基于WRF的放射性物質大氣擴散模擬的環(huán)境輻射劑量估算方法

胡嘯峰，陳 鵬，曾昭龍

基于WRF的放射性物質大氣擴散模擬的環(huán)境輻射劑量估算方法

胡嘯峰，陳 鵬，曾昭龍

(中國人民公安大學警務信息工程學院，北京 100076)

針對核事故下放射性污染物質輻射，提出了一種基于中尺度氣象模型 WRF 的放射性物質大氣擴散模擬的環(huán)境輻射劑量估算方法。該方法使用放射性物質大氣擴散數(shù)值模型對放射性污染物質的空氣濃度和地表沉降濃度進行計算，進而結合有效劑量轉換因子得到環(huán)境輻射劑量，并基于輻射劑量標準劃分應急處置區(qū)域，可以較好地刻畫瞬時排放及瞬時氣象條件導致的濃度變化造成的輻射劑量隨時間和空間的變化，從而實現(xiàn)對放射性污染物質環(huán)境輻射劑量的實時計算。以2011年3月的日本福島核事故為案例，以放射性物質131I 和137Cs為研究對象，使用該方法進行了環(huán)境輻射劑量的估算。估算結果表明：131I 與137Cs 的空氣浸沒外照射有效劑量比較接近；成年人與嬰兒的吸入內照射有效劑量分布也比較接近；地表沉積外照射有效劑量在總劑量中所占比例遠遠大于空氣浸沒外照射有效劑量和吸入內照射有效劑量。

核事故；放射性物質；環(huán)境輻射劑量；WRF 模型；數(shù)值模擬

核能是我國能源戰(zhàn)略中的重要組成部分，核能的安全利用是核電發(fā)展的前提，一旦發(fā)生事故，造成的后果對環(huán)境和人員將帶來巨大危害。自然災害對核電的安全利用具有一定的威脅性。2011 年 3 月，距離日本本州島東海岸線約 120 km 的太平洋區(qū)域發(fā)生了里氏 9.0 級地震，間接導致了福島第一核電站中的反應堆發(fā)生了核蒸汽泄漏，并于 3 月 14 日發(fā)生爆炸，大量的放射性物質釋放至大氣中，通過大氣的擴散作用輸送至周邊區(qū)域，并通過沉降作用對日本本土乃至周邊范圍的陸地和海洋造成了核污染，從而對環(huán)境安全和人員健康造成了極大的危害。可見，自然災害的次生效應往往可以導致較之原生災害更為嚴重的后果。因此，對核事故下自然環(huán)境的污染程度進行及時、準確的評估，已成為環(huán)境保護、核應急等工作中的重要環(huán)節(jié)，而放射性污染物質的輻射劑量是衡量其危害性的一個重要指標。對此，本文提出一種基于中尺度氣象模型WRF的放射性物質大氣擴散模擬的環(huán)境輻射劑量估算方法。

