北海區海洋放射性環境監測預警信息系統的設計與實現

張馨星，鄧春梅，王 偉，王榮元，魏計房，高曉慧

(1.國家海洋局北海環境監測中心，山東 青島 266033；2.山東省海洋生態環境與防災減災重點實驗室，山東 青島 266033)

隨著沿海核電站工業的發展，核電站機組數量逐年增加，低放射性廢物等污染物進入海洋，使得近海海洋環境低放射性污染壓力日益增大。隨著核電站運行時間的延長，以及頻發的自然災害，核能開發利用中的核安全問題也日益突出。在北海局轄區內共有5個運行中或建設中的核電站。毗鄰黃海的韓國有28臺運行中的核電機組，雖位于轄區外，但有可能對我國海洋環境造成影響。因此，從北海區海洋環境安全出發，為保障海洋生態環境安全和公眾健康，需要加強海洋放射性污染的監測及監管。

目前國內已有不少基于ArcGis數據引擎開發的海洋環境數據分析評價管理系統[1-3]，但針對放射性監測數據的管理系統開發較少且側重于應急管理。目前國內放射性環境管理及核應急相關的信息化技術支持系統主要分三大類，一類是用于核事故后果及影響評價與管理的評估系統[4-5]，第二類是核應急指揮決策支持系統[6-9]，第三類是日常放射性環境安全管理系統[10-11]。還有一些技術支持系統則為涵蓋了核事故應急內容在內的多種海洋突發事故應急管理系統[12]。

1 系統的功能設計

本系統設計并開發了北海區海洋放射性環境監測預警信息系統，通過各海區間的信息互通互訪以及北海區各單位間的信息共享，實現所轄海區及負責監測預警區域的核事故預警功能。本系統能夠進行放射性海洋環境監測預警數據的管理、查詢和分析、放射性物質的擴散預測、放射性物質對海洋生態環境影響的綜合評價、預警信息的發布等功能，可以為上級決策部門和各級地方政府以及社會公眾提供技術政策和應急建議等信息。系統的總體功能設計包括預警功能、信息傳輸共享功能、數據管理分析功能，圖1為系統總體設計框架。

1.1 預警功能

北海局所轄海域預警工作以各海區以及北海區各單位間的信息互通互訪為基礎。當相鄰海區進入預警狀態時，信息平臺可將相鄰海區的預警信息以及其他相關信息共享，系統可直接登錄平臺讀取信息并查看。北海區根據共享信息進行轄區內的擴散預測以及應急監測。當北海區發生核事故時，可立即啟動響應機制進行事故源的漂移擴散預測和影響海域范圍內的應急監測。在以上兩種情況下得到的預測和監測結果均可通過本數據庫系統進行預警評價，最終一鍵生成預警評價產品通過信息共享平臺上報至北海局負責處室，審核修改完善后發布預警信息。

1.2 信息傳輸共享功能

北海信息中心通過數字海洋網與其他各海區及研究所建立接口，北海局相關處室、北海監測中心、北海預報中心通過專網與北海信息中心所建接口相連。各單位可通過這一平臺進行數據和信息的共享，并設置相應的讀取和寫入權限。

1.3 數據管理分析功能

本模塊構建了北海區海洋放射性環境監測預警綜合數據庫，存儲監測區域的基礎地理數據、核風險源信息、敏感區背景場數據和化學背景場數據。存儲北海區常規放射性監測數據以及福島核事故以來應急監測數據。

本模塊主要實現對北海區放射性監測數據的導入、查詢、導出以及分析評價功能。除了進行數據查詢外，還可對查詢的數據進行統計和分析，通過多類型圖表進行直觀展示。根據已錄入的評價標準、評價方法對海洋放射性狀況進行評價分析，并可以實現一鍵導出評價報告等功能。

圖1 系統設計框架示意圖

2 系統的組成及應用

2.1 綜合數據庫

2.1.1 基礎信息數據庫 包括基礎地理數據庫、放射性風險源信息數據庫、敏感區數據庫。存儲了北海區周邊地區海岸地貌、等深線、主要海灣、海島、入海河流、省地級區劃等信息，以及北海區在建和運營的沿海核電站分布情況，包括堆型、核電技術類型及來源、規模、動工及運行時間壽命等，此外還有海區鄰近國家放射性高風險源信息。建成了基于ArcSDE空間數據引擎的敏感區數據庫。存儲了北海區敏感區矢量數據，包括海洋自然保護區、海洋特別保護區、產卵場、主要漁場、海水增養殖區等生態敏感區，沿海城市、城鎮、濱海旅游度假區、海水浴場等沿海公眾活動密集區、石油平臺、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 物理背景場數據庫 本模塊錄入多種手段獲取的海洋環境觀測數據，實現了部分觀測資料的實時入庫，數據內容主要包括：北海區海洋站、浮標、志愿船觀測數據以及基礎地理數據等。觀測要素內容包含：風速、溫度、壓力、濕度、海浪、潮汐、海流等，探空、地面、臺風警報、傳真報、天氣圖等數據以及海圖、水深、岸線等地理數據。

2.1.3 化學背景場數據庫 本模塊整理錄入了近10 a的海水、沉積物的水文及化學等常規監測數據，包括黃渤海海洋環境趨勢性監測、青島等重點海域的海洋環境監測等數據，基本實現對黃渤海海洋環境歷史變化趨勢的時空分析，能夠實時得出該海域海洋環境中各化學要素濃度的時空變化情況。

