海域放射性后果评价方法研究

乔清党，郭 猜，杨 静，林权益，岳 峰，王韶伟，李 冰，张 彦，张少君，岳会国，*

（1.环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082；2.国家海洋环境预报中心，北京 100081）

海域放射性后果评价方法研究

乔清党1，郭 猜1，杨 静2，林权益1，岳 峰1，王韶伟1，李 冰1，张 彦1，张少君1，岳会国1，*

（1.环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082；2.国家海洋环境预报中心，北京 100081）

本文通过对国内外海流数值预报、放射性物质在海域的输运数值模拟和剂量评估等方法的分析研究，建立了用于核电厂海域放射性后果预测与评价的数值模拟方法，确立了核电厂海域放射性后果预测与评价系统的总体研发方案，为该系统的顺利研发奠定了技术基础。该系统的建立可实现对我国不同核电厂址核事故状态下液态放射性物质在近岸海域的辐射后果的精细模拟，同时也能快速模拟核电厂址海域辐射后果，以满足核事故应急响应工作对时效性和准确性的需求，进而可有效提升我国核事故的应急响应能力。

海流数值预报；核素扩散数值模拟；核事故后果评价

2011年3月发生的日本福岛事故［1］导致放射性物质向海洋环境的大规模排放，放射性物质对公众和海洋环境的辐射影响引起了人们的广泛关注［2］。放射性核素通过生物链的富集作用，在生物体内的浓度会显著升高。日本水产厅监测发现，事故后福岛东部海域的玉筋鱼体内的放射性核素水平超出日本监管当局暂行条例的规定，该产品已停止出口并禁止进入当地市场［3］。

我国目前运行和在建核电厂均为滨海厂址，截至2014年5月底，中国正在运行的有6个核电厂（基地）19台机组，正在建设的有27台机组，拟建的有28台机组。表1给出了已运行、在建和拟建的核电机组。福岛事故表明，滨海核电厂在发生事故时，可能向海洋环境排放和泄露放射性物质。为能够有效地保护公众和环境，需要及时做出辐射后果评价，从而实施快速、有效的应急响应行动。核事故情况下在较大海域中开展辐射环境监测的难度较大，而海域放射性后果评价软件系统能够对放射性物质在海洋中的输运、扩散和辐射剂量进行快速、有效的预测和评估。因此，海域放射性后果评价软件系统是针对此类核事故应急决策的重要的技术手段。海域放射性后果评价系统的建立可为核事故应急决策提供技术支持，并促进相关政府部门对核电厂事故状态下放射性物质液态排放的应急响应行动实现有效的监督。

本文建立了核电厂事故状态下液态放射性物质的源项模块、适于不同尺度的海流数值预报模式及方法、核素在海域中的迁移扩散数值模式及方法、辐射剂量评估方法。在此基础上，将多种模型和数据库进行连接集成，建立海域放射性后果评价系统，实现对我国不同滨海核电厂事故下液态放射性物质排放导致的在中国海海域、厂址近岸海域的辐射后果的预测和评价，用以评估和动态显示指定区域范围内核事故产生的影响。

海域放射性后果评价方法与系统的建立，可实现对我国不同滨海核电厂址核事故状态下液态放射性物质在近岸海域的辐射后果的精细模拟，同时也能快速模拟核电厂址状态海域辐射后果，以满足核事故应急响应工作对时效性和准确性的需求。拟建系统可填补我国在核事故状态下液态放射性物质在海洋辐射后果评价系统中的空白，可有效提升我国核事故的应急响应能力。

表1 我国的主要核电机组数量Table1 Numbersofnuclear power unitsin China

1 国内外研究现状

1.1 国外研究现状

20世纪90年代，欧洲40多家研究机构联合开发了核应急实时决策支持系统（RealtimeOnline Decision Supportsystem fornuclearemergencymanagement，简称RODOS）［4］，系统中的水文模块HDM使用多个适用于不同环境、不同尺度的模型来描述放射性核素在水体中的迁移过程。在切尔诺贝利核事故后的若干年内，研究人员在核应急实时决策支持系统中引入了三维模型THREETOX，并将其应用于切尔诺贝利核事故排放和泄露的放射性物质对海洋、湖泊和河流等水体的辐射影响评估。例如，Koziy［5］等将其应用于放射性物质在第聂伯河—布格河口和大陆架海域的污染扩散计算，将计算结果与观测数据进行比对，模型的有效性得到了验证，如图1所示。

