近岸海洋放射性监测预警技术支持平台的设计与研发

倪甲林，于 涛*，刘双印，黄德坤，张 飞，徐虹霓，纪建达，庄海东

(1.自然资源部第三海洋研究所、海洋放射性技术与环境安全评估实验室，福建 厦门 361005；2.厦门蓝海天信息技术有限公司，福建 厦门 361008 )

当前我国海洋环境可能遭受的核事故威胁主要包括3类：① 滨海核电站/核设施发生的核事故；② 包括日本、韩国等相邻国家和地区的滨海核设施发生核事故泄露流入海洋造成我国近海、近岸海域的跨界输入的外源性核污染；③ 海上移动核设施、涉核航天器坠落事故造成我国的海洋核污染[1]。在滨海核电站建设与运营方面，截至2019年10月，我国在运核电机组47台，装机4 874万千瓦，占全国电力总装机的2.5%，在建核电机组12台，装机1 260万千瓦[2]，居世界第一，基本形成了遍布沿海各省的核电布局。此外，随着我国船舶核动力军民融合的快速发展，海上移动核设施的小型化利用也将逐渐展开。核能的高效开发与利用给我国经济发展带来了新的动力，但同时核安全风险和挑战也应运而生。伴随着我国滨海核电厂运行机组数量的增加及运行年限的延长，海上核移动设施的投入运行，“一带一路”沿线核电 “走出去”战略的不断深入，我国海洋放射性环境安全面临的压力与日俱增。此外，当前我国核电厂选址建设多在海湾湾口或湾内，水动力交换条件相对较弱，存在发生核事故且放射性物质通过液态途径进入海洋环境的潜在风险，并可能长期滞留在海岸带地区，会对不同食物链等级的海洋生物、生态系统及人类健康产生辐射危害。

核安全作为国家安全体系的重要组成部分，事关国家安危、人民健康、社会稳定、经济发展及大国地位，确保核安全是我国核能事业发展的重要前提条件。核事故应急准备和响应作为核安全纵深防御的最后一道屏障，能够降低事故风险，缓解事故后果，是核能开发和核技术利用可持续发展的重要保证。核事故应急决策支持系统作为提高应对核事故能力的重要手段，是核事故应急响应期间的重要信息交换和指挥平台，可以为核应急响应行动方案的制定提供切实可行的建议[3]。世界上已经有许多国家利用计算机技术研究和开发了多款不同类型的核应急决策支持系统，如欧共体的RODOS系统、美国NARAC程序系统和FASER系统、英国的RIMNET系统、韩国的Atom CARE系统、日本的WSPEEDI等。国内方面，经过各方面多年努力，我国在国家、省级地方和核电厂3个层次已初步建立了各自的核应急决策支持及事故后果评价系统[4]，如国家核应急办的国家核应急决策支持系统、江苏省核应急管理与指挥决策支持系统、田湾核电厂场外后果评价系统等。但是当前核应急决策支持系统及评价系统大多是模拟核事故发生后放射性烟羽的迁移扩散趋势以及对周边民众的辐射剂量进行预测与风险评估，并提出对应的响应策略，侧重的是对陆地生态系统、公众健康的辐射危害评估，辅助决策者和专家开展陆域环境上的应急决策，鲜见到有针对滨海核电厂发生核事故后放射性物质泄露到海洋环境，并对海洋生态环境展开影响预测及应急响应决策支持系统的研究。而滨海核电厂如发生大规模放射性物质泄露，势必伴有大量放射性物质流入海洋环境。如日本福岛核事故中，在不考虑惰性气体前提下，泄露的放射性物质总量约为520 PBq，大约为切尔诺贝利核事故总量的10%～15%[5]，其中80%的放射性物质进入了太平洋，19%沉降于日本，不到1%沉积于北美、欧亚大陆等地区[6-10]。

为了在滨海核电厂发生核事故期间，能够帮助决策者全面透彻的了解事故周边海域环境敏感信息，科学准确的预测预报放射性流出物在海洋环境中的迁移扩散趋势，精准智能的开展海上应急监测与救援部署，迅速有效的建立辐射防护体系，科学评估放射性流出物对污染海域海洋生物与生态效应，提高我国核事故海上应急响应能力，最大限度的降低核事故对近岸海域环境和社会的影响，根据自然资源部第三海洋研究所(2015年被国家核事故应急协调委员会授予“国家核应急海洋辐射监测技术支持中心”)在核应急期间所要承担的任务和能力要求，通过利用计算机技术、GIS地理信息系统、海洋专业数值模型等技术，构建了海洋放射性预警监测与评价系统。本研究就平台的设计框架和关键技术进行介绍。

