一种放射性核素擴散的計算方法與流程

2023-12-02 10:21:56

本發明涉及環境汙染處理領域，具體涉及一种放射性核素擴散的計算方法。

背景技術：
核能作為一種清潔、安全的能源越來越受到人們的青睞，利用越來越廣泛。核電站發展的歷史已經證明，核電站的安全記錄良好。但現代科學技術不能絕對排除嚴重核事故發生的可能性。如人為操作過失引起的核事故：1973年美國三裡島核反應堆發生的嚴重核洩漏，以及更嚴重的1986年車諾比核電站4號反應堆發生爆炸，造成30人當場死亡，8噸多強輻射物洩漏，電站周圍6萬多平方公裡土地受到直接汙染，320多萬人受到核輻射侵害，再如自然災害引起2011年日本福島核電站爆炸，大量的核輻射擴散到外部，嚴重威脅著人類生活環境和健康安全。核能不僅是能作為能源使用，也可以被當作武器在戰場中使用，如二戰中，美國向日本投了2顆原子彈，核爆炸產生的放射性核素在中大氣擴散，給周邊環境帶來的長期的影響。對於嚴重的核事故，危害最大的是核爆炸或核洩漏產生的放射性核素的擴散，在擴散區域範圍內，嚴重影響著周圍人民的健康和安全。在發生這種不可控制的核事故情況下，為保護核事故點周圍人民的生命健康與安全，需要採取必要的措施，把傷亡人數降到最低。在此前，確定放射性核素擴散的汙染範圍區域，預測經過一段時間內，放射性核素能擴散到的區域範圍成為了目前亟待解決的難題。目前，相關技術中的核事故中大氣擴散模型主要有三類，即拉格朗日煙團模型、高斯煙羽模型和三維數值計算模型。由於在核爆炸事故中，大氣處於不穩定的狀態，而高斯煙羽模型是以假設大氣處於穩定狀態為前提，因此運用高斯煙羽模型並不適合，而三維數值計算模型計算量過大，耗費時間較長，在實際運用中難以滿足要求，拉格朗日煙團模型雖然能在複雜條件下較為真實的計算出放射性物質在大氣傳輸中的時空分布，但是傳統的處理方法是處理連續釋放的煙團，對於不可控制的嚴重核事故條件，難以適用。

技術實現要素：
有鑑於此，本發明提供了一种放射性核素擴散的計算方法，能夠預測突發的嚴重核事故所引起的放射性核素洩露在大氣中的擴散趨勢，進而確定放射性核素的擴散範圍。本發明的具體方案是這樣的：一种放射性核素擴散的計算方法，包括：步驟一、在地圖上確定發生放射性核素洩露的區域，確定放射性雲團的原始中心坐標；步驟二、對發生放射性核素洩露的區域進行地理網格劃分，結合硬體計算能力及顯示效果確定適當的網格單元大小；步驟三、根據氣象數據在每個網格單元內進行等時間間隔的二維風場疊加；步驟四、根據放射性核洩漏的情況確定放射性核素擴散模型，並結合原始中心坐標、放射核素洩漏時間和二維風場計算出每個網格單元濃度值；步驟五、根據每個網格單元的濃度值判斷放射性雲團是否分裂，若否，進入步驟六，若是，進入步驟七；步驟六、根據二維風場計算新的原始中心坐標，並進入步驟四；步驟七、確定放射性雲團的數目，並計算每個放射性雲團的原始中心坐標，按照步驟四計算每個放射性雲團對網格單元濃度的貢獻值；步驟八、對每個放射性雲團對網格單元濃度的貢獻值求和，得到每個網格單元濃度值；步驟九、重複步驟七、八直到時間到達預設的時間；步驟十、設定濃度閾值，標記網格單元濃度大於閾值的網格；步驟十一、將標記的網格單元的濃度映射到RGB空間，繪製整個擴散區域圖，得到整個放射性核素擴散區域圖。有益效果：本發明採用放射性核素擴散模型、地理空間分析、可視化技術，通過獲取事發點地理數據，分析其地形地貌的特點，結合當時的氣象條件，獲取風場氣象信息，分析風場的運動規律，確定擴散模型參數數值，運用擴散模型計算出事發點周圍環境的放射性核素濃度值，預測出在事發時間段內受汙染的區域範圍。因此本發明對出現不可控制的核事故緊急情況下，具有重要的指導決策意義。