北海區(qū)海洋放射性環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張馨星，鄧春梅，王 偉，王榮元，魏計(jì)房，高曉慧

(1.國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，山東 青島 266033；2.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266033)

隨著沿海核電站工業(yè)的發(fā)展，核電站機(jī)組數(shù)量逐年增加，低放射性廢物等污染物進(jìn)入海洋，使得近海海洋環(huán)境低放射性污染壓力日益增大。隨著核電站運(yùn)行時(shí)間的延長，以及頻發(fā)的自然災(zāi)害，核能開發(fā)利用中的核安全問題也日益突出。在北海局轄區(qū)內(nèi)共有5個(gè)運(yùn)行中或建設(shè)中的核電站。毗鄰黃海的韓國有28臺(tái)運(yùn)行中的核電機(jī)組，雖位于轄區(qū)外，但有可能對(duì)我國海洋環(huán)境造成影響。因此，從北海區(qū)海洋環(huán)境安全出發(fā)，為保障海洋生態(tài)環(huán)境安全和公眾健康，需要加強(qiáng)海洋放射性污染的監(jiān)測(cè)及監(jiān)管。

目前國內(nèi)已有不少基于ArcGis數(shù)據(jù)引擎開發(fā)的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)管理系統(tǒng)[1-3]，但針對(duì)放射性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的管理系統(tǒng)開發(fā)較少且側(cè)重于應(yīng)急管理。目前國內(nèi)放射性環(huán)境管理及核應(yīng)急相關(guān)的信息化技術(shù)支持系統(tǒng)主要分三大類，一類是用于核事故后果及影響評(píng)價(jià)與管理的評(píng)估系統(tǒng)[4-5]，第二類是核應(yīng)急指揮決策支持系統(tǒng)[6-9]，第三類是日常放射性環(huán)境安全管理系統(tǒng)[10-11]。還有一些技術(shù)支持系統(tǒng)則為涵蓋了核事故應(yīng)急內(nèi)容在內(nèi)的多種海洋突發(fā)事故應(yīng)急管理系統(tǒng)[12]。

1 系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)并開發(fā)了北海區(qū)海洋放射性環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警信息系統(tǒng)，通過各海區(qū)間的信息互通互訪以及北海區(qū)各單位間的信息共享，實(shí)現(xiàn)所轄海區(qū)及負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)預(yù)警區(qū)域的核事故預(yù)警功能。本系統(tǒng)能夠進(jìn)行放射性海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警數(shù)據(jù)的管理、查詢和分析、放射性物質(zhì)的擴(kuò)散預(yù)測(cè)、放射性物質(zhì)對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境影響的綜合評(píng)價(jià)、預(yù)警信息的發(fā)布等功能，可以為上級(jí)決策部門和各級(jí)地方政府以及社會(huì)公眾提供技術(shù)政策和應(yīng)急建議等信息。系統(tǒng)的總體功能設(shè)計(jì)包括預(yù)警功能、信息傳輸共享功能、數(shù)據(jù)管理分析功能，圖1為系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架。

1.1 預(yù)警功能

北海局所轄海域預(yù)警工作以各海區(qū)以及北海區(qū)各單位間的信息互通互訪為基礎(chǔ)。當(dāng)相鄰海區(qū)進(jìn)入預(yù)警狀態(tài)時(shí)，信息平臺(tái)可將相鄰海區(qū)的預(yù)警信息以及其他相關(guān)信息共享，系統(tǒng)可直接登錄平臺(tái)讀取信息并查看。北海區(qū)根據(jù)共享信息進(jìn)行轄區(qū)內(nèi)的擴(kuò)散預(yù)測(cè)以及應(yīng)急監(jiān)測(cè)。當(dāng)北海區(qū)發(fā)生核事故時(shí)，可立即啟動(dòng)響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行事故源的漂移擴(kuò)散預(yù)測(cè)和影響海域范圍內(nèi)的應(yīng)急監(jiān)測(cè)。在以上兩種情況下得到的預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)結(jié)果均可通過本數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警評(píng)價(jià)，最終一鍵生成預(yù)警評(píng)價(jià)產(chǎn)品通過信息共享平臺(tái)上報(bào)至北海局負(fù)責(zé)處室，審核修改完善后發(fā)布預(yù)警信息。