1 系统设计架构

海洋放射性监测预警技术支持平台是一个以计算机硬件与网络通信为依托，以政策法规、标准规范、信息化机构及安全体系为保障的信息资源管理、评价与决策支持系统。整个系统的设计框架包括基础设施层、软件平台层、数据层、数据集成层、应用层和用户层等不同层次。图1 为系统的架构示意图。

图1 海洋放射性监测预警技术支持平台设计架构示意图Fig.1 Design framework of marine radioactivity monitoring and early warning technical support platform

1.1 基础设施与软件平台层

基础设施与软件平台层是由硬件设施、软件设施、网络运行环境等基础设施组成，用于支持系统的安全运行。其中硬件设施层由PC终端、数据服务器、交换机等硬件组成，为系统的运行提供物理环境。软件平台由操作系统、数据库系统、WebGIS应用服务、ETL数据集工具、报表工具等组成，为系统的运行提供软件环境。在网络结构设计上，考虑到核应急期间信息交流的保密性要求，平台系统采用防火墙过滤方式，通过交换机与Internet外网、应急专网相连接，以保证信息传输的安全性，进而为系统运行提供一个相对安全的对外联系通道。

1.2 数据层

数据层由若干个数据库组成，包括我国及周边国家滨海核电厂/核设施的基础信息、基础地理信息、水文气象、海洋生态-环境监测、海洋经济产业、应急资源分布、人口布局等数十个数据库构成，是支持系统平台运行的数据基础。

1.3 数据集成层

数据集成层在整个框架中具有承上启下的作用，通过对集成预制管理、任务调度与监控、抽取/加工引擎、数据质控等方式实现对信息资源的统计集中管理，并通过数据发布、数据共享为上层综合应用系统所需数据资源的获取提供联系与支撑。

1.4 综合应用层

综合应用层用于开发、组建各系统功能模块，实现系统具体的功能应用与展示，包括海洋数据管理、海洋基础模型分析、数据分析与展示、文本生成等子系统。

1.5 用户层

用户层是对系统平台的使用者进行管理分类。根据系统平台操作者的不同，分为管理员、业务员、领导层和其他单位4种身份类型。针对不同类型的使用用户，系统的使用操作权限有所不同，登录者只能操作和查看自己权限范围内的子系统功能模块。

2 系统功能模块的设计与实施

根据国家核应急海洋辐射监测技术支持中心在核应急期间担负的主要任务和工作流程，本系统设计的主要功能模块包括：日常监管模块、预测预警模块、应急监测与指挥模块、数据采集与审核模块、风险评估模块等，各功能模块的结构设计如图2所示。

图2 海洋放射性监测预警技术支持平台功能结构设计图Fig.2 Functional structure design of marine radioactivity monitoring and early warning technical support platform

2.1 日常监管模块

2.1.1 核电厂基础信息 通过收集我国及周边国家和地区的滨海核电厂基础信息，并进行数据标准的编辑、处理与储存，构建了核电厂基础信息数据库。系统利用ArcGIS可视化技术集成展示了各滨海核电厂的基础资料，并可以二维图表的形式查询相关统计信息，如核电厂放射性流出物中不同核素的年际排放变化情况。核电厂基础信息库的建立与展示有助于管理者加强对核电企业的运营监管，识别事故中释放的特征核素，开展事故情景下的风险预测与评估。

2.1.2 海域环境信息 在核事故应急处置过程中，及时全面的了解核电厂周边海域环境信息，对协助专家和决策者部署应急监测、救援方案具有重要意义。为此，在该功能框架下，系统利用网络提取了核电厂外围辐射环境监督性监测站的空气剂量率、潮汐及海上气象等实时环境信息，并以图形的方式直观展现各要素的实时变化特征。此外，系统集成了核电厂烟羽应急计划区和食入应急计划区内的人口分布、海洋经济产业布局、海洋功能区划、海洋环境保护区划等环境信息，用于帮助决策者识别核电厂周边海域环境敏感目标，优化救援、监测方案。

