CN114399139A - 一种高放废物地质处置库场址水文地质适宜性评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水文地质技术领域，具体涉及一种高放废物地质处置库场址水文地质适宜性评价方法，首先构建高放废物地质处置库场址水文地质适宜性指标评价体系、评价指标细化，之后确定各指标权重，最后对各指标的量值进行分级。通过构建评价指标体系、不同指标权重赋值、综合性评价，对高放废物地质处置库场址水文地质条件的适宜性进行评价，能够准确地反映各个方面综合状况的指标，有利于较为合理的确定高放废物地质处置水文地质条件适宜性。
Description
技术领域
本发明属于水文地质技术领域，具体涉及一种高放废物地质处置库场址水文地质适宜性评价方法。
背景技术
核能的开发利用是二十世纪人类最伟大的成就之一。核能的和平利用必然产生放射性废物，特别是高水平放射性废物(以下简称：高放废物)的最终安全处置已经成为影响核能可持续发展、环境保护及子孙后代福祉的战略性课题。从目前发展情况看，采用深地质处置方式被认为是一种有效、安全的处置手段，且已成为国际共识。
高放废物深地质处置系统是一个由天然屏障(或者地质屏障)和工程屏障组成的，能够在足够长的时间内将废物同人类和环境隔离的多重屏障系统。工程屏障系统包括废物体、废物包装及其外围的缓冲材料等；天然屏障系统由围岩(如花岗岩、盐岩、泥岩、凝灰岩)、地下水系统以及地下水、矿物的地球化学系统组成。有害的放射性核素迁移到人类环境最可能的方式就是地下水的搬运。
因此，在地质屏障系统以及整个多重屏障系统中，地下水都扮演着主要角色，在高放废物地质处置库场址筛选的过程中，场址的水文地质条件对高放废物处置的长期安全性有重要影响，需要对场址水文地质条件的适宜性进行评价。然而，高放废物地质处置库场址水文地质适宜性评价方法在国内仍处于起步阶段，尚未建立操作性高的评价方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种高放废物地质处置库场址水文地质适宜性评价方法，能够对高放废物地质处置库场址水文地质条件的适宜性进行评价，为高放废物地质处置提供数据支撑。
本发明的技术方案如下：
一种高放废物地质处置库场址水文地质适宜性评价方法，包括如下步骤：
步骤一、构建高放废物地质处置库场址水文地质适宜性指标评价体系；
步骤二、评价指标细化；
步骤三、确定各指标权重；
步骤四、各指标的量值进行分级。
所述的步骤一中，指标评价体系包括断裂构造渗透性特征、岩体渗透性特征、地下水流场特征、场址所处的位置和地下水化学特征5个评价指标。
所述的步骤二中，评价指标细化具体为：
断裂构造渗透性特征是指：研究区中从场址所在位置到地下水的排泄区的范围内，每条断裂的渗透特征；
岩体渗透性特征是指：研究区中从场址所在位置到地下水的排泄区的范围内，不同岩体的渗透特征；
地下水流场特征是指：场址地下水的水力梯度、整个区域地下水的水力梯度、地下水的年龄；
场址所处的位置是指：场址在区域地下水流系统中所处的位置，场址距离潜在排泄区的距离；
地下水化学特征是指：地下水的pH值、地下水的Eh值和地下水的TDS。
所述的步骤三具体为：
3.1构造判断矩阵；
3.2计算各指标权重并检验判断矩阵的一致性；
3.3进行权重的总排序。
所述的3.1构造判断矩阵，具体为：
设U1，U2，…，Un为评价的指标，对指标Ui和Uj的重要性进行判断并赋值，形成判断矩阵A＝(aij)n×n，其中i，j＝1，2，...，n。
元素Ui和Uj的重要性判断，根据下表进行指标定义；
| 尺度 | 含义 |
| 19 | U<sub>i</sub>比U<sub>j</sub>的影响绝对的弱 |
| 1/7 | U<sub>i</sub>比U<sub>j</sub>的影响明显的弱 |
| 1/5 | U<sub>i</sub>比U<sub>j</sub>的影响弱 |
| 1/3 | U<sub>i</sub>比U<sub>j</sub>的影响稍弱 |
| 1/2，1/4，1/6，1/8 | U<sub>i</sub>比U<sub>j</sub>的影响之比在上述两个相邻等级之间 |
