西南某中低放废物处置场监测预警关键技术研究
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摘要
核能和核技术的开发利用给人类带来巨大经济效益和社会效益的同时，也像人类的其他生产、生活活动一样，产生了废物，这就是核废物。各种核废物的大量产生和堆积，已成为威胁人类生存，阻碍核事业发展的一大隐患。为了保证公众安全，必须及时对这些废物进行科学处置与存储。世界各国针对放射性废物管理开展了大量基础性研究工作，提出了包括地质处置在内的多种核废物处置方法，但仍然存在许多亟待研究并解决的问题。
本文在国家杰出青年科学基金项目（40125103）、“863”计划课题（2012AA063501）以及地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室项目（SKLGP2010Z002）的资助下，以我国西南某中低放废物处置场（以下简称处置场）为背景，通过现场工作，研究并揭示了该处置场潜在安全隐患，在此基础上开展了监测预警模型研究、监测预警技术研究以及物联网监测预警系统研制工作，突破了部分关键技术，取得了以下成果：
（1）通过对处置场位置交通、基础地质、水文地质、工程地质的调查研究，揭示了处置场潜在安全隐患。处置场所处区域环境地层单一，水文地质、工程地质条件较简单；地下水对处置场不会造成大的危害，但由于地表沟谷、河溪较发育，降雨充沛且集中，仍需加强降雨和地下水监测；处置场所处的区域工程地质环境条件较差，加之由于处置场建设需要，对部分山体进行了开挖，存在边坡地质灾害发生的可能性，需加强边坡灾害的监测预警研究。
（2）通过开展处置场灾害监测模型研究，建立了处置场边坡灾害监测模型、处置场局地降雨及地下水监测模型、核废物桶变形破裂监测模型和处置场环境辐射监测模型。研究并提出了关键影响因素与边坡稳定性关系式，建立了集局地降雨监测、地下水位监测、抗滑桩土压力监测、边坡地表位移监测、倾斜度监测、深部位移观测、锚杆预应力监测于一体的处置场边坡灾害监测模型；研究并总结了降雨影响边坡稳定性的三种途径，分析了地下水对处置场影响的两个方面；研究并建立了三种核废物桶变形破裂监测模型，即基于电阻应变传感的点式监测模型、基于光栅光纤传感的准分布式监测模型和分布式光纤传感模型；研究并建立了处置场环境辐射点-线-面监测网络模型。
（3）研究了处置场预警模式、预警指标和预警判据。提出了现场声光预警、远程短信息预警、网络预警、PDA预警四种模式；提出了处置场三类预警指标，即：将位移、倾斜度、降雨量、土壤温湿度、地下水位、土压力、锚杆预应力作为边坡地质灾害预警指标，将环境γ、气溶胶、地下水异常、降雨作为环境辐射监测的预警指标，将应变和温度作为核废物桶监测预警指标；以降雨、变形位移预警判据为例，研究了基于降雨-时间曲线、位移-时间曲线的统计预报模型。
（4）研究了处置场监测预警新技术新方法。建立了处置场监测预警物联网技术架构，研究了物联网架构的数据感知层、网络承载层和应用层；以降雨传感事件与位移传感事件为例，研究并建立了事件驱动灾害监测新方法；以地表裂缝位移传感节点为例，研究并建立了动态分级数据采集新方法。
（5）研究了处置场传感网、传输网、监测预警平台、现场节能供电技术，研制了物联网监测预警系统关键部件。研制了大小位移传感节点、倾斜角传感节点、雨量传感节点、地下水位传感节点、土壤温湿度传感节点、环境γ辐射剂量传感节点；研制了GPRS通信模块、短消息模块、ZigBee无线传感网络、手持式应急通讯终端等硬件设备，提出了北斗应急通信网络应用技术架构；从硬件建设、数据采集子系统、数据分析子系统、远程会商子系统四个方面入手，研究并建立了处置场监测预警平台架构；研制了CUT-X监测数据接收终端，开发了平台系统软件；建立了事件驱动理论下的现场节能供电模型，完成了以位移传感节点为代表的传感节点低功耗设计和基于MPPT算法的太阳能高效供电系统研制。
本文的主要创新点：
（1）首次在国内开展西南地区特殊条件下的中低放废物处置场监测预警技术研究，建立了核废物处置场监测预警概念模型，对我国核废物处置场的建设有一定的参考价值。
（2）首次开展物联网技术与核废物处置场监测预警技术交叉研究，建立了西南某中低放废物处置场监测预警物联网架构，可推广到其他核活动场所并提供借鉴作用。
（3）建立了基于事件驱动理论的灾害监测模型，提出了事件驱动理论下的动态分级数据采集方法以及现场节能供电方法，研制了一种新型边坡裂缝位移远程监测预警系统。
The developments and utilizations of nuclear energy and technology brings hugeeconomic and social benefits to mankind, at the same time, resulting in radioactivewaste such as other waste from human production and living activities. Theproduction and accumulation of an amount of nuclear waste has become a hiddenthreat to human survival and barriers to the development of the nuclear industry. Inorder to ensure the public safety, scientific disposal and storage of these wastes aretimely needed. A lot of basic research on radioactive waste management has beencarried out all over the world, including a variety of geological disposal, but somequsetions are still existed, which are going to be studied and handled.
This research is under the support of the China National Outstanding Youth andScience Fund Project (40125103),"863" Project (2012AA063501) as well as theProject from the State Key Laboratory of Geohazard Prevention and GeoenviromentProtection (SKLGP2010Z002). The author has selected one low and intermediate levelradioactive waste disposal site in southwest China as research background, and throughthe field work, studied and revealed the security threat of the disposal site. On thisbasis, the research on monitoring and warning model, monitoring and warningtechnology and monitoring and warning system-based on the Internet of Things (IoT)are carried out in this thesis. With some key technologies breaking, the researchachievements are as followings:
