CALPUFF模式用于放射性核素不同尺度的遷移擴(kuò)散研究.pdf

1、放射性核素在大氣中的遷移擴(kuò)散問題，在核事故應(yīng)急響應(yīng)、突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)、裂變材料生產(chǎn)、核廠址風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、禁核實(shí)驗(yàn)的源項(xiàng)估算等領(lǐng)域都倍受關(guān)注。從1986年的切爾諾貝利核事故到2011年的日本福島核泄露事故，放射性核素遷移擴(kuò)散的研究經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，無論是模式理論還是模擬技術(shù)都有了很大進(jìn)步。放射性核素遷移擴(kuò)散研究最主要的應(yīng)用是核事故的應(yīng)急響應(yīng)，美國(guó)和歐洲等研究機(jī)構(gòu)在這方面都有自己成熟的不同尺度的模式及體系，但是我國(guó)在這方面的研究還很不足，尤其

2、是在事故情況下對(duì)污染水平的應(yīng)急預(yù)測(cè)，以及事故后短期的實(shí)時(shí)模擬計(jì)算。為了滿足我國(guó)核能發(fā)展和輻射環(huán)境影響評(píng)價(jià)的需求，本文在調(diào)研文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了放射性核素遷移擴(kuò)散模式的研究方法，對(duì)新的模擬技術(shù)如集合分析等進(jìn)行了分析研究，并利用現(xiàn)有資源進(jìn)行模擬計(jì)算，開展了放射性核素遷移擴(kuò)散的研究。
　　 本文調(diào)研了放射性核素的遷移擴(kuò)散模式的發(fā)展?fàn)顩r，對(duì)現(xiàn)有的模式及其應(yīng)用作了綜述，在研究現(xiàn)有模式的基礎(chǔ)上，選擇拉格朗日煙團(tuán)模式CALPUFF作為本論文關(guān)

3、于放射性核素不同距離遷移擴(kuò)散研究的工具。CALPUFF是美國(guó)EPA推薦模式，有成熟的理論基礎(chǔ)和長(zhǎng)期的跟蹤改進(jìn)及驗(yàn)證研究，是一個(gè)成熟的應(yīng)用模式。CALPUFF模式可運(yùn)用于復(fù)雜地形，非穩(wěn)態(tài)的流場(chǎng)，在長(zhǎng)距離情況下可以矯正地形對(duì)流場(chǎng)的影響，而且在擴(kuò)散計(jì)算時(shí)可以根據(jù)具體流場(chǎng)特點(diǎn)選擇積分方式和擴(kuò)散參數(shù)計(jì)算方法。CALPUFF的計(jì)算區(qū)域可以從幾十米到上千公里，從局地尺度到區(qū)域尺度，對(duì)于模擬突發(fā)核事故情況下的短期及長(zhǎng)期擴(kuò)散非常適合。CALPUFF系統(tǒng)由

4、于針對(duì)的是非放物質(zhì)所以不能用于放射性核素的模擬計(jì)算，本文的工作即是在CALPUFF的基礎(chǔ)上，進(jìn)行進(jìn)一步的開發(fā)，在煙團(tuán)模式的基礎(chǔ)上加入了對(duì)放射性核素的放射性衰減的模擬計(jì)算、加入放射性核素的干濕沉積參數(shù)、并建立了事故情況下的劑量估算模式，使CALPUFF能用于核事故情況下的估算分析。在核事故模擬計(jì)算中，從事故的初始釋放，到事故的持續(xù)幾十小時(shí)的釋放，事故釋放的各個(gè)空間尺度及各時(shí)間范圍都很關(guān)健。為了研究事故釋放的各時(shí)間、空間范圍的遷移擴(kuò)散特征，

5、本論文進(jìn)行了不同距離范圍的模擬，從近距離20公里到200-300公里及上千公里的應(yīng)用研究，并分別進(jìn)行驗(yàn)證分析。本研究主要包括五個(gè)部分：
　　 ㈠在對(duì)擴(kuò)散模式進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，選擇拉格朗日煙團(tuán)模式CALPUFF作為研究的基礎(chǔ)，對(duì)現(xiàn)有的煙團(tuán)模式進(jìn)行改進(jìn)。⑴在CALPUFF模式中加入關(guān)于核素的放射性衰減計(jì)算模型，并加入有關(guān)核素的干濕沉積計(jì)算參數(shù)。⑵建立劑量模型，計(jì)算在事故應(yīng)急情況下的有效外照射劑量及吸入內(nèi)照射劑量，為應(yīng)急決策提供重要的

6、數(shù)據(jù)支持。
　　 ㈡在事故初期，最關(guān)心的問題是近距離內(nèi)放射性核素的分布水平，以決定撤離范圍及響應(yīng)的水平。為了研究事故初始釋放特征，開展了近場(chǎng)復(fù)雜地形的示蹤實(shí)驗(yàn)研究，并同時(shí)用CALPUFF模式進(jìn)行模擬計(jì)算，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模式結(jié)果的對(duì)比，研究了復(fù)雜地形近距離擴(kuò)散的特征，并說明CALPUFF模式在近距離短期釋放的模擬計(jì)算結(jié)果較好，但也存在一定問題：⑴從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看，對(duì)于事故初期的高架源近距離擴(kuò)散，當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，地形影響較大，當(dāng)風(fēng)

