[韓] 鄭孝俊 等

梁靜靜 譯自美刊《核能年鑒》2009年第36卷

放射性物質(zhì)可能是人為或偶然地進(jìn)入水源。在商用核電站和核廢料處理站已發(fā)生過多次意外泄漏事故,如三里島(Three Mile Island)和切爾諾貝利(Chernobyl)事件是典型的核電站放射性物質(zhì)意外泄漏事故(波特(Bot),2004年;菲森科(Fesenko)等,2007年)。有毒化學(xué)品或放射性核素向環(huán)境的蓄意排放被稱為“恐怖襲擊”。全世界有很多位置存在放射性物質(zhì),因此,放射性核素蓄意泄漏事件可能會在任何地方發(fā)生。諸如放射性分散裝置(RDD)等造成的放射性物質(zhì)蓄意泄漏,首先會給人們帶來一定的放射曝露,進(jìn)一步還會對與其投放點(diǎn)毗鄰地區(qū)造成更為嚴(yán)重的環(huán)境污染(瓊斯(Jones)等,2003年)。公眾受到不利的環(huán)境影響,將會出現(xiàn)癌癥等健康問題。

放射性物質(zhì)被排入環(huán)境之后,放射性核素可通過吸入、食入等途徑進(jìn)入人體,進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)照射,飲用水是其被食入的媒介。放射性核素向人體組織直接釋放大量能量,損傷 DNA和細(xì)胞,造成致癌風(fēng)險(xiǎn)。本文在假定一種放射性污染物被蓄意泄漏的情景下,主要討論了放射性核素造成的飲用水污染和健康風(fēng)險(xiǎn)評估問題。有關(guān)人為加強(qiáng)的天然放射性物質(zhì)(如氡和鈾)對水質(zhì)影響的研究,已有大量報(bào)道。還有幾項(xiàng)研究調(diào)查了意外泄漏的放射性物質(zhì)在水體中的遷移轉(zhuǎn)化。但是,據(jù)我們所知,對蓄意泄漏造成的飲用水放射性污染的風(fēng)險(xiǎn)評估至今還沒有人開展專門的研究。

八堂湖是首爾市區(qū)的唯一水源,兩千多萬人的飲水供應(yīng)均依賴于此。因此,為了評估受核素污染的水源對人體健康造成的放射性風(fēng)險(xiǎn),對水系中放射性污染特征做進(jìn)一步深入研究極為必要。在假定50TBq的銫 -137被蓄意排入水源區(qū)的情景下,計(jì)算其瞬時濃度和致癌風(fēng)險(xiǎn)。在本次研究中,為了計(jì)算銫 -137在水體中的遷移轉(zhuǎn)化,我們引入了完全混合和偏微分兩個概念。

1 材料和方法

1.1 污染情景

1987年 9月,巴西中部戈亞斯(Goias)州首府哥亞尼亞(Goiania)市一家廢棄的醫(yī)院曾遺失一個舊輻射源(克魯斯(Cruz)等,2008年)。該輻射源包含 50TBq的銫 -137以氯化銫的形式存在,它被封裝在 2個相互嵌套的不銹鋼容器中。隨后,這一輻射源被數(shù)人接觸,產(chǎn)生了嚴(yán)重的放射性污染,并造成多人死亡。索耶(Sohier)和哈德曼(Hardeman,2006年 )、蒂森 (Thiessen)等學(xué)者 (2009年 )都曾以此作為蓄意排放情景的源項(xiàng)。本次研究也將此假定情景引入,將輻射源假定為 50TBq的銫 -137,并設(shè)想將其排入八堂湖即首爾市一重要水源中。

八堂湖是韓江水系的一部分,位于韓國中部,是首爾市區(qū)的主要水源。八堂湖湖面面積 29 km2,容積2600萬 m3。共有 3條河流注入該湖泊,即韓江北支、韓江南支及慶南(Kyounan)溪。兩千多萬市民的飲水均依賴于此。因此,蓄意排放放射性污染一旦發(fā)生,危害將非常大。由于慶南溪水量很小,湖泊水質(zhì)主要受韓江南、北兩支流的影響。本次研究的污染情景假定為向韓江北支引入 50TBq的銫 -137核素。

1.2 水動力學(xué)和水質(zhì)模型

用于計(jì)算放射性污染物水質(zhì)濃度的數(shù)學(xué)模型通常是建立在物理、化學(xué)和生物學(xué)原理基礎(chǔ)上,可利用這些原理來描述濃度的時空分布差異。雖已有多個水動力學(xué)和水質(zhì)模型可用于供水系統(tǒng)的評估問題,但環(huán)境流體動力學(xué)程序(EFDC)模型在湖泊、海岸和海洋系統(tǒng)中的應(yīng)用更為廣泛。

