黃伊林，陳寶才*，馮亮亮，彭 崇，上官志洪，黃彥君，周花瓏，何賢文

（1. 廣西壯族自治區(qū)輻射環(huán)境監(jiān)督管理站，南寧 530022；2. 蘇州熱工研究院有限公司，蘇州 215004）

海域輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)是監(jiān)督核電廠液態(tài)流出物排放輻射環(huán)境影響的主要手段，監(jiān)測(cè)過程中，需要重點(diǎn)考慮核電廠排放口附近海域海水的輻射監(jiān)測(cè)[1]。傳統(tǒng)方法依賴于現(xiàn)場(chǎng)采樣和實(shí)驗(yàn)室分析，耗時(shí)費(fèi)力，從采樣、制樣到監(jiān)測(cè)完成，至少需要2～3 天，應(yīng)急性差，且無(wú)法對(duì)放射性異常排放和事故進(jìn)行預(yù)警[2]。近年來，海域自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)已成為海域輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要組成部分，該方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段的缺陷和不足，實(shí)現(xiàn)了從靜態(tài)定性評(píng)價(jià)向動(dòng)態(tài)定量評(píng)價(jià)的發(fā)展，提升了海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)警能力[3]。

日本福島核事故發(fā)生后，大量放射性物質(zhì)向海洋排放，造成了深遠(yuǎn)的環(huán)境輻射影響，海域放射性預(yù)警監(jiān)測(cè)平臺(tái)的建設(shè)已引起了核能界和政府部門的高度重視。2012 年6 月12 日，國(guó)家核安全局印發(fā)了《福島核事故后核電廠改進(jìn)行動(dòng)通用技術(shù)要求（試行）》，其中明確提出對(duì)環(huán)境輻射水平連續(xù)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的設(shè)計(jì)，“沿海核電廠應(yīng)具備一定的海域方向監(jiān)測(cè)能力”。我國(guó)以環(huán)境輻射劑量率自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)的陸域輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)正在逐步完善并初成規(guī)模，為我國(guó)環(huán)境輻射安全提供了重要保障。隨著我國(guó)濱海核電廠數(shù)量的日益增多，作為領(lǐng)土的重要組成部分，對(duì)海域開展輻射環(huán)境自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)并逐步形成監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，特別是在濱海核電廠所在的近岸海域開展自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)，已成為我國(guó)輻射環(huán)境監(jiān)督管理以及核事故應(yīng)急管理中迫切需要開展的工作。開展海域自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響因素分析，研究劑量率的變化特征及影響機(jī)制，是開展海域輻射自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)并有效開展輻射影響評(píng)估和建立事故預(yù)警水平首先需要開展的工作。

防城港核電廠所在的北部灣海域是我國(guó)大西南地區(qū)重要的出?？?，是我國(guó)重要的漁場(chǎng)，也是我國(guó)“一帶一路”有機(jī)銜接的重要門戶。針對(duì)防城港核電廠的運(yùn)行，拓展附近海域環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)能力，逐步建立和完善核電廠近岸海域水體輻射自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)，是加強(qiáng)防城港核電廠事故預(yù)警能力建設(shè)，提升核電廠監(jiān)督性監(jiān)測(cè)技術(shù)和管理水平的有力手段。

2018 年12 月，我國(guó)在防城港核電廠排水口附近海域投放了一套海域輻射自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，開展了海水、空氣中γ輻射劑量率及有關(guān)氣象參數(shù)的監(jiān)測(cè)。本文主要描述該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并對(duì)近一年的有關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)范圍，研究變化規(guī)律，探討環(huán)境影響因素，可為進(jìn)一步研究推動(dòng)防城港核電廠附近海域放射性監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)的建設(shè)提供技術(shù)積累。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)原理及組成

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由海上輻射自動(dòng)監(jiān)測(cè)站、無(wú)線數(shù)據(jù)采集傳輸模塊和數(shù)據(jù)中心與監(jiān)控平臺(tái)3部分組成，如圖1所示。海上輻射自動(dòng)監(jiān)測(cè)站主要功能是獲取海水表面的空氣γ輻射劑量率、海水中的γ輻射劑量率以及氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括浮體（儀表艙）、塔架、水溫輻射支架等，浮標(biāo)體上安裝水溫、氣象監(jiān)測(cè)儀、輻射監(jiān)測(cè)儀（NaI 探頭）、北斗數(shù)傳模塊，如圖2所示。儀表艙內(nèi)裝有數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)傳輸模塊、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)、漏水傳感器、艙內(nèi)溫濕度、GPS模塊等，浮體下系結(jié)有錨碇設(shè)備。

