地面水體中放射性物質(zhì)的遷移擴(kuò)散

劉軍 關(guān)慶濤

（ 遼寧省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，遼寧沈陽 110161）

1 引言

地面水體包括海洋、江河、湖泊、沼澤等水域。放射性廢水的排放是地面水體放射性污染的主要來源；此外，大氣中氣載放射性物質(zhì)的沉積、污染地面上的徑流也在一定程度上導(dǎo)致水體的污染。 20 世紀(jì)50 年代美國的卷狀鈾礦床的淋積成因理論，引起了人們對鈾的水遷移作用的關(guān)注， 可以說是放射性核素遷移研究的開端［1］。 放射性物質(zhì)在地面水體中的行為比其在大氣中的行為復(fù)雜得多，涉及因素更多。地面水的污染可經(jīng)由飲水途徑對人造成內(nèi)照射；水生生物的污染及用污染水灌溉農(nóng)田導(dǎo)致農(nóng)作物的污染則使放射性核素經(jīng)由生物鏈途徑對人造成內(nèi)照射。

2 放射性物質(zhì)在地面水體中的化學(xué)行為

放射性物質(zhì)在水體中的存在狀態(tài)因其來源不同而異。 水體不同，放射性物質(zhì)的存在狀態(tài)也不同。 特別是放射性核素進(jìn)入不同水體之后，會(huì)發(fā)生水解、氧化還原、絡(luò)合、吸附等不同的物理化學(xué)變化，其存在狀態(tài)也必然發(fā)生不同的變化。 概括起來放射性物質(zhì)在水體中的存在狀態(tài)有溶存狀態(tài)、膠體狀態(tài)、微粒狀態(tài)。由于海洋覆蓋了地球表面的71%，其水量占地球總水量的97%，因此，目前人們對海水放射性核素的種類和存在形態(tài)研究甚多［2］。

海水中放射性核素的垂直分布會(huì)呈現(xiàn)某些有趣的規(guī)律， 反映了核素在不同深度的海水中化學(xué)形態(tài)的變化。例如，137Cs，90Sr 在海水表層呈溶存狀態(tài)，其遷移和擴(kuò)散速度很快；在1 500～2 000 m 的深層，海水中的137Cs，90Sr 的濃度僅為表層的1/10～1/100， 其原因是137Cs，90Sr 大部分轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒘顟B(tài)而迅速沉降，沉降中的微粒狀態(tài)的137Cs，90Sr 又有小部分重新溶解于水中。 許多放射性核素在海水中垂向遷移時(shí)，會(huì)經(jīng)歷從溶存狀態(tài)到微粒狀態(tài)， 再由微粒狀態(tài)到溶存狀態(tài)的復(fù)雜的化學(xué)性態(tài)變化過程。137Cs 在海水中以離子態(tài)存在，但卻容易和黏土物質(zhì)結(jié)合在一起，海底沉積物是其最終歸宿。

3 放射性物質(zhì)在地面水體中的遷移擴(kuò)散

放射性物質(zhì)在地面水體的輸運(yùn)、 彌散和遷移行為涉及水力學(xué)、水文學(xué)、化學(xué)及生物學(xué)等多種因素，其中包括水的流速和深度、水底類型和坡度、水體構(gòu)型、水溫、潮汐因素、風(fēng)力、核素本身的物理化學(xué)性質(zhì)、水生物的種類和分布特點(diǎn)等。

3.1 放射性物質(zhì)在河流中的遷移擴(kuò)散

放射性污染物在河流中的輸運(yùn)和彌散涉及其隨水流向下游方向的平流輸運(yùn)和在水流、 河寬及水深方向上的擴(kuò)散，其中擴(kuò)散過程又與分子擴(kuò)散、湍流擴(kuò)散、剪切流彌散和對流擴(kuò)散等多種機(jī)制有關(guān)。廢水經(jīng)由排放口釋入河流中以后， 污染物隨機(jī)在河水中輸運(yùn)和彌散，在通常的寬淺河流中，污染物在隨水流向下游方向輸運(yùn)的過程中， 一般先在水深方向上混合均勻， 垂向混合的快慢和河流與廢水之間流速及密度的差異、排放口的形式（ 水面或水下排放口，射流或非射流式排放口）有關(guān)。在無浮力效應(yīng)及非射流排放的情況下， 達(dá)到垂向混合均勻所需的距離與水深成正比，一般為排放口處水深的幾十倍到100 倍。放射性物質(zhì)在水深方向上彌散混合的同時(shí)， 在河寬方向上也逐漸與河水混合，在寬淺河流中，達(dá)到橫向混合均勻所需的距離比垂向混合距離長得多。 橫向混合均勻后， 河流斷面上各點(diǎn)處污染物濃度即呈完全均勻分布。 放射性污染物若以恒定的排放速率排入均勻平穩(wěn)流場的河流中， 可按連續(xù)點(diǎn)源排放的污染物在平穩(wěn)彌散狀態(tài)介質(zhì)中的混合模式估算河水中污染物濃度的分布。事故情況下，放射性污染物在極短時(shí)間內(nèi)大量排入河流中， 將造成一定河段內(nèi)水塊的污染，其估算模式可按瞬時(shí)點(diǎn)源彌散模式。

