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 5 năm 2009


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện luận văn, ngoài sự nỗ lực của bản thân, em đã nhận
được nhiều sự quan tâm, hướng dẫn, giúp đỡ của bố mẹ, thầy cô và các bạn. Em xin
bày tỏ lòng biết ơn đến:
Thầy Thái Khắc Định và thầy Trần Tuấn Tú đã hướng dẫn chuyên môn,
động viên và cung cấp các thiết bị cần thiết giúp em thực hiện luận văn này.
Quý thầy, cô khoa Vật lý, trường Đại học Sư Phạm TP. Hồ Chí Minh đã
truyền đạt cho em những kiến thức trong suốt những năm qua để em tự tin khi thực
hiện đề tài.
Anh Phạm Đặng Mạnh Hồng Luân đã hướng dẫn cách sử dụng các phần
mềm dùng trong luận văn.
Cảm ơn gia đình đã luôn động viên và ủng hộ con hoàn thành luận văn này
trong điều kiện tốt nhất.

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài, mục tiêu đề tài
Các hoạt động của con người (Công nghiệp hóa, đô thị hóa, thăm dò, khai thác, chế biến tài
nguyên thiên nhiên...) ngày càng tác động mạnh mẽ đến môi trường. Vì thế mối quan tâm của Khoa
học và Công nghệ trong nghiên cứu và kiểm soát chất lượng môi trường ngày càng lớn. Phóng xạ môi
trường là một trong những chỉ số chất lượng môi trường quan trọng, được xã hội đặc biệt quan tâm vì
những tác động của tia phóng xạ lên cơ thể tuy không nhận biết được bằng các giác quan nhưng rất
phức tạp, để lại những hậu quả tức thời và lâu dài.
Nghiên cứu, kiểm soát phóng xạ môi trường bắt đầu bằng việc xác định hoạt độ của các nguyên
tố phóng xạ tự nhiên và nhân tạo trên một vùng quan tâm. Dựa trên các số liệu đo đạc, chúng ta có thể
xây dựng một bản đồ thể hiện phông phóng xạ của vùng. Việc thu nhận, lưu trữ, phân tích khối dữ liệu
lớn liên quan đến vấn đề này (bao gồm thông tin địa lý và thông tin về phóng xạ) đòi hỏi một công
nghệ tiên tiến để giúp con người tiết kiệm công sức, thời gian, kinh phí.
Ngày nay thông tin địa lý được số hóa nhờ khoa học máy tính làm cho hiệu quả thông tin đạt
một tầm cao mới và công nghệ GIS trở thành một công cụ hữu ích phục vụ cho vấn đề xây dựng bản
đồ phông phóng xạ.
Đề tài “Ứng dụng kỹ thuật GIS xây dựng bản đồ phông phóng xạ môi trường” mô tả các bước
vẽ bản đồ phóng xạ bằng phần mềm MAPINFO 9.0 kết hợp với Surfer 8.0 thông qua việc vẽ bản đồ
thể hiện số đo suất liều tại thành phố Biên Hòa. Sau khi có bản đồ, đề tài sẽ đánh giá việc lấy mẫu và
phân tích vấn đề vẽ bản đồ phóng xạ.
Đề tài gồm ba chương:
Chương I

: Giới thiệu tổng quan về các vấn đề liên quan đến đề tài.

Chương II

: Trình bày về Hệ thống thông tin địa lý (GIS)

Chương III

: Trình bày ứng dụng GIS xây dựng bản đồ phóng xạ, phân tích kết quả bản đồ

suất liều do đề tài thực hiện.
Và kết luận, đề xuất giải pháp, khuyến nghị.