| 1 | U<sub>i</sub>比U<sub>j</sub>的影响相同 |
| 3 | U<sub>i</sub>比U<sub>j</sub>的影响稍强 |
| 5 | U<sub>i</sub>比U<sub>j</sub>的影响强 |
| 7 | U<sub>i</sub>比U<sub>j</sub>的影响明显的强 |
| 9 | U<sub>i</sub>比U<sub>j</sub>的影响绝对的强 |
| 2，4，6，8 | U<sub>i</sub>比U<sub>j</sub>的影响之比在上述两个相邻等级之间 |
。
所述的3.2计算各指标权重并检验判断矩阵的一致性，具体为：
设W＝(w1，w2，…，wn)T表示由判断矩阵排序权重所组成的向量；
判断矩阵A，表示为：
衡量不一致性程度的指标为CI，CR表示一致性的比例；
CR＝CI/RI
其中，λmax为最大特征根；
RI为平均随机一致性；
n为指标数量；
若CR≤0.1，就称判断矩阵一致性符合要求，若CR＞0.1，则判断矩阵一致性不符合要求。
所述的3.3进行权重的总排序，是指：逐层计算同一层次各项指标对于最终评价目标的相对重要性的权重数值，并给出排序。
步骤3.3具体为：
层次B含有m个因素，分别为B1，B2，…，Bm，其层次总的排序权值分别为b1，b2，…，bm；
则在C层中，将C层中的各个因素对于Bj一致性指标采用CIj表示，其平均随机一致性的指标用RIj表示，那么C层次的总排序的一致性比例采用如下公式计算
最终得到最底层中的每个元素相对于最高层的权重，并可以计算出这一组合的权重总一致性指标。
所述的步骤四具体为：
断裂构造及岩体的渗透性特征分级分值，如下表
地下水水力梯度特征分级分值，如下表
| 地下水水力梯度 | 分值 |
| ＜1％ | ＞90 |
| 1％～2％ | 75～90 |
| 2％～3％ | 60～75 |
| ＞3％ | ＜60 |
| ＞3％ | ＜60 |
地下水年龄分级分值，如下表
| 地下水类别 | 地下水年龄(年) | 分值 |
| 古地下水1 | ＞10000 | ＞90 |
| 古地下水2 | 1000～10000 | 60～90 |
| 次现代水、现代水 | ＜1000 | ＜60 |
场址所处的位置分级分值，如下表
| 场址所处的位置 | 分值 |
| <u>补给区</u> | ＞90 |
| 径流区 | 60～90 |
| <u>排泄区</u> | ＜60 |
场址距离潜在排泄区的距离大于50km，则认为该项指标是有利的；
用于安全评价的地下水化学指标的范围为：pH为6～10、TDS＜100g/L、Eh＜0mV。
包括步骤五、对水文地质适宜性进行等级划分，各指标分值相加得到最终的打分值，划分等级如下表
| 评价等级 | 分值 |
| 非常适宜 | ＞90 |
| 比较适宜 | 75～90 |
| 基本适宜 | 60～75 |
| 适宜性差 | ＜60 |
。
本发明的显著效果如下：
通过构建评价指标体系、不同指标权重赋值、综合性评价，对高放废物地质处置库场址水文地质条件的适宜性进行评价，能够准确地反映各个方面综合状况的指标，有利于较为合理的确定高放废物地质处置水文地质条件适宜性。
具体实施方式
下面通过及具体实施方式对本发明作进一步说明。
步骤一、构建高放废物地质处置库场址水文地质适宜性指标评价体系
指标评价体系包括断裂构造渗透性特征、岩体渗透性特征、地下水流场特征、场址所处的位置和地下水化学特征5个评价指标。
断裂构造是地下水运动和核素迁移的主要通道，导水能力差，渗透性低，则地下水运移和核素迁移的速率就越慢，越有利于核废物的长期隔离；
岩体渗透性特征是影响地下水流动、溶质迁移速率和长期安全性的关键因素，岩体渗透系数值越小，地下水运移和核素迁移的速率相对较慢，越有利于污染物的隔离；
地下水流场特征是从地下水的水力梯度进行考虑，水力梯度是影响地下水流动和溶质迁移速率的重要参数，其值越小，地下水运移和核素迁移的速率相对较慢，越有利于污染物的隔离；
场址在区域地下水流系统中距离排泄区越远，放射性核素迁移到生物圈的时间越长，越有利于废物的隔离；