3.2 放射性物質(zhì)在湖泊中的遷移擴(kuò)散

由于湖水流速較小、更新率低，放射性污染物排入湖泊后，在湖泊中滯留時(shí)間相對較長，其彌散和混合過程與湖泊的形狀、大小、水深及滯留時(shí)間等多種因素有關(guān)。即使在小型湖泊中，放射性物質(zhì)的滯留也能達(dá)到幾天以至幾個(gè)星期。 在放射性物質(zhì)連續(xù)釋放的條件下，若忽略釋放開始后短時(shí)間內(nèi)的輸運(yùn)、彌散過程， 可認(rèn)為放射性物質(zhì)在全部湖水中的濃度呈均勻分布， 其污染濃度只與放射性物質(zhì)隨廢水的排放率、 湖泊的總貯水量和穿越湖泊的河水及廢水的總過水量有關(guān)。

3.3 放射性物質(zhì)在海水中的遷移擴(kuò)散

放射性物質(zhì)在海水中的遷移主要分為近岸帶海域、半封閉海港與海灣、河口海域及大洋區(qū)。 近岸帶海域、半封閉海港與海灣、河口海域的遷移混合較為復(fù)雜， 本文主要討論放射性物質(zhì)在大洋區(qū)的遷移擴(kuò)散，主要是淺海區(qū)和大洋表層。 在大洋區(qū)，由于風(fēng)浪作用，表層海水的混合過程相當(dāng)迅速和完全，這一層海水在垂直方向上溫度、 含鹽量及密度分布是均勻的，故稱為表面混合層；對于大洋深層的放射性物質(zhì)遷移研究還不夠深入。放射性物質(zhì)進(jìn)入大洋區(qū)后，在表面混合層很快混合均勻， 海流的輸運(yùn)作用及湍流所導(dǎo)致的水平擴(kuò)散是使之?dāng)U散混合的主要因素，放射性物質(zhì)向深層海水的遷移擴(kuò)散則非常有限［3］。 一般認(rèn)為，在平均流型為各向同性的條件下，在淺海區(qū)和大洋表層瞬時(shí)點(diǎn)源釋放的污染物濃度以源點(diǎn)為中心呈對稱分布。最大濃度位于源點(diǎn)處，周圍海水中放射性物質(zhì)濃度只與釋放后的時(shí)間及離源點(diǎn)距離有關(guān)。以日本福島核事故為例，可采用的估算模型為約瑟夫公式［4］：

式中，C 為放射性物質(zhì)釋放后t 時(shí)刻距離源點(diǎn)r 處海水濃度，mg/L 或Bq/L；Q 為源強(qiáng)， 一次釋放總量，mg或Bq；h 為放射性物質(zhì)成均勻分布的水層厚度，淺海區(qū)取實(shí)際水深，大洋區(qū)取表面混合層厚度，m；p 為水平擴(kuò)散速度，m/s；t 為釋放后的時(shí)間，s；r為距離源點(diǎn)的徑向距離，m。

4 結(jié)語

放射性物質(zhì)在地面水體的遷移擴(kuò)散是一個(gè)復(fù)雜的過程，還涉及生物體、地下水體、沉積、再懸浮等因素影響。 對于公眾最關(guān)注的濱海核電廠在運(yùn)行時(shí)會(huì)有少量放射性核素通過液態(tài)途徑進(jìn)入海洋環(huán)境，并逐漸稀釋彌散， 在掌握其周邊海域水動(dòng)力環(huán)境的基礎(chǔ)上，開展放射性核素遷移研究具有重要意義［5］。