海洋環境輻射質量分級方法及導出活度濃度限值初探

余 雯，虞澤鋒，王洪波，門 武，何建華*，張玉生

(1.自然資源部第三海洋研究所，福建 廈門 361005； 2.福建寧德核電有限公司，福建 福鼎 355200)

隨著我國沿海核電事業的蓬勃發展，尤其在日本福島核事故對海洋造成嚴重而持久的污染之后，海洋環境輻射質量評價日益受到廣泛關注。當前，我國現行海水水質標準僅對60Co、90Sr、106Ru、134Cs、137Cs等5項核素提出了限值[1]，并未對3H、110 mAg、131I等排放量大或生物毒性較大的核素提出限值，亦未如重金屬、持久性有機物(POPs)等其他污染物一樣給出更為細化的分級限值。此外，該國標中所定限值偏高，若已超出此限值，說明海洋環境已經受到較嚴重污染，將對公眾和海洋生物造成輻射影響。在當前沿海核電迅速發展的背景下，有必要建立更為細致、實用的海洋環境輻射質量分級標準，以指導海洋生態環境保護工作并協調核電產業的發展。

自上世紀80年代以來，在輻射防護領域，以人類為中心的環境保護理念逐漸發展為以整個生態系統為保護目標的生態保護理念，很多國際組織和政府部門陸續開展了環境輻射質量評價研究。國際輻射防護委員會(International Commission on Radiological Protection, ICRP)于2000年成立了一個工作組專門研究電離輻射對非人類物種的效應問題，并于2002年出版了第91號出版物《評價非人類物種電離輻射影響的框架》[2]；國際原子能機構(International Atomic Energy Agency, IAEA)出版了《在現有輻射防護標準的水平上電離輻射對植物和動物的效應》[3]等一系列報告；聯合國原子輻射效應科學委員會(United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation, UNSCEAR)對環境中植物和動物可能受到的輻射效應進行了詳細介紹和系統評價[4]；歐洲委員會于2000—2004年完成了“環境影響評價框架(framework for assessment of environment impact, FASSET)項目[5]，于2004—2007年完成了環境電離輻射污染危險評估：評價和管理(environmental risks from ionising contaminant: assessment and management, ERICA)框架項目[6]；美國能源部(United States Department of Energy, USDOE)在技術標準DOE-STD-1153-2002中提出了分級(GRADED)方法[7]，用于評價環境中生物受到的輻射劑量率。

上述國際研究均通過生物輻射劑量計算與評價來進行，其物理意義明晰，切實體現了輻射對生物體的影響。然而，由于輻射劑量體現的是所有放射性核素在生物體內的能量沉積綜合效應，通常需要應用輻射劑量計算軟件并輸入一系列相關參數才能得到評價結果，顯得不夠直觀，亦不便于基層監測人員對監測結果進行評判。導出濃度是公眾輻射防護領域廣泛使用的一個次級限值，其含義為對應某一輻射劑量限值，某一環境介質中的某一核素放射性活度濃度，其優點是直觀、便于日常監測與比較分析。因此，考慮我國國情，導出濃度是更為直觀、便捷的海洋環境輻射質量分級參考依據。

綜上，我們開展了關于海洋環境輻射質量分級方法及各級導出活度濃度限值的研究。研究的主要目標有以下兩點：第一、提出更為細化的我國海洋環境輻射質量分級方法，指導常規與應急狀態下的海洋放射性監測與評價；第二、在國際通用的輻射劑量評價方法基礎上，建立各主要人工放射性核素的導出活度濃度限值，為海洋放射性監測數據提供評判標準。

1 方法

1.1 海洋環境輻射質量分級方法

本研究從污染評價、保護人類健康、保護海洋生態群落健康的角度將海洋環境輻射質量即海水輻射質量和海洋沉積物輻射質量分為4級(圖1)：

第1級，屬于安全級別，為環境輻射質量最好的一級，表示海洋環境(海水和海洋沉積物)放射性水平處于海洋的本底范圍以內。

第2級，屬于警示級別，環境輻射質量次之，表示海洋環境(海水和海洋沉積物)的放射性水平超出本底范圍，但還未危害人類及海洋生物的健康，評判標準為海洋中參考放射性核素濃度超出本底范圍但在人類的安全濃度限值以內。

