CN107633148A - 一种用于核设施废气扩散的数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于数值模拟技术领域，具体涉及一种GIS支持下的核设施废气扩散数值模拟方法。本发明包括如下步骤：步骤1、数据预处理：步骤1.1、数据表经过数字化形成图层，导入数据库，分别离散化为控制点数据和网格层数据两种类型；步骤1.2、根据废气的剂量建立(x,y,z)坐标系；步骤1.3、根据气象数据建立坐标系，确定污染区范围；步骤2、模拟计算：步骤2.1、将步骤1经预处理的数据，导入核素扩散模型，建立最优模型；步骤2.2、获得网格中心点绝对坐标和浓度数据；步骤2.3、计算同一坐标下的核素浓度数据随时间变化结果；步骤3、GIS模拟输出。本发明能够模拟污染风险空间量化评估结果，为有关决策提供技术支持。

Description

一种用于核设施废气扩散的数值模拟方法

技术领域

本发明属于数值模拟技术领域，具体涉及一种GIS支持下的核设施废气扩散数值模拟方法。

背景技术

在核能的生产和消费活动中，会产生目前技术下无法回收或者不值得回收利用的废弃物，按照这些废弃物的物理性状，可分为气载废物、液态废物和固体废物。气载废物中所含的放射性核素随设施而异，铀矿冶厂废气中主要核素是铀、钍、镭、氡及其子体，核动力厂废气主要组分是惰性气体、气溶胶、³H和¹⁴C，后处理厂的废气中常常含有²³⁹Pu、²²⁶Ra和²²²Rn，反应堆会产生碘废气。此外，废气中可能还含有非放有害物质，铀同位素厂废气中含有较多的HF和F₂，后处理厂废气中含有较多的氮氧化物，焚烧炉废气中含有较多的CO₂、NO_x和SO₂。核设施经气体流出物排入大气的放射性物质，将向下风向输运，并随着大气的混合过程弥散，以降雨沉降、下垫面碰撞或重力沉降落入地面。经水体、植物、动物等方式进入人体，在较长的时间内形成内照射。

因此，我国规定了严格的废气管控规范，将核设施经气体途径对人的影响区分为：源项、输运过程、污染介质、照射方式和剂量5个环节。在实际反应堆的运行中，冷却剂***极少量的腐蚀产物与固态裂变产物会随着***的泄露，在核岛厂房内部形成气溶胶。研究重点应该放在这部分气溶胶的扩散途径上，掌握其透过放射性废气处理***和厂房通风***后，逸散到自然环境中的规律和量值，为科学评估其对环境带来的不利影响提供依据。

分析现有的研究手段，存在三个明显的不足：

一是扩散模型缺乏气象数据与地面核素监测数据的合理结合。分别在地面和空中两个尺度获取气象和核素数据，引入气体弥散模型，探索综合作用的效果。这种分离处理思路，对于数据积累较多的典型核素，有较高的准确率。但由于忽略了厂址附近背景放射性的干扰，存在固有的模拟误差，在微量核素扩散模拟方面，会产生较大的误差；

二是扩散模拟忽视了核设施所处微自然环境。现有的试验方法和数值模拟技术，基于经验模拟和纯数学计算，不能有效地将地形、地貌和下垫面类型作为参数引入到扩散模型中。而核设施废气中核素含量属于微量级，在忽视局部小环境下，模拟的可靠性值得怀疑。

三是信息化水平不足。利用所建立的废气扩散数值模拟模型作为基本的组成部分，不但具有数据管理功能，而且包括GIS、数据分析、可视化、仿真模型、最优化处理和专家***等各项功能。拥有上述各项功能的综合废气评价***是最近几年新开发的大气扩散评价模型***的共同特点，也是核设施废气扩散数值模拟技术共同的发展趋势。

