海洋污染应急决策支持系统外文翻译资料

An emergency decision support system for the marine pollution

SONG Jun

Abstract: The paper introduces the research progress in an emergency decision support system for marine pollution(EDSS) in China seas and elaborates on the possible role of the Neutron Activation Analysis (NAA) method therein. To deal with the increasingly grave situation of offshore pollution,the EDSS for China seas has been researching and developing.Based on the prediction and analysis of the ocean three-dimensional current field, this system makes an inference on the possible path of diffusion and influencing area of marine pollutants and possible location of pollution source,and in combination with the environmentally sensitive information related to the technical integration of GIS, it puts forward the decision, making support for minimizing the hazard caused by pollutants. This system has been operationalized and running for many years on the Bohai and Huanghai seasrsquo;Marine Pollutants Prediction and Early-Warning,and it has achieved successful experience for many times in the emergencies of Chinarsquo;s coastal pollution accidents. At present, the environmental guarantee system directed against heavy metals and radioactive pollutants is in the experimental stage. As the NAA method is especially applicable to the detection of part of heavy metals and radioactive substances, it is of very important practical value for the new system to realize the monitoring, prediction and early-warning of ocean heavy metals and radioactive pollutants.

Keywords: marine pollution, Neutron Activation Analysis, ocean modeling

1 Background

In recent years, the economy in the world, especially in the developing countries,has experienced a continued and rapid growth. At the same time, however, with the rapid development of coastal economy and the growth of population, the pollution of water quality in the nearshore areas is being constantly aggravated. The environmental risks as a result of the leakage of hazardous pollutants in the offshore seas of all countries (such as various organic/inorganic pollutants, heavy metals, and man-made radioactive substance) are obviously increasing (Huh and Chen, 1999; Klumpp, et al. 2002; SOA, 2012; Zhang, etal. 2007; Zhijie and Cote, 1991). Once thesemaritime pollution accidents happen, they will seriously damage the eco-environment of sea and land and bring an immeasurable economic loss.

To sum up, it is an important job to render emergency judgment on the various types of pollutants discovered at sea, including the calculation of how these pollutants diffuse and transfer,and where they have come from. Therefore, it is necessary to strengthen the technological research in the prediction and tracing to the source of maritime pollutant movement,at the same time,to reorganize the environmental resource information and establish an integrated emergency decision support system for marine pollution (EDSS), a technical platform for providing decision-making support for the emergency response and settlement of various pollution incidents at sea (Zou, et al. 2011).

To solve this technical problem, the work of research, development and construction directly against the EDSS for China seas has made initial headway. Meanwhile,the method of the Neutron Activation Analysis (NAA) which could be very useful in EDSS is also introduced in the section 3 of this article. Concretely speaking, it has accomplished prediction and early-warning of part of the pollutants in the Bohai and Huanghai seas in China, and achieved some successful experiences in its application in the past few years (CAI, et al. 2013).

2 The framework of emergency decision support system for marine pollution

The EDSS serves to give the plan for minimizing the hazards of marine pollution. One of its roles is to provide the emergency decision supporting system for marine pollutants. Fig. 1 is a simplified diagram of this system architecture.

For some cases of marine pollution, it is easy to find the moving path of pollutants as satellite pictures or aero photographs may give adequate evidences, but this is only limited to the pollutants located at the sea surface and in the large quantity.The discharge and change of more pollutants are much more hidden,and they are not limited to the sea surface,which requires advanced technical tools to make routine monitoring of the ocean. Among other things, the NAA method is very well adapted to the monitoring of part of the heavy metals and radioactive substance.

In the meantime, we cannot make an overall and real-time monitoring of all seawater in the ocean and the material transport in the sea is complicated, which has the movement of diffusion and sinking and rising, as well as interaction with the atmosphere, coast and seabed. In this case, the transfer and transformation of pollutants cannot be understood except by means of some researches and other technological tools. Computer simulation is a very good technical means. Based on the basic research of oceanography and the biochemical transformation law of marine pollutants, and the discretization in space of the equation describing the physical and biochemical processes, we may construct the transport model of marine pollutants to model the process of transfer and transformation of marine pollutants by using the computer. But it is not enough to just have the model and computer. To enable the accuracy of its simulation to reach the level of operationalization, large amount of marine monitoring data and maritime experiments are required to make corrections of the multiple parameters of the model. Here, the NAA method can also play a key role.

