日本核泄漏对我国的影响分析[1]

日本核泄漏对我国的影响分析【摘要】论文通过建立核污染物的大气传播扩散的线性模型，高斯模型和ADMS模型和海洋环流扩散模型，从理论计算值和实际监测值两个方面都说明了日本核泄漏的辐射物质不会对我国产生直接的影响，在模型的建立过程中也通过模型间的比较，找出更具有实用价值和更具有推广性的模型，通过模型的计算可以看出高斯模型较线性模型更具有使用价值，而ADMS模型较高斯模型又有进一步的推广实用性。

通过海洋环流模型的分析可以知道，若泄漏源设置在近地层992hPa, 10 d 后影响范围可达北美大部地区, 但浓度比所设置的源区浓度低约6 个量级, 15 d 后可影响到欧洲, 20 d 后前锋进入中国西部地区, 30 d 后则布满整个纬带; 若泄漏源在5 km 高度, 泄漏10 d 后影响范围可覆盖欧洲, 15 d 即可布满整个纬带; 若泄漏源在10 km 高度, 10 d后即可影响中国大部分区域. 核泄漏物质通过海洋表层通道向东输运则缓慢得多, 50 d 后到达150°E 左右, 且影响范围仅在一条狭窄条带内。

通过对本文模型的分析，日本核泄漏物质可能有微量会覆盖我国全境，而且在3月25号日核泄漏物的辐射量达到最大值，但我国的核辐射量仍然处于人体可以接受的安全的值。

也就是说，日本核泄漏物质不会多我国造成直接的危害。

【关键字】核污染流体传播影响分析一、问题重述与分析1、问题重述在日本大地震导致核泄漏后，关于核扩散而引起的安全问题已经受到广泛的关注，在我国也一度引起了人民的恐慌。

根据人们的这种恐慌心理，提出合理的假设建立数学模型，解决以下两点问题：①日本的核泄漏物体究竟会不会覆盖我国的全国范围，对广大人民的人生安全又会不会产生危害【1】。

②由于人体对辐射物质有一定承受能力，只有当大气中的辐射物质达到一定程度的时候才会对人体产生危害，那么在我国，大气中的核辐射物质会不会达到危害人体的程度，如果会，那么会在什么时候达到，如果不会，那么我国的哪一地区受到的核污染最严重，并通过数学模型分析在什么时候达到最严重的程度。

2、问题分析由于核泄漏物在空气中的传播类似于流体运动，受到诸多因素的影响，如风速，,核污染源头的控制，大自然对核泄漏物质的吸收能力等多方面，另一方面由于我国地域辽阔，各地地形差异也较大，所以各地距日本核泄漏源的距离也有明显的差异，所以各地受到核污染的危害也肯定有所不同，通过建立流体运动的模型，同时考虑到诸多影响流体运动的因素，就可以大概的估算出我国是否会全境被日本的核泄漏物质所覆盖，另一方面，由于流体是要不断的流动的，所以不会产生聚集，也就说，只要当核泄漏物质的扩散高峰期通过我国时没有达到对人体产生危害的程度，则以后就不会对我国居民的身体产生危害，通过建立数学优化模型，以日本核泄漏程度及扩散情况为主要影响因素，就可以估算出日本核泄漏物质在我国达到最大影响程度的时间二、问题背景2011年3月11日，日本近海发生9.0级地震并引发了大海啸，沿海核电站受到破坏，开始释放具有放射性物质。

很多人担心这些物质会危害自己的健康，因此急切希望了解：地震中损坏的日本核电站散发的放射性物质，，究竟会在什么时候到达自己的身边，以及什么时候会达到对人体有害的程度。

专家们认为，对日本之外的国家和地区而言，会随空气移动的发射性粉尘可能是主要的威胁。

若对此进行预测，需要考虑到风向，风速以及距离受损核电站的远近。

截止到2011年3月30日，在我国上海，天津，重庆，河北，山西，内蒙古，吉林，黑龙江，江苏，安徽，浙江，福建，河南，广东，广西，四川，陕西，宁夏，部分地区空气中监测到来自日本核事故释放放出的极微量人工放射性核素碘-131。

二、模型假设由于要用数学模型解决实际问题，一般都要对实际问题进行量化处理，并且还要建立合理的假设上，针对要解决的问题，记流体在真空中的流动速度为v,空气。

对流速度（及风速）为v11、在日本大地震发生后的一段时间内，全球空气对流速度保持v不变。

1）总是保持不变的2、核辐射物质在大气中的传播的绝对速度（及v3、忽略大自然对核辐射物质的吸收，且核泄漏物质是均匀扩散的。

4、所有人对核辐射的抵抗能力都是相同的。

四、符号约定和名词解释s ------------- 辐射物质传播的距离t ------------- 核泄漏物质传播s距离的传播时间V------------- 日本核泄漏的核辐射物质的总量v ------------- 核放射性物质在海洋中传播速度B ------------- 核泄漏物质在海洋中传播时单位距离被吸收的量S ------------- 我国海域的面积P ------------- 我国单位海域面积的放射性物质总量------------- 单位面积覆盖的辐射物质量V1C ------------ 核辐射源下风向任一点（x,y,z）的污染物浓度，mSv/sσσ ----------- y和z方向扩散系数，my zU ----------- 污染源排放口的平均风速，m/sQ ----------- 辐射源核辐射泄漏物的强度, mSv /sHe ----------- 辐射源核辐射物上升的有效高度,mσ ----------- Y方向扩散参数*m。