第3級，屬于高風險級別，海洋環境(海水和海洋沉積物)放射性水平超出人類的輻射安全范圍，但還未危害到海洋生物的健康，評判標準是海洋中放射性核素濃度超出人類安全限值濃度以內，但還未超出海洋生物安全濃度限值。

第4級，屬于危險級別，海洋環境(海水和海洋沉積物)放射性水平危害到海洋生物的健康，評判標準是海洋中參考放射性核素濃度超出海洋生物安全濃度限值。

圖1 海洋環境輻射質量分級方法及導出活度濃度限值(DCL)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of marine environmental radiation quality classification and the derived concentration limits (DCLs) of radioactivity

1.2 核素選擇原則

海洋環境中的放射性核素主要包含兩大類：天然放射性核素和人工放射性核素。前者主要包括40K、226Ra、232Th、238U等核素及其子體，來源于地球本身或宇宙射線與大氣層相互作用；后者主要包括90Sr、131I、134Cs、137Cs等核素，主要來源于核試驗、核電站運行、同位素生產等人類活動；亦有部分核素，如3H，既是天然核素，也在上述人類活動中產生。

目前我國海洋環境放射性監測的主要目標核素主要包括3H、40K、54Mn、58Co、60Co、65Zn、90Sr、106Ru、110mAg、131I、134Cs、137Cs、226Ra、232Th、238U，基本兼顧了核電站排放、天然本底、主要輻射劑量來源等因素，因此，本研究所涉及的核素與此保持一致。

1.3 第1級導出活度濃度限值(DCL1)計算方法

第1級導出活度濃度限值(DCL1)主要參考我國已有的全國性海洋放射性本底調查獲取的數據，主要來源于“第二次全國海洋污染基線調查”(二次基線調查，1997—1998年)和“我國近海海洋綜合調查與評價”專項(“908”專項，2006—2008年)，共1 376條海水放射性數據和762條沉積物放射性數據。由于目前我國的放射性本底數據時間和空間跨度都較大，且采樣時未充分考慮懸浮顆粒物、河流輸入等干擾源對放射性核素活度的影響，因此不能簡單的選取本底數據中的最大值作為第1級導出活度濃度限值。因此，在本研究中采用統計分析的方法，擬合出各項核素本底數據的平均值Xc及標準差σ，取Xc+3σ作為第1級導出活度濃度限值。

下面以海水中的137Cs為例，說明對放射性本底數據進行統計分析并得到DCL1的方法。對海水137Cs本底數據作頻數直方圖(圖2)，判斷其是否符合正態分布。對于正態分布，絕大部分數據落在(Xc-3σ，Xc+3σ)的區間中，偏離3σ的數據僅占總數的0.3%，因此，以Xc+3σ作為DCL1。

從圖2可以看出，頻數直方圖的高峰位于中部，左右兩側大致對稱，基本符合正態分布。對頻數直方圖進行正態分布曲線(高斯曲線)擬合得到的R2值為0.986 1，亦說明該分布符合正態分布。擬合結果顯示，該分布的平均值Xc為1.754，標準差σ為0.368，則海水137Cs的第1級導出活度濃度限值DCL1海水為Xc+3σ，即2.86 mBq/L。

圖2 海水137Cs本底數據的頻數直方圖及高斯曲線擬合結果Fig. 2 Histogram and Gaussian curve fitting of seawater 137Cs background data

1.4 第2級導出活度濃度限值(DCL2)計算方法

在與海洋環境輻射所致公眾輻射劑量中，相對其他輻射途徑(如漁業捕撈、水上娛樂等)，絕大部分輻射劑量來自于通過食用水產品而攝入的放射性核素，因此在本研究中僅考慮此途徑的照射：

DH=DBH+ΔDH

(1)

式(1)中：DH為公眾所受輻射劑量(mSv/a)，DBH為本底水平放射性核素對公眾造成的輻射劑量(mSv/a)，ΔDH為人為活動所致新增的放射性核素對公眾造成的輻射劑量(mSv/a)，根據《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》[8]的規定，ΔDH取值1 mSv/a。則第2級導出活度濃度限值(DCL2)為：