发明内容

本发明解决的技术问题：针对现有技术的不足，本发明提供一种用于核设施废气扩散的数值模拟方法，能够模拟污染风险空间量化评估结果，为有关决策提供技术支持。

本发明采用的技术方案：

一种用于核设施废气扩散的数值模拟方法，包括如下步骤：

步骤1、数据预处理：

步骤1.1、数据表经过数字化形成图层，图层通过ArcSDE导入数据库，将数据库中的图层分别离散化为控制点数据和网格层数据两种类型；

步骤1.2、根据废气的剂量建立(x,y,z)坐标系；

步骤1.3、根据气象数据建立坐标系，确定污染区范围；

步骤2、模拟计算：

步骤2.1、将步骤1经预处理的数据，导入核素扩散模型，建立最优模型；

步骤2.2、将模型计算结果，根据中心点层创建浓度和坐标字段，获得网格中心点绝对坐标和浓度数据；

步骤2.3、引入数据获取时间因子，计算同一坐标下的核素浓度数据随时间变化结果，实现专题图显示；

步骤3、GIS模拟输出。

所述步骤1.1的具体步骤为：数据表经过数字化过程为，根据核设施废气空间数据库建设的实际情况，在数据分层和拓扑处理后录入属性数据，属性数据一般采用批量输入的方式，分要素输入该实体的属性信息；将所有的数据来源、不同的格式、不同的比例尺问题文件格式，统一转换为Shape矢量格式，经投影统一导入到空间数据库中；将服务器端ArcSDE连接到SQL Server，将空间数据导入SQL Server数据库的一系列表格中。导入软件是ArcGIS Desktop的ArcCatalog模块，按照向导一步步导入空间数据，即可实现数据库中的图层分别离散化为控制点数据和网格层数据两种类型。

所述步骤1.2的具体步骤为：核设施废气剂量设置为点状的(x,y,z)坐标，点数据坐标属性表包括监测或取样点、监测取样频率、取样量、采用仪器、测量时间、数据质量、数据处理方法、监测结果等数据。

所述步骤1.3的具体步骤为：污染区范围综合考虑的因素有流出物化学成分、气溶胶粒度分布、排风速度、受影响区域风向、风速，确定污染区范围。

所述步骤2.1的具体步骤为：建模过程为：核设施废气中的核素在空间中符合高斯分布，假设大气风速是均匀和稳定的，且在扩散过程中核素物质的质量是守恒的；在建模时，首先建立瞬时单烟团扩散模型，接着假设核设施源强随着时间分布连续均匀，建立点源烟羽扩散模型；

假定核设施核素瞬时释放，且在空间中按正态方式扩散，则单位容积核素的浓度变化为：

[C(x,y,z,t)/Q(x₀,y₀,z₀,t₀)]＝[(2π)^3/2σ_xσ_yσ_z]^-1×

exp{-0.5[(x-x₀-x')²/σ_x ²+(y-y₀-y')²/σ_y ²+(z-z₀-z')²/σ_z ²]}

将瞬时单核素团设置为连续排放模式，可以理解为排放是在时间上连续的多个核素团，对t₀从-∞到t求积分，得到连续排放核素下正态扩散模型：

C(x,y,z)＝Q(2πuσ_yσ_z)^-1exp[-y²/(2σ_y ²)]exp[-z²/(2σ_z ^e)]

式中，x，y，z，t分别为预测点的空间坐标和时刻；x₀，y₀，z₀，t₀为核素释放点初始空间坐标和初始时刻；x'，y'，z'为释放点中心在t-t₀时间段内的迁移距离，x'＝∫udt，y'＝∫vdt，z'＝∫wdt，u，v，w分别为核素释放点中心在x，y，z方向的速度分量；C为预测点的核素团瞬时浓度；Q为核素团瞬时排放量；σ_x，σ_y，σ_z为x，y，z方向的扩散参数，是扩散时间段T的函数，T＝t-t₀。

