CN113609654B - 一种鱼类对水中核素平衡状态浓集系数的估算方法及系统 - Google Patents

一种鱼类对水中核素平衡状态浓集系数的估算方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种鱼类对水中核素平衡状态浓集系数的估算方法及系统，方法包括：S100、基于鱼类生活特性以及放射性核素在生物体内的累积特性，将鱼各组织部位按照核素转移累积速度不同分为快速项和缓慢项，建立放射性核素在鱼体内与水环境之间的动态转移模型；S200、将动态转移模型代入平衡状态浓集系数的定义方程，求解得到鱼类对水中放射性核素的平衡状态下的浓集系数值。本发明不仅可通过短期实验获得参数后推算得出平衡状态浓集系数值，还可用于对以往实验数据进行优化，计算得到的平衡状态下的浓集系数更贴近实际应用情况，降低了参数值的不确定性。

Description

一种鱼类对水中核素平衡状态浓集系数的估算方法及系统
技术领域
本发明涉及核设施环境影响评价领域，具体涉及一种鱼类对水中核素平衡状态浓集系数的估算方法及系统。
背景技术
核能的发展为我们提供了清洁高效的能源，核技术的应用为我们的生活、医疗带来便利，随着核能的开发利用以及人们环保意识的提高，人们对核设施的环境影响评价及非人类物种的辐射防护与保护工作提出新的要求。2003年ICRP 91号报告确定了非人类生物的放射性防护体系需要与人类的放射性防护原则相协调的基本思想，2007年ICRP 103号报告正式将环境保护纳入了ICRP的防护体系。在我国环境影响评价工作中，明确要求分析和评价核设施流出物对非人类物种所致的辐射影响。
生物对于放射性核素的浓集系数(CR)是用来衡量生物对于环境中的放射性核素浓集能力的重要参数，广泛应用于核环境影响评价中食物链途径的公众剂量估算以及非人类物种的生态影响研究工作。然而由于放射性核素在生物与环境之间的转移达到动态平衡状态是一个复杂且漫长的过程，获取平衡状态的浓集系数值通常需要耗费大量的实验时间及成本，现有实验室获取的浓集系数参数值大多为给定条件下生物与环境介质未达到动态平衡时的核素浓度比值，直接将这些参数作为浓集系数使用将会给计算结果带来很大的不确定性，将会影响核设施环境影响评价及食物链途径的公众剂量估算结果的准确性。
数值模拟是评估放射性核素对环境影响的重要手段，目前国际上评估放射性对于生物与环境影响的常用工具有ERICA、R&D、RESRAD-BIOTA等。在这些模型中，浓集系数是一个非常重要的参数，应用广泛。但是由于浓集系数参数值来源途径不同以及影响因素众多，导致现有参数仍存在很多问题。
1、参数值缺乏。由于核素与生物的不同组合以及不同环境影响因素等原因，目前获取的核素浓度比参数数据有限，仅能使用数理统计方法对已有同类参数进行处理，给出一定参考范围及最大值、最小值。IAEA No.479号报告给出参数值不包含放射性核素活度浓度，转移途径，转移率，生物生理差异等方面信息，给出的最大(小)值并非单个最大(小)测量值，而是单个文献内最大(小)平均值。
2、核素浓度比值是否为平衡状态下的参数值。现有模型中大多假设放射性核素活度浓度在生物与其生活的环境介质之间达到了动态平衡状态。然而实际情况下，由于放射性污染物进入环境后被迅速稀释以及放射性污染物半衰期相较水生生物寿命而言很长，环境中的放射性物质的活度浓度很难与生物体内放射性物质活度浓度达到动态平衡状态。IAEA报告内数据不使用实验室实验获取的数据，因为实验室内实验周期普遍较短，很难保证生物与环境之间达到了动态平衡状态，默认使用的现场数据已是平衡状态下的浓集参数值。
3、参数适用性问题。平衡状态下的浓集系数值适用于慢性照射、核设施常规稳态排放情况下的估算，对于事故状态及瞬时排放工况，应使用相应的动态模型获取对应条件下的核素浓度比值。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种鱼类对水中核素平衡状态浓集系数的估算方法及系统，不仅可通过短期实验获得参数后推算得出平衡状态浓集系数值，还可用于对以往实验数据进行优化，计算得到的平衡状态下的浓集系数更贴近实际应用情况，降低了参数值的不确定性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种鱼类对水中核素平衡状态浓集系数的估算方法，包括：
