本發(fā)明涉及環(huán)境污染處理領(lǐng)域，具體涉及一種放射性核素擴(kuò)散的計算方法。

背景技術(shù)：
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(fā)展的歷史已經(jīng)證明，核電站的安全記錄良好。但現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不能絕對排除嚴(yán)重核事故發(fā)生的可能性。如人為操作過失引起的核事故：1973年美國三里島核反應(yīng)堆發(fā)生的嚴(yán)重核泄漏，以及更嚴(yán)重的1986年切爾諾貝利核電站4號反應(yīng)堆發(fā)生爆炸，造成30人當(dāng)場死亡，8噸多強(qiáng)輻射物泄漏，電站周圍6萬多平方公里土地受到直接污染，320多萬人受到核輻射侵害，再如自然災(zāi)害引起2011年日本福島核電站爆炸，大量的核輻射擴(kuò)散到外部，嚴(yán)重威脅著人類生活環(huán)境和健康安全。核能不僅是能作為能源使用，也可以被當(dāng)作武器在戰(zhàn)場中使用，如二戰(zhàn)中，美國向日本投了2顆原子彈，核爆炸產(chǎn)生的放射性核素在中大氣擴(kuò)散，給周邊環(huán)境帶來的長期的影響。對于嚴(yán)重的核事故，危害最大的是核爆炸或核泄漏產(chǎn)生的放射性核素的擴(kuò)散，在擴(kuò)散區(qū)域范圍內(nèi)，嚴(yán)重影響著周圍人民的健康和安全。在發(fā)生這種不可控制的核事故情況下，為保護(hù)核事故點(diǎn)周圍人民的生命健康與安全，需要采取必要的措施，把傷亡人數(shù)降到最低。在此前，確定放射性核素擴(kuò)散的污染范圍區(qū)域，預(yù)測經(jīng)過一段時間內(nèi)，放射性核素能擴(kuò)散到的區(qū)域范圍成為了目前亟待解決的難題。目前，相關(guān)技術(shù)中的核事故中大氣擴(kuò)散模型主要有三類，即拉格朗日煙團(tuán)模型、高斯煙羽模型和三維數(shù)值計算模型。由于在核爆炸事故中，大氣處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，而高斯煙羽模型是以假設(shè)大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)為前提，因此運(yùn)用高斯煙羽模型并不適合，而三維數(shù)值計算模型計算量過大，耗費(fèi)時間較長，在實際運(yùn)用中難以滿足要求，拉格朗日煙團(tuán)模型雖然能在復(fù)雜條件下較為真實的計算出放射性物質(zhì)在大氣傳輸中的時空分布，但是傳統(tǒng)的處理方法是處理連續(xù)釋放的煙團(tuán)，對于不可控制的嚴(yán)重核事故條件，難以適用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
有鑒于此，本發(fā)明提供了一種放射性核素擴(kuò)散的計算方法，能夠預(yù)測突發(fā)的嚴(yán)重核事故所引起的放射性核素泄露在大氣中的擴(kuò)散趨勢，進(jìn)而確定放射性核素的擴(kuò)散范圍。本發(fā)明的具體方案是這樣的：一種放射性核素擴(kuò)散的計算方法，包括：步驟一、在地圖上確定發(fā)生放射性核素泄露的區(qū)域，確定放射性云團(tuán)的原始中心坐標(biāo)；步驟二、對發(fā)生放射性核素泄露的區(qū)域進(jìn)行地理網(wǎng)格劃分，結(jié)合硬件計算能力及顯示效果確定適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格單元大??