Способ уменьшения погрешности определения истинных параметров распределения радиационных параметров в процессе радиоэкологического мониторинга

 

Предлагаемое изобретение относится к области охраны окружающей среды, в частности к радиоэкологическому мониторингу при оценке радиационной обстановки в регионе. Заявлен способ, включающий пробоотбор атмосферного воздуха, почв, техногенного грунта, поверхностных, грунтовых и подземных вод, атмосферных осадков, сухих выпадений, снегового покрова, донных отложений и растительности. В способе осуществляют пробоподготовку отобранных проб, определение количественных и качественных значений радиационных параметров, обработку их путем выявления количества проб со значениями менее и более минимального регистрируемого порога. Записывают результат измерений в аналитическую базу данных. По пробам со значениями более минимального регистрируемого порога рассчитывают промежуточные среднее, среднее квадратическое отклонение и коэффициент вариации. Для уменьшения погрешности определения истинных параметров распределения радиационных параметров определяют восстановленные значения среднего, среднего квадратического отклонения и коэффициента вариации по формулам. По полученным восстановленным значениям среднего и среднего квадратического отклонения проводят оценку радиационной обстановки исследуемого региона. Технический результат - повышение достоверности оценки радиоэкологической обстановки в регионе, а также сокращение суммарного времени работы измерительной аппаратуры. 2 табл.

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, в частности к радиоэкологическому мониторингу при оценке радиационной обстановки в регионе. Заявляемый способ наиболее эффективен в условиях, когда измерения радиационных параметров проводят на грани чувствительности аппаратуры.

Известен способ радиоэкологического мониторинга с использованием радиоэкологической информационно-аналитической системы, состоящей из банка данных, автоматизированных рабочих мест и геоинформационной системы, с помощью которой оценивают радиационную обстановку путем отображения уровней загрязнения радионуклидами района обследования /1/. Производят отбор данных мониторинга и осуществляют простейшую их обработку путем нахождения среднего по выборке. Существенным недостатком является то, что неизвестно, каким образом находить среднее и производить оценку радиационной обстановки в условиях, когда измерения ведутся на грани чувствительности аппаратуры и часть данных переходит в разряд качественных.

В работе /2/ описан способ статистической обработки данных в системе измерений радиоэкологического мониторинга на основе цензурированных выборок, когда часть информации является качественной. Приведены формулы для пересчета средних и дисперсий в предположении, что измерения подчиняются нормальному закону распределения. Однако реальные измерения радиационных параметров не могут принимать отрицательных значений, что неизбежно при аппроксимации данных нормальным законом с большим средне-квадратическим отклонением.

Наиболее близким к предлагаемому является способ радиоэкологического мониторинга (РЭМ) промышленного региона, включающий пробоотбор атмосферного воздуха, почв, техногенного грунта, поверхностных, грунтовых и подземных вод, атмосферных осадков, сухих выпадений, снегового покрова, донных отложений и растительности, затем пробоподготовку отобранных проб путем полного разложения проб высокочастотным нагревом, подготовленные пробы отправляют на малофоновую установку для оценки альфа- и бета-активности, при превышении в пробе альфа и/или бета-активности в два раза по отношению к среднему значению удельной активности на пробу направляют на дополнительные анализы на альфа- и/или гамма-спектрометры, при этом определяют количественные и качественные содержания радионуклидов, а также определяют содержание трития, углерода-14 и никеля-63 на низкоэнергетическом жидкосцинтилляционном анализаторе, записывают результаты измерения в аналитическую базу данных, размещенную на файл-сервере информационно-аналитической системы, в которой в качестве базового набора инструментальных средств разработки этой системы выбран пакет MS Office, в который составной частью входит MS Access, по результатам обработки проводят оценку радиоэкологической обстановки региона на основе геоинформационной системы путем построения электронных карт полей распределения радиационных характеристик и выявления зон с повышенным содержанием радионуклидов, определяя состояние радиационной обстановки на территории промышленного региона /3/.

