建筑混凝土氡污染含量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法

凌 飛

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程學(xué)院, 陜西咸陽(yáng)712000）

上世紀(jì)90年代，建筑行業(yè)就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)混凝土中可能釋放部分氡元素（222Rn）對(duì)建筑內(nèi)空間造成放射污染。其放射原理是氡元素在3.8235天半衰期內(nèi)，衰變釋放部分放射性釙元素（218Po和214Po）、放射性鉛元素214Pb、放射性鉍元素214Bi，這些衰變產(chǎn)物會(huì)在進(jìn)一步短周期衰變中釋放出α、β粒子，對(duì)生物大分子如DNA、RNA等產(chǎn)生破壞作用。且這些次生放射元素會(huì)以放射塵（主要為PM2.5）的方式進(jìn)入人體血液循環(huán)，對(duì)人體產(chǎn)生急性危害或長(zhǎng)期危害[1]。

進(jìn)入90年代，我國(guó)有關(guān)部門先后頒布《環(huán)境空氣中氡的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法（GB/T 14582-93）》、《民用建筑工程室內(nèi)環(huán)境污染控制規(guī)范（GB 50325-2001）》等，基本確定徑跡蝕刻法、活性炭盒法、雙濾膜法、氣球法等標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法。但這些方法有共同特征，即均需要較長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)室操作時(shí)間，無(wú)法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。特別是徑跡蝕刻法的實(shí)驗(yàn)室操作時(shí)間達(dá)到了30d[2]。

當(dāng)前技術(shù)條件下，受到智慧家居等技術(shù)需求的驅(qū)動(dòng)，開(kāi)發(fā)一種針對(duì)氡元素（222Rn）的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法，成為當(dāng)前市場(chǎng)條件下的核心需求[3]。但是，因?yàn)榫幼】臻g中的放射性污染較輕，采用普通的放射粒子計(jì)數(shù)器可能因?yàn)樽钚×砍虇?wèn)題無(wú)法有效計(jì)數(shù)，所以采用持續(xù)氣相法配合物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)系統(tǒng)構(gòu)建動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是本文的核心創(chuàng)新點(diǎn)。

1 監(jiān)測(cè)方案的理論基礎(chǔ)

1.1 基于氣相色譜法的測(cè)量設(shè)備

上世紀(jì)70年代出現(xiàn)的氣相色譜監(jiān)測(cè)技術(shù)，在數(shù)十年的發(fā)展期內(nèi)，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)性。當(dāng)前的氣相色譜設(shè)備，包含諸多功能模塊，如電子俘獲檢測(cè)器（ECD）、電加熱氣相光源（NPD）、窗式光電離檢測(cè)器（PID）且在監(jiān)測(cè)環(huán)境控制中，穩(wěn)定直流波形整流、恒熱控制、脈沖調(diào)制等技術(shù)也被應(yīng)用到氣相色譜監(jiān)測(cè)技術(shù)中[4]。如果在動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的過(guò)程中不對(duì)氣相色譜監(jiān)測(cè)裝置本身進(jìn)行升級(jí)優(yōu)化，僅考慮對(duì)其實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘分析，獲得因?yàn)殡痹匚廴井a(chǎn)生的數(shù)據(jù)信號(hào)，則該方案存在以下難點(diǎn)：

（1）數(shù)據(jù)信噪比較低

氣相色譜設(shè)備會(huì)采集氣體中的所有元素的含量數(shù)據(jù)，特別是N、O、C、H等大含量元素的特征線非常顯著，可能掩蓋本文研究中需要捕捉的Rn、Bi、Po、Pb等微量元素的特征線[5]。所以在數(shù)據(jù)分析中，需要對(duì)大含量元素的特征線進(jìn)行有效數(shù)據(jù)屏蔽，從而考察微量元素的含量。

（2）數(shù)據(jù)持續(xù)性不高

因?yàn)槲廴究臻g的氣體構(gòu)成中，大部分次生污染物均以懸浮顆粒的方式賦存，氡元素以稀有氣體的方式賦存，每cm3的污染粒子級(jí)別，一般在100～102左右，所以色譜儀并非每個(gè)測(cè)量脈沖均可獲得污染物的特征線。所以，需要進(jìn)行多個(gè)脈沖的數(shù)據(jù)疊加獲得持續(xù)性結(jié)果[6]。

（3）數(shù)據(jù)完備性不佳

工程實(shí)現(xiàn)方面，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不可能實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)房間所有氣體的過(guò)濾式檢測(cè)，僅可憑借少量采樣氣體進(jìn)行基于測(cè)量脈沖的數(shù)據(jù)采集。所以，如果大氣中的污染物分布均度不佳，那么監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較難實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的完備性[7]。