1 研究方法

1.1 環(huán)境輻射劑量估算方法

放射性物質的輻射途徑主要包括空氣浸沒外照射、地表沉積外照射、呼吸道吸入內照射和消化道攝入內照射等多種途徑，而對上述途徑的輻射劑量進行評估則均需要以空氣、地表及水體等處的放射性物質濃度作為依據(jù)，進而通過劑量轉換因子得到環(huán)境輻射劑量值。美國的國家大氣排放資訊中心(NARAC)[1]開展了一系列的輻射劑量與健康效應的分析，其中，輻射劑量使用 Oak Ridge 國家實驗室提供的劑量轉換因子數(shù)據(jù)庫，通過空氣和地面污染計算模型來計算，轉換因子數(shù)據(jù)則由美國環(huán)境署(EPA)[2]出版的相關報告提供。在以往的研究中，使用高斯模型計算空氣中的放射性物質濃度，并結合劑量轉換因子估算輻射劑量的方法得到了廣泛的應用。如李智等[3]使用高斯煙羽模型和食物鏈模型相結合，修改了美國橡樹嶺國家實驗室編制的 AIRDOS-EPA 程序，進行了基于實際觀測數(shù)據(jù)的實例研究，計算了大亞灣核電站常規(guī)排放條件下的放射性物質對核電站周邊80 km范圍內的公眾造成的輻射劑量；Jeong等[4]利用高斯擴散模型模擬得出各類不同的放射性物質(如60Co、137Cs、241Am)釋放造成的環(huán)境輻射劑量，并利用EPA提供的由吸入放射性物質引起的癌癥發(fā)病率和死亡率相關系數(shù)，計算得到了因環(huán)境放射性污染引起的致癌率和死亡率；王海洋等[5]為預測“臟彈” 恐怖襲擊的破壞效應，建立了“臟彈”恐怖襲擊劑量評價模式，用 Gauss 煙團模型對3種典型放射性物質在大氣中的擴散過程進行計算，模擬給出有效劑量隨時間變化的分布；于京燕等[6]針對核事故環(huán)境應急響應的關鍵技術進行了研究，并對其數(shù)值模擬計算中出現(xiàn)的難點進行了分析。

通常情況下，空氣中的放射性物質濃度CA(Bq/m3)可根據(jù)以下公式計算[7]：

(1)

式中：Pp為一年中由排放源吹向p點的風向對應的時間所占的比例；F為高斯擴散系數(shù)(m2)；Qi為放射性物質i的年平均排放率(Bq/s);ua為年平均風速(m/s)。

而地表沉降的放射性物質濃度Cgr(Bq/m2)則可由沉降率的計算得到[7]：

(2)

式中:di為放射性物質的沉降率(Bq/m2·s)，即干沉降率與濕沉降率的總和;tb為源項排放的持續(xù)時間(s);λt為總的衰減率(s-1)，即放射性衰變率λ與土壤清除率λs之和。

式(1)對空氣中放射性物質濃度的計算方法基于高斯擴散系數(shù)，計算結果的準確性有限，且各參數(shù)均采用年平均數(shù)值，不適用于事故狀態(tài)下短時間內釋放大量物質情況下的環(huán)境輻射劑量評估。而實際情況下，式(2)中的沉降率也不是一個常數(shù)，而是隨時間和空間變化的值。

從目前的研究進展來看，事故狀態(tài)下釋放出的放射性物質，其在空氣中的濃度的瞬時值對風場、降水及源項均非常敏感[8-14]，則對濃度的瞬時值的估計準確與否將在很大程度上取決于是否能夠合理估算出環(huán)境輻射劑量，因此利用能夠更好地處理復雜邊界條件、大氣湍流運動的大氣擴散模型來進行放射性物質濃度及輻射劑量預測的方法具有一定的研究意義。為此，本文提出基于放射性物質大氣擴散模擬的方法來計算空氣中放射性物質濃度，其優(yōu)點是：①可以刻畫瞬時排放及瞬時氣象條件導致的放射性物質濃度變化；②)計算精度高，可以計算受復雜氣象條件和復雜地形條件影響下的放射性物質濃度分布；③可以刻畫輻射劑量隨時間和空間的變化情況。由于基于放射性物質大氣擴散模擬估算出的環(huán)境輻射劑量不是一個固定值，而是隨時間、空間而變化的值，因此更符合實際應用中對劑量估算的需求。在模型的選擇上，本文采用Hu等[15]基于WRF的放射性物質大氣擴散模型，該模型集成了用于計算放射源排放、放射性衰變過程、干沉降過程及濕沉降過程的模型，且氣象單元與物質擴散單元的計算完全同步，不需要由氣象場到擴散模型的插值和驅動，適合于對放射性物質大氣擴散的實時模擬，有利于得到實時的環(huán)境輻射劑量分布。