S100、基于鱼类生活特性以及放射性核素在生物体内的累积特性，将鱼各组织部位按照核素转移累积速度不同分为快速项和缓慢项，建立放射性核素在鱼体内与水环境之间的动态转移模型；
S200、将所述动态转移模型代入平衡状态浓集系数的定义方程，求解得到鱼类对水中放射性核素的平衡状态下的浓集系数值。
进一步，如上所述的方法，S100包括：
通过调研获取鱼类生活特性以及放射性核素在生物体内的累积特性，所述鱼类生活特性包括鱼类食性、鱼类栖息条件，所述放射性核素在生物体内的累积特性包括生物体各组织部位对放射性核素的累积规律、水体内放射性核素的消长特性。
进一步，如上所述的方法，S100包括：
放射性核素进入鱼体的方式主要分为两种，一种是吸附作用，主要发生在鱼的与水环境密切联系的组织部位，这部分核素是可以被生物快速累积和排出的；另一种是通过鱼的代谢吸收转移至其他组织部分，这部分核素需要通过生理代谢过程排除体外，会在鱼体内长时间滞留；由于这两种不同途径积累的核素的生物半排期差别很大，因此将其分为快速项和缓慢项计入所述动态转移模型计算。
进一步，如上所述的方法，将鱼划分为鱼肉部分、鱼骨部分及鱼其他部分三个部分；所述快速项包括鱼其他部分，即鱼鳍、鱼鳞、鱼皮、内脏团及鱼头；所述缓慢项包括鱼肉部分和鱼骨部分。
进一步，如上所述的方法，所述动态转移模型各项内放射性物质总量由三个线性非齐次方程表征：
其中，模型的初始条件为：qj1(t＝0)＝q1，qj2(t＝0)＝0，qj3(t＝0)＝0，qA(t)＝qj2(t)+qj3(t)；qi(t)(i＝1-3，i＝1，水项；i＝2，快速项；i＝3，缓慢项)表示各项所含放射性核素j的量；kij表示各项之间的转移系数；λ为放射性核素的物理半衰期；
所述动态转移模型各项的核素活度浓度为各项核素累积量与各项质量之比，最终推导得出动态平衡状态下浓集系数与各项的核素活度浓度的关系如下：
其中，Cji(t)(i＝1-3，i＝1，水项，i＝2，快速项，i＝3，缓慢项)表示各项所含放射性核素j的浓度与时间变化的关系；CB(t)表示鱼类整体对核素j的浓度随时间变化的关系，CR表示鱼类对水中放射性核素j的平衡状态下的浓集系数值；
基于公式(1)-(3)，求解得到所述动态转移模型各项的核素活度浓度；
将所述动态转移模型各项的核素活度浓度代入公式(4)-(6)，求解得到鱼类对水中放射性核素的平衡状态下的浓集系数值。
一种鱼类对水中核素平衡状态浓集系数的估算系统，包括：
建立模块，用于基于鱼类生活特性以及放射性核素在生物体内的累积特性，将鱼各组织部位按照核素转移累积速度不同分为快速项和缓慢项，建立放射性核素在鱼体内与水环境之间的动态转移模型；
估算模块，用于将所述动态转移模型代入平衡状态浓集系数的定义方程，求解得到鱼类对水中放射性核素的平衡状态下的浓集系数值。
进一步，如上所述的系统，所述建立模块具体用于：
通过调研获取鱼类生活特性以及放射性核素在生物体内的累积特性，所述鱼类生活特性包括鱼类食性、鱼类栖息条件，所述放射性核素在生物体内的累积特性包括生物体各组织部位对放射性核素的累积规律、水体内放射性核素的消长特性。
进一步，如上所述的方法，所述建立模块具体用于：
放射性核素进入鱼体的方式主要分为两种，一种是吸附作用，主要发生在鱼的与水环境密切联系的组织部位，这部分核素是可以被生物快速累积和排出的；另一种是通过鱼的代谢吸收转移至其他组织部分，这部分核素需要通过生理代谢过程排除体外，会在鱼体内长时间滞留；由于这两种不同途径积累的核素的生物半排期差别很大，因此将其分为快速项和缓慢项计入所述动态转移模型计算。
进一步，如上所述的方法，将鱼划分为鱼肉部分、鱼骨部分及鱼其他部分三个部分；所述快速项包括鱼其他部分，即鱼鳍、鱼鳞、鱼皮、内脏团及鱼头；所述缓慢项包括鱼肉部分和鱼骨部分。
进一步，如上所述的方法，所述动态转移模型各项内放射性物质总量由三个线性非齐次方程表征：
其中，模型的初始条件为：qj1(t＝0)＝q1，qj2(t＝0)＝0，qj3(t＝0)＝0，qA(t)＝qj2(t)+qj3(t)；qi(t)(i＝1-3，i＝1，水项；i＝2，快速项；i＝3，缓慢项)表示各项所含放射性核素j的量；kij表示各项之间的转移系数；λ为放射性核素的物理半衰期；
