福島核事故釋放的137Cs在西北太平洋海水中輸運(yùn)的模擬與預(yù)測(cè)

趙云霞,韓 磊,曲大鵬,趙 昌,莊展鵬,袁業(yè)立

(1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院,山東青島266100;2.國(guó)家海洋局第一海洋研究所,山東青島266061; 3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室,山東青島266071)

福島核事故釋放的137Cs在西北太平洋海水中輸運(yùn)的模擬與預(yù)測(cè)

趙云霞1,2,3,韓 磊2,3*,曲大鵬2,3,趙 昌2,3,莊展鵬1,2,3,袁業(yè)立1,2,3

(1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院,山東青島266100;2.國(guó)家海洋局第一海洋研究所,山東青島266061; 3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室,山東青島266071)

2011-03-11日本福島核電站放射性物質(zhì)發(fā)生泄漏事件,本研究基于MASNUM(Laboratory of Marine Science and Numerical Modeling)海洋環(huán)流模式,建立了西北太平洋海洋放射性物質(zhì)輸運(yùn)擴(kuò)散模式,對(duì)事故釋放的137Cs在海洋中的輸運(yùn)和擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行了20 a的模擬與預(yù)測(cè)。根據(jù)與觀測(cè)資料的比較,驗(yàn)證了所建立的模式具備模擬放射性物質(zhì)在海洋中的輸運(yùn)擴(kuò)散過(guò)程的能力。結(jié)果顯示:至2015年,137Cs表層活度濃度已經(jīng)擴(kuò)散至整個(gè)中國(guó)海域,活度濃度值在0.01 Bq/m3左右;事故發(fā)生10 a后,研究海域137Cs表層活度濃度趨于均勻,為0.20～0.60 Bq/m3左右;20 a后,137Cs在海洋表層的活度濃度要小于0.15 Bq/m3。垂向擴(kuò)散的結(jié)果顯示:事故發(fā)生10 a后,黃海海域137Cs垂向分布較為均勻,東海東部陸架海域活度濃度高于西部海域,且上層海水中137Cs活度濃度高于底層海水,南海北部海域137Cs活度濃度高于南部海域,且略小于黃海和東海;至2030年,中國(guó)近海137Cs的活度濃度的垂向分布趨于均勻,南海略高于黃海和東海;日本海137Cs活度濃度主要集中在表層,最大活度濃度出現(xiàn)在2016年,約為0.20 Bq/m3;西北太平洋海域137Cs活度濃度要高于其他4個(gè)海域;2030年以后,整個(gè)海域137Cs活度濃度在水平和垂向分布均趨于均勻,均小于0.15 Bq/m3。

福島核事故;137Cs;放射性物質(zhì)擴(kuò)散模式;西北太平洋

海洋中的放射性物質(zhì)主要通過(guò)大氣沉降和直接排入兩種方式進(jìn)入海洋,在海洋中的存在形式有3種:1)海水中溶解的放射性物質(zhì);2)吸附在懸浮物上的放射性物質(zhì);3)海底沉積物中的放射性物質(zhì)。以上這3種形式存在的放射性物質(zhì),在海洋中隨著海水的平流和混合作用相互轉(zhuǎn)化,對(duì)海洋的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。離子態(tài)放射性核素通過(guò)水體的垂直運(yùn)動(dòng),被懸浮物顆粒吸著,與有機(jī)或無(wú)機(jī)物質(zhì)凝聚、絮凝,或通過(guò)累積放射性核素的生物的排糞、蛻皮、產(chǎn)卵、鉛直移動(dòng)等途徑才能較快地沉降于海洋的底部。沉積物對(duì)大多數(shù)放射性核素都有很強(qiáng)的吸著能力,其富集系數(shù)因沉積物的組成、粒徑、環(huán)境條件有較大的差異。海流、波浪和底棲生物還可以使沉積物吸著的放射性核素解吸,重新進(jìn)入水體中,造成二次污染。

自20世紀(jì)80年代開(kāi)始,各國(guó)學(xué)者開(kāi)始嘗試用數(shù)值模擬的方法開(kāi)展海洋中放射性物質(zhì)擴(kuò)散的研究工作。1985年Evans利用箱式模型計(jì)算了波羅的海的放射性物質(zhì)的含量[1]。自此箱式模型被廣泛地應(yīng)用在放射性物質(zhì)擴(kuò)散的模擬中,其主要原理是將研究的區(qū)域劃分成一個(gè)個(gè)小的箱子,不同的箱子之間通過(guò)海水的平流和混合作用進(jìn)行物質(zhì)交換[2-6]。Lepicard等研發(fā)的POSEIDON/RODOS(Real-time On-line Decision Support System)箱式模型能夠同時(shí)模擬多源輸入的放射性物質(zhì),該模型可以計(jì)算出溶質(zhì)中和沉積物中放射性物質(zhì)的活度濃度[2-3]。