Недостатком известного способа является то, что при проведении РЭМ приходится сталкиваться с ситуацией, когда количественные измерения исследуемого параметра находятся за пределами чувствительности аппаратуры (<МПР - менее минимального порога регистрации), а это означает, что часть информации является не количественной, а качественной. Это затрудняет, а зачастую делает невозможным всесторонний анализ экспериментальных данных, в частности надежное определение средних и средних квадратических отклонений, что приводит к недостоверной оценке радиоэкологической обстановки региона. Чтобы перевести информацию в разряд количественной, увеличивают длительность экспозиции пробы при ее анализе или анализ пробы проводят на более чувствительной аппаратуре.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение достоверности оценки радиоэкологической обстановки в регионе, а также сокращение суммарного времени работы измерительной аппаратуры.

Для достижения указанного технического результата предлагается способ, включающий пробоотбор атмосферного воздуха, почв, техногенного грунта, поверхностных, грунтовых и подземных вод, атмосферных осадков, сухих выпадений, снегового покрова, донных отложений и растительности, пробоподготовку отобранных проб, определение количественных и качественных значений радиационных параметров, обработку их путем выявления количества проб со значениями менее и более минимального регистрируемого порога, запись результатов измерений в аналитическую базу данных, причем по пробам со значениями более минимального регистрируемого порога рассчитывают промежуточные среднее, среднее квадратическое отклонение и коэффициент вариации, а затем для уменьшения погрешности определения истинных параметров распределения радиационных параметров, определяют восстановленные значения среднего, среднего квадратического отклонения и коэффициента вариации по формулам

где mо_n, sig_n, η _n - промежуточные значения среднего, среднего квадратического отклонения и коэффициента вариации (sig_n/mo_n ), mo_v, sig_v, η _v - восстановленные значения среднего, среднего квадратического отклонения и коэффициента вариации; х=n·100/N, n - число проб со значениями менее минимального порога регистрации; N - общее число проб в анализируемой выборке; а=0,000092η ²_v-0,0002ην+0,000076; b=(-0,00001N-0,0084)η ²_v+(0,00002N+0,0194)η _v-0,0105; с=(0,0003N-0,211)η ²_v+(-0,0007N+0,3148)η _v+(-0,000002N²+0,0006N+0,8662); после чего по полученным восстановленным значениям среднего и среднего квадратического отклонения проводят оценку радиационной обстановки исследуемого региона.

Существо способа заключается в следующем. При проведении РЭМ производят отбор проб атмосферного воздуха, почв, техногенного грунта, поверхностных, грунтовых и подземных вод, атмосферных осадков, сухих выпадений, снегового покрова, донных отложений и растительности. Подготовка отобранных проб для дальнейшего анализа происходит в лабораториях пробоподготовки по существующим методикам.

Подготовленные пробы анализируют на содержание Σα, Σβ, естественных радионуклидов (²³⁸U, ²³²Th и др.), техногенных радионуклидов (¹³⁴Cs, ¹³⁷ Cs, ⁹⁰Sr, ²²⁶Ra и др.), определяя количественные или качественные значения радиационных параметров.

Запись результатов измерений в аналитическую базу данных осуществляют на файл-сервере информационной аналитической системы.

Данные измерений, хранящиеся в таблицах файл-сервера, извлекаются из базы с помощью запросов.

Определяют число измерений n со значениями параметров "<МПР".

Обычно, когда исследователь имеет выборку с какой-то долей не количественных, а качественных данных, такие данные или отбрасывают, уменьшая выборку, или заменяют конкретной величиной. Замену качественных данных количественными проводят, принимая эту величину или за нуль, или за минимальный предел регистрации используемой аппаратуры, или берут величину 0,7-0,8 от этого предела.

При любом из таких подходов параметры истинного распределения определяются с ошибкой.