輻射測(cè)量?jī)x采用3"×3" NaI（Tl）探測(cè)器，擁有響應(yīng)快、探測(cè)效率高、具有一定核素分辨能力的優(yōu)點(diǎn)，其對(duì)137Cs 的662 keV 的γ射線的能量分辨好于7%。水體輻射探頭置于平臺(tái)以下約1 m 處，主要用于連續(xù)監(jiān)測(cè)水體中γ輻射劑量率、放射性核素的種類與含量?？諝廨椛涮筋^置于平臺(tái)以上約1.5 m處，主要用于連續(xù)監(jiān)測(cè)海平面空氣中的γ輻射劑量率。

海上輻射自動(dòng)監(jiān)測(cè)站獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過無(wú)線數(shù)據(jù)采集傳輸模塊（4G、5G 移動(dòng)通信或北斗衛(wèi)星）實(shí)時(shí)傳送到數(shù)據(jù)中心和監(jiān)控平臺(tái)終端，如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.1 System chart of the monitoring system

圖2 海上輻射自動(dòng)監(jiān)測(cè)站結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of marine radiation monitoring station structure

1.2 監(jiān)測(cè)參數(shù)的選擇

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要包括空氣γ輻射劑量率、水體γ輻射劑量率以及可能對(duì)劑量率造成影響的相關(guān)氣象參數(shù)（包括風(fēng)速、風(fēng)向、空氣溫濕度、雨量、氣壓、水溫等），其中，輻射探頭每分鐘獲取一個(gè)γ輻射劑量率數(shù)據(jù)，每5 min 獲取一個(gè)γ能譜。系統(tǒng)在PC 端或移動(dòng)端安裝有海上輻射監(jiān)測(cè)平臺(tái)軟件，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取及數(shù)據(jù)監(jiān)控的功能。數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)后，工作人員可在平臺(tái)軟件上對(duì)各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和趨勢(shì)監(jiān)控，可按日、月、年生成對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)報(bào)表，直觀查看輻射探頭數(shù)據(jù)經(jīng)解析后生成的γ核素譜圖及相關(guān)氣象數(shù)據(jù)。

1.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位描述

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2018 年12 月投放在防城港核電廠總排放口外約0.5 km 處的外圍海域（水深約4 m），用錨鏈進(jìn)行海底固定，距離核電廠約7 km。該系統(tǒng)自投放開始連續(xù)監(jiān)測(cè)并采集數(shù)據(jù)，截至2019 年12 月31 日，已取得γ輻射劑量率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)約1×106條，有效數(shù)據(jù)獲取率大于90%。

為開展數(shù)據(jù)對(duì)比，本文采用防城港核電廠監(jiān)督性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的陸上沙螺寮自動(dòng)監(jiān)測(cè)站（臨海站點(diǎn)）的有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。沙螺寮自動(dòng)監(jiān)測(cè)站位于核電廠廠址西南約2.3 km 處，是距離海域自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)站最近的陸上連續(xù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)站臨海設(shè)置，距離海岸邊約20 m，監(jiān)測(cè)探頭置于岸上一層樓頂（海拔高度約10 m）。

有關(guān)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的方位和距離如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)站與核電廠的方位和距離Fig.3 Azimuth and range of the monitoring stations from NPP

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)果

表1 給出了2019 年度自動(dòng)監(jiān)測(cè)站空氣和海水中的γ輻射劑量率小時(shí)平均值、日均值和月均值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，圖4 給出了2019 年度各統(tǒng)計(jì)結(jié)果的變化。分析表明，水體探頭連續(xù)監(jiān)測(cè)小時(shí)平均值范圍為6.3～82.5 nGy∕h，日平均值范圍為6.4～17.6 nGy∕h，月平均值范圍為6.6～10.5 nGy∕h?？諝馓筋^連續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)果小時(shí)平均值范圍為9.7～97.6 nGy∕h，日平均值范圍為10.7～38.2 nGy∕h，月平均值范圍為12.4～19.1 nGy∕h。整體上，空氣探頭監(jiān)測(cè)結(jié)果較水體探頭監(jiān)測(cè)結(jié)果大，二者小時(shí)平均值的比值范圍為0.27～4.7，均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.96±0.56（相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為28.6%）；日平均值的比值范圍為0.88～3.61，均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.94±0.53（相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為27.3%）；月平均值的比值范圍為1.37～2.88，均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.89±0.48（相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為25.4%）?？赡艿脑?yàn)椋禾筋^劑量率的主要來源為宇宙射線，水體探頭受海水對(duì)宇宙射線的屏蔽，造成劑量率監(jiān)測(cè)結(jié)果的差異。根據(jù)李紅志等人的研究[4]，水體環(huán)境劑量率水平在50 nGy∕h以下，隨著水深的增加，劑量率呈下降趨勢(shì)，在水深大于1.5 m時(shí)，宇宙射線的影響可忽略不計(jì)。本系統(tǒng)水體探頭置于水下1 m處，受水體屏蔽的影響，造成水體探頭數(shù)據(jù)要低于空氣探頭數(shù)據(jù)。

