耦合SWAT模型与质量平衡方程模拟铯-137在集水区土壤-河流迁移过程及空间分布规律

《Journal of Environmental Sciences》：Soil-to-river Cesium-137 transfer in a catchment coupling the SWAT model and a mass balance equation

本研究针对核事故后环境中持久性放射性核素铯-137（137Cs）的迁移预测需求，通过耦合SWAT水文模型与痕量金属迁移方程，首次在法国阿尔代什流域（2138 km2）实现了137Cs在悬浮沉积物中日均浓度的动态模拟。研究基于土壤采样数据估算流域137Cs库存量为7.7 TBq，揭示83%的137Cs以颗粒态迁移，且75%的年通量集中发生于前10%高流量日。模型结果显示流域土壤年均侵蚀263.0 GBq 137Cs，而河流出口年输出仅1.62 GBq，表明绝大部分核素滞留于河床及洪泛区。该研究为评估历史核沉降的长期环境行为提供了空间显式建模框架。

　　

核能作为清洁能源在应对气候变化中扮演重要角色，但核事故与大气核试验释放的放射性核素对生态环境的长期影响不容忽视。其中，铯-137（¹³⁷Cs）因其30.1年的半衰期和易被土壤颗粒吸附的特性，成为环境中持久性污染的代表。切尔诺贝利和福岛核事故后，大量¹³⁷Cs通过大气沉降进入地表，虽经数十年衰变，仍主要富集于土壤表层，并通过侵蚀作用持续向水体迁移。准确预测¹³⁷Cs从集水区土壤向河流的迁移通量，对评估放射性风险、指导土地管理和保护水资源安全具有紧迫意义。然而，现有模型多侧重于水文过程或单纯的经验公式，缺乏对核素在多相介质（土壤-水体-沉积物）中迁移转化的系统集成描述，尤其在复杂地形和异质土地利用的流域尺度，动态模拟能力有限。

为突破这一瓶颈，由Fran?ois Guillory、Hugo Lepage等来自法国核安全与辐射防护管理局（Nuclear Safety and Radiation Protection Authority）的研究团队，在《Journal of Environmental Sciences》发表论文，创新性地将水文-侵蚀模型SWAT（Soil and Water Assessment Tool）与¹³⁷Cs特异性质量平衡方程耦合，以法国阿尔代什流域（2138 km²）为研究对象，模拟了2016–2022年间¹³⁷Cs在悬浮沉积物中的日浓度变化及空间输移规律。该流域受切尔诺贝利沉降影响，且地貌、土壤和土地利用类型多样，为验证模型在非核设施区域的适用性提供了理想场所。

研究团队运用了多项关键技术方法：首先基于高分辨率DEM（数字高程模型）、土壤数据库（European Soil Database）和土地利用数据（Corine Land Cover）构建SWAT模型，并利用法国气象网格数据（SAFRAN）和10个水文站实测流量进行水文校准；其次通过野外土壤采样（31个点，分0–5 cm、5–15 cm、15–30 cm三层）测定¹³⁷Cs质量活度，结合逆距离加权插值空间化初始污染分布；进而采用Kodoatie方程和Tomczak的颗粒分馏模型，引入分布系数Kd（设定为68,000 L/kg）和反应层厚度（1 μm）参数，计算¹³⁷Cs在颗粒相与溶解相间的分配；最后利用Rh?ne沉积物观测站的悬浮沉积物浓度（SSC）和¹³⁷Cs实测数据对模型输出进行验证。

3.1. 土壤质量活度

通过2022年土壤采样 campaign，研究发现不同土地利用类型下¹³⁷Cs表层（0–5 cm）浓度差异显著：耕地平均为10.4 Bq/kg，未扰动土地为50.8 Bq/kg，林地最高达65.3 Bq/kg。基于空间插值，流域土壤¹³⁷Cs库存量在2016年初估算为7.7 TBq，西部山区因降雨充沛、地形陡峭呈现更高异质性，而东部农耕区因耕作混合作用浓度较低且均匀。

3.2. 流量、悬浮沉积物及铯-137浓度模拟

SWAT模型在流域出口的日流量模拟表现良好（R²=0.87, NSE=0.87），但悬浮沉积物浓度（SSC）的验证受限于观测数据覆盖度（95%数据为低流量期），统计指标不理想（R²=0.013, NSE=-3.23）。模型显示黏粒占沉积物总输运量的93%，与实测D50（中值粒径26.3 μm）偏粗的差异源于采样陷阱对细颗粒捕获效率不足。年均土壤侵蚀量达8.0×10⁶ t，但沉积物输移比（SDR）仅0.45%，反映大部分物质在流域内滞留。

3.2.4. 铯-137浓度模拟与通量估算

模型输出的颗粒态¹³⁷Cs日浓度最高达43.0 Bq/kg，月均模拟值（9.0 Bq/kg）与观测值趋势一致但峰值偏高。七年模拟期内，流域出口总¹³⁷Cs通量为11.1 GBq，其中颗粒相占比83%，溶解相浓度均值为1.4×10^?4 Bq/L。关键发现是75%的¹³⁷Cs输出发生于流量前10%的洪水日，凸显极端水文事件的主导作用。流域年均侵蚀¹³⁷Cs达263.0 GBq，但仅0.02%的土壤库存通过河流输出，绝大多数核素在河床或洪泛区沉积。

3.2.7. 空间化输出

空间分析表明，西北部山区子流域贡献了主要侵蚀量和河道内存储量（七年累计1.7 TBq），而洪泛区沉积仅14.6 GBq。模型揭示了流域作为“存储主导系统”的特征，即侵蚀物质大部分在内部循环而非输出。

研究结论强调，耦合SWAT与¹³⁷Cs质量平衡模型能有效捕捉核素在复杂流域中的迁移时空格局，尽管观测数据局限导致定量验证存在不确定性，但模型在揭示洪水事件驱动、颗粒相主导的迁移机制方面具有稳健性。该框架为评估历史放射性沉降的长期环境归趋提供了可扩展的工具，尤其对无核设施流域中背景值污染的动态预测有重要应用价值。未来可通过结合原位示踪、高频率监测和生物地球化学过程模块，进一步提升对核素界面行为的模拟精度。