所述动态转移模型各项的核素活度浓度为各项核素累积量与各项质量之比，最终推导得出动态平衡状态下浓集系数与各项的核素活度浓度的关系如下：
其中，Cji(t)(i＝1-3，i＝1，水项，i＝2，快速项，i＝3，缓慢项)表示各项所含放射性核素j的浓度与时间变化的关系；CB(t)表示鱼类整体对核素j的浓度随时间变化的关系，CR表示鱼类对水中放射性核素j的平衡状态下的浓集系数值；
基于公式(1)-(3)，求解得到所述动态转移模型各项的核素活度浓度；
将所述动态转移模型各项的核素活度浓度代入公式(4)-(6)，求解得到鱼类对水中放射性核素的平衡状态下的浓集系数值。
本发明的有益效果在于：本发明综合考虑鱼类生活特性以及核素在生物体内的累积特性，建模时将鱼各组织部位按照核素转移累积速度不同分为快速项及缓慢相，更接近核素在鱼体内的实际累积情况且适当简化了建模计算，更加合理，计算出的浓集系数更接近实际情况。本发明不仅可通过短期实验获得参数后推算得出平衡状态浓集系数值，还可用于对以往实验数据进行优化，计算得到的平衡状态下的浓集系数更贴近实际应用情况，降低了参数值的不确定性。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的一种鱼类对水中核素平衡状态浓集系数的估算方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中提供的一种鱼类对水中核素平衡状态浓集系数的估算方法的流程框架图；
图3为本发明实施例中提供的动态转移模型简化示意图；
图4为本发明实施例中提供的一种鱼类对水中核素平衡状态浓集系数的估算系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述。
本发明实施例提供了一种鱼类对水中核素平衡状态浓集系数的估算方法，如图1所示，该方法包括：
S100、基于鱼类生活特性以及放射性核素在生物体内的累积特性，将鱼各组织部位按照核素转移累积速度不同分为快速项和缓慢项，建立放射性核素在鱼体内与水环境之间的动态转移模型；
如图2所示，通过调研获取鱼类生活特性以及放射性核素在生物体内的累积特性，所述鱼类生活特性包括鱼类食性、鱼类栖息条件，所述放射性核素在生物体内的累积特性包括生物体各组织部位对放射性核素的累积规律、水体内放射性核素的消长特性。
放射性核素进入鱼体的方式主要分为两种，一种是吸附作用，主要发生在鱼的与水环境密切联系的组织部位，这部分核素是可以被生物快速累积和排出的；另一种是通过鱼的代谢吸收转移至其他组织部分，这部分核素需要通过生理代谢过程排除体外，会在鱼体内长时间滞留；由于这两种不同途径积累的核素的生物半排期差别很大，因此将其分为快速项和缓慢项计入所述动态转移模型计算。结合90Sr、137Cs的生态转移特性，本发明将鲫鱼与水环境简化为三相模型，将鲫鱼划分为鱼肉部分、鱼骨部分及鱼其他三个部分，模型主要分为快速相-鱼其他部分(包括鱼鳍、鱼鳞、鱼皮、内脏团及鱼头)、缓慢相(鱼肉和鱼骨部分)以及水相。具体模型简化示意图如图3所示。
模型中假定物质在各项之间的转移规律遵从简单一阶动力学规律。各项所含放射性核素(j＝1，90Sr；j＝2，137Cs)的量由qi(t)(i＝1-3，i＝1，水相；i＝2，快速相；i＝3，缓慢相)表示；各项之间的转移系数由kij；λ为放射性核素的物理半衰期。由于本实验所用核素半衰期远大于生物实验时间，且生物体内放射性核素的量远小于水体内放射性核素的量，所以可以忽略核素物理衰变过程对核素在各项间转移的影响。
S200、将动态转移模型代入平衡状态浓集系数的定义方程，求解得到鱼类对水中放射性核素的平衡状态下的浓集系数值。
放射性核素在不同组分之间循环过程抽象成如图3模型，最终模型各项内放射性物质总量由三个线性非齐次方程表征：
其中，模型的初始条件为：qj1(t＝0)＝q1，qj2(t＝0)＝0，qj3(t＝0)＝0，qA(t)＝qj2(t)+qj3(t)；qi(t)(i＝1-3，i＝1，水项；i＝2，快速项；i＝3，缓慢项)表示各项所含放射性核素j的量；kij表示各项之间的转移系数；λ为放射性核素的物理半衰期；