1.2 數(shù)據(jù)疊加方案

氣相色譜裝置獲得的數(shù)據(jù)，是一列覆蓋紅外-可見(jiàn)光-紫外波譜的特征曲線數(shù)據(jù)，可看做一維數(shù)列B(γ) ，設(shè)定脈沖周期為100ms，即恒溫恒流環(huán)境下每秒發(fā)射10次檢測(cè)脈沖，累加N次檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，可以得到公式（1）：

式（1）中：Bi(γ)為第i次檢測(cè)脈沖中獲得的檢測(cè)結(jié)果數(shù)列；N為累加的檢測(cè)次數(shù)；BΣ(γ)為累加后的數(shù)據(jù)；e為自然常數(shù)，此處取其近似值2.718281828。

在對(duì)上述Rn、Bi、Po、Pb等微量元素的特征線進(jìn)行分析的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)其特征線有以下特征，見(jiàn)表1。

表1 被測(cè)元素特征線分布情況表Table 1 Distribution of characteristic lines of measured elements

表1中，Po元素的理論特征線包括205.048、245.011、248.397、249.056、253.495、255.733、255.801、256.231、258.763、266.333、276.191、280.024、291.931、295.890、300.321 nm。因?yàn)閲?guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)中缺少對(duì)Po的色譜研究文獻(xiàn)，可推測(cè)當(dāng)前色譜研究中對(duì)Po元素的應(yīng)用較少[8]。同時(shí)，相關(guān)文獻(xiàn)中針對(duì)Rn元素的色譜特征僅包含178.552nm波長(zhǎng)，但有相關(guān)研究表明該特征線可以充分反映Rn元素的信息?？梢猿浞掷肂i、Pb等光譜研究較為充分的元素進(jìn)行氡污染捕捉。

干擾元素中，其特征線的分布特征見(jiàn)表2。

表2 干擾元素特征線分布情況表Table 2 Distribution of characteristic lines of interference elements

表2中，針對(duì)N元素的色譜特征的研究較少，雖然相關(guān)研究證實(shí)N元素的理論特征線達(dá)到136條，但尚無(wú)對(duì)其進(jìn)行工程學(xué)層面的色譜研究先例。而O元素和H元素的首選特征線波長(zhǎng)較長(zhǎng)，C元素193.030nm特征線對(duì)本研究的干擾最大。而空氣中的CO2含量較高，常規(guī)含量達(dá)到了400ppm，所以，需要采用比較氣樣法對(duì)CO2進(jìn)行有效排除。其排除方案如公式（2）：

式（2）中：B'(γ)為 第i個(gè)脈沖的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；BO(γ)為比較氣樣的測(cè)試數(shù)據(jù)。

因?yàn)榇髿饣A(chǔ)成分基本保持不變，所以無(wú)需每脈沖獲取大氣基礎(chǔ)成分的氣樣色譜數(shù)據(jù)，而是對(duì)室外氣體進(jìn)行測(cè)量后，可供1～2天的持續(xù)觀測(cè)比較。

2 監(jiān)測(cè)算法設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)移動(dòng)窗口的設(shè)定

設(shè)定脈沖周期為100ms，即恒溫恒流環(huán)境下每秒發(fā)射10次檢測(cè)脈沖，累加N次檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，即通過(guò)調(diào)整N值的設(shè)定，對(duì)氡污染的檢測(cè)敏感性進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終獲得最佳的數(shù)據(jù)移動(dòng)窗口。測(cè)試過(guò)程在實(shí)驗(yàn)室仿真密閉空間內(nèi)進(jìn)行，空間尺寸為1000×1000×1000 mm，采用整體吹制玻璃密閉容器進(jìn)行空間隔離，其中人工創(chuàng)造氡氣含量5、10、20 ppm環(huán)境，其測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同窗口設(shè)定條件下的監(jiān)測(cè)結(jié)果Table 3 Monitoring results under different window settings

表3中，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)移動(dòng)窗口N值定在200時(shí)，可以獲得較高的檢出率，其中5ppm環(huán)境的檢出均值為4.893ppm，敏感性97.86%，10ppm環(huán)境下的敏感性為98.93%，20ppm環(huán)境下的敏感性為99.47%。分析上述敏感性分布情況，可以得到圖1中的可視化結(jié)果。