2. Mục đích nghiên cứu
Vấn đề vẽ bản đồ phông phóng xạ môi trường rất rộng lớn và chuyên sâu, bao gồm nhiều qui
trình. Công việc cuối cùng là truyền đạt thông tin đến người sử dụng qua bản đồ mô tả phông phóng xạ
một cách trực quan. Vì vậy mục đích nghiên cứu chính của đề tài là tiếp cận công nghệ GIS nhằm sử
dụng để xây dựng bản đồ phông phóng xạ môi trường, mô tả trực quan phông phóng xạ trong khu vực.
Bản đồ được xây dựng với GIS sẽ có những ưu điểm vượt trội so với bản đồ giấy thông thường.


Trong quá trình thực hiện, đề tài thu thập số đo suất liều tại thành phố Biên Hòa và vẽ bản đồ
suất liều của thành phố này. Qua đó sẽ tìm các điểm có phóng xạ cao bất thường trên địa bàn thành
phố. Việc xây dựng bản đồ suất liều giúp minh họa việc vẽ bản đồ phông phóng xạ môi trường.

3. Giới hạn nghiên cứu
Việc xây dựng bản đồ phóng xạ đòi hỏi yêu cầu cao về thời gian, kinh phí, thiết bị và nhân lực
nên đề tài này chỉ vẽ bản đồ thể hiện số đo suất liều phóng xạ, gọi tắt là bản đồ suất liều phóng xạ, tập
trung tại trung tâm thành phố Biên Hòa, nơi có hệ thống giao thông phát triển và mật độ dân cư đông.
Bản đồ suất liều có thể được xem là một phần đơn giản của bản đồ phông phóng xạ. Đặc điểm
của bản đồ suất liều là đơn giản trong việc lấy mẫu và có thể được dùng để khảo sát sơ bộ mức phông
thiên nhiên tại vùng nghiên cứu.

4. Phương pháp nghiên cứu
Số đo suất liều phóng xạ tại thành phố Biên Hòa được dùng làm số liệu vẽ bản đồ suất liều, qua
đó sẽ minh họa việc vẽ bản đồ phông phóng xạ môi trường.
Việc đo suất liều được tiến hành bằng máy đo liều cầm tay Inspector và dùng máy định vị toàn

cầu (GPS) Garmin để xác định tọa độ của điểm cần đo.
Vị trí lấy mẫu được chọn một cách ngẫu nhiên sao cho phân bố tương đối đồng đều tại trung
tâm thành phố. Các số liệu thu thập được đưa vào phần mềm máy tính. Sau đó sử dụng phần mềm
Surfer 8.0 để nội suy và phần mềm Mapinfo 9.0 vẽ bản đồ suất liều. Một số chỉnh sửa sẽ được thực
hiện trên các phần mềm bổ sung khác.
Việc đánh giá mức phông phóng xạ dựa trên các tiêu chuẩn của Việt Nam và cũng là tiêu chuẩn
của Cơ quan Năng lượng nguyên tử Quốc tế (IAEA).


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
I. MỘT SỐ KHÁI NIỆM VỀ PHÓNG XẠ
I.1. Các đơn vị đo lường thường dùng trong An toàn bức xạ
Thực nghiệm cho thấy tác dụng sinh học của tia phóng xạ phụ thuộc chủ yếu vào lượng năng
lượng tia phóng xạ truyền cho vật chất. Lượng năng lượng này phụ thuộc năng lượng và loại tia phóng
xạ, thời gian chiếu và tính chất của vật bị chiếu xạ.
Trong thực tế, để đo tác dụng của bức xạ ion hóa người ta phân biệt liều chiếu và liều hấp thụ.
Liều chiếu (Exposure dose), kí hiệu X, là tỉ số giữa giá trị tuyệt đối tổng điện tích dQ của tất cả
các ion cùng dấu được tạo ra trong một thể tích nguyên tố của không khí.
X

