CN109033016B - 基于放射性元素沉降模型的降雨时地表γ辐射剂量率的计算方法 - Google Patents

Abstract

一种基于放射性元素沉降模型的降雨时地表γ辐射剂量率的计算方法，包括以下步骤：1)建立降雨时地表γ辐射剂量率模拟模型；1.2)建立放射性元素沉降方程；2)输入降雨量数据以及土壤初始含水率，通过土壤水分一维非饱和流动方程得到降雨时各个时刻的土壤含水率，再将含水率代入到本底模型中求得本底辐射值；输入降雨量数据模拟出放射性元素沉降到地面的活度，再由放射性活度根据致剂量模型得到地表γ辐射剂量率上升值；本底辐射值和地表γ辐射剂量率上升值相加，得到地表γ辐射剂量率预测数据。本发明提供了一种基于放射性元素沉降模型的降雨时地表γ辐射剂量率的计算方法。

Description

基于放射性元素沉降模型的降雨时地表γ辐射剂量率的计算 方法

技术领域

本发明属于核辐射安全性检测领域，具体说涉及到降雨时地表γ辐射剂量率的计算方法。

背景技术

辐射环境监测的目的在于检验核设施运行在周围环境中造成的辐射和放射性水平是否符合国家的和地方的有关规定，并对人为的核活动所引起的环境辐射的长期变化趋势(其中包括由人为活动所造成的天然放射性核素的重新分布所引起的环境辐射水平的变化)进行监视。环境监测具体的目的和意义主要有以下几个方面:

一、评价设施运行释放到环境中的放射性物质或辐射对人产生的实际的或潜在的照射水平，或估计这种照射的上限，并监视和评价其长期趋势，发现问题及时改进；

二、收集设施运行状态与污染物进入环境的历程，产生的环境辐射水平等因素之间的相关性资料，注意发现尚未注意到的照射途径和释放方式，或其它释放源带来的影响；

三、异常释放或发生事故时，做出迅速响应，通过监测为评价事故后果和应急决策提供依据；

四、证明向环境的释放符合相应规程的要求，向公众提供相关信息，改进公众关系。

我国的辐射环境监测工作起步于上世纪八十年代，经过近三十多年的发展，已基本建成了由国家、省级、部分地市级组成的三级监测机构，建立了具有相当水平和能力的应急监测队伍。全国辐射环境监测网络是以环境保护部(国家核安全局)为中心，以各省辐射环境监测机构为主体，涵盖部分地市级辐射监测机构的监测网络。

在日常工作中，辐射环境监测网络最主要的内容是开展全国辐射环境质量监测、重点核与辐射设施监督性监测、核与辐射事故预警监测和应急监测，以便说清污染源现状，说清环境质量现状及其变化趋势、说清潜在的辐射环境危险。辐射监测中，尤为重要的是大气γ辐射的监测。

氡的衰变链对大气γ辐射的贡献不容忽视。空气中的氡主要为²²²Rn，约占氡总量的90％以上，寿命也最长，通常所说的氡就指²²²Rn。氡从地面释放后迅速混入大气边界层，并逐渐输运至对流层底层，²²²Rn衰变首先产生一个²¹⁸Po并释放出一个能量为5.49MeV的α粒子。衰变运移产生的巨大反冲力使得²¹⁸Po带正电，易被空气中的水分子等极性物质包围，形成团簇，并很快被中和。从衰变开始产生的子体到被水分子包围形成团簇的衰变子体都统称为未结合态子体，直径一般在0.3-4nm。形成团簇后的²¹⁸Po等未结合态子体极易与空气中的气溶胶粒子发生碰撞吸附，合二为一，形成结合态子体，直径通常在20-3000nm。²¹⁸Po继续发生衰变，产生子体与空气反应的过程与上述类似。作为单原子惰性气体，氡基本不会随降雨沉降，但其衰变子体中的重金属原子，主要是²¹⁴Pb和²¹⁴Bi，会迅速与空气中的气溶胶颗粒、固体颗粒物和水滴结合，通过降水冲洗到达地面，引起地表γ辐射剂量率的升高，从而给雨时异常γ辐射的甄别造成了困难，而这正是环境电离辐射监测亟待解决的问题。

发明内容

为了克服已有技术无法计算降雨时地表γ辐射剂量率的不足,本发明提供了一种基于放射性元素沉降模型的降雨时地表γ辐射剂量率的计算方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于放射性元素沉降模型的降雨时地表γ辐射剂量率的计算方法，包括以下步骤：