圖1 測(cè)量敏感度分析比較圖Fig. 1 Comparison of measurement sensitivity analysis

圖1中，針對(duì)3個(gè)不同含量的Rn環(huán)境，在N設(shè)定為200時(shí)，敏感性均可達(dá)到95%以上，而使用其他N值，低濃度環(huán)境的敏感度較低。其根本原因在于，當(dāng)N值過(guò)小時(shí)，系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)連續(xù)性，而當(dāng)N值過(guò)大時(shí)，數(shù)據(jù)之間的干擾作用增加。

2.2 算法架構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合前文分析結(jié)果，該算法的整體操作數(shù)來(lái)自氣相色譜儀的檢測(cè)數(shù)列 ，該數(shù)列是氣相色譜設(shè)備經(jīng)過(guò)光柵數(shù)據(jù)讀取后進(jìn)行內(nèi)部變換產(chǎn)生的結(jié)果數(shù)列，因?yàn)楸疚难芯课磳?duì)該算法架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改變，所以該變換過(guò)程受到篇幅限制不再贅述。而該算法的核心創(chuàng)新點(diǎn)在于讀取比較氣樣和室內(nèi)氣樣的氣相色譜設(shè)備檢測(cè)數(shù)列 后進(jìn)行的數(shù)據(jù)整理和數(shù)據(jù)分析。其算法架構(gòu)的數(shù)據(jù)流圖如圖2所示。

圖2 該算法的數(shù)據(jù)流圖Fig. 2 Data flow diagram of the algorithm

圖2中，比較數(shù)列和單次數(shù)列的獲取過(guò)程由氣相色譜設(shè)備內(nèi)置算法實(shí)現(xiàn)，該算法讀取數(shù)據(jù)后，進(jìn)行差值計(jì)算（公式（2））和疊加計(jì)算（公式（1））獲得一個(gè)高信噪比的特征譜線數(shù)據(jù)，該特征譜線數(shù)據(jù)已經(jīng)屏蔽了大部分干擾氣體的吸收譜線，但為了放大數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)，可以對(duì)其進(jìn)行一次放大處理。該放大處理算法包括以下2步：

(1)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行基于minmax算法的投影放大

因?yàn)榻ㄖ臻g中的氡含量一般小于5ppm，且其達(dá)到5ppm時(shí)已經(jīng)嚴(yán)重影響環(huán)境內(nèi)的人員健康。而且，因?yàn)樵撍惴ㄒ呀?jīng)屏蔽了容易對(duì)分析結(jié)果帶來(lái)干擾的C等元素的色譜數(shù)據(jù)，所以，將數(shù)據(jù)針對(duì)[0,1]空間進(jìn)行重投影，如公式（3）：

式(3)中：Bi為數(shù)據(jù)窗口N中的第i個(gè)數(shù)據(jù)；Fi為第i個(gè)輸入數(shù)據(jù)整理后的輸出數(shù)據(jù)；minN、maxN分別為數(shù)據(jù)窗口N中的最小數(shù)據(jù)和最大數(shù)據(jù)；N為數(shù)據(jù)窗口規(guī)模，根據(jù)前文分析，N值取值為N=200。

（2）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行反置對(duì)數(shù)放大

經(jīng)過(guò)上述minmax算法，數(shù)據(jù)仍存在一定不足，即該數(shù)據(jù)的特征數(shù)據(jù)在0值附近，但無(wú)意義數(shù)據(jù)在1值附近，并不符合常規(guī)的數(shù)據(jù)觀察習(xí)慣。所以，應(yīng)將數(shù)據(jù)進(jìn)行反置后，進(jìn)一步將數(shù)據(jù)特征進(jìn)行非線性放大。如公式（4）：

式（4）中：Fi為minmax投影整理中第i個(gè)輸入數(shù)據(jù)整理后的輸出數(shù)據(jù)；F'i為經(jīng)過(guò)該步整理后的第i個(gè)輸出數(shù)據(jù)；e為自然常數(shù)，此處取其近似值2.718281828。

經(jīng)過(guò)此步計(jì)算，無(wú)意義數(shù)據(jù)被整理到0值附近，而特征數(shù)據(jù)被log函數(shù)充分放大。

3 該監(jiān)測(cè)方法的實(shí)際效果測(cè)試

3.1 數(shù)據(jù)治理效果

因?yàn)樵摂?shù)據(jù)治理過(guò)程的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義是將極低信噪比數(shù)據(jù)中的有效信號(hào)進(jìn)行充分放大，從眾多大含量元素的色譜信號(hào)中獲取微量放射性元素的信號(hào)，所以，在實(shí)際效果測(cè)試中，首先對(duì)一次檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)治理效果測(cè)試。測(cè)試結(jié)果詳見(jiàn)圖3。