所述步骤2.2的具体步骤为：考虑到地表受热后大气增温，引起对流，从下而上，下层空气强烈混合，大气层结趋于接近干绝热递减率，此层大气称为混合层，这一混合层伸展的高度称为混合层高度；在国家标准文件中对混合层高度做了规定，按照地域，将我国大气层稳定度分为A，B，C，D，E，F六个参数查找选项，前四项计算公式一致，后两项计算公式相同。可以基于风速、地转角速度和地理纬度等参数，得出混合层高度估算值，获得网格中心点绝对坐标和浓度数据。

所述步骤2.3的具体步骤为：根据回归系数和回归指数，建立经验函数，得出废气的垂直和水平扩散参数σy、σz；烟气有效排放高度He计算方法为：He＝H+△H，其中H为烟囱的绝对高度；△H为烟气的抬升高度。

所述步骤3的具体步骤为：

步骤3.1、侧重点源污染物评价和分析，实现核素分布网格分级法模拟输出；

第一步用大量固定的计算点将整个模拟区域离散化，以便计算扩散的污染物浓度；第二步确定污染源影响的范围；第三步把计算得到的气象参数和污染源数据代入大气扩散模型，分别计算出此污染源对所有固定计算点造成的污染物浓度值；第四步对每一个污染源重复执行步骤第二步、第三步，直到遍历完所有固定点；第五步根据所有固定计算点保存的浓度值，生成专题图，实现核素分布网格分级法模拟输出；

步骤3.2、侧重线状污染物评价和分析，实现核素分布等值线分级法模拟输出；

在步骤3.1的基础上，将核素分布网格数据进行趋势面计算，转化为等值线数据，实现核素分布等值线分级法模拟输出；

步骤3.3、侧重面状污染物评价和分析，实现核素分布栅格分级法模拟输出；

在步骤3.2的基础上，将核素分布网格数据进行线装数据转化为面状数据的矢量栅格数据转化，转化为栅格分级数据，实现核素分布栅格分级法模拟输出。

本发明的有益效果：

(1)本发明提供一种用于核设施废气扩散的数值模拟方法，在大气扩散模拟研究中，GIS可作为复杂的大气模式的输入数据集成器。利用GIS不仅可以采集、管理巨量的环境数据，并能将这些数据按模式的需要以不同比例尺、不同精度、不同投影方式、不同格式反馈给模型，实现气象数据与地面核素监测数据的合理结合；

(2)本发明提供一种用于涵盖核设施所处微自然环境的废气扩散的数值模拟方法，GIS能够比较精细地给出模式所需的地表生态类型(如植被、水体、裸地、城市等)，并可确定下边界条件。对模式输入数据的前期处理，使模式的精度有所提高，为核设施选址提供大气扩散模拟信息，在核安全应急时，能够快速掌握核素迁移的途径；

(3)本发明提供的用于核设施废气扩散的数值模拟方法，能够成为信息化的计算模型和依据。在核设施选址中，提供气载放射性核素模拟，在计算机语言支持下，能够为相关决策提供科学依据，具有较强的推广价值。

附图说明

图1为本发明提供的一种用于核设施废气扩散的数值模拟方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种用于核设施废气扩散的数值模拟方法作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种用于核设施废气扩散的数值模拟方法，包括如下步骤：

步骤1、数据预处理

步骤1.1、数据表经过数字化形成图层，图层通过ArcSDE导入数据库，将数据库中的图层分别离散化为控制点数据和网格层数据两种类型；

数据表经过数字化过程为，根据核设施废气空间数据库建设的实际情况，在数据分层和拓扑处理后录入属性数据，属性数据一般采用批量输入的方式，分要素输入该实体的属性信息。将所有的数据来源、不同的格式、不同的比例尺问题文件格式，统一转换为Shape矢量格式，经投影统一导入到空间数据库中。将服务器端ArcSDE连接到SQL Server，将空间数据导入SQL Server数据库的一系列表格中。导入软件是ArcGIS Desktop的ArcCatalog模块，按照向导一步步导入空间数据，即可实现数据库中的图层分别离散化为控制点数据和网格层数据两种类型。

