环境建模的共性问题

大多数复杂环境建模工作普遍存在以下三大核心问题：

• 不确定性：实际应用中的控制参数与过程往往存在显著不确定性。若仅采用确定性方法进行预测性模拟，这些不确定性将无法得到准确表征。
• 多学科交叉性：此类建模本质上涉及多学科协作，但各子模型开发人士易陷入技术细节，忽视"全局目标"（即模型拟解决的根本问题），从而导致子模型过度复杂化。更关键的是，子系统间复杂的相互作用与依存关系常被忽略或简化处理。
• 沟通障碍：许多复杂环境模型的构建逻辑仅能被开发人士理解。当决策者或公众难以解读模型时，其应用价值将大幅减少。

解决方案1：基于"全系统"的概率建模方法

尽管这些问题是复杂环境建模中的普遍挑战，但在放射性废物管理设施（无论拟建或现有设施）的性能模拟中尤为突出------这涉及超长的时间跨度、超大的不确定性以及公众对放射性废物问题的高度关注。应美国能源部要求，我们自1990年起着手开发一种新型模拟工具以针对性解决这些问题。

这一研发工作的成果便是基于Windows平台的图形化模拟工具GoldSim。该软件作为灵活而强大的污染物模拟平台，能够对复杂工程系统及人工环境中的污染物释放、归趋和迁移过程进行建模。其核心设计目标包括：

• 显式表征不确定性：精准量化流程、参数及事件中的不确定性；
• 实现自上而下的全系统建模：通过集成系统所有组件保持对"全局目标"的关注；
• 增强模型可传播性：以适配不同受众认知水平的方式实现复杂模型的成果展示与文档化。

GoldSim仿真框架概述

GoldSim是一个功能强大且灵活的仿真平台，能够对几乎所有类型的物理系统、金融系统或组织系统进行可视化建模与数值模拟。从本质上说，GoldSim就像一个"可视化电子表格"，用户可以通过图形化界面直观地创建和处理数据与方程式（参见图1）。然而与传统电子表格不同，GoldSim可以轻松评估系统随时间演变的过程，并预测其未来行为特征。

GoldSim仿真框架的独特优势

由于系统仿真能有效优化复杂系统的认知与管理水平，当前市场上存在多种仿真工具。然而，GoldSim通过以下功能组合形成了独特的技术优势：

• 直观的可视化建模：提供用户友好的图形化界面，用户可直接通过绘制影响图（influence diagram）来直观构建系统模型，无需掌握复杂符号或行业标记语言。
• 优质的模型灵活性：采用分层模块化架构，支持从简单到极复杂的多层级建模。随着系统认知的深入，模型可进行动态扩展与迭代优化，适用于各类系统仿真需求。
• 完备的不确定性表征：支持通过概率分布量化流程与参数的不确定性，并能直接模拟突发事件（如地震、洪水、人为破坏等）的发生概率及连锁影响，实现"干扰事件"的系统性评估。
• 强大的扩展能力：支持与外部程序/电子表格的动态交互，其开放式架构允许用户加载定制化功能模块，满足行业领域的特殊应用需求。
• 成果展示体系：针对"难以解释的模型等于无效模型"这一行业痛点，专门开发了多层次演示功能。用户可通过嵌入图形、注释文本、超链接等要素，根据不同受众的知识背景，灵活调整模型展示的详略程度。

强大而灵活的模拟工具。从基础的层面来看，GoldSim可作为一个强大且灵活的模拟器使用。也就是说，您可以将其应用于复杂系统中某个特定方面的问题（例如工程屏障的行为、场地的水平衡，或污染物通过地下水或其他途径的迁移）。

从某种意义上说，GoldSim就像一个"可视化电子表格"，允许您直观地创建和运用数据与方程式。如图2所示简单示例，根据模型中各对象之间的关系，GoldSim会以适当的方式通过视觉连接自动显示它们之间的影响和相互依赖关系。

GoldSim提供了多种内置对象供您构建模型，如果需要，您还可以编程自定义对象，并将其无缝链接到GoldSim框架中。

GoldSim的图形界面和强大的计算功能支持从不到一小时即可完成的简单筛选分析，到耗时数月构建的复杂应用等各种模拟需求。

系统集成工具

放射性废物管理问题大多具有多学科交叉特性，即被模拟的系统实际上由多个子系统组成，而各子系统的建模工作通常需要来自不同学科背景的人士共同完成。例如，评估污染场地修复方案的模型就可能包含由地质学家、水文地质学家、材料工程师、生态学家、健康物理学家、经济学家或者政治学家分别开发的子模型。

