基于熵權(quán)集對(duì)分析法的鈾礦冶設(shè)施區(qū)域輻射環(huán)境評(píng)價(jià)*

付勇明　楊亞新　鄭勇明　張　葉　董　沖

(1.放射性地質(zhì)與勘探技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室；2.東華理工大學(xué)核工程與地球物理學(xué)院；3.湖北省核工業(yè)地質(zhì)局放射性核素檢測(cè)中心)

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基于熵權(quán)集對(duì)分析法的鈾礦冶設(shè)施區(qū)域輻射環(huán)境評(píng)價(jià)*

付勇明1,2楊亞新1,2鄭勇明1,2張葉1,2董沖3

(1.放射性地質(zhì)與勘探技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室；2.東華理工大學(xué)核工程與地球物理學(xué)院；3.湖北省核工業(yè)地質(zhì)局放射性核素檢測(cè)中心)

摘要以某退役鈾礦冶設(shè)施區(qū)域輻射環(huán)境為研究對(duì)象，采用熵權(quán)法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，依次對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)域、評(píng)價(jià)指標(biāo)作集對(duì)分析。結(jié)果表明：主尾礦庫(kù)和居民區(qū)輻射環(huán)境屬優(yōu)秀，副尾礦庫(kù)輻射環(huán)境屬優(yōu)秀偏良好，水冶廠輻射環(huán)境屬良好偏優(yōu)秀，廢石堆輻射環(huán)境屬較好偏良好。上述評(píng)價(jià)結(jié)果表明：熵權(quán)集對(duì)分析法不僅能夠?qū)︹櫟V冶設(shè)施區(qū)域輻射環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行有效評(píng)價(jià)，而且對(duì)于鈾礦冶設(shè)施區(qū)域輻射環(huán)境治理和保護(hù)具有一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞熵權(quán)法集對(duì)分析法鈾礦冶設(shè)施輻射環(huán)境

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略重點(diǎn)的調(diào)整，核能日漸受到國(guó)家的高度重視，作為核能的原料地，鈾礦冶設(shè)施退役后的環(huán)境質(zhì)量備受關(guān)注，尤其是已退役和正在退役治理的鈾礦冶設(shè)施的輻射環(huán)境質(zhì)量[1]。目前，我國(guó)鈾礦冶設(shè)施退役治理后輻射環(huán)境的評(píng)價(jià)方法主要有單因素、單指標(biāo)的簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)法和多因素、多指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型綜合評(píng)價(jià)法，簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)法僅能反映局部輻射環(huán)境的影響，綜合評(píng)價(jià)無(wú)法有效分析輻射環(huán)境的變化趨勢(shì)[2]。采用集對(duì)分析法可對(duì)樣本進(jìn)行確定性和不確定性分析，通過(guò)計(jì)算其聯(lián)系度可定量評(píng)價(jià)退役鈾礦山的環(huán)境質(zhì)量，檢驗(yàn)其退役治理效果，并有效分析輻射環(huán)境的變化趨勢(shì)。

1集對(duì)分析模型構(gòu)建

1.1集對(duì)分析模型

集對(duì)分析(Set pair analysis,SPA)是我國(guó)學(xué)者趙克勤于1989年提出的一種處理不確定性系統(tǒng)的分析方法，其核心思想是將確定、不確定視為一個(gè)確定、不確定系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中將確定性分為“同一”與“對(duì)立”2個(gè)方面，將不確定性稱為“差異”，從同、異、反等3個(gè)方面分析事物及其系統(tǒng)[3]。同、異、反三者相互聯(lián)系、相互影響、相互制約，又在一定條件下相互轉(zhuǎn)化[4]。通過(guò)引入聯(lián)系度及其數(shù)學(xué)表達(dá)可統(tǒng)一描述各類不確定性，從而將不確定性的辯證認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)運(yùn)算。