(2)

DCL2沉積物i=DCL2海水i·Kdi

(3)

式(2)至(3)中：DCL2海水i為海水中核素i的第2級導出活度濃度限值(Bq/L);S為安全系數，本研究中取5；M為公眾人均魚類產品年消費量，本研究中取25 kg鮮重/a[9]；CRi為魚類肌肉組織(可食部分)對核素i的濃集系數(L/kg鮮重)，該部分計算中所用的CRi數據來自IAEA技術報告系列第422號出版物[10]；DCCi為食用途徑下，核素i的劑量轉換系數(dose conversion coefficient， mSv/Bq)；DCL2沉積物i為沉積物中核素i的第2級導出活度濃度限值(Bq/kg)；Kdi為核素i在近岸沉積物和海水中的分配系數，即平衡狀態下近岸沉積物中放射性活度濃度與海水中放射性活度濃度的比值(L/kg)；本研究中所用的Kd數據來自IAEA技術報告系列第422號出版物[10]。

值得說明的是，由于魚類中往往含有多種放射性核素，因此要使公眾由于攝入魚類而受輻射劑量不超過限值，必須滿足：

(4)

(5)

式(4)至(5)中：C實測海水i和C實測沉積物i分別為海水和沉積物中核素i的放射性活度濃度實測值(單位分別為Bq/L和Bq/kg)，DCL2海水i和DCL2沉積物i分別為核素i在海水和沉積物中的第2級導出活度濃度限值。

1.5 第3級導出活度濃度限值(DCL3)計算方法

第3級導出活度濃度限值(DCL3)從海洋生物所受輻射劑量導出，從保護海洋生物種群的角度，海洋生物所受輻射劑量需要滿足：

DB=DBB+ΔDB

(6)

式(6)中：DB為海洋生物所受輻射劑量(mSv/a)，DBB為本底水平放射性核素對海洋生物造成的輻射劑量(mSv/a)，ΔDB為人為活動所致新增的放射性核素對海洋生物造成的輻射劑量(mSv/a)。

對于ΔDB的限值，目前國際上主要有以下3種意見：①10 μGy/h，該限值為ERICA (V 1.2) 評價體系[6]所采用，是目前國際上最為保守的劑量限值；②400 μGy/h，該限值是IAEA(1992)[3]和UNSCEAR(1996)[4]報告中的推薦值，研究證明當所受輻射劑量低于此值時，海洋生物不會在種群尺度上受到影響；③10 mGy/d，該限值為USDOE[7]所采用，經單位換算后，該值為417 μGy/h，可認為與限值②一致。

綜上，結合我國實際情況，本研究中采用400 μGy/h作為ΔDB的限值，導出DCL3。

在海洋生物輻射劑量的計算過程中，采用與ERICA項目一致的生物體輻射劑量模型：

ΔDB=Dint+Dext

(7)

式(7)中：Dint為海洋生物所受人為產生的放射性核素所致內照射劑量(mSv/a)，主要來源于海洋生物體內富集的放射性核素，Dext為海洋生物所受人為產生的放射性核素所致外照射劑量(mSv/a)，主要來源于海水、沉積物中存在的放射性核素。內照射劑量率計算模型：

(8)

(9)

式(9)中：vz為海洋生物在某種介質(海水、沉積物)中的居留因子，即停留時間占比(無量綱)，數據來自ERICA；Czi為放射性核素i在介質z中的活度濃度，如z為海水，量綱為Bq/L，如z為沉積物，則量綱為Bq/kg；DCCext,zi為用蒙特卡羅模擬方法得到的核素i的外照射劑量轉換系數，海水和沉積物的量綱為μGy·L/(h·Bq)、μGy·kg/(h·Bq)，數據來自ERICA。

