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(yè)，共十五頁(yè)，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(jià)值研究動(dòng)態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)研究?jī)?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(jì)劃第二頁(yè)，共十五頁(yè)，2022年，8月28日理論意義和應(yīng)用價(jià)值(一)氡是一種在自然界普遍存在的天然放射性氣體，它對(duì)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(duì)支氣管上皮產(chǎn)生輻射劑量，同時(shí)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(xiǎn)性。美國(guó)估計(jì)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(cè)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(cè)量尤其是建材氡氣測(cè)量已經(jīng)成為當(dāng)今一項(xiàng)新的注意點(diǎn)，這是因?yàn)殡睂?duì)人體危害嚴(yán)重．十幾年前，美國(guó)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(rèn)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(yè)，共十五頁(yè)，2022年，8月28日理論意義和應(yīng)用價(jià)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(kuò)散與對(duì)流方式尤其是對(duì)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(jiān)固密封的房屋，土壤氡進(jìn)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(shí)，土壤氡進(jìn)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(duì)室內(nèi)氡的貢獻(xiàn)也不會(huì)大;建筑物場(chǎng)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(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，對(duì)室內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量有了更高的要求。自上世紀(jì)九十年代以來，國(guó)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(guó)頒布了《住房?jī)?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(duì)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(duì)室內(nèi)降氡、防氡，具有重要的意義。第四頁(yè)，共十五頁(yè)，2022年，8月28日研究動(dòng)態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)(一)對(duì)于氡的遷移機(jī)制及室內(nèi)氡對(duì)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(bào)告提出以來，人們一直認(rèn)為是個(gè)謎。1900年氡被發(fā)現(xiàn)后，人們從各種角度開始認(rèn)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(jìn)一步認(rèn)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(shí)驗(yàn)研究。自氡被發(fā)現(xiàn)以來，氡氣的釋放和運(yùn)移就是研究?jī)?nèi)容之一。最早由Flugge和Zimens（1936年）提出氡運(yùn)移是擴(kuò)散引起的。它是建立在Fick定理基礎(chǔ)上用于解釋氡氣運(yùn)移的一種理論，至今仍被認(rèn)為是氡運(yùn)移的重要機(jī)制。隨著氡氣測(cè)量的廣泛應(yīng)用與深入研究，人們發(fā)現(xiàn)用擴(kuò)散理論是不能解釋所觀測(cè)到的眾多現(xiàn)象的。為此，國(guó)內(nèi)外又提出了其它一些假說，主要有：對(duì)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(yè)，共十五頁(yè)，2022年，8月28日研究動(dòng)態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)(二)自80年代中期，賈文懿為揭示氡及其子體自身固有的運(yùn)移規(guī)律，從實(shí)驗(yàn)入手，在實(shí)驗(yàn)室較理想的條件下，研究了氡及其子體的運(yùn)移規(guī)律，從而發(fā)現(xiàn)了一些認(rèn)識(shí)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(yùn)移規(guī)律及團(tuán)簇運(yùn)移機(jī)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(yùn)移規(guī)律及機(jī)制，采用靜態(tài)、累積、高靈敏度的測(cè)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(yùn)移能力遠(yuǎn)大于橫向運(yùn)移能力，向上運(yùn)移能力也大于向下運(yùn)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(jìn)一步驗(yàn)證了氡-氦團(tuán)簇運(yùn)移現(xiàn)象，為研究室內(nèi)氡遷移提供了很好的幫助。第六頁(yè)，共十五頁(yè)，2022年，8月28日研究動(dòng)態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)(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(duì)江西二個(gè)地區(qū)的區(qū)域空氣氡濃度水平作了預(yù)測(cè),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(cè)了城區(qū)土壤中氡濃度分布規(guī)律,同時(shí)對(duì)北京市環(huán)境空氣中氡濃度水平作了大量的實(shí)際測(cè)量工作,得到了北京市地面建筑室內(nèi)氡分布的一些特點(diǎn)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(jī)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(yùn)移參數(shù)對(duì)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(duì)居室氡濃度的變化也有很大影響。因此，對(duì)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(jià)值。

第七頁(yè)，共十五頁(yè)，2022年，8月28日研究?jī)?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(shí)驗(yàn)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(yè)，共十五頁(yè)，2022年，8月28日研究?jī)?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(duì)其進(jìn)行數(shù)值計(jì)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(yè)，共十五頁(yè)，2022年，8月28日研究?jī)?nèi)容（三）對(duì)不同參數(shù)條件下的居室氡濃度分布進(jìn)行數(shù)值模擬。計(jì)算氡濃度分布與居室內(nèi)裂縫大小參數(shù)、氡氣運(yùn)移參數(shù)的關(guān)系曲線簇，并討論各參數(shù)對(duì)氡濃度分布的影響及其原因。討論對(duì)居室內(nèi)氡濃度分布進(jìn)行數(shù)值模擬的意義，為人類環(huán)境監(jiān)測(cè)和氡污染防治提供指導(dǎo)。第十頁(yè)，共十五頁(yè)，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?yàn)樵跀?shù)值模擬中會(huì)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)校正后模型的完善等重點(diǎn)及難點(diǎn)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(duì)各種參數(shù)對(duì)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(yè)，共十五頁(yè)，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模—數(shù)學(xué)建?！?jì)算機(jī)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(yùn)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(yùn)移方程，建立氡氣運(yùn)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?jì)算機(jī)編程做準(zhǔn)備；

5.利用Matlab進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)居室中氡濃度分布的數(shù)值模擬；

6.對(duì)模型中涉及到的不同參數(shù)進(jìn)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(gè)參數(shù)對(duì)模擬結(jié)果的影響，討論其原因；

7.將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行比較，進(jìn)一步完善模型。第十二頁(yè)，共十五頁(yè)，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(dá)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)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(duì)流與擴(kuò)散作用來解釋氡從深部運(yùn)移到地表的過程，賦予氡及其母體元素長(zhǎng)距離遷移，從而可以解釋室內(nèi)氡濃度的異常變化。論文對(duì)居室中氡氣運(yùn)移方程的解法進(jìn)行了改造，運(yùn)用有限差分法對(duì)其求解。對(duì)氡濃度在居室中的分布進(jìn)行模擬，繪制了氡濃度分布的各種圖形，并對(duì)不同參數(shù)條件下的各種情況進(jìn)行模擬和討論。第十三頁(yè)，共十五頁(yè)，2022年，8月28日論文工作計(jì)劃2006.09~12查閱和收集資料，學(xué)習(xí)有關(guān)數(shù)值計(jì)算方法和編程語(yǔ)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，