喬清黨，郭 猜，楊 靜，林權(quán)益，岳 峰，王韶偉，李 冰，張 彥，張少君，岳會國，*

（1.環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100082；2.國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京 100081）

海域放射性后果評價(jià)方法研究

喬清黨1，郭 猜1，楊 靜2，林權(quán)益1，岳 峰1，王韶偉1，李 冰1，張 彥1，張少君1，岳會國1，*

（1.環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100082；2.國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京 100081）

本文通過對國內(nèi)外海流數(shù)值預(yù)報(bào)、放射性物質(zhì)在海域的輸運(yùn)數(shù)值模擬和劑量評估等方法的分析研究，建立了用于核電廠海域放射性后果預(yù)測與評價(jià)的數(shù)值模擬方法，確立了核電廠海域放射性后果預(yù)測與評價(jià)系統(tǒng)的總體研發(fā)方案，為該系統(tǒng)的順利研發(fā)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。該系統(tǒng)的建立可實(shí)現(xiàn)對我國不同核電廠址核事故狀態(tài)下液態(tài)放射性物質(zhì)在近岸海域的輻射后果的精細(xì)模擬，同時(shí)也能快速模擬核電廠址海域輻射后果，以滿足核事故應(yīng)急響應(yīng)工作對時(shí)效性和準(zhǔn)確性的需求，進(jìn)而可有效提升我國核事故的應(yīng)急響應(yīng)能力。

海流數(shù)值預(yù)報(bào)；核素?cái)U(kuò)散數(shù)值模擬；核事故后果評價(jià)

2011年3月發(fā)生的日本福島事故［1］導(dǎo)致放射性物質(zhì)向海洋環(huán)境的大規(guī)模排放，放射性物質(zhì)對公眾和海洋環(huán)境的輻射影響引起了人們的廣泛關(guān)注［2］。放射性核素通過生物鏈的富集作用，在生物體內(nèi)的濃度會顯著升高。日本水產(chǎn)廳監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，事故后福島東部海域的玉筋魚體內(nèi)的放射性核素水平超出日本監(jiān)管當(dāng)局暫行條例的規(guī)定，該產(chǎn)品已停止出口并禁止進(jìn)入當(dāng)?shù)厥袌觯?］。

我國目前運(yùn)行和在建核電廠均為濱海廠址，截至2014年5月底，中國正在運(yùn)行的有6個(gè)核電廠（基地）19臺機(jī)組，正在建設(shè)的有27臺機(jī)組，擬建的有28臺機(jī)組。表1給出了已運(yùn)行、在建和擬建的核電機(jī)組。福島事故表明，濱海核電廠在發(fā)生事故時(shí)，可能向海洋環(huán)境排放和泄露放射性物質(zhì)。為能夠有效地保護(hù)公眾和環(huán)境，需要及時(shí)做出輻射后果評價(jià)，從而實(shí)施快速、有效的應(yīng)急響應(yīng)行動。核事故情況下在較大海域中開展輻射環(huán)境監(jiān)測的難度較大，而海域放射性后果評價(jià)軟件系統(tǒng)能夠?qū)Ψ派湫晕镔|(zhì)在海洋中的輸運(yùn)、擴(kuò)散和輻射劑量進(jìn)行快速、有效的預(yù)測和評估。因此，海域放射性后果評價(jià)軟件系統(tǒng)是針對此類核事故應(yīng)急決策的重要的技術(shù)手段。海域放射性后果評價(jià)系統(tǒng)的建立可為核事故應(yīng)急決策提供技術(shù)支持，并促進(jìn)相關(guān)政府部門對核電廠事故狀態(tài)下放射性物質(zhì)液態(tài)排放的應(yīng)急響應(yīng)行動實(shí)現(xiàn)有效的監(jiān)督。

本文建立了核電廠事故狀態(tài)下液態(tài)放射性物質(zhì)的源項(xiàng)模塊、適于不同尺度的海流數(shù)值預(yù)報(bào)模式及方法、核素在海域中的遷移擴(kuò)散數(shù)值模式及方法、輻射劑量評估方法。在此基礎(chǔ)上，將多種模型和數(shù)據(jù)庫進(jìn)行連接集成，建立海域放射性后果評價(jià)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對我國不同濱海核電廠事故下液態(tài)放射性物質(zhì)排放導(dǎo)致的在中國海海域、廠址近岸海域的輻射后果的預(yù)測和評價(jià)，用以評估和動態(tài)顯示指定區(qū)域范圍內(nèi)核事故產(chǎn)生的影響。

