Ứng dụng GIS xây dựng bản đồ phông phóng xạ môi trường

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ  BÙI MINH LỘC LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Vật lý hạt nhân Người hướng dẫn khoa học: TS THÁI KHẮC ĐỊNH ThS TRẦN TUẤN TÚ Thành phố Hồ Chí Minh, tháng năm 2009 LỜI CẢM ƠN Trong trình thực luận văn, nỗ lực thân, em nhận nhiều quan tâm, hướng dẫn, giúp đỡ bố mẹ, thầy cô bạn Em xin bày tỏ lòng biết ơn đến: Thầy Thái Khắc Định thầy Trần Tuấn Tú hướng dẫn chuyên môn, động viên cung cấp thiết bị cần thiết giúp em thực luận văn Quý thầy, cô khoa Vật lý, trường Đại học Sư Phạm TP Hồ Chí Minh truyền đạt cho em kiến thức suốt năm qua để em tự tin thực đề tài Anh Phạm Đặng Mạnh Hồng Luân hướng dẫn cách sử dụng phần mềm dùng luận văn Cảm ơn gia đình động viên ủng hộ hoàn thành luận văn điều kiện tốt MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài, mục tiêu đề tài Các hoạt động người (Công nghiệp hóa, đô thị hóa, thăm dò, khai thác, chế biến tài nguyên thiên nhiên ) ngày tác động mạnh mẽ đến môi trường Vì mối quan tâm Khoa học Công nghệ nghiên cứu kiểm soát chất lượng môi trường ngày lớn Phóng xạ môi trường số chất lượng môi trường quan trọng, xã hội đặc biệt quan tâm tác động tia phóng xạ lên thể không nhận biết giác quan phức tạp, để lại hậu tức thời lâu dài Nghiên cứu, kiểm soát phóng xạ môi trường bắt đầu việc xác định hoạt độ nguyên tố phóng xạ tự nhiên nhân tạo vùng quan tâm Dựa số liệu đo đạc, xây dựng đồ thể phông phóng xạ vùng Việc thu nhận, lưu trữ, phân tích khối liệu lớn liên quan đến vấn đề (bao gồm thông tin địa lý thông tin phóng xạ) đòi hỏi công nghệ tiên tiến để giúp người tiết kiệm công sức, thời gian, kinh phí Ngày thông tin địa lý số hóa nhờ khoa học máy tính làm cho hiệu thông tin đạt tầm cao công nghệ GIS trở thành công cụ hữu ích phục vụ cho vấn đề xây dựng đồ phông phóng xạ Đề tài “Ứng dụng kỹ thuật GIS xây dựng đồ phông phóng xạ môi trường” mô tả bước vẽ đồ phóng xạ phần mềm MAPINFO 9.0 kết hợp với Surfer 8.0 thông qua việc vẽ đồ thể số đo suất liều thành phố Biên Hòa Sau có đồ, đề tài đánh giá việc lấy mẫu phân tích vấn đề vẽ đồ phóng xạ Đề tài gồm ba chương: Chương I : Giới thiệu tổng quan vấn đề liên quan đến đề tài Chương II : Trình bày Hệ thống thông tin địa lý (GIS) Chương III : Trình bày ứng dụng GIS xây dựng đồ phóng xạ, phân tích kết đồ suất liều đề tài thực Và kết luận, đề xuất giải pháp, khuyến nghị Mục đích nghiên cứu Vấn đề vẽ đồ phông phóng xạ môi trường rộng lớn chuyên sâu, bao gồm nhiều qui trình Công việc cuối truyền đạt thông tin đến người sử dụng qua đồ mô tả phông phóng xạ cách trực quan Vì mục đích nghiên cứu đề tài tiếp cận công nghệ GIS nhằm sử dụng để xây dựng đồ phông phóng xạ môi trường, mô tả trực quan phông phóng xạ khu vực Bản đồ xây dựng với GIS có ưu điểm vượt trội so với đồ giấy thông thường Trong trình thực hiện, đề tài thu thập số đo suất liều thành phố Biên Hòa vẽ đồ suất liều thành phố Qua tìm điểm có phóng xạ cao bất thường địa bàn thành phố Việc xây dựng đồ suất liều giúp minh họa việc vẽ đồ phông phóng xạ môi trường Giới hạn nghiên cứu Việc xây dựng đồ phóng xạ đòi hỏi yêu cầu cao thời gian, kinh phí, thiết bị nhân lực nên đề tài vẽ đồ thể số đo suất liều phóng xạ, gọi tắt đồ suất liều phóng xạ, tập trung trung tâm thành phố Biên Hòa, nơi có hệ thống giao thông phát triển mật độ dân cư đông Bản đồ suất liều xem phần đơn giản đồ phông phóng xạ Đặc điểm đồ suất liều đơn giản việc lấy mẫu dùng để khảo sát sơ mức phông thiên nhiên vùng nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Số đo suất liều phóng xạ thành phố Biên Hòa dùng làm số liệu vẽ đồ suất liều, qua minh họa việc vẽ đồ phông phóng xạ môi trường Việc đo suất liều tiến hành máy đo liều cầm tay Inspector dùng máy định vị toàn cầu (GPS) Garmin để xác định tọa độ điểm cần đo Vị trí lấy mẫu chọn cách ngẫu nhiên cho phân bố tương đối đồng trung tâm thành phố Các số liệu thu thập đưa vào phần mềm máy tính Sau sử dụng phần mềm Surfer 8.0 để nội suy phần mềm Mapinfo 9.0 vẽ đồ suất liều Một số chỉnh sửa thực phần mềm bổ sung khác Việc đánh giá mức phông phóng xạ dựa tiêu chuẩn Việt Nam tiêu chuẩn Cơ quan Năng lượng nguyên tử Quốc tế (IAEA) CHƯƠNG TỔNG QUAN I MỘT SỐ KHÁI NIỆM VỀ PHÓNG XẠ I.1 Các đơn vị đo lường thường dùng An toàn xạ Thực nghiệm cho thấy tác dụng sinh học tia phóng xạ phụ thuộc chủ yếu vào lượng lượng tia phóng xạ truyền cho vật chất Lượng lượng phụ thuộc lượng loại tia phóng xạ, thời gian chiếu tính chất vật bị chiếu xạ Trong thực tế, để đo tác dụng xạ ion hóa người ta phân biệt liều chiếu liều hấp thụ Liều chiếu (Exposure dose), kí hiệu X, tỉ số giá trị tuyệt đối tổng điện tích dQ tất ion dấu tạo thể tích nguyên tố không khí X dQ dm Đơn vị liều chiếu C/kg Người ta thường dùng Roentgen (R) 1R = 2,58.10-4 C/kg Liều chiếu cho biết khả ion hóa không khí xạ vị trí Suất liều chiếu liều chiếu đơn vị thời gian Liều hấp thụ (Absorbed dose), kí hiệu D, tỉ số lượng trung bình d  mà xạ truyền cho vật chất thể tích nguyên tố khối lượng vật chất dm thể tích đó: D d dm Đơn vị liều hấp thụ Gray (Gy) Gy = J/kg Trước đơn vị rad thường dùng rad = 0,01 Gy Suất liều hấp thụ liều hấp thụ đơn vị thời gian, đơn vị Gy.s-1 - Tuy nhiên tác dụng sinh học loại xạ khác khác nên cần đưa định nghĩa liều tương đương Liều tương đương (Equivalent dose), kí hiệu H, đại lượng để đánh giá mức độ nguy hiểm loại xạ, tích liều hấp thụ D với trọng số xạ (Radiation Weighting Factor), kí hiệu WR H  D  WR Giá trị WR lớn với hạt alpha (WR = 20) với photon điện tử với lượng Bảng giá trị cụ thể tìm thấy tài liệu tham khảo [4] Đơn vị liều tương đương Sievert (Sv) Trước thường dùng rem với: rem = 0,01 Sv - Theo định nghĩa xem tất mô sinh học hay quan thể có độ nhạy cảm với xạ Trên thực tế mô quan có độ nhạy cảm xạ khác thể đại lượng gọi trọng số mô WT Khi tính đến yếu tố sử dụng đại lượng liều hiệu dụng Liều hiệu dụng (Effective dose) tích số liều tương đương H trọng số mô WT E  H  WT Tổng trọng số mô WT toàn thể Bảng giá trị cụ thể quan thể tìm thấy tài liệu tham khảo [4] Đơn vị đo liều hiệu dụng Sievert (Sv) Ta có mối liên hệ liều chiếu liều tương đương tia X tia gamma: mR/h = 10 Sv/h I.2 Phông phóng xạ môi trường Phông phóng xạ môi trường tạo từ nguồn phóng xạ tự nhiên (phông phóng xạ tự nhiên) nhân tạo Trong nguồn phóng xạ tự nhiên gồm: - Các nguyên tố phóng xạ tạo từ tia vũ trụ: 10Be, 26Al, 36Cl, 80Kr, 14C, 32Si, 39Ar, 22Na, 35S, 37 Ar, 33P, 32P, 38Mg, 24Na, 38S, 31Si, 18F, 39Cl, 38Cl, 34mCl Nhưng quan tâm đến nguyên tố bảng Bảng 1: Các nguyên tố phóng xạ quan tâm tạo từ tia vũ trụ Nguyên tố Carbon 14 Hydrogen Kí hiệu 14 C Phản ứng tạo rã thành 14 N(n,p)14C 5730 năm Tương tác tia H (Tritium) Beryllium Chu kỳ bán 12.3 năm vũ trụ với N O, Be Li(n, alpha) H Độ phổ biến pCi/g (0.22 Bq/g) chất hữu 0.032 pCi/kg (1.2 x 10-3 Bq/kg) 53.28 ngày Tương tác tia 0.27 pCi/kg (0.01 vũ trụ với N O Bq/kg) - Các nhân phóng xạ có Trái đất chủ yếu nguyên tố họ phóng xạ tự nhiên (Họ Urani, họ Thori họ Actini), K40 (bảng 2) Ngoài có nguyên tố khác 50V, 87Rb, 113 Cd, 115In, 123Te, 138La, 142Ce, 144Nd, 147Sm, 152Gd, 174Hf, 176Lu, 187Re, 190Pt, 192Pt, 209Bi Tuy nhiên độ phổ biến chúng thấp nên không cần quan tâm Bảng 2: Các nguyên tố phóng xạ quan tâm vỏ Trái đất Nguyên tố Ký Chu kỳ bán rã hiệu (năm) Độ phổ biến Uranium 235 235 U 7.04 x 108 năm Đồng vị chiếm 0.72% uranium tự nhiên Uranium 238 238 U 4.47 x 109 năm Thorium 232 232 Th 1.41 x 1010 năm Radium 226 226 Radon 222 222 Potassium 40 loại đá thông thường từ 0.5 đến 4.7 ppm Hàm lượng loại đá thông thường từ 1.6 đến 20 ppm 1.60 x 103 năm Hoạt độ riêng 0.42 pCi/g (16 Bq/kg) đá vôi Ra Rn 40 Nhiêu chất, chiếm 99.2745% uranium tự nhiên; hàm lượng 3.82 ngày Tồn phổ biến môi trường 1.28 x 109 năm Hoạt độ riêng đất khoảng 1-30 pCi/g (0.037-1.1 Bq/g) K Các nguyên tố phóng xạ nhân tạo quan tâm chủ yếu 137Cs, 90Sr, 239Pu sinh từ vụ thử vũ khí hạt nhân, cố lò phản ứng, rác thải sở hạt nhân Bảng trình bày chi tiết nguyên tố phóng xạ nhân tạo quan tâm Bảng 3: Các nguyên tố phóng xạ nhân tạo quan tâm Nguyên tố Kí hiệu Chu kì bán hủy Tritium Iodine 131 131 8.04 ngày Iodine 129 129 1.57 x 107 năm Cesium 137 Strontium 90 H I I 137 90 Nguồn gốc 12.3 năm Các vụ thử vũ khí hạt nhân Sản phẩm phân hạch từ vụ thử vũ khí hạt nhân phản ứng dây chuyền Cs 30.17 năm lò phản ứng Sr 28.78 năm Technetium 99 99 Plutonium 239 239 Tc Pu 2.11 x 105 năm Sản phẩn phân rã Mo- 99 2.41 x 104 năm 238 U+ n 239U 239Np+-  239Pu+- Theo IAEA, suất liều tương đương trung bình dân chúng toàn cầu 2,426 mSv/năm Trong nguồn phóng xạ tự nhiên đóng góp 2,00 mSv/năm, gồm thành phần (đơn vị mSv/ năm): Tia vũ trụ : 0,30 Radon : 1,37 K- 40 : 0.30 Các nguyên tố khác : 0.03 Nguồn phóng xạ nhân tạo đóng góp 0,426 mSv/năm, gồm thành phần (đơn vị mSv/năm): Chiếu xạ y tế : 0,400 Các vụ thử hạt nhân : 0,020 Điện nguyên tử : 0,001 Các sử dụng khác : 0,005 Hình 1-1: Các thành phần phông phóng xạ môi trường Mức phông thiên nhiên thường gần không đổi phạm vi toàn giới nằm khoảng 0.08 đến 0.15 Sv/h Tuy nhiên có số khu vực giới mức phông cao Đặc biệt số bờ biển Brazil, Ấn Độ, Trung Quốc, có nơi cao mức phông bình thường hàng chục lần Như trình bày, người sống Trái đất phải chịu liều xạ tự nhiên trung