为了安全处置高放废物，主要从地下水对废物罐的腐蚀及膨润土的失效对未来处置系统的安全进行考虑，地下水对废物罐的腐蚀及膨润土的影响与地下水的水化学条件息息相关，所以这方面需重点考虑地下水水化学条件。
步骤二、对步骤一中的指标进行细化。
断裂构造渗透性特征是指：研究区中从场址所在位置到地下水的排泄区的范围内，每条断裂的渗透特征；
岩体渗透性特征是指：研究区中从场址所在位置到地下水的排泄区的范围内，不同岩体的渗透特征；
地下水流场特征是指：场址地下水的水力梯度、整个区域地下水的水力梯度、地下水的年龄；
场址所处的位置是指：场址在区域地下水流系统中所处的位置，场址距离潜在排泄区的距离；
地下水化学特征是指：地下水的pH值、地下水的Eh值、地下水的TDS(总溶解固体)。
步骤三、确定各指标权重
3.1构造判断矩阵
这个过程通过将各元素两两进行比较来判断元素的重要程度。在处理水文地质适宜性评价问题这类复杂的问题时，元素的权重通常不易直接获得，一般可以采用建立判断矩阵的方法计算各项元素的权重。
使用1/9～9标度尺度对元素的重要性判断结果量化。设U1,U2,…,Un为评价的元素，按表1定义的比例标度，对元素Ui和Uj的重要性进行判断并赋值，形成判断矩阵A＝(aij)n×n，其中i,j＝1,2,…,n；
表1各重要尺度指标的含义
| 尺度 | 含义 |
| 1/9 | U<sub>i</sub>比U<sub>j</sub>的影响绝对的弱 |
| 1/7 | U<sub>i</sub>比U<sub>j</sub>的影响明显的弱 |
| 1/5 | U<sub>i</sub>比U<sub>j</sub>的影响弱 |
| 1/3 | U<sub>i</sub>比U<sub>j</sub>的影响稍弱 |
| 1/2,1/4,1/6,1/8 | U<sub>i</sub>比U<sub>j</sub>的影响之比在上述两个相邻等级之间 |
| 1 | U<sub>i</sub>比U<sub>j</sub>的影响相同 |
| 3 | U<sub>i</sub>比U<sub>j</sub>的影响稍强 |
| 5 | U<sub>i</sub>比U<sub>j</sub>的影响强 |
| 7 | U<sub>i</sub>比U<sub>j</sub>的影响明显的强 |
| 9 | U<sub>i</sub>比U<sub>j</sub>的影响绝对的强 |
| 2,4,6,8 | U<sub>i</sub>比U<sub>j</sub>的影响之比在上述两个相邻等级之间 |
3.2计算各指标权重并检验判断矩阵的一致性
通过两两元素的对比，不能满足判断矩阵aii＝1，此时须采用一个数量标准，来计算矩阵A的不一致程度。设W＝(w1,w2,…,wn)T表示由n阶判断矩阵排序权重所组成的向量；
若A是一致性判断矩阵，则满足以下公式：
用W＝(W1,W2,…,Wn)T乘以上式，可以得到AW＝nW，通过上式可知W是A的特征根，是n的一个特征向量。简而言之，就一致性的判断矩阵而言，排序向量W为判断矩阵A的特征向量。
如果A具有一致性，则λmax＝n。设把λmax所对应特征向量进行归一化处理得到
记为W＝(W1,W2,…,Wn)T，w又叫做权重向量，表示U1,U2,…,Un的权重。
如果判断矩阵A不具有一致性，则有λmax＞n，此时特征向量W不能准确地反映U1,U2,…,Un的比重，因此，需要给出一个衡量不一致性程度的指标，用CI表示，公式如下：
若正矩阵A具有一致性，则有CI＝0。在实际分析问题时，单独把CI值当做判断矩阵A一致性标准并不符合实际情况。所以，本发明中引入了RI这个指标，它表示平均随机一致性，表2给出了n＝1～13阶矩阵平均一致性的指标取值。
表2平均随机一致性指标表
在实际应用中，设CR表示一致性的比例，CR＝CI/RI，若CR≤0.1，就称判断矩阵一致性符合要求，若CR＞0.1，则判断矩阵一致性不符合要求。
3.3进行权重的总排序
权重总排序的过程就是按照由高到低的层次，逐层计算同一层次各项因素对于最终评价目标的相对重要性的权重数值并给出排序。假设层次B含有m个因素，分别为B1,B2,…,Bm，其层次总的排序权值分别为b1,b2,…,bm，其下一层次C含有p个因素，分别为C1,C2,…,Cp，那么这两个层次组成的层次单排序的权值为c1j,c2j,…,cpj(若Ck与Bj无关时，取Ckj＝0)，此时C层次总排序权值可以参照下表3计算。