海域放射性后果評價(jià)方法與系統(tǒng)的建立，可實(shí)現(xiàn)對我國不同濱海核電廠址核事故狀態(tài)下液態(tài)放射性物質(zhì)在近岸海域的輻射后果的精細(xì)模擬，同時(shí)也能快速模擬核電廠址狀態(tài)海域輻射后果，以滿足核事故應(yīng)急響應(yīng)工作對時(shí)效性和準(zhǔn)確性的需求。擬建系統(tǒng)可填補(bǔ)我國在核事故狀態(tài)下液態(tài)放射性物質(zhì)在海洋輻射后果評價(jià)系統(tǒng)中的空白，可有效提升我國核事故的應(yīng)急響應(yīng)能力。

表1 我國的主要核電機(jī)組數(shù)量Table1 Numbersofnuclear power unitsin China

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)90年代，歐洲40多家研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合開發(fā)了核應(yīng)急實(shí)時(shí)決策支持系統(tǒng)（RealtimeOnline Decision Supportsystem fornuclearemergencymanagement，簡稱RODOS）［4］，系統(tǒng)中的水文模塊HDM使用多個(gè)適用于不同環(huán)境、不同尺度的模型來描述放射性核素在水體中的遷移過程。在切爾諾貝利核事故后的若干年內(nèi)，研究人員在核應(yīng)急實(shí)時(shí)決策支持系統(tǒng)中引入了三維模型THREETOX，并將其應(yīng)用于切爾諾貝利核事故排放和泄露的放射性物質(zhì)對海洋、湖泊和河流等水體的輻射影響評估。例如，Koziy［5］等將其應(yīng)用于放射性物質(zhì)在第聶伯河—布格河口和大陸架海域的污染擴(kuò)散計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，模型的有效性得到了驗(yàn)證，如圖1所示。

圖1 第聶伯河—布格河口90Sr表層濃度之觀測值與計(jì)算值的比較（1988年3月）Fig.1 Com puted vsm easured distribution of90Sr in the sur face layer in M arch 1988

福島事故后，Tsumune［6］等應(yīng)用區(qū)域海洋模式系統(tǒng)ROMS模擬了福島事故大規(guī)模排放造成的137Cs在海洋中的濃度分布，福島核電廠附近137Cs濃度隨時(shí)間變化的計(jì)算結(jié)果與觀測值吻合地較好。并與將計(jì)算結(jié)果與歷史事件導(dǎo)致的全球放射性灰沉降（以下簡稱“全球沉降”）進(jìn)行對比，結(jié)果表明，福島事故導(dǎo)致137Cs濃度達(dá)到歷史最高，但總量并不太大，因此福島事故對北太平洋的輻射貢獻(xiàn)相對較小，見表2。

表2 歷史事件和福島事故導(dǎo)致的海洋中137Cs總量與最大濃度的比較Table2 Comparisonof137Cs inputamountsto theocean andm axim um concen trationsbetween past releaseeven tsand the Fukushima accident

Maderich［7］等與中、日、韓3國學(xué)者合作，使用核應(yīng)急實(shí)時(shí)決策支持系統(tǒng)分析了太平洋西北海域，日本海及我國黃海、東海等海域受到的影響。此項(xiàng)研究使用POSEIDON模型分析放射性核素的遷移擴(kuò)散，分別使用動態(tài)食物鏈模型和濃度因子模型計(jì)算了周邊海洋生物體內(nèi)的放射性核素濃度變化規(guī)律。POSEIDON模型的預(yù)測結(jié)果通過與1945年～2010年間的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比得到了驗(yàn)證，如圖2所示，并外推用于預(yù)測福島事故在2011年～2040年的放射性后果。

圖2 中國東海海域137Cr濃度計(jì)算值與觀測值（MARIS，2012）的比較Fig.2 Comparison of thepredicted concentration of137Cs in the watersof the EastChina Seaw ith observations from the M ARIS（2012）database

