城市飲用水放射性污染風險評估

[韓] 鄭孝俊 等

梁靜靜 譯自美刊《核能年鑒》2009年第36卷

放射性物質可能是人為或偶然地進入水源。在商用核電站和核廢料處理站已發生過多次意外泄漏事故,如三里島(Three Mile Island)和切爾諾貝利(Chernobyl)事件是典型的核電站放射性物質意外泄漏事故(波特(Bot),2004年;菲森科(Fesenko)等,2007年)。有毒化學品或放射性核素向環境的蓄意排放被稱為“恐怖襲擊”。全世界有很多位置存在放射性物質,因此,放射性核素蓄意泄漏事件可能會在任何地方發生。諸如放射性分散裝置(RDD)等造成的放射性物質蓄意泄漏,首先會給人們帶來一定的放射曝露,進一步還會對與其投放點毗鄰地區造成更為嚴重的環境污染(瓊斯(Jones)等,2003年)。公眾受到不利的環境影響,將會出現癌癥等健康問題。

放射性物質被排入環境之后,放射性核素可通過吸入、食入等途徑進入人體,進而導致內照射,飲用水是其被食入的媒介。放射性核素向人體組織直接釋放大量能量,損傷 DNA和細胞,造成致癌風險。本文在假定一種放射性污染物被蓄意泄漏的情景下,主要討論了放射性核素造成的飲用水污染和健康風險評估問題。有關人為加強的天然放射性物質(如氡和鈾)對水質影響的研究,已有大量報道。還有幾項研究調查了意外泄漏的放射性物質在水體中的遷移轉化。但是,據我們所知,對蓄意泄漏造成的飲用水放射性污染的風險評估至今還沒有人開展專門的研究。

八堂湖是首爾市區的唯一水源,兩千多萬人的飲水供應均依賴于此。因此,為了評估受核素污染的水源對人體健康造成的放射性風險,對水系中放射性污染特征做進一步深入研究極為必要。在假定50TBq的銫 -137被蓄意排入水源區的情景下,計算其瞬時濃度和致癌風險。在本次研究中,為了計算銫 -137在水體中的遷移轉化,我們引入了完全混合和偏微分兩個概念。

1 材料和方法

1.1 污染情景

1987年 9月,巴西中部戈亞斯(Goias)州首府哥亞尼亞(Goiania)市一家廢棄的醫院曾遺失一個舊輻射源(克魯斯(Cruz)等,2008年)。該輻射源包含 50TBq的銫 -137以氯化銫的形式存在,它被封裝在 2個相互嵌套的不銹鋼容器中。隨后,這一輻射源被數人接觸,產生了嚴重的放射性污染,并造成多人死亡。索耶(Sohier)和哈德曼(Hardeman,2006年 )、蒂森 (Thiessen)等學者 (2009年 )都曾以此作為蓄意排放情景的源項。本次研究也將此假定情景引入,將輻射源假定為 50TBq的銫 -137,并設想將其排入八堂湖即首爾市一重要水源中。

八堂湖是韓江水系的一部分,位于韓國中部,是首爾市區的主要水源。八堂湖湖面面積 29 km2,容積2600萬 m3。共有 3條河流注入該湖泊,即韓江北支、韓江南支及慶南(Kyounan)溪。兩千多萬市民的飲水均依賴于此。因此,蓄意排放放射性污染一旦發生,危害將非常大。由于慶南溪水量很小,湖泊水質主要受韓江南、北兩支流的影響。本次研究的污染情景假定為向韓江北支引入 50TBq的銫 -137核素。

1.2 水動力學和水質模型

用于計算放射性污染物水質濃度的數學模型通常是建立在物理、化學和生物學原理基礎上,可利用這些原理來描述濃度的時空分布差異。雖已有多個水動力學和水質模型可用于供水系統的評估問題,但環境流體動力學程序(EFDC)模型在湖泊、海岸和海洋系統中的應用更為廣泛。

EFDC模型由弗吉尼亞海洋科學研究所研制開發,近來被廣泛用于環境學水質模擬研究:污染物遷移轉化模擬、發電廠冷卻水排放模擬、沉積和疏浚效應模擬以及湖泊和海洋系統中有毒污染物輸移模擬。

該模型利用彈性 σ縱坐標、笛卡爾曲線和水平正交坐標系,能夠解決具有以下特征的問題:三維、垂向靜力、自由表面、密度可變流體的均勻紊流運動方程?？梢岳脛恿俊①|量和能量的守恒來描述湖泊水體,并通過布辛涅斯克(Boussinesq)近似、流體靜力學近似和準三維近似來簡化湖泊系統。水動力是毒物和沉積物的輸移動力,它通過環境對污染物的遷移產生影響,水動力因素在水平曲線坐標和垂向 σ坐標系中以如下形式存在于模型中:

式中 u和 v分別為水平正交曲線坐標 x和 y方向的速度分量;水平坐標系的比例系數分別為 mx和 my;垂向坐標 z方向的豎向速度為 w;自由表面和湖底的實際縱坐標分別為zs*、zb*;總水深度為 H;?表示自由表面電勢,等于 gzs*;fe為科里奧利(Coriolis)加速參數;垂向紊流粘度 Av將剪應力與水平速度分量的垂直剪應力聯系起來;運動大氣壓依據水體密度而定,表示為 patm。

湖泊水體中放射性物質的水質演變與湖泊的流動條件密切相關。當某種放射性物質被排入湖泊或其他水域,其遷移轉化過程決定著放射性核素濃度分布,主要影響因素是水力輸移過程和化學反應,包括衰減機理。水平對流、擴散和垂向混合是水力輸移過程最主要的決定因素。由于地形復雜,放射性物質輸移過程通常發生在三維流場中,因此,水平和垂直方向的遷移過程都需要考慮。溶解態或懸浮態物質,以及本文中已知單位體積濃度質量的放射性物質 C的普通遷移方程可表示如下:

式中 Kv和 KH分別為垂直和水平方向的紊流擴散系數;C代表某種懸浮物;Qc表示外部和外部源與匯;wsc為正的沉降速度。

在水平曲線坐標和垂向 σ坐標系中,通常采用有限差分格式來求解模型方程。因此,環境流體動力學程序模型也采用有限差分法。該方法選取3個時間段,通過內外模式劃分過程來實現內部切變模與外部自由表面重力波模的分離。為保守評估風險,假定所有的銫 -137都以溶解態形式存在于水體中。

1.3 風險評估方法

飲用水一旦受到放射性核素污染,會對公眾健康帶來較大風險。通過對魚、糧食等食物的攝入,放射性核素能夠在機體內累積,從而達到危害人體健康的程度。同時,放射性核素或有毒物質經過累積也會干擾生態系統自身的功能。美國環境保護署(EPA)給出了評估放射性核素對健康影響的“風險系數”。雖然還有一些其他的直接接觸和吸入途徑,但飲用水是水污染對人體健康產生危害的重要途徑。因此,本文就此開展研究。風險系數適用于一般人群,因此在某種意義上,風險評估是建立在某一假定的固定封閉群體年齡和性別平均的基礎上。本文選擇飲用受污染自來水導致的死亡風險系數和患病風險系數來評估銫 -137對人體帶來的健康風險。

2 結果與討論

2.1 韓江北支匯入支流中銫 -137濃度

在八堂湖的北支有一座叫重平(Choung-Pyoung)的水壩,該壩主要用以維持八堂湖穩定的水量,并兼具發電功能。假設在重平壩排入 50TBq的銫 -137,并在此達到完全混合狀態。之后,隨著時間的推移,受銫 -137污染的河水會注入八堂湖。

放射性核素在水系中的反應與有機化學物質類似。向重平壩排入銫 -137之后,假設污染物與河水實現完全混合,水體中放射性核素質量平衡方程如下:

式中 t表示時間;C為銫 -137濃度;V表示水量;Q表示入流量;Cin為銫 -137入流濃度;k是銫 -137衰減系數。利用龍格 -庫塔(Runge-Kutta)法,在MATLAB程序環境下,可求出上述一階常微分方程的數值解(馬斯沃爾克斯(Mathworks),2002年)。

水系中銫 -137的主要去除過程是上游支流匯入產生的稀釋作用。圖 1表示了在八堂湖北支的重平水壩排入放射性核素銫 -137之后的濃度分布。由圖 1可知,銫 -137最大濃度為 1480Bq/L,但是在受到上游清潔來水稀釋作用的影響后,銫 -137濃度急劇下降。

2.2 水動力學和水質模型

模型域柵格由網格單元構成,覆蓋了 EFDC數值模型的空間范圍。柵格將水域空間范圍劃分為三維結構,從而形成 EFDC模型計算的基礎。為了準確模擬銫 -137的水動力和水質狀況,柵格圖形必需真實可靠。最佳的解決途徑便是利用可視化正交網格生成(VOGG)技術建立八堂湖的笛卡爾空間網格結構。模型域中湖岸線邊界條件建立在一個 GIS格式的 shape文件基礎上,該 shape文件可通過一個CAD文件格式的數字地圖得到。網格與湖岸線如圖 2所示。柵格共包括 1341個水平網格單元,σ圖層即垂向圖層的數量是可變的,以便于精確表示水動力條件和遷移過程。本次研究確定的垂向 σ圖層的最終數量為 3層。因此,水平和垂直方向圖層的總網格單元數即為4023個。利用圖 3中的等深點數據均值,對模型域中的等深數據進行插補。

