居室氡的遷移特征和數(shù)值模擬

居室氡的遷移特征和數(shù)值模擬第一頁，共十五頁，2022年，8月28日

居室氡的遷移特征和數(shù)值模擬

ThetransportationcharacteristicandnumericalsimulationofRadonindoor

理論意義和應(yīng)用價值研究動態(tài)和發(fā)展趨勢研究內(nèi)容和關(guān)鍵問題研究方法和技術(shù)路線預(yù)期目標(biāo)和技術(shù)創(chuàng)新論文工作計劃第二頁，共十五頁，2022年，8月28日理論意義和應(yīng)用價值(一)氡是一種在自然界普遍存在的天然放射性氣體，它對人體的危害已受到普遍重視。人體吸入的氡子體沉積在呼吸道內(nèi)，主要對支氣管上皮產(chǎn)生輻射劑量，同時氡子體的危害還在于吸入氡后使肺部組織受到照射，增加肺癌的危險性。美國估計每年約有萬例肺癌患者是與室內(nèi)氡暴露有關(guān)，室內(nèi)氡子體引起的肺癌占肺癌總發(fā)病率的10%左右。氡氣測量在環(huán)境工作中的應(yīng)用起步雖較晚，卻倍受重視，環(huán)境氡氣測量尤其是建材氡氣測量已經(jīng)成為當(dāng)今一項新的注意點，這是因為氡對人體危害嚴重．十幾年前，美國環(huán)保局（ＥＰＡ）在《ＮＡＴＵＲＥ》雜志上公開指出：氡是關(guān)系到公共健康的大眾問題：氡氣作為自然放射物存在于土壤、磚、水泥、花崗巖等主要的建筑裝修材料中，被認為是僅次于吸煙的第二大致癌因素，世界衛(wèi)生組織已將氡列為使人致癌的１９種最主要的物質(zhì)之一。第三頁，共十五頁，2022年，8月28日理論意義和應(yīng)用價值(二)土壤中氡濃度平均比地面上空氣高1000倍，高濃度土壤氡一般以擴散與對流方式尤其是對流遷移方式通過水泥的縫隙和裂隙向室內(nèi)遷移。一般地基堅固密封的房屋，土壤氡進人室內(nèi)的速率比較低，當(dāng)?shù)匕逵辛芽p而且土壤中天然放射性活度高時，土壤氡進入室內(nèi)的速率則高。為了研究土壤氡與室內(nèi)氡的關(guān)系，必須研究土壤氡的析出率和建筑物所處的地質(zhì)環(huán)境。土壤中鈾、鐳含量高，若氡的析出率不大則土壤氡對室內(nèi)氡的貢獻也不會大;建筑物場地裂隙發(fā)育，有利于氡的遷移，研究表明位于構(gòu)造帶上的建筑物室內(nèi)氡濃度比位于非構(gòu)造帶地區(qū)的室內(nèi)氡高。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，對室內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量有了更高的要求。自上世紀九十年代以來，國家相繼制定和頒布了一系列有關(guān)氡的控制標(biāo)準(zhǔn)，如1995年我國頒布了《住房內(nèi)氡濃度控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T16146-1995)、1996年頒布了《地下建筑氡及其子體控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB16356-1996)等中都對氡規(guī)定了明確的控制標(biāo)準(zhǔn)。因此，研究氡氣的傳輸過程對室內(nèi)降氡、防氡，具有重要的意義。第四頁，共十五頁，2022年，8月28日研究動態(tài)和發(fā)展趨勢(一)對于氡的遷移機制及室內(nèi)氡對人體危害的研究，前人已經(jīng)做了很多工作,如：自1546年“斯尼伯格礦山病”(肺癌)第一份報告提出以來，人們一直認為是個謎。