EFDC模型由弗吉尼亞海洋科學(xué)研究所研制開發(fā),近來被廣泛用于環(huán)境學(xué)水質(zhì)模擬研究:污染物遷移轉(zhuǎn)化模擬、發(fā)電廠冷卻水排放模擬、沉積和疏浚效應(yīng)模擬以及湖泊和海洋系統(tǒng)中有毒污染物輸移模擬。

該模型利用彈性 σ縱坐標(biāo)、笛卡爾曲線和水平正交坐標(biāo)系,能夠解決具有以下特征的問題:三維、垂向靜力、自由表面、密度可變流體的均勻紊流運(yùn)動方程?？梢岳脛恿?、質(zhì)量和能量的守恒來描述湖泊水體,并通過布辛涅斯克(Boussinesq)近似、流體靜力學(xué)近似和準(zhǔn)三維近似來簡化湖泊系統(tǒng)。水動力是毒物和沉積物的輸移動力,它通過環(huán)境對污染物的遷移產(chǎn)生影響,水動力因素在水平曲線坐標(biāo)和垂向 σ坐標(biāo)系中以如下形式存在于模型中:

式中 u和 v分別為水平正交曲線坐標(biāo) x和 y方向的速度分量;水平坐標(biāo)系的比例系數(shù)分別為 mx和 my;垂向坐標(biāo) z方向的豎向速度為 w;自由表面和湖底的實(shí)際縱坐標(biāo)分別為zs*、zb*;總水深度為 H;?表示自由表面電勢,等于 gzs*;fe為科里奧利(Coriolis)加速參數(shù);垂向紊流粘度 Av將剪應(yīng)力與水平速度分量的垂直剪應(yīng)力聯(lián)系起來;運(yùn)動大氣壓依據(jù)水體密度而定,表示為 patm。

湖泊水體中放射性物質(zhì)的水質(zhì)演變與湖泊的流動條件密切相關(guān)。當(dāng)某種放射性物質(zhì)被排入湖泊或其他水域,其遷移轉(zhuǎn)化過程決定著放射性核素濃度分布,主要影響因素是水力輸移過程和化學(xué)反應(yīng),包括衰減機(jī)理。水平對流、擴(kuò)散和垂向混合是水力輸移過程最主要的決定因素。由于地形復(fù)雜,放射性物質(zhì)輸移過程通常發(fā)生在三維流場中,因此,水平和垂直方向的遷移過程都需要考慮。溶解態(tài)或懸浮態(tài)物質(zhì),以及本文中已知單位體積濃度質(zhì)量的放射性物質(zhì) C的普通遷移方程可表示如下:

式中 Kv和 KH分別為垂直和水平方向的紊流擴(kuò)散系數(shù);C代表某種懸浮物;Qc表示外部和外部源與匯;wsc為正的沉降速度。

在水平曲線坐標(biāo)和垂向 σ坐標(biāo)系中,通常采用有限差分格式來求解模型方程。因此,環(huán)境流體動力學(xué)程序模型也采用有限差分法。該方法選取3個時間段,通過內(nèi)外模式劃分過程來實(shí)現(xiàn)內(nèi)部切變模與外部自由表面重力波模的分離。為保守評估風(fēng)險(xiǎn),假定所有的銫 -137都以溶解態(tài)形式存在于水體中。

1.3 風(fēng)險(xiǎn)評估方法

飲用水一旦受到放射性核素污染,會對公眾健康帶來較大風(fēng)險(xiǎn)。通過對魚、糧食等食物的攝入,放射性核素能夠在機(jī)體內(nèi)累積,從而達(dá)到危害人體健康的程度。同時,放射性核素或有毒物質(zhì)經(jīng)過累積也會干擾生態(tài)系統(tǒng)自身的功能。美國環(huán)境保護(hù)署(EPA)給出了評估放射性核素對健康影響的“風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)”。雖然還有一些其他的直接接觸和吸入途徑,但飲用水是水污染對人體健康產(chǎn)生危害的重要途徑。因此,本文就此開展研究。風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)適用于一般人群,因此在某種意義上,風(fēng)險(xiǎn)評估是建立在某一假定的固定封閉群體年齡和性別平均的基礎(chǔ)上。本文選擇飲用受污染自來水導(dǎo)致的死亡風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)和患病風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)來評估銫 -137對人體帶來的健康風(fēng)險(xiǎn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 韓江北支匯入支流中銫 -137濃度