Generally speaking, the operating principle of this system is first to simulate the historical and future marine environments by using the com

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海洋污染应急决策支持系统

宋军

文摘: 介绍了中国海域海洋污染应急决策支持系统 (EDSS) 的研究进展, 阐述了中子活化分析法 (NAA) 方法在其中的可能作用。为应对日益严重的近海污染状况, 中国海洋 EDSS 一直在研究和发展。在对海洋三维电流场进行预测和分析的基础上, 对海洋污染物扩散和影响区域的可能路径和污染源的可能位置进行了推断, 并结合与 GIS 技术集成有关的环境敏感信息, 提出了决策, 为减少污染物造成的危害提供了支持。该系统多年来在渤海和黄海海域的海洋污染物预测预警方面已经得到了广泛的实施和运行, 并在我国已多次取得了成功的经验。

关键词: 海洋污染, 中子活化分析, 海洋模拟

1 背景

近年来, 世界经济, 特别是发展中国家, 经历了持续快速的增长。然而, 随着沿海经济的快速发展和人口的增长, 近岸地区的水质污染不断加剧。所有国家近海海域的危险污染物 (如各种有机/无机污染物、重金属和人造放射性物质) 泄漏造成的环境风险明显增加 (Klumpp 等 2002;SOA, 2012;夏志杰和科特迪瓦, 1991)。一旦污染事故发生, 将严重损害海陆生态环境, 带来不可估量的经济损失。

综上所述, 对海上发现的各类污染物进行紧急判断, 包括计算这些污染物的扩散和转移, 以及它们来自何处, 是一项重要工作。 因此, 有必要加强对海洋污染物流动来源的预测和追踪的技术研究, 同时对环境资源信息进行重组, 建立综合应急决策海洋污染支助系统 (EDSS), 是为紧急反应和解决海上各种污染事件提供决策支持的技术平台。

为解决这一技术问题, 直接针对中国海洋 EDSS 的研究、开发和建设工作取得了初步进展。同时, 本文第3节还介绍了中子活化分析 (NAA) 在 EDSS 中的应用方法。具体来说, 它对我国渤海和黄海部分污染物的预测和预警具有一定的借鉴作用, 在过去几年中取得了一些成功的经验。

2海洋污染应急决策支持系统框架

EDSS 提供了减少海洋污染危害的计划。其作用之一是为海洋污染物提供应急决策支持系统。在一些海洋污染的情况下, 卫星图片或航空照片可以很容易找到污染物的移动路径, 但这只限于海面和大量的污染物。更多污染物的排放和变化更加隐蔽, 它们不仅限于海面, 需要先进的技术工具来对海洋进行例行监测。除其他外, NAA 方法很好地适应了部分重金属和放射性物质的监测。

同时, 我们不能对海洋中的所有海水进行全面和实时的监测, 海洋中的物质运输是复杂的, 有扩散和下沉和上升的运动, 以及与大气层、海岸和海底。在这种情况下, 除了通过一些研究和其他技术工具外, 污染物的转移和转化是无法理解的。计算机仿真是一种很好的技术手段。本文在对海洋污染物的基本研究基础上, 在描述物理生化过程方程的空间离散化的基础上, 构建了海洋污染物的运输模型。利用计算机对海洋污染物的迁移转化过程进行建模。但仅仅拥有模型和计算机是不够的。为了使仿真精度达到实际操作的水平, 需要大量的海洋监测数据和海洋实验来修正模型的多个参数。在这里, NAA 方法也可以发挥关键作用。

一般而言, 该系统的工作原理是利用计算机模型模拟历史和未来的海洋环境。当在海上发现高度危险的污染物时, 通过我们对这类污染物的性质的了解, 并根据上述海洋环境数据, 计算出污染物的来源及其未来的变化路径。然后, 结合环境资源数据和应急资源数据, 给出了污染源, 并给出了减少目前污染危害的方案。此外, EDSS 亦可为如何调配污水排放口及进行日常海洋环境管理提供决策支持。

3中子活化分析方法在系统中的潜在应用

海水、海水中悬浮物的检测和海底沉积物中微量元素含量的测定, 可为海洋污染评价和海洋迁移转化规律的研究提供重要依据。NAA 法具有灵敏度高 (特别是汞、砷、铜) 的优点, 易于纠正基体的影响。因此, NAA 法在海洋学中的应用非常重要, 特别是在研究海洋环境中的金属污染物和微量元素时, 很难准确地检测出大部分物质的含量和浓度, 作为由于物质浓度非常低,这也是我们考虑利用这种方法研究海洋污染问题的原因。

与 NAA法的其他应用相比, 在测定海水中元素含量时, 需要进行特殊处理。以活性炭吸附预富集法为例, 在实现该方法的过程中, 避免了 Na的强放射性推断。然而, 这些技术方法现在非常成熟。通过与微量示踪剂 (如铟) 的集成, 除监测、探测和识别海洋污染物外, 还可利用 NAA 法研究海水运动和扩散规律。这种研究方法不会给环境增添人工放射性, 成本也会低得多。

这些研究结果可能使海洋环境适应各种污染物的能力, 直接提出关于海洋污水排放方式的建议, 从而为地方政府提供决策支持。在这方面, 陈 (1997) 对相关研究作了详细的叙述。更重要的是, 本研究可以修正 EDSS 数值模型的计算参数, 提高系统计算的准确性。

4 EDSS的研究进展及其应用

针对渤海和黄海海域溢油污染、高危险化学品污染、固体废弃物和海洋生态灾害 (如赤潮) 等海洋污染事件, 对 EDSS 进行了研究和开发。这个版本的 EDSS 已经运作多年。该系统由两大部分组成:

1) 三维生态环境的动态与生态模型耦合的海流、海波和大气等 (宋等, 2011) 的数值模型。值得一提的是, 所选的海流模型 FVCOM (有限体积海岸海洋模型) 的非结构网格很适合建模具有更复杂地理特征的区域, 如港口、海峡等 (陈等, 2006)。基于有限体积的数值离散方案使动量、能量和质量等具有较好的守恒性, 而湿干网格对保护具有较好的适应性。同时湿干网格对洪水平原等移动边界有较好的适应性 (陈等, 2008)。

2) 信息管理系统与环境资源数据和应急资源数据相结合。该系统是基于 GIS 技术平台和中国环境敏感海洋资源的科学分类。实现了中国北方主要城市敏感海洋资源的电子动态管理, 与海洋污染物漂移扩散模型的无缝耦合。

但是, 由于物理和化学性质的模块差异较大, 应分别为不同的污染物建立相应的污染物监测系统。这对许多严重的海洋污染物的运动来源进行了72小时的预测和跟踪, 尤其在计算海上溢油污染状况的变化方面具有较高的准确性。

图3给出的是模拟结果与在72小时后的大姚湾和大连湾漏油分布的卫星观测的对比图 (18:00, 7月19日) 中国海事局模拟交通部事务继 '7月16日' 重大溢油事故后, 大连市 (发生在北京时间18小时, 2010年7月16日)。从图3可以看出, 该系统准确预测了溢油的漂移和扩散, 在事故应急决策中发挥了较好的作用。

5展望未来

中国海洋污染决策支持系统是研究开发的新一代 EDSS。它在设计方面有四大改进。

1. 将系统服务范围扩大到整个中国海域;
2. 加强台风等极端天气过程的建模能力;
3. 基于 GIS 技术, 将海洋环境资源和海洋应急资源的更多信息整合到系统中;
4. 完成海洋中主要重金属污染物和放射性物质的计算能力。

到目前为止, 前两个工作基本上已经完成, 并为部分沿海城市建立了包括指数综合管理系统在内的指标综合管理系统, 可以确定保护的优先级根据不同地区的实际情况, 对敏感资源进行分析。这些指标包括对环境敏感的资源原始数据、图像数据、应急装备库环境资源敏感性分布、应急特遣队分布等。将海洋污染决策支持系统的应用范围扩大到所有危险重金属污染物质, 放射性物质是当前系统发展的主要方向。针对上述 NAA 方法的许多优点, 将其作为CAFS中部分重金属和放射性物质的检测和实验方法。

6讨论

二十世纪五十年代以来重金属泄露等一系列灾难性事件发生后, 重金属污染对近海环境的影响引起了高度重视。近海重金属污染的分布主要受陆地污水排放、水动力作用和泥沙粒度。考虑到沿海工业的快速增长, 近海地区工业废水渗漏或非法排放造成重金属污染的危险明显增加。与此同时, 日本福岛核电站2011年泄漏事件再次提醒我们, 在自然灾害或恐怖袭击的条件下, 在沿海核电泄漏的放射性物质车站可能给沿海地区带来严重的经济和生态灾害。因此, 沿海国需要重视对重金属和放射性污染物的预测和预警能力。

在对海洋中重金属和放射性污染物的转移和转化进行建模之前, 首先需要检测出重金属和放射性物质的分布现状 (即数值模型中的初始场)。基于这些污染物的初始场信息, 一旦发生海洋污染事故, 我们可以在短时间内通过 EDSS 来计算空间和时间内污染物的变化, 使政府能够及时合理地决定预防和控制。

由于海水中重金属或放射性污染物浓度普遍较低, 传统检测方法的结果误差较大, 而基于 NAA 方法的分析灵敏度可能达到, 且精度较高,错误可能在1% 以内;此外, NAA 方法可以同时对同一样品中的多个元素进行分析和测量, 从而便于检测重金属污染物 (通常包括许多元素) (De Soete, et 1972;Hogdahi等1968;Kosta 等 1978)。

关于海洋污染的研究, 虽然NAA是一种先进成熟的技术, 但唯一的问题是, 中子源是一般难以获得的稀有资源。本文还希望阐明目前减少和控制海洋污染的紧迫性, 呼吁世界上剩余的中子源资源支持海洋污染研究工作。

致谢

作者感谢中国科学院高能物理研究所 (IHEPCAS) 的院士对中子活化分析 (NAA) 法的有益指导。

这项工作得到了中国国家自然科学基金 (412060134137601441430963) 的支持;公共科技研究资助海洋项目 (201205018);中国国家海洋管理局 (201320320122022012223) 重点海洋科学基金会;国家科技支持计划 (2014BAB12B02);天津市科技支持计划 (14ZCZDSF00012);波兰访问研究金计划;中国奖学金委员会 ([2008] 3019;[2012] 3013)。

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