2.1.3 监测信息 在该功能模块下，通过选择监测时间、监测介质、监测要素可实现对核电厂邻近海域不同环境介质，包括对水体、海洋生物及海洋沉积物中的常规化学要素、放射性核素比活度以及海洋生物与渔业资源进行查询。系统可根据某一时期调查站位分布将调查结果以直方图的形式直观展现在各调查站位上。此外，系统还可以通过确定某一调查站位，进而查看该站位历年来某调查要素的年际变化情况，并以趋势线的形势呈现出来。

2.2 预测预警模块

为了满足对泄漏到海洋环境中的放射性废水迁移扩散趋势进行数值模拟，以实现对可能将遭受辐射污染的海域面积、严重性以及遭受污染时间进行提前感知，进而可优化海上应急监测方案，指导开展海上应急救援、海域使用管理及海上交通管制等措施，系统开发了海洋放射性预测预警功能模块。

2.2.1 三维海洋环流模型的建立 构建仿真型、精细化的水动力模型对模拟放射性核素在区域海洋中的迁移扩散至关重要。为此，在数值仿真模型方面，本研究选择基于区域海洋模型系统ROMS(Regional Ocean Modeling System)初步构建了三维斜压海洋环流模型，并根据研究海域的流场特征，结合实地水文气象观测资料(包括温度、盐度、海面风场等)进行模型校验，构建了放射性核素运输扩散的海流背景场。为提高预测模型的精细化程度，根据污染物在短期内可能严重影响的范围，将海流模型计算区域设置为核电厂邻近海域50 km范围内，并使用了高分辨率的水深岸线资料将海流背景场时空分辨率提升至200～400 m之间。

2.2.2 放射性核素运输模型的构建 进入海水中的放射性核素首先溶解于水或以悬浮状态存在。悬浮于海洋中的放射性核素容易吸附于悬浮物体的表面并以颗粒态存在，而溶解态和颗粒态的放射性核素通过生物摄食或渗透等方式进入食物链，并在海洋食物链中传递，同时通过生物沉降、颗粒埋藏等作用被引向海底沉积物[11]。根据核素的自身特性，本项目模拟137Cs、134Cs、110mAg、90Sr、3H等 5种典型的放射性核素在水体中的输运扩散、被悬浮物吸附以及自身衰变的过程，其中137Cs、134Cs、110mAg代表颗粒态核素，90Sr和3H代表溶解态核素。通过收集获取的上述放射性核素在海水与悬浮物中的分配系数、放射性物质在悬浮泥沙中的沉降通量、放射性物质在水体中的扩散系数等参数，构建了放射性物质的海洋运输扩散模型。由于系统模拟预测海域面积相对较小、模拟时间相对较短，所以海洋生物对放射性物质的富集而使得海域中放射性核素降低的部分暂不考虑。最终系统通过采用与海流模型相同的计算范围和计算网格，并与海流模型联立运行，建立了放射性核素在模拟海域环境中的运输扩散模型。

根据滨海核电厂事故释放出来的放射性废水量的大小，结合释放的放射性核素类别、特征、比活度以及释放时间和位置坐标等信息，系统可同时模拟5种核素在平均气候态条件下的迁移扩散情景，计算当前和未来一段时间内邻近海域海水中放射性比活度分布情况，同时被污染的海水以动态画面的形式在ArcGIS地图上展示随时间推移的扩散情景。通过对计算结果进行解析，可以计算出受影响的海域面积、海洋功能区个数及分布，并以不同的颜色标注出被污染的海水中放射性核素比活度的大小。

2.3 应急监测与指挥模块

海洋核应急监测是指核设施进入事故应急工况后对海洋环境所进行的非常规性环境监测，其目的在于尽可能及时的提供有关事故对海洋环境及公众带来的辐射影响方面的数据，以便为剂量评价及防护行动决策提供技术依据[12]。核事故期间，及时了解事故电厂及周边海域的基础概况对制定海域应急监测方案具有重要指导意义。通过该模块可查看事故电厂的概况、邻近海域环境敏感点信息、核电厂外围监督性监测站位分布、空气γ剂量率变化情况以及核电厂邻近海域实时气象和潮汐信息等。

