近岸海洋放射性監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)支持平臺(tái)的設(shè)計(jì)與研發(fā)

倪甲林，于 濤*，劉雙印，黃德坤，張 飛，徐虹霓，紀(jì)建達(dá)，莊海東

(1.自然資源部第三海洋研究所、海洋放射性技術(shù)與環(huán)境安全評(píng)估實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361005；2.廈門藍(lán)海天信息技術(shù)有限公司，福建 廈門 361008 )

當(dāng)前我國(guó)海洋環(huán)境可能遭受的核事故威脅主要包括3類：① 濱海核電站/核設(shè)施發(fā)生的核事故；② 包括日本、韓國(guó)等相鄰國(guó)家和地區(qū)的濱海核設(shè)施發(fā)生核事故泄露流入海洋造成我國(guó)近海、近岸海域的跨界輸入的外源性核污染；③ 海上移動(dòng)核設(shè)施、涉核航天器墜落事故造成我國(guó)的海洋核污染[1]。在濱海核電站建設(shè)與運(yùn)營(yíng)方面，截至2019年10月，我國(guó)在運(yùn)核電機(jī)組47臺(tái)，裝機(jī)4 874萬(wàn)千瓦，占全國(guó)電力總裝機(jī)的2.5%，在建核電機(jī)組12臺(tái)，裝機(jī)1 260萬(wàn)千瓦[2]，居世界第一，基本形成了遍布沿海各省的核電布局。此外，隨著我國(guó)船舶核動(dòng)力軍民融合的快速發(fā)展，海上移動(dòng)核設(shè)施的小型化利用也將逐漸展開。核能的高效開發(fā)與利用給我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了新的動(dòng)力，但同時(shí)核安全風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)也應(yīng)運(yùn)而生。伴隨著我國(guó)濱海核電廠運(yùn)行機(jī)組數(shù)量的增加及運(yùn)行年限的延長(zhǎng)，海上核移動(dòng)設(shè)施的投入運(yùn)行，“一帶一路”沿線核電 “走出去”戰(zhàn)略的不斷深入，我國(guó)海洋放射性環(huán)境安全面臨的壓力與日俱增。此外，當(dāng)前我國(guó)核電廠選址建設(shè)多在海灣灣口或?yàn)硟?nèi)，水動(dòng)力交換條件相對(duì)較弱，存在發(fā)生核事故且放射性物質(zhì)通過液態(tài)途徑進(jìn)入海洋環(huán)境的潛在風(fēng)險(xiǎn)，并可能長(zhǎng)期滯留在海岸帶地區(qū)，會(huì)對(duì)不同食物鏈等級(jí)的海洋生物、生態(tài)系統(tǒng)及人類健康產(chǎn)生輻射危害。