图1 第聂伯河—布格河口90Sr表层浓度之观测值与计算值的比较（1988年3月）Fig.1 Com puted vsm easured distribution of90Sr in the sur face layer in M arch 1988

福岛事故后，Tsumune［6］等应用区域海洋模式系统ROMS模拟了福岛事故大规模排放造成的137Cs在海洋中的浓度分布，福岛核电厂附近137Cs浓度随时间变化的计算结果与观测值吻合地较好。并与将计算结果与历史事件导致的全球放射性灰沉降（以下简称“全球沉降”）进行对比，结果表明，福岛事故导致137Cs浓度达到历史最高，但总量并不太大，因此福岛事故对北太平洋的辐射贡献相对较小，见表2。

表2 历史事件和福岛事故导致的海洋中137Cs总量与最大浓度的比较Table2 Comparisonof137Cs inputamountsto theocean andm axim um concen trationsbetween past releaseeven tsand the Fukushima accident

Maderich［7］等与中、日、韩3国学者合作，使用核应急实时决策支持系统分析了太平洋西北海域，日本海及我国黄海、东海等海域受到的影响。此项研究使用POSEIDON模型分析放射性核素的迁移扩散，分别使用动态食物链模型和浓度因子模型计算了周边海洋生物体内的放射性核素浓度变化规律。POSEIDON模型的预测结果通过与1945年～2010年间的历史监测数据的对比得到了验证，如图2所示，并外推用于预测福岛事故在2011年～2040年的放射性后果。

图2 中国东海海域137Cr浓度计算值与观测值（MARIS，2012）的比较Fig.2 Comparison of thepredicted concentration of137Cs in the watersof the EastChina Seaw ith observations from the M ARIS（2012）database

联合国原子辐射效应科学委员会（简称UNSCEAR）、国际放射防护委员会（简称ICRP）、国际原子能机构（简称IAEA）等国际组织以及欧美等核能利用大国，从20世纪70年代起针对非人类物种的辐射剂量开展了相关研究，并取得了一系列的研究成果。近十几年来，国际原子能机构在2003年开展了辐射安全环境模型（EMRAS）项目。国际放射防护委员会于2003年发表了《评价非人类物种电离辐射影响的框架》出版物［8］，提出了非人类物种辐射效应的评价方法。欧盟（EC）陆续开展了电离辐射对非人类物种影响的评价框架（FASSET）［9］、电离污染的环境危险——评价和管理（RICA）等项目，开发了ERICA程序。美国能源部（简称USDOE）提出了分级筛选的方法，给出了非人类物种辐射防护的标准及相应的评价程序RESRAD［10］。

1.2 国内研究现状

我国学者对放射性核素在水体及水生生态系统中的迁移转化规律也进行了一定的探索。例如，张春粦［11］采用二维潮波方程和对流扩散方程预测了大亚湾核电厂液态排放物在附近海域的浓度分布，以及低放废水所致的生物剂量率。但国内研究大多针对核电厂正常运行时微量放射性核素的排放，研究区域也集中在大亚湾海域，缺乏对其他核电厂址及事故下大量放射性核素排放的迁移弥散规律研究。我国学者也密切关注福岛事故的相关动态，并进行了积极的探索。何晏春［12］等使用迈阿密等密度海洋环流模式M ICOM模拟计算了日本福岛核电厂泄漏在海洋中的放射性物质的传输及扩散，结果表明，洋流系统是放射性物质浓度变化的主导因素，大气沉降也是影响放射性物质浓度的因素之一。王辉［13］等利用ROMS海洋模式对北太平洋海洋环流进行了模拟，并对核泄漏物质在海洋中的输运过程进行了中长期模拟和预测。福岛事故期间，国家海洋环境预报中心（主要职能是负责我国海洋环境预报、海洋灾害预报和警报的发布及业务管理）利用ROMS海洋模式、美国近岸海洋环流模式FVCOM预报了放射性核素的浓度分布，制作了放射性污染物在海洋中的漂移扩散分析产品（海流预报、浓度预报）。这两个模式是海洋预报中心建立的业务化运行的放射性污染物输运扩散数值预报系统的组成部分。图3和图4分别给出了利用上述系统预报的福岛事故期间泄漏的放射性物质137Cs在北太平洋不同区域范围内的海水中的表层浓度分布，假设释放时间为2011.3.21～2011.4.30。