所述动态转移模型各项的核素活度浓度为各项核素累积量与各项质量之比，最终推导得出动态平衡状态下浓集系数与各项的核素活度浓度的关系如下：
其中，Cji(t)(i＝1-3，i＝1，水项，i＝2，快速项，i＝3，缓慢项)表示各项所含放射性核素j的浓度与时间变化的关系；CB(t)表示鱼类整体对核素j的浓度随时间变化的关系，CR表示鱼类对水中放射性核素j的平衡状态下的浓集系数值；
基于公式(1)-(3)，求解得到所述动态转移模型各项的核素活度浓度；
将所述动态转移模型各项的核素活度浓度代入公式(4)-(6)，求解得到鱼类对水中放射性核素的平衡状态下的浓集系数值。
本发明通过调研了解需要获取浓集参数的鱼类及核素的相关特性信息，结合已有实验数据或设计进行短期实验获取一定量的相关数据，基于同位素示踪技术建立库室模型，模拟核素在水体及鱼类不同组织部位划分而成的库室中的迁移、消长和分配动态规律，得到动态方程即动态转移模型；最终将动态方程代入平衡状态浓集系数的定义方程，求解除鱼类对水中核素的平衡状态下的浓集系数值。
采用本发明实施例的方法，综合考虑鱼类生活特性以及核素在生物体内的累积特性，建模时将鱼各组织部位按照核素转移累积速度不同分为快速项及缓慢相，更接近核素在鱼体内的实际累积情况且适当简化了建模计算，更加合理，计算出的浓集系数更接近实际情况。本发明不仅可通过短期实验获得参数后推算得出平衡状态浓集系数值，还可用于对以往实验数据进行优化，计算得到的平衡状态下的浓集系数更贴近实际应用情况，降低了参数值的不确定性，对核环境影响评价及非人类物种剂量评估与保护工作具有重要参考价值。
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。
根据本发明实施例的另一个方面，还提供了一种鱼类对水中核素平衡状态浓集系数的估算系统，如图4所示，包括：
建立模块100，用于基于鱼类生活特性以及放射性核素在生物体内的累积特性，将鱼各组织部位按照核素转移累积速度不同分为快速项和缓慢项，建立放射性核素在鱼体内与水环境之间的动态转移模型；
估算模块200，用于将所述动态转移模型代入平衡状态浓集系数的定义方程，求解得到鱼类对水中放射性核素的平衡状态下的浓集系数值。
采用本发明实施例的系统，综合考虑鱼类生活特性以及核素在生物体内的累积特性，建模时将鱼各组织部位按照核素转移累积速度不同分为快速项及缓慢相，更接近核素在鱼体内的实际累积情况且适当简化了建模计算，更加合理，计算出的浓集系数更接近实际情况。本发明不仅可通过短期实验获得参数后推算得出平衡状态浓集系数值，还可用于对以往实验数据进行优化，计算得到的平衡状态下的浓集系数更贴近实际应用情况，降低了参数值的不确定性，对核环境影响评价及非人类物种剂量评估与保护工作具有重要参考价值。
需要说明的是，本发明的一种鱼类对水中核素平衡状态浓集系数的估算系统与前述的一种鱼类对水中核素平衡状态浓集系数的估算方法属于同一发明构思，具体实施方式不再赘述。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种鱼类对水中核素平衡状态浓集系数的估算方法，其特征在于，包括：
S100、基于鱼类生活特性以及放射性核素在生物体内的累积特性，将鱼各组织部位按照核素转移累积速度不同分为快速项和缓慢项，建立放射性核素在鱼体内与水环境之间的动态转移模型；
S200、将所述动态转移模型代入平衡状态浓集系数的定义方程，求解得到鱼类对水中放射性核素的平衡状态下的浓集系数值；
S100包括：
通过调研获取鱼类生活特性以及放射性核素在生物体内的累积特性，所述鱼类生活特性包括鱼类食性、鱼类栖息条件，所述放射性核素在生物体内的累积特性包括生物体各组织部位对放射性核素的累积规律、水体内放射性核素的消长特性；
所述动态转移模型各项内放射性物质总量随时间变化规律由三个线性非齐次方程表征：
其中，模型的初始条件为：qj1(t＝0)＝q1，qj2(t＝0)＝0，qj3(t＝0)＝0，qA(t)＝qj2(t)+qj3(t)；qi(t)表示各项所含放射性核素j的量，i＝1-3，i＝1，水项；i＝2，快速项；i＝3，缓慢项；kij表示各项之间的转移系数；λ为放射性核素的物理半衰期；