步骤1.2、根据废气的剂量建立(x,y,z)坐标系；

核设施废气剂量设置为点状的(x,y,z)坐标，点数据坐标属性表包括监测或取样点、监测取样频率、取样量、采用仪器、测量时间、数据质量、数据处理方法、监测结果等数据。

步骤1.3、根据气象数据建立坐标系，确定污染区范围；

污染区范围综合考虑的因素有流出物化学成分、气溶胶粒度分布、排风速度、受影响区域风向、风速，确定污染区范围。

步骤2、模拟计算

步骤2.1、将步骤1经预处理的数据，导入核素扩散模型，建立最优模型；

建模过程为：核设施废气中的核素在空间中符合高斯分布，假设大气风速是均匀和稳定的，且在扩散过程中核素物质的质量是守恒的。在建模时，首先建立瞬时单烟团扩散模型，接着假设核设施源强随着时间分布连续均匀，建立点源烟羽扩散模型。

假定核设施核素瞬时释放，且在空间中按正态方式扩散，则单位容积核素的浓度变化为：

[C(x,y,z,t)/Q(x₀,y₀,z₀,t₀)]＝[(2π)^3/2σ_xσ_yσ_z]^-1×

exp{-0.5[(x-x₀-x')²/σ_x ²+(y-y₀-y')²/σ_y ²+(z-z₀-z')²/σ_z ²]}

将瞬时单核素团设置为连续排放模式，可以理解为排放是在时间上连续的多个核素团，对t₀从-∞到t求积分，得到连续排放核素下正态扩散模型：

C(x,y,z)＝Q(2πuσ_yσ_z)^-1exp[-y²/(2σ_y ²)]exp[-z²/(2σ_z ^e)]

式中，x，y，z，t分别为预测点的空间坐标和时刻；x₀，y₀，z₀，t₀为核素释放点初始空间坐标和初始时刻；x'，y'，z'为释放点中心在t-t₀时间段内的迁移距离，x'＝∫udt，y'＝∫vdt，z'＝∫wdt，u，v，w分别为核素释放点中心在x，y，z方向的速度分量；C为预测点的核素团瞬时浓度；Q为核素团瞬时排放量；σ_x，σ_y，σ_z为x，y，z方向的扩散参数，是扩散时间段T的函数，T＝t-t₀。

步骤2.2、将模型计算结果，根据中心点层创建浓度和坐标字段，获得网格中心点绝对坐标和浓度数据；

考虑到地表受热后大气增温，引起对流，从下而上，下层空气强烈混合，大气层结趋于接近干绝热递减率，此层大气称为混合层，这一混合层伸展的高度称为混合层高度。在国家标准(GB/T13201-91)文件中对混合层高度做了规定，按照地域，将我国大气层稳定度分为A，B，C，D，E，F六个参数查找选项，前四项计算公式一致，后两项计算公式相同。可以基于风速、地转角速度和地理纬度等参数，得出混合层高度估算值，获得网格中心点绝对坐标和浓度数据。

步骤2.3、引入数据获取时间因子，计算同一坐标下的核素浓度数据随时间变化结果，实现专题图显示；

污染物在大气中的扩散与浓度分布是在湍流作用下形成的，而湍流统计量与采样时间有关，因此扩散参数也与取样时间有关。根据回归系数和回归指数，建立经验函数，得出废气的垂直和水平扩散参数σy、σz。

烟气有效排放高度He计算方法为：He＝H+△H，其中H为烟囱的绝对高度；△H为烟气的抬升高度。根据国家标准HJ/T2.2-93《环境影响评价技术导则大气环境》中推荐的烟气抬升公式，计算有关系数。

