海洋环境辐射质量分级方法及导出活度浓度限值初探

余 雯，虞泽锋，王洪波，门 武，何建华*，张玉生

(1.自然资源部第三海洋研究所，福建 厦门 361005； 2.福建宁德核电有限公司，福建 福鼎 355200)

随着我国沿海核电事业的蓬勃发展，尤其在日本福岛核事故对海洋造成严重而持久的污染之后，海洋环境辐射质量评价日益受到广泛关注。当前，我国现行海水水质标准仅对60Co、90Sr、106Ru、134Cs、137Cs等5项核素提出了限值[1]，并未对3H、110 mAg、131I等排放量大或生物毒性较大的核素提出限值，亦未如重金属、持久性有机物(POPs)等其他污染物一样给出更为细化的分级限值。此外，该国标中所定限值偏高，若已超出此限值，说明海洋环境已经受到较严重污染，将对公众和海洋生物造成辐射影响。在当前沿海核电迅速发展的背景下，有必要建立更为细致、实用的海洋环境辐射质量分级标准，以指导海洋生态环境保护工作并协调核电产业的发展。

自上世纪80年代以来，在辐射防护领域，以人类为中心的环境保护理念逐渐发展为以整个生态系统为保护目标的生态保护理念，很多国际组织和政府部门陆续开展了环境辐射质量评价研究。国际辐射防护委员会(International Commission on Radiological Protection, ICRP)于2000年成立了一个工作组专门研究电离辐射对非人类物种的效应问题，并于2002年出版了第91号出版物《评价非人类物种电离辐射影响的框架》[2]；国际原子能机构(International Atomic Energy Agency, IAEA)出版了《在现有辐射防护标准的水平上电离辐射对植物和动物的效应》[3]等一系列报告；联合国原子辐射效应科学委员会(United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation, UNSCEAR)对环境中植物和动物可能受到的辐射效应进行了详细介绍和系统评价[4]；欧洲委员会于2000—2004年完成了“环境影响评价框架(framework for assessment of environment impact, FASSET)项目[5]，于2004—2007年完成了环境电离辐射污染危险评估：评价和管理(environmental risks from ionising contaminant: assessment and management, ERICA)框架项目[6]；美国能源部(United States Department of Energy, USDOE)在技术标准DOE-STD-1153-2002中提出了分级(GRADED)方法[7]，用于评价环境中生物受到的辐射剂量率。

上述国际研究均通过生物辐射剂量计算与评价来进行，其物理意义明晰，切实体现了辐射对生物体的影响。然而，由于辐射剂量体现的是所有放射性核素在生物体内的能量沉积综合效应，通常需要应用辐射剂量计算软件并输入一系列相关参数才能得到评价结果，显得不够直观，亦不便于基层监测人员对监测结果进行评判。导出浓度是公众辐射防护领域广泛使用的一个次级限值，其含义为对应某一辐射剂量限值，某一环境介质中的某一核素放射性活度浓度，其优点是直观、便于日常监测与比较分析。因此，考虑我国国情，导出浓度是更为直观、便捷的海洋环境辐射质量分级参考依据。

综上，我们开展了关于海洋环境辐射质量分级方法及各级导出活度浓度限值的研究。研究的主要目标有以下两点：第一、提出更为细化的我国海洋环境辐射质量分级方法，指导常规与应急状态下的海洋放射性监测与评价；第二、在国际通用的辐射剂量评价方法基础上，建立各主要人工放射性核素的导出活度浓度限值，为海洋放射性监测数据提供评判标准。

1 方法

1.1 海洋环境辐射质量分级方法

本研究从污染评价、保护人类健康、保护海洋生态群落健康的角度将海洋环境辐射质量即海水辐射质量和海洋沉积物辐射质量分为4级(图1)：

第1级，属于安全级别，为环境辐射质量最好的一级，表示海洋环境(海水和海洋沉积物)放射性水平处于海洋的本底范围以内。

第2级，属于警示级别，环境辐射质量次之，表示海洋环境(海水和海洋沉积物)的放射性水平超出本底范围，但还未危害人类及海洋生物的健康，评判标准为海洋中参考放射性核素浓度超出本底范围但在人类的安全浓度限值以内。

