根据质量深度求取¹³⁷Cs在土壤中的活度。

本发明的有益效果是：通过利用ISOCS系统进行无源效率刻度测量，进而采用全能峰计数率获取模块从ISOCS系统获取全能峰计数率；根据全能峰技术率获取光谱推导系数；根据光谱推导系数和¹³⁷Cs在土壤中的穿透深度之间的关系获取质量深度；根据质量深度获取¹³⁷Cs在土壤中的活度，从而能够更加精确地估计¹³⁷Cs在土壤中的活度，避免了传统的经验假设估计造成误差大的问题。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做出如下改进：所述光谱推导系数获取模块中光谱推导系数按照以下方法求取：

获取¹³⁷Cs在能量为661.6keV的全能峰面积，和在609.3keV和727.2keV之间的全能峰计数率差值；

将¹³⁷Cs在能量为661.6keV的全能峰面积和在609.3keV和727.2keV之间的计数率差值的比率作为光谱推导系数。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过全能峰面积能定量且准确地推算出发射γ射线的放射性核素在土壤中的比活度。

进一步，所述光谱推导系数和¹³⁷Cs在土壤中的穿透深度之间的关系为：

式中，为就地测量土壤中散落核素¹³⁷Cs的光谱推导系数；D为¹³⁷Cs在土壤中的穿透质量深度，单位为kg m^-2；θ为就地测量坡地的坡度，Dcosθ为质量深度校正系数；和a为常数。

进一步，所述质量深度计算模块按照以下方法求取¹³⁷Cs在土壤中的活度：

A₁＝A₁₀e^βCD；

式中，A₁为散落¹³⁷Cs的活度，单位为Bq m^-2；C为¹³⁷Cs在661.7keV的全能峰计数率，单位为s^-1，D为¹³⁷Cs在土壤中的穿透质量深度，单位为kg m^-2；A₁₀和β是常数。

进一步，还包括：ISOCS系统，用于进行无源刻度测量。

附图说明

图1为本发明一种原位探测水蚀土壤中¹³⁷Cs渗透深度的方法的流程示意图图；

图2为本发明中采用ISOCS系统获取的全能峰技术率的曲线图；

图3为本发明一种原位探测水蚀土壤中¹³⁷Cs渗透深度的系统的结构示意图图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明根据γ能谱分析的理论基础及ISOCS的刻度原理，分析土壤中散落¹³⁷Cs的质量深度对其光谱前向散射幅度的影响，基于¹³⁷Cs的γ光谱中用来补偿¹³⁷Cs垂直分布变化的前向散射的量与源和探测器之间光子轨迹的作用概率，提出根据ISOCS系统便携式γ谱仪获得的¹³⁷Cs全能峰的前向散射率估计¹³⁷Cs随土壤深度的分布的方法。

图1为本发明一种原位探测水蚀土壤中¹³⁷Cs渗透深度的方法的流程示意图。

如图1所示，一种原位探测水蚀土壤中¹³⁷Cs渗透深度的方法，包括：

S1，采用ISOCS系统进行无源效率刻度测量，和从ISOCS系统获取全能峰计数率；

其中，测量用的ISOCS系统主要包括以下部件：HPGe探测器、一组调节探测角度的屏蔽铅石、便携式Inspector2000多道分析器系统、装有Genie2000谱分析软件的笔记本电脑、ISOCS刻度软件。

ISOCS系统进行无源刻度测量分为4个步骤：①HPGe探测器表征；②能量刻度；③无源效率刻度；④γ能谱测量与分析。在ISOCS系统使用之前，系统中使用的HPGe探测器必须进行无源刻度表征。就地HPGeγ谱仪对土壤中放射性核素比活度的效率刻度，即为土壤中单位比活度放射性核素发射的一种主要能量的γ射线在谱仪上全能峰计数率。

