[韩] 郑孝俊 等

梁静静 译自美刊《核能年鉴》2009年第36卷

放射性物质可能是人为或偶然地进入水源。在商用核电站和核废料处理站已发生过多次意外泄漏事故,如三里岛(Three Mile Island)和切尔诺贝利(Chernobyl)事件是典型的核电站放射性物质意外泄漏事故(波特(Bot),2004年;菲森科(Fesenko)等,2007年)。有毒化学品或放射性核素向环境的蓄意排放被称为“恐怖袭击”。全世界有很多位置存在放射性物质,因此,放射性核素蓄意泄漏事件可能会在任何地方发生。诸如放射性分散装置(RDD)等造成的放射性物质蓄意泄漏,首先会给人们带来一定的放射曝露,进一步还会对与其投放点毗邻地区造成更为严重的环境污染(琼斯(Jones)等,2003年)。公众受到不利的环境影响,将会出现癌症等健康问题。

放射性物质被排入环境之后,放射性核素可通过吸入、食入等途径进入人体,进而导致内照射,饮用水是其被食入的媒介。放射性核素向人体组织直接释放大量能量,损伤 DNA和细胞,造成致癌风险。本文在假定一种放射性污染物被蓄意泄漏的情景下,主要讨论了放射性核素造成的饮用水污染和健康风险评估问题。有关人为加强的天然放射性物质(如氡和铀)对水质影响的研究,已有大量报道。还有几项研究调查了意外泄漏的放射性物质在水体中的迁移转化。但是,据我们所知,对蓄意泄漏造成的饮用水放射性污染的风险评估至今还没有人开展专门的研究。

八堂湖是首尔市区的唯一水源,两千多万人的饮水供应均依赖于此。因此,为了评估受核素污染的水源对人体健康造成的放射性风险,对水系中放射性污染特征做进一步深入研究极为必要。在假定50TBq的铯 -137被蓄意排入水源区的情景下,计算其瞬时浓度和致癌风险。在本次研究中,为了计算铯 -137在水体中的迁移转化,我们引入了完全混合和偏微分两个概念。

1 材料和方法

1.1 污染情景

1987年 9月,巴西中部戈亚斯(Goias)州首府哥亚尼亚(Goiania)市一家废弃的医院曾遗失一个旧辐射源(克鲁斯(Cruz)等,2008年)。该辐射源包含 50TBq的铯 -137以氯化铯的形式存在,它被封装在 2个相互嵌套的不锈钢容器中。随后,这一辐射源被数人接触,产生了严重的放射性污染,并造成多人死亡。索耶(Sohier)和哈德曼(Hardeman,2006年 )、蒂森 (Thiessen)等学者 (2009年 )都曾以此作为蓄意排放情景的源项。本次研究也将此假定情景引入,将辐射源假定为 50TBq的铯 -137,并设想将其排入八堂湖即首尔市一重要水源中。

八堂湖是韩江水系的一部分,位于韩国中部,是首尔市区的主要水源。八堂湖湖面面积 29 km2,容积2600万 m3。共有 3条河流注入该湖泊,即韩江北支、韩江南支及庆南(Kyounan)溪。两千多万市民的饮水均依赖于此。因此,蓄意排放放射性污染一旦发生,危害将非常大。由于庆南溪水量很小,湖泊水质主要受韩江南、北两支流的影响。本次研究的污染情景假定为向韩江北支引入 50TBq的铯 -137核素。

1.2 水动力学和水质模型

用于计算放射性污染物水质浓度的数学模型通常是建立在物理、化学和生物学原理基础上,可利用这些原理来描述浓度的时空分布差异。虽已有多个水动力学和水质模型可用于供水系统的评估问题,但环境流体动力学程序(EFDC)模型在湖泊、海岸和海洋系统中的应用更为广泛。

EFDC模型由弗吉尼亚海洋科学研究所研制开发,近来被广泛用于环境学水质模拟研究:污染物迁移转化模拟、发电厂冷却水排放模拟、沉积和疏浚效应模拟以及湖泊和海洋系统中有毒污染物输移模拟。

该模型利用弹性 σ纵坐标、笛卡尔曲线和水平正交坐标系,能够解决具有以下特征的问题:三维、垂向静力、自由表面、密度可变流体的均匀紊流运动方程。可以利用动量、质量和能量的守恒来描述湖泊水体,并通过布辛涅斯克(Boussinesq)近似、流体静力学近似和准三维近似来简化湖泊系统。水动力是毒物和沉积物的输移动力,它通过环境对污染物的迁移产生影响,水动力因素在水平曲线坐标和垂向 σ坐标系中以如下形式存在于模型中:

式中 u和 v分别为水平正交曲线坐标 x和 y方向的速度分量;水平坐标系的比例系数分别为 mx和 my;垂向坐标 z方向的竖向速度为 w;自由表面和湖底的实际纵坐标分别为zs*、zb*;总水深度为 H;ø表示自由表面电势,等于 gzs*;fe为科里奥利(Coriolis)加速参数;垂向紊流粘度 Av将剪应力与水平速度分量的垂直剪应力联系起来;运动大气压依据水体密度而定,表示为 patm。

湖泊水体中放射性物质的水质演变与湖泊的流动条件密切相关。当某种放射性物质被排入湖泊或其他水域,其迁移转化过程决定着放射性核素浓度分布,主要影响因素是水力输移过程和化学反应,包括衰减机理。水平对流、扩散和垂向混合是水力输移过程最主要的决定因素。由于地形复杂,放射性物质输移过程通常发生在三维流场中,因此,水平和垂直方向的迁移过程都需要考虑。溶解态或悬浮态物质,以及本文中已知单位体积浓度质量的放射性物质 C的普通迁移方程可表示如下:

式中 Kv和 KH分别为垂直和水平方向的紊流扩散系数;C代表某种悬浮物;Qc表示外部和外部源与汇;wsc为正的沉降速度。

在水平曲线坐标和垂向 σ坐标系中,通常采用有限差分格式来求解模型方程。因此,环境流体动力学程序模型也采用有限差分法。该方法选取3个时间段,通过内外模式划分过程来实现内部切变模与外部自由表面重力波模的分离。为保守评估风险,假定所有的铯 -137都以溶解态形式存在于水体中。

1.3 风险评估方法

饮用水一旦受到放射性核素污染,会对公众健康带来较大风险。通过对鱼、粮食等食物的摄入,放射性核素能够在机体内累积,从而达到危害人体健康的程度。同时,放射性核素或有毒物质经过累积也会干扰生态系统自身的功能。美国环境保护署(EPA)给出了评估放射性核素对健康影响的“风险系数”。虽然还有一些其他的直接接触和吸入途径,但饮用水是水污染对人体健康产生危害的重要途径。因此,本文就此开展研究。风险系数适用于一般人群,因此在某种意义上,风险评估是建立在某一假定的固定封闭群体年龄和性别平均的基础上。本文选择饮用受污染自来水导致的死亡风险系数和患病风险系数来评估铯 -137对人体带来的健康风险。

2 结果与讨论

2.1 韩江北支汇入支流中铯 -137浓度

在八堂湖的北支有一座叫重平(Choung-Pyoung)的水坝,该坝主要用以维持八堂湖稳定的水量,并兼具发电功能。假设在重平坝排入 50TBq的铯 -137,并在此达到完全混合状态。之后,随着时间的推移,受铯 -137污染的河水会注入八堂湖。

放射性核素在水系中的反应与有机化学物质类似。向重平坝排入铯 -137之后,假设污染物与河水实现完全混合,水体中放射性核素质量平衡方程如下:

式中 t表示时间;C为铯 -137浓度;V表示水量;Q表示入流量;Cin为铯 -137入流浓度;k是铯 -137衰减系数。利用龙格 -库塔(Runge-Kutta)法,在MATLAB程序环境下,可求出上述一阶常微分方程的数值解(马斯沃尔克斯(Mathworks),2002年)。

水系中铯 -137的主要去除过程是上游支流汇入产生的稀释作用。图 1表示了在八堂湖北支的重平水坝排入放射性核素铯 -137之后的浓度分布。由图 1可知,铯 -137最大浓度为 1480Bq/L,但是在受到上游清洁来水稀释作用的影响后,铯 -137浓度急剧下降。

2.2 水动力学和水质模型

模型域栅格由网格单元构成,覆盖了 EFDC数值模型的空间范围。栅格将水域空间范围划分为三维结构,从而形成 EFDC模型计算的基础。为了准确模拟铯 -137的水动力和水质状况,栅格图形必需真实可靠。最佳的解决途径便是利用可视化正交网格生成(VOGG)技术建立八堂湖的笛卡尔空间网格结构。模型域中湖岸线边界条件建立在一个 GIS格式的 shape文件基础上,该 shape文件可通过一个CAD文件格式的数字地图得到。网格与湖岸线如图 2所示。栅格共包括 1341个水平网格单元,σ图层即垂向图层的数量是可变的,以便于精确表示水动力条件和迁移过程。本次研究确定的垂向 σ图层的最终数量为 3层。因此,水平和垂直方向图层的总网格单元数即为4023个。利用图 3中的等深点数据均值,对模型域中的等深数据进行插补。

图1 在重平水坝排入污染源后水流量与铯 -137浓度关系曲线

图2 水动力水质模型网格

图3 八堂湖区测深结果

沿岸注入水量主要包括北支、南支和庆温安(Kyoungan)溪。入流量数据参见韩国水文年度报告(国土、交通与海事部,2008年)。北支的入流水量见图 1,南支与庆温安溪的入流水量如图 4所示。这些入流水量和铯 -137浓度值可作为 EFDC模型应用的边界条件。建模时间选为一个月,从 2007年4月 1日到 30日。受上游强降雨影响,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总水量的 65%左右,而庆温安溪的流量则很小,仅占 2%左右。