聯(lián)合國原子輻射效應(yīng)科學(xué)委員會（簡稱UNSCEAR）、國際放射防護(hù)委員會（簡稱ICRP）、國際原子能機(jī)構(gòu)（簡稱IAEA）等國際組織以及歐美等核能利用大國，從20世紀(jì)70年代起針對非人類物種的輻射劑量開展了相關(guān)研究，并取得了一系列的研究成果。近十幾年來，國際原子能機(jī)構(gòu)在2003年開展了輻射安全環(huán)境模型（EMRAS）項(xiàng)目。國際放射防護(hù)委員會于2003年發(fā)表了《評價(jià)非人類物種電離輻射影響的框架》出版物［8］，提出了非人類物種輻射效應(yīng)的評價(jià)方法。歐盟（EC）陸續(xù)開展了電離輻射對非人類物種影響的評價(jià)框架（FASSET）［9］、電離污染的環(huán)境危險(xiǎn)——評價(jià)和管理（RICA）等項(xiàng)目，開發(fā)了ERICA程序。美國能源部（簡稱USDOE）提出了分級篩選的方法，給出了非人類物種輻射防護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)的評價(jià)程序RESRAD［10］。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國學(xué)者對放射性核素在水體及水生生態(tài)系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律也進(jìn)行了一定的探索。例如，張春粦［11］采用二維潮波方程和對流擴(kuò)散方程預(yù)測了大亞灣核電廠液態(tài)排放物在附近海域的濃度分布，以及低放廢水所致的生物劑量率。但國內(nèi)研究大多針對核電廠正常運(yùn)行時(shí)微量放射性核素的排放，研究區(qū)域也集中在大亞灣海域，缺乏對其他核電廠址及事故下大量放射性核素排放的遷移彌散規(guī)律研究。我國學(xué)者也密切關(guān)注福島事故的相關(guān)動態(tài)，并進(jìn)行了積極的探索。何晏春［12］等使用邁阿密等密度海洋環(huán)流模式M ICOM模擬計(jì)算了日本福島核電廠泄漏在海洋中的放射性物質(zhì)的傳輸及擴(kuò)散，結(jié)果表明，洋流系統(tǒng)是放射性物質(zhì)濃度變化的主導(dǎo)因素，大氣沉降也是影響放射性物質(zhì)濃度的因素之一。王輝［13］等利用ROMS海洋模式對北太平洋海洋環(huán)流進(jìn)行了模擬，并對核泄漏物質(zhì)在海洋中的輸運(yùn)過程進(jìn)行了中長期模擬和預(yù)測。福島事故期間，國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心（主要職能是負(fù)責(zé)我國海洋環(huán)境預(yù)報(bào)、海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)和警報(bào)的發(fā)布及業(yè)務(wù)管理）利用ROMS海洋模式、美國近岸海洋環(huán)流模式FVCOM預(yù)報(bào)了放射性核素的濃度分布，制作了放射性污染物在海洋中的漂移擴(kuò)散分析產(chǎn)品（海流預(yù)報(bào)、濃度預(yù)報(bào)）。這兩個(gè)模式是海洋預(yù)報(bào)中心建立的業(yè)務(wù)化運(yùn)行的放射性污染物輸運(yùn)擴(kuò)散數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)的組成部分。圖3和圖4分別給出了利用上述系統(tǒng)預(yù)報(bào)的福島事故期間泄漏的放射性物質(zhì)137Cs在北太平洋不同區(qū)域范圍內(nèi)的海水中的表層濃度分布，假設(shè)釋放時(shí)間為2011.3.21～2011.4.30。

圖3 預(yù)測的137Cs在北太平洋（大區(qū)域）的表層相對濃度分布（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

圖4 預(yù)測的137Cs在北太平洋（小區(qū)域）的表層濃度分布（2011年4月30日）Fig.4 Prediction for thesurface concentration distribution of137Cs in the north Pacific（localarea）（2011.04.30）