所述动态转移模型各项的核素活度浓度为各项核素累积量与各项质量之比，最终推导得出动态平衡状态下浓集系数与各项的核素活度浓度的关系如下：
其中，Cji(t)表示各项所含放射性核素j的浓度与时间变化的关系，i＝1-3，i＝1，水项，i＝2，快速项，i＝3，缓慢项；CB(t)表示鱼类整体对核素j的浓度随时间变化的关系，CR表示鱼类对水中放射性核素j的平衡状态下的浓集系数值；
基于公式(1)-(3)，求解得到所述动态转移模型各项的核素活度浓度；
将所述动态转移模型各项的核素活度浓度代入公式(4)-(6)，求解得到鱼类对水中放射性核素的平衡状态下的浓集系数值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S100包括：
放射性核素进入鱼体的方式分为两种，一种是吸附作用，发生在鱼的与水环境密切联系的组织部位，这部分核素是可以被生物快速累积和排出的；另一种是通过鱼的代谢吸收转移至其他组织部分，这部分核素需要通过生理代谢过程排除体外，会在鱼体内长时间滞留；由于这两种不同途径积累的核素的生物半排期差别很大，因此将其分为快速项和缓慢项计入所述动态转移模型计算。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将鱼划分为鱼肉部分、鱼骨部分及鱼其他部分三个部分；所述快速项包括鱼其他部分，即鱼鳍、鱼鳞、鱼皮、内脏团及鱼头；所述缓慢项包括鱼肉部分和鱼骨部分。
4.一种鱼类对水中核素平衡状态浓集系数的估算系统，其特征在于，包括：
建立模块，用于基于鱼类生活特性以及放射性核素在生物体内的累积特性，将鱼各组织部位按照核素转移累积速度不同分为快速项和缓慢项，建立放射性核素在鱼体内与水环境之间的动态转移模型；
估算模块，用于将所述动态转移模型代入平衡状态浓集系数的定义方程，求解得到鱼类对水中放射性核素的平衡状态下的浓集系数值；
所述建立模块具体用于：
通过调研获取鱼类生活特性以及放射性核素在生物体内的累积特性，所述鱼类生活特性包括鱼类食性、鱼类栖息条件，所述放射性核素在生物体内的累积特性包括生物体各组织部位对放射性核素的累积规律、水体内放射性核素的消长特性；
所述动态转移模型各项内放射性物质总量由三个线性非齐次方程表征：
其中，模型的初始条件为：qj1(t＝0)＝q1，qj2(t＝0)＝0，qj3(t＝0)＝0，qA(t)＝qj2(t)+qj3(t)；qi(t)表示各项所含放射性核素j的量，i＝1-3，i＝1，水项；i＝2，快速项；i＝3，缓慢项；kij表示各项之间的转移系数；λ为放射性核素的物理半衰期；
所述动态转移模型各项的核素活度浓度为各项核素累积量与各项质量之比，最终推导得出动态平衡状态下浓集系数与各项的核素活度浓度的关系如下：
其中，Cji(t)表示各项所含放射性核素j的浓度与时间变化的关系，i＝1-3，i＝1，水项，i＝2，快速项，i＝3，缓慢项；CB(t)表示鱼类整体对核素j的浓度随时间变化的关系，CR表示鱼类对水中放射性核素j的平衡状态下的浓集系数值；
基于公式(1)-(3)，求解得到所述动态转移模型各项的核素活度浓度；
将所述动态转移模型各项的核素活度浓度代入公式(4)-(6)，求解得到鱼类对水中放射性核素的平衡状态下的浓集系数值。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述建立模块具体用于：
放射性核素进入鱼体的方式分为两种，一种是吸附作用，发生在鱼的与水环境密切联系的组织部位，这部分核素是可以被生物快速累积和排出的；另一种是通过鱼的代谢吸收转移至其他组织部分，这部分核素需要通过生理代谢过程排除体外，会在鱼体内长时间滞留；由于这两种不同途径积累的核素的生物半排期差别很大，因此将其分为快速项和缓慢项计入所述动态转移模型计算。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，将鱼划分为鱼肉部分、鱼骨部分及鱼其他部分三个部分；所述快速项包括鱼其他部分，即鱼鳍、鱼鳞、鱼皮、内脏团及鱼头；所述缓慢项包括鱼肉部分和鱼骨部分。
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