李世琢，劉丁雄，侯健強(qiáng)，翟春迎，張壯偉，刁 刃

(1.中國工程物理研究院建筑設(shè)計院，四川 綿陽 621000;2.中核北方核燃料元件有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014035)

引 言

源項(xiàng)調(diào)查貫穿退役的全過程，是退役項(xiàng)目立項(xiàng)的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)安全退役的保障，其主要的目的在于確定退役區(qū)域污染源項(xiàng)的污染水平及分布情況，確定熱點(diǎn)位置及退役活動的實(shí)際邊界；估算污染物的形式、數(shù)量；為后續(xù)退役實(shí)施過程中制定適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施及施工方案提供依據(jù)[1-2]。因此，源項(xiàng)調(diào)查是設(shè)施退役前的重點(diǎn)工作。由于污染物在水平方向和豎直方向呈現(xiàn)的離散特性，在進(jìn)行源項(xiàng)調(diào)查工作時需要采用適當(dāng)?shù)臄?shù)值計算方法，在樣品檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行插值計算，對污染物的分布情況以及總量進(jìn)行估算。污染物估算是設(shè)施退役的重要組成部分，只有結(jié)合污染性質(zhì)、污染程度、預(yù)期的修復(fù)目標(biāo)、實(shí)地限制、成本、修復(fù)技術(shù)的使用范圍進(jìn)行綜合考慮才能最終做好設(shè)施退役工作[3]。

2013年開始實(shí)施某生產(chǎn)線的源項(xiàng)調(diào)查工作。該核設(shè)施主要采用“汞齊法”開展鋰同位素的富集活動，鋰同位素本身沒有放射性，其運(yùn)行過程中產(chǎn)生的廢物主要為含汞廢物，不涉及其他放射性污染物。由于原生產(chǎn)線設(shè)備密封條件的限制，生產(chǎn)線運(yùn)行過程中單質(zhì)汞及蒸氣造成廠房地下及廠房附近小范圍的區(qū)域污染。為了保證取樣的可行性、時效性與經(jīng)濟(jì)性，兼顧生產(chǎn)線的實(shí)際情況及核設(shè)施退役廢物“最小化”的要求[4]，源項(xiàng)調(diào)查采用分區(qū)鉆孔取樣的方式，再采用最近鄰點(diǎn)插值方法估算廠房地下及周邊含汞污染物的分布情況及總量。

1 最近鄰點(diǎn)插值法概述

最近鄰點(diǎn)插值法又稱泰森多邊形方法，最初用于從離散分布的氣象站的降雨量數(shù)據(jù)中計算平均降雨量，后來發(fā)展為幾種常用的空間插值方法之一，常用于礦產(chǎn)資源儲量估算[5]。鑒于實(shí)現(xiàn)快速、效率高的特點(diǎn)，該方法應(yīng)用較廣泛。為選取最佳的取樣布點(diǎn)方案，本工作對最近鄰點(diǎn)插值法在不同取樣布點(diǎn)規(guī)則下對已知高斯分布的計算精度進(jìn)行了論證。

2 高斯分布下最近鄰點(diǎn)插值法的計算精度

假定在40m×40m的場地內(nèi)存在三處污染，污染分布呈類高斯分布，分別為：(10π)0.5N[(15,10),5]、(10π)0.5N[(10,30),5]、(10π)0.5N[(30,30),5]。三處污染物的總量(積分值)約為94.25。分布示意圖見圖1。針對該污染分布，驗(yàn)證最近鄰點(diǎn)插值法在不同取樣布點(diǎn)規(guī)則下的計算準(zhǔn)確度。取樣布點(diǎn)規(guī)則分別為：全區(qū)域隨機(jī)取樣、分區(qū)域隨機(jī)取樣和分區(qū)域均勻取樣。

圖1 假定的污染分布示意圖Fig.1 Sketch map of assumed contamination distribution

2.1 全區(qū)域隨機(jī)取樣

在(0～40)&(0～40)的區(qū)間內(nèi)，隨機(jī)選取40個點(diǎn)作為取樣點(diǎn)，對得到的污染物總量進(jìn)行分析。布點(diǎn)示意圖見圖2。對20次取樣布點(diǎn)擬合結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果見表1。統(tǒng)計顯示：污染總量擬合值較積分值偏離較多，擬合結(jié)果平均值為101.18，標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)到37.62。全區(qū)域隨機(jī)取樣方式不能滿足源項(xiàng)調(diào)查的要求。

圖2 全區(qū)域隨機(jī)取樣布點(diǎn)示意圖Fig.2 Sketch map of random sampling in whole region

表1 不同取樣方式結(jié)果對比表Tab.1 Results of different sampling method (ppm)