圖3 數(shù)據(jù)治理效果分析結(jié)果圖Fig. 3 Analysis results of data governance effect

圖3中，（a）圖為改組數(shù)據(jù)中的累加數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)中193nm附近的C干擾數(shù)據(jù)較為顯著，本文分析關(guān)心的178.552、223.061、220.353 nm三條譜線在數(shù)據(jù)中并無(wú)顯著表達(dá)。（b）圖為（a）圖數(shù)據(jù)減去對(duì)比氣樣數(shù)據(jù)后的結(jié)果，可以看到，該數(shù)據(jù)階段中，大量的干擾數(shù)據(jù)被排除，但相關(guān)數(shù)據(jù)的表現(xiàn)仍然不明顯。（c）圖為經(jīng)過(guò)minmax重新投影后的數(shù)據(jù)，此時(shí)，雖然在217nm處仍然有較強(qiáng)的干擾數(shù)據(jù)，但178、220、223 nm處的譜線已經(jīng)初步顯現(xiàn)。（d）圖為最終分析結(jié)果，此時(shí)，雖然仍有部分干擾譜線，但本文研究所需的Rn元素、Bi元素、Pb元素的譜線已經(jīng)得到充分表達(dá)。

3.2 氣相色譜法檢測(cè)與常規(guī)檢測(cè)的效果比較

使用徑跡蝕刻法、活性炭盒法、氣相色譜法分別對(duì)同一組實(shí)驗(yàn)室氣樣進(jìn)行檢測(cè)，因?yàn)閺桔E蝕刻法和活性炭盒法的檢測(cè)周期均較長(zhǎng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)氣樣的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但可以對(duì)比該兩種成熟方法的敏感度和特異度分析該研究改進(jìn)的氣相色譜法測(cè)量結(jié)果以對(duì)其可行性做出評(píng)估[9]。比較結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 氣相色譜法檢測(cè)與常規(guī)檢測(cè)的效果比較結(jié)果Table 4 Comparison results of gas chromatography and conventional detection

表4中，三種方法對(duì)Po的檢出能力均較弱，其中徑跡蝕刻法達(dá)到83.572%的Po檢測(cè)敏感度，而氣相色譜方法對(duì)Po的檢測(cè)敏感度較低，僅為24.068%，遠(yuǎn)低于前兩者。但仍可以看出該研究改進(jìn)的氣相色譜法擁有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）檢測(cè)周期短

氣相色譜法的監(jiān)測(cè)窗口累積時(shí)間為20s（N=200），檢測(cè)過(guò)程與窗口累積過(guò)程可以重疊管理，最終數(shù)據(jù)輸出時(shí)間約2～3 s，故其理論檢測(cè)周期約為22～23 s，最大檢測(cè)周期小于30s。因?yàn)檩^短的檢測(cè)周期，氣相色譜法完全可以支持對(duì)室內(nèi)空間氡污染的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源功能需求[10]。

（2）敏感度和特異度較高

氣相色譜法在對(duì)氡污染中涉及到的Rn、Bi、Pb三種元素的檢測(cè)敏感度均高于2d檢測(cè)周期的活性炭盒法，略低于30d檢測(cè)周期的徑跡蝕刻法。且根據(jù)Rn衰變規(guī)律，其對(duì)Po的檢測(cè)敏感度雖低，但仍可采用曲線估計(jì)法對(duì)該檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行估計(jì)評(píng)價(jià)。其檢測(cè)特異度也高于活性炭盒法，略低于徑跡蝕刻法。所以，實(shí)際室內(nèi)大氣監(jiān)測(cè)工作中，氣相色譜法可以充分替代活性炭盒法，得到近似于徑跡蝕刻法的特異度檢測(cè)結(jié)果，且此結(jié)果為實(shí)時(shí)結(jié)果。

4 總結(jié)

提升氣相色譜法特異度的方法，是識(shí)圖過(guò)程中考察更多標(biāo)志譜線，本文計(jì)算中，采用單標(biāo)志譜線的元素評(píng)價(jià)方法，同時(shí)考察3條以上的譜線，可以獲得更高的檢測(cè)特異度。提升其敏感度的方法，是對(duì)上述數(shù)據(jù)治理方案進(jìn)一步升級(jí)。即使用未加硬件改動(dòng)的氣相色譜設(shè)備對(duì)室內(nèi)空氣進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)，也可以得到較高特異度和敏感度的氡污染實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果。