我國關(guān)于水生生物吸收劑量評價(jià)的研究工作起步較晚。國內(nèi)學(xué)者借鑒國際上的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和評價(jià)程序，對不同生物進(jìn)行了劑量分析和評估，多是對正常運(yùn)行狀態(tài)下的液態(tài)流出物的研究，而對事故狀況下的核素遷移和輻射影響的研究相對缺乏。福島事故導(dǎo)致大量放射性物質(zhì)進(jìn)入海洋環(huán)境中，已引起人們對該方面研究的重視。吳俊文［14］等根據(jù)2011年4月～6月在中國海采集的海水樣品評估了福島事故對中國海（特別是東海）的影響，認(rèn)為福島事故對東海水中137Cs濃度的影響小于切爾諾貝利事故，其輸入總量對東海的影響不顯著。李冰［15］等利用日本東京電力株式會社和文部科學(xué)省等機(jī)構(gòu)公布的放射性污水的泄漏/排放、輻射環(huán)境監(jiān)測等資料，分析了日本海域中的放射性濃度分布，以及濃度隨距離和時(shí)間的變化，并開展了輻射劑量的初步評估，評估對象包括海洋生物和公眾，表3給出了水生生物劑量計(jì)算所用參數(shù)及其來源。

表3 水生生物劑量計(jì)算所用參數(shù)及其來源Table3 Valuesof factors and coefficients in does calculation for aquatic biota

2 海域放射性后果評價(jià)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)目標(biāo)：利用成熟的物理模型，采用自主開發(fā)的技術(shù)路線，針對我國濱海核電廠址地區(qū)的地形和海洋環(huán)境特征，建立海域放射性后果評價(jià)系統(tǒng)。利用這一系統(tǒng)預(yù)測和評價(jià)我國不同核電廠事故狀態(tài)下液態(tài)放射性物質(zhì)排放對中國海海域、廠址近岸海域的輻射后果影響。

該系統(tǒng)以服務(wù)器、PC機(jī)為硬件平臺，基于海域流場預(yù)報(bào)、源項(xiàng)估算、核素?cái)U(kuò)散模擬、劑量計(jì)算等模塊，主系統(tǒng)設(shè)計(jì)為一個(gè)基于地理信息系統(tǒng)（GIS）的連接多子系統(tǒng)、多種模型和數(shù)據(jù)庫的綜合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對國內(nèi)不同濱海核電廠事故狀態(tài)下海域中輻射后果的預(yù)測、評價(jià)和結(jié)果的動態(tài)顯示。

系統(tǒng)包括面向國內(nèi)不同核電廠事故狀態(tài)下在中國海域的放射性后果評價(jià)子系統(tǒng)（以下簡稱“中國海域評價(jià)子系統(tǒng)”），以及不同濱海核電廠事故狀態(tài)下在近岸海域的放射性后果評價(jià)子系統(tǒng)（以下簡稱“近岸海域評價(jià)子系統(tǒng)”）。系統(tǒng)研發(fā)的技術(shù)路線如圖5所示，總體框架如圖6所示。

圖5 系統(tǒng)研發(fā)的技術(shù)路線圖Fig.5 Technology p rogram of the system developm ent

圖6 系統(tǒng)的總體框架圖Fig.6 General framework of thesystem

中國海域評價(jià)子系統(tǒng)主要適用于核事故最初的應(yīng)急響應(yīng)。首先，利用中國海海流數(shù)值預(yù)報(bào)模式計(jì)算出發(fā)生核事故時(shí)中國海區(qū)域的海流預(yù)報(bào)結(jié)果；然后結(jié)合源項(xiàng)，利用核素?cái)U(kuò)散表層模式給出核事故導(dǎo)致的核素在中國海海域的表層濃度分布變化。該子系統(tǒng)可快速評估輻射后果，評價(jià)范圍覆蓋整個(gè)中國海區(qū)域。對于不同濱海核電廠址，海流預(yù)報(bào)模式和核素?cái)U(kuò)散模式應(yīng)用的是同一套參數(shù)，例如水下地形、岸線等參數(shù)，計(jì)算精度較低，但計(jì)算時(shí)間相對較短，以滿足核應(yīng)急工作對輻射后果預(yù)報(bào)時(shí)效性的需求。