(1) The security threat of the selected radioactive waste disposal site is revealedthrough the survy and study on the location traffic, basic geology, hydrogeology, andengineering geology. Because of the single stratigraphic, the simple hydrogeology andengineering geology condition in the regional environment of the disposal sites,groundwater will not cause great harm to the disposal site. However, due to thedeveloped surface, ravines, rivers and the abundant and concentrated rainfalls, themonitoring of rainfall and ground water is needed to be strengthened; due to the poorregional engineering geological environment in the disposal sites and the need ofdisposal site construction, through excavating part of mountains, there is the possibility of slope geological disasters. The research on monitoring and warning ofslope disaster is needed to be strengthened.
（2）Through the research on the disposal disaster monitoring model, the modelof disposal site slope disaster monitoring, local rainfall and groundwater monitoring aswell as the nuclear waste barrel deformation&fracture monitoring and theenvironmental radiation monitoring are established. The relationship between the keyfactors and the slope stability is presented. The thesis has established a set of disposalsite slope disaster monitoring model including local rainfall, groundwater level,anti-slide pile and soil pressure, slope surface displacement, inclination, deepdisplacement observation, anchor prestressing monitoring. By studying, Three ways ofinfluence factors about the slope stability with rainfall are summarized, and twoaspects that groundwater impacts the nuclear waste disposal site are analyzed. Thethesis has studied and established three models of nuclear waste barrel deformationand fracture monitoring, which are point monitoring model based on resistance strainsense, quasi-distributed monitoring model based on grating fiber sense and the modelof distributed fiber sense. A disposal site environmental radiation point-line-surfacemonitoring network model is established.
（3）The thesis has studied and put forward the radioactive waste disposal sitewarning mode, the warning indicators and the warning criterions. Live sound and lightwarning, remote SMS warning, network warning, PDA warning are proposed. Thethesis proposed three types of warning indicators of disposal site, the slope geologicaldisaster warning indicators includes displacement, slope, rainfall, soil temperature andmoisture, groundwater level, soil pressure and anchor prestressing; the environmentradiation monitoring indicators includes environmental gamma, aerosols, groundwateranomaly and rainfall; the nuclear waste barrel fraction warning indicators includesstrain and temperature. Taking the warning criterion of rainfall and deformationdisplacement for an example, the thesis studies the statistical forecasting model basedon the rainfall-time curve and the displacement-time curve.