本研究中涉及到的各參考核素的富集系數(CR)和分配系數(Kd)值見表1，表中大部分數據來自于IAEA、國際放射生態學家聯合會管理的野生動物轉移數據庫和ERICA。其中，關于40K的數據是通過本研究收集到的數據計算得出的，海水濃度數據采用平均K濃度(0.399 g/kg)，根據其豐度(0.000 117)得出活度值，海洋生物中40K的活度采用“908”專項、二次基線調查、核電廠周邊海域放射性本底調查以及文獻[11]中的海洋生物學數據。海洋沉積物中40K的數據來自“908”專項、二次基線調查數據的平均含量，但是哺乳動物、涉禽、海葵/珊瑚、多毛類仍然沒有相關數據，由于文獻[10]中所列的大部分生物40K數據(浮游植物、浮游動物、甲殼動物、魚類)都為90 Bq/kg鮮重，所以在此假設哺乳動物、涉禽、海葵/珊瑚、多毛類的40K數據為90 Bq/kg鮮重，待補充相關數據之后再作調整。

與第2級導出活度濃度限值類似，由于環境中往往含有多種放射性核素，因此要使海洋生物輻射劑量不超過限值，必須滿足：

(10)

(11)

式(10)至(11)中：C實測海水i和C實測沉積物i分別為海水和沉積物中核素i的活度濃度實測值，DCL3海水i和DCL3沉積物i為核素i在海水和沉積物中的第3級導出活度濃度限值。

表1 各核素的富集系數(CR)值和分配參數(Kd)值

續表

2 結果與討論

2.1 第1級導出活度濃度限值

根據“1.3”中的計算方法，對中國海洋環境放射性本底數據進行統計分析。

海水放射性本底數據主要包含137Cs、3H、40K、226Ra、90Sr、238U等核素的數據，“1.2”中提及的其他核素均為未檢出。其中，海水中137Cs、90Sr和238U的放射性活度符合正態分布，根據其Xc和σ值計算得到海水中這3種核素的第1級導出活度濃度限值。海水中的226Ra的分布不符合正態分布，無法得到擬合結果。這可能與226Ra活度受河流輸入、氧化還原電位、沉積物中的Th元素含量等多種因素影響有關，且不同調查中所采用方法的差異也可能影響數據的準確性。因此，取本底數據中的最大值(19.5 mBq/L)作為226Ra的第1級導出活度濃度限值。由于海水中的3H數據量較少，無法得到較好的擬合結果，因此，取本底調查的上限值(3.22 Bq/L)作為第1級導出活度濃度限值。由于本底數據中無海水中40K的放射性活度數據，因此海水中40K的第1級導出活度濃度限值是通過海水中K元素平均濃度(0.399 g/kg)[12]及其天然豐度(0.000 117)和半衰期(1.25×109a)計算得出。

沉積物放射性本底數據主要包含137Cs、40K、226Ra、90Sr、232Th、238U等核素的數據，“2.2”中提及的其他核素均為未檢出，由于兩次本底調查所用單位不一致，本研究取干濕比0.5對單位進行了統一。沉積物中137Cs、90Sr、238U、226Ra、232Th和40K等核素的放射性活度均符合正態分布，根據其Xc和σ值計算得到沉積物中各核素的第1級導出活度濃度限值。

研究得到海水中137Cs、90Sr、238U、226Ra、3H、40K，以及沉積物中137Cs、90Sr、238U、226Ra、232Th和40K的第1級導出活度濃度限值如表2所示：

表2 海水和沉積物中各核素本底數據的高斯曲線擬合結果及第1級導出活度濃度限值

2.2 第2級導出活度濃度限值

根據“1.4”中的方法，計算得到海水和沉積物中各核素的第2級導出活度濃度限值(表3)。可見，海水中各核素的第2級導出活度濃度限值差異較大，最小值為232Th (2.9×10-3Bq/L)，最大值為3H(1.3×105Bq/L)，相差8個數量級，這與各核素的輻射劑量轉換系數及在魚類肌肉中的濃集系數存在差異有關。

沉積物中各核素的第2級導出活度濃度限值差異小于海水，最小值為90Sr (9.4×101Bq/kg干重)，最大值為54Mn (3.0×106Bq/kg干重)，相差5個數量級，除上述兩個因素以外，亦與各核素在沉積物和海水中的分配系數存在差異有關。