1.2 環(huán)境輻射劑量估算流程

基于放射性物質大氣擴散模擬的環(huán)境輻射有效劑量估算流程如圖1所示。

本文中對環(huán)境輻射有效劑量的計算基于放射性物質大氣擴散模型的輸出結果。按照圖1的流程，首先由模型計算得到放射性物質的空氣濃度和地表沉降濃度(本文中暫不涉及水體及食物中的濃度)，在此基礎上，計算出各種途徑以及各種核素的外照射有效劑量和內照射有效劑量，從而得到總的有效劑量，最后根據(jù)估算的劑量值確定相應的應急措施。

圖1 基于放射性物質大氣擴散模擬的環(huán)境 輻射劑量估算流程Fig.1 Process of the assessment of radiation dose based on the atmospheric dispersion model of radionuclides

核事故中釋放出的放射性物質經(jīng)過大氣的擴散輸運作用，分布于近地層的空氣中，對位于空氣與地表界面處的人員形成β或γ射線的外照射為空氣浸沒外照射。空氣浸沒外照射的年有效劑量可由下式計算得到[16]：

Eim=CA·DFim·Qf

(3)式中:Eim為空氣浸沒外照射的年有效劑量(Sv/a);CA為空氣中放射性物質的濃度(Bq/m3);DFim為空氣浸沒外照射有效劑量轉換因子[(Sv·a-1)/(Bq·m-3)];Qf為考慮公眾在含有放射性物質的空氣中暴露的時間份額及建筑物屏蔽作用導致的劑量降低因子。

本文中空氣中的放射性物質濃度CA為由放射性物質大氣擴散模型計算得到的隨時間和空間變化的數(shù)值,在WRF/Chem模型中，該濃度由以下的擴散方程描述：

(4)

式中:u為風矢量;K為湍流擴散系數(shù);Λs為濕沉降清除系數(shù)(s-1)；λ為衰變率(s-1)；Eemis為放射性物質排放源項。

大氣中的放射性物質經(jīng)過干沉降與濕沉降作用，沉積于地表，進而對人員形成β或γ射線的外照射為地表沉積外照射。地表沉積外照射的年有效劑量可由下式計算[16]:

Egr=Cgr·DFgr·Qf

(5)

式中:Egr為地表沉積外照射的年有效劑量(Sv/a);Cgr為地表沉積的放射性物質濃度(Bq/m2);DFgr為地表沉積外照射有效劑量轉換因子[(Sv·a-1)/(Bq·m-2)];Qf為考慮公眾在含有放射性物質的空氣中暴露的時間份額及建筑物屏蔽作用導致的劑量降低因子。

本文在基于放射性物質大氣擴散模擬的估算中，地表沉積的放射性物質的濃度Cgr可由下面公式計算得到：

(6)

(7)

空氣中的放射性氣體或氣溶膠粒子經(jīng)呼吸道進入人體后，呼吸系統(tǒng)及體內其他各組織和器官將會受到放射性物質的內照射，為吸入內照射。吸入內照射的年有效劑量可由下式計算[16]：

Einh=CA·Rinh·DFinh

(8)

式中:Einh為吸入內照射的年有效劑量(Sv/a);CA為空氣中放射性物質的濃度(Bq/m3)；DFinh為吸入內照射有效劑量轉換因子(Sv/Bq);Rinh為人的呼吸率(m3/a)，不同的年齡組，具有不同的有效劑量轉換因子及呼吸率，根據(jù)國際原子能機構(IAEA)的標準[7]，1歲嬰兒的呼吸率為1 400 m3/a，成年人的呼吸率為8 400 m3/a。

總有效劑量為所有核素的所有照射途徑的有效劑量之和，即

(9)

