2021年8月26日，日本内阁通过法案，将处理后的福岛核事故污水排入太平洋，以缓解核废水储存问题。离岸1公里处的处理水将于2023年开始排放。然而，污染水中存在>60种放射性核素，>70%的水箱中的水需要二次处理才能达到排放标准[1]。海洋生物吸入大量放射性核素会影响海洋生物链，对海洋渔业和人类健康产生不利影响。因此，确定放射性水在海洋中的扩散过程至关重要，有助于预测对海洋环境可能产生的影响。

放射性物质在海洋中的扩散是一门新的科学分支[2]。（基尔亥姆霍兹海洋研究中心）通过插值法对福岛放射性核素进行数值模拟后[3]，采用全球海洋环流模型估算了福岛核泄漏中Cs-137的长期扩散过程[4]。2013 年，Lai等人。再现了福岛地震和海啸中沿海洪水和 Cs-137 的最初扩散[5]。为了获得早期预警和决策支持，研究通过考虑扩散系数的时变质量和大气稳定性来优化扩散模型。最近对福岛处理水排放的调查提供了四种排放情景的模拟[6]。然而，放射性核素在海洋中的扩散规律仍不清楚。海洋环境长期经历着复杂的变化，这使得通过控制方程描述内部流场变得困难。

因此，对核污染物在海洋中的扩散进行了宏观和微观的分析。宏观和微观扩散过程分别关注污染物的整体分布和单个污染物的行为。这两个过程都分为几个子过程。这些子过程被单独分析，然后叠加以获得整体扩散模拟。对于子过程推导，采用菲克定律[7]和爱因斯坦均方位移理论[8]。图1a展示了宏观和微观扩散分析的子过程及其关系。

: (a) 宏观和微观扩散分析的子过程及其关系。(b) 宏观和 (c) 微观扩散分析的结果。(d) 三个沿海城市附近海域污染物浓度变化。(e) 宏观和微观污染物浓度曲线比较。

氚是日本计划排放的处理水中的主要污染物。因此，用适当的参数模拟氚扩散。图1b 和 1c 显示了 1 单位相对浓度 ∼ 10 年的结果0.29Bp/m³，根据出院计划。模拟基于小规模扩散分析的推论补充材料。海洋表面流数据来自地球与空间研究[9]。

宏观模拟结果显示，污染物排放初期，污染面积迅速增加，120天内污染面积达到纬度30°×经度40°。由于洋流的影响，污染物在纬度方向的扩散速度明显高于经度方向。高浓度带状区域仍保持在35°N附近。1200天后，污染物分别到达北美东部和南部海岸和澳大利亚海岸，从而几乎覆盖整个北太平洋地区。然后，这些污染物在赤道洋流的作用下沿着巴拿马运河流动，并迅速扩散到南太平洋。2400天内，随着扩散到太平洋，一小部分污染物通过澳大利亚北部海域扩散到印度洋。3600天后，这些污染物几乎占据了整个太平洋。虽然污染物排放发生在日本岛附近，但随着时间的推移，污染物浓度高的水体（黄色和红色部分）沿着北纬35°向东移动。

图1b和d分别显示了30°N附近的三个沿海城市及其邻近海域污染物浓度在4000天内的变化。这三个城市中，污染物首先出现在宫崎附近，其次是上海和圣地亚哥。这个顺序主要是由它们距福岛的距离决定的。从3条曲线的趋势来看，各区域污染物浓度先快速上升，后趋于稳定。虽然污染物最后到达圣地亚哥，但其邻近水域污染物的稳态浓度高于其他两个城市附近。这种现象是由日本附近的强烈洋流造成的。具体来说，福岛位于黑潮（北）和亲潮（南）的交汇处。所以，大多数污染物并不沿着陆地边缘向南北迁移，而是随着北太平洋西风漂移向东扩散。这一结果表明，在处理水排放初期，应重点关注核污染物对亚洲近海的影响。但后续阶段，由于北美邻近海域的污染物浓度仍高于大部分东亚沿海，因此考虑污染物对北美的影响非常重要。

由于污染物颗粒数量有限，微观模拟中的浓度低于宏观结果中的浓度。由于微观模拟提供了每个污染物颗粒的位置，因此它支持污染物轨迹分析。图1e表明，基于完全不同的物理和数学原理的两种方法的结果是一致的。此外，我们的结果比 [4]和Zhao等人的结果更加具体。[6]因为考虑了实际的连续排放计划、更新的数据、高精度的模型和参数以及太平洋和印度洋。 和赵等人。考虑出院时间为数周[4]或10年[6]，而最新计划考虑的持续时间>30年。不过，之前的模拟结果也支持了本研究首次提出的“北美邻近海域污染物浓度仍高于大多数东亚海岸”的结论。因此，研究结果是可行、可靠的。另外，福岛沿岸氚的最大本底浓度为∼290Bp/m³。浓度增加的模拟结果对于放射性核素长期扩散的定量预测、排放计划的合理响应、后续的环境影响实验以及放射性物质生态敏感性的进一步研究仍然具有重要意义。

核废水排海扩散动画演示

参考文献：