附圖說明圖1為本發明的放射性核素擴散的計算方法的流程圖；圖2為本發明的地理網格單元示意圖；圖3為本發明的洩露發生地放射性雲團中心位置示意圖；圖4為本發明的放射性雲團分裂示意圖；圖5為本發明的放射性核素擴散區域功能流程圖。具體實施方式本發明提供一种放射性核素擴散的計算方法，如圖1～圖5所示，包括：步驟一、在地圖上確定發生放射性核素洩露的區域，確定放射性雲團的原始中心坐標；原始中心坐標的確定十分重要，將其帶入放射性核素雲團中心坐標數學模型中便可求得新的中心坐標。步驟二、對發生放射性核素洩露的區域進行地理網格劃分，結合硬體計算能力及顯示效果確定適當的網格單元大小；劃分的結果要能夠恰當地反映放射性雲團的變化過程，同時考慮計算機硬體的計算能力，使系統運行的流暢。步驟三、根據氣象數據在每個網格單元內進行等時間間隔的二維風場疊加；由於風場是不斷變化的，需要不斷的更新風場數據。這裡的二維風場疊加具體是指：根據每一個網格所對應地理位置上的二維風場將其疊加到網格上。步驟四、根據放射性核素的洩漏情況確定放射性核素擴散模型，並結合原始中心坐標、放射核素洩漏時間和二維風場計算出每個網格單元濃度值；上述的放射性核素的洩漏情況至少包括：處於長期洩露且近地面、處於長期洩露且距離地面有一定高度、處於短期洩露、處於複雜山體這四種情況。這裡的放射性核素洩漏時間從初始時刻開始計算。步驟五、根據每個網格單元的濃度值判斷放射性雲團是否分裂，若否，進入步驟六，若是，進入步驟七；如果放射性雲團進行了分裂，則需要重新確定分裂後的每個放射性雲團的中心坐標。步驟六、根據二維風場計算新的原始中心坐標，並進入步驟四；步驟七、確定放射性雲團的數目，並計算每個放射性雲團的原始中心坐標，按照步驟四計算每個放射性雲團對網格單元濃度的貢獻值；由於放射性雲團之間可能存在互相疊加的情形，在互相疊加處的網格單元濃度就要考慮到各個雲團對其的濃度影響值，即上述的每個放射性雲團對網格單元濃度的貢獻值。步驟八、對每個放射性雲團對網格單元濃度的貢獻值求和，得到每個網格單元濃度值；步驟九、重複步驟七、八直到時間到達預設的時間；步驟十、設定濃度閾值，標記網格單元濃度大於閾值的網格；在閾值以下的情況則不需要考慮，因為小濃度的核素汙染不會對人體造成危害，同時也是考慮到計算機的計算能力。步驟十一、將標記的網格單元的濃度映射到RGB空間，繪製整個擴散區域圖，得到整個放射性核素擴散區域圖。通過紋理映射將網格濃度值變換到RGB空間，繪製整個擴散區域圖，用顏色漸變表現濃度逐漸變化，最後得出放射性核素的整個擴散區域。本發明採用放射性核素擴散模型、地理空間分析、可視化技術，通過獲取事發點地理數據，分析其地形地貌的特點，結合當時的氣象條件，獲取風場氣象信息，分析風場的運動規律，確定擴散模型參數數值，運用擴散模型計算出事發點周圍環境的放射性核素濃度值，預測出在事發時間段內受汙染的區域範圍。因此本發明對出現不可控制的核事故緊急情況下，具有重要的指導決策意義。要確定放射性核素擴散模型，確定事發點發生放射性核素擴散的源點是關鍵，根據源點的地理環境和複雜條件，結合當時的風場。源點所處的地理位置，決定著所採用的用何种放射性核素擴散模型，而發生核事故的位置，在計算的範圍內，其地形地貌決定著擴散模型參數採用何種計算方式獲取。對於各種環境下所使用的數學模型附在下方，主要參考的專著有：宋妙發、強亦忠主編的《核環境學基礎》以及童志權編著的《大氣環境影響評價》，相關的基礎公式推導可查看湍流理論方面的書籍。1.處於長期核洩漏，且近地面時，放射性核素擴散模型為式（1）<![CDATA[C(x,y,z)=Q2πuσyσzexp[-12(y2σy2+z2σz)]---(1)]]>其中，C是點p(x,y,z)點處放射性核素汙染物的平均濃度，Bq·m-3；Q是放射性核素釋放率，Bq·s-1；其數學計算模型為式（7）。σy，σz是下風向x(m)距離處側風方向及鉛直方向的擴散係數。其數學計算模型為式（6）。