式中:m為核素的種類數(shù)；n為照射途徑的總數(shù)。

2 算例分析

2.1 算例設置

本文選擇發(fā)生于 2011 年 3 月的日本福島核泄漏事故為案例，采用Hu等[15]改進的WRF/Chem 模型模擬計算自UTC 2011/03/11/00至UTC 2011/03/31/00福島核電站所釋放出的放射性物質的大氣擴散濃度和地表沉降濃度。水平方向采用雙重網(wǎng)格嵌套區(qū)域(見圖2)，網(wǎng)格點數(shù)均為160×160，對應的水平分辨率分別為9 km和3 km，網(wǎng)格中心點位于 37.5°N、141.0°E。模擬區(qū)域的垂直方向共分為 27 層，層頂氣壓為 100 hPa。模擬的初始與邊界條件由全球預報系統(tǒng)(Global Forecasting System，GFS)提供的水平分辨率為 0.5°×0.5°的分析數(shù)據(jù)提供，輸出結果的時間間隔為 6 h。

圖2 雙重網(wǎng)格嵌套區(qū)域示意圖Fig.2 Double-nested domains of the study area

物理參數(shù)設置方面，長波輻射采用RRTM(Rapid Radiative Transfer Model)方案；短波輻射采用Dudhia方案；微物理過程采用WSM6(WRF single-moment 6-class)方案；積云對流參數(shù)化在d01中采用New Grell方案，在d02中不采用積云對流參數(shù)化方案；邊界層采用 MYJ (Mellor-Yamada-Janjic (Eta) TKE)方案；陸面采用Noah Land Surface方案。干沉降的參數(shù)化采用阻力模型[15](Resistance Model)，通過計算干沉降速度實現(xiàn)；濕沉降的參數(shù)化基于降水，通過計算清除系數(shù)[15](Scavenging Coefficient)實現(xiàn)。

本例中以放射性物質131I和137Cs為研究對象，計算131I和137Cs的大氣擴散濃度和地表沉降濃度分布，并據(jù)此計算其環(huán)境輻射有效劑量。輻射源的排放率采用 IAEA的估計結果，見圖3;131I和137Cs的衰變率、地表清除系數(shù)和有效劑量轉換因子的取值[7]詳見表1。

圖3 輻射源的排放率Fig.3 Emission rates of the radiative source

放射性物質λλsDFimDFgrDFinh嬰DFinh成131I9.98×10-705.8×1071.2×1097.2×1085.4×109137Cs7.33×10101.62×1098.7×1071.8×1087.4×1094.6×109

注：λ為衰變率(s-1);λs為地表清除系數(shù)(s-1)；DFim為空氣浸沒外照射有效劑量轉換因子[(Sv·a-1)/(Bq·m-3)]；DFgr為地表沉積外照射有效劑量轉換因子[(Sv·a-1)/(Bq·m-2)]；DFinh嬰為嬰兒的吸入內照射有效劑量轉換因子(Sv·Bq-1)；DFinh成為成年人的吸入內照射有效劑量轉換因子(Sv·Bq-1)。

2.2 算例結果與分析

圖4為2011年3月31日0時131I和137Cs的空氣浸沒外照射年有效劑量分布圖。由圖4可見，131I與137Cs的空氣浸沒外照射年有效劑量分布比較接近，在2011年3月31日0時這一瞬時時刻，131I和137Cs的空氣浸沒外照射年有效劑量分布呈條帶狀，與空氣濃度的分布形狀相類似，也反映了空氣濃度與空氣浸沒外照射劑量之間的關系。

圖5為2011年3月31日0時131I和137Cs的地表沉積外照射年有效劑量分布圖。由圖5可見，地表沉積外照射年有效劑量的分布范圍和中心區(qū)域的劑量值遠遠大于空氣浸沒外照射年有效劑量。其主要原因是:空氣浸沒外照射劑量的部分是由空氣中的放射性物質造成的，而由于風場的流動性、放射性物質的干濕沉降等作用，空氣中的放射性物質隨時間的變化較大，且同一個空間位置的累積量較小，因此瞬時特征較為明顯；而地表沉積外照射是由沉降于地表的放射性物質造成的，地表沉降放射性物質的分布相對固定，而干濕沉降伴隨著擴散輸運的全過程，且土壤清除率較低，因此容易形成大面積的劑量分布。

圖4 2011年3月31日0時131I和137Cs的空氣浸沒外照射年有效劑量分布圖Fig.4 Distributions of the annual effective dose of external exposure from airborne radionuclides at 00 UTC on 31 March,2011