表3权重合成方法表
在C层中，若某些因素对于Bj一致性指标采用CIj表示，其平均随机一致性的指标用RIj表示，那么C层次的总排序的一致性比例可用如下公式计算
最终，可根据上面得到的最底层中的每个元素相对于最高层的权重，并可以计算出这一组合的权重总一致性指标，据此，可在实际应用中做出准确的判断。
步骤四、根据相关技术规范、国内外文献资料，对上述各指标量值进行分级。
具体分级分值情况如下：
(1)根据《水利水电工程地质勘察规范》，断裂构造及岩体的渗透性特征分级分值如表所示。
断裂构造及岩体渗透性特征分级分值表
如果局部地下水水力梯度＜1％，利于高放废物处置。则地下水流场特征参考瑞典标准，并结合我国高放废物地质处置实际情况进行赋分，当地下水水力梯度＜1％时，认为利于高放废物处置，对于地下水水力梯度＞1％时，分值逐级递减，如表所示。
地下水水力梯度分值表
| 地下水水力梯度 | 分值 |
| ＜1％ | ＞90 |
| 1％～2％ | 75～90 |
| 2％～3％ | 60～75 |
| ＞3％ | ＜60 |
| ＞3％ | ＜60 |
(3)根据所测地下水年龄的范围分为现代水、次现代水和古地下水。由于高放废物地质处置是万年工程，将大于1000年的古地下水继续细分，分为1000～10000年和大于10000年的两类古地下水。地下水年龄越大，表明地下水与现代水的循环交替时间越长，进而表明放射性核素迁移的速率将会越小，越有利于放射性核素的隔离。地下水年龄的赋值情况如表所示。
地下水年龄分值表
| 地下水类别 | 地下水年龄(年) | 分值 |
| 古地下水1 | ＞10000 | ＞90 |
| 古地下水2 | 1000～10000 | 60～90 |
| 次现代水、现代水 | ＜1000 | ＜60 |
(4)如果候选场址在区域地下水的补给区时，是最有利的，位于径流区和排泄区时，分值逐级递减，如表所示。
场址所处的位置分值表
| 场址所处的位置 | 分值 |
| 补给区 | ＞90 |
| 径流区 | 60～90 |
| 排泄区 | ＜60 |
(5)如果场址距离潜在排泄区的距离大于50km，则认为该项指标是有利的；
(6)用于安全评价的地下水化学指标的范围为：pH为6～10、TDS＜100g/L、Eh＜0mV。如果地下水的pH、TDS、Eh指标满足这几项用于安全评价的要求，则认为这几项指标是有利的；
步骤五、对最终场址水文地质条件适宜性进行分级，并对高放废物地质处置库场址水文地质条件的适宜性进行评价。
分级及评价如表所示。
水文地质适宜性等级划分表
| 评价等级 | 分值 |
| 非常适宜 | ＞90 |
| 比较适宜 | 75～90 |
| 基本适宜 | 60～75 |
| 适宜性差 | ＜60 |
Claims (11)
1.一种高放废物地质处置库场址水文地质适宜性评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、构建高放废物地质处置库场址水文地质适宜性指标评价体系；
步骤二、评价指标细化；
步骤三、确定各指标权重；
步骤四、各指标的量值进行分级。
2.如权利要求1所述的一种高放废物地质处置库场址水文地质适宜性评价方法，其特征在于：所述的步骤一中，指标评价体系包括断裂构造渗透性特征、岩体渗透性特征、地下水流场特征、场址所处的位置和地下水化学特征5个评价指标。
3.如权利要求2所述的一种高放废物地质处置库场址水文地质适宜性评价方法，其特征在于，所述的步骤二中，评价指标细化具体为：
断裂构造渗透性特征是指：研究区中从场址所在位置到地下水的排泄区的范围内，每条断裂的渗透特征；
岩体渗透性特征是指：研究区中从场址所在位置到地下水的排泄区的范围内，不同岩体的渗透特征；
地下水流场特征是指：场址地下水的水力梯度、整个区域地下水的水力梯度、地下水的年龄；
场址所处的位置是指：场址在区域地下水流系统中所处的位置，场址距离潜在排泄区的距离；
地下水化学特征是指：地下水的pH值、地下水的Eh值和地下水的TDS。