为了在核事故期间，系统能够迅速生成海上应急监测方案，以核电厂排水口为中心，邻近30 km海域内按照全面覆盖、近密远疏的布站原则，预设了30个海上采样监测站点。在核事故发生后，按照以下原则确定采样站点和顺序：

① 按照近密远疏，扇形布置采样站点；② 主导风下风向、潮流流向和环境敏感区加密布站；③ 上风向设置对照站点；④ 采样顺序由轻污染区向重污染区缓慢推进。

系统通过结合事发海域风向和涨落潮信息，可以自动选择海上应急监测站点，并确定采样顺序。此外，操作者还可以根据放射性废水在海洋环境中的迁移扩散预测的结果，自主添加采样站点和制定采样顺序。

在制定采样介质和监测要素方面，由于应急情况下时间的紧迫性以及局势的不明朗，使得不同事故阶段海洋核应急监测的目的和任务不尽相同[13]。因此，在制定海上应急监测内容时系统统筹不同阶段的监测需要，将不同时期、不同环境介质中所要开展的各监测要素均列了出来，包括海上空气剂量率、累积剂量率、个人剂量、表面污染、海上气象要素的监测(风向、风速、湿度、大气压等)以及气溶胶和表层海水、海洋生物、海洋沉积物中相应监测核素和总α、总β的监测等。在制定海上应急监测方案时，系统操作者可以根据实际监测需要，选择相应的监测内容。

考虑到核事故应急监测与其他事故应急监测的最大不同点是外业监测人员可能会暴露在辐射环境下开展监测任务，为了保障海上应急监测人员的自身安全，系统在生成应急方案时会提出装备配置要求，包括应急通讯设备、辐射监测设备、辐射防护设备、医疗救助设备、采样设备及其他设备等。此外，参考IAEA报告中关于典型反应堆事故情况下的操作干预水平缺省值的推荐[14-15]，在系统生成的应急监测方案中提出了辐射防护与撤离建议，即在事故情景不明了时，当烟羽环境剂量率为0.1 mSv/h时，推荐服用碘片和临时隐蔽；当烟羽环境剂量率达1.0 mSv/h或应急监测人员的累积有效剂量达到50 mSv时，推荐监测队员停止作业立即返航，并提出人员和设备去污要求。

2.4 数据采集与审核模块

系统通过对数据采集者和审核者进行操作权限的设置，使得数据采集者和审核者只能使用自己权限范围内的功能模块，即数据采集者只能按照系统规定的要求上传采集到的数据，无数据审核权限。数据审核由专人负责对上传的数据进行系统自审核和异常数据审核，只有通过全部审核后，上传的数据信息才会被系统储存记录，一同记录的还有采集人员、采集时间以及审核人员等信息，方便数据的溯源追踪查询。

2.4.1 数据的输入与上传 登录系统后，数据采集者需要输入数据来源、检测单位资质、检测方法、数据结果等信息。数据来源主要是对要输入的数据背景进行介绍，这里包括数据监测目的、监测海域、调查时间等信息。检测单位资质信息主要记录开展本次调查监测的单位及部门、该单位的计量认证编号、监测人员资质证书等信息，以加强对检测质量的管理。由于当前海洋放射性检/监测方法暂无统一规定，相关单位在进行海洋放射性检测时使用的方法有所区别，这里采集者通过输入所使用的检测方法，可以明确记录该检测方法下各核素的最低检测限，有利于系统对数据的进行自动审核。最后数据采集者将监测结果经预处理后，通过数据接口协议转换为本系统可识别的数据格式，并暂时储存在构建的海洋放射性监测数据库里面等待审核者审核。

2.4.2 数据审核 为了提高审核效率，系统建立了自动化审核与人工审核相结合的审核、审批流程。系统自动化审核首先是根据监测的介质类别、核素种类以及监测方法等特征，对所采集的数据进行最低检测限的审核，当采集的数值低于方法中最低检测限时，则系统提示数据异常。其次将采集的数据与收集、整理的该海域背景监测资料以及与其他海域的监测资料进行比较，当明显低于或高于历史背景值时，则系统同样会提示数据异常。最后根据放射性核素的衰变和释放的射线特征，系统对所采集的数据进行对比审核，如40K比活度应小于总β，海水中210Pb的比活度不小于210Po等。对于在系统自动化审核过程中出现异常数据，系统提醒审核者对异常数据进行人工审核，以确保采集数据结果的有效性、可用性和准确性。数据采集和审核模块的建立可以对海洋放射性调查和海洋核应急监测结果进行筛选或查找异常数据，并比较当前数据结果相对历史监测资料的变化情况，有利于为下一阶段生物风险评估提供可靠的数据支撑。