(李 燕 編輯)

在海洋放射性物質(zhì)輸運(yùn)模式的發(fā)展進(jìn)程中,Perianez等做了大量的工作。1996年P(guān)erianez和Abril在潮汐模式的基礎(chǔ)上發(fā)展了一個(gè)近海海洋放射性物質(zhì)輸運(yùn)模式,給出了放射性物質(zhì)在海洋中3種存在形式的4個(gè)擴(kuò)散方程的概念模型,其中沉積物中放射性物質(zhì)擴(kuò)散方程分為兩部分,也詳細(xì)地介紹了他們之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,本文的工作也參考了該概念模型[7]。1998年P(guān)erianez在前兩年工作的基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)展了可模擬深海放射性物質(zhì)輸運(yùn)的模式,將其應(yīng)用于3H,137Cs和239,240Pu在海洋中的輸運(yùn)研究[8]。1999年,Perianez又對(duì)其所建立的模式進(jìn)行了進(jìn)一步的完善,模擬了愛(ài)爾蘭海域的239,240Pu的分布[9]。2004年,Perianez建立了3種動(dòng)力模型來(lái)模擬由法國(guó)La Hague核廢料處理基地釋放的137Cs在英吉利海峽處海水中和沉積物中的含量,文中也給出了海水中放射性物質(zhì)幾種存在形式之間的交換系數(shù)[10]。此外,Tsumune等在OGCM(Ocean General Circulation Model)基礎(chǔ)上發(fā)展的放射性物質(zhì)輸運(yùn)模式也取得了較為理想的成果[11-12]。

當(dāng)?shù)貢r(shí)間2011-03-11T14:46,日本宮城縣東部海域發(fā)生里氏9.0級(jí)地震,引發(fā)了破壞力極大的海嘯,海嘯最高值達(dá)到40.5 m。海嘯越過(guò)福島核電站的堤壩摧毀了核電機(jī)組,冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)故障,進(jìn)而引發(fā)核電站1-4號(hào)機(jī)組爆炸,導(dǎo)致大量放射性物質(zhì)泄漏。

福島核事故發(fā)生后,各國(guó)研究人員開(kāi)始對(duì)此次事故釋放的放射性物質(zhì)在海洋和大氣中的擴(kuò)散展開(kāi)了一系列的研究。2011-04,Qiao等針對(duì)福島核事故,利用CCSM3(Community Climate Atmosphere Model version 3.0)氣候預(yù)測(cè)模式與MASNUM(Laboratory of Marine Science and Numerical Modeling)海浪-潮流-環(huán)流耦合數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng),在理想條件假設(shè)下,對(duì)泄漏的放射性物質(zhì)的輸運(yùn)擴(kuò)散路徑進(jìn)行了情景模擬和預(yù)測(cè)[13]。Kawamura等根據(jù)東京電力公司(Tokyo Electric Power Company,TEPCO)提供的放射性物質(zhì)泄漏的時(shí)間序列,通過(guò)示蹤物方式模擬了海洋中131I和137Cs的擴(kuò)散過(guò)程[14]。2012年Nakano等建立了分辨率為2°×2°的準(zhǔn)全球海洋放射性物質(zhì)輸運(yùn)模式(Long-term Assessment Model of Radionuclides in the oceans,LAMER),對(duì)此次核事故泄漏的137Cs在海洋中的長(zhǎng)期變化進(jìn)行預(yù)測(cè)[15]。何晏春等使用全球版本的邁阿密等密度海洋環(huán)流模式(Miami Isopycnic Coordinate Model,MICOM),對(duì)此次核事故泄漏的放射性物質(zhì)在海洋中的傳輸及擴(kuò)散進(jìn)行了數(shù)值模擬[16]。Wang等使用一個(gè)空間分辨率為(1/8)°×(1/8)°的區(qū)域海洋環(huán)流模式(Regional Ocean Modeliny System,ROMS),在北太平洋海域?qū)宋镔|(zhì)進(jìn)行了數(shù)值模擬[17]。趙昌等在2014年,利用普林斯頓海洋模式(Princeton Ocean Model,POM)建立了一個(gè)分辨率為0.5°×0.5°的準(zhǔn)全球環(huán)流模式,對(duì)福島核事故泄漏進(jìn)入海洋的137Cs對(duì)中國(guó)近海的影響進(jìn)行了模擬與預(yù)測(cè)[18]。2015年,趙昌等在此模式的基礎(chǔ)上,對(duì)歷史上核試驗(yàn)進(jìn)入海洋中的137Cs對(duì)中國(guó)近海的影響進(jìn)行了模擬研究[19]。