1)建立降雨时地表γ辐射剂量率模拟模型，过程如下：

1.1)建立土壤水分一维非饱和流动方程：

其中，θ表示土壤体积含水率，t表示时间，z表示土壤深度，D(θ)与K(θ)分别表示非饱和土壤水扩散率与导水率；

本底辐射值函数：

其中，X表示γ辐射吸收剂量率，C_Ra、C_Th、C_K分别表示土壤中²²⁶Ra、²³²Th、⁴⁰K的含量，a，b，c为拟合系数；

1.2)建立放射性元素沉降方程：

对于²¹⁸Po，

dC_Po-a＝(-ΛC_Po-a+λ_RnC_Rn-λ_PoC_Po-a)dt

dC_Po-e＝(ΛC_Po-a-λ_PoC_Po-e)dt

对于²¹⁴Pb，

dC_Pb-a＝(-ΛC_Pb-a+λ_RnC_Rn-λ_PbC_Pb-a)dt

dC_Pb-e＝(ΛC_Pb-a+λ_PoC_Po-e-λ_PbC_Pb-e)dt

对于²¹⁴Bi，

dC_Bi-a＝(-ΛC_Bi-a+λ_RnC_Rn-λ_BiC_Bi-a)dt

dC_Bi-e＝(ΛC_Bi-a+λ_PbC_Pb-e-λ_BiC_Bi-e)dt

其中，记单位面积空气柱中及对应单位面积地面的²¹⁸Po、²¹⁴Pb、²¹⁴Bi、²²²Rn的总量之和分别为C_Po、C_Pb、C_Bi、C_Rn，降雨区域单位面积空气柱中²¹⁸Po、²¹⁴Pb、²¹⁴Bi总量分别为C_Po-a、C_Pb-a、C_Bi-a，对应单位面积地面的²¹⁸Po、²¹⁴Pb、²¹⁴Bi的总量分别为C_Po-e、C_Pb-e、C_Bi-e，²¹⁸Po、²¹⁴Pb、²¹⁴Bi、²²²Rn的衰变常数分别为λ_Pb、λ_Pb、λ_Pb、λ_Rn；

致剂量函数：

其中，X表示监测仪器探测到的吸收剂量率，L表示积分区域的半径，E_Bi，E_Pb表示²¹⁴Bi，²¹⁴Pb的加权能量，A_Bi，A_Pb表示地面²¹⁴Bi，²¹⁴Pb的面比活度，μ_en/ρ表示吸收点的质能吸收系数，h表示监测仪器离地高度；

2)输入降雨量数据以及土壤初始含水率，通过土壤水分一维非饱和流动方程得到降雨时各个时刻的土壤含水率，再将含水率代入到本底模型中求得本底辐射值；

输入降雨量数据模拟出放射性元素沉降到地面的活度，再由放射性活度根据致剂量模型得到地表γ辐射剂量率上升值；

本底辐射值和地表γ辐射剂量率上升值相加，得到地表γ辐射剂量率预测数据。

进一步，所述步骤1)的一维非饱和流动方程与2)的放射性元素沉降方程中，以降雨量数据采样的时间间隔为分段单位在时间上分段求解，即除0～5min初始值采用给定值，其后每段的初始值都采取上一段的最终值。

本发明中，以降雨时地表γ辐射剂量率模拟模型为基础，同时考虑土壤水分对本底γ辐射的屏蔽作用，引入降雨时土壤含水率变化模型与不同土壤含水率下的γ辐射本底模型，将降雨时γ辐射剂量率解释为雨水清除导致的γ辐射上升值与变化的γ辐射本底值，得到了降雨时γ辐射剂量率的模拟模型。将模型应用于γ辐射剂量率实测数据的模拟，为判断降雨过程中监测点是否存在人工放射泄漏异常或其他外源性辐射污染提供了理论与方法参考。

本发明的有益效果主要表现在：有效计算降雨时地表γ辐射剂量率。

附图说明

图1是降雨时地表γ辐射剂量率模拟模型架构图。

图2是降雨时地表γ辐射剂量率的计算流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1和图2，一种基于放射性元素沉降模型的降雨时地表γ辐射剂量率的计算方法，包括以下步骤：