核安全作為國(guó)家安全體系的重要組成部分，事關(guān)國(guó)家安危、人民健康、社會(huì)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)發(fā)展及大國(guó)地位，確保核安全是我國(guó)核能事業(yè)發(fā)展的重要前提條件。核事故應(yīng)急準(zhǔn)備和響應(yīng)作為核安全縱深防御的最后一道屏障，能夠降低事故風(fēng)險(xiǎn)，緩解事故后果，是核能開發(fā)和核技術(shù)利用可持續(xù)發(fā)展的重要保證。核事故應(yīng)急決策支持系統(tǒng)作為提高應(yīng)對(duì)核事故能力的重要手段，是核事故應(yīng)急響應(yīng)期間的重要信息交換和指揮平臺(tái)，可以為核應(yīng)急響應(yīng)行動(dòng)方案的制定提供切實(shí)可行的建議[3]。世界上已經(jīng)有許多國(guó)家利用計(jì)算機(jī)技術(shù)研究和開發(fā)了多款不同類型的核應(yīng)急決策支持系統(tǒng)，如歐共體的RODOS系統(tǒng)、美國(guó)NARAC程序系統(tǒng)和FASER系統(tǒng)、英國(guó)的RIMNET系統(tǒng)、韓國(guó)的Atom CARE系統(tǒng)、日本的WSPEEDI等。國(guó)內(nèi)方面，經(jīng)過各方面多年努力，我國(guó)在國(guó)家、省級(jí)地方和核電廠3個(gè)層次已初步建立了各自的核應(yīng)急決策支持及事故后果評(píng)價(jià)系統(tǒng)[4]，如國(guó)家核應(yīng)急辦的國(guó)家核應(yīng)急決策支持系統(tǒng)、江蘇省核應(yīng)急管理與指揮決策支持系統(tǒng)、田灣核電廠場(chǎng)外后果評(píng)價(jià)系統(tǒng)等。但是當(dāng)前核應(yīng)急決策支持系統(tǒng)及評(píng)價(jià)系統(tǒng)大多是模擬核事故發(fā)生后放射性煙羽的遷移擴(kuò)散趨勢(shì)以及對(duì)周邊民眾的輻射劑量進(jìn)行預(yù)測(cè)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并提出對(duì)應(yīng)的響應(yīng)策略，側(cè)重的是對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)、公眾健康的輻射危害評(píng)估，輔助決策者和專家開展陸域環(huán)境上的應(yīng)急決策，鮮見到有針對(duì)濱海核電廠發(fā)生核事故后放射性物質(zhì)泄露到海洋環(huán)境，并對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境展開影響預(yù)測(cè)及應(yīng)急響應(yīng)決策支持系統(tǒng)的研究。而濱海核電廠如發(fā)生大規(guī)模放射性物質(zhì)泄露，勢(shì)必伴有大量放射性物質(zhì)流入海洋環(huán)境。如日本福島核事故中，在不考慮惰性氣體前提下，泄露的放射性物質(zhì)總量約為520 PBq，大約為切爾諾貝利核事故總量的10%～15%[5]，其中80%的放射性物質(zhì)進(jìn)入了太平洋，19%沉降于日本，不到1%沉積于北美、歐亞大陸等地區(qū)[6-10]。

為了在濱海核電廠發(fā)生核事故期間，能夠幫助決策者全面透徹的了解事故周邊海域環(huán)境敏感信息，科學(xué)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)放射性流出物在海洋環(huán)境中的遷移擴(kuò)散趨勢(shì)，精準(zhǔn)智能的開展海上應(yīng)急監(jiān)測(cè)與救援部署，迅速有效的建立輻射防護(hù)體系，科學(xué)評(píng)估放射性流出物對(duì)污染海域海洋生物與生態(tài)效應(yīng)，提高我國(guó)核事故海上應(yīng)急響應(yīng)能力，最大限度的降低核事故對(duì)近岸海域環(huán)境和社會(huì)的影響，根據(jù)自然資源部第三海洋研究所(2015年被國(guó)家核事故應(yīng)急協(xié)調(diào)委員會(huì)授予“國(guó)家核應(yīng)急海洋輻射監(jiān)測(cè)技術(shù)支持中心”)在核應(yīng)急期間所要承擔(dān)的任務(wù)和能力要求，通過利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、GIS地理信息系統(tǒng)、海洋專業(yè)數(shù)值模型等技術(shù)，構(gòu)建了海洋放射性預(yù)警監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)系統(tǒng)。本研究就平臺(tái)的設(shè)計(jì)框架和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)

海洋放射性監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)支持平臺(tái)是一個(gè)以計(jì)算機(jī)硬件與網(wǎng)絡(luò)通信為依托，以政策法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、信息化機(jī)構(gòu)及安全體系為保障的信息資源管理、評(píng)價(jià)與決策支持系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架包括基礎(chǔ)設(shè)施層、軟件平臺(tái)層、數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)集成層、應(yīng)用層和用戶層等不同層次。圖1 為系統(tǒng)的架構(gòu)示意圖。

圖1 海洋放射性監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)支持平臺(tái)設(shè)計(jì)架構(gòu)示意圖Fig.1 Design framework of marine radioactivity monitoring and early warning technical support platform