137Cs是核事故釋放人工放射性核素中最重要的核素之一,半衰期為30.17 a,能同時(shí)釋放出β射線和γ射線,137Cs通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體之后,聚集在肌肉組織中,危害人體健康。因此,對(duì)海水中137Cs比活度的分析在海洋核安全的監(jiān)管工作中占有很重要的地位。我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖137Cs的標(biāo)準(zhǔn)為700 Bq/m3。福島核事故對(duì)世界各國(guó)都產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響,放射性物質(zhì)在海洋中的輸運(yùn)和擴(kuò)散的研究也備受關(guān)注。本文考慮了放射性物質(zhì)在海洋中的3種存在方式,基于一個(gè)兩時(shí)間層、原始方程三維海洋環(huán)流模式——MASNUM(Laboratory of Marine Science and Numerical Modeling)海洋環(huán)流模式,在西北太平洋海域建立了一個(gè)高分辨率的海洋放射性物質(zhì)輸運(yùn)擴(kuò)散模式,在此基礎(chǔ)上模擬預(yù)測(cè)福島核事故對(duì)西北太平洋,尤其是對(duì)中國(guó)海域的影響。

1 模式建立

1.1 海洋環(huán)流模式的建立

本文基于國(guó)家海洋局第一海洋研究所自主研發(fā)的一個(gè)兩時(shí)間層、原始方程三維海洋環(huán)流數(shù)值模式建立了一個(gè)區(qū)域海洋環(huán)流數(shù)值模式[20]。該環(huán)流模式從完整的地球流體力學(xué)的控制方程出發(fā),在Boussinesq近似和靜力學(xué)假定下,詳細(xì)的給出了地形坐標(biāo)下,雷諾平均的海水運(yùn)動(dòng)的控制方程,如下:

連續(xù)方程:

動(dòng)量方程組:

溫鹽方程組:

式中,變量uj為水平和垂向速度,j=1,2,3;T,S分別為海水的溫度和鹽度。υ是海水的運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù),κT為海水的分子熱擴(kuò)散系數(shù),κS是海水的鹽度擴(kuò)散系數(shù)。AM,BV和KM分別為水平黏性系數(shù)、波生湍流混合系數(shù)和垂向湍黏性系數(shù)。AH和KH分別為水平尺度耗散系數(shù)和垂向湍耗散系數(shù)。這些系數(shù)通常被驗(yàn)證有以下關(guān)系A(chǔ)M?KM?υ和AH?KH?υ。

BV是Qiao等[21]2004年提出的一種將海浪混合作用加入模式的方法,改進(jìn)了模式的混合方案,波生湍流混合系數(shù)BV可表達(dá)為海浪波數(shù)譜的形式:

MASNUM環(huán)流模式水平采用Arakawa C網(wǎng)格,垂向采用sigma網(wǎng)格,在數(shù)值算法上,內(nèi)模態(tài)和外模態(tài)的時(shí)間差分算法均采用了兩時(shí)間層的歐拉前后差分格式(Forward-Backward),三維預(yù)報(bào)方程中水平擴(kuò)散項(xiàng)采用顯式、垂向擴(kuò)散項(xiàng)采用隱式,非線性平流項(xiàng)采用顯式處理。該環(huán)流模式在中國(guó)近海潮汐的模擬預(yù)測(cè)中,對(duì)遲角的模擬表現(xiàn)出一定的改善,也能模擬出典型的黃海冷水團(tuán)的主要特征和變化規(guī)律[20]。

本文環(huán)流模式計(jì)算區(qū)域?yàn)?9°～150°E,0°～50°N(圖1),水平分辨率為(1/6)°×(1/6)°,垂向分為16σ層,上層和底層采用較高的分辨率。模式的邊界條件取自準(zhǔn)全球環(huán)流模式結(jié)果[20]。地形數(shù)據(jù)采用政府間海洋委員會(huì)和國(guó)際水道組織提供的GEBCO(General Bathymetric Chart of the Oceans)0.5'×0.5'的水深數(shù)據(jù)插值而來(lái)。初始溫鹽場(chǎng)取自Levitus 1982年平均溫度和鹽度。模式冷啟動(dòng),初始流速取零。海表驅(qū)動(dòng)場(chǎng)采用COADS(Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set)提供的1°×1°的月平均熱通量場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)插值得到。此外加入了潮流開(kāi)邊界條件,還考慮了長(zhǎng)江沖淡水的影響及波致混合作用,物質(zhì)輸運(yùn)模式的開(kāi)邊界條件由全球模式結(jié)果插值得到。