dQ
dm

Đơn vị liều chiếu là C/kg. Người ta thường dùng là Roentgen (R).
1R = 2,58.10-4 C/kg
Liều chiếu cho biết khả năng ion hóa không khí của bức xạ tại một vị trí.
Suất liều chiếu là liều chiếu trong một đơn vị thời gian.
Liều hấp thụ (Absorbed dose), kí hiệu D, là tỉ số giữa năng lượng trung bình d  mà bức xạ
truyền cho vật chất trong thể tích nguyên tố và khối lượng vật chất dm của thể tích đó:
D

d
dm

Đơn vị liều hấp thụ là Gray (Gy).
1 Gy = 1 J/kg
Trước đây đơn vị rad thường được dùng.
1 rad = 0,01 Gy
Suất liều hấp thụ là liều hấp thụ trong một đơn vị thời gian, đơn vị Gy.s-1.
- Tuy nhiên tác dụng sinh học của các loại bức xạ khác nhau là khác nhau nên cần đưa ra định
nghĩa liều tương đương.
Liều tương đương (Equivalent dose), kí hiệu H, là đại lượng để đánh giá mức độ nguy hiểm của
các loại bức xạ, bằng tích của liều hấp thụ D với trọng số bức xạ (Radiation Weighting Factor), kí hiệu
là WR.
H  D  WR

Giá trị của WR lớn nhất với hạt alpha (WR = 20) và bằng 1 với photon và điện tử với mọi năng
lượng. Bảng giá trị cụ thể có thể tìm thấy trong tài liệu tham khảo [4].


Đơn vị liều tương đương là Sievert (Sv).
Trước đây thường dùng rem với:
1 rem = 0,01 Sv
- Theo định nghĩa trên chúng ta xem tất cả các mô sinh học hay cơ quan trong cơ thể có cùng
một độ nhạy cảm với bức xạ. Trên thực tế các mô và các cơ quan có độ nhạy cảm bức xạ khác nhau thể
hiện bởi đại lượng gọi là trọng số mô WT. Khi tính đến yếu tố này chúng ta sử dụng đại lượng liều hiệu
dụng.
Liều hiệu dụng (Effective dose) bằng tích số của liều tương đương H và trọng số mô WT.
E  H  WT

Tổng trọng số mô WT toàn cơ thể bằng 1. Bảng giá trị cụ thể của từng cơ quan trong cơ thể có
thể tìm thấy trong tài liệu tham khảo [4].
Đơn vị đo liều hiệu dụng là Sievert (Sv).
Ta có mối liên hệ giữa liều chiếu và liều tương đương đối với tia X và tia gamma:
1 mR/h = 10 Sv/h

I.2. Phông phóng xạ môi trường
Phông phóng xạ môi trường được tạo ra từ các nguồn phóng xạ tự nhiên (phông phóng xạ tự
nhiên) và nhân tạo. Trong đó nguồn phóng xạ tự nhiên gồm:
- Các nguyên tố phóng xạ tạo ra từ các 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 chúng ta chỉ quan tâm đến các nguyên

tố trong bảng 1.
Bảng 1: Các nguyên tố phóng xạ quan tâm tạo ra từ tia vũ trụ

Nguyên tố

Carbon 14

Hydrogen 3

Kí hiệu

14

C

Phản ứng tạo

rã

thành
14

N(n,p)14C

5730 năm

Tương tác giữa tia
3

H

(Tritium)
Beryllium 7

Chu kỳ bán

12.3 năm vũ trụ với N và O,
6

7

Be

3

Li(n, alpha) H

Độ phổ biến
6 pCi/g (0.22 Bq/g)
trong các chất hữu cơ
0.032 pCi/kg
(1.2 x 10-3 Bq/kg)

53.28 ngày Tương tác của tia 0.27 pCi/kg (0.01


vũ trụ với N và O. Bq/kg)

- Các nhân phóng xạ có trên Trái đất chủ yếu là những nguyên tố của 3 họ phóng xạ tự nhiên
(Họ Urani, họ Thori và họ Actini), K40 (bảng 2). Ngoài ra còn có các nguyên tố khác như 50V, 87Rb,
113

Cd, 115In, 123Te, 138La, 142Ce, 144Nd, 147Sm, 152Gd, 174Hf, 176Lu, 187Re, 190Pt, 192Pt, 209Bi. Tuy nhiên độ

phổ biến của chúng thấp nên không cần quan tâm.
Bảng 2: Các nguyên tố phóng xạ quan tâm trong 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

trong các loại đá thông thường từ 0.5 đến 4.7 ppm.
Hàm lượng trong các 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) trong đá vôi.