表1 空氣和海水中γ輻射劑量率監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of γ radiation dose rates in air and seawater單位：nGy∕h

圖4 空氣探頭和水體探頭監(jiān)測(cè)的劑量率變化Fig.4 Changes in dose rate monitored by air and water probes

2.2 影響因素分析

輻射劑量率的來源主要包括周圍環(huán)境中的γ核素以及宇宙射線的影響[5,6]。對(duì)于正常氣象條件下海域的輻射劑量率，在水深較深時(shí)，受海水的屏蔽作用，來源于海底泥中的γ核素的貢獻(xiàn)很小。此外，海水中的γ放射性核素可能對(duì)輻射劑量率有一定的貢獻(xiàn)。海水中鉀含量的平均水平約為4×10-4[7]，1 m3海水中鉀含量的估算值約為4 g，考慮其天然豐度為0.0117%，半衰期為1.251×109年，則海水中的40K 活度濃度約為12.4 Bq∕L。參考采用美國(guó)EPA 發(fā)布的12 號(hào)聯(lián)邦導(dǎo)則中給出的40K 水體浸沒外照射劑量因子對(duì)水體輻射劑量率[1.74×10-17Sv∕（Bq·s·m-3）]進(jìn)行近似估算[8]，則海水對(duì)水體探頭的劑量率貢獻(xiàn)僅為0.7 nGy∕h。海水中其他放射性核素的含量水平相比于40K 低得多，預(yù)計(jì)其他影響可忽略。因此，除降雨因素影響外，海水水體中和海面空氣的γ輻射劑量率主要來源于宇宙射線的貢獻(xiàn)。

從圖4可以看到，水體探頭和空氣探頭的輻射劑量率有一些峰值，分析表明主要來自降雨的影響。降雨時(shí)段，大氣中的含有天然放射性的氣溶膠粒子被雨水沖刷至海面（即雨峰效應(yīng)），對(duì)水體探頭和空氣探測(cè)造成影響，使監(jiān)測(cè)到的劑量率監(jiān)測(cè)結(jié)果顯著升高[5,9]。以2019年7月24日8:30—20:00 的數(shù)據(jù)為例，將水體探頭和空氣探頭與雨量數(shù)據(jù)同步示于圖5。可以看到，該次降雨使得兩個(gè)探頭監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)均有一定程度的升高，可以明顯觀察到“雨峰”。其中，空氣探頭的數(shù)據(jù)從約15 nGy∕h上升到最高32 nGy∕h，而水體探頭的數(shù)據(jù)約從7 nGy∕h 上升到30 nGy∕h。相應(yīng)的，水體探頭的響應(yīng)比空氣探頭的響應(yīng)略遲，應(yīng)與氣溶膠粒子被沖洗后在海水中的擴(kuò)散有關(guān)。

2.3 與陸域輻射劑量率連續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)果的對(duì)比

本文以2019 年度自動(dòng)監(jiān)測(cè)站水體探頭、空氣探頭以及防城港核電廠沙螺寮空氣探頭連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)小時(shí)平均波動(dòng)值（監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)減去平均值）進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)示于圖6?？梢钥吹?，劑量率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整體上呈現(xiàn)相近的波動(dòng)形態(tài)，顯示輻射劑量率的影響來源具有共同特征，特別是降雨的影響。本文以沙螺寮連續(xù)監(jiān)測(cè)波動(dòng)值作參考，分析空氣探頭和水體探頭的波動(dòng)幅度比值，其中，空氣探頭、水體探頭與沙螺寮小時(shí)平均值歸一化比值的統(tǒng)計(jì)偏度系數(shù)分別為54 和150，呈明顯的正偏分布，相應(yīng)的中位數(shù)分別為0.53和0.09，表明海上自動(dòng)站空氣探頭和水體探頭波動(dòng)影響僅為陸上空氣探頭波動(dòng)影響的53%和9%。

圖5 典型時(shí)段輻射劑量率與降雨的對(duì)應(yīng)變化Fig.5 The variation of radiation dose rate and rainfall in typical period