近岸海域評價(jià)子系統(tǒng)主要適用于核事故早中期的應(yīng)急響應(yīng)。首先，利用高分辨海流數(shù)值預(yù)報(bào)模式計(jì)算出發(fā)生核事故的核電廠近岸海域（周邊距海岸線約50海里范圍內(nèi)）的海流預(yù)報(bào)結(jié)果；然后結(jié)合源項(xiàng)，利用核素?cái)U(kuò)散三維模式計(jì)算核素在核電廠近岸海域的三維濃度分布和輻射劑量；還可利用核素?cái)U(kuò)散表層模式給出核事故導(dǎo)致的核素在核電廠近岸海域的表層濃度分布。該子系統(tǒng)可精細(xì)評估輻射后果，評價(jià)范圍為核電廠址的近岸海域。其中海流預(yù)報(bào)模式和擴(kuò)散模式應(yīng)用的參數(shù)因核電廠址的不同而異，計(jì)算時(shí)間相對較長，但計(jì)算精度較高，可滿足核應(yīng)急工作對輻射后果預(yù)報(bào)精度的需求。

3 評價(jià)系統(tǒng)物理模塊的建立

3.1 源項(xiàng)模塊的設(shè)計(jì)

根據(jù)核電廠通過海洋途徑排放的事故情景，考慮到系統(tǒng)的易操作性，源項(xiàng)模塊設(shè)計(jì)有用戶自定義源項(xiàng)和廢液罐異常排放源項(xiàng)兩種方式。其中，自定義源項(xiàng)主要是指事故中液態(tài)源項(xiàng)直接排入海洋的最為嚴(yán)重的情景，考慮的核素種類較為全面。

（1）核素種類

自定義源項(xiàng)：參照核電廠正常運(yùn)行工況下預(yù)期的放射性廢液排放源項(xiàng)以及各種設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故源項(xiàng)，扣除不可溶于水的惰性氣體，確定放射性核素的種類，見表4。

表4 廢液放射性排放源項(xiàng)（自定義源項(xiàng)）Table 4 Liquid radioactive em ission source term（custom source term）

廢液罐異常排放源項(xiàng)：主要考慮核島廢液罐（TER）異常排放、核島廢液罐破裂以及常規(guī)島廢液罐（SEL）直接排放時(shí)涉及的核素。

（2）排放位置

基于核電廠的設(shè)計(jì)和運(yùn)行工況，綜合考慮核電廠機(jī)組布局、出水口設(shè)計(jì)以及嚴(yán)重事故下核素排放/泄漏位置的可能性，考慮一定范圍內(nèi)的排放，將源項(xiàng)位置設(shè)計(jì)為沿著出水口、機(jī)組一帶的線源。同時(shí)，設(shè)計(jì)中還考慮多源、非均勻排放等事故景象。

該源項(xiàng)模塊適用于本系統(tǒng)中的中國海域評價(jià)、近岸海域評價(jià)兩個(gè)子系統(tǒng)，區(qū)別在于在中國海域評價(jià)子系統(tǒng)中簡化為單一源項(xiàng)。

3.2 海流預(yù)報(bào)模式

海流作為重要的環(huán)境動力因素，是污染物遷移擴(kuò)散的決定性因子。對海流等海洋環(huán)境動力因子的預(yù)報(bào)是核應(yīng)急中輻射后果預(yù)報(bào)的重要基礎(chǔ)。水動力海洋控制方程由動量、連續(xù)、溫度、鹽度和密度等方程組成（見公式1～7）。

其中，x、y和z分別為笛卡爾坐標(biāo)系中東、北和垂直方向的坐標(biāo)；μ、υ和ω是x、y、z三個(gè)方向上的速度分量；T為位溫，S為鹽度；ρ0為參考密度，ρ為當(dāng)?shù)孛芏龋籔為壓強(qiáng)；f為科氏參數(shù)，g為重力加速度；Km為垂向渦動粘性系數(shù)，Kh為垂向渦動擴(kuò)散系數(shù)；Fμ，F(xiàn)υ，F(xiàn)T，F(xiàn)S代表水平動量、溫度和鹽度擴(kuò)散項(xiàng)?？偹顬镈=H+ζ，H為底部高程，ζ為水位（相對z=0）。