Для устранения этой ошибки осуществляют восстановление истинных параметров распределения из N измерений при известном числе n членов ряда, маркированных "<МПР", а также средних mо_n и средних квадратических отклонений sig _n, определенных по достоверным измерениям, составляющим (N-n) членов исследуемой выборки.

Данные, определенные как "<МПР" и достоверные значения анализируемой выборки принадлежат одной генеральной совокупности.

Моделируют равномерно возрастающий ряд вероятностей от 0,0001 до 0,9999, которые используют при моделировании упорядоченных по возрастанию статистических рядов, распределенных по нормальному закону. Для моделирования используют функцию NORMINV (НОРМОБР), входящую в стандартный набор функций пакета Excel, являющегося составной частью пакета Microsoft Office. Средние mо всех рядов равны 1. Коэффициент вариации (η _m) - отношение среднего квадратического отклонения sig к среднему mо моделируемых рядов варьируют в пределах, определенных из анализа экспериментальных данных радиоэкологических параметров, полученных в результате многолетнего радиоэкологического мониторинга и составляют величину 0,1-1,5.

При возрастании sig некоторое количество первых членов моделируемого, нормально распределенного ряда, принимает отрицательные значения. Поскольку радиоэкологические данные не могут иметь отрицательных значений, эту часть выборки заменяют положительными значениями, подчиняющимися логнормальному закону. Моделируемые данные, имеющие синтетическое распределение, проверяют на соответствие нормальному закону. Для каждой модельной выборки рассчитывают средние, средние квадратические отклонения и коэффициенты вариации для полного ряда и для неполного ряда с N - n членами правой части выборки. При моделировании n изменяется от 1 до 0,8N. Строятся зависимости средних, средних квадратических отклонений и коэффициентов вариации для неполного ряда от (n/N)·100. На основании анализа полученных зависимостей получены следующие конечные соотношения для восстановления параметров полного ряда (истинного распределения) по наблюдаемым N-n данным.

где mо_n, sig_n, η _n - промежуточные значения среднего, среднего квадратического отклонения и коэффициента вариации (sig_n/mo_n ), mo_v, sig_v, η _v - восстановленные значения среднего, среднего квадратического отклонения и коэффициента вариации; х=n·100/N; n - число проб со значениями менее минимального порога регистрации; N - общее число проб в анализируемой выборке; а=0,000092η ²_v-0,0002η _v+0,000076; b=(-0,00001N-0,0084)η ²_v+(0,00002N+0,0194)η _v-0,0105; с=(0,0003N-0,211)η ²_v+(-0,0007N+0,3148)η _v+(-0,0000027N²+0,0006N+0,8662).

Исходные значения mо_n, sig_n восстанавливаются по формулам 1-3. Для каждого моделируемого ряда определяют погрешность восстановленных параметров относительно истинных по формулам: , где mo и sig - истинные значения среднего и среднего квадратического отклонения, задаваемые для моделируемых рядов. Эти погрешности не превышают 20-25%, что вполне приемлемо при проведении радиоэкологического мониторинга.

По полученным определяемым mo_v и sig_v можно достоверно судить о динамике и тенденциях изменения радиационной обстановки в контролируемом регионе в связи с уменьшением погрешности в определении среднего и среднего квадратического отклонения.

Техническая эффективность предлагаемого способа заключается в повышении достоверности оценки радиоэкологической обстановки в регионе при использовании средних и средних квадратических отклонений радиационных параметров для выборок, получаемых на грани чувствительности аппаратуры и имеющих в своем составе измерения менее минимального порога регистрации, за счет ввода операции восстановления истинных средних и средних квадратических отклонений при обработке результатов измерений радиационных параметров.

Пример: Полученные зависимости были проверены на реальных данных, взятых из базы данных радиоэкологического мониторинга.

При проведении радиоэкологического мониторинга г. Москвы отбирались пробы растительности, всего 99 проб. Пробы подвергались стандартной процедуре пробоподготовки и направлялись на спектрометрический анализ.