1.1 基礎(chǔ)設(shè)施與軟件平臺(tái)層

基礎(chǔ)設(shè)施與軟件平臺(tái)層是由硬件設(shè)施、軟件設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行環(huán)境等基礎(chǔ)設(shè)施組成，用于支持系統(tǒng)的安全運(yùn)行。其中硬件設(shè)施層由PC終端、數(shù)據(jù)服務(wù)器、交換機(jī)等硬件組成，為系統(tǒng)的運(yùn)行提供物理環(huán)境。軟件平臺(tái)由操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、WebGIS應(yīng)用服務(wù)、ETL數(shù)據(jù)集工具、報(bào)表工具等組成，為系統(tǒng)的運(yùn)行提供軟件環(huán)境。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，考慮到核應(yīng)急期間信息交流的保密性要求，平臺(tái)系統(tǒng)采用防火墻過濾方式，通過交換機(jī)與Internet外網(wǎng)、應(yīng)急專網(wǎng)相連接，以保證信息傳輸?shù)陌踩?，進(jìn)而為系統(tǒng)運(yùn)行提供一個(gè)相對(duì)安全的對(duì)外聯(lián)系通道。

1.2 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層由若干個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)組成，包括我國(guó)及周邊國(guó)家濱海核電廠/核設(shè)施的基礎(chǔ)信息、基礎(chǔ)地理信息、水文氣象、海洋生態(tài)-環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)、應(yīng)急資源分布、人口布局等數(shù)十個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成，是支持系統(tǒng)平臺(tái)運(yùn)行的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.3 數(shù)據(jù)集成層

數(shù)據(jù)集成層在整個(gè)框架中具有承上啟下的作用，通過對(duì)集成預(yù)制管理、任務(wù)調(diào)度與監(jiān)控、抽取/加工引擎、數(shù)據(jù)質(zhì)控等方式實(shí)現(xiàn)對(duì)信息資源的統(tǒng)計(jì)集中管理，并通過數(shù)據(jù)發(fā)布、數(shù)據(jù)共享為上層綜合應(yīng)用系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)資源的獲取提供聯(lián)系與支撐。

1.4 綜合應(yīng)用層

綜合應(yīng)用層用于開發(fā)、組建各系統(tǒng)功能模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)具體的功能應(yīng)用與展示，包括海洋數(shù)據(jù)管理、海洋基礎(chǔ)模型分析、數(shù)據(jù)分析與展示、文本生成等子系統(tǒng)。

1.5 用戶層

用戶層是對(duì)系統(tǒng)平臺(tái)的使用者進(jìn)行管理分類。根據(jù)系統(tǒng)平臺(tái)操作者的不同，分為管理員、業(yè)務(wù)員、領(lǐng)導(dǎo)層和其他單位4種身份類型。針對(duì)不同類型的使用用戶，系統(tǒng)的使用操作權(quán)限有所不同，登錄者只能操作和查看自己權(quán)限范圍內(nèi)的子系統(tǒng)功能模塊。

2 系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)施

根據(jù)國(guó)家核應(yīng)急海洋輻射監(jiān)測(cè)技術(shù)支持中心在核應(yīng)急期間擔(dān)負(fù)的主要任務(wù)和工作流程，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要功能模塊包括：日常監(jiān)管模塊、預(yù)測(cè)預(yù)警模塊、應(yīng)急監(jiān)測(cè)與指揮模塊、數(shù)據(jù)采集與審核模塊、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模塊等，各功能模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 海洋放射性監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)支持平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.2 Functional structure design of marine radioactivity monitoring and early warning technical support platform

2.1 日常監(jiān)管模塊

2.1.1 核電廠基礎(chǔ)信息 通過收集我國(guó)及周邊國(guó)家和地區(qū)的濱海核電廠基礎(chǔ)信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的編輯、處理與儲(chǔ)存，構(gòu)建了核電廠基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)利用ArcGIS可視化技術(shù)集成展示了各濱海核電廠的基礎(chǔ)資料，并可以二維圖表的形式查詢相關(guān)統(tǒng)計(jì)信息，如核電廠放射性流出物中不同核素的年際排放變化情況。核電廠基礎(chǔ)信息庫(kù)的建立與展示有助于管理者加強(qiáng)對(duì)核電企業(yè)的運(yùn)營(yíng)監(jiān)管，識(shí)別事故中釋放的特征核素，開展事故情景下的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)與評(píng)估。