在具體的問(wèn)題背景下，對(duì)集合A和集合B組成的集對(duì)特性進(jìn)行分析，共得到N個(gè)特性，其中S個(gè)特性為集對(duì)中的2個(gè)集合共有，該2個(gè)集合又在另外P個(gè)特性上相對(duì)立，在其余F個(gè)特性上關(guān)系不確定，則2個(gè)集合的聯(lián)系度為[5]

(1)

式中，S/N為集合A與集合B的同一度，記為a；F/N為差異度，記為b；P/N為對(duì)立度，記為c；i為差異標(biāo)記，i∈[-1, 1]；j為對(duì)立度系數(shù)，取-1，i和j也可僅起標(biāo)記作用；a+b+c=1，a,b,c∈[0,1]。

由于研究對(duì)象各異，將式(1)作不同層次展開(kāi)，得到多元聯(lián)系數(shù)的表達(dá)式。本研究采用五元聯(lián)系數(shù)，表達(dá)式為[6]

(2)

式中，b1、b2、b3為差異度分量，i1、i2、i3分別為偏同差異度系數(shù)、中差異度系數(shù)、偏反差異度系數(shù)，a+b1+b2+b3+c=1，a,b1,b2,b3,c∈[0,1]。

根據(jù)鈾礦冶設(shè)施區(qū)域輻射環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)的特性，可將其分為越小越優(yōu)型和越大越優(yōu)型，本研究采用越小越優(yōu)型評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.2熵值法確定權(quán)重系數(shù)

在信息論中，熵值反映了信息的無(wú)序程度，可度量信息量的大小，某項(xiàng)指標(biāo)攜帶的信息越多，表示該項(xiàng)指標(biāo)對(duì)決策的作用越大，此時(shí)熵值越小，即系統(tǒng)的無(wú)序度越小[7]。為此，可用信息熵評(píng)價(jià)所獲信息的有序度及效果，即由評(píng)價(jià)指標(biāo)值構(gòu)成的判斷矩陣確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。計(jì)算步驟：①假定有m個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象，每個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象有n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建判斷矩陣R；②將R進(jìn)行歸一化，得到歸一化判斷矩陣B；③根據(jù)傳統(tǒng)的熵概念定義各評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵；④計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)的熵權(quán)：W=[w1,w2,…，wt，…，wn]T(n為評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù))。

1.3模型建立

(3)

2應(yīng)用實(shí)例

以某退役鈾礦冶設(shè)施區(qū)域輻射環(huán)境為例，根據(jù)該鈾礦的實(shí)際分布情況，對(duì)該鈾礦冶設(shè)施的主尾礦庫(kù)、副尾礦庫(kù)、水冶廠、廢石堆及附近居民區(qū)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)內(nèi)容有：地表貫穿輻射劑量率(480個(gè))、空氣環(huán)境中氡及其子體濃度、222Rn析出率；地表水環(huán)境中天然放射性核素U、226Ra含量以及重金屬含量；淺層地下水環(huán)境中的總α、總β放射性；土壤中U、226Ra比活度水平。將鈾礦冶設(shè)施區(qū)域輻射環(huán)境的質(zhì)量等級(jí)分為“優(yōu)秀”、“良好”、“較好”、“合格”、“不合格”5個(gè)等級(jí)(表1)。

表1　鈾礦冶設(shè)施環(huán)境質(zhì)量等級(jí)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)該鈾礦冶設(shè)施及周邊地區(qū)展開(kāi)環(huán)境實(shí)地調(diào)查，對(duì)采集的樣品進(jìn)行檢測(cè)分析，結(jié)果見(jiàn)表2(取均值進(jìn)行處理)。將環(huán)境質(zhì)量等級(jí)分級(jí)的5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)作為集對(duì)分析聯(lián)系度中的同一度、差異度、對(duì)立度的取值依據(jù)，根據(jù)式(2)對(duì)5個(gè)評(píng)價(jià)區(qū)域作集對(duì)分析，其聯(lián)系度系數(shù)見(jiàn)表3。由表3可知：環(huán)境質(zhì)量由優(yōu)至劣依次為居民區(qū)、主尾礦庫(kù)、副尾礦庫(kù)、水冶廠、廢石堆，且居民區(qū)、主尾礦庫(kù)和副尾礦庫(kù)的環(huán)境質(zhì)量等級(jí)為優(yōu)秀。各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。對(duì)15個(gè)權(quán)重評(píng)價(jià)指標(biāo)作集對(duì)分析，各區(qū)域最終集對(duì)分析聯(lián)系度系數(shù)見(jiàn)表5。