（1）中國海域數(shù)值預(yù)報(bào)模式

我國濱海核電廠主要分布在東部沿海地區(qū)，分布范圍較廣，主要位于南海、黃海、東海和渤海沿岸一帶。中國海域評價(jià)子系統(tǒng)需要選用能夠覆蓋我國海岸線、計(jì)算范圍較大的海流預(yù)報(bào)模式，并且模式的參數(shù)體系可用于國內(nèi)不同濱海廠址。擬建系統(tǒng)作為核應(yīng)急響應(yīng)平臺需要應(yīng)用較為成熟的模式。經(jīng)過對比分析，確定采用國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心業(yè)務(wù)化系統(tǒng)中的西北太平洋溫鹽流預(yù)報(bào)模型，該模型是基于ROMS-3.4版本建立起來的，計(jì)算范圍為3°N～52°N、99°E～158°E，水平方向網(wǎng)格分辨率為0.05°，垂直方向分為22層。

為了提高模型的計(jì)算精度，采用集合最優(yōu)插值（EnOI）數(shù)據(jù)同化方案，結(jié)合環(huán)流模式對“多源”、多變量海洋資料進(jìn)行協(xié)調(diào)同化。該模型主要預(yù)報(bào)未來5天的溫鹽流預(yù)報(bào)產(chǎn)品，其中的表層海流預(yù)報(bào)產(chǎn)品用在中國海域評價(jià)子系統(tǒng)中，樣圖如圖7所示。

圖7 西北太平洋表層海流預(yù)報(bào)產(chǎn)品示例Fig.7 Surface ocean forecast products of Northwestern Pacific

ROMS為三維非線性的斜壓原始方程模式，由美國羅格斯大學(xué)和加州大學(xué)共同研發(fā)。作為新興的海洋模式系統(tǒng)，該模式可以模擬不同尺度的運(yùn)動，大至全球尺度的環(huán)流模擬，小至小尺度河川渠道的水體運(yùn)動。模式求解Navier-Stokes方程（雷諾平均后）。模式使用的S-坐標(biāo)系統(tǒng)以及垂向（水深）非等比例分層的方式，使得在溫躍層和底邊界層的分辨率更高，能夠適當(dāng)?shù)孛枋龅匦螌α鲌龅挠绊懀筛玫啬M特定的物理過程。ROMS含有多種方案來求得垂向粘性和擴(kuò)散系數(shù)。目前該模式的模擬效果比較穩(wěn)定，具有高效的并行計(jì)算能力，并耦合了海浪、海洋生態(tài)、數(shù)據(jù)同化等多種模塊，配套的前后處理功能插件完備，在國際海洋數(shù)值模擬研究領(lǐng)域中被廣泛采用。

（2）近岸海域海流數(shù)值預(yù)報(bào)模式

對于近岸海域評價(jià)子系統(tǒng)中的三維海流數(shù)值預(yù)報(bào)，擬采用美國馬薩諸塞大學(xué)海洋科技研究院和吾茲霍爾海洋研究所聯(lián)合開發(fā)的FVCOM海洋數(shù)值模式。FVCOM模式中的海洋水動力模塊計(jì)算的水動力環(huán)境要素為物質(zhì)輸運(yùn)擴(kuò)散模塊提供水動力環(huán)境背景場。模式在水平方向上采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，垂直方向采用σ坐標(biāo)，可以有效地模擬水下復(fù)雜的地形；數(shù)值方法采用有限體積法，保證模擬過程中質(zhì)量的守恒。垂直混合的計(jì)算采用Mellor-Yamada2.5層湍流閉合方案，水平混合的計(jì)算采用Smagorinsky渦旋參數(shù)化方案。

FVCOM具有以下主要特點(diǎn)：（1）計(jì)算域?yàn)椴恢丿B的非結(jié)構(gòu)三角形單元、離散積分形式的控制方程，解決了數(shù)值計(jì)算中淺海復(fù)雜岸線擬合、質(zhì)量守恒以及計(jì)算有效性的難題；（2）垂向采用地形跟隨坐標(biāo)系統(tǒng)；（3）采用干濕處理，滿足潮灘動邊界變化；（4）采用二階精度的有限體積法（模式分裂或隱式格式），保證了質(zhì)量、動量和物質(zhì)守恒；（5）采用自動網(wǎng)格嵌套，多種資料同化算法；（6）將譜模式SWAN改為有限體積格式，加入到FVCOM模型，實(shí)現(xiàn)了浪、潮、流耦合。