图3 预测的137Cs在北太平洋（大区域）的表层相对浓度分布（a）2年（b）8年Fig.3 Prediction for thesurfacenormalized concentration distribution of137Cs in the north Pacific（largearea）（a）two years（b）eight years

图4 预测的137Cs在北太平洋（小区域）的表层浓度分布（2011年4月30日）Fig.4 Prediction for thesurface concentration distribution of137Cs in the north Pacific（localarea）（2011.04.30）

我国关于水生生物吸收剂量评价的研究工作起步较晚。国内学者借鉴国际上的相关标准和评价程序，对不同生物进行了剂量分析和评估，多是对正常运行状态下的液态流出物的研究，而对事故状况下的核素迁移和辐射影响的研究相对缺乏。福岛事故导致大量放射性物质进入海洋环境中，已引起人们对该方面研究的重视。吴俊文［14］等根据2011年4月～6月在中国海采集的海水样品评估了福岛事故对中国海（特别是东海）的影响，认为福岛事故对东海水中137Cs浓度的影响小于切尔诺贝利事故，其输入总量对东海的影响不显著。李冰［15］等利用日本东京电力株式会社和文部科学省等机构公布的放射性污水的泄漏/排放、辐射环境监测等资料，分析了日本海域中的放射性浓度分布，以及浓度随距离和时间的变化，并开展了辐射剂量的初步评估，评估对象包括海洋生物和公众，表3给出了水生生物剂量计算所用参数及其来源。

表3 水生生物剂量计算所用参数及其来源Table3 Valuesof factors and coefficients in does calculation for aquatic biota

2 海域放射性后果评价系统的总体设计

设计目标：利用成熟的物理模型，采用自主开发的技术路线，针对我国滨海核电厂址地区的地形和海洋环境特征，建立海域放射性后果评价系统。利用这一系统预测和评价我国不同核电厂事故状态下液态放射性物质排放对中国海海域、厂址近岸海域的辐射后果影响。

该系统以服务器、PC机为硬件平台，基于海域流场预报、源项估算、核素扩散模拟、剂量计算等模块，主系统设计为一个基于地理信息系统（GIS）的连接多子系统、多种模型和数据库的综合系统，实现对国内不同滨海核电厂事故状态下海域中辐射后果的预测、评价和结果的动态显示。

系统包括面向国内不同核电厂事故状态下在中国海域的放射性后果评价子系统（以下简称“中国海域评价子系统”），以及不同滨海核电厂事故状态下在近岸海域的放射性后果评价子系统（以下简称“近岸海域评价子系统”）。系统研发的技术路线如图5所示，总体框架如图6所示。

图5 系统研发的技术路线图Fig.5 Technology p rogram of the system developm ent

图6 系统的总体框架图Fig.6 General framework of thesystem

中国海域评价子系统主要适用于核事故最初的应急响应。首先，利用中国海海流数值预报模式计算出发生核事故时中国海区域的海流预报结果；然后结合源项，利用核素扩散表层模式给出核事故导致的核素在中国海海域的表层浓度分布变化。该子系统可快速评估辐射后果，评价范围覆盖整个中国海区域。对于不同滨海核电厂址，海流预报模式和核素扩散模式应用的是同一套参数，例如水下地形、岸线等参数，计算精度较低，但计算时间相对较短，以满足核应急工作对辐射后果预报时效性的需求。

近岸海域评价子系统主要适用于核事故早中期的应急响应。首先，利用高分辨海流数值预报模式计算出发生核事故的核电厂近岸海域（周边距海岸线约50海里范围内）的海流预报结果；然后结合源项，利用核素扩散三维模式计算核素在核电厂近岸海域的三维浓度分布和辐射剂量；还可利用核素扩散表层模式给出核事故导致的核素在核电厂近岸海域的表层浓度分布。该子系统可精细评估辐射后果，评价范围为核电厂址的近岸海域。其中海流预报模式和扩散模式应用的参数因核电厂址的不同而异，计算时间相对较长，但计算精度较高，可满足核应急工作对辐射后果预报精度的需求。