7、速較大時(shí)，地形影響減小，地面最高濃度值一般在1-3公里范圍。濃度和風(fēng)向擺動(dòng)相關(guān)，當(dāng)風(fēng)向較穩(wěn)定時(shí)，地面濃度分布窄，濃度值較高，當(dāng)風(fēng)向擺動(dòng)時(shí)，地面濃度分布較寬，濃度值趨于平均，濃度降低。水平濃度分布并非標(biāo)準(zhǔn)高斯分布，在采樣點(diǎn)濃度軸線兩邊的邊緣濃度有異常增高現(xiàn)象。⑵模式結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，模式的濃度分布呈標(biāo)準(zhǔn)高斯分布沒有反映出實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的異常值，在模擬計(jì)算時(shí)，計(jì)算了幾種擴(kuò)散計(jì)算方法：選擇了不同的擴(kuò)散參數(shù)計(jì)算方法：P-G法和相似理論(Simila

8、rity)計(jì)算方法和不同的積分取樣方式：煙團(tuán)模式(PUFF)和煙片模式(SLUG)，進(jìn)行了四種方式的模擬計(jì)算：PUFF+P-G、PUFF+Similarity、SLUG+P-G、SLU+Similarity。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明在實(shí)驗(yàn)條件下，PUFF+P-G有較好的模擬結(jié)果，偏差為-13.82ug m3 H-1，均方根為3.02 ug m3 H-1，F(xiàn)A2和FA5分別為27.06％和61.41％，F(xiàn)OEX為-25.91％。選擇了不同的積分取樣方

9、式即煙片取樣函數(shù)和煙團(tuán)取樣函數(shù)，結(jié)果比較說明煙片取樣函數(shù)更能反應(yīng)近距離、短時(shí)間的Causalityeffects(因果效應(yīng))，在事故情況的初始階段能更好的模擬污染物的擴(kuò)散。計(jì)算了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以MESOPUFFⅡ的擴(kuò)散參數(shù)形式擬合的擴(kuò)散參數(shù)，并與模式PG方法(MESOPUFFⅡ)擴(kuò)散參數(shù)比較，說明模式參數(shù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在差異，并影響最后濃度結(jié)果。四種方式的模擬對(duì)比說明CALPUFF模式對(duì)初始釋放近距離的模擬存在一定問題，預(yù)測(cè)結(jié)果偏低，不能很好的

10、預(yù)測(cè)峰值，但是在應(yīng)急情況下，模式結(jié)果有一定的指導(dǎo)意義。
　　 ㈢為了研究放射性核素在中尺度的遷移擴(kuò)散，用開發(fā)的CALPUFF-R模式對(duì)日本福島核事故進(jìn)行了400×400公里的模擬計(jì)算(以源為模擬中心，半徑200公里)，并與可獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果說明模式可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)放射性煙團(tuán)的分布，在距源128公里和140公里的兩個(gè)城市點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)吻合較好，時(shí)間序列也相對(duì)應(yīng)。在近距離30-60公里8個(gè)方位的計(jì)算中，與可獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比顯

11、示，近距離數(shù)據(jù)差別在一個(gè)數(shù)量級(jí)以內(nèi)，但是在核素沉積的西北方向，模式未計(jì)算出相應(yīng)的高濃度。用劑量模型計(jì)算了特定核素I-131和Cs-137在事故情況下累計(jì)外照射有效劑量，并與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)比，結(jié)果低于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。由于缺少降水的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，模式未能準(zhǔn)確計(jì)算濕沉積通量，因而由地面沉積通量和空氣濃度計(jì)算的煙云浸沒外照射劑量小于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，但是模式結(jié)果還是認(rèn)為比較理想的。為了進(jìn)一步驗(yàn)證模式中尺度擴(kuò)散模擬效果，選擇了非放惰性物質(zhì)計(jì)算了太原地區(qū)PM10的擴(kuò)散

12、。
　　 ㈣為了研究放射性核素在長(zhǎng)距離的遷移擴(kuò)散，用CALPUFF模式對(duì)ETEX-1實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了長(zhǎng)距離擴(kuò)散模擬計(jì)算。放射性核素的遷移擴(kuò)散對(duì)環(huán)境的影響，在時(shí)間空間尺度上一般都比較大，所以用于模擬放射性物質(zhì)的模式一般都是長(zhǎng)距離模式。本文選擇ETEX-1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行上千公里的遷移擴(kuò)散研究，研究CALPUFF模式在長(zhǎng)距離條件下的模擬計(jì)算結(jié)果。結(jié)果顯示CALPUFF模式可以正確預(yù)測(cè)放射性煙云的遷移方向，但是模擬濃度范圍小于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的覆蓋范圍

13、，模擬濃度低于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，模式結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比統(tǒng)計(jì)參數(shù)FOEX為-29.23％，F(xiàn)A2為1.41％，F(xiàn)A5為6.17％，NMSE為193.12％。
　　 ㈤對(duì)于放射性核素在大氣中的遷移擴(kuò)散，模式研究和模式驗(yàn)證同等重要，對(duì)于長(zhǎng)距離的模式研究，模式驗(yàn)證存在很大的困難。本文在研究大氣遷移模式評(píng)價(jià)研究ATMES(Atmospheric Trans port ModelEvaluation Study)計(jì)劃的基礎(chǔ)上，根據(jù)ATMES統(tǒng)計(jì)理論

14、分析了模式驗(yàn)證的基本統(tǒng)計(jì)參數(shù)及代表的模式特征，并在模式驗(yàn)證中進(jìn)行了計(jì)算評(píng)估。在放射性核素的不同尺度的遷移擴(kuò)散研究中，近距離的研究工作比較全面豐富，無論是理論研究還是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究都有大量的文獻(xiàn)報(bào)道，近距離的模式驗(yàn)證也易于進(jìn)行，很多成熟的模式已經(jīng)運(yùn)用于核事故的應(yīng)急響應(yīng)，但是在長(zhǎng)距離擴(kuò)散模式研究中，模式的驗(yàn)證是一個(gè)非常困難的部分。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，超過50公里的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)需要復(fù)雜的條件才能進(jìn)行，對(duì)于上百公里和上千公里的野外現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)難度及不確定性非常