2.1.2 海域環(huán)境信息 在核事故應(yīng)急處置過程中，及時(shí)全面的了解核電廠周邊海域環(huán)境信息，對(duì)協(xié)助專家和決策者部署應(yīng)急監(jiān)測(cè)、救援方案具有重要意義。為此，在該功能框架下，系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)提取了核電廠外圍輻射環(huán)境監(jiān)督性監(jiān)測(cè)站的空氣劑量率、潮汐及海上氣象等實(shí)時(shí)環(huán)境信息，并以圖形的方式直觀展現(xiàn)各要素的實(shí)時(shí)變化特征。此外，系統(tǒng)集成了核電廠煙羽應(yīng)急計(jì)劃區(qū)和食入應(yīng)急計(jì)劃區(qū)內(nèi)的人口分布、海洋經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)布局、海洋功能區(qū)劃、海洋環(huán)境保護(hù)區(qū)劃等環(huán)境信息，用于幫助決策者識(shí)別核電廠周邊海域環(huán)境敏感目標(biāo)，優(yōu)化救援、監(jiān)測(cè)方案。

2.1.3 監(jiān)測(cè)信息 在該功能模塊下，通過選擇監(jiān)測(cè)時(shí)間、監(jiān)測(cè)介質(zhì)、監(jiān)測(cè)要素可實(shí)現(xiàn)對(duì)核電廠鄰近海域不同環(huán)境介質(zhì)，包括對(duì)水體、海洋生物及海洋沉積物中的常規(guī)化學(xué)要素、放射性核素比活度以及海洋生物與漁業(yè)資源進(jìn)行查詢。系統(tǒng)可根據(jù)某一時(shí)期調(diào)查站位分布將調(diào)查結(jié)果以直方圖的形式直觀展現(xiàn)在各調(diào)查站位上。此外，系統(tǒng)還可以通過確定某一調(diào)查站位，進(jìn)而查看該站位歷年來某調(diào)查要素的年際變化情況，并以趨勢(shì)線的形勢(shì)呈現(xiàn)出來。

2.2 預(yù)測(cè)預(yù)警模塊

為了滿足對(duì)泄漏到海洋環(huán)境中的放射性廢水遷移擴(kuò)散趨勢(shì)進(jìn)行數(shù)值模擬，以實(shí)現(xiàn)對(duì)可能將遭受輻射污染的海域面積、嚴(yán)重性以及遭受污染時(shí)間進(jìn)行提前感知，進(jìn)而可優(yōu)化海上應(yīng)急監(jiān)測(cè)方案，指導(dǎo)開展海上應(yīng)急救援、海域使用管理及海上交通管制等措施，系統(tǒng)開發(fā)了海洋放射性預(yù)測(cè)預(yù)警功能模塊。

2.2.1 三維海洋環(huán)流模型的建立 構(gòu)建仿真型、精細(xì)化的水動(dòng)力模型對(duì)模擬放射性核素在區(qū)域海洋中的遷移擴(kuò)散至關(guān)重要。為此，在數(shù)值仿真模型方面，本研究選擇基于區(qū)域海洋模型系統(tǒng)ROMS(Regional Ocean Modeling System)初步構(gòu)建了三維斜壓海洋環(huán)流模型，并根據(jù)研究海域的流場(chǎng)特征，結(jié)合實(shí)地水文氣象觀測(cè)資料(包括溫度、鹽度、海面風(fēng)場(chǎng)等)進(jìn)行模型校驗(yàn)，構(gòu)建了放射性核素運(yùn)輸擴(kuò)散的海流背景場(chǎng)。為提高預(yù)測(cè)模型的精細(xì)化程度，根據(jù)污染物在短期內(nèi)可能嚴(yán)重影響的范圍，將海流模型計(jì)算區(qū)域設(shè)置為核電廠鄰近海域50 km范圍內(nèi)，并使用了高分辨率的水深岸線資料將海流背景場(chǎng)時(shí)空分辨率提升至200～400 m之間。