在八堂湖的北支有一座叫重平(Choung-Pyoung)的水壩,該壩主要用以維持八堂湖穩(wěn)定的水量,并兼具發(fā)電功能。假設(shè)在重平壩排入 50TBq的銫 -137,并在此達(dá)到完全混合狀態(tài)。之后,隨著時間的推移,受銫 -137污染的河水會注入八堂湖。

放射性核素在水系中的反應(yīng)與有機(jī)化學(xué)物質(zhì)類似。向重平壩排入銫 -137之后,假設(shè)污染物與河水實(shí)現(xiàn)完全混合,水體中放射性核素質(zhì)量平衡方程如下:

式中 t表示時間;C為銫 -137濃度;V表示水量;Q表示入流量;Cin為銫 -137入流濃度;k是銫 -137衰減系數(shù)。利用龍格 -庫塔(Runge-Kutta)法,在MATLAB程序環(huán)境下,可求出上述一階常微分方程的數(shù)值解(馬斯沃爾克斯(Mathworks),2002年)。

水系中銫 -137的主要去除過程是上游支流匯入產(chǎn)生的稀釋作用。圖 1表示了在八堂湖北支的重平水壩排入放射性核素銫 -137之后的濃度分布。由圖 1可知,銫 -137最大濃度為 1480Bq/L,但是在受到上游清潔來水稀釋作用的影響后,銫 -137濃度急劇下降。

2.2 水動力學(xué)和水質(zhì)模型

模型域柵格由網(wǎng)格單元構(gòu)成,覆蓋了 EFDC數(shù)值模型的空間范圍。柵格將水域空間范圍劃分為三維結(jié)構(gòu),從而形成 EFDC模型計(jì)算的基礎(chǔ)。為了準(zhǔn)確模擬銫 -137的水動力和水質(zhì)狀況,柵格圖形必需真實(shí)可靠。最佳的解決途徑便是利用可視化正交網(wǎng)格生成(VOGG)技術(shù)建立八堂湖的笛卡爾空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。模型域中湖岸線邊界條件建立在一個 GIS格式的 shape文件基礎(chǔ)上,該 shape文件可通過一個CAD文件格式的數(shù)字地圖得到。網(wǎng)格與湖岸線如圖 2所示。柵格共包括 1341個水平網(wǎng)格單元,σ圖層即垂向圖層的數(shù)量是可變的,以便于精確表示水動力條件和遷移過程。本次研究確定的垂向 σ圖層的最終數(shù)量為 3層。因此,水平和垂直方向圖層的總網(wǎng)格單元數(shù)即為4023個。利用圖 3中的等深點(diǎn)數(shù)據(jù)均值,對模型域中的等深數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)。

圖1 在重平水壩排入污染源后水流量與銫 -137濃度關(guān)系曲線

圖2 水動力水質(zhì)模型網(wǎng)格

圖3 八堂湖區(qū)測深結(jié)果

沿岸注入水量主要包括北支、南支和慶溫安(Kyoungan)溪。入流量數(shù)據(jù)參見韓國水文年度報(bào)告(國土、交通與海事部,2008年)。北支的入流水量見圖 1,南支與慶溫安溪的入流水量如圖 4所示。這些入流水量和銫 -137濃度值可作為 EFDC模型應(yīng)用的邊界條件。建模時間選為一個月,從 2007年4月 1日到 30日。受上游強(qiáng)降雨影響,4月 1日的入流水量比其他任何 1 d都要大。南支的入流水量占到八堂湖總水量的 65%左右,而慶溫安溪的流量則很小,僅占 2%左右。

圖4 南支和慶溫安溪的水流量數(shù)據(jù)

表1給出了 EFDC模型的建模條件。有了這些計(jì)算條件及受銫 -137污染的入流水量數(shù)據(jù),就可以運(yùn)用水動力學(xué)和水質(zhì)模型了。圖 5給出了 EFDC模型執(zhí)行后模型域的流場分布。南支匯入點(diǎn)處水流速度最大,為0.7 m/s,北支為0.4m/s,而湖泊中部的水流速度非常緩慢,僅為0.03m/s。

表1 EFDC模型運(yùn)行的計(jì)算條件

北支中銫 -137的邊界濃度根據(jù)圖 1來設(shè)定。按照時間推移,根據(jù)水動力模型結(jié)果來實(shí)現(xiàn)水質(zhì)模型模擬。北支匯流點(diǎn)處銫 -137濃度峰值時間為排入后的第1.38 d。圖 6顯示出蓄意污染發(fā)生后第1.38 d的銫 -137濃度分布情況。由圖形可知,銫-137在八堂湖水系中的遷移過程,主要受流線和支流匯入產(chǎn)生的稀釋作用的影響。