3 评价系统物理模块的建立

3.1 源项模块的设计

根据核电厂通过海洋途径排放的事故情景，考虑到系统的易操作性，源项模块设计有用户自定义源项和废液罐异常排放源项两种方式。其中，自定义源项主要是指事故中液态源项直接排入海洋的最为严重的情景，考虑的核素种类较为全面。

（1）核素种类

自定义源项：参照核电厂正常运行工况下预期的放射性废液排放源项以及各种设计基准事故源项，扣除不可溶于水的惰性气体，确定放射性核素的种类，见表4。

表4 废液放射性排放源项（自定义源项）Table 4 Liquid radioactive em ission source term（custom source term）

废液罐异常排放源项：主要考虑核岛废液罐（TER）异常排放、核岛废液罐破裂以及常规岛废液罐（SEL）直接排放时涉及的核素。

（2）排放位置

基于核电厂的设计和运行工况，综合考虑核电厂机组布局、出水口设计以及严重事故下核素排放/泄漏位置的可能性，考虑一定范围内的排放，将源项位置设计为沿着出水口、机组一带的线源。同时，设计中还考虑多源、非均匀排放等事故景象。

该源项模块适用于本系统中的中国海域评价、近岸海域评价两个子系统，区别在于在中国海域评价子系统中简化为单一源项。

3.2 海流预报模式

海流作为重要的环境动力因素，是污染物迁移扩散的决定性因子。对海流等海洋环境动力因子的预报是核应急中辐射后果预报的重要基础。水动力海洋控制方程由动量、连续、温度、盐度和密度等方程组成（见公式1～7）。

其中，x、y和z分别为笛卡尔坐标系中东、北和垂直方向的坐标；μ、υ和ω是x、y、z三个方向上的速度分量；T为位温，S为盐度；ρ0为参考密度，ρ为当地密度；P为压强；f为科氏参数，g为重力加速度；Km为垂向涡动粘性系数，Kh为垂向涡动扩散系数；Fμ，Fυ，FT，FS代表水平动量、温度和盐度扩散项。总水深为D=H+ζ，H为底部高程，ζ为水位（相对z=0）。

（1）中国海域数值预报模式

我国滨海核电厂主要分布在东部沿海地区，分布范围较广，主要位于南海、黄海、东海和渤海沿岸一带。中国海域评价子系统需要选用能够覆盖我国海岸线、计算范围较大的海流预报模式，并且模式的参数体系可用于国内不同滨海厂址。拟建系统作为核应急响应平台需要应用较为成熟的模式。经过对比分析，确定采用国家海洋环境预报中心业务化系统中的西北太平洋温盐流预报模型，该模型是基于ROMS-3.4版本建立起来的，计算范围为3°N～52°N、99°E～158°E，水平方向网格分辨率为0.05°，垂直方向分为22层。

为了提高模型的计算精度，采用集合最优插值（EnOI）数据同化方案，结合环流模式对“多源”、多变量海洋资料进行协调同化。该模型主要预报未来5天的温盐流预报产品，其中的表层海流预报产品用在中国海域评价子系统中，样图如图7所示。

图7 西北太平洋表层海流预报产品示例Fig.7 Surface ocean forecast products of Northwestern Pacific

ROMS为三维非线性的斜压原始方程模式，由美国罗格斯大学和加州大学共同研发。作为新兴的海洋模式系统，该模式可以模拟不同尺度的运动，大至全球尺度的环流模拟，小至小尺度河川渠道的水体运动。模式求解Navier-Stokes方程（雷诺平均后）。模式使用的S-坐标系统以及垂向（水深）非等比例分层的方式，使得在温跃层和底边界层的分辨率更高，能够适当地描述地形对流场的影响，可更好地模拟特定的物理过程。ROMS含有多种方案来求得垂向粘性和扩散系数。目前该模式的模拟效果比较稳定，具有高效的并行计算能力，并耦合了海浪、海洋生态、数据同化等多种模块，配套的前后处理功能插件完备，在国际海洋数值模拟研究领域中被广泛采用。