然而实践中，建模者往往过度专注于子模型的细节设计，反而忽视了"全局视角"。这通常会导致各子模型彼此割裂且过度复杂化。更重要的是，子系统间复杂的相互作用和依存关系经常被忽略或简化处理。这种方法不仅浪费资源，而且往往因过于复杂而难以有效解释（从而难以应用），又因集成度不足而无法完整、真实地反映整个系统。

针对这类复杂的多学科系统，我们需要一种能将所有子模型整合为统一全系统模型的工具（见图3）。全系统模型的核心在于建立一致性框架，既能表征系统的各个方面，又能准确反映子系统间复杂的交互与依存关系。GoldSim凭借其强大的灵活性，能够完整表征系统的各个层面，同时其独特的层级化、模块化建模能力，使其成为理想的系统集成平台。事实上，这正是GoldSim起初设计时很主要的功能定位。

可视化信息管理系统

即使您能够直接、直观地访问模型输入数据，要使仿真模型真正发挥作用，还必须能够以令人信服且有效的方式阐释其假设条件（以及仿真结果的含义）。GoldSim正为此提供了相应工具。

因此，就其应用层面而言，GoldSim可作为可视化信息管理系统使用，使您能够直接链接数据源，并以清晰有效的方式向任一受众描述、记录和解释您的模型（见图4和图5）。

GoldSim污染物迁移模块

尽管GoldSim内置的标准元素已能构建强大的复杂模型，但在开发之初我们就认识到，某些特定系统需要行业认可的建模元素。因此，GoldSim采用模块化设计，可通过程序扩展模块来处理特有问题。

对于放射性废物管理应用而言，特别重要的当属污染物迁移模块（CT Module）。该模块作为GoldSim的扩展程序，能够对复杂工程系统和/或自然环境系统中的物质迁移进行动态建模。

CT模块的核心输出包括：

• 系统指定位置的质量通量预测值
• 环境介质（如地下水、土壤、空气）中的污染物浓度分布
• 通过设置转换系数，还可将介质中的浓度转化为受体的辐射剂量或健康风险值。

CT模块模拟的迁移过程

该模块可显式模拟以下关键过程：

1. 污染源释放
   • 考虑处置容器（如储罐）的失效概率
   • 模拟污染物固化基质（如水泥、金属、玻璃）的降解过程
2. 多介质迁移过程
   • 支持含水层、河流、大气等多种迁移路径
   • 涵盖地下水、地表水、空气、土壤等多相介质
   • 可同时模拟对流和扩散传输机制
   • 包含溶解度约束及介质间的污染物分配效应
   • 支持复杂化学反应与衰变过程耦合计算
   • 特别包含裂隙岩体中的基质扩散等特殊过程
3. 生物迁移过程
   • 模拟污染物在生物体内的转移路径
   • 构建血液、组织等生物介质的传输网络
   • 支持多种生物传输机制的耦合建模

通过将这些环境元素相互连接（并与GoldSim基础元素集成），可构建从简单到复杂的污染物迁移模拟系统（见图7）。

废物管理应用实例

GoldSim（及其污染物迁移模块）起初是为协助美国能源部（DOE）评估内华达州尤卡山潜在高放废物处置库而开发的。目前，该软件正广泛应用于全球污染场地的恢复方案设计及放射性废物处置设施评估，典型案例如下：

• 美国尤卡山处置库评估：美国能源部采用GoldSim（及其前身软件RIP）评估拟建于内华达州的乏燃料地质处置库安荃性。
• 西班牙放射性废物处置研究：西班牙放射性废物管理机构ENRESA运用GoldSim筛选本国乏燃料处置场址，主要评估候选主岩性能。
• 新墨西哥州洛斯阿拉莫斯废物处置场评估：洛斯阿拉莫斯实验室通过GoldSim量化低放废物处置区风险特征，并确定监测要求。
• 铀矿尾渣与矿井治理：德国与加拿大（图8）采用GoldSim评估历史铀矿开采留下的尾渣库与矿井巷道多种封场治理方案。

• 日本废物处置方案评估：日本原子力研究开发机构（JAEA）与核工程试验室（JNES）采用GoldSim对本国高放废物及乏燃料处置方案开展综合评估。
• 美国内华达州低放废物及核试验场评估：GoldSim用于分析不同地下水文概念模型对评估内华达核试验场放射性核素迁移范围的影响，同时评估该区域浅层低放废物处置设施的长期性能。
• 韩国核燃料循环长期规划：韩国原子力研究院（KAERI）运用GoldSim构建核燃料循环全系统模型，涵盖燃料获取、核电站运行、乏燃料产生、多样化贮存方案、海外后处理可行性、国内外创新回收技术及废物处置等环节。