S2，根据全能峰技术率获取光谱推导系数；

图2为利用ISOCS系统获取的随能量分布的全能峰技术率的曲线图；

根据图2获取的全能峰技术率的曲线图，可以求出全能峰面积A和谱线步长BT，具体地，光谱推导系数按照以下方法求取：

S21，获取¹³⁷Cs在能量为661.6keV的全能峰面积，和在609.3keV和727.2keV之间的全能峰计数率差值；

S12，将¹³⁷Cs在能量为661.6keV的全能峰面积和在609.3keV和727.2keV之间的计数率差值的比率作为光谱推导系数。

由于通过土壤时的散射作用，土壤剖面中可进入探测器的¹³⁷Cs的γ射线能量会减少，¹³⁷Cs全能峰的左侧峰计数率比右侧峰计数率高，这样，¹³⁷Cs在能量661.6keV的全能峰的形状和在609.3keV(²¹⁴Bi)和727.2keV(²¹²Bi)之间的全能峰计数率可以反应出¹³⁷Cs随土壤深度的分布，土壤中散落¹³⁷Cs的质量深度会影响到其光谱前向散射的幅度，¹³⁷Cs的γ光谱中用来补偿¹³⁷Cs垂直分布变化的前向散射的量(¹³⁷Cs全能峰(661.6keV)与康普顿边(C_Cs为478.keV)之间的谷区)与源和探测器之间光子轨迹的作用概率紧密相关。通过把与¹³⁷Cs随土壤深度的分布紧密相关的参数定义为光谱推导系数Q，对于稳定的被探测核素源和相对平整的探测地面，随着核素质量深度的增加，土壤中γ光子的前向散射对谷区的贡献随全能峰的面积而增加，谱线步长B_T就会峰面积的增加而增加。因此，光谱推导系数Q可以定义为全能峰A与谱线步长B_T(s^-1)的比率，具体如下：

谱线步长B_T为¹³⁷Cs峰(661.6keV)和²¹⁴Bi峰(609.3keV)之间的计数平均值(b₁)和¹³⁷Cs峰(661.6keV)和²¹²Bi峰(727.2keV)之间的计数平均值(b₂)之间的差；B_T＝b₁-b₂；

S3，根据光谱推导系数和¹³⁷Cs在土壤中的穿透深度之间的关系求取质量 深度；

光谱推导系数和¹³⁷Cs在土壤中的穿透深度之间的关系为：

式中，为就地测量土壤中散落核素¹³⁷Cs的光谱推导系数；D为¹³⁷Cs在土壤中的穿透质量深度，单位为kg m^-2；θ为就地测量坡地的坡度，Dcosθ为质量深度校正系数；和a为常数。

S4，根据质量深度求取¹³⁷Cs在土壤中的活度。具体为按照以下方法求取 ¹³⁷Cs在土壤中的活度：

A₁＝A₁₀e^βCD；

式中，A₁为散落¹³⁷Cs的活度，单位为Bq m^-2；C为¹³⁷Cs在661.7keV的全能峰计数率，单位为s^-1，D为¹³⁷Cs在土壤中的穿透质量深度，单位为kg m^-2；A₁₀和β是常数。

图3是本发明一种原位探测水蚀土壤中¹³⁷Cs渗透深度的系统的结构示意图。

如图3所示，一种原位探测水蚀土壤中¹³⁷Cs渗透深度的系统，包括：

ISOCS系统，用于进行无源刻度测量；

全能峰计数率获取模块，用于从ISOCS系统获取全能峰计数率；

光谱推导系数获取模块，用于根据全能峰技术率获取光谱推导系数；

质量深度计算模块，用于根据光谱推导系数和¹³⁷Cs在土壤中的穿透深度之间的关系求取质量深度；

活度计算模块，用于根据质量深度求取¹³⁷Cs在土壤中的活度。

其中，ISOCS系统进行无源刻度测量分为4个步骤：①HPGe探测器表征；②能量刻度；③无源效率刻度；④γ能谱测量与分析。在ISOCS系统使用之前，系统中使用的HPGe探测器必须进行无源刻度表征。就地HPGeγ谱仪对土壤中放射性核素比活度的效率刻度，即为土壤中单位比活度放射性核素发 射的一种主要能量的γ射线在谱仪上全能峰计数率。

其中，光谱推导系数获取模块中光谱推导系数按照以下方法求取：

获取¹³⁷Cs在能量为661.6keV的全能峰面积，和在609.3keV和727.2keV之间的全能峰计数率差值；

将¹³⁷Cs在能量为661.6keV的全能峰面积和在609.3keV和727.2keV之间的计数率差值的比率作为光谱推导系数。

其中，所述光谱推导系数和¹³⁷Cs在土壤中的穿透深度之间的关系为：

式中，为就地测量土壤中散落核素¹³⁷Cs的光谱推导系数；D为¹³⁷Cs在土壤中的穿透质量深度，单位为kg m^-2；θ为就地测量坡地的坡度，Dcosθ为质量深度校正系数；和a为常数。