續(xù)表1

2.2 分區(qū)域隨機(jī)取樣

假定通過查閱運(yùn)行史，大致確定了污染嚴(yán)重的區(qū)域。在采樣方案中圍繞污染區(qū)域隨機(jī)取點(diǎn)，其余區(qū)域做象征性布點(diǎn)，布點(diǎn)示意圖見圖3。對20次取樣布點(diǎn)擬合結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果見表1。統(tǒng)計顯示：平均值為94.29，標(biāo)準(zhǔn)偏差為28.82，較全域隨機(jī)取點(diǎn)的情況平均值更為接近積分值，標(biāo)準(zhǔn)偏差也更小。因此可以預(yù)見，在已知大致污染區(qū)域的情況下，通過優(yōu)化采樣布點(diǎn)方案，能夠提高擬合結(jié)果的準(zhǔn)確度和精確度，使擬合結(jié)果更加接近實(shí)際的分布情況。但由于布點(diǎn)位置的隨機(jī)性，仍存在部分偏離均值較大的結(jié)果。

圖3 分區(qū)域隨機(jī)取樣布點(diǎn)示意圖Fig.3 Sketch map of random sampling in segment region

2.3 分區(qū)域均勻取樣

在上述方法基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化，在污染嚴(yán)重的區(qū)域多布點(diǎn)，在污染輕微的區(qū)域少布點(diǎn)，布點(diǎn)均采用均勻取樣?？偛键c(diǎn)數(shù)量小于圖2和圖3。布點(diǎn)示意圖見圖4。

圖4 分域均勻布點(diǎn)示意圖Fig.4 Sketch map of uniform sampling in segment region

擬合得到的結(jié)果為103.36，與真值94.25相差9.6%。如進(jìn)一步優(yōu)化布點(diǎn)方案，擬合結(jié)果將更加接近真值。因此，最近鄰點(diǎn)插值法在優(yōu)化取樣布點(diǎn)的情況下，可以應(yīng)用于設(shè)施退役的源項(xiàng)估算工作。

3 應(yīng)用最近鄰點(diǎn)插值法進(jìn)行源項(xiàng)估算

3.1 取樣布點(diǎn)方案

綜合考慮該生產(chǎn)工藝布局情況及以往監(jiān)測數(shù)據(jù)，針對不同區(qū)域采取不同的取樣策略：在主工藝設(shè)備集中及汞泄漏集中的區(qū)域(汞庫、修泵間、零米大廳等位置)集中布點(diǎn)；同時為了確保布點(diǎn)的代表性，又能確定汞分布的實(shí)際邊界，對其他不含汞工藝設(shè)備的輔助區(qū)域及周邊(廠房外南側(cè)、西側(cè)及北側(cè))也進(jìn)行了適當(dāng)?shù)牟键c(diǎn)。在退役廠房及周邊6 000m2的區(qū)域共計布點(diǎn)60個，其中在廠房2 250 m2的核心區(qū)域布點(diǎn)31個，具體鉆孔分布情況見表2，布點(diǎn)情況見圖5。

表2 采樣點(diǎn)布設(shè)和樣品列表Tab.2 The distribution of sampling points and the sample information

圖中紅色取樣點(diǎn)為重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域圖5 取樣布點(diǎn)圖及退役設(shè)施功能區(qū)劃圖Fig.5 Sampling point distribution and factory region distribution

取樣采用巖土深層鉆孔分段取樣方式。每隔10cm取樣一個，同時做好標(biāo)記并記錄每個樣品的三維空間坐標(biāo)(以地面為零平面，以廠房西南角為空間原點(diǎn))。采樣施工過程中根據(jù)現(xiàn)場情況對布點(diǎn)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)娜∩?，最終實(shí)際施工66個(可用鉆孔60個)，總進(jìn)尺共計560m，共取出60組近4 600個符合要求的樣品。樣品含汞量使用冷原子吸收法(GB/T22105.1-2008)進(jìn)行檢測。

3.2 源項(xiàng)估算

以退役廠房西南墻角為坐標(biāo)原點(diǎn)，導(dǎo)入各樣品點(diǎn)三維坐標(biāo)及各樣品點(diǎn)的檢測數(shù)據(jù)，得到以實(shí)測數(shù)據(jù)構(gòu)成的數(shù)據(jù)“空間”：空間中每個樣品點(diǎn)的位置由三維坐標(biāo)確定，每個樣品點(diǎn)的“屬性”為實(shí)測數(shù)據(jù)。網(wǎng)格中有實(shí)際測量值的位置定義為“已知點(diǎn)”，無測量值的位置為“計算點(diǎn)”；通過插值，利用“已知點(diǎn)”的測量值得出“計算點(diǎn)”的濃度值，進(jìn)而得到整個擬合空間中每一點(diǎn)的濃度值[6]。在進(jìn)行汞污染物地下存量估算時，去除了本底對總量的貢獻(xiàn)[7]。