1900年氡被發(fā)現(xiàn)后，人們從各種角度開始認為，氡是致“斯尼伯格礦山病”，即肺癌的主因。然而直到1951年，Bale提出關(guān)于氡的衰變產(chǎn)物才可能是氡致病因素。Bale進一步認為，氡短壽命子體產(chǎn)生的劑量可能大大超過氡氣本身及其在支氣管內(nèi)由氡形成的衰變產(chǎn)物所產(chǎn)生的輻射劑量。之后的3～4年，不少學(xué)者完成了有關(guān)吸人的Rn和釷射氣衰變產(chǎn)物在肺中沉積和滯留的實驗研究。自氡被發(fā)現(xiàn)以來，氡氣的釋放和運移就是研究內(nèi)容之一。最早由Flugge和Zimens（1936年）提出氡運移是擴散引起的。它是建立在Fick定理基礎(chǔ)上用于解釋氡氣運移的一種理論，至今仍被認為是氡運移的重要機制。隨著氡氣測量的廣泛應(yīng)用與深入研究，人們發(fā)現(xiàn)用擴散理論是不能解釋所觀測到的眾多現(xiàn)象的。為此，國內(nèi)外又提出了其它一些假說，主要有：對流作用；地下水的作用；潮汐作用；抽吸作用；伴生氣體的拖拽作用；滲流作用；地?zé)嶙饔?；地?yīng)力作用等等。第五頁，共十五頁，2022年，8月28日研究動態(tài)和發(fā)展趨勢(二)自80年代中期，賈文懿為揭示氡及其子體自身固有的運移規(guī)律，從實驗入手，在實驗室較理想的條件下，研究了氡及其子體的運移規(guī)律，從而發(fā)現(xiàn)了一些認識不夠或未發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，并在各種學(xué)術(shù)期刊和論著上發(fā)表有關(guān)氡運移規(guī)律及團簇運移機制的論文討論有關(guān)問題。成都理工大學(xué)的樂仁昌也研究了氡的釋放和運移規(guī)律及機制，采用靜態(tài)、累積、高靈敏度的測氡方法，發(fā)現(xiàn)氡及其子體的分布具有明顯的方向性，其縱向運移能力遠大于橫向運移能力，向上運移能力也大于向下運移能力。還借助鈾礦石產(chǎn)生的氡和液體鐳源產(chǎn)生的氡形成的氦之差異，進一步驗證了氡-氦團簇運移現(xiàn)象，為研究室內(nèi)氡遷移提供了很好的幫助。第六頁，共十五頁，2022年，8月28日研究動態(tài)和發(fā)展趨勢(三)1998年劉慶成利用巖石、土壤中鈾的含量分布與空氣中氡濃度水平間的理論模型對江西二個地區(qū)的區(qū)域空氣氡濃度水平作了預(yù)測,取得了初步成效,為利用現(xiàn)有地質(zhì)資料研究區(qū)域環(huán)境氡開辟了一條新途徑。后又在北京市城區(qū)400km范圍內(nèi),研究了放射性元素在空間分布上的歷史演化,從理論上預(yù)測了城區(qū)土壤中氡濃度分布規(guī)律,同時對北京市環(huán)境空氣中氡濃度水平作了大量的實際測量工作,得到了北京市地面建筑室內(nèi)氡分布的一些特點和地下建筑(如地鐵)中氡的濃度水平值,為城市氡危害防治工作提供了重要依據(jù)。由于氡氣遷移的機制受到諸多因素的影響，本論文只是通過模擬討論了居室內(nèi)裂縫的大小以及氡氣運移參數(shù)對居室內(nèi)氡濃度大小的影響。而其他諸如建筑物的選材，室內(nèi)通風(fēng)條件等對居室氡濃度的變化也有很大影響。因此，對于居室內(nèi)氡濃度的遷移特征和數(shù)值模擬問題的研究具有很大的理論意義和應(yīng)用價值。