第3级，属于高风险级别，海洋环境(海水和海洋沉积物)放射性水平超出人类的辐射安全范围，但还未危害到海洋生物的健康，评判标准是海洋中放射性核素浓度超出人类安全限值浓度以内，但还未超出海洋生物安全浓度限值。

第4级，属于危险级别，海洋环境(海水和海洋沉积物)放射性水平危害到海洋生物的健康，评判标准是海洋中参考放射性核素浓度超出海洋生物安全浓度限值。

图1 海洋环境辐射质量分级方法及导出活度浓度限值(DCL)示意图Fig. 1 Schematic diagram of marine environmental radiation quality classification and the derived concentration limits (DCLs) of radioactivity

1.2 核素选择原则

海洋环境中的放射性核素主要包含两大类：天然放射性核素和人工放射性核素。前者主要包括40K、226Ra、232Th、238U等核素及其子体，来源于地球本身或宇宙射线与大气层相互作用；后者主要包括90Sr、131I、134Cs、137Cs等核素，主要来源于核试验、核电站运行、同位素生产等人类活动；亦有部分核素，如3H，既是天然核素，也在上述人类活动中产生。

目前我国海洋环境放射性监测的主要目标核素主要包括3H、40K、54Mn、58Co、60Co、65Zn、90Sr、106Ru、110mAg、131I、134Cs、137Cs、226Ra、232Th、238U，基本兼顾了核电站排放、天然本底、主要辐射剂量来源等因素，因此，本研究所涉及的核素与此保持一致。

1.3 第1级导出活度浓度限值(DCL1)计算方法

第1级导出活度浓度限值(DCL1)主要参考我国已有的全国性海洋放射性本底调查获取的数据，主要来源于“第二次全国海洋污染基线调查”(二次基线调查，1997—1998年)和“我国近海海洋综合调查与评价”专项(“908”专项，2006—2008年)，共1 376条海水放射性数据和762条沉积物放射性数据。由于目前我国的放射性本底数据时间和空间跨度都较大，且采样时未充分考虑悬浮颗粒物、河流输入等干扰源对放射性核素活度的影响，因此不能简单的选取本底数据中的最大值作为第1级导出活度浓度限值。因此，在本研究中采用统计分析的方法，拟合出各项核素本底数据的平均值Xc及标准差σ，取Xc+3σ作为第1级导出活度浓度限值。

下面以海水中的137Cs为例，说明对放射性本底数据进行统计分析并得到DCL1的方法。对海水137Cs本底数据作频数直方图(图2)，判断其是否符合正态分布。对于正态分布，绝大部分数据落在(Xc-3σ，Xc+3σ)的区间中，偏离3σ的数据仅占总数的0.3%，因此，以Xc+3σ作为DCL1。

从图2可以看出，频数直方图的高峰位于中部，左右两侧大致对称，基本符合正态分布。对频数直方图进行正态分布曲线(高斯曲线)拟合得到的R2值为0.986 1，亦说明该分布符合正态分布。拟合结果显示，该分布的平均值Xc为1.754，标准差σ为0.368，则海水137Cs的第1级导出活度浓度限值DCL1海水为Xc+3σ，即2.86 mBq/L。

图2 海水137Cs本底数据的频数直方图及高斯曲线拟合结果Fig. 2 Histogram and Gaussian curve fitting of seawater 137Cs background data

1.4 第2级导出活度浓度限值(DCL2)计算方法

在与海洋环境辐射所致公众辐射剂量中，相对其他辐射途径(如渔业捕捞、水上娱乐等)，绝大部分辐射剂量来自于通过食用水产品而摄入的放射性核素，因此在本研究中仅考虑此途径的照射：

DH=DBH+ΔDH

(1)

式(1)中：DH为公众所受辐射剂量(mSv/a)，DBH为本底水平放射性核素对公众造成的辐射剂量(mSv/a)，ΔDH为人为活动所致新增的放射性核素对公众造成的辐射剂量(mSv/a)，根据《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》[8]的规定，ΔDH取值1 mSv/a。则第2级导出活度浓度限值(DCL2)为：