2.2.2 放射性核素運(yùn)輸模型的構(gòu)建 進(jìn)入海水中的放射性核素首先溶解于水或以懸浮狀態(tài)存在。懸浮于海洋中的放射性核素容易吸附于懸浮物體的表面并以顆粒態(tài)存在，而溶解態(tài)和顆粒態(tài)的放射性核素通過生物攝食或滲透等方式進(jìn)入食物鏈，并在海洋食物鏈中傳遞，同時(shí)通過生物沉降、顆粒埋藏等作用被引向海底沉積物[11]。根據(jù)核素的自身特性，本項(xiàng)目模擬137Cs、134Cs、110mAg、90Sr、3H等 5種典型的放射性核素在水體中的輸運(yùn)擴(kuò)散、被懸浮物吸附以及自身衰變的過程，其中137Cs、134Cs、110mAg代表顆粒態(tài)核素，90Sr和3H代表溶解態(tài)核素。通過收集獲取的上述放射性核素在海水與懸浮物中的分配系數(shù)、放射性物質(zhì)在懸浮泥沙中的沉降通量、放射性物質(zhì)在水體中的擴(kuò)散系數(shù)等參數(shù)，構(gòu)建了放射性物質(zhì)的海洋運(yùn)輸擴(kuò)散模型。由于系統(tǒng)模擬預(yù)測(cè)海域面積相對(duì)較小、模擬時(shí)間相對(duì)較短，所以海洋生物對(duì)放射性物質(zhì)的富集而使得海域中放射性核素降低的部分暫不考慮。最終系統(tǒng)通過采用與海流模型相同的計(jì)算范圍和計(jì)算網(wǎng)格，并與海流模型聯(lián)立運(yùn)行，建立了放射性核素在模擬海域環(huán)境中的運(yùn)輸擴(kuò)散模型。

根據(jù)濱海核電廠事故釋放出來的放射性廢水量的大小，結(jié)合釋放的放射性核素類別、特征、比活度以及釋放時(shí)間和位置坐標(biāo)等信息，系統(tǒng)可同時(shí)模擬5種核素在平均氣候態(tài)條件下的遷移擴(kuò)散情景，計(jì)算當(dāng)前和未來一段時(shí)間內(nèi)鄰近海域海水中放射性比活度分布情況，同時(shí)被污染的海水以動(dòng)態(tài)畫面的形式在ArcGIS地圖上展示隨時(shí)間推移的擴(kuò)散情景。通過對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行解析，可以計(jì)算出受影響的海域面積、海洋功能區(qū)個(gè)數(shù)及分布，并以不同的顏色標(biāo)注出被污染的海水中放射性核素比活度的大小。

2.3 應(yīng)急監(jiān)測(cè)與指揮模塊

海洋核應(yīng)急監(jiān)測(cè)是指核設(shè)施進(jìn)入事故應(yīng)急工況后對(duì)海洋環(huán)境所進(jìn)行的非常規(guī)性環(huán)境監(jiān)測(cè)，其目的在于盡可能及時(shí)的提供有關(guān)事故對(duì)海洋環(huán)境及公眾帶來的輻射影響方面的數(shù)據(jù)，以便為劑量評(píng)價(jià)及防護(hù)行動(dòng)決策提供技術(shù)依據(jù)[12]。核事故期間，及時(shí)了解事故電廠及周邊海域的基礎(chǔ)概況對(duì)制定海域應(yīng)急監(jiān)測(cè)方案具有重要指導(dǎo)意義。通過該模塊可查看事故電廠的概況、鄰近海域環(huán)境敏感點(diǎn)信息、核電廠外圍監(jiān)督性監(jiān)測(cè)站位分布、空氣γ劑量率變化情況以及核電廠鄰近海域?qū)崟r(shí)氣象和潮汐信息等。

為了在核事故期間，系統(tǒng)能夠迅速生成海上應(yīng)急監(jiān)測(cè)方案，以核電廠排水口為中心，鄰近30 km海域內(nèi)按照全面覆蓋、近密遠(yuǎn)疏的布站原則，預(yù)設(shè)了30個(gè)海上采樣監(jiān)測(cè)站點(diǎn)。在核事故發(fā)生后，按照以下原則確定采樣站點(diǎn)和順序：

① 按照近密遠(yuǎn)疏，扇形布置采樣站點(diǎn)；② 主導(dǎo)風(fēng)下風(fēng)向、潮流流向和環(huán)境敏感區(qū)加密布站；③ 上風(fēng)向設(shè)置對(duì)照站點(diǎn)；④ 采樣順序由輕污染區(qū)向重污染區(qū)緩慢推進(jìn)。

系統(tǒng)通過結(jié)合事發(fā)海域風(fēng)向和漲落潮信息，可以自動(dòng)選擇海上應(yīng)急監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，并確定采樣順序。此外，操作者還可以根據(jù)放射性廢水在海洋環(huán)境中的遷移擴(kuò)散預(yù)測(cè)的結(jié)果，自主添加采樣站點(diǎn)和制定采樣順序。