圖1 在重平水壩排入污染源后水流量與銫 -137濃度關系曲線

圖2 水動力水質模型網格

圖3 八堂湖區測深結果

沿岸注入水量主要包括北支、南支和慶溫安(Kyoungan)溪。入流量數據參見韓國水文年度報告(國土、交通與海事部,2008年)。北支的入流水量見圖 1,南支與慶溫安溪的入流水量如圖 4所示。這些入流水量和銫 -137濃度值可作為 EFDC模型應用的邊界條件。建模時間選為一個月,從 2007年4月 1日到 30日。受上游強降雨影響,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總水量的 65%左右,而慶溫安溪的流量則很小,僅占 2%左右。

圖4 南支和慶溫安溪的水流量數據

表1給出了 EFDC模型的建模條件。有了這些計算條件及受銫 -137污染的入流水量數據,就可以運用水動力學和水質模型了。圖 5給出了 EFDC模型執行后模型域的流場分布。南支匯入點處水流速度最大,為0.7 m/s,北支為0.4m/s,而湖泊中部的水流速度非常緩慢,僅為0.03m/s。

表1 EFDC模型運行的計算條件

北支中銫 -137的邊界濃度根據圖 1來設定。按照時間推移,根據水動力模型結果來實現水質模型模擬。北支匯流點處銫 -137濃度峰值時間為排入后的第1.38 d。圖 6顯示出蓄意污染發生后第1.38 d的銫 -137濃度分布情況。由圖形可知,銫-137在八堂湖水系中的遷移過程,主要受流線和支流匯入產生的稀釋作用的影響。

圖5 八堂湖的流場分布

2.3 飲用水風險評估

銫 -137由湖水進入人體最簡捷的途徑就是攝入飲用水。利用放射性核素環境曝露風險系數來評估飲用水中銫 -137的致癌風險,該系數由美國環保署提供,包含兩種:死亡風險系數和患病風險系數。死亡風險系數是對由于攝入放射性核素而死于癌癥的人口平均數的估計;患病風險系數是對輻射致癌總數均值的相對估計,不論癌癥是否致命。通過飲用水攝入銫 -137的死亡風險系數和患病風險系數分別為5.66×10-10和8.22×10-10。

圖6 八堂湖中銫-137濃度分布

圖7 取水口處銫-137濃度變化曲線

圖7表示了取水口處銫 -137瞬時濃度的變化情況,由該處取水后向水處理廠供水。由圖 7可知,蓄意污染發生后第1.38 d時的銫 -137濃度值最大,達到 357 Bq/L,然后受支流匯入稀釋作用的影響,濃度值急劇下降。美國環保署現行的飲用水標準中銫 -137的濃度限制為 200pCi/L(7.4 Bq/L)(EPA,1976年)。為達到這一標準,在放射性蓄意污染事故發生后的6.2 d內,湖水不得用作飲用水源。盡管在飲用之前會對湖水水源進行處理,但為保守起見,假設公眾飲用水中放射性物質濃度與未處理的湖水相同,并據此開展風險評估。因此,本文為了保守評估健康風險,不考慮水處理過程對銫 -137的去除效率。綜合圖 7中的曲線,可得總放射劑量。計算健康風險時,假定每天飲用自來水量為1.1 L,則由此攝入銫 -137總劑量為 842 Bq,死亡風險系數和患病風險系數分別為4.77×10-7和6.92×10-7。這就意味著,由于飲用了受銫 -137污染的水,在 1千萬人當中將有 5人死亡,7人患病。

3 結 語

本文針對韓國首爾市區一受放射性蓄意污染的飲用水源,詳細討論了有關銫 -137的水質模型建立與健康風險評估問題,以評價其對人體健康產生的潛在和實際影響。在這種輻射突發事件下,預測環境中放射性物質的濃度,對實施公眾健康保護措施非常重要。針對含有放射性物質的水質建模,是公眾健康風險評估的第一步。為了計算銫 -137在水體中的遷移轉化,本文引入完全混合和偏微分的概念。對所選模型域八堂湖,利用 EFDC模型來計算水動力條件和水質狀況,選用飲用自來水導致的死亡風險系數和患病風險系數來評估銫 -137排放對人體健康的危害。

銫 -137在八堂湖水系中的遷移主要受水體流動和支流匯入稀釋效應的影響。受銫 -137污染的飲用水可能導致的死亡風險系數和患病風險系數分別為4.77×10-7和6.92×10-7。人為造成的放射性污染可能通過多種途徑到達人體,例如直接接觸、吸入、食入等。放射性核素帶來的健康風險取決于事故發生時的水文條件。因此,特定場域的水文狀況決定著其死亡風險與患病風險的大小。本文是關于蓄意排泄放射性核素導致飲用水污染的實例研究。因此,盡管其風險不高,但是為了維護公眾健康,對蓄意排泄造成飲用水放射性污染的預防和健康評估仍需重視。此外,當水域區發生蓄意排泄事故時,一些固體物質可能會沉積到河床或湖底,而這些物質中就可能含有一些從湖水中帶來的人工放射污染物。這些沉積物將在魚類體內累積。盡管本次研究并沒有考慮諸如魚類等的二次污染物的影響,但是我們認為,對由此帶來的健康風險進行評估也是必要的。