從圖6 中還可以看到，除降雨引起的輻射劑量率變化外，水體輻射探頭的劑量率漲落范圍較小，顯示水體探頭對(duì)輻射劑量率監(jiān)測(cè)具有相對(duì)較高的靈敏度。以小時(shí)平均值計(jì)算，水體探頭和空氣探頭監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為2.8 nGy∕h、3.7 nGy∕h，而 沙 螺 寮 的 相 應(yīng) 值 為4.4 nGy∕h。然而，考慮相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差的情況，水體探頭、空氣探頭及沙螺寮探頭的值分別是為35%、24%、6%，顯示海上自動(dòng)站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更易受到干擾，需要進(jìn)一步開展影響機(jī)制的研究。

圖6 海上自動(dòng)站與沙螺寮監(jiān)測(cè)站輻射劑量率小時(shí)平均漲落值對(duì)比Fig.6 Contrast of variation of the hourly excess marine and land gamma dose rate

2.4 周期性

本文對(duì)海上自動(dòng)站空氣探頭、水體探頭和沙螺寮的連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅立葉變換分析（FFT），對(duì)大于2 倍標(biāo)準(zhǔn)偏差的數(shù)據(jù)以及缺失數(shù)據(jù)以平均值替代。周期信號(hào)譜如圖7 所示。可以看到，海上自動(dòng)站空氣探頭和沙螺寮探頭的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均有明顯的周期特征，尤其是24 h變化周期，顯示來源于空氣中放射性的影響明顯。此外，沙螺寮探頭和海上自動(dòng)站的空氣探頭均有較明顯的12.4h 周期峰（為小潮周期），顯示可能受到潮汐的影響[6]。分析表明，潮汐影響主要機(jī)制是潮水周期性漲落對(duì)來自潮間帶γ射線產(chǎn)生周期性的屏蔽，引起探頭接收到的γ輻射周期性變化[6]。對(duì)水體探頭，本文未發(fā)現(xiàn)24 h日周期變化及小潮周期的變化特征。

圖7 海域和陸上γ輻射劑量率周期信號(hào)譜Fig.7 Periodic signal spectrum of marine and land gamma dose rate

2.5 核電廠排放的影響

防城港核電廠流出物排放數(shù)據(jù)分析表明，在2019 年度未發(fā)現(xiàn)核電廠由于液態(tài)流出物排放引起自動(dòng)監(jiān)測(cè)站劑量率升高。以2019年11月7日為例，核電廠排放液態(tài)流出物中主要放射性核素60Co 的活度濃度為1.51 Bq∕L，58Co 的活度濃度為3.18 Bq∕L，54Mn 的活度濃度為0.595 Bq∕L，其他所關(guān)注的人工γ放射性核素活度濃度均低于探測(cè)限。圖8給出了在11月7日—11月9日自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)，可以看到，兩個(gè)輻射探頭均未發(fā)生異常信號(hào)，顯示結(jié)果處于正常水平，未發(fā)現(xiàn)防城港核電廠排放造成的異常。

圖8 典型流出物排放時(shí)段輻射劑量率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.8 Variation of marine gamma dose rate during typical period of liquid effluent discharge

3 結(jié)論

通過本文的分析研究，得出以下結(jié)論：

（1）一年來的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，防城港核電廠海域輻射自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正常運(yùn)行，所在海域空氣劑量率日均值范圍為10.7～38.2 nGy∕h；水體劑量率日均值范圍為6.4～17.6 nGy∕h，處于正常水平，未監(jiān)測(cè)到由于核電廠排放而引起的異常。

（2）影響水體和海上空氣γ輻射劑量率漲落的主要因素是降雨，降雨將使空氣中含天然放射性的氣溶膠粒子沖刷至海面，引起空氣探頭和水體探頭數(shù)據(jù)升高。以就近的陸上γ輻射劑量率連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，典型時(shí)段空氣探頭和水體探頭波動(dòng)影響僅為陸上空氣探頭波動(dòng)影響的53%和9%。

（3）FFT周期分析表明，空氣探頭具有日周期和小潮周期變化特征，而水體探頭沒有。

需要說明的是，本文研究統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)樣本有限，尚需進(jìn)一步累積數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)獲取率，深入研究空氣探頭和水體探頭監(jiān)測(cè)的劑量率的變化規(guī)律及影響機(jī)制，包括氣象（特別是降雨的影響）、潮汐、海水水質(zhì)（水溫、鹽度等）以及核電廠排放等因素。針對(duì)核電廠排放的影響，還需進(jìn)一步結(jié)合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開展相應(yīng)的預(yù)警水平研究，以充分發(fā)揮其海域環(huán)境安全保障的功能。