圖5 2011年3月31日0時131I和137Cs的地表沉積外照射年有效劑量分布圖Fig.5 Distributions of the annual effective dose of external exposure from ground deposited radionuclides at 00 UTC on 31 March,2011

圖6為2011年3月31日0時131I和137Cs的吸入內照射年有效劑量分布圖。由圖6可見，在2011年3月31日0時這一瞬時時刻，131I和137Cs的吸入內照射年有效劑量分布呈條帶狀，與空氣濃度的分布形狀相類似，也反映了空氣濃度與吸入內照射有效劑量之間的關系；此外，成年人與嬰兒的吸入內照射年有效劑量分布也比較接近，這是因為嬰兒的呼吸率遠小于成年人的呼吸率，但是對于同樣放射性活度的放射性物質，嬰兒所承受的劑量要遠大于成年人，也就是嬰兒的有效劑量轉換因子較高，因此在呼吸率和劑量轉換因子的共同影響下，導致了成年人與嬰兒的吸入內照射有效劑量的分布比較接近。

總的有效劑量為131I和137Cs的空氣浸沒外照射年有效劑量、地表沉積外照射年有效劑量及吸入內照射年有效劑量的總和。圖7為2011年3月31日0時131I和137Cs的總有效劑量分布圖，對比圖4至圖6中的各種照射途徑的輻射劑量分布可以看出，地表沉積外照射有效劑量中總有效劑量的比例最大。

在實際的風險評估中，通常根據(jù)總有效劑量對暴露人群的健康風險進行評估。例如普通公眾的年有效劑量限值為1 mSv/a，由圖7可見，超過該劑量限值區(qū)域的陸地面積較大，東西方向超過100 km，南北方向超過200 km；從事防災減災工作人員(如警察、消防員)的年有效劑量限值為50 mSv/a，從事應急工作人員的年有效劑量限值為250 mSv/a，由圖7可見，這兩個限值對應的陸地區(qū)域面積較小，半徑均在50 km之內。

圖6 2011年3月31日0時131I和137Cs的吸入內照射年有效劑量分布圖Fig.6 Distributions of the annual effective dose of internal exposure from inhalation at 00 UTC on 31 March,2011

圖7 2011年3月31日0時131I和137Cs的總有效 劑量分布圖Fig.7 Distributions of the annual total effective doses at 00 UTC on 31 March,2011

在核事故下，根據(jù)一定的應急處置劑量標準，可以劃分相應的應急處置區(qū)域，每一類區(qū)域對應一種或幾種應急處置策略。使用放射性物質大氣擴散模擬結果的情況下，應急處置區(qū)域的劃分可以更為精確，而不是僅以疏散半徑進行粗略劃分。此外，由于WRF/Chem模型的氣象場和擴散場可以同步計算，因此可以實現(xiàn)對大氣擴散和地表沉降濃度的實時計算，從而也可以實時計算應急處置區(qū)域的變化范圍和變化趨勢。表2為國際原子能機構(IAEA)和日本原子能規(guī)制委員會(NRA)分別提供的核事故下的應急處置劑量標準。由表2可見，NRA的標準比IAEA的標準更為保守，也就是IAEA的每一條應急措施對應的劑量下限要高于NRA。

表2 核事故下的應急處置劑量標準

圖8和圖9分別為IAEA和NRA標準下的應急處置區(qū)域分布圖。由圖8和圖9可見，兩種標準下均不存在需要數(shù)小時內緊急撤離的區(qū)域；NRA標準對應的一周內實施臨時疏散的區(qū)域和限制食用當?shù)厣a(chǎn)食品的區(qū)域均小于IAEA標準對應的區(qū)域。

圖8 IAEA標準下的應急處置區(qū)域分布圖Fig.8 Distribution of the emergency disposal region under the standard from IAEA

圖9 NRA標準下的應急處置區(qū)域分布圖Fig.9 Distribution of the emergency disposal area under the standard from NRA