表3 海水及沉積物中各核素第2級導出活度濃度限值及其劑量轉換系數

2.3 第3級導出活度濃度限值

根據“1.5”中的計算方法，得到表4中海水和沉積物中各核素的第3級導出活度濃度限值。可見，海水中各核素第3級導出活度濃度限值差異也非常大，最小值為54Mn (4.3×10-1Bq/L)，最大值為3H (4.8×107Bq/L)，相差8個數量級。沉積物中各核素的第3級導出活度濃度限值差異亦較大，達到2個數量級，最小值為238U (1.7×104Bq/kg干重)，最大值為40K (1.5×106Bq/kg干重)。

表4 海水及海洋沉積物中各核素第3級導出活度濃度限值

2.4 現行海水水質標準限值與各級導出活度濃度限值的比較

圖3為現行國家海水水質標準[1]中規定的海水放射性核素濃度限值與各級導出活度濃度限值的比較。從圖中可見，現行國家標準中有規定限值的5種核素(60Co、134Cs、137Cs、106Ru和90Sr)，限值比第1級導出活度濃度限值(本底范圍)高2～3個數量級，均低于第2、3級導出活度濃度限值，說明當前國標中對這5種核素規定的濃度限值是比較合理的，能有效地保護公眾和海洋生物免受輻射傷害。當前國標規定限值的主要問題是對海洋環境輻射質量分級過于簡單，僅分為低于限值和高于限值兩個級別，且未能明確這兩個級別的輻射防護意義。而本研究中提出的分級方法，將海洋環境輻射質量分為4個級別，分別定義其明確的輻射防護意義，相對于當前國標限值更為細致和全面。

對于大部分核素，第2級導出活度濃度限值比第3級低1～3個數量級，說明對于大部分核素來說，要實現對公眾的輻射防護比實現對海洋生物的輻射防護對海洋輻射質量有更嚴格的要求。但是，對于54Mn、106Ru和238U，它們的第3級導出活度濃度限值低于第2級，說明對于這3種核素，要實現對海洋生物的輻射防護比實現對公眾的輻射防護對海洋輻射質量有更嚴格的要求，這與ICRP 108號報告[13]中提到的“在某些情況下，海洋生物會受到比公眾更大的輻射劑量”是一致的。因此，對于這3種核素，如果海水中實測活度濃度大于第3級導出活度濃度限值而小于第2級，則輻射質量的分級評價結果仍將為第3級。

圖3 現行海水水質標準限值與各級導出活度濃度限值比較Fig. 3 Comparison of DCLs for seawater and current national standard limits

圖4 沉積物各級導出活度濃度限值比較Fig. 4 Comparison of DCLs for sediments

3 結論與展望

本研究從污染評價、保護人類健康、保護海洋生態群落健康的角度，提出了將海洋環境輻射質量分為4個級別(其含義分別為本底范圍、超出本底范圍但無危害、超出公眾輻射限值和超出海洋生物輻射限值)，并給出各級別的導出活度濃度限值的計算方法。其中，第1級導出活度濃度限值的主要計算依據為我國的放射性本底調查數據，采用統計分析的方法，取絕大多數本底值的上限值，作為該級別導出活度濃度限值。第2級的主要計算依據為公眾輻射劑量限值、魚類對不同核素的濃集系數、不同核素的劑量轉換因子、海產品消費量等參數，原則是確保在正常攝入海產品的情況下，對公眾造成的輻射劑量不超過國標規定的年劑量限值。第3級的主要計算依據為國際上有關海洋生物輻射劑量限值的研究成果，原則是保護海洋生物在種群尺度上不受輻射傷害。相對于當前國標的分級方法和限值，本研究中提出的分級方法及限值具有先進性和全面性。

本研究中存在的主要問題是，海洋生物劑量評估過程中所用的CR值和Kd值主要來源于國際研究，如能建立我國海洋環境的CR值和Kd值數據庫，將進一步提高輻射劑量評估的準確度。

本研究成果有助于國內工作在一線的海洋監測人員對常規監測數據進行評價，亦為海洋管理決策提供技術支持和參考依據。本研究成果將在國內海洋監測部門進行推廣應用，并爭取上升為海洋行業標準或國家標準。