在制定采樣介質(zhì)和監(jiān)測(cè)要素方面，由于應(yīng)急情況下時(shí)間的緊迫性以及局勢(shì)的不明朗，使得不同事故階段海洋核應(yīng)急監(jiān)測(cè)的目的和任務(wù)不盡相同[13]。因此，在制定海上應(yīng)急監(jiān)測(cè)內(nèi)容時(shí)系統(tǒng)統(tǒng)籌不同階段的監(jiān)測(cè)需要，將不同時(shí)期、不同環(huán)境介質(zhì)中所要開展的各監(jiān)測(cè)要素均列了出來，包括海上空氣劑量率、累積劑量率、個(gè)人劑量、表面污染、海上氣象要素的監(jiān)測(cè)(風(fēng)向、風(fēng)速、濕度、大氣壓等)以及氣溶膠和表層海水、海洋生物、海洋沉積物中相應(yīng)監(jiān)測(cè)核素和總α、總β的監(jiān)測(cè)等。在制定海上應(yīng)急監(jiān)測(cè)方案時(shí)，系統(tǒng)操作者可以根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)需要，選擇相應(yīng)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容。

考慮到核事故應(yīng)急監(jiān)測(cè)與其他事故應(yīng)急監(jiān)測(cè)的最大不同點(diǎn)是外業(yè)監(jiān)測(cè)人員可能會(huì)暴露在輻射環(huán)境下開展監(jiān)測(cè)任務(wù)，為了保障海上應(yīng)急監(jiān)測(cè)人員的自身安全，系統(tǒng)在生成應(yīng)急方案時(shí)會(huì)提出裝備配置要求，包括應(yīng)急通訊設(shè)備、輻射監(jiān)測(cè)設(shè)備、輻射防護(hù)設(shè)備、醫(yī)療救助設(shè)備、采樣設(shè)備及其他設(shè)備等。此外，參考IAEA報(bào)告中關(guān)于典型反應(yīng)堆事故情況下的操作干預(yù)水平缺省值的推薦[14-15]，在系統(tǒng)生成的應(yīng)急監(jiān)測(cè)方案中提出了輻射防護(hù)與撤離建議，即在事故情景不明了時(shí)，當(dāng)煙羽環(huán)境劑量率為0.1 mSv/h時(shí)，推薦服用碘片和臨時(shí)隱蔽；當(dāng)煙羽環(huán)境劑量率達(dá)1.0 mSv/h或應(yīng)急監(jiān)測(cè)人員的累積有效劑量達(dá)到50 mSv時(shí)，推薦監(jiān)測(cè)隊(duì)員停止作業(yè)立即返航，并提出人員和設(shè)備去污要求。

2.4 數(shù)據(jù)采集與審核模塊

系統(tǒng)通過對(duì)數(shù)據(jù)采集者和審核者進(jìn)行操作權(quán)限的設(shè)置，使得數(shù)據(jù)采集者和審核者只能使用自己權(quán)限范圍內(nèi)的功能模塊，即數(shù)據(jù)采集者只能按照系統(tǒng)規(guī)定的要求上傳采集到的數(shù)據(jù)，無(wú)數(shù)據(jù)審核權(quán)限。數(shù)據(jù)審核由專人負(fù)責(zé)對(duì)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)自審核和異常數(shù)據(jù)審核，只有通過全部審核后，上傳的數(shù)據(jù)信息才會(huì)被系統(tǒng)儲(chǔ)存記錄，一同記錄的還有采集人員、采集時(shí)間以及審核人員等信息，方便數(shù)據(jù)的溯源追蹤查詢。