第七頁，共十五頁，2022年，8月28日研究內(nèi)容（一）論文研究的主要內(nèi)容有：討論居室內(nèi)存在氡的危害性，以及居室內(nèi)氡氣的主要來源。根據(jù)氡在居室內(nèi)的遷移規(guī)律，以及前人的工作及實驗數(shù)據(jù)總結(jié)出的氡的遷移特征及遷移方式，建立居室內(nèi)氡遷移的三維物理模型。根據(jù)物理模型，建立穩(wěn)定條件下居室內(nèi)氡濃度分布的數(shù)學(xué)模型。第八頁，共十五頁，2022年，8月28日研究內(nèi)容（二）推導(dǎo)三維介質(zhì)中氡的遷移方程，并用有限差分法對其進行數(shù)值計算，求出一定邊界條件下氡濃度分布在居室中的模擬結(jié)果。第九頁，共十五頁，2022年，8月28日研究內(nèi)容（三）對不同參數(shù)條件下的居室氡濃度分布進行數(shù)值模擬。計算氡濃度分布與居室內(nèi)裂縫大小參數(shù)、氡氣運移參數(shù)的關(guān)系曲線簇，并討論各參數(shù)對氡濃度分布的影響及其原因。討論對居室內(nèi)氡濃度分布進行數(shù)值模擬的意義，為人類環(huán)境監(jiān)測和氡污染防治提供指導(dǎo)。第十頁，共十五頁，2022年，8月28日關(guān)鍵問題論文研究中數(shù)值模擬和參數(shù)探索是關(guān)鍵問題。因為在數(shù)值模擬中會涉及到諸如邊界條件的確定、方程解法的選擇、程序的編制以及用經(jīng)實測數(shù)據(jù)校正后模型的完善等重點及難點問題。而且，由于氡氣在居室中的遷移受到多種因素的影響，對各種參數(shù)對氡濃度在居室中分布影響的探索也顯得尤為重要。第十一頁，共十五頁，2022年，8月28日研究方法和技術(shù)路線論文研究擬采用物理建?！獢?shù)學(xué)建模—計算機模擬—參數(shù)探討的研究方法。技術(shù)路線如下：

1.建立穩(wěn)定條件下居室中氡氣的運移方程；

2.建立居室中222Rn濃度分布的三維物理模型；

3.根據(jù)物理模型中的邊界條件，結(jié)合氡氣運移方程，建立氡氣運移的數(shù)學(xué)模型；

4.利用有限差分法，將數(shù)學(xué)模型中的微分方程變?yōu)椴罘址匠?，為計算機編程做準(zhǔn)備；

5.利用Matlab進行編程，實現(xiàn)對居室中氡濃度分布的數(shù)值模擬；

6.對模型中涉及到的不同參數(shù)進行探索，給出不同參數(shù)條件下的模擬結(jié)果,并總結(jié)各個參數(shù)對模擬結(jié)果的影響，討論其原因；

7.將實測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進行比較，進一步完善模型。第十二頁，共十五頁，2022年，8月28日預(yù)期目標(biāo)和技術(shù)創(chuàng)新通過論文研究，預(yù)期達到順利完成物理模型及數(shù)學(xué)模型的建立、編制程序并實現(xiàn)對氡濃度在居室中分布的模擬、給出不同參數(shù)條件下的模擬結(jié)果并繪制圖形以及討論各參數(shù)對氡濃度分布的影響等內(nèi)容。論文用氡及母體元素的微粒理論和氣體的對流與擴散作用來解釋氡從深部運移到地表的過程，賦予氡及其母體元素長距離遷移，從而可以解釋室內(nèi)氡濃度的異常變化。論文對居室中氡氣運移方程的解法進行了改造，運用有限差分法對其求解。對氡濃度在居室中的分布進行模擬，繪制了氡濃度分布的各種圖形，并對不同參數(shù)條件下的各種情況進行模擬和討論。第十三頁，共十五頁，2022年，8月28日論文工作計劃2006.09~12查閱和收集資料，學(xué)習(xí)有關(guān)數(shù)值計算方法和編程語言2007.01~05歸納總結(jié)收集的資料，提出氡遷移的物理模型，推導(dǎo)氡遷移三維微分方程，