1.2 信息傳輸共享功能

北海信息中心通過數(shù)字海洋網(wǎng)與其他各海區(qū)及研究所建立接口，北海局相關(guān)處室、北海監(jiān)測(cè)中心、北海預(yù)報(bào)中心通過專網(wǎng)與北海信息中心所建接口相連。各單位可通過這一平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息的共享，并設(shè)置相應(yīng)的讀取和寫入權(quán)限。

1.3 數(shù)據(jù)管理分析功能

本模塊構(gòu)建了北海區(qū)海洋放射性環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警綜合數(shù)據(jù)庫，存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)區(qū)域的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、核風(fēng)險(xiǎn)源信息、敏感區(qū)背景場(chǎng)數(shù)據(jù)和化學(xué)背景場(chǎng)數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)北海區(qū)常規(guī)放射性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及福島核事故以來應(yīng)急監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

本模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)北海區(qū)放射性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、查詢、導(dǎo)出以及分析評(píng)價(jià)功能。除了進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢外，還可對(duì)查詢的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，通過多類型圖表進(jìn)行直觀展示。根據(jù)已錄入的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、評(píng)價(jià)方法對(duì)海洋放射性狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，并可以實(shí)現(xiàn)一鍵導(dǎo)出評(píng)價(jià)報(bào)告等功能。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架示意圖

2 系統(tǒng)的組成及應(yīng)用

2.1 綜合數(shù)據(jù)庫

2.1.1 基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫 包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫、放射性風(fēng)險(xiǎn)源信息數(shù)據(jù)庫、敏感區(qū)數(shù)據(jù)庫。存儲(chǔ)了北海區(qū)周邊地區(qū)海岸地貌、等深線、主要海灣、海島、入海河流、省地級(jí)區(qū)劃等信息，以及北海區(qū)在建和運(yùn)營的沿海核電站分布情況，包括堆型、核電技術(shù)類型及來源、規(guī)模、動(dòng)工及運(yùn)行時(shí)間壽命等，此外還有海區(qū)鄰近國家放射性高風(fēng)險(xiǎn)源信息。建成了基于ArcSDE空間數(shù)據(jù)引擎的敏感區(qū)數(shù)據(jù)庫。存儲(chǔ)了北海區(qū)敏感區(qū)矢量數(shù)據(jù)，包括海洋自然保護(hù)區(qū)、海洋特別保護(hù)區(qū)、產(chǎn)卵場(chǎng)、主要漁場(chǎng)、海水增養(yǎng)殖區(qū)等生態(tài)敏感區(qū)，沿海城市、城鎮(zhèn)、濱海旅游度假區(qū)、海水浴場(chǎng)等沿海公眾活動(dòng)密集區(qū)、石油平臺(tái)、石油管線、海底管線、航道等，可以在地圖上分別顯示或疊加顯示。

2.1.2 物理背景場(chǎng)數(shù)據(jù)庫 本模塊錄入多種手段獲取的海洋環(huán)境觀測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了部分觀測(cè)資料的實(shí)時(shí)入庫，數(shù)據(jù)內(nèi)容主要包括：北海區(qū)海洋站、浮標(biāo)、志愿船觀測(cè)數(shù)據(jù)以及基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)等。觀測(cè)要素內(nèi)容包含：風(fēng)速、溫度、壓力、濕度、海浪、潮汐、海流等，探空、地面、臺(tái)風(fēng)警報(bào)、傳真報(bào)、天氣圖等數(shù)據(jù)以及海圖、水深、岸線等地理數(shù)據(jù)。

2.1.3 化學(xué)背景場(chǎng)數(shù)據(jù)庫 本模塊整理錄入了近10 a的海水、沉積物的水文及化學(xué)等常規(guī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括黃渤海海洋環(huán)境趨勢(shì)性監(jiān)測(cè)、青島等重點(diǎn)海域的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)，基本實(shí)現(xiàn)對(duì)黃渤海海洋環(huán)境歷史變化趨勢(shì)的時(shí)空分析，能夠?qū)崟r(shí)得出該海域海洋環(huán)境中各化學(xué)要素濃度的時(shí)空變化情況。