（4）A new method of radioactive waste disposal site monitoring and warningtechnology is studied and established. The thesis put forward an IoT structure aboutdisposal site monitoring and warning, studied the data-sense layer, network bearerlayer and application layer of the IoT architecture. Taking rainfall and displacementsensing events for an example, event-driven disaster monitoring methods has beenbuilt. Taking surface crack displacement sensor nodes for another example, aDynamic Hierarchical Data Acquisition (DHDA) model has been built.
（5）Sensor network, transmission network, monitoring and warning platform,energy-saving and power supply technologies are studied and the key components ofthe IoT monitoring and warning system are developed. The research developed thedisplacement sensor node, the inclination angle sensor node, rainfall sensor node,groundwater level sensor node, soil temperature and humidity sensor node, environmental gamma radiation sensor node, GPRS communication module, SMSmodule, ZigBee wireless sensor networks, handheld emergency communicationterminal and the emergency communications network architecture based on BeidouNavigation Satellite System. By studying the hardware destruction, data acquisitionsubsystem, data analysis subsystem, remote consultation subsystem, a nuclear wastedisposal site monitoring and warning platform architecture has been developed. Thethesis has developed CUT-X monitoring data receiving terminal and the systemsoftware, put forward an energy-saving and power supply model under the event-driventheory, completed sensor nodes low power design based on the displacement sensornode, and the solar efficient power supply system based on the MPPT algorithm.
The main innovations are as followings:
(1) The thesis has conducted the low and intermediate level radioactive wastedisposal site monitoring and warning research in southwest China for the first time inChina, and established a concept model of monitoring and warning in a southwestdisposal site. The result will be a valuable reference to the construction of wastedisposal sites.
(2) The thesis has carried out crossover study between the IoT and the nuclearwaste disposal site monitoring and warning, and the IoT architecture on southwestnuclear waste disposal site monitoring and warning is established.
(3) An event-driven disaster monitoring methods theoretical model has beenestablished. Based on the event-driven theory, DHDA model and energy-saving is putforward. Also a new type of slope crack displacement remote monitoring and warningsystem has been designed.
本文在国家杰出青年科学基金项目（40125103）、“863”计划课题（2012AA063501）以及地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室项目（SKLGP2010Z002）的资助下，以我国西南某中低放废物处置场（以下简称处置场）为背景，通过现场工作，研究并揭示了该处置场潜在安全隐患，在此基础上开展了监测预警模型研究、监测预警技术研究以及物联网监测预警系统研制工作，突破了部分关键技术，取得了以下成果：
（1）通过对处置场位置交通、基础地质、水文地质、工程地质的调查研究，揭示了处置场潜在安全隐患。处置场所处区域环境地层单一，水文地质、工程地质条件较简单；地下水对处置场不会造成大的危害，但由于地表沟谷、河溪较发育，降雨充沛且集中，仍需加强降雨和地下水监测；处置场所处的区域工程地质环境条件较差，加之由于处置场建设需要，对部分山体进行了开挖，存在边坡地质灾害发生的可能性，需加强边坡灾害的监测预警研究。
（2）通过开展处置场灾害监测模型研究，建立了处置场边坡灾害监测模型、处置场局地降雨及地下水监测模型、核废物桶变形破裂监测模型和处置场环境辐射监测模型。研究并提出了关键影响因素与边坡稳定性关系式，建立了集局地降雨监测、地下水位监测、抗滑桩土压力监测、边坡地表位移监测、倾斜度监测、深部位移观测、锚杆预应力监测于一体的处置场边坡灾害监测模型；研究并总结了降雨影响边坡稳定性的三种途径，分析了地下水对处置场影响的两个方面；研究并建立了三种核废物桶变形破裂监测模型，即基于电阻应变传感的点式监测模型、基于光栅光纤传感的准分布式监测模型和分布式光纤传感模型；研究并建立了处置场环境辐射点-线-面监测网络模型。