（2）近岸海域海流数值预报模式

对于近岸海域评价子系统中的三维海流数值预报，拟采用美国马萨诸塞大学海洋科技研究院和吾兹霍尔海洋研究所联合开发的FVCOM海洋数值模式。FVCOM模式中的海洋水动力模块计算的水动力环境要素为物质输运扩散模块提供水动力环境背景场。模式在水平方向上采用非结构三角形网格，垂直方向采用σ坐标，可以有效地模拟水下复杂的地形；数值方法采用有限体积法，保证模拟过程中质量的守恒。垂直混合的计算采用Mellor-Yamada2.5层湍流闭合方案，水平混合的计算采用Smagorinsky涡旋参数化方案。

FVCOM具有以下主要特点：（1）计算域为不重叠的非结构三角形单元、离散积分形式的控制方程，解决了数值计算中浅海复杂岸线拟合、质量守恒以及计算有效性的难题；（2）垂向采用地形跟随坐标系统；（3）采用干湿处理，满足潮滩动边界变化；（4）采用二阶精度的有限体积法（模式分裂或隐式格式），保证了质量、动量和物质守恒；（5）采用自动网格嵌套，多种资料同化算法；（6）将谱模式SWAN改为有限体积格式，加入到FVCOM模型，实现了浪、潮、流耦合。

本系统中，模式水平分辨率在开边界附近较粗，约5000m；在近岸区域，特别是核电厂附近海域，模式分辨率加密，最高分辨率约为100m，中间区域渐变过渡。垂向分11个σ层，网格分布样图如图8所示。

图8 网格分布示例Fig.8 M esh distribution

对于FVCOM模型在各个核电厂近岸海域海流预报结果的有效性验证有两种方法：一是利用各核电厂近岸海域的实测海流（流速和流向）资料、验潮站逐时潮位观测资料等与模式计算结果进行比较分析；二是利用公开发布的海洋图集与模式计算结果进行对比分析。

3.3 核素扩散模式

（1）核素扩散表层模式

核素扩散表层模式是基于模拟区域的表层海流预报计算结果，可快速给出核事故泄漏出的放射性核素在海水表层中的浓度分布。该模式可以用于中国海域、近岸海域评价两个子系统，区别在于扩散计算分别基于中国海域评价、近岸海域的表层海流预报计算结果。

放射性污染物在海洋水体中的运动主要表现为两种过程：在平流作用下的位移和在湍流作用下的扩散，这两种运动机制分别受制于“平流”和“湍流”。核素扩散表层模式采用随机游走粒子方法来模拟放射性物质在海洋环境中的时空行为，这种方法把放射性污染物分成许多离散的小粒子来模拟其在海水中的输运扩散过程。

核素在海流和风的作用下产生水平方向的平流运动，海面上的漂移粒子同时受到风生漂流和风应力两方面的作用。

对于放射性物质而言，核素扩散表层模式主要考虑了核素的衰变过程。

（2）核素扩散三维模式

FVCOM模式除了具有预报三维海流的功能之外，还具有对物质在海水中传输扩散行为的计算功能。本系统主体应用FVCOM模式自身的物质传输扩散模块，并增加核素衰变过程，作为近岸海域评价子系统的核素扩散三维模式。

其选择近岸海域水动力环境条件下污染物扩散参数计算方法，优化污染模式参数，与海洋水动力模块衔接，实现核物质输运扩散数值模块与环境动力模块的耦合计算，给出核事故泄露出的放射性污染物在近岸海域的三维浓度分布。核物质输运扩散模型的基本方程为守恒形式的污染物输运方程。具体离散格式和求解方法与FVCOM海流模型一致。