圖5 八堂湖的流場分布

2.3 飲用水風(fēng)險(xiǎn)評估

銫 -137由湖水進(jìn)入人體最簡捷的途徑就是攝入飲用水。利用放射性核素環(huán)境曝露風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)來評估飲用水中銫 -137的致癌風(fēng)險(xiǎn),該系數(shù)由美國環(huán)保署提供,包含兩種:死亡風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)和患病風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。死亡風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)是對由于攝入放射性核素而死于癌癥的人口平均數(shù)的估計(jì);患病風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)是對輻射致癌總數(shù)均值的相對估計(jì),不論癌癥是否致命。通過飲用水?dāng)z入銫 -137的死亡風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)和患病風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)分別為5.66×10-10和8.22×10-10。

圖6 八堂湖中銫-137濃度分布

圖7 取水口處銫-137濃度變化曲線

圖7表示了取水口處銫 -137瞬時濃度的變化情況,由該處取水后向水處理廠供水。由圖 7可知,蓄意污染發(fā)生后第1.38 d時的銫 -137濃度值最大,達(dá)到 357 Bq/L,然后受支流匯入稀釋作用的影響,濃度值急劇下降。美國環(huán)保署現(xiàn)行的飲用水標(biāo)準(zhǔn)中銫 -137的濃度限制為 200pCi/L(7.4 Bq/L)(EPA,1976年)。為達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn),在放射性蓄意污染事故發(fā)生后的6.2 d內(nèi),湖水不得用作飲用水源。盡管在飲用之前會對湖水水源進(jìn)行處理,但為保守起見,假設(shè)公眾飲用水中放射性物質(zhì)濃度與未處理的湖水相同,并據(jù)此開展風(fēng)險(xiǎn)評估。因此,本文為了保守評估健康風(fēng)險(xiǎn),不考慮水處理過程對銫 -137的去除效率。綜合圖 7中的曲線,可得總放射劑量。計(jì)算健康風(fēng)險(xiǎn)時,假定每天飲用自來水量為1.1 L,則由此攝入銫 -137總劑量為 842 Bq,死亡風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)和患病風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)分別為4.77×10-7和6.92×10-7。這就意味著,由于飲用了受銫 -137污染的水,在 1千萬人當(dāng)中將有 5人死亡,7人患病。

3 結(jié) 語

本文針對韓國首爾市區(qū)一受放射性蓄意污染的飲用水源,詳細(xì)討論了有關(guān)銫 -137的水質(zhì)模型建立與健康風(fēng)險(xiǎn)評估問題,以評價(jià)其對人體健康產(chǎn)生的潛在和實(shí)際影響。在這種輻射突發(fā)事件下,預(yù)測環(huán)境中放射性物質(zhì)的濃度,對實(shí)施公眾健康保護(hù)措施非常重要。針對含有放射性物質(zhì)的水質(zhì)建模,是公眾健康風(fēng)險(xiǎn)評估的第一步。為了計(jì)算銫 -137在水體中的遷移轉(zhuǎn)化,本文引入完全混合和偏微分的概念。對所選模型域八堂湖,利用 EFDC模型來計(jì)算水動力條件和水質(zhì)狀況,選用飲用自來水導(dǎo)致的死亡風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)和患病風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)來評估銫 -137排放對人體健康的危害。

銫 -137在八堂湖水系中的遷移主要受水體流動和支流匯入稀釋效應(yīng)的影響。受銫 -137污染的飲用水可能導(dǎo)致的死亡風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)和患病風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)分別為4.77×10-7和6.92×10-7。人為造成的放射性污染可能通過多種途徑到達(dá)人體,例如直接接觸、吸入、食入等。放射性核素帶來的健康風(fēng)險(xiǎn)取決于事故發(fā)生時的水文條件。因此,特定場域的水文狀況決定著其死亡風(fēng)險(xiǎn)與患病風(fēng)險(xiǎn)的大小。本文是關(guān)于蓄意排泄放射性核素導(dǎo)致飲用水污染的實(shí)例研究。因此,盡管其風(fēng)險(xiǎn)不高,但是為了維護(hù)公眾健康,對蓄意排泄造成飲用水放射性污染的預(yù)防和健康評估仍需重視。此外,當(dāng)水域區(qū)發(fā)生蓄意排泄事故時,一些固體物質(zhì)可能會沉積到河床或湖底,而這些物質(zhì)中就可能含有一些從湖水中帶來的人工放射污染物。這些沉積物將在魚類體內(nèi)累積。盡管本次研究并沒有考慮諸如魚類等的二次污染物的影響,但是我們認(rèn)為,對由此帶來的健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估也是必要的。