表3為IAEA和NRA標準下三種應急措施對應的應急處置區(qū)域面積和等效半徑。

表3 IAEA和NRA標準下三種應急措施對應的

3 結論與建議

(1) 本文提出了基于放射性物質大氣擴散模擬的環(huán)境輻射劑量估算方法，并結合福島核事故案例，以放射性物質131I和137Cs為研究對象，對核電站周邊區(qū)域的131I和137Cs空氣浸沒外照射年有效劑量、地表沉積外照射年有效劑量、吸入內照射年有效劑量和總有效劑量進行了估算。估算結果表明：131I與137Cs的空氣浸沒外照射年有效劑量比較接近；成年人與嬰兒的吸入內照射年有效劑量分布也比較接近；地表沉積外照射年有效劑量在總有效劑量中所占比例遠遠大于空氣浸沒外照射年有效劑量和吸入內照射年有效劑量。可見，與一般大氣污染物不同的是，沉降作用并未減小放射性物質污染對人體的危害，而是使放射性物質大量沉積于地表，并通過外照射途徑作用于人體。

(2) 根據(jù)國際原子能機構(IAEA)和日本原子能規(guī)制委員會(NRA)的劑量標準，本文提出了基于放射性物質大氣擴散模擬的應急處置區(qū)域的劃分方法，福島案例中，NRA標準對應的一周內實施臨時疏散的區(qū)域和限制食用當?shù)厣a(chǎn)食品的區(qū)域均小于IAEA標準對應的區(qū)域。

(3) 基于放射性物質大氣擴散模擬的環(huán)境輻射劑量估算方法較之傳統(tǒng)的高斯模型精確度高、適用范圍廣，且可以得到環(huán)境輻射劑量的實時分布，能夠更好地服務于核應急工作。在未來的研究中，可考慮結合水體及食物中的放射性物質濃度，計算消化道攝入內照射有效劑量。

致謝：本論文受公共安全協(xié)同創(chuàng)新中心支持。

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Method of Assessment of Environmental Radiation Dose Based on Simulation of Atmospheric Dispersion of Radionuclides by Using WRF

HU Xiaofeng,CHEN Peng,ZENG Zhaolong

(SchoolofPoliceInformationEngineering,People’sPublicSecurityUniversityofChina,Beijing100076,China)

Aiming at the assement of the environmental radiation dose in nuclear accidents,this paper proposes a method of assessing environmental radiation dose based on simulation of atmospheric dispersion of radionuclides by using the mesoscale meteorological model WRF.The method calculates the air concentrations and ground deposition concentrations of the radioactive contaminants by the atmospheric dispersion numerical model of radionuclides,and further obtains the radiation dose of the surrounding environment combined with the dose conversion coefficients,and divides the region for emergency disposal based on the dose limitation standard.The method can accurately describe the spatial and temporal distribution of the radiation dose with changing air concentration of radionuclides caused by the instantaneous emission and meteorological conditions in order to realize the real-time calculation of the environmental radiation dose of the radioactive contaminants.The paper conducts a case study of the Fukushima accident (happened in March 2011,Japan) to assess the environmental radiation of radionuclides131I and137Cs with the method.The results indicate that the effective dose of external exposure from airborne radionuclides131I and137Cs are close to each other;the effective dose distribution of internal exposure from inhalation by infants and adults are also similar;for131I and137Cs,the proportion of the effective dose to total dose of external exposure from ground deposition is much larger than that of both external exposure from airborne radionuclides and internal exposure from inhalation.Key words:nuclear accident;radionuclides;environmental radiation dose;WRF model;numerical simulation

1671-1556(2016)02-0135-08

2015-08-07

2016-01-08

公安部技術研究計劃項目(2015JSYJC 50)

胡嘯峰(1986—)，男，博士，講師，主要從事公共安全與應急管理方面的研究。E-mail: huxiaofeng3@163.com

X946；R144

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2016.02.025