1)建立降雨时地表γ辐射剂量率模拟模型，过程如下：

1.1)建立土壤水分一维非饱和流动方程：

其中，θ表示土壤体积含水率，t表示时间，z表示土壤深度，D(θ)与K(θ)分别表示非饱和土壤水扩散率与导水率；

本底辐射值函数：

其中，X表示γ辐射吸收剂量率，C_Ra、C_Th、C_K分别表示土壤中²²⁶Ra、²³²Th、⁴⁰K的含量，a，b，c为拟合系数；

1.2)建立放射性元素沉降方程：

对于²¹⁸Po，

dC_Po-a＝(-ΛC_Po-a+λ_RnC_Rn-λ_PoC_Po-a)dt

dC_Po-e＝(ΛC_Po-a-λ_PoC_Po-e)dt

对于²¹⁴Pb，

dC_Pb-a＝(-ΛC_Pb-a+λ_RnC_Rn-λ_PbC_Pb-a)dt

dC_Pb-e＝(ΛC_Pb-a+λ_PoC_Po-e-λ_PbC_Pb-e)dt

对于²¹⁴Bi，

dC_Bi-a＝(-ΛC_Bi-a+λ_RnC_Rn-λ_BiC_Bi-a)dt

dC_Bi-e＝(ΛC_Bi-a+λ_PbC_Pb-e-λ_BiC_Bi-e)dt

其中，记单位面积空气柱中及对应单位面积地面的²¹⁸Po、²¹⁴Pb、²¹⁴Bi、²²²Rn的总量之和分别为C_Po、C_Pb、C_Bi、C_Rn，降雨区域单位面积空气柱中²¹⁸Po、²¹⁴Pb、²¹⁴Bi总量分别为C_Po-a、C_Pb-a、C_Bi-a，对应单位面积地面的²¹⁸Po、²¹⁴Pb、²¹⁴Bi的总量分别为C_Po-e、C_Pb-e、C_Bi-e，²¹⁸Po、²¹⁴Pb、²¹⁴Bi、²²²Rn的衰变常数分别为λ_Pb、λ_Pb、λ_Pb、λ_Rn；

致剂量函数：

其中，X表示监测仪器探测到的吸收剂量率，L表示积分区域的半径，E_Bi，E_Pb表示²¹⁴Bi，²¹⁴Pb的加权能量，A_Bi，A_Pb表示地面²¹⁴Bi，²¹⁴Pb的面比活度，μ_en/ρ表示吸收点的质能吸收系数，h表示监测仪器离地高度；

2)输入降雨量数据以及土壤初始含水率，通过土壤水分一维非饱和流动方程得到降雨时各个时刻的土壤含水率，再将含水率代入到本底模型中求得本底辐射值；

输入降雨量数据模拟出放射性元素沉降到地面的活度，再由放射性活度根据致剂量模型得到地表γ辐射剂量率上升值；

本底辐射值和地表γ辐射剂量率上升值相加，得到地表γ辐射剂量率预测数据。

进一步，所述步骤1)的一维非饱和流动方程与2)的放射性元素沉降方程中，以降雨量数据采样的时间间隔为分段单位在时间上分段求解，即除0～5min初始值采用给定值，其后每段的初始值都采取上一段的最终值。

本实施例中涉及到降雨时地表γ辐射剂量率的模拟，整个模型由若干个小模型组成，具体模型结构如图1。一方面输入降雨量数据以及土壤初始含水率，通过土壤水分一维非饱和流动方程得到降雨时各个时刻的土壤含水率，再将含水率代入到本底模型中求得本底辐射值，一方面输入降雨量数据模拟出放射性元素沉降到地面的活度，再由放射性活度根据致剂量模型得到地表γ辐射剂量率上升值。最终两部分相加就得到了地表γ辐射剂量率预测数据。

由于降雨量不是连续变量，连续求解无法达到数值解精度要求，因此图1中的两组方程都以降雨量数据采样的时间间隔(5min)为分段单位在时间上分段求解，即除0～5min初始值采用给定值，其后每段的初始值都采取上一段的最终值。如图1所示，土壤水分一维非饱和流动方程利用MATLAB的pdepe函数求解，输入量为土壤初始含水率与5min内的降雨强度，输出量为5min内的土壤含水率，将最终时刻的土壤含水率代入到本底模型中就得到了5min后的本底辐射值。放射性元素沉降方程利用MATLAB的ode23函数进行求解，输入量为初始时刻各核素的含量与5min内的降雨强度，输出量为5min内的各核素沉降到地表的活度，将最终时刻的活度代入到致剂量模型中就得到了5min后的辐射上升值。最后两部分辐射值相加就得到了预测辐射值。两组方程求解的迭代精度均为默认精度0.001。