核素扩散三维模式通过求解放射性物质的平流扩散基本方程得到核素在海水中的三维浓度分布。

对于不同核素来说，模型采用对应的半衰期确定参数取值。如果核素半衰期较长的话，那么衰减系数K近似为零。

3.4 剂量计算模式

在扩散模式预测的海水中放射性物质三维浓度结果的基础上，初步评估海洋生物剂量和公众剂量。海洋生物辐射剂量的评估方法基于欧盟ERICA框架下评估电离辐射生态风险的ERICA程序，放射性生态参数采用欧洲生物辐射效应数据库（FREDERICA）的值。参考核电厂环境影响报告书中关于厂址周边主要海洋生物种类的描述，计算不同生物种类中可能的剂量率水平。根据FREDERICA推荐的筛选水平10μGy·h-1或美国能源部（简称DOE）对水生动物的生物剂量限值10mGy·d-1，判断事故对水生生物的辐射后果是否超过剂量限值。

公众剂量的评估方法参考各核电厂环境影响报告书中关于正常运行状况下一般公众所受辐射剂量的计算方法，以及福岛事故后相关文献中公众所受内照射剂量的计算方法。主要考虑个人内照射剂量（食入海产品所致），以及个人外照射剂量（水上活动、岸边活动所致）。剂量基准为公众照射个人年剂量限值（1mSv·a-1）。

4 展望

通过对放射性物质在海域的传输扩散数值模拟和剂量评估等方法的分析研究，确定建立海域放射性后果评价系统的数值模拟方法。

快速、准确地预测我国不同滨海核电厂事故状态下液态放射性物质在海域的放射性后果影响，是及时制定保护公众和环境的应急对策、适时采取减轻核事故后果的防护行动的重要依据。因此，研发海域放射性后果评价的数值模拟系统是核事故应急决策中不可或缺的技术手段。

本文针对拟建的海域放射性后果评价系统给出了系统研发的技术路线、主要物理模块的建立方法等，为系统的顺利研发和建立奠定了坚实的技术基础。结合核应急响应工作的实际需求，在未来的工作中，还需在以下方面开展深入的研究，并逐步应用于系统中。

（1）现阶段拟建系统中的核素扩散模式（快速和三维）对于海水中放射性物质浓度只考虑了核素的衰变，没有考虑海水中放射性物质的泥沙吸附与解析、悬浮与沉积、海底沉积物中的扩散等过程对浓度的影响；也没有考虑大气沉降源项对水体放射性物质浓度的影响。模式中对这些过程和因素的考虑可提高预报结果的精度，进而提高系统的整体性能。

（2）对于核素扩散模式的有效性，需要深入研究以建立适当、可行的验证手段和方法。

（3）目前拟建系统的剂量计算方法应用简单的静态平衡模型。事故状况下短时间内释放大量放射性物质，生物体内放射性浓度与水体中的浓度难以维持静态平衡，采用基于食物链关系的动态模型计算生物体内的放射性浓度更符合实际情况。

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M ethod Research of Radiation Consequence Evaluation in theOcean Discharged from Nuclear Accident

QIAOQingdang1，GUOCai1，YANG Jing2，LINQuanyi1，YUEFeng1，WANGShaowei1，LIBing1，ZHANGYan1，ZHANGShaojun1，YUEHuiguo1，*
（1.Nuclearand Radiation SafetyCenter，MEP，Beijing100082，China；2.NationalMarine EnvironmentalForecastingCenter，Beijing100081，China）

Based on the investigation of ocean current numerical forecast，the numerical simulation ofradioactiveeffluentdispersion in the seaareaand radiologicaldoseassessmentofdomesticand overseas，the research and developmentplan of numerical simulation software system is established，which w ill lay the foundation for the system development.In order to meet the timeliness and accuracy of nuclear accident emergency response，the system is designed to finely assess nearshore radiation consequences and quickly estimate radiation consequences in the China sea happened at domestic different nuclear site，and then enhanceseffectively China'snuclearaccidentemergency responsecapabilities.

ocean current numerical forecast；nuclide diffusion numerical simulation；consequence assessment fornuclearaccident

X591

：A

：1672-5360（2015）02-0012-08

2014-11-03

2015-03-11

“十二五”国家863计划先进能源技术领域课题“核事故应急关键技术研究”，课题编号2012AA050907

乔清党（1969—），女，山西临汾人，研究员/硕士，环境科学专业，现主要从事核设施事故应急及后果评价工作

*通讯作者：岳会国，E-mail：yuehuiguo@sina.com