4.如权利要求1所述的一种高放废物地质处置库场址水文地质适宜性评价方法，其特征在于，所述的步骤三具体为：
3.1构造判断矩阵；
3.2计算各指标权重并检验判断矩阵的一致性；
3.3进行权重的总排序。
5.如权利要求4所述的一种高放废物地质处置库场址水文地质适宜性评价方法，其特征在于，所述的3.1构造判断矩阵，具体为：
设U1，U2，…，Un为评价的指标，对指标Ui和Uj的重要性进行判断并赋值，形成判断矩阵A＝(aij)n×n，其中i，j＝1，2，...，n。
6.如权利要求5所述的一种高放废物地质处置库场址水文地质适宜性评价方法，其特征在于：元素Ui和Uj的重要性判断，根据下表进行指标定义；
。
7.如权利要求5所述的一种高放废物地质处置库场址水文地质适宜性评价方法，其特征在于，所述的3.2计算各指标权重并检验判断矩阵的一致性，具体为：
设W＝(w1，w2，…，wn)T表示由判断矩阵排序权重所组成的向量；
判断矩阵A，表示为：
衡量不一致性程度的指标为CI，CR表示一致性的比例；
CR＝CI/RI
其中，λmax为最大特征根；
RI为平均随机一致性；
n为指标数量；
若CR≤0.1，就称判断矩阵一致性符合要求，若CR＞0.1，则判断矩阵一致性不符合要求。
8.如权利要求5所述的一种高放废物地质处置库场址水文地质适宜性评价方法，其特征在于，所述的3.3进行权重的总排序，是指：逐层计算同一层次各项指标对于最终评价目标的相对重要性的权重数值，并给出排序。
9.如权利要求8所述的一种高放废物地质处置库场址水文地质适宜性评价方法，其特征在于：步骤3.3具体为：
层次B含有m个因素，分别为B1，B2，…，Bm，其层次总的排序权值分别为b1，b2，…，bm；
则在C层中，将C层中的各个因素对于Bj一致性指标采用CIj表示，其平均随机一致性的指标用RIj表示，那么C层次的总排序的一致性比例采用如下公式计算
最终得到最底层中的每个元素相对于最高层的权重，并可以计算出这一组合的权重总一致性指标。
10.如权利要求1所述的一种高放废物地质处置库场址水文地质适宜性评价方法，其特征在于，所述的步骤四具体为：
断裂构造及岩体的渗透性特征分级分值，如下表
地下水水力梯度特征分级分值，如下表
地下水年龄分级分值，如下表
场址所处的位置分级分值，如下表
场址距离潜在排泄区的距离大于50km，则认为该项指标是有利的；
用于安全评价的地下水化学指标的范围为：pH为6～10、TDS＜100g/L、Eh＜0mV。
11.如权利要求10所述的一种高放废物地质处置库场址水文地质适宜性评价方法，其特征在于，包括步骤五、对水文地质适宜性进行等级划分，各指标分值相加得到最终的打分值，划分等级如下表
。
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Citations (3)
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| CN106815790A (zh) * | 2016-08-29 | 2017-06-09 | 中国辐射防护研究院 | 一种地质处置场址预选地段综合评价方法 |
| CN106934478A (zh) * | 2015-12-29 | 2017-07-07 | 核工业北京地质研究院 | 基于ahp的高放废物地质处置库场址适宜性定量评价方法 |
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-
2021
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Patent Citations (3)
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| 苏锐，王驹: "高放废物地质处置库场址适宜性定量化评价指标体系初探", 世界核地质科学, vol. 31, 31 August 2014 (2014-08-31), pages 131 - 141 * |
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