（3）研究了处置场预警模式、预警指标和预警判据。提出了现场声光预警、远程短信息预警、网络预警、PDA预警四种模式；提出了处置场三类预警指标，即：将位移、倾斜度、降雨量、土壤温湿度、地下水位、土压力、锚杆预应力作为边坡地质灾害预警指标，将环境γ、气溶胶、地下水异常、降雨作为环境辐射监测的预警指标，将应变和温度作为核废物桶监测预警指标；以降雨、变形位移预警判据为例，研究了基于降雨-时间曲线、位移-时间曲线的统计预报模型。
（4）研究了处置场监测预警新技术新方法。建立了处置场监测预警物联网技术架构，研究了物联网架构的数据感知层、网络承载层和应用层；以降雨传感事件与位移传感事件为例，研究并建立了事件驱动灾害监测新方法；以地表裂缝位移传感节点为例，研究并建立了动态分级数据采集新方法。
（5）研究了处置场传感网、传输网、监测预警平台、现场节能供电技术，研制了物联网监测预警系统关键部件。研制了大小位移传感节点、倾斜角传感节点、雨量传感节点、地下水位传感节点、土壤温湿度传感节点、环境γ辐射剂量传感节点；研制了GPRS通信模块、短消息模块、ZigBee无线传感网络、手持式应急通讯终端等硬件设备，提出了北斗应急通信网络应用技术架构；从硬件建设、数据采集子系统、数据分析子系统、远程会商子系统四个方面入手，研究并建立了处置场监测预警平台架构；研制了CUT-X监测数据接收终端，开发了平台系统软件；建立了事件驱动理论下的现场节能供电模型，完成了以位移传感节点为代表的传感节点低功耗设计和基于MPPT算法的太阳能高效供电系统研制。
本文的主要创新点：
（1）首次在国内开展西南地区特殊条件下的中低放废物处置场监测预警技术研究，建立了核废物处置场监测预警概念模型，对我国核废物处置场的建设有一定的参考价值。
（2）首次开展物联网技术与核废物处置场监测预警技术交叉研究，建立了西南某中低放废物处置场监测预警物联网架构，可推广到其他核活动场所并提供借鉴作用。
（3）建立了基于事件驱动理论的灾害监测模型，提出了事件驱动理论下的动态分级数据采集方法以及现场节能供电方法，研制了一种新型边坡裂缝位移远程监测预警系统。
The developments and utilizations of nuclear energy and technology brings hugeeconomic and social benefits to mankind, at the same time, resulting in radioactivewaste such as other waste from human production and living activities. Theproduction and accumulation of an amount of nuclear waste has become a hiddenthreat to human survival and barriers to the development of the nuclear industry. Inorder to ensure the public safety, scientific disposal and storage of these wastes aretimely needed. A lot of basic research on radioactive waste management has beencarried out all over the world, including a variety of geological disposal, but somequsetions are still existed, which are going to be studied and handled.
This research is under the support of the China National Outstanding Youth andScience Fund Project (40125103),"863" Project (2012AA063501) as well as theProject from the State Key Laboratory of Geohazard Prevention and GeoenviromentProtection (SKLGP2010Z002). The author has selected one low and intermediate levelradioactive waste disposal site in southwest China as research background, and throughthe field work, studied and revealed the security threat of the disposal site. On thisbasis, the research on monitoring and warning model, monitoring and warningtechnology and monitoring and warning system-based on the Internet of Things (IoT)are carried out in this thesis. With some key technologies breaking, the researchachievements are as followings:
(1) The security threat of the selected radioactive waste disposal site is revealedthrough the survy and study on the location traffic, basic geology, hydrogeology, andengineering geology. Because of the single stratigraphic, the simple hydrogeology andengineering geology condition in the regional environment of the disposal sites,groundwater will not cause great harm to the disposal site. However, due to thedeveloped surface, ravines, rivers and the abundant and concentrated rainfalls, themonitoring of rainfall and ground water is needed to be strengthened; due to the poorregional engineering geological environment in the disposal sites and the need ofdisposal site construction, through excavating part of mountains, there is the possibility of slope geological disasters. The research on monitoring and warning ofslope disaster is needed to be strengthened.