圖1 研究區(qū)域水深地形圖Fig.1 Topography of the Northwest Pacific Ocean

1.2 放射性物質(zhì)擴(kuò)散模式的建立

為模擬放射性物質(zhì)在海洋中的輸運(yùn)和擴(kuò)散過(guò)程,必須建立一個(gè)合理的放射性物質(zhì)輸運(yùn)擴(kuò)散模式。1996年P(guān)erianez[7]提出了放射性物質(zhì)在海洋中3種存在方式的輸運(yùn)和擴(kuò)散的概念模型,詳細(xì)地介紹了放射性物質(zhì)在溶質(zhì)中、懸浮物中及大小不同的沉積物中的擴(kuò)散及相互轉(zhuǎn)化過(guò)程。本文在Perianez提出的概念模型的基礎(chǔ)上,忽略了沉積物中放射性物質(zhì)對(duì)溶質(zhì)中和懸浮物中放射性物質(zhì)活度濃度的影響,給出了適合本研究區(qū)域合理的放射性物質(zhì)輸運(yùn)擴(kuò)散方程。溶質(zhì)和懸浮物中放射性物質(zhì)在海洋中的輸運(yùn)擴(kuò)散方程:

式中,Cd和Cs(Bq/m3)分別為溶質(zhì)和懸浮物中的放射性物質(zhì)活度濃度;H是水深,星號(hào)表示下一時(shí)間步長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的物理量;m為懸浮物濃度,隨著水深的變化而變化,在表層取值為m(0)=0.25 g/m3,隨深度z的變化關(guān)系式為m(z)=m(0)×10-0.0005z;k1,k2為溶質(zhì)和懸浮物中放射性物質(zhì)活度濃度的轉(zhuǎn)化系數(shù),其中k1= x1Ss,x1=2.10×10-8m/s為表層交換速度,由實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)得到[10]是單位體積的懸浮物顆粒與溶質(zhì)之間的表層交換,其中懸浮物密度ρ=2 600 kg/m3,懸浮物半徑R=1.5×10-5m,均為常數(shù)。k2=1.16×10-5s-1,由實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)得到[10];平流項(xiàng)adv和擴(kuò)散項(xiàng)diff可以寫(xiě)成如下形式:λCd為長(zhǎng)期變化項(xiàng),衰變系數(shù)對(duì)于放射性核素137Cs來(lái)講,其半衰期T=30.17 a。本文模擬的日本福島核事故137Cs的輸運(yùn)擴(kuò)散的初始場(chǎng)來(lái)自TEPCO發(fā)布的2011-03-11—04-06日本福島第一核電站釋放到海洋和大氣中的137Cs的含量。

2 環(huán)流模式結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證環(huán)流模式對(duì)西北太平洋的模擬能力,本文對(duì)模擬的海表溫度場(chǎng)和流場(chǎng)與觀測(cè)資料進(jìn)行了驗(yàn)證。

2.1 海表溫度場(chǎng)

海表溫度場(chǎng)的驗(yàn)證,我們選取了美國(guó)國(guó)家海洋大氣管理局(NOAA)的氣候態(tài)資料WOA13(World Ocean Atlas 2013)氣候態(tài)溫度場(chǎng)作為參考。圖2給出了模式積分20 a氣候態(tài)海表溫度場(chǎng)(a:2月,c:8月)和WOA13資料(b:2月,d:8月)氣候態(tài)海表溫度觀測(cè)資料的分布。從圖中可以看出,模式積分20 a的SST可以很好地反映出觀測(cè)的SST的一些基本的特征。2月份,研究區(qū)域的SST整體呈現(xiàn)由南至北遞減趨勢(shì),且梯度較為顯著,赤道太平洋海區(qū)溫度在28℃以上,中國(guó)南海海域SST也較高,一般為20～28℃,渤、黃、東海的SST為0～20℃。SST的模式結(jié)果分布也很好地反映了黃海暖流、對(duì)馬暖流及黑潮的配置關(guān)系。黑潮及暖流的流經(jīng)海域,其SST要明顯高于鄰近海域,東海黑潮水溫高達(dá)20～24℃,流經(jīng)至日本沿岸海域,SST減小至16～22℃。冬季,泰國(guó)灣口附近較觀測(cè)結(jié)果偏低,40°N以北海域結(jié)果偏高。8月份,是北半球夏季,也是全年水溫最高的月份。35°N以南大部分海域,SST在26～30℃,個(gè)別海域已經(jīng)超過(guò)30℃。日本沿岸海域SST在26℃左右,35°N以北海域,SST隨緯度增加呈遞減分布。夏季,45°N以北海域以及20°N太平洋海域模擬的SST較觀測(cè)結(jié)果偏高。總體來(lái)看,MASNUM海洋環(huán)流模式模擬的SST結(jié)果在一定程度上能夠很好地再現(xiàn)研究海域氣候態(tài)SST的分布特征。

圖2 模擬的海表面溫度場(chǎng)與WOA13氣候態(tài)溫度場(chǎng)的比較Fig.2 Comparison between the Model simulated and WOA13 Monthly climatology SST

2.2 表層流場(chǎng)