bình khoảng mSv/năm Phông không tính vào giới hạn liều cho dân chúng Theo khuyến cáo Ủy ban Quốc tế An toàn Bức xạ ICRP (International Commission on Radiological Protection), giới hạn liều dân chúng mSv/năm Như ta thấy mức giới hạn liều dân chúng ảnh hưởng nguồn xạ nửa mức phông thiên nhiên I.3 Các hiệu ứng xạ Trong phần trình bày vắn tắt hiệu ứng xạ mức thể Các hiệu ứng soma di truyền (genetic): Là hiệu ứng xạ xảy với thân người bị chiếu xạ xảy với cháu họ Các hiệu ứng soma chia thành hiệu ứng sớm muộn phụ thuộc vào thời gian từ lúc chiếu xạ đến lúc có triệu chứng bệnh Các hiệu ứng tất nhiên ngẫu nhiên: Theo độ lớn liều xạ, hiệu ứng xạ phân thành hiệu ứng tất nhiên (nonstochastic) hiệu ứng ngẫu nhiên (stochastic) Trong hiệu ứng tất nhiên tồn giá trị liều ngưỡng giá trị nhỏ xảy hiệu ứng Đối với hiệu ứng ngẫu nhiên không tồn giá trị ngưỡng nên hay gọi hiệu ứng ngưỡng không Như phông phóng xạ môi trường ảnh hưởng đến người qua hiệu ứng ngẫu nhiên, đặc biệt vùng có phông phóng xạ cao nhiều lần mức cho phép II MỘT SỐ KHÁI NIỆM VỀ BẢN ĐỒ HỌC II.1 Bản đồ - Theo Hiệp hội Bản đồ quốc tế: đồ thể đặc điểm vật chất tượng liên quan đến bề mặt Trái đất theo tỷ lệ mặt phẳng Khi biểu diễn bề mặt thực địa phạm vi hẹp, không tính đến ảnh hưởng độ cong đất ta gọi bình đồ Khi phạm vi biểu diễn rộng, ảnh hưởng độ cong đất bỏ qua ta gọi đồ Tuy nhiên theo định nghĩa ta gọi chung đồ - Trong thực tế có hai kiểu đồ: đồ địa hình đồ chuyên đề - Bản đồ địa hình (topographic map) trình bày đặc điểm tự nhiên, hình dạng bề mặt đất - Bản đồ chuyên đề (thematic map) trình bày yếu tố địa lý: khí hậu, mật độ dân số, kiểu đất, thủy văn - Đặc điểm đồ: - Thường tổng quát hóa, trừu tượng hóa - Chỉ trạng thái tĩnh - Thường có tính nghệ thuật cao - Ngoài chức quen thuộc hiển thị, lưu trữ liệu, đồ dùng bảng liệt kê không gian (cho thấy ranh giới vùng) - Khi xây dựng đồ cần thỏa yêu cầu: - Lựa chọn số đặc điểm giới thực - Phân loại đặc điểm lựa chọn theo nhóm - Khái quát hóa đối tượng - Cường điệu hóa số đối tượng tượng nhỏ theo tỉ lệ - Tượng trưng hóa để thể lớp có đặc điểm khác II.2 Phép chiếu Nhiều phép chiếu khác để biểu diễn bề mặt Trái đất lên mặt phẳng với độ biến dạng nhỏ nhà khoa học đề xuất phép chiếu hình trụ ngang Gauss áp dụng phổ biến Hình 1-2: Phép chiếu hình trụ ngang Phép chiếu Gauss chia toàn Trái đất thành 60 phần, phần giới hạn hai kinh tuyến có hiệu kinh độ 6o (gọi múi chiếu) Trong múi chiếu có kinh tuyến chia múi làm hai phân gọi kinh tuyến trục Đặt cầu Trái đất nội tiếp hình trụ nằm ngang cho chúng tiếp xúc theo đường kinh tuyến trục, trục hình trụ nằm mặt phẳng xích đạo Tiến hành chiếu múi sau cắt hình trụ theo đường sinh trải lên mặt phẳng Trong hình chiếu Gauss, điều kiện bảo toàn góc thỏa Múi chiếu 6o thành lập đồ tỷ lệ 1/10 000 với sai số mức chấp nhận Phép chiếu UTM (Universal Transverse of Mecator) phép chiếu hình trụ ngang đồng góc không tiếp xúc với mặt trụ kinh tuyến trục phép chiếu Gauss mà cắt theo hai cát tuyến cách kinh tuyến trục 180 km Cách chiếu giảm sai số biến dạng biên phân bố phạm vi múi chiếu 6o