由表5可知：主尾礦庫(kù)、副尾礦庫(kù)和居民區(qū)環(huán)境質(zhì)量屬優(yōu)秀，水冶廠環(huán)境質(zhì)量屬良好，廢石堆環(huán)境質(zhì)量屬較好。3個(gè)優(yōu)秀區(qū)域的環(huán)境質(zhì)量?jī)?yōu)劣度排序?yàn)榫用駞^(qū)>主尾礦庫(kù)>副尾礦庫(kù)，其中居民區(qū)和主尾礦庫(kù)環(huán)境質(zhì)量明顯優(yōu)于其他區(qū)域。副尾礦庫(kù)環(huán)境質(zhì)量雖屬優(yōu)秀，但其大氣中222Rn濃度子體和土壤中222Rn 濃度偏高，聯(lián)系度系數(shù)b1(0.382 7)非常接近a(0.392 4)，環(huán)境質(zhì)量等級(jí)為優(yōu)秀偏良好，環(huán)境質(zhì)量具有下降的趨勢(shì)，需應(yīng)引起關(guān)注。水冶廠環(huán)境質(zhì)量等級(jí)為良好偏優(yōu)秀，由于大氣中γ劑量率和222Rn濃度偏高，在現(xiàn)有修復(fù)措施的基礎(chǔ)上保持并進(jìn)一步提高要求。廢石堆環(huán)境質(zhì)量最差，由于地表水和土壤中的222Rn濃度偏高，其聯(lián)系度系數(shù)b1和b2較接近，環(huán)境質(zhì)量等級(jí)具有從較好向良好發(fā)展的趨勢(shì)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注222Rn濃度的影響，加大填埋厚度，減弱其對(duì)環(huán)境的危害。

表2　鈾礦區(qū)大氣環(huán)境調(diào)查結(jié)果

表3　評(píng)價(jià)區(qū)域集對(duì)分析聯(lián)系度系數(shù)

表4　評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

表5　區(qū)域集對(duì)分析聯(lián)系度系數(shù)

采用熵權(quán)集對(duì)分析法(方法1)、熵權(quán)模糊綜合評(píng)價(jià)法(方法2)和層次分析-熵權(quán)法組合模糊綜合評(píng)價(jià)法(方法3)分別對(duì)該鈾礦冶設(shè)施區(qū)域輻射環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表6。

由表6可知：熵權(quán)集對(duì)分析法與熵權(quán)模糊綜合評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)結(jié)果一致，熵權(quán)集對(duì)分析法與層次分析-熵權(quán)法組合模糊綜合評(píng)價(jià)法在評(píng)價(jià)等級(jí)上存在差異，但前者評(píng)價(jià)的環(huán)境質(zhì)量等級(jí)變化趨勢(shì)與后者基本吻合。

表6　評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

3結(jié)語(yǔ)

以某退役鈾礦冶設(shè)施區(qū)域輻射環(huán)境為例，將熵權(quán)法與集對(duì)分析法相結(jié)合，構(gòu)建了環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)模型，取得了較好的效果，對(duì)于開(kāi)展鈾礦冶設(shè)施區(qū)域輻射環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)有一定的借鑒價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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(收稿日期2015-06-05)

*國(guó)家國(guó)防科工局(科工二司)三廢退役治理項(xiàng)目(編號(hào)：[2011]1081號(hào))；江西省青年科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：20132BAB213023)；放射性地質(zhì)與勘探技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(編號(hào)：REGT1209)。

付勇明(1990—)，男，碩士研究生，330013 江西省南昌市國(guó)家經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)廣蘭大道418號(hào)。