При спектрометрическом анализе на содержание ¹³⁷Cs в пробах растительности был получен полный ряд значений ¹³⁷Cs (без<МПР), представленный в табл. 1, суммарное время анализа при этом составило более 650 часов.

N=99; Для примера n=30; n=40. (При этом полное время анализа сокращается и составляет около 80 часов). Определяем истинные значения среднего mо, среднего квадратического отклонения sig и коэффициента вариации η.

Определяем исходные значения этих же параметров

Вычисляем восстановленные значения среднего, среднего квадратического отклонения и коэффициента вариации по формулам 1-3.

Измеряем погрешности средних и средних квадратических отклонений исходных (mo_n и sig_n) и восстановленных (mo_v и sig_v)

В табл.2 приведены результаты расчетов по определению восстановленных параметров анализируемого распределения.

Очевидно, что исправление параметров ряда по предлагаемому способу приводит к существенному уменьшению погрешности восстановленных moν и sigν, по сравнению с исходными moν, sigν, без увеличения затрат времени на получение достоверных данных для всей выборки, что особенно ценно для среднего, потому что часто только по этому параметру оценивают радиоэкологическую обстановку исследуемого региона.

По сравнению со способом прототипа предлагаемый способ уменьшает погрешность определения среднего с 37% до 6% при сокращении времени на анализ проб в 8 раз (с 650 до 80 часов).

Способ может быть осуществлен на любой имеющейся аппаратуре. Испытания проведены на примере данных радиоэкологического мониторинга растительности г. Москвы.

Использованная литература

1. Инфоромационно-аналитическая система радиоэкологического мониторинга / А.И.Соболев, О.Г.Польский, В.А.Тихомиров, В.Ю.Зубов, И.А.Каширин, Л.Ф.Вербова, С.В.Беланов, Р.С.Голубчик / Серия изданий по радиоэкологической безопасности населения №3, Москва, "Прима", 1996.

2. А.И.Соболев, Л.Ф.Вербова. Особенности статистической обработки данных в системе измерений радиоэкологического мониторинга / Гигиена и санитария, №3, 2002.

3. Патент РФ №2112999, МПК G 01 V 9/00, G 01 T 1/167.

Формула изобретения

Способ уменьшения погрешности определения истинных параметров распределения радиационных параметров в процессе радиоэкологического мониторинга, отличающийся тем, что осуществляют пробоотбор атмосферного воздуха, почв, техногенного грунта, поверхностных, грунтовых и подземных вод, атмосферных осадков, сухих выпадений, снегового покрова, донных отложений и растительности, пробоподготовку отобранных проб, определение количественных и качественных значений радиационных параметров, обработку их путем выявления количества проб со значениями менее и более минимального регистрируемого порога, запись результатов измерений в аналитическую базу данных, причем по пробам со значениями более минимального регистрируемого порога рассчитывают промежуточные среднее, среднее квадратическое отклонение и коэффициент вариации, а затем для уменьшения погрешности определения истинных параметров распределения радиационных параметров определяют восстановленные значения среднего, среднего квадратического отклонения и коэффициента вариации по формулам

где mo_n, sig_n, η _n - промежуточные значения среднего, среднего квадратического отклонения и коэффициента вариации (sig_n/mo_n );

mо_v, sig_v, η _v-восстановленные значения среднего, среднего квадратического отклонения и коэффициента вариации;

х = n*100/N;

n - число проб со значениями менее минимального порога регистрации;

N - общее число проб в анализируемой выборке;

а = 0,000092 η ²_v-0,0002 η _v+0,000076;

b = (-0,00001N-0,0084)η ²_v+(0,00002N+0,0194) η _v-0,0105;

с = (0,0003N-0,211)η ²_v+(-0,0007N+0,3148)η _v+(-0,000002N²+0,0006N+0,8662),

после чего по полученным восстановленным значениям среднего и среднего квадратического отклонения проводят оценку радиационной обстановки исследуемого региона.