圖3給出了模式模擬的研究區(qū)域的20 a平均的表層流場(chǎng)(a:2月,b:8月)與OSCAR(Ocean Surface Current Analyses-Real time,c:2月,d:8月)和SODA(e:2月,f:8月)氣候態(tài)平均的表層流場(chǎng)分布。通過(guò)比較可以看出,環(huán)流模式模擬的表層流場(chǎng)可以很好地描述北赤道流、黑潮、黑潮延伸體、棉蘭老流和北赤道逆流的特征。冬季,北赤道流在太平洋西邊界發(fā)生分岔,表層分岔位置在12°30'N左右,其北向分支形成黑潮,在30°N左右轉(zhuǎn)為東向流動(dòng)的黑潮延伸體;其南向分支形成棉蘭老流,在5°N左右轉(zhuǎn)為東向流動(dòng)的北赤道逆流。夏季,北赤道流表層分岔位置向北移動(dòng),在14°N左右。渤、黃、東和南海的表層流場(chǎng)受東北季風(fēng)和西南季風(fēng)的影響,存在明顯的季節(jié)變化特征。這也進(jìn)一步表明MASNUM海洋環(huán)流模式模擬的西北太平洋的流場(chǎng)在一定程度上能夠很好地再現(xiàn)西北太平洋流場(chǎng)的氣候態(tài)變化特征。

圖3 模式模擬與OSCAR,SODA氣候態(tài)表層流場(chǎng)分布Fig.3 Climatological monthly surface current from the model,OSCAR and SODA

3 放射性物質(zhì)137Cs的模擬結(jié)果

MASNUM海洋環(huán)流模式能夠模擬研究海域的水動(dòng)力特征,在此基礎(chǔ)上,模擬并預(yù)測(cè)了2011年日本福島核事故中泄漏的137Cs在海洋中的輸運(yùn)擴(kuò)散過(guò)程。

Aoyama等給出了2011-11—2012-03日本核事故后在日本周邊及太平洋海域的137Cs的表層活度濃度的觀測(cè)數(shù)據(jù)[23]。表1選取了本文研究區(qū)域范圍內(nèi)的10個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)(ST01～ST10)的137Cs的表層活度濃度信息,并以此來(lái)驗(yàn)證模式模擬的準(zhǔn)確性,10個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)的位置在圖1中已給出(黑色三角形)。二戰(zhàn)以來(lái),各國(guó)的核試驗(yàn)、核廢料及核武器等排入到海洋中的放射性核素仍有殘留,表1中給出了趙昌等給出的這10個(gè)站點(diǎn)至2011年福島核事故之前的137Cs的比活度信息[19]。通過(guò)比較,10個(gè)站點(diǎn)的模擬結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果相對(duì)誤差都在10%以內(nèi)。相關(guān)分析也顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果較為一致,二者的相關(guān)系數(shù)達(dá)到98%?？傊?通過(guò)與觀測(cè)數(shù)據(jù)的比較分析,驗(yàn)證了在MASNUM環(huán)流模式基礎(chǔ)上運(yùn)行的放射性物質(zhì)輸運(yùn)擴(kuò)散模式在模擬137Cs在海洋中的輸運(yùn)擴(kuò)散過(guò)程是可靠的。

表1 2011-11—2012-03137Cs的觀測(cè)和模擬信息Table 1 Comparison between the observed and the model simulated137Cs concentration variations

3.1 放射性物質(zhì)137Cs的水平擴(kuò)散

為了研究放射性物質(zhì)在西北太平洋海域的長(zhǎng)期輸運(yùn)擴(kuò)散路徑,圖4給出了福島核事故泄漏的核物質(zhì)137Cs在2011-06—2030-06中在海洋表層的分布情況。從圖中可以看出,核事故發(fā)生3個(gè)月后,由于事故發(fā)生在黑潮延伸體流域,使得放射性物質(zhì)迅速向東擴(kuò)散,日本東部海域表層137Cs的活度濃度最高達(dá)到300 Bq/m3以上;1 a后,日本附近海域137Cs表層活度濃度下降兩個(gè)量級(jí),在1～10 Bq/m3;自2013年開(kāi)始,核物質(zhì)蔓延至中國(guó)海域,137Cs表層活度濃度小于0.005 Bq/m3;2015年的水平分布顯示,137Cs已經(jīng)擴(kuò)散至整個(gè)中國(guó)海域,表層活度濃度在0.01 Bq/m3以上。東海和臺(tái)灣以東海域的137Cs表層活度濃度在0.10 Bq/m3以上;至2020-06,即福島核事故10 a后,研究區(qū)域的137Cs表層活度濃度趨于均勻,在0.20～0.60 Bq/m3,這種狀態(tài)將持續(xù)5～6 a,到2026年之后,137Cs表層活度濃度將減小至0.20 Bq/m3以下;事故發(fā)生20 a后,經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的擴(kuò)散和稀釋,137Cs在海洋表層的活度濃度小于0.15 Bq/m3。

圖4 模式模擬的20 a137Cs表層活度濃度分布Fig.4 Simulated distribution of surface137Cs concentration in 20 years