YC----------- 地面横风向积分浓度，mSv /m3yK----------- 计算点A的地面浓度，mSv /m3A----------- 计算点所在源块的源强，mSv /s*m2Q----------- 其上风方向第i号源块的源强，mSv /s*m2QrL ----------- 网络的边长，mu ----------- 平均风速，m/sσ的参数，他们随不同稳定度类别b,q ----------- 分别为确定大气垂直扩散标准zσ=bxq的关系而取不同的值，并满足zh ----------- 面源的平均高度，mN ----------- 上风方网格数Hs ----------- 和污染物在竖直方向的几何高度∆----------- 和污染物抬升的高度mh五、问题的模型建立向模型一假设全球大气处于不对流状态，则核污染物质会以恒定的速度v四周扩散，已辐射源的核辐射量近似作为核辐射总量，据日本文部科学省3月21号发表的核辐射检测报告说，在距离福岛第一核电站南3公里的福岛县大熊町，检测到的最高浓度的放射量为每小时110微西弗。

在做近似计算式，就以此，在地理位置上，中国东南沿海距核泄漏中浓度作为辐射源的核污染物浓度V心（西南向）2000公里以上，东北地区在西北向相距1000公里以上，由于核泄漏放射性最强的核素是碘-131，极微量的碘与水蒸气中的少量钾钠结合，极容易溶解在水中，因此降雨和降尘影响地表水是主要的污染方式，同时也使大气中碘-131较快清除掉。

3月20号以前，日本离福岛核电站100公里以外的地方几乎没有碘-131的异常。

3月20号至23号的降雨使东京金町至日立方向地表水和饮用水碘-131急剧增加和波动（200-300Bq/kg）;而东京横滨地区碘-131有少量增加（）9-30Bq/kg)。

25号水中碘-131量在日立-茨城-金町-东京新宿-横滨小雀一线的分布具有一定的相似性（见图一）。

而根据这一回归计算可确定西南向的最大的影响范围为369公里。

这远小于我国日核泄漏源在西南方向距离我国的最小距离2000公里。

图一西南向I-131的检测值线性变化和回归计算图二西向地表饮用水I-131含量的线性变化和回归计算图三西向地表饮用水I-131含量的线性变化和回归计算从图而可以看出，当距离核泄漏源200km 的地方，核放射性物质基本上就降为0，而我国的东北地区距离日核泄漏源的而最近距离为1000km ，也就是说，在此模型的假设下，我国东北地区基本上不会受到的日核泄漏的影响，而由图一可以看出，在日核泄漏源的西南方向辐射物质的传播的方程可以用线性函数 建立核污染物质运动的方程V 1=-0.2172s+80.079 （1）由方程（1）求解可知当s=368.69时，核辐射量就降为0，而在西南方向，我国东南沿海距离日和辐射源最近的距离为2000公里，也就是日核泄漏物不会大量的传到我国。

由于分子的扩散和海洋环流，肯定会有少量的污染物的传到我国，但不会对我国构成大的危害。

模型二 对于日核泄漏物得传播，我们首先建立一般的高斯扩散模型：对于高架连续点源，若把坐标原点取在排放点正下方的地面上，X 轴的正方向指向平均风方向，Y 轴在水平面上垂直于X 轴，Z 轴垂直向上延伸，则高斯模式的基本形式是： 222222()()(,,,)[]exp[]*[exp[]exp[]]2222c c c y z y z zZ H Z H Q y C x y z H U πσσσσσ-+=--+- 高架点源的地面浓度是：2222(,,,)exp[]22c c y z z z H Q y C x y z H U πσσσσ=-- 但由于在实际应用中，高斯模式的限制条件太过于苛刻，主要有：①下垫面平坦，开阔，性质均匀，平均流场平直，稳定，不考虑风场的切变；②扩散过程中，污染物本身是被动，保守的。

及污染物和空气是无相对运动，且扩散过程中污染物无损失，无转化。

污染物在地面被反射；③扩散在同一温度层结中发生，平均风速大于1.0m/s;④适用范围一般小于10~20km 。

由于这些限制条件过于苛刻，不利于模型在实际中的扩散，为了使建立的模型更具有推广性，下面将建立更具一般性的ADMS 模型(该模型有PDF 模式，小风对流尺度模式，Loft 模式)：PDF 模式：在不稳定条件下，对低浮力核污染物采用weil 的PDF 模式计算地面的浓度，即：21[]}2F yC Y Y C σ-=- 式中的Y σ由下式决定：1/21/32/31/32/3(/)/[10.5/()(0.1)]1.6(0.1,/2)0.8z xy m Y m m i m m m m i x u x uT F F X Z F u w F X Z σσ⎧+<⎪=>≥⎨⎪⎩式中C y 由下是确定：12221222y x x C uh h h Q σσ=--小风对流尺度模式： 在不稳定条件下，对高浮力核泄漏污染物采用briggs 的小风对流尺度模式，即：当：x<10F/W*331/34/3210.021*()exp[()]2p i y Y Y C Qw x F Z σ-=- 1/32/31.6y i F X Z σ=当：x ≥10F/w 33/22371[/()exp[()]exp[()]]2p yY Y F C Q wxh zw σ-=-- 0.6y i XZ σ=Loft 模式： 对近中性条件下的高浮力核泄漏物，采用Weil 的Loft 模式，即：21()]exp[()]2p yY Y C erf σ-=-Φ- 1/32/3131/32/311.6(0L u/w 2)0.8(0u/w<2)u y u F X L O F X L σ--⎧><≥=⎨>⎩或且且 由于人体对核辐射有一定的抵抗能力，只有当地表的和辐射物质的浓度超过50毫西弗时才会对人体产生明显的影响；为了计算地表的核辐射物得浓度，以下基于一般高斯模型系统中的采用有面源高度的ADTL 模型来计算由面源产生的污染物浓度。