2.處於長期核洩漏，且離地面有一定高度時，放射性核素擴散模型為式（2）<![CDATA[C(x,y,z)=Q2πuσyσzexp(-y22σy2){exp[(-(z-h)22σz2)]+exp[(-(z+h)22σz2)]}---(2)]]>其中，h是放射性核素釋放後，放射性雲團的穩定高度，m，其數學計算模型為式（8）。3.處於短期核洩漏，放射性核素擴散模型為式（3）<![CDATA[Ci(x,y,z)=Q2π32σxσyσzexp[-12(x-xc(i)σx)2-12(y-yc(i)σy)2].---(3)]]>其中，σx，σy，σz為擴散係數。其數學計算模型為式（6）xc(i)，yx(i)，zc(i)是第i個放射性核素擴散雲團中心坐標，單位是m。其數學計算模型為式（5）。zinv頂的高度，通過結合氣象觀測數據，採用Yd法、羅氏法或者查表法獲取。n的取值範圍[1,4]。4.處於複雜山體地形時，放射性核素擴散模型為式（4）<![CDATA[C′(x,y,z)=(0.5+0HcCs(x,y,z)dz20∞Cs(x,y,z)dz)C(x,y,z)+(1-(0.5+0HcCs(x,y,z)dz20∞Cs(x,y,z)dz))C(x,y,z-zt)---(4)]]>其中C(x,y,z)、C(x,y,z-zt)是由式（1）或者式（2）或者式（3）求得，zt是下風方向接收點空間濃度計算點投影到地形表面，在地形表面對應的空間點的水平高程，Hc為臨界分流高度。5.放射性核素雲團中心坐標數學模型為式（5），其中，平均風速u=(ux，uy，uz)，起始位置（xc0(i)，yc0(i)，zc0(i)），Δt是時間間隔。6．σx，σy，σz為擴散參數的確定採用沃格特方法計算，為式（6）<![CDATA[σx=σy=axb+clnxσz=dxe+flnx---(6)]]>其中，x單位為km，參數a,b,c,d,e,f根據氣象條件，查詢國家標準（GB/T13201-1991）《制定地方大氣汙染物排放標準的技術方法》獲得。7.放射性核素的釋放率數學計算模型為式（7）<![CDATA[Q=Q′exp(-0.693t3600T0.5)---(7)]]>其中，Q′為放射性核素初始釋放濃度，T0.5為放射性核素半衰期。8.放射性核素雲團釋放後，由熱力抬升等上升的穩定高度，數學計算模型為式（8）<![CDATA[h=h′+1.44Di(W0u)2/3(xDi)2/3-C---(8)]]>其中，W0為放射性核素起始擴散速度，單位是m/s；h′為放射性核素起始擴散高度，單位為m；x為下風向距離，單位為m；u為h′處平均風速，單位為m/s；Di為放射性核素起始擴散半徑，單位為m；C為修正因子，單位為m。對放射性核素擴散區域的計算涉及的地理信息數據，氣象信息數據，放射性核素物理特性，他們相互影響，對準確計算放射性核素的擴散區域十分複雜。結合圖5功能流程圖，通過確定事發生時間，中心位置，地理地形地貌，結合氣象數據，確定放射性核素擴散模型的各個參數，選取對應的地形條件下的擴散模型。至此，計算並沒有結束，由於參數的複雜性和風場的不確定行，需要不斷的更新風場數據，因為中心點位置已經發生變化，擴散局部區域已經初步確立，為了正確計算出下一階段的擴散區域，就不能簡單的用上面的擴散模型進行計算，本發明的核心計算就是充分利用地理數據，結合風場變化，把初步計算的濃度區域進行劃分，同時也需要把初次的雲團分裂成小的雲團，抽象疊加到地理網格中，重新計算小雲團的中心位置。如圖4所示，再運用擴散模型逐次進行計算，最後把相應的結果進行疊加，即可得出在設置的時間範圍內放射性核素擴散區域，擴散路徑，以及擴散所造成的汙染程度。以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。