3.2 放射性物質(zhì)137Cs的垂向擴(kuò)散

為了進(jìn)一步了解福島核事故釋放的137Cs在研究海域的輸運(yùn)擴(kuò)散過(guò)程,本文在研究區(qū)域范圍內(nèi),選取5個(gè)代表性的站點(diǎn)P01～P05和4個(gè)斷面A～D(圖1)來(lái)研究137Cs在各個(gè)海域中的垂向擴(kuò)散,表2給出了選取的5個(gè)站點(diǎn)的信息。

圖5給出了選取的5個(gè)站點(diǎn)的137Cs 20 a的垂向分布,圖6和圖7分別給出了2020-06和2030-06,4個(gè)斷面的137Cs的垂向分布。從圖中可以看出:黃海代表站位P01與東海代表站位P02的垂向分布大致相同,由于海域水深較淺,137Cs的活度濃度上下趨于一致;2016年,東海海域137Cs活度濃度在0.20 Bq/m3左右,黃海海域137Cs活度濃度在0.10 Bq/m3左右;東海海域最大活度濃度在0.28 Bq/m3左右,出現(xiàn)在2017—2020年間,黃海海域最大活度濃度在0.22 Bq/m3左右,出現(xiàn)在2019年;2020-06黃海A斷面的垂向混合較為均勻,137Cs活度濃度上下層趨于一致,約為0.22 Bq/m3;東?？拷懠軈^(qū)域的137Cs活度濃度高于西海岸,活度濃度最高可達(dá)到0.5 Bq/m3,且上層海水中137Cs活度濃度略高于下層海水。到2030年,黃海和東海中的137Cs活度濃度均小于0.14 Bq/m3,海域東部活度濃度高于西部。

表2 選取的5個(gè)代表站點(diǎn)的信息Table 2 5 selected representative stations

圖5 選取的5個(gè)站點(diǎn)處137Cs活度濃度的20 a垂向分布Fig.5 Vertical distribution of137Cs concentration at the five selected representative stations in 20 years

2020年,南海海域137Cs活度濃度總體小于黃海和東海,最大活度濃度大約為0.20 Bq/m3,且南海北部的137Cs活度濃度要高于南海南部,垂向分布呈現(xiàn)上層活度濃度高于底層;南海北部海域,中層海水中137Cs活度濃度要高于表層和底層海水;P03實(shí)驗(yàn)站點(diǎn)的時(shí)間分布顯示,在2022年南海中部137Cs活度濃度出現(xiàn)最大值,約為0.18 Bq/m3,且位于500 m層附近;接下來(lái)的10 a,137Cs活度濃度又呈遞減趨勢(shì),至2030年,南海整個(gè)海域中137Cs活度濃度趨于均勻,活度濃度在0.1 Bq/m3左右。

日本海海域137Cs活度濃度主要集中在表層,最大活度濃度出現(xiàn)在2016年,大約為0.20 Bq/m3;西北太平洋海域,137Cs活度濃度要高于其他四個(gè)海域,最大活度濃度大約在1.20 Bq/m3,出現(xiàn)在2016年,位于100～300 m層;核事故20 a后,整個(gè)研究海域,137Cs活度濃度在垂向分布上趨于均勻,大部分海域137Cs活度濃度小于0.12 Bq/m3,西北太平洋海域上600 m層137Cs活度濃度略高,但也不超過(guò)0.14 Bq/m3。

圖6 2020-06選取的4個(gè)斷面的137Cs活度濃度的垂向分布Fig.6 Vertical distribution of137Cs concentration at the four selected representative sections in June 2020

圖7 2030-06選取的4個(gè)斷面的137Cs活度濃度的垂向分布Fig.7 Vertical distribution of137Cs concentration at the four selected representative sections in June 2030

4 結(jié) 論

本文基于MASNUM海洋環(huán)流模式,針對(duì)2011-03日本福島核事故,建立了西北太平洋的區(qū)域放射性物質(zhì)的輸運(yùn)擴(kuò)散模式,采用TEPCO給出的核事故釋放137Cs的含量作為初始條件,對(duì)放射性137Cs在20 a間的輸運(yùn)過(guò)程及其在研究海域的垂向擴(kuò)散進(jìn)行了研究。根據(jù)與觀測(cè)資料的比較,該模式具備模擬放射性物質(zhì)在海洋中的輸運(yùn)擴(kuò)散過(guò)程的能力,主要得到以下結(jié)論:

1)137Cs的水平輸運(yùn)顯示:至2015年,137Cs表層活度濃度已經(jīng)擴(kuò)散至整個(gè)中國(guó)海域,活度濃度值在0.01 Bq/m3左右;事故發(fā)生10 a后,研究海域137Cs表層活度濃度趨于均勻,在0.20～0.60 Bq/m3;20 a后,經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的擴(kuò)散和稀釋137Cs在海洋表層的活度濃度都要小于0.15 Bq/m3。