对不同雨强进行实验分析，监测数据来自环保部浙江电离辐射监测中心设在秦山核电站的监测站，为从2014年1月到2014年8月的γ辐射剂量率(nGy/h)与降雨量(mm/h)数据，雨量选择按照国标《降水等级》GB/T 28592—2012中规定的小雨、中雨、大雨、暴雨，经数据筛选得到了共189场降雨事件，用随机抽样得到的部分数据对参数Г进行估计，再对剩余样本进行降雨沉降与土壤含水率变化的模拟，并利用最终剂量率公式计算出预测γ辐射剂量率。

Claims (2)

1.一种基于放射性元素沉降模型的降雨时地表γ辐射剂量率的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立降雨时地表γ辐射剂量率模拟模型，过程如下：

1.1)建立土壤水分一维非饱和流动方程：

其中，θ表示土壤体积含水率，t表示时间，z表示土壤深度，D(θ)与K(θ)分别表示非饱和土壤水扩散率与导水率；

本底辐射值函数：

其中，X表示γ辐射吸收剂量率，C_Ra、C_Th、C_K分别表示土壤中²²⁶Ra、²³²Th、⁴⁰K的含量，a，b，c为拟合系数；

1.2)建立放射性元素沉降方程：

对于²¹⁸Po，

dC_Po-a＝(-ΛC_Po-a+λ_RnC_Rn-λ_PoC_Po-a)dt

dC_Po-e＝(ΛC_Po-a-λ_PoC_Po-e)dt

对于²¹⁴Pb，

dC_Pb-a＝(-ΛC_Pb-a+λ_RnC_Rn-λ_PbC_Pb-a)dt

dC_Pb-e＝(ΛC_Pb-a+λ_PoC_Po-e-λ_PbC_Pb-e)dt

对于²¹⁴Bi，

dC_Bi-a＝(-ΛC_Bi-a+λ_RnC_Rn-λ_BiC_Bi-a)dt

dC_Bi-e＝(ΛC_Bi-a+λ_PbC_Pb-e-λ_BiC_Bi-e)dt

其中，记单位面积空气柱中及对应单位面积地面的²¹⁸Po、²¹⁴Pb、²¹⁴Bi、²²²Rn的总量之和分别为C_Po、C_Pb、C_Bi、C_Rn，降雨区域单位面积空气柱中²¹⁸Po、²¹⁴Pb、²¹⁴Bi总量分别为C_Po-a、C_Pb-a、C_Bi-a，对应单位面积地面的²¹⁸Po、²¹⁴Pb、²¹⁴Bi的总量分别为C_Po-e、C_Pb-e、C_Bi-e，²¹⁸Po、²¹⁴Pb、²¹⁴Bi、²²²Rn的衰变常数分别为λ_Pb、λ_Pb、λ_Pb、λ_Rn；

致剂量函数：

其中，Y表示监测仪器探测到的吸收剂量率，L表示积分区域的半径，E_Bi，E_Pb表示²¹⁴Bi，²¹⁴Pb的加权能量，A_Bi，A_Pb表示地面²¹⁴Bi，²¹⁴Pb的面比活度，μ_en/ρ表示吸收点的质能吸收系数，h表示监测仪器离地高度；

2)输入降雨量数据以及土壤初始含水率，通过土壤水分一维非饱和流动方程得到降雨时各个时刻的土壤含水率，再将含水率代入到本底模型中求得本底辐射值；

输入降雨量数据模拟出放射性元素沉降到地面的活度，再由放射性活度根据制剂量模型得到地表γ辐射剂量率上升值；

本底辐射值和地表γ辐射剂量率上升值相加，得到地表γ辐射剂量率预测数据。

2.如权利要求1所述的基于放射性元素沉降模型的降雨时地表γ辐射剂量率的计算方法，其特征在于，所述步骤1)的一维非饱和流动方程与步骤2)的放射性元素沉降方程中，以降雨量数据采样的时间间隔为分段单位在时间上分段求解，即除0～5min初始值采用给定值，其后每段的初始值都采取上一段的最终值。

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