本系統(tǒng)中，模式水平分辨率在開邊界附近較粗，約5000m；在近岸區(qū)域，特別是核電廠附近海域，模式分辨率加密，最高分辨率約為100m，中間區(qū)域漸變過渡。垂向分11個(gè)σ層，網(wǎng)格分布樣圖如圖8所示。

圖8 網(wǎng)格分布示例Fig.8 M esh distribution

對于FVCOM模型在各個(gè)核電廠近岸海域海流預(yù)報(bào)結(jié)果的有效性驗(yàn)證有兩種方法：一是利用各核電廠近岸海域的實(shí)測海流（流速和流向）資料、驗(yàn)潮站逐時(shí)潮位觀測資料等與模式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析；二是利用公開發(fā)布的海洋圖集與模式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析。

3.3 核素?cái)U(kuò)散模式

（1）核素?cái)U(kuò)散表層模式

核素?cái)U(kuò)散表層模式是基于模擬區(qū)域的表層海流預(yù)報(bào)計(jì)算結(jié)果，可快速給出核事故泄漏出的放射性核素在海水表層中的濃度分布。該模式可以用于中國海域、近岸海域評價(jià)兩個(gè)子系統(tǒng)，區(qū)別在于擴(kuò)散計(jì)算分別基于中國海域評價(jià)、近岸海域的表層海流預(yù)報(bào)計(jì)算結(jié)果。

放射性污染物在海洋水體中的運(yùn)動主要表現(xiàn)為兩種過程：在平流作用下的位移和在湍流作用下的擴(kuò)散，這兩種運(yùn)動機(jī)制分別受制于“平流”和“湍流”。核素?cái)U(kuò)散表層模式采用隨機(jī)游走粒子方法來模擬放射性物質(zhì)在海洋環(huán)境中的時(shí)空行為，這種方法把放射性污染物分成許多離散的小粒子來模擬其在海水中的輸運(yùn)擴(kuò)散過程。

核素在海流和風(fēng)的作用下產(chǎn)生水平方向的平流運(yùn)動，海面上的漂移粒子同時(shí)受到風(fēng)生漂流和風(fēng)應(yīng)力兩方面的作用。

對于放射性物質(zhì)而言，核素?cái)U(kuò)散表層模式主要考慮了核素的衰變過程。

（2）核素?cái)U(kuò)散三維模式

FVCOM模式除了具有預(yù)報(bào)三維海流的功能之外，還具有對物質(zhì)在海水中傳輸擴(kuò)散行為的計(jì)算功能。本系統(tǒng)主體應(yīng)用FVCOM模式自身的物質(zhì)傳輸擴(kuò)散模塊，并增加核素衰變過程，作為近岸海域評價(jià)子系統(tǒng)的核素?cái)U(kuò)散三維模式。

其選擇近岸海域水動力環(huán)境條件下污染物擴(kuò)散參數(shù)計(jì)算方法，優(yōu)化污染模式參數(shù)，與海洋水動力模塊銜接，實(shí)現(xiàn)核物質(zhì)輸運(yùn)擴(kuò)散數(shù)值模塊與環(huán)境動力模塊的耦合計(jì)算，給出核事故泄露出的放射性污染物在近岸海域的三維濃度分布。核物質(zhì)輸運(yùn)擴(kuò)散模型的基本方程為守恒形式的污染物輸運(yùn)方程。具體離散格式和求解方法與FVCOM海流模型一致。