2)137Cs的垂向擴(kuò)散顯示:至2020年黃海的垂向混合較為均勻,137Cs活度濃度上下層趨于一致;東?？拷懠軈^(qū)域的137Cs活度濃度高于西海岸,且上層海水中137Cs活度濃度略高于下層海水;南海海域137Cs活度濃度總體小于黃海和東海,且南海北部的137Cs活度濃度要高于南海南部。至2030年,黃海和東海中的137Cs活度濃度均小于南海,且海域東部活度濃度略高于西部。日本海137Cs活度濃度主要集中在表層,最大活度濃度出現(xiàn)在2016年。西北太平洋海域,137Cs活度濃度要高于其他4個(gè)海域。

3)核事故20 a后,整個(gè)研究海域,137Cs活度濃度在水平和垂向分布均趨于均勻,大部分海域137Cs活度濃度均小于0.15 Bq/m3。

[1] EVANS S.A box model for calculation of collective dose commitment from radioactive waterborne releases to the Baltic Sea[J].Journal of Environmental Radioactivity,1985,2(1):41-57.

[2] LEPICARD S,RAFFESTIN D,RANCILLAC F.Poseidon:a dispersion computer code for assessing radiological impacts in a European sea water environment[J].Radiation Protection Dosimetry,1998,75:79-83.

[3] LEPICARD S,HELING R,MADERICH V.POSEIDON/RODOS models for radiological assessment of marine environment after accidental releases:application to coastal areas of the Baltic,Black and North Seas[J].Journal of Environmental Radioactivity,2004,72(1-2):153-161.

[4] NIELSEN S.A comparison between predicted and observed levels of137Cs and90Sr in the Baltic Sea[J].Radioprotection,1997,32(C2): 387-394.

[5] NIELSEN S,BENGTSON P,BOJANOWSKY R,et al.The radiological exposure of man from radioactivity in the Baltic Sea[J].The Science of the Total Environment,1999,237/238(4):133-141.

[6] IOSJPE M,BROWN J,STRAND P.Modified approach to modelling radiological consequences from releases into the marine environment [J].Journal of Environmental Radioactivity,2002,60(1-2):91-103.

[7] PERIANEZ R,ABRIL J.Modelling the dispersion of non-conservative radionuclides in tidal waters-part 1:conceptual and mathematical model[J].Journal of Environmental Radioactivity,1996,31(2):127-141.

[8] PERIANEZ R.Modelling the distribution of radionuclides in deep ocean water columns.Application to3H,137Cs and239,240Pu[J].Journal of Environmental Radioactivity,1998,38(2):173-194.

[9] PERIANEZ R.Three-dimensional modelling of the tidal dispersion of non-conservative radionuclides in the marine environment.Application to239,240Pu dispersion in the eastern Irish Sea[J].Journal of Marine Systems,1999,22:37-51.

[10] PERIANEZ R.Testing the behavior of different kinetic models for uptake/release of radionuclides between water and sediments when implemented in a marine dispersion model[J].Journal of Environmental Radioactivity,2004,71:243-259.

[11] TSUMUNE D,AOYAMA M,HIROSE K.Behavior of137Cs concentrations in the North Pacific in an ocean general circulation model [J].Journal of Geophysical Research,2003a,108(C8):3262.

[12] TSUMUNE D,AOYAMA M,HIROSE K.Numerical simulation of137Cs and239,240Pu concentrations by an ocean general circulation model[J].Journal of Environmental Radioactivity,2003b,69:61-84.

[13] QIAO F L,WANG G S,ZHAO W,et al.Predicting the spread of nuclear radiation from the damaged Fukushima Nuclear Power Plant[J].Chinese Science Bulltin,2011,56(2):1890-1896.

[14] KAWAMURA H,KOBAYASHI T,FURUNO A,et al.Preliminary numerical experiments on oceanic dispersion of131I and137Cs discharged into the ocean because of the Fukushima Daiichi nuclear power plant disaster[J].Journal of Nuclear Science and Technology, 2011,48(11):1349-1356.

[15] NAKANO M,POVINEC P.Long-term simulations of the137Cs dispersion from the Fukushima accident in the world ocean[J].Journal of Environmental Radioactivity,2012,111:109-115.

[16] HE Y C,GAO Y Q,WANG H J,et al.Transport of nuclear leakage from Fukushima nuclear power plant in the North Pacfic[J].Hai yang Xuebao,2012,34(4):12-20.何晏春,郜永祺,王會(huì)軍,等.2011年3月日本福島核電站核泄漏在海洋中的傳輸[J].海洋學(xué)報(bào), 2012,34(4):12-20.

[17] WANG H,WANG Z Y,ZHU X M,et al.Numerical study and prediction of nuclear contaminant transport from Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant in the North Pacific Ocean[J].Chinese Science Bulltin,2012,57(26):3518-3524.