2.4.1 數(shù)據(jù)的輸入與上傳 登錄系統(tǒng)后，數(shù)據(jù)采集者需要輸入數(shù)據(jù)來源、檢測(cè)單位資質(zhì)、檢測(cè)方法、數(shù)據(jù)結(jié)果等信息。數(shù)據(jù)來源主要是對(duì)要輸入的數(shù)據(jù)背景進(jìn)行介紹，這里包括數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)目的、監(jiān)測(cè)海域、調(diào)查時(shí)間等信息。檢測(cè)單位資質(zhì)信息主要記錄開展本次調(diào)查監(jiān)測(cè)的單位及部門、該單位的計(jì)量認(rèn)證編號(hào)、監(jiān)測(cè)人員資質(zhì)證書等信息，以加強(qiáng)對(duì)檢測(cè)質(zhì)量的管理。由于當(dāng)前海洋放射性檢/監(jiān)測(cè)方法暫無(wú)統(tǒng)一規(guī)定，相關(guān)單位在進(jìn)行海洋放射性檢測(cè)時(shí)使用的方法有所區(qū)別，這里采集者通過輸入所使用的檢測(cè)方法，可以明確記錄該檢測(cè)方法下各核素的最低檢測(cè)限，有利于系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)行自動(dòng)審核。最后數(shù)據(jù)采集者將監(jiān)測(cè)結(jié)果經(jīng)預(yù)處理后，通過數(shù)據(jù)接口協(xié)議轉(zhuǎn)換為本系統(tǒng)可識(shí)別的數(shù)據(jù)格式，并暫時(shí)儲(chǔ)存在構(gòu)建的海洋放射性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)里面等待審核者審核。

2.4.2 數(shù)據(jù)審核 為了提高審核效率，系統(tǒng)建立了自動(dòng)化審核與人工審核相結(jié)合的審核、審批流程。系統(tǒng)自動(dòng)化審核首先是根據(jù)監(jiān)測(cè)的介質(zhì)類別、核素種類以及監(jiān)測(cè)方法等特征，對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行最低檢測(cè)限的審核，當(dāng)采集的數(shù)值低于方法中最低檢測(cè)限時(shí)，則系統(tǒng)提示數(shù)據(jù)異常。其次將采集的數(shù)據(jù)與收集、整理的該海域背景監(jiān)測(cè)資料以及與其他海域的監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行比較，當(dāng)明顯低于或高于歷史背景值時(shí)，則系統(tǒng)同樣會(huì)提示數(shù)據(jù)異常。最后根據(jù)放射性核素的衰變和釋放的射線特征，系統(tǒng)對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比審核，如40K比活度應(yīng)小于總β，海水中210Pb的比活度不小于210Po等。對(duì)于在系統(tǒng)自動(dòng)化審核過程中出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，系統(tǒng)提醒審核者對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行人工審核，以確保采集數(shù)據(jù)結(jié)果的有效性、可用性和準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)采集和審核模塊的建立可以對(duì)海洋放射性調(diào)查和海洋核應(yīng)急監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行篩選或查找異常數(shù)據(jù)，并比較當(dāng)前數(shù)據(jù)結(jié)果相對(duì)歷史監(jiān)測(cè)資料的變化情況，有利于為下一階段生物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

2.5 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模塊

本評(píng)估模塊采用美國(guó)核管理委員會(huì)(USNRC)提出的經(jīng)典風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)四步法(即危害鑒別、劑量-效應(yīng)關(guān)系評(píng)價(jià)、暴露評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)表征)進(jìn)行生物輻射風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，參考?xì)W盟的ERICA Tool評(píng)估模型進(jìn)行界面設(shè)計(jì)。

為支持開展生物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，該功能模塊下分別構(gòu)建了海洋放射性核素危害數(shù)據(jù)庫(kù)、評(píng)價(jià)物種庫(kù)、核素分配系數(shù)和濃集因子數(shù)據(jù)庫(kù)、劑量-效應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)等，其中在海洋放射性核素種類數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)計(jì)新核素添加功能，并增添了40K等核素，構(gòu)建了多達(dá)71種海洋放射性核素。在評(píng)價(jià)生物物種方面，根據(jù)評(píng)價(jià)生物的生活習(xí)性，將海洋生物種類分為哺乳動(dòng)物、底層魚類、中上層魚類、多毛類、浮游動(dòng)物、浮游植物、大型藻類、甲殼類、爬行類軟體動(dòng)物、維管植物和鳥類等11類。在評(píng)價(jià)過程中，根據(jù)所要評(píng)價(jià)生物的種類，選擇相應(yīng)的類別進(jìn)行評(píng)價(jià)。依據(jù)IAEA-422系列報(bào)告[16]中核素在沉積物、生物中的分配系數(shù)和濃集因子分別建立了分配系數(shù)和濃集因子數(shù)據(jù)庫(kù)。此外，系統(tǒng)還通過收集、整理評(píng)估海域中海水、沉積物及海洋生物體內(nèi)的歷史放射性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，新增加了海洋放射性核素在調(diào)查海域沉積物中的分配系數(shù)和生物濃集因子，以滿足特定區(qū)域的評(píng)估需求。