；步驟三、根據(jù)氣象數(shù)據(jù)在每個網(wǎng)格單元內(nèi)進(jìn)行等時間間隔的二維風(fēng)場疊加；步驟四、根據(jù)放射性核泄漏的情況確定放射性核素擴(kuò)散模型，并結(jié)合原始中心坐標(biāo)、放射核素泄漏時間和二維風(fēng)場計算出每個網(wǎng)格單元濃度值；步驟五、根據(jù)每個網(wǎng)格單元的濃度值判斷放射性云團(tuán)是否分裂，若否，進(jìn)入步驟六，若是，進(jìn)入步驟七；步驟六、根據(jù)二維風(fēng)場計算新的原始中心坐標(biāo)，并進(jìn)入步驟四；步驟七、確定放射性云團(tuán)的數(shù)目，并計算每個放射性云團(tuán)的原始中心坐標(biāo)，按照步驟四計算每個放射性云團(tuán)對網(wǎng)格單元濃度的貢獻(xiàn)值；步驟八、對每個放射性云團(tuán)對網(wǎng)格單元濃度的貢獻(xiàn)值求和，得到每個網(wǎng)格單元濃度值；步驟九、重復(fù)步驟七、八直到時間到達(dá)預(yù)設(shè)的時間；步驟十、設(shè)定濃度閾值，標(biāo)記網(wǎng)格單元濃度大于閾值的網(wǎng)格；步驟十一、將標(biāo)記的網(wǎng)格單元的濃度映射到RGB空間，繪制整個擴(kuò)散區(qū)域圖，得到整個放射性核素擴(kuò)散區(qū)域圖。有益效果：本發(fā)明采用放射性核素擴(kuò)散模型、地理空間分析、可視化技術(shù)，通過獲取事發(fā)點(diǎn)地理數(shù)據(jù)，分析其地形地貌的特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)時的氣象條件，獲取風(fēng)場氣象信息，分析風(fēng)場的運(yùn)動規(guī)律，確定擴(kuò)散模型參數(shù)數(shù)值，運(yùn)用擴(kuò)散模型計算出事發(fā)點(diǎn)周圍環(huán)境的放射性核素濃度值，預(yù)測出在事發(fā)時間段內(nèi)受污染的區(qū)域范圍。因此本發(fā)明對出現(xiàn)不可控制的核事故緊急情況下，具有重要的指導(dǎo)決策意義。附圖說明圖1為本發(fā)明的放射性核素擴(kuò)散的計算方法的流程圖；圖2為本發(fā)明的地理網(wǎng)格單元示意圖；圖3為本發(fā)明的泄露發(fā)生地放射性云團(tuán)中心位置示意圖；圖4為本發(fā)明的放射性云團(tuán)分裂示意圖；圖5為本發(fā)明的放射性核素擴(kuò)散區(qū)域功能流程圖。具體實施方式本發(fā)明提供一種放射性核素擴(kuò)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(fā)生放射性核素泄露的區(qū)域，確定放射性云團(tuán)的原始中心坐標(biāo)；原始中心坐標(biāo)的確定十分重要，將其帶入放射性核素云團(tuán)中心坐標(biāo)數(shù)學(xué)模型中便可求得新的中心坐標(biāo)。步驟二、對發(fā)生放射性核素泄露的區(qū)域進(jìn)行地理網(wǎng)格劃分，結(jié)合硬件計算能力及顯示效果確定適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格單元大??；劃分的結(jié)果要能夠恰當(dāng)?shù)胤从撤派湫栽茍F(tuán)的變化過程，同時考慮計算機(jī)硬件的計算能力，使系統(tǒng)運(yùn)行的流暢。步驟三、根據(jù)氣象數(shù)據(jù)在每個網(wǎng)格單元內(nèi)進(jìn)行等時間間隔的二維風(fēng)場疊加；由于風(fēng)場是不斷變化的，需要不斷的更新風(fēng)場數(shù)據(jù)。這里的二維風(fēng)場疊加具體是指：根據(jù)每一個網(wǎng)格所對應(yīng)地理位置上的二維風(fēng)場將其疊加到網(wǎng)格上。步驟四、根據(jù)放射性核素的泄漏情況確定放射性核素擴(kuò)散模型，并結(jié)合原始中心坐標(biāo)、放射核素泄漏時間和二維風(fēng)場計算出每個網(wǎng)格單元濃度值；上述的放射性核素的泄漏情況至少包括：處于長期泄露且近地面、處于長期泄露且距離地面有一定高度、處于短期泄露、處于復(fù)雜山體這四種情況。