图4 南支和庆温安溪的水流量数据

表1给出了 EFDC模型的建模条件。有了这些计算条件及受铯 -137污染的入流水量数据,就可以运用水动力学和水质模型了。图 5给出了 EFDC模型执行后模型域的流场分布。南支汇入点处水流速度最大,为0.7 m/s,北支为0.4m/s,而湖泊中部的水流速度非常缓慢,仅为0.03m/s。

表1 EFDC模型运行的计算条件

北支中铯 -137的边界浓度根据图 1来设定。按照时间推移,根据水动力模型结果来实现水质模型模拟。北支汇流点处铯 -137浓度峰值时间为排入后的第1.38 d。图 6显示出蓄意污染发生后第1.38 d的铯 -137浓度分布情况。由图形可知,铯-137在八堂湖水系中的迁移过程,主要受流线和支流汇入产生的稀释作用的影响。

图5 八堂湖的流场分布

2.3 饮用水风险评估

铯 -137由湖水进入人体最简捷的途径就是摄入饮用水。利用放射性核素环境曝露风险系数来评估饮用水中铯 -137的致癌风险,该系数由美国环保署提供,包含两种:死亡风险系数和患病风险系数。死亡风险系数是对由于摄入放射性核素而死于癌症的人口平均数的估计;患病风险系数是对辐射致癌总数均值的相对估计,不论癌症是否致命。通过饮用水摄入铯 -137的死亡风险系数和患病风险系数分别为5.66×10-10和8.22×10-10。

图6 八堂湖中铯-137浓度分布

图7 取水口处铯-137浓度变化曲线

图7表示了取水口处铯 -137瞬时浓度的变化情况,由该处取水后向水处理厂供水。由图 7可知,蓄意污染发生后第1.38 d时的铯 -137浓度值最大,达到 357 Bq/L,然后受支流汇入稀释作用的影响,浓度值急剧下降。美国环保署现行的饮用水标准中铯 -137的浓度限制为 200pCi/L(7.4 Bq/L)(EPA,1976年)。为达到这一标准,在放射性蓄意污染事故发生后的6.2 d内,湖水不得用作饮用水源。尽管在饮用之前会对湖水水源进行处理,但为保守起见,假设公众饮用水中放射性物质浓度与未处理的湖水相同,并据此开展风险评估。因此,本文为了保守评估健康风险,不考虑水处理过程对铯 -137的去除效率。综合图 7中的曲线,可得总放射剂量。计算健康风险时,假定每天饮用自来水量为1.1 L,则由此摄入铯 -137总剂量为 842 Bq,死亡风险系数和患病风险系数分别为4.77×10-7和6.92×10-7。这就意味着,由于饮用了受铯 -137污染的水,在 1千万人当中将有 5人死亡,7人患病。

3 结 语

本文针对韩国首尔市区一受放射性蓄意污染的饮用水源,详细讨论了有关铯 -137的水质模型建立与健康风险评估问题,以评价其对人体健康产生的潜在和实际影响。在这种辐射突发事件下,预测环境中放射性物质的浓度,对实施公众健康保护措施非常重要。针对含有放射性物质的水质建模,是公众健康风险评估的第一步。为了计算铯 -137在水体中的迁移转化,本文引入完全混合和偏微分的概念。对所选模型域八堂湖,利用 EFDC模型来计算水动力条件和水质状况,选用饮用自来水导致的死亡风险系数和患病风险系数来评估铯 -137排放对人体健康的危害。

铯 -137在八堂湖水系中的迁移主要受水体流动和支流汇入稀释效应的影响。受铯 -137污染的饮用水可能导致的死亡风险系数和患病风险系数分别为4.77×10-7和6.92×10-7。人为造成的放射性污染可能通过多种途径到达人体,例如直接接触、吸入、食入等。放射性核素带来的健康风险取决于事故发生时的水文条件。因此,特定场域的水文状况决定着其死亡风险与患病风险的大小。本文是关于蓄意排泄放射性核素导致饮用水污染的实例研究。因此,尽管其风险不高,但是为了维护公众健康,对蓄意排泄造成饮用水放射性污染的预防和健康评估仍需重视。此外,当水域区发生蓄意排泄事故时,一些固体物质可能会沉积到河床或湖底,而这些物质中就可能含有一些从湖水中带来的人工放射污染物。这些沉积物将在鱼类体内累积。尽管本次研究并没有考虑诸如鱼类等的二次污染物的影响,但是我们认为,对由此带来的健康风险进行评估也是必要的。