居室氡的迁移特征和数值模拟

居室氡的迁移特征和数值模拟第一页，共十五页，2022年，8月28日

居室氡的迁移特征和数值模拟

ThetransportationcharacteristicandnumericalsimulationofRadonindoor

理论意义和应用价值研究动态和发展趋势研究内容和关键问题研究方法和技术路线预期目标和技术创新论文工作计划第二页，共十五页，2022年，8月28日理论意义和应用价值(一)氡是一种在自然界普遍存在的天然放射性气体，它对人体的危害已受到普遍重视。人体吸入的氡子体沉积在呼吸道内，主要对支气管上皮产生辐射剂量，同时氡子体的危害还在于吸入氡后使肺部组织受到照射，增加肺癌的危险性。美国估计每年约有万例肺癌患者是与室内氡暴露有关，室内氡子体引起的肺癌占肺癌总发病率的10%左右。氡气测量在环境工作中的应用起步虽较晚，却倍受重视，环境氡气测量尤其是建材氡气测量已经成为当今一项新的注意点，这是因为氡对人体危害严重．十几年前，美国环保局（ＥＰＡ）在《ＮＡＴＵＲＥ》杂志上公开指出：氡是关系到公共健康的大众问题：氡气作为自然放射物存在于土壤、砖、水泥、花岗岩等主要的建筑装修材料中，被认为是仅次于吸烟的第二大致癌因素，世界卫生组织已将氡列为使人致癌的１９种最主要的物质之一。第三页，共十五页，2022年，8月28日理论意义和应用价值(二)土壤中氡浓度平均比地面上空气高1000倍，高浓度土壤氡一般以扩散与对流方式尤其是对流迁移方式通过水泥的缝隙和裂隙向室内迁移。一般地基坚固密封的房屋，土壤氡进人室内的速率比较低，当地板有裂缝而且土壤中天然放射性活度高时，土壤氡进入室内的速率则高。为了研究土壤氡与室内氡的关系，必须研究土壤氡的析出率和建筑物所处的地质环境。土壤中铀、镭含量高，若氡的析出率不大则土壤氡对室内氡的贡献也不会大;建筑物场地裂隙发育，有利于氡的迁移，研究表明位于构造带上的建筑物室内氡浓度比位于非构造带地区的室内氡高。随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，对室内空气环境质量有了更高的要求。自上世纪九十年代以来，国家相继制定和颁布了一系列有关氡的控制标准，如1995年我国颁布了《住房内氡浓度控制标准》(GB/T16146-1995)、1996年颁布了《地下建筑氡及其子体控制标准》(GB16356-1996)等中都对氡规定了明确的控制标准。因此，研究氡气的传输过程对室内降氡、防氡，具有重要的意义。第四页，共十五页，2022年，8月28日研究动态和发展趋势(一)对于氡的迁移机制及室内氡对人体危害的研究，前人已经做了很多工作,如：自1546年“斯尼伯格矿山病”(肺癌)第一份报告提出以来，人们一直认为是个谜。1900年氡被发现后，人们从各种角度开始认为，氡是致“斯尼伯格矿山病”，即肺癌的主因。然而直到1951年，Bale提出关于氡的衰变产物才可能是氡致病因素。Bale进一步认为，氡短寿命子体产生的剂量可能大大超过氡气本身及其在支气管内由氡形成的衰变产物所产生的辐射剂量。之后的3～4年，不少学者完成了有关吸人的Rn和钍射气衰变产物在肺中沉积和滞留的实验研究。自氡被发现以来，氡气的释放和运移就是研究内容之一。最早由Flugge和Zimens（1936年）提出氡运移是扩散引起的。它是建立在Fick定理基础上用于解释氡气运移的一种理论，至今仍被认为是氡运移的重要机制。随着氡气测量的广泛应用与深入研究，人们发现用扩散理论是不能解释所观测到的众多现象的。为此，国内外又提出了其它一些假说，主要有：对流作用；地下水的作用；潮汐作用；抽吸作用；伴生气体的拖拽作用；渗流作用；地热作用；地应力作用等等。第五页，共十五页，2022年，8月28日研究动态和发展趋势(二)自80年代中期，贾文懿为揭示氡及其子体自身固有的运移规律，从实验入手，在实验室较理想的条件下，研究了氡及其子体的运移规律，从而发现了一些认识不够或未发现的现象，并在各种学术期刊和论著上发表有关氡运移规律及团簇运移机制的论文讨论有关问题。成都理工大学的乐仁昌也研究了氡的释放和运移规律及机制，采用静态、累积、高灵敏度的测氡方法，发现氡及其子体的分布具有明显的方向性，其纵向运移能力远大于横向运移能力，向上运移能力也大于向下运移能力。还借助铀矿石产生的氡和液体镭源产生的氡形成的氦之差异，进一步验证了氡-氦团簇运移现象，为研究室内氡迁移提供了很好的帮助。第六页，共十五页，2022年，8月28日研究动态和发展趋势(三)1998年刘庆成利用岩石、土壤中铀的含量分布与空气中氡浓度水平间的理论模型对江西二个地区的区域空气氡浓度水平作了预测,取得了初步成效,为利用现有地质资料研究区域环境氡开辟了一条新途径。后又在北京市城区400km范围内,研究了放射性元素在空间分布上的历史演化,从理论上预测了城区土壤中氡浓度分布规律,同时对北京市环境空气中氡浓度水平作了大量的实际测量工作,得到了北京市地面建筑室内氡分布的一些特点和地下建筑(如地铁)中氡的浓度水平值,为城市氡危害防治工作提供了重要依据。由于氡气迁移的机制受到诸多因素的影响，本论文只是通过模拟讨论了居室内裂缝的大小以及氡气运移参数对居室内氡浓度大小的影响。而其他诸如建筑物的选材，室内通风条件等对居室氡浓度的变化也有很大影响。因此，对于居室内氡浓度的迁移特征和数值模拟问题的研究具有很大的理论意义和应用价值。