(2)

DCL2沉积物i=DCL2海水i·Kdi

(3)

式(2)至(3)中：DCL2海水i为海水中核素i的第2级导出活度浓度限值(Bq/L);S为安全系数，本研究中取5；M为公众人均鱼类产品年消费量，本研究中取25 kg鲜重/a[9]；CRi为鱼类肌肉组织(可食部分)对核素i的浓集系数(L/kg鲜重)，该部分计算中所用的CRi数据来自IAEA技术报告系列第422号出版物[10]；DCCi为食用途径下，核素i的剂量转换系数(dose conversion coefficient， mSv/Bq)；DCL2沉积物i为沉积物中核素i的第2级导出活度浓度限值(Bq/kg)；Kdi为核素i在近岸沉积物和海水中的分配系数，即平衡状态下近岸沉积物中放射性活度浓度与海水中放射性活度浓度的比值(L/kg)；本研究中所用的Kd数据来自IAEA技术报告系列第422号出版物[10]。

值得说明的是，由于鱼类中往往含有多种放射性核素，因此要使公众由于摄入鱼类而受辐射剂量不超过限值，必须满足：

(4)

(5)

式(4)至(5)中：C实测海水i和C实测沉积物i分别为海水和沉积物中核素i的放射性活度浓度实测值(单位分别为Bq/L和Bq/kg)，DCL2海水i和DCL2沉积物i分别为核素i在海水和沉积物中的第2级导出活度浓度限值。

1.5 第3级导出活度浓度限值(DCL3)计算方法

第3级导出活度浓度限值(DCL3)从海洋生物所受辐射剂量导出，从保护海洋生物种群的角度，海洋生物所受辐射剂量需要满足：

DB=DBB+ΔDB

(6)

式(6)中：DB为海洋生物所受辐射剂量(mSv/a)，DBB为本底水平放射性核素对海洋生物造成的辐射剂量(mSv/a)，ΔDB为人为活动所致新增的放射性核素对海洋生物造成的辐射剂量(mSv/a)。

对于ΔDB的限值，目前国际上主要有以下3种意见：①10 μGy/h，该限值为ERICA (V 1.2) 评价体系[6]所采用，是目前国际上最为保守的剂量限值；②400 μGy/h，该限值是IAEA(1992)[3]和UNSCEAR(1996)[4]报告中的推荐值，研究证明当所受辐射剂量低于此值时，海洋生物不会在种群尺度上受到影响；③10 mGy/d，该限值为USDOE[7]所采用，经单位换算后，该值为417 μGy/h，可认为与限值②一致。

综上，结合我国实际情况，本研究中采用400 μGy/h作为ΔDB的限值，导出DCL3。

在海洋生物辐射剂量的计算过程中，采用与ERICA项目一致的生物体辐射剂量模型：

ΔDB=Dint+Dext

(7)

式(7)中：Dint为海洋生物所受人为产生的放射性核素所致内照射剂量(mSv/a)，主要来源于海洋生物体内富集的放射性核素，Dext为海洋生物所受人为产生的放射性核素所致外照射剂量(mSv/a)，主要来源于海水、沉积物中存在的放射性核素。内照射剂量率计算模型：

(8)

(9)

式(9)中：vz为海洋生物在某种介质(海水、沉积物)中的居留因子，即停留时间占比(无量纲)，数据来自ERICA；Czi为放射性核素i在介质z中的活度浓度，如z为海水，量纲为Bq/L，如z为沉积物，则量纲为Bq/kg；DCCext,zi为用蒙特卡罗模拟方法得到的核素i的外照射剂量转换系数，海水和沉积物的量纲为μGy·L/(h·Bq)、μGy·kg/(h·Bq)，数据来自ERICA。