2.1.4 放射性監測數據庫 本模塊錄入了北海區放射性監測數據歷史資料，包括典型河口海灣以及核電站鄰近海域的海水、沉積物、生物放射性水平監測數據，以及2011年福島核事故至今北海區大氣、海水、沉積物、生物的應急監測數據。

2.1.5 案例模型數據庫 本模塊包含了部分根據模型計算的預測結果，假設核事故放射性核素不同量級的排放量，根據預報中心進行的漂移擴散預測結果，構建了北海區主要核電站不同等級事故漂移擴散預測案例庫。

2.1.6 預警評價產品數據庫 本模塊存儲了核事故的應急管理措施文件以及監測預警信息和評價報告等文檔，方便決策者進行查詢和使用。具體內容包括應急預案、監測方案、預警通報和事故評價報告。

2.2 數據管理分析評價模塊

本模塊功能主要是基于放射性監測數據庫，一方面可對數據庫中的數據進行管理查詢，另一方面則可對選定時間或空間范圍的數據進行統計分析及評價，功能實現方式見圖2。

圖2 數據管理分析評價模塊示意圖

2.2.1 數據管理 本模塊包括數據導入、查詢、導出和質量控制幾個方面。可根據固定的海水、沉積物、生物或大氣的監測報表格式導入數據，既可導入單個文件，也可進行文件夾的導入。在進行數據導入時，可進行質量控制，導入時不符合質量標準的數據可預覽或進行提示。進行數據查詢時可根據時間或空間設定查詢范圍，查詢的數據可以導出，還可以設定更為具體的條件進行數據篩選。

2.2.2 數據分析評價 統計分析功能主要是指選定時間或空間條件進行數據查詢后，可選擇數據進行統計分析，分析內容包括濃度范圍和均值以及歷史變化趨勢圖，并可根據需求選擇圖表類型。

評價功能則建立在評價標準和評價模型的基礎上。根據篩選的放射性狀況評價指標錄入了評價標準，評價標準包括本底標準和濃度限值標準。本底標準來源主要為監測點的歷史調查值，區域范圍變化較大。濃度限值一般根據相關標準確定。因此整個評價標準是在不斷地補充修改中完善，在評價標準的管理中管理人員可以進行標準的添加、修改和刪除。

海洋環境放射性質量評價通過對不同監測對象進行評價實現，具體評價指標即各監測對象對應的監測項目。評價指標均可以根據需要進行手動的添加或刪除。評價結果可通過文字和圖形共同展示。現主要評價方法為本底比較評價法，正在完善結合監測海域易損度和核素毒性系數的指數評價法，期望通過評價得到的指數直接判定預警級別。因此設置了評價方法的公式編輯管理模塊，可根據新的研究成果繼續對評價方法進行添加和更新。

2.2.3 一鍵生成報告 系統能夠通過不同分析及評價條件的選擇，快速出具監測評價報告和對外監測預警信息通報。也可在數據分析及展示等各個界面中，通過截圖等方式將當前的圖或表單獨保存到存儲設備或者評價報告當中。這種一鍵式報告的功能，為業務化工作提供了極大的方便，尤其在放射性應急工作中會發揮其方便快速的優勢，為決策和對外信息發布提供快速高效的支持。

2.3 信息預警模塊

2.3.1 預警響應及信息交換 系統已實現了各海區間的信息互通互訪以及北海區各單位間的信息共享。通過設置權限，用戶可進行文件的上傳和下載。例如在應急演習中通過共享模塊上傳監測數據，預報中心讀取后可進行擴散預測，然后將預測結果上傳，從而在系統中結合其它放射性分析評價結果形成產品和報告。系統連接配置成功后，系統每10 s會對相鄰海區信息中心的文件夾進行文件讀取，當讀取到預警信息時會進行窗口及聲音提示，并且系統會自動發送短信至相關負責人和技術人員。

2.3.2 擴散預測 通過本系統發送監測數據至預報中心，或根據已有的預警信息中的預測數據進行放射性物質的擴散預測(該預測通過預報中心放射性污染物擴散預測模型進行)，預報中心通過系統將結果返回。本模塊可將返回的結果以動態的形式顯示在地圖上，也可基于敏感區背景場中以動態或靜態的預測結果顯示，更直觀的判斷污染物的擴散對海區內較敏感區域的影響。

2.3.3 數據傳輸 系統開發完成后，隨即在當年的放射性監測航次中進行了部分功能的測試。將航次中現場富集監測的137Cs、134Cs數據編碼通過北斗傳輸系統傳回并直接導入本系統，實現了船舶監測數據的即時傳輸，達到了隨時監測隨時預警的目標。此外，系統還留出了實驗室管理系統和浮標實時數據接口，便于后續實驗室檢測數據和浮標監測數據的直接錄入。

3 結論

本研究從業務化監測預警的實際需求出發，通過數據預處理、范圍質控，對多源監測數據的有效性、準確性進行檢驗，把可用的數據導入到綜合數據庫中。實現了監測數據存取的便利化，分析評價的快速化和可視化。通過數據及信息的快速或實時傳輸預警，滿足了應急的時效性。本研究致力于通過計算機技術和海洋監測業務的結合，充分發揮信息化優勢，提高業務人員的辦公效率和業務質量，提升海洋放射性監測的信息化水平，便于海洋管理部門充分掌握海洋監測預警數據信息。