步骤3、GIS模拟输出

步骤3.1、侧重点源污染物评价和分析，实现核素分布网格分级法模拟输出；

第一步用大量固定的计算点将整个模拟区域离散化，以便计算扩散的污染物浓度；第二步确定污染源影响的范围。一般认为一个污染源只会对下风向形成污染，因此先筛选出受此污染源影响的所有固定计算点；第三步把计算得到的气象参数和污染源数据代入大气扩散模型，分别计算出此污染源对所有固定计算点造成的污染物浓度值；第四步对每一个污染源重复执行步骤第二步、第三步，直到遍历完所有固定点；第五步根据所有固定计算点保存的浓度值，生成专题图，实现核素分布网格分级法模拟输出。

步骤3.2、侧重线状污染物评价和分析，实现核素分布等值线分级法模拟输出；

在步骤3.1的基础上，将核素分布网格数据进行趋势面计算，转化为等值线数据，实现核素分布等值线分级法模拟输出。趋势面是利用数学曲面模拟地理***要素在空间上的分布及变化趋势的一种数学方法，过回归分析原理，模拟核素数据在空间上的分布规律，展示核素数据在地域空间上的变化趋势。

步骤3.3、侧重面状污染物评价和分析，实现核素分布栅格分级法模拟输出；

在步骤3.2的基础上，将核素分布网格数据进行线装数据转化为面状数据的矢量栅格数据转化，转化为栅格分级数据，实现核素分布栅格分级法模拟输出。由矢量数据向栅格数据的转换过程为，由矢量数据所在的栅格行、列数表示，通过判定该矢量数据是否落人该栅格面积内来判断是否将其转化为栅格数据。

Claims (8)

1.一种用于核设施废气扩散的数值模拟方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤(1)、数据预处理：

步骤(1.1)、数据表经过数字化形成图层，图层通过ArcSDE导入数据库，将数据库中的图层分别离散化为控制点数据和网格层数据两种类型；

步骤(1.2)、根据废气的剂量建立(x,y,z)坐标系；

步骤(1.3)、根据气象数据建立坐标系，确定污染区范围；

步骤(2)、模拟计算：

步骤(2.1)、将步骤(1)经预处理的数据，导入核素扩散模型，建立最优模型；

步骤(2.2)、将模型计算结果，根据中心点层创建浓度和坐标字段，获得网格中心点绝对坐标和浓度数据；

步骤(2.3)、引入数据获取时间因子，计算同一坐标下的核素浓度数据随时间变化结果，实现专题图显示；

步骤(3)、GIS模拟输出。

2.根据权利要求1所述的一种用于核设施废气扩散的数值模拟方法，其特征在于：所述步骤(1.1)的具体步骤为：数据表经过数字化过程为，根据核设施废气空间数据库建设的实际情况，在数据分层和拓扑处理后录入属性数据，属性数据一般采用批量输入的方式，分要素输入该实体的属性信息；将所有的数据来源、不同的格式、不同的比例尺问题文件格式，统一转换为Shape矢量格式，经投影统一导入到空间数据库中；将服务器端ArcSDE连接到SQL Server，将空间数据导入SQL Server数据库的一系列表格中。导入软件是ArcGISDesktop的ArcCatalog模块，按照向导一步步导入空间数据，即可实现数据库中的图层分别离散化为控制点数据和网格层数据两种类型。

3.根据权利要求2所述的一种用于核设施废气扩散的数值模拟方法，其特征在于：所述步骤(1.2)的具体步骤为：核设施废气剂量设置为点状的(x,y,z)坐标，点数据坐标属性表包括监测或取样点、监测取样频率、取样量、采用仪器、测量时间、数据质量、数据处理方法、监测结果等数据。

4.根据权利要求3所述的一种用于核设施废气扩散的数值模拟方法，其特征在于：所述步骤(1.3)的具体步骤为：污染区范围综合考虑的因素有流出物化学成分、气溶胶粒度分布、排风速度、受影响区域风向、风速，确定污染区范围。