2.1.4 放射性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫 本模塊錄入了北海區(qū)放射性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)歷史資料，包括典型河口海灣以及核電站鄰近海域的海水、沉積物、生物放射性水平監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以及2011年福島核事故至今北海區(qū)大氣、海水、沉積物、生物的應(yīng)急監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2.1.5 案例模型數(shù)據(jù)庫 本模塊包含了部分根據(jù)模型計(jì)算的預(yù)測(cè)結(jié)果，假設(shè)核事故放射性核素不同量級(jí)的排放量，根據(jù)預(yù)報(bào)中心進(jìn)行的漂移擴(kuò)散預(yù)測(cè)結(jié)果，構(gòu)建了北海區(qū)主要核電站不同等級(jí)事故漂移擴(kuò)散預(yù)測(cè)案例庫。

2.1.6 預(yù)警評(píng)價(jià)產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫 本模塊存儲(chǔ)了核事故的應(yīng)急管理措施文件以及監(jiān)測(cè)預(yù)警信息和評(píng)價(jià)報(bào)告等文檔，方便決策者進(jìn)行查詢和使用。具體內(nèi)容包括應(yīng)急預(yù)案、監(jiān)測(cè)方案、預(yù)警通報(bào)和事故評(píng)價(jià)報(bào)告。

2.2 數(shù)據(jù)管理分析評(píng)價(jià)模塊

本模塊功能主要是基于放射性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫，一方面可對(duì)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理查詢，另一方面則可對(duì)選定時(shí)間或空間范圍的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析及評(píng)價(jià)，功能實(shí)現(xiàn)方式見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)管理分析評(píng)價(jià)模塊示意圖

2.2.1 數(shù)據(jù)管理 本模塊包括數(shù)據(jù)導(dǎo)入、查詢、導(dǎo)出和質(zhì)量控制幾個(gè)方面?？筛鶕?jù)固定的海水、沉積物、生物或大氣的監(jiān)測(cè)報(bào)表格式導(dǎo)入數(shù)據(jù)，既可導(dǎo)入單個(gè)文件，也可進(jìn)行文件夾的導(dǎo)入。在進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)入時(shí)，可進(jìn)行質(zhì)量控制，導(dǎo)入時(shí)不符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)可預(yù)覽或進(jìn)行提示。進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢時(shí)可根據(jù)時(shí)間或空間設(shè)定查詢范圍，查詢的數(shù)據(jù)可以導(dǎo)出，還可以設(shè)定更為具體的條件進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選。

2.2.2 數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià) 統(tǒng)計(jì)分析功能主要是指選定時(shí)間或空間條件進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢后，可選擇數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析內(nèi)容包括濃度范圍和均值以及歷史變化趨勢(shì)圖，并可根據(jù)需求選擇圖表類型。

評(píng)價(jià)功能則建立在評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)模型的基礎(chǔ)上。根據(jù)篩選的放射性狀況評(píng)價(jià)指標(biāo)錄入了評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)包括本底標(biāo)準(zhǔn)和濃度限值標(biāo)準(zhǔn)。本底標(biāo)準(zhǔn)來源主要為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的歷史調(diào)查值，區(qū)域范圍變化較大。濃度限值一般根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定。因此整個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是在不斷地補(bǔ)充修改中完善，在評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的管理中管理人員可以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的添加、修改和刪除。

海洋環(huán)境放射性質(zhì)量評(píng)價(jià)通過對(duì)不同監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行評(píng)價(jià)實(shí)現(xiàn)，具體評(píng)價(jià)指標(biāo)即各監(jiān)測(cè)對(duì)象對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。評(píng)價(jià)指標(biāo)均可以根據(jù)需要進(jìn)行手動(dòng)的添加或刪除。評(píng)價(jià)結(jié)果可通過文字和圖形共同展示。現(xiàn)主要評(píng)價(jià)方法為本底比較評(píng)價(jià)法，正在完善結(jié)合監(jiān)測(cè)海域易損度和核素毒性系數(shù)的指數(shù)評(píng)價(jià)法，期望通過評(píng)價(jià)得到的指數(shù)直接判定預(yù)警級(jí)別。因此設(shè)置了評(píng)價(jià)方法的公式編輯管理模塊，可根據(jù)新的研究成果繼續(xù)對(duì)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行添加和更新。