2.5 风险评估模块

本评估模块采用美国核管理委员会(USNRC)提出的经典风险评价四步法(即危害鉴别、剂量-效应关系评价、暴露评价和风险表征)进行生物辐射风险评估，参考欧盟的ERICA Tool评估模型进行界面设计。

为支持开展生物风险评估，该功能模块下分别构建了海洋放射性核素危害数据库、评价物种库、核素分配系数和浓集因子数据库、剂量-效应数据库等，其中在海洋放射性核素种类数据库中设计新核素添加功能，并增添了40K等核素，构建了多达71种海洋放射性核素。在评价生物物种方面，根据评价生物的生活习性，将海洋生物种类分为哺乳动物、底层鱼类、中上层鱼类、多毛类、浮游动物、浮游植物、大型藻类、甲壳类、爬行类软体动物、维管植物和鸟类等11类。在评价过程中，根据所要评价生物的种类，选择相应的类别进行评价。依据IAEA-422系列报告[16]中核素在沉积物、生物中的分配系数和浓集因子分别建立了分配系数和浓集因子数据库。此外，系统还通过收集、整理评估海域中海水、沉积物及海洋生物体内的历史放射性监测数据，新增加了海洋放射性核素在调查海域沉积物中的分配系数和生物浓集因子，以满足特定区域的评估需求。

在开展非人类物种辐射剂量风险评估方面，IAEA、ICRP等国际机构认为应侧重对生物种群的生存能力以及生态系统的完整性方面开展研究，包括种群的数量、结构、繁殖能力的辐射影响，而非注重辐射对个体层次的损伤[17-19]。国际有关机构在保护生物种群免受辐射伤害而提出的相关辐射剂量率限值如表1所示 。参照表1中生物种群最低辐射剂量限值，本系统默认10 μGy/h为海洋生物的风险剂量率参考限值。此外，系统还可以根据评价者需要自定义风险剂量率参考限值。

在评估过程中通过输入海水、沉积物或海洋生物中的核素比活度，结合系统数据库中不同核素对海洋生物的剂量转化因子计算出该种生物当前的辐射剂量率。通过将计算结果与评估海域的辐射背景值以及风险剂量率参考限值相比较，判断当前海洋生物可能遭受的辐射剂量变化及风险大小。利用收集、建立的国内、外已开展的剂量-效应数据库来评价当前剂量率对海洋生物种群的生物健康效应，最后根据需要系统可自动生成生物辐射风险评估报告。

表1 国际上主要研究机构提出的辐射剂量率限值

3 结论

本平台是在福岛核事故经验教训的背景下，依据我国国家核应急预案和国家海洋核应急预案(拟定稿)并结合自然资源部第三海洋研究所在核应急期间所要承担的职责与任务要求的基础上，通过运用计算机技术、GIS信息技术、数据库及信息处理等技术，结合开发建设的海洋专业数值模型、风险评估模型和应急监测模型以及污染迁移扩散模型的基础上开发建设，将为不同层级的使用者提供查询核电厂邻近海域海洋环境质量变化及海域使用状况。在海洋核应急期间，有助于为核应急决策者提供应急决策支持，指导开展海洋应急监测、预警、救援以及风险评估，有助于提高我国海洋核事故应急准备和响应能力。

本研究就该系统平台的设计架构、各子系统功能模块的设计方案和关键技术进行了详细介绍，为我国海洋放射性监测预警支持系统的开发、建设提供了一种设计思路，对今后海洋放射性应急监测与指挥系统的建设起到了一定的参考和借鉴作用。由于海洋核应急工作是一项涉及众多组织和部门，需要实时接收和传导大量信息、命令和通知的复杂工程，当前该系统还有很多问题需要解决，我们将在后续研究中不断修改和完善系统平台的使用功能。