5.根据权利要求4所述的一种用于核设施废气扩散的数值模拟方法，其特征在于：所述步骤(2.1)的具体步骤为：建模过程为：核设施废气中的核素在空间中符合高斯分布，假设大气风速是均匀和稳定的，且在扩散过程中核素物质的质量是守恒的；在建模时，首先建立瞬时单烟团扩散模型，接着假设核设施源强随着时间分布连续均匀，建立点源烟羽扩散模型；

假定核设施核素瞬时释放，且在空间中按正态方式扩散，则单位容积核素的浓度变化为：

[C(x,y,z,t)/Q(x₀,y₀,z₀,t₀)]＝[(2π)^3/2σ_xσ_yσ_z]^-1×

exp{-0.5[(x-x₀-x')²/σ_x ²+(y-y₀-y')²/σ_y ²+(z-z₀-z')²/σ_z ²]}

将瞬时单核素团设置为连续排放模式，可以理解为排放是在时间上连续的多个核素团，对t₀从-∞到t求积分，得到连续排放核素下正态扩散模型：

C(x,y,z)＝Q(2πuσ_yσ_z)^-1exp[-y²/(2σ_y ²)]exp[-z²/(2σ_z ^e)]

式中，x，y，z，t分别为预测点的空间坐标和时刻；x₀，y₀，z₀，t₀为核素释放点初始空间坐标和初始时刻；x'，y'，z'为释放点中心在t-t₀时间段内的迁移距离，x'＝∫udt，y'＝∫vdt，z'＝∫wdt，u，v，w分别为核素释放点中心在x，y，z方向的速度分量；C为预测点的核素团瞬时浓度；Q为核素团瞬时排放量；σ_x，σ_y，σ_z为x，y，z方向的扩散参数，是扩散时间段T的函数，T＝t-t₀。

6.根据权利要求5所述的一种用于核设施废气扩散的数值模拟方法，其特征在于：所述步骤(2.2)的具体步骤为：考虑到地表受热后大气增温，引起对流，从下而上，下层空气强烈混合，大气层结趋于接近干绝热递减率，此层大气称为混合层，这一混合层伸展的高度称为混合层高度；在国家标准文件中对混合层高度做了规定，按照地域，将我国大气层稳定度分为A，B，C，D，E，F六个参数查找选项，前四项计算公式一致，后两项计算公式相同。可以基于风速、地转角速度和地理纬度等参数，得出混合层高度估算值，获得网格中心点绝对坐标和浓度数据。

7.根据权利要求6所述的一种用于核设施废气扩散的数值模拟方法，其特征在于：所述步骤(2.3)的具体步骤为：根据回归系数和回归指数，建立经验函数，得出废气的垂直和水平扩散参数σy、σz；烟气有效排放高度He计算方法为：He＝H+△H，其中H为烟囱的绝对高度；△H为烟气的抬升高度。

8.根据权利要求7所述的一种用于核设施废气扩散的数值模拟方法，其特征在于：所述步骤(3)的具体步骤为：

步骤(3.1)、侧重点源污染物评价和分析，实现核素分布网格分级法模拟输出；

第一步用大量固定的计算点将整个模拟区域离散化，以便计算扩散的污染物浓度；第二步确定污染源影响的范围；第三步把计算得到的气象参数和污染源数据代入大气扩散模型，分别计算出此污染源对所有固定计算点造成的污染物浓度值；第四步对每一个污染源重复执行步骤第二步、第三步，直到遍历完所有固定点；第五步根据所有固定计算点保存的浓度值，生成专题图，实现核素分布网格分级法模拟输出；

步骤(3.2)、侧重线状污染物评价和分析，实现核素分布等值线分级法模拟输出；

在步骤(3.1)的基础上，将核素分布网格数据进行趋势面计算，转化为等值线数据，实现核素分布等值线分级法模拟输出；

步骤(3.3)、侧重面状污染物评价和分析，实现核素分布栅格分级法模拟输出；

在步骤(3.2)的基础上，将核素分布网格数据进行线装数据转化为面状数据的矢量栅格数据转化，转化为栅格分级数据，实现核素分布栅格分级法模拟输出。