本研究中涉及到的各参考核素的富集系数(CR)和分配系数(Kd)值见表1，表中大部分数据来自于IAEA、国际放射生态学家联合会管理的野生动物转移数据库和ERICA。其中，关于40K的数据是通过本研究收集到的数据计算得出的，海水浓度数据采用平均K浓度(0.399 g/kg)，根据其丰度(0.000 117)得出活度值，海洋生物中40K的活度采用“908”专项、二次基线调查、核电厂周边海域放射性本底调查以及文献[11]中的海洋生物学数据。海洋沉积物中40K的数据来自“908”专项、二次基线调查数据的平均含量，但是哺乳动物、涉禽、海葵/珊瑚、多毛类仍然没有相关数据，由于文献[10]中所列的大部分生物40K数据(浮游植物、浮游动物、甲壳动物、鱼类)都为90 Bq/kg鲜重，所以在此假设哺乳动物、涉禽、海葵/珊瑚、多毛类的40K数据为90 Bq/kg鲜重，待补充相关数据之后再作调整。

与第2级导出活度浓度限值类似，由于环境中往往含有多种放射性核素，因此要使海洋生物辐射剂量不超过限值，必须满足：

(10)

(11)

式(10)至(11)中：C实测海水i和C实测沉积物i分别为海水和沉积物中核素i的活度浓度实测值，DCL3海水i和DCL3沉积物i为核素i在海水和沉积物中的第3级导出活度浓度限值。

表1 各核素的富集系数(CR)值和分配参数(Kd)值

续表

2 结果与讨论

2.1 第1级导出活度浓度限值

根据“1.3”中的计算方法，对中国海洋环境放射性本底数据进行统计分析。

海水放射性本底数据主要包含137Cs、3H、40K、226Ra、90Sr、238U等核素的数据，“1.2”中提及的其他核素均为未检出。其中，海水中137Cs、90Sr和238U的放射性活度符合正态分布，根据其Xc和σ值计算得到海水中这3种核素的第1级导出活度浓度限值。海水中的226Ra的分布不符合正态分布，无法得到拟合结果。这可能与226Ra活度受河流输入、氧化还原电位、沉积物中的Th元素含量等多种因素影响有关，且不同调查中所采用方法的差异也可能影响数据的准确性。因此，取本底数据中的最大值(19.5 mBq/L)作为226Ra的第1级导出活度浓度限值。由于海水中的3H数据量较少，无法得到较好的拟合结果，因此，取本底调查的上限值(3.22 Bq/L)作为第1级导出活度浓度限值。由于本底数据中无海水中40K的放射性活度数据，因此海水中40K的第1级导出活度浓度限值是通过海水中K元素平均浓度(0.399 g/kg)[12]及其天然丰度(0.000 117)和半衰期(1.25×109a)计算得出。

沉积物放射性本底数据主要包含137Cs、40K、226Ra、90Sr、232Th、238U等核素的数据，“2.2”中提及的其他核素均为未检出，由于两次本底调查所用单位不一致，本研究取干湿比0.5对单位进行了统一。沉积物中137Cs、90Sr、238U、226Ra、232Th和40K等核素的放射性活度均符合正态分布，根据其Xc和σ值计算得到沉积物中各核素的第1级导出活度浓度限值。

研究得到海水中137Cs、90Sr、238U、226Ra、3H、40K，以及沉积物中137Cs、90Sr、238U、226Ra、232Th和40K的第1级导出活度浓度限值如表2所示：

表2 海水和沉积物中各核素本底数据的高斯曲线拟合结果及第1级导出活度浓度限值

2.2 第2级导出活度浓度限值

根据“1.4”中的方法，计算得到海水和沉积物中各核素的第2级导出活度浓度限值(表3)。可见，海水中各核素的第2级导出活度浓度限值差异较大，最小值为232Th (2.9×10-3Bq/L)，最大值为3H(1.3×105Bq/L)，相差8个数量级，这与各核素的辐射剂量转换系数及在鱼类肌肉中的浓集系数存在差异有关。

沉积物中各核素的第2级导出活度浓度限值差异小于海水，最小值为90Sr (9.4×101Bq/kg干重)，最大值为54Mn (3.0×106Bq/kg干重)，相差5个数量级，除上述两个因素以外，亦与各核素在沉积物和海水中的分配系数存在差异有关。