Ra

Rn

40

Nhiêu chất, chiếm 99.2745% uranium tự nhiên; hàm lượng

3.82 ngày Tồn tại khá phổ biến trong môi trường.
1.28 x 109 năm Hoạt độ riêng trong đất khoảng 1-30 pCi/g (0.037-1.1 Bq/g)

K

Các nguyên tố phóng xạ nhân tạo được quan tâm chủ yếu là 137Cs, 90Sr, 239Pu sinh ra từ các vụ
thử vũ khí hạt nhân, các sự cố lò phản ứng, rác thải của các cơ sở hạt nhân.... Bảng 3 trình bày chi tiết
các 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

3

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 các vụ thử vũ
khí hạt nhân và phản ứng dây chuyền

Cs

30.17 năm trong lò phản ứng.

Sr

28.78 năm


Technetium 99

99

Plutonium 239

239

Tc
Pu

2.11 x 105 năm Sản phẩn phân rã của Mo- 99.
2.41 x 104 năm

238

U+ n 239U 239Np+-  239Pu+-

Theo IAEA, suất liều tương đương trung bình của dân chúng toàn cầu là 2,426 mSv/năm. Trong
đó nguồn phóng xạ tự nhiên đóng góp 2,00 mSv/năm, gồm các 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 các 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 của phông phóng xạ môi trường

Mức phông thiên nhiên thường gần như không đổi trên phạm vi toàn thế giới và nằm trong
khoảng 0.08 đến 0.15 Sv/h. Tuy nhiên có một số khu vực trên thế giới mức phông này rất cao. Đặc
biệt là một số bờ biển tại Brazil, Ấn Độ, Trung Quốc, có nơi cao hơn mức phông bình thường hàng
chục lần.
Như đã trình bày, mỗi người sống trên Trái đất phải chịu liều bức xạ tự nhiên trung bình khoảng
2 mSv/năm. Phông này không tính vào giới hạn liều cho dân chúng. Theo khuyến cáo của Ủy ban
Quốc tế về An toàn Bức xạ ICRP (International Commission on Radiological Protection), giới hạn liều


đối với dân chúng là 1 mSv/năm. Như vậy ta thấy mức giới hạn liều đối với dân chúng do ảnh hưởng
của các nguồn bức xạ chỉ bằng một nửa mức phông thiên nhiên.

I.3. Các hiệu ứng của bức xạ
Trong phần này sẽ trình bày vắn tắt các hiệu ứng của bức xạ ở mức cơ thể.
Các hiệu ứng soma và di truyền (genetic):
Là hiệu ứng bức xạ có thể xảy ra với bản thân người bị chiếu xạ và cũng có thể xảy ra với con
cháu của họ.
Các hiệu ứng soma được chia thành các hiệu ứng sớm và muộn phụ thuộc vào thời gian từ lúc
chiếu xạ đến lúc có triệu chứng bệnh.
Các hiệu ứng tất nhiên và ngẫu nhiên:
Theo độ lớn của liều xạ, các hiệu ứng bức xạ được phân thành các hiệu ứng tất nhiên (nonstochastic) và các hiệu ứng ngẫu nhiên (stochastic). Trong các hiệu ứng tất nhiên tồn tại một giá trị liều