核素?cái)U(kuò)散三維模式通過求解放射性物質(zhì)的平流擴(kuò)散基本方程得到核素在海水中的三維濃度分布。

對于不同核素來說，模型采用對應(yīng)的半衰期確定參數(shù)取值。如果核素半衰期較長的話，那么衰減系數(shù)K近似為零。

3.4 劑量計(jì)算模式

在擴(kuò)散模式預(yù)測的海水中放射性物質(zhì)三維濃度結(jié)果的基礎(chǔ)上，初步評估海洋生物劑量和公眾劑量。海洋生物輻射劑量的評估方法基于歐盟ERICA框架下評估電離輻射生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的ERICA程序，放射性生態(tài)參數(shù)采用歐洲生物輻射效應(yīng)數(shù)據(jù)庫（FREDERICA）的值。參考核電廠環(huán)境影響報(bào)告書中關(guān)于廠址周邊主要海洋生物種類的描述，計(jì)算不同生物種類中可能的劑量率水平。根據(jù)FREDERICA推薦的篩選水平10μGy·h-1或美國能源部（簡稱DOE）對水生動物的生物劑量限值10mGy·d-1，判斷事故對水生生物的輻射后果是否超過劑量限值。

公眾劑量的評估方法參考各核電廠環(huán)境影響報(bào)告書中關(guān)于正常運(yùn)行狀況下一般公眾所受輻射劑量的計(jì)算方法，以及福島事故后相關(guān)文獻(xiàn)中公眾所受內(nèi)照射劑量的計(jì)算方法。主要考慮個(gè)人內(nèi)照射劑量（食入海產(chǎn)品所致），以及個(gè)人外照射劑量（水上活動、岸邊活動所致）。劑量基準(zhǔn)為公眾照射個(gè)人年劑量限值（1mSv·a-1）。

4 展望

通過對放射性物質(zhì)在海域的傳輸擴(kuò)散數(shù)值模擬和劑量評估等方法的分析研究，確定建立海域放射性后果評價(jià)系統(tǒng)的數(shù)值模擬方法。

快速、準(zhǔn)確地預(yù)測我國不同濱海核電廠事故狀態(tài)下液態(tài)放射性物質(zhì)在海域的放射性后果影響，是及時(shí)制定保護(hù)公眾和環(huán)境的應(yīng)急對策、適時(shí)采取減輕核事故后果的防護(hù)行動的重要依據(jù)。因此，研發(fā)海域放射性后果評價(jià)的數(shù)值模擬系統(tǒng)是核事故應(yīng)急決策中不可或缺的技術(shù)手段。

本文針對擬建的海域放射性后果評價(jià)系統(tǒng)給出了系統(tǒng)研發(fā)的技術(shù)路線、主要物理模塊的建立方法等，為系統(tǒng)的順利研發(fā)和建立奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。結(jié)合核應(yīng)急響應(yīng)工作的實(shí)際需求，在未來的工作中，還需在以下方面開展深入的研究，并逐步應(yīng)用于系統(tǒng)中。

（1）現(xiàn)階段擬建系統(tǒng)中的核素?cái)U(kuò)散模式（快速和三維）對于海水中放射性物質(zhì)濃度只考慮了核素的衰變，沒有考慮海水中放射性物質(zhì)的泥沙吸附與解析、懸浮與沉積、海底沉積物中的擴(kuò)散等過程對濃度的影響；也沒有考慮大氣沉降源項(xiàng)對水體放射性物質(zhì)濃度的影響。模式中對這些過程和因素的考慮可提高預(yù)報(bào)結(jié)果的精度，進(jìn)而提高系統(tǒng)的整體性能。

（2）對于核素?cái)U(kuò)散模式的有效性，需要深入研究以建立適當(dāng)、可行的驗(yàn)證手段和方法。

（3）目前擬建系統(tǒng)的劑量計(jì)算方法應(yīng)用簡單的靜態(tài)平衡模型。事故狀況下短時(shí)間內(nèi)釋放大量放射性物質(zhì)，生物體內(nèi)放射性濃度與水體中的濃度難以維持靜態(tài)平衡，采用基于食物鏈關(guān)系的動態(tài)模型計(jì)算生物體內(nèi)的放射性濃度更符合實(shí)際情況。

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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”國家863計(jì)劃先進(jìn)能源技術(shù)領(lǐng)域課題“核事故應(yīng)急關(guān)鍵技術(shù)研究”，課題編號2012AA050907

喬清黨（1969—），女，山西臨汾人，研究員/碩士，環(huán)境科學(xué)專業(yè)，現(xiàn)主要從事核設(shè)施事故應(yīng)急及后果評價(jià)工作

*通訊作者：岳會國，E-mail：yuehuiguo@sina.com