表3 海水及沉积物中各核素第2级导出活度浓度限值及其剂量转换系数

2.3 第3级导出活度浓度限值

根据“1.5”中的计算方法，得到表4中海水和沉积物中各核素的第3级导出活度浓度限值。可见，海水中各核素第3级导出活度浓度限值差异也非常大，最小值为54Mn (4.3×10-1Bq/L)，最大值为3H (4.8×107Bq/L)，相差8个数量级。沉积物中各核素的第3级导出活度浓度限值差异亦较大，达到2个数量级，最小值为238U (1.7×104Bq/kg干重)，最大值为40K (1.5×106Bq/kg干重)。

表4 海水及海洋沉积物中各核素第3级导出活度浓度限值

2.4 现行海水水质标准限值与各级导出活度浓度限值的比较

图3为现行国家海水水质标准[1]中规定的海水放射性核素浓度限值与各级导出活度浓度限值的比较。从图中可见，现行国家标准中有规定限值的5种核素(60Co、134Cs、137Cs、106Ru和90Sr)，限值比第1级导出活度浓度限值(本底范围)高2～3个数量级，均低于第2、3级导出活度浓度限值，说明当前国标中对这5种核素规定的浓度限值是比较合理的，能有效地保护公众和海洋生物免受辐射伤害。当前国标规定限值的主要问题是对海洋环境辐射质量分级过于简单，仅分为低于限值和高于限值两个级别，且未能明确这两个级别的辐射防护意义。而本研究中提出的分级方法，将海洋环境辐射质量分为4个级别，分别定义其明确的辐射防护意义，相对于当前国标限值更为细致和全面。

对于大部分核素，第2级导出活度浓度限值比第3级低1～3个数量级，说明对于大部分核素来说，要实现对公众的辐射防护比实现对海洋生物的辐射防护对海洋辐射质量有更严格的要求。但是，对于54Mn、106Ru和238U，它们的第3级导出活度浓度限值低于第2级，说明对于这3种核素，要实现对海洋生物的辐射防护比实现对公众的辐射防护对海洋辐射质量有更严格的要求，这与ICRP 108号报告[13]中提到的“在某些情况下，海洋生物会受到比公众更大的辐射剂量”是一致的。因此，对于这3种核素，如果海水中实测活度浓度大于第3级导出活度浓度限值而小于第2级，则辐射质量的分级评价结果仍将为第3级。

图3 现行海水水质标准限值与各级导出活度浓度限值比较Fig. 3 Comparison of DCLs for seawater and current national standard limits

图4 沉积物各级导出活度浓度限值比较Fig. 4 Comparison of DCLs for sediments

3 结论与展望

本研究从污染评价、保护人类健康、保护海洋生态群落健康的角度，提出了将海洋环境辐射质量分为4个级别(其含义分别为本底范围、超出本底范围但无危害、超出公众辐射限值和超出海洋生物辐射限值)，并给出各级别的导出活度浓度限值的计算方法。其中，第1级导出活度浓度限值的主要计算依据为我国的放射性本底调查数据，采用统计分析的方法，取绝大多数本底值的上限值，作为该级别导出活度浓度限值。第2级的主要计算依据为公众辐射剂量限值、鱼类对不同核素的浓集系数、不同核素的剂量转换因子、海产品消费量等参数，原则是确保在正常摄入海产品的情况下，对公众造成的辐射剂量不超过国标规定的年剂量限值。第3级的主要计算依据为国际上有关海洋生物辐射剂量限值的研究成果，原则是保护海洋生物在种群尺度上不受辐射伤害。相对于当前国标的分级方法和限值，本研究中提出的分级方法及限值具有先进性和全面性。

本研究中存在的主要问题是，海洋生物剂量评估过程中所用的CR值和Kd值主要来源于国际研究，如能建立我国海洋环境的CR值和Kd值数据库，将进一步提高辐射剂量评估的准确度。

本研究成果有助于国内工作在一线的海洋监测人员对常规监测数据进行评价，亦为海洋管理决策提供技术支持和参考依据。本研究成果将在国内海洋监测部门进行推广应用，并争取上升为海洋行业标准或国家标准。