第七页，共十五页，2022年，8月28日研究内容（一）论文研究的主要内容有：讨论居室内存在氡的危害性，以及居室内氡气的主要来源。根据氡在居室内的迁移规律，以及前人的工作及实验数据总结出的氡的迁移特征及迁移方式，建立居室内氡迁移的三维物理模型。根据物理模型，建立稳定条件下居室内氡浓度分布的数学模型。第八页，共十五页，2022年，8月28日研究内容（二）推导三维介质中氡的迁移方程，并用有限差分法对其进行数值计算，求出一定边界条件下氡浓度分布在居室中的模拟结果。第九页，共十五页，2022年，8月28日研究内容（三）对不同参数条件下的居室氡浓度分布进行数值模拟。计算氡浓度分布与居室内裂缝大小参数、氡气运移参数的关系曲线簇，并讨论各参数对氡浓度分布的影响及其原因。讨论对居室内氡浓度分布进行数值模拟的意义，为人类环境监测和氡污染防治提供指导。第十页，共十五页，2022年，8月28日关键问题论文研究中数值模拟和参数探索是关键问题。因为在数值模拟中会涉及到诸如边界条件的确定、方程解法的选择、程序的编制以及用经实测数据校正后模型的完善等重点及难点问题。而且，由于氡气在居室中的迁移受到多种因素的影响，对各种参数对氡浓度在居室中分布影响的探索也显得尤为重要。第十一页，共十五页，2022年，8月28日研究方法和技术路线论文研究拟采用物理建模—数学建模—计算机模拟—参数探讨的研究方法。技术路线如下：

1.建立稳定条件下居室中氡气的运移方程；

2.建立居室中222Rn浓度分布的三维物理模型；

3.根据物理模型中的边界条件，结合氡气运移方程，建立氡气运移的数学模型；

4.利用有限差分法，将数学模型中的微分方程变为差分方程，为计算机编程做准备；

5.利用Matlab进行编程，实现对居室中氡浓度分布的数值模拟；

6.对模型中涉及到的不同参数进行探索，给出不同参数条件下的模拟结果,并总结各个参数对模拟结果的影响，讨论其原因；

7.将实测数据与模拟结果进行比较，进一步完善模型。第十二页，共十五页，2022年，8月28日预期目标和技术创新通过论文研究，预期达到顺利完成物理模型及数学模型的建立、编制程序并实现对氡浓度在居室中分布的模拟、给出不同参数条件下的模拟结果并绘制图形以及讨论各参数对氡浓度分布的影响等内容。论文用氡及母体元素的微粒理论和气体的对流与扩散作用来解释氡从深部运移到地表的过程，赋予氡及其母体元素长距离迁移，从而可以解释室内氡浓度的异常变化。论文对居室中氡气运移方程的解法进行了改造，运用有限差分法对其求解。对氡浓度在居室中的分布进行模拟，绘制了氡浓度分布的各种图形，并对不同参数条件下的各种情况进行模拟和讨论。第十三页，共十五页，2022年，8月28日论文工作计划2006.09~12查阅和收集资料，学习有关数值计算方法和编程语言2007.01~05归纳总结收集的资料，提出氡迁移的物理模型，推导氡迁移三维微分方程，