這里的放射性核素泄漏時間從初始時刻開始計算。步驟五、根據(jù)每個網(wǎng)格單元的濃度值判斷放射性云團(tuán)是否分裂，若否，進(jìn)入步驟六，若是，進(jìn)入步驟七；如果放射性云團(tuán)進(jìn)行了分裂，則需要重新確定分裂后的每個放射性云團(tuán)的中心坐標(biāo)。步驟六、根據(jù)二維風(fēng)場計算新的原始中心坐標(biāo)，并進(jìn)入步驟四；步驟七、確定放射性云團(tuán)的數(shù)目，并計算每個放射性云團(tuán)的原始中心坐標(biāo)，按照步驟四計算每個放射性云團(tuán)對網(wǎng)格單元濃度的貢獻(xiàn)值；由于放射性云團(tuán)之間可能存在互相疊加的情形，在互相疊加處的網(wǎng)格單元濃度就要考慮到各個云團(tuán)對其的濃度影響值，即上述的每個放射性云團(tuán)對網(wǎng)格單元濃度的貢獻(xiàn)值。步驟八、對每個放射性云團(tuán)對網(wǎng)格單元濃度的貢獻(xiàn)值求和，得到每個網(wǎng)格單元濃度值；步驟九、重復(fù)步驟七、八直到時間到達(dá)預(yù)設(shè)的時間；步驟十、設(shè)定濃度閾值，標(biāo)記網(wǎng)格單元濃度大于閾值的網(wǎng)格；在閾值以下的情況則不需要考慮，因為小濃度的核素污染不會對人體造成危害，同時也是考慮到計算機(jī)的計算能力。步驟十一、將標(biāo)記的網(wǎng)格單元的濃度映射到RGB空間，繪制整個擴(kuò)散區(qū)域圖，得到整個放射性核素擴(kuò)散區(qū)域圖。通過紋理映射將網(wǎng)格濃度值變換到RGB空間，繪制整個擴(kuò)散區(qū)域圖，用顏色漸變表現(xiàn)濃度逐漸變化，最后得出放射性核素的整個擴(kuò)散區(qū)域。本發(fā)明采用放射性核素擴(kuò)散模型、地理空間分析、可視化技術(shù)，通過獲取事發(fā)點(diǎn)地理數(shù)據(jù)，分析其地形地貌的特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)時的氣象條件，獲取風(fēng)場氣象信息，分析風(fēng)場的運(yùn)動規(guī)律，確定擴(kuò)散模型參數(shù)數(shù)值，運(yùn)用擴(kuò)散模型計算出事發(fā)點(diǎn)周圍環(huán)境的放射性核素濃度值，預(yù)測出在事發(fā)時間段內(nèi)受污染的區(qū)域范圍。因此本發(fā)明對出現(xiàn)不可控制的核事故緊急情況下，具有重要的指導(dǎo)決策意義。要確定放射性核素擴(kuò)散模型，確定事發(fā)點(diǎn)發(fā)生放射性核素擴(kuò)散的源點(diǎn)是關(guān)鍵，根據(jù)源點(diǎn)的地理環(huán)境和復(fù)雜條件，結(jié)合當(dāng)時的風(fēng)場。源點(diǎn)所處的地理位置，決定著所采用的用何種放射性核素擴(kuò)散模型，而發(fā)生核事故的位置，在計算的范圍內(nèi)，其地形地貌決定著擴(kuò)散模型參數(shù)采用何種計算方式獲取。對于各種環(huán)境下所使用的數(shù)學(xué)模型附在下方，主要參考的專著有：宋妙發(fā)、強(qiáng)亦忠主編的《核環(huán)境學(xué)基礎(chǔ)》以及童志權(quán)編著的《大氣環(huán)境影響評價》，相關(guān)的基礎(chǔ)公式推導(dǎo)可查看湍流理論方面的書籍。1.處于長期核泄漏，且近地面時，放射性核素擴(kuò)散模型為式（1）其中，C是點(diǎn)p(x,y,z)點(diǎn)處放射性核素污染物的平均濃度，Bq·m-3；Q是放射性核素釋放率，Bq·s-1；其數(shù)學(xué)計算模型為式（7）。σy，σz是下風(fēng)向x(m)距離處側(cè)風(fēng)方向及鉛直方