2.2.3 一鍵生成報(bào)告 系統(tǒng)能夠通過不同分析及評(píng)價(jià)條件的選擇，快速出具監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)報(bào)告和對(duì)外監(jiān)測(cè)預(yù)警信息通報(bào)。也可在數(shù)據(jù)分析及展示等各個(gè)界面中，通過截圖等方式將當(dāng)前的圖或表單獨(dú)保存到存儲(chǔ)設(shè)備或者評(píng)價(jià)報(bào)告當(dāng)中。這種一鍵式報(bào)告的功能，為業(yè)務(wù)化工作提供了極大的方便，尤其在放射性應(yīng)急工作中會(huì)發(fā)揮其方便快速的優(yōu)勢(shì)，為決策和對(duì)外信息發(fā)布提供快速高效的支持。

2.3 信息預(yù)警模塊

2.3.1 預(yù)警響應(yīng)及信息交換 系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了各海區(qū)間的信息互通互訪以及北海區(qū)各單位間的信息共享。通過設(shè)置權(quán)限，用戶可進(jìn)行文件的上傳和下載。例如在應(yīng)急演習(xí)中通過共享模塊上傳監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，預(yù)報(bào)中心讀取后可進(jìn)行擴(kuò)散預(yù)測(cè)，然后將預(yù)測(cè)結(jié)果上傳，從而在系統(tǒng)中結(jié)合其它放射性分析評(píng)價(jià)結(jié)果形成產(chǎn)品和報(bào)告。系統(tǒng)連接配置成功后，系統(tǒng)每10 s會(huì)對(duì)相鄰海區(qū)信息中心的文件夾進(jìn)行文件讀取，當(dāng)讀取到預(yù)警信息時(shí)會(huì)進(jìn)行窗口及聲音提示，并且系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)送短信至相關(guān)負(fù)責(zé)人和技術(shù)人員。

2.3.2 擴(kuò)散預(yù)測(cè) 通過本系統(tǒng)發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)至預(yù)報(bào)中心，或根據(jù)已有的預(yù)警信息中的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行放射性物質(zhì)的擴(kuò)散預(yù)測(cè)(該預(yù)測(cè)通過預(yù)報(bào)中心放射性污染物擴(kuò)散預(yù)測(cè)模型進(jìn)行)，預(yù)報(bào)中心通過系統(tǒng)將結(jié)果返回。本模塊可將返回的結(jié)果以動(dòng)態(tài)的形式顯示在地圖上，也可基于敏感區(qū)背景場(chǎng)中以動(dòng)態(tài)或靜態(tài)的預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，更直觀的判斷污染物的擴(kuò)散對(duì)海區(qū)內(nèi)較敏感區(qū)域的影響。

2.3.3 數(shù)據(jù)傳輸 系統(tǒng)開發(fā)完成后，隨即在當(dāng)年的放射性監(jiān)測(cè)航次中進(jìn)行了部分功能的測(cè)試。將航次中現(xiàn)場(chǎng)富集監(jiān)測(cè)的137Cs、134Cs數(shù)據(jù)編碼通過北斗傳輸系統(tǒng)傳回并直接導(dǎo)入本系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了船舶監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的即時(shí)傳輸，達(dá)到了隨時(shí)監(jiān)測(cè)隨時(shí)預(yù)警的目標(biāo)。此外，系統(tǒng)還留出了實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)和浮標(biāo)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接口，便于后續(xù)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)數(shù)據(jù)和浮標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的直接錄入。

3 結(jié)論

本研究從業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)預(yù)警的實(shí)際需求出發(fā)，通過數(shù)據(jù)預(yù)處理、范圍質(zhì)控，對(duì)多源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有效性、準(zhǔn)確性進(jìn)行檢驗(yàn)，把可用的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到綜合數(shù)據(jù)庫中。實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存取的便利化，分析評(píng)價(jià)的快速化和可視化。通過數(shù)據(jù)及信息的快速或?qū)崟r(shí)傳輸預(yù)警，滿足了應(yīng)急的時(shí)效性。本研究致力于通過計(jì)算機(jī)技術(shù)和海洋監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的結(jié)合，充分發(fā)揮信息化優(yōu)勢(shì)，提高業(yè)務(wù)人員的辦公效率和業(yè)務(wù)質(zhì)量，提升海洋放射性監(jiān)測(cè)的信息化水平，便于海洋管理部門充分掌握海洋監(jiān)測(cè)預(yù)警數(shù)據(jù)信息。