ngưỡng là giá trị nhỏ nhất có thể xảy ra hiệu ứng. Đối với các hiệu ứng ngẫu nhiên thì không tồn tại giá
trị ngưỡng này nên hay gọi là hiệu ứng ngưỡng không.
Như vậy phông phóng xạ môi trường ảnh hưởng đến con người qua các hiệu ứng ngẫu nhiên,
đặc biệt tại những vùng có phông phóng xạ cao hơn 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: bản đồ là sự thể hiện các đặc điểm vật chất hoặc hiện tượng
liên quan đến bề mặt Trái đất theo tỷ lệ trên một mặt phẳng.
Khi biểu diễn bề mặt thực địa trên một phạm vi hẹp, không tính đến ảnh hưởng độ cong quả đất
ta gọi là bình đồ. Khi phạm vi biểu diễn rộng, ảnh hưởng độ cong quả đất không thể bỏ qua ta gọi là
bản đồ. Tuy nhiên theo định nghĩa trên ta có thể gọi chung là bản đồ.
- Trong thực tế có hai kiểu bản đồ: bản đồ địa hình và bản đồ chuyên đề.
-

Bản đồ địa hình (topographic map) trình bày các đặc điểm tự nhiên, hình dạng bề mặt
đất.

-

Bản đồ chuyên đề (thematic map) trình bày các yếu tố địa lý: khí hậu, mật độ dân số,
kiểu đất, thủy văn...

- Đặc điểm chính của bản đồ:
-

Thường được tổng quát hóa, trừu tượng hóa.

-

Chỉ ra các trạng thái tĩnh.


-

Thường có tính nghệ thuật cao.

- Ngoài chức năng quen thuộc như hiển thị, lưu trữ dữ liệu, bản đồ còn được dùng như là bảng
liệt kê không gian (cho thấy ranh giới các vùng).
- Khi xây dựng bản đồ cần thỏa các yêu cầu:
-

Lựa chọn một số đặc điểm của thế giới thực.

-

Phân loại các đặc điểm được lựa chọn theo nhóm.

-

Khái quát hóa đối tượng.

-

Cường điệu hóa một số đối tượng và hiện tượng quá nhỏ theo tỉ lệ.

-

Tượng trưng hóa để thể hiện các lớp có đặc điểm khác nhau.

II.2. Phép chiếu
Nhiều phép chiếu khác nhau để biểu diễn bề mặt Trái đất lên mặt phẳng với độ biến dạng nhỏ
nhất đã được các nhà khoa học đề xuất nhưng phép chiếu hình trụ ngang Gauss được áp dụng rất phổ
biến.

Hình 1-2: Phép chiếu hình trụ ngang

Phép chiếu Gauss chia toàn bộ Trái đất thành 60 phần, mỗi phần được giới hạn bởi hai kinh
tuyến có hiệu kinh độ là 6o (gọi là múi chiếu). Trong mỗi múi chiếu có kinh tuyến giữa chia múi làm
hai phân bằng nhau gọi là kinh tuyến trục.
Đặt quả cầu Trái đất nội tiếp hình trụ nằm ngang sao cho chúng tiếp xúc nhau theo đường kinh
tuyến trục, trục của hình trụ nằm trên mặt phẳng xích đạo. Tiến hành chiếu từng múi sau đó cắt hình
trụ theo đường sinh rồi trải lên mặt phẳng. Trong hình chiếu Gauss, điều kiện bảo toàn góc được thỏa.
Múi chiếu 6o có thể thành lập bản đồ tỷ lệ 1/10 000 với sai số ở mức chấp nhận được.
Phép chiếu UTM (Universal Transverse of Mecator) cũng là phép chiếu hình trụ ngang đồng
góc nhưng không tiếp xúc với mặt trụ tại các kinh tuyến trục như phép chiếu Gauss mà cắt nó theo hai
cát tuyến cách kinh tuyến trục 180 km. Cách chiếu như vậy sẽ giảm được sai số biến dạng ở ngoài biên
và phân bố đều trong phạm vi múi chiếu 6o.