將地面到地下10m的深度區(qū)間共分為50層，20cm深度為一層；根據(jù)樣品檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行插值擬合得出單質(zhì)汞在每一層上的分布狀況，見圖6～圖11。

圖6 地面0m濃度擬合圖Fig.6 ground 0 m plane concentration fitting figure

圖7 2m深度面濃度擬合圖Fig.7 2 m depth plane concentration fitting figure

圖8 4m深度面濃度擬合圖Fig.8 4 m depth plane concentration fitting figure

圖9 6m深度面濃度擬合圖Fig.9 6 m depth plane concentration fitting figure

圖10 8m深度面濃度擬合圖Fig.10 8 m depth plane concentration fitting figure

圖11 10m深度面濃度擬合圖Fig.11 10 m depth plane concentration fitting figure

將連續(xù)5個深度為20cm的土層進(jìn)行疊加平均，可以得到1m深度土層的汞濃度等位分布圖(圖12～圖17)。圖12～圖17中分別將22.9mg/kg及33.8mg/kg作為等位邊界，22.9mg/kg及33.8mg/kg分別為基于保護(hù)人體健康的風(fēng)險控制值和基于保護(hù)地下水的風(fēng)險控制值[8-9]。

圖12 地下1～2m深度污染物分布擬合圖Fig.12 1～2 m depth underground plane fitting figure

圖13 地下3～4m深度污染物分布擬合圖Fig.13 3～4 m depth underground plane fitting figure

圖14 地下5～6m深度污染物分布擬合圖Fig.14 5～6 m depth underground plane fitting figure

圖15 地下7～8m深度污染物分布擬合圖Fig.15 7～8 m depth underground plane fitting figure

圖16 地下9～10m深度污染物分布擬合圖Fig.16 9～10 m depth underground plane fitting figure

圖17 地下1～10m深度污染物分布擬合圖Fig.17 1～10 m depth underground plane fitting figure

3.3 插值擬合結(jié)果

通過插值計算，得到了退役場地不同深度、不同位置的污染物濃度數(shù)據(jù)。進(jìn)而可以通過下式可以得到退役場地地下土壤中污染物的總量。

式中，M為污染物總量，g；

m為人為劃分的土壤總層數(shù)，i為土壤層數(shù)的變量；

n為某一深度土層土壤估算單元總數(shù)，j為每層土壤估算單元的變量；

gj為插值得到的某層某土壤估算單元的污染物含量，μg/g；

mj為某層某土壤估算單元的土壤質(zhì)量，g。

計算得到設(shè)施周邊及地下立體空間范圍內(nèi)污染物存留量同設(shè)施物料衡算結(jié)果相差不超過15%，且估算結(jié)果較衡算結(jié)果小，其原因可能是由于運(yùn)行資料的缺失以及對氣態(tài)污染物無組織排放的估算沒有切實(shí)的數(shù)據(jù)可供參考，造成衡算結(jié)果較大。

4 結(jié) 論

4.1 通過針對性的取樣布點(diǎn)優(yōu)化，最近鄰點(diǎn)插值法能夠較為準(zhǔn)確的給出地下含汞總量及污染土壤的總量，地下含汞總量計算值與物料衡算結(jié)果相近。

4.2 最近鄰點(diǎn)插值法能夠較為準(zhǔn)確地模擬每層地下污染物的分布情況，能夠直觀地給出污染分布的主要區(qū)域和邊界范圍。

4.3 本插值方法根據(jù)污染土壤風(fēng)險控制值給出了各個濃度范圍污染土壤的等位分布情況，能夠?qū)ν艘凼┕r給予一定的指導(dǎo)，以實(shí)施針對性的挖掘施工，能夠盡可能的控制污染土壤總量，切實(shí)貫徹廢物“最小化”原則。

4.4 最近鄰點(diǎn)插值法主要應(yīng)用于大范圍土壤深部污染的插值估算。對于核設(shè)施常見的放射性污染則需要針對核設(shè)施工藝特點(diǎn)、污染核素的遷移特性、污染深度、污染范圍進(jìn)行具體分析，以確定最近鄰點(diǎn)插值法的適用性。