其中，质量深度计算模块按照以下方法求取¹³⁷Cs在土壤中的活度：

A₁＝A₁₀e^βCD；

式中，A₁为散落¹³⁷Cs的活度，单位为Bq m^-2；C为¹³⁷Cs在661.7keV的全能峰计数率，单位为s^-1，D为¹³⁷Cs在土壤中的穿透质量深度，单位为kg m^-2；A₁₀和β是常数。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种原位探测水蚀土壤中¹³⁷Cs渗透深度的方法，其特征在于，包括：

S1，从ISOCS系统获取全能峰计数率；

S2，根据全能峰技术率获取光谱推导系数；

S3，根据光谱推导系数和¹³⁷Cs在土壤中的穿透深度之间的关系获取质量深度；

S4，根据质量深度获取¹³⁷Cs在土壤中的活度；

所述S2中光谱推导系数按照以下方法求取：

S21，获取¹³⁷Cs在能量为661.6keV的全能峰面积，和在609.3keV和727.2keV之间的全能峰计数率差值；

S12，将¹³⁷Cs在能量为661.6keV的全能峰面积和在609.3keV和727.2keV之间的计数率差值的比率作为光谱推导系数；

所述光谱推导系数和¹³⁷Cs在土壤中的穿透深度之间的关系：

式中，为就地测量土壤中散落核素₁₃₇Cs的光谱推导系数；D为₁₃₇Cs在土壤中的穿透质量深度，单位为kg m^-2；θ为就地测量坡地的坡度，Dcosθ为质量深度校正系数；和α为常数；

所述S4中按照以下方法求取¹³⁷Cs在土壤中的活度：

A₁＝A₁₀e^βCD；

式中，A₁为散落¹³⁷Cs的活度，单位为Bq m^-2；C为¹³⁷Cs在661.7keV的全能峰计数率，单位为s^-1，D为¹³⁷Cs在土壤中的穿透质量深度，单位为kg m^-2；A₁₀和β是常数。

2.根据权利要求1所述一种原位探测水蚀土壤中¹³⁷Cs渗透深度的方法，其特征在于，所述S1之前还包括：

采用ISOCS系统进行无源刻度测量。

3.一种原位探测水蚀土壤中¹³⁷Cs渗透深度的系统，其特征在于，包括：

全能峰计数率获取模块，用于从ISOCS系统获取全能峰计数率；

光谱推导系数获取模块，用于根据全能峰技术率获取光谱推导系数；

质量深度计算模块，用于根据光谱推导系数和¹³⁷Cs在土壤中的穿透深度之间的关系求取质量深度；

活度计算模块，用于根据质量深度求取¹³⁷Cs在土壤中的活度；所述光谱推导系数获取模块中光谱推导系数按照以下方法求取：

获取¹³⁷Cs在能量为661.6keV的全能峰面积，和在609.3keV和727.2keV之间的全能峰计数率差值；

将¹³⁷Cs在能量为661.6keV的全能峰面积和在609.3keV和727.2keV之间的计数率差值的比率作为光谱推导系数；所述光谱推导系数和¹³⁷Cs在土壤中的穿透深度之间的关系为：

式中，为就地测量土壤中散落核素¹³⁷Cs的光谱推导系数；D为¹³⁷Cs在土壤中的穿透质量深度，单位为kg m^-2；θ为就地测量坡地的坡度，Dcosθ为质量深度校正系数；和α为常数；所述质量深度计算模块按照以下方法求取¹³⁷Cs在土壤中的活度：

A₁＝A₁₀e^βCD；

式中，A₁为散落¹³⁷Cs的活度，单位为Bq m^-2；C为¹³⁷Cs在661.7keV的全能峰计数率，单位为s^-1，D为¹³⁷Cs在土壤中的穿透质量深度，单位为kg m^-2；A₁₀和β是常数。

4.根据权利要求3所述一种原位探测水蚀土壤中¹³⁷Cs渗透深度的系统，其特征在于，还包括：

ISOCS系统，用于进行无源刻度测量。