水库湖泊中137Cs 动态对温度及天气条件的响应研究 —— 以受福岛核事故影响的 dams 为例

为探究水库湖泊对下游河流系统中137Cs 动态的影响，研究人员对受福岛核事故影响的 Matsugabo 坝和 Yokokawa 坝开展十年观测。发现溶解137Cs 浓度具季节性波动，台风等极端天气会改变其平衡，水位管理可缓解浓度升高，为核污染区环境管理提供参考。

　　

论文解读

研究背景

在核事故影响区域，放射性铯（如¹³⁷Cs）在水环境中的迁移转化一直是环境科学与健康医学领域的重要课题。自 1986 年切尔诺贝利核事故和 2011 年日本福岛第一核电站事故以来，放射性污染物在湖泊、河流等水生系统中的行为备受关注。水库湖泊作为河流系统中的重要节点，其对¹³⁷Cs 的吸附、解吸、沉积和再释放过程，会显著影响下游水体的放射性水平。然而，目前关于水库湖泊中¹³⁷Cs 动态对温度变化和极端天气事件（如台风、干旱）的响应机制尚不明确。例如，水温的季节性波动如何影响¹³⁷Cs 在固液两相之间的分配？台风带来的强降雨引发的流域侵蚀，是否会改变水库中¹³⁷Cs 的平衡？在气候变化背景下，极端天气事件频发，明确这些问题对于核污染区域的环境管理和放射性风险防控至关重要。

为了填补这一研究空白，日本相关研究机构的研究人员针对受福岛核事故影响的 Matsugabo 坝（位于 Uda 河）和 Yokokawa 坝（位于 Ota 河）开展了长达 10 年（2013-2023 年）的观测研究。该研究成果发表在《Environmental Pollution》上，为理解水库湖泊中¹³⁷Cs 的环境行为提供了重要数据支撑和理论依据。

主要研究方法

研究人员每月对两座大坝的入流和出流水体进行采样，主要开展了以下工作：

1. 水样采集与处理：使用特定泵和过滤装置收集水样，通过 1-μm 孔径滤膜分离悬浮固体（SS），并利用浸渍亚铁氰化物的无纺布吸附溶解态¹³⁷Cs。
2. 放射性测量：采用同轴高纯锗探测器测定滤膜中的¹³⁷Cs 放射性，并进行衰变校正和几何校正。
3. 水质参数分析：测定水温、pH、电导率等常规水质参数，以及主要阴、阳离子浓度（如 NH₄⁺、K⁺、Cl^-等）。
4. 数据分析：运用指数方程拟合¹³⁷Cs 浓度的年际变化，通过结构变化分析识别数据中的突变点，利用多元偏回归分析探讨水温、水位等因素对溶解态¹³⁷Cs 浓度的影响。

研究结果

3.1 天气条件与水库水位

• 水库水位呈现季节性波动，与水稻种植周期相关，春季至夏季水位下降，秋季雨季回升。2015、2016 年夏季 Matsugabo 坝水位显著下降，2019、2023 年夏季 Yokokawa 坝水位也出现明显降低。
• 出流水温呈季节性波动，峰值出现在 8 月左右，但溶解态¹³⁷Cs 浓度峰值滞后于水温峰值，Matsugabo 坝滞后 84 天，Yokokawa 坝滞后 18 天。

3.2 大坝出流水中的¹³⁷Cs

• 溶解态¹³⁷Cs：两座大坝出流水中溶解态¹³⁷Cs 浓度在 10 年间呈指数下降趋势。2019 年秋季台风 Hagibis 过后，溶解态¹³⁷Cs 浓度显著降低，Yokokawa 坝水库的角色从¹³⁷Cs 的 “源” 转变为 “汇”，这一状态持续了三年。当水库蓄水量减少时，出流水中溶解态¹³⁷Cs 浓度显著升高。
• 悬浮固体中的¹³⁷Cs：悬浮固体中¹³⁷Cs 浓度也呈指数下降，但未检测到类似溶解态¹³⁷Cs 在 2019 年的明显突变点。Yokokawa 坝出流水中悬浮固体的¹³⁷Cs 浓度显著低于入流，表明水库对悬浮固体中的¹³⁷Cs 有截留作用。

3.3 热力学特性与离子相关性

• 溶解态¹³⁷Cs 浓度与温度的关系无法用范特霍夫方程（van’t Hoff equation）很好拟合，说明溶解态¹³⁷Cs 浓度并非主要由现场固液两相离子交换决定。
• 主要离子中，Cl^-与溶解态¹³⁷Cs 呈负相关，其他离子与¹³⁷Cs 的相关性不显著。

3.4 台风对¹³⁷Cs 动态的影响

• 台风 Hagibis 带来的强降雨引发流域侵蚀，导致大量泥沙进入水库，改变了水库中¹³⁷Cs 的水 - sediment 平衡，促进了溶解态¹³⁷Cs 的吸附，使水库成为¹³⁷Cs 的 “汇”。而较弱的台风（如 2015 年台风 Etau）因侵蚀强度不足，未显著改变¹³⁷Cs 动态。

3.5 水位对¹³⁷Cs 动态的影响

• 多元偏回归分析表明，水位下降对溶解态¹³⁷Cs 浓度升高的影响大于水温升高的影响。维持水库水位可有效缓解出流水中¹³⁷Cs 浓度升高的风险。

研究结论与讨论

本研究通过长期观测，揭示了水库湖泊中¹³⁷Cs 动态对温度和极端天气条件的复杂响应机制：

1. 温度的影响：溶解态¹³⁷Cs 浓度的季节性波动与水温相关，但相位滞后表明其受水流滞留时间和沉积物 - 水交换过程的影响，而非单纯的热力学平衡。
2. 极端天气的影响：台风等强降雨事件通过引发流域侵蚀，增加水库泥沙输入，改变¹³⁷Cs 的固液分配，使水库从 “源” 转变为 “汇”；而干旱导致的水位下降会显著增加溶解态¹³⁷Cs 浓度。
3. 管理启示：水位管理是控制下游水体¹³⁷Cs 负荷的有效手段，在气候变化背景下，需综合考虑温度、降水等因素，优化水库运行策略，以降低放射性污染风险。

该研究不仅深化了对核污染区域水库湖泊中放射性物质迁移转化规律的认识，也为全球类似受核事故影响地区的水环境管理提供了科学依据和实践指导。未来研究需进一步拓展到不同类型水库和更广泛的气候条件，以完善¹³⁷Cs 动态的预测模型。