福岛氚排放的三维时空模拟研究：海洋放射性核素扩散机制与生态风险评估

《Ocean Modelling》：Three-dimensional spatiotemporal simulation of tritium discharge from Fukushima

本研究针对日本福岛ALPS处理水排海计划，开发了新型三维扩散模型，模拟氚在太平洋中长期输运规律。结果显示氚主要沿35°N纬度带向东扩散，10年后北美沿岸浓度反超东亚，但所有海域浓度（~0.01 Bq/m3）均远低于自然本底值（~50 Bq/m3），为海洋核应急响应提供了量化依据。

　　

自2023年8月24日起，日本福岛第一核电站开始将经过多核素处理系统（Advanced Liquid Processing System, ALPS）处理的核污染水排入太平洋，这一行动引发全球对海洋生态环境和人类健康风险的广泛关注。这些处理水中含有难以去除的放射性氢同位素——氚（tritium），其半衰期约12.43年，以氚水（HTO）形式存在，能够随海洋环流进行长距离迁移。尽管东京电力公司（TEPCO）声称将氚浓度稀释至1500 Bq/L以下排放，但科学家们对放射性核素在海洋食物网中的生物富集效应及其长期生态影响仍存担忧。

在此背景下，清华大学深圳国际研究生院海洋工程研究所的研究团队在《Ocean Modelling》发表了创新性研究，通过建立高精度三维扩散模型，首次实现了对福岛氚排放的十年期时空演化模拟。该研究不仅揭示了氚在太平洋的输运路径和分布规律，更针对全球主要渔场进行了精细化风险评估，为科学应对海洋核污染事件提供了重要技术支撑。

研究团队采用欧拉方法构建三维扩散方程，整合平流、扩散和衰变过程，运用Smagorinsky方案计算水平扩散系数，采用Pacanowski-Philander参数化方案处理垂直混合。模型利用ECCO2再分析海洋数据驱动，空间分辨率达0.25°，垂直分为20层，成功捕捉到氚在海洋中的复杂输运机制。

扩散特性分析

通过Smagorinsky模型计算显示，水平扩散系数范围为1-1000 m²/s，垂直扩散系数为10^-5-10^-2 m²/s。黑潮与亲潮交汇区的强流场导致水平扩散系数显著增强，而垂直扩散系数在表层混合层较高，在温跃层急剧降低。这种非均匀扩散特性直接影响氚的三维分布格局。

表面浓度时空演化

模拟结果表明，氚羽流首先沿福岛沿岸流向北扩散，随后受黑潮延伸体主导向东输送。第一年抵达国际日期变更线，第四年覆盖整个西北太平洋，第五年到达北美西海岸。值得注意的是，十年后东北太平洋出现局部浓度高值区，反超西北太平洋浓度。这种"东高西低"的分布模式与早期二维模拟结果存在显著差异。

垂直分布特征

氚浓度随深度增加呈指数衰减，但在某些海区次表层（约50米）出现浓度极大值。这种现象与海洋层结和垂直混合过程密切相关，表明三维模拟对准确评估生物暴露风险至关重要。

特征浓度分析

研究提出"特征浓度"概念，即排放达到稳态时的浓度分布。模拟显示各海域达到特征浓度的时间存在差异：西北太平洋需3-4年，而东北太平洋需8-10年。特征浓度空间分布显示，北海道渔场浓度最高（0.093 Bq/m³），夏威夷（0.056 Bq/m³）和加利福尼亚（0.048 Bq/m³）次之，舟山渔场浓度最低（0.007 Bq/m³）。

讨论

与团队2021年的二维模拟相比，本次三维模型考虑了垂直扩散和非恒定扩散系数，更真实地反映了海洋动力过程。尽管模拟显示所有海域氚浓度均低于本底值2-3个数量级，但研究者强调需关注低浓度长期暴露效应和生物累积潜力。模型对海洋环流变化的敏感性分析表明，黑潮路径的年际变异会显著影响氚的输运路径。

结论

本研究开发的的三维扩散模型成功揭示了福岛氚排放的宏观扩散规律，证实ALPS处理水在计划排放情景下不会造成放射性水平超标。模型具备处理突发性核泄漏事件的能力，为海洋环境保护和渔业安全管理提供了科学工具。后续研究将聚焦于放射性核素在海洋食物网中的转移机制，以及多核素协同效应的综合风险评估。

这项研究不仅为当前福岛核污染水排海争议提供了科学数据支撑，更建立了海洋放射性物质输运模拟的技术范式，对完善全球海洋核应急响应体系具有重要实践意义。随着ALPS处理水排放计划的持续推进，这种长期、动态的监测模拟方法将为跨国界海洋环境治理提供关键技术支持。