（2）Through the research on the disposal disaster monitoring model, the modelof disposal site slope disaster monitoring, local rainfall and groundwater monitoring aswell as the nuclear waste barrel deformation&fracture monitoring and theenvironmental radiation monitoring are established. The relationship between the keyfactors and the slope stability is presented. The thesis has established a set of disposalsite slope disaster monitoring model including local rainfall, groundwater level,anti-slide pile and soil pressure, slope surface displacement, inclination, deepdisplacement observation, anchor prestressing monitoring. By studying, Three ways ofinfluence factors about the slope stability with rainfall are summarized, and twoaspects that groundwater impacts the nuclear waste disposal site are analyzed. Thethesis has studied and established three models of nuclear waste barrel deformationand fracture monitoring, which are point monitoring model based on resistance strainsense, quasi-distributed monitoring model based on grating fiber sense and the modelof distributed fiber sense. A disposal site environmental radiation point-line-surfacemonitoring network model is established.
（3）The thesis has studied and put forward the radioactive waste disposal sitewarning mode, the warning indicators and the warning criterions. Live sound and lightwarning, remote SMS warning, network warning, PDA warning are proposed. Thethesis proposed three types of warning indicators of disposal site, the slope geologicaldisaster warning indicators includes displacement, slope, rainfall, soil temperature andmoisture, groundwater level, soil pressure and anchor prestressing; the environmentradiation monitoring indicators includes environmental gamma, aerosols, groundwateranomaly and rainfall; the nuclear waste barrel fraction warning indicators includesstrain and temperature. Taking the warning criterion of rainfall and deformationdisplacement for an example, the thesis studies the statistical forecasting model basedon the rainfall-time curve and the displacement-time curve.
（4）A new method of radioactive waste disposal site monitoring and warningtechnology is studied and established. The thesis put forward an IoT structure aboutdisposal site monitoring and warning, studied the data-sense layer, network bearerlayer and application layer of the IoT architecture. Taking rainfall and displacementsensing events for an example, event-driven disaster monitoring methods has beenbuilt. Taking surface crack displacement sensor nodes for another example, aDynamic Hierarchical Data Acquisition (DHDA) model has been built.
（5）Sensor network, transmission network, monitoring and warning platform,energy-saving and power supply technologies are studied and the key components ofthe IoT monitoring and warning system are developed. The research developed thedisplacement sensor node, the inclination angle sensor node, rainfall sensor node,groundwater level sensor node, soil temperature and humidity sensor node, environmental gamma radiation sensor node, GPRS communication module, SMSmodule, ZigBee wireless sensor networks, handheld emergency communicationterminal and the emergency communications network architecture based on BeidouNavigation Satellite System. By studying the hardware destruction, data acquisitionsubsystem, data analysis subsystem, remote consultation subsystem, a nuclear wastedisposal site monitoring and warning platform architecture has been developed. Thethesis has developed CUT-X monitoring data receiving terminal and the systemsoftware, put forward an energy-saving and power supply model under the event-driventheory, completed sensor nodes low power design based on the displacement sensornode, and the solar efficient power supply system based on the MPPT algorithm.
The main innovations are as followings:
(1) The thesis has conducted the low and intermediate level radioactive wastedisposal site monitoring and warning research in southwest China for the first time inChina, and established a concept model of monitoring and warning in a southwestdisposal site. The result will be a valuable reference to the construction of wastedisposal sites.
(2) The thesis has carried out crossover study between the IoT and the nuclearwaste disposal site monitoring and warning, and the IoT architecture on southwestnuclear waste disposal site monitoring and warning is established.
(3) An event-driven disaster monitoring methods theoretical model has beenestablished. Based on the event-driven theory, DHDA model and energy-saving is putforward. Also a new type of slope crack displacement remote monitoring and warningsystem has been designed.
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