[18] ZHAO C,QIAO F L,WANG G S,et al.Simulation and prediction of137Cs from the Fukushima accident in the China Seas[J].Chinese Science Bulletin,2014,59(34):3416-3423.趙昌,喬方利,王關(guān)鎖,等.福島核事故泄漏進(jìn)入海洋的137Cs對(duì)中國(guó)近海影響的模擬與預(yù)測(cè)[J].科學(xué)通報(bào),2014,59(34):3416-3423.

[19] ZHAO C,QIAO F L,WANG G S,et al.Simulation of the influence of137Cs from nuclear experiments on China seas[J].Haiyang Xuebao,2015,37(3):15-24.趙昌,喬方利,王關(guān)鎖,等.歷次核試驗(yàn)進(jìn)入海洋的137Cs對(duì)中國(guó)近海影響的模擬研究[J].海洋學(xué)報(bào),2015,37 (3):15-24.

[20] HAN L.A two-time-level split-explicit ocean circulation model(MASNUM)and its validation[J].Acta Oceanologica Sinica,2014,33 (11):11-35.

[21] QIAO F L,YUAN Y L,YANG Y Z,et al.Wave-induced mixing in the upper ocean:distribution and application to a global ocean circulation model[J].Geophysical Research Letters,2004,31(11):293-317.

[22] QIAO F L,YUAN Y L,EZER T,et al.A three-dimensional surface wave-ocean circulation coupled model and its initial testing[J]. Ocean Dynamics,2010,60(5):1339-1355.

[23] AOYAMA M,UEMATSU M,TSUMUNE D,et al.Surface pathway of radioactive plume of TEPCO Fukushima NPP1 released134Cs and137Cs[J].Biogeosciences Discussions,2013,10:265-283.

Numerical Study and Prediction of137Cs Transport From the Fukushima Nuclear Accident in the Northwest Pacific Ocean

ZHAO Yun-xia1,2,3,HAN Lei2,3,QU Da-peng2,3,ZHAO Chang2,3,ZHUANG Zhan-peng1,2,3,
YUAN Ye-li1,2,3(1.College of Oceanic and Atmospheric Science,Ocean University of China,Qingdao 266100,China; 2.The First Institute of Oceanography,SOA,Qingdao 266061,China; 3.Laboratory for Regional Oceanography and Numerical Modeling,Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology,Qingdao 266071,China)

On March 11,2011,significant amounts of radioactive contaminants were leaking into the air and oceans causing by the Fukushima Daiichi nuclear power plant(FD-NPP)accident.Based on a twotime-level,three-dimensional numerical ocean circulation model(named MASNUM),we established a high resolution Northwest Pacific Ocean radionuclides transport model to simulate and predict the transport of the leaking radioactive isotope137Cs resulting from the nuclear accident in 20 years.According to the comparison with the observation data,the established radionuclides transport model was validated effective and reliable.The results show:the surface concentration of137Cs had spread to the whole China seas in 2015,with the concentration about 0.01 Bq/m3;the surface concentration tend to be evenly distributed in 10 years,at around 0.20～0.60 Bq/m3;till 2030,the concentration in surface ocean is less than 0. 15 Bq/m3.The vertical diffusion results show:in 2020,the concentration of137Cs in the Yellow Sea are roughly the same in the vertical distribution;the concentration of137Cs is larger in the east of the East China Sea than the west area,where the concentration in the surface layers is larger than the bottom layers; the concentration in the northern South China Sea is larger than that in the southern seas,and a slightly smaller than the Yellow Sea and the East China Sea;the137Cs concentration vertical distribution becomes homogeneous in the China seas in 2030;The high concentration in the Japan Sea will concentrate in the surface layer,with a maximum value of 0.20 Bq/m3in 2016.The137Cs concentration in the Northwest Pacific Ocean with a maximum concentration is larger than the other four seas.The137Cs concentration of the entire area will be affected to be consistent in horizontal and vertical distribution in 20 years,with the low concentration less than 0.15 Bq/m3.

Fukushima nuclear accident;137Cs;radionuclides transport model;the Northwest Pacific Ocean

March 11,2016

P731.23

A

1671-6647(2017)02-0221-13

10.3969/j.issn.1671-6647.2017.02.007

2016-03-11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目——波浪破碎對(duì)表層海洋湍流的能量輸入(40906017)和福島核事故泄漏入海137Cs在西北太平洋向西南輸運(yùn)的數(shù)值研究(41506035)

趙云霞(1987-),女,黑龍江牡丹江人,博士研究生,主要從事物理海洋學(xué)方面研究.E-mail:zhaoyx@fio.org.cn

*通訊作者:韓 磊(1981-),男,山東濰坊人,副研究員,博士,主要從事波浪破碎和海洋環(huán)流數(shù)值模擬方面研究.E-mail:hanlei@fio.org.cn