在開展非人類物種輻射劑量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面，IAEA、ICRP等國(guó)際機(jī)構(gòu)認(rèn)為應(yīng)側(cè)重對(duì)生物種群的生存能力以及生態(tài)系統(tǒng)的完整性方面開展研究，包括種群的數(shù)量、結(jié)構(gòu)、繁殖能力的輻射影響，而非注重輻射對(duì)個(gè)體層次的損傷[17-19]。國(guó)際有關(guān)機(jī)構(gòu)在保護(hù)生物種群免受輻射傷害而提出的相關(guān)輻射劑量率限值如表1所示 。參照表1中生物種群最低輻射劑量限值，本系統(tǒng)默認(rèn)10 μGy/h為海洋生物的風(fēng)險(xiǎn)劑量率參考限值。此外，系統(tǒng)還可以根據(jù)評(píng)價(jià)者需要自定義風(fēng)險(xiǎn)劑量率參考限值。

在評(píng)估過程中通過輸入海水、沉積物或海洋生物中的核素比活度，結(jié)合系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中不同核素對(duì)海洋生物的劑量轉(zhuǎn)化因子計(jì)算出該種生物當(dāng)前的輻射劑量率。通過將計(jì)算結(jié)果與評(píng)估海域的輻射背景值以及風(fēng)險(xiǎn)劑量率參考限值相比較，判斷當(dāng)前海洋生物可能遭受的輻射劑量變化及風(fēng)險(xiǎn)大小。利用收集、建立的國(guó)內(nèi)、外已開展的劑量-效應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)來評(píng)價(jià)當(dāng)前劑量率對(duì)海洋生物種群的生物健康效應(yīng)，最后根據(jù)需要系統(tǒng)可自動(dòng)生成生物輻射風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告。

表1 國(guó)際上主要研究機(jī)構(gòu)提出的輻射劑量率限值

3 結(jié)論

本平臺(tái)是在福島核事故經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的背景下，依據(jù)我國(guó)國(guó)家核應(yīng)急預(yù)案和國(guó)家海洋核應(yīng)急預(yù)案(擬定稿)并結(jié)合自然資源部第三海洋研究所在核應(yīng)急期間所要承擔(dān)的職責(zé)與任務(wù)要求的基礎(chǔ)上，通過運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、GIS信息技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)及信息處理等技術(shù)，結(jié)合開發(fā)建設(shè)的海洋專業(yè)數(shù)值模型、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型和應(yīng)急監(jiān)測(cè)模型以及污染遷移擴(kuò)散模型的基礎(chǔ)上開發(fā)建設(shè)，將為不同層級(jí)的使用者提供查詢核電廠鄰近海域海洋環(huán)境質(zhì)量變化及海域使用狀況。在海洋核應(yīng)急期間，有助于為核應(yīng)急決策者提供應(yīng)急決策支持，指導(dǎo)開展海洋應(yīng)急監(jiān)測(cè)、預(yù)警、救援以及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，有助于提高我國(guó)海洋核事故應(yīng)急準(zhǔn)備和響應(yīng)能力。

本研究就該系統(tǒng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)架構(gòu)、各子系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計(jì)方案和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，為我國(guó)海洋放射性監(jiān)測(cè)預(yù)警支持系統(tǒng)的開發(fā)、建設(shè)提供了一種設(shè)計(jì)思路，對(duì)今后海洋放射性應(yīng)急監(jiān)測(cè)與指揮系統(tǒng)的建設(shè)起到了一定的參考和借鑒作用。由于海洋核應(yīng)急工作是一項(xiàng)涉及眾多組織和部門，需要實(shí)時(shí)接收和傳導(dǎo)大量信息、命令和通知的復(fù)雜工程，當(dāng)前該系統(tǒng)還有很多問題需要解決，我們將在后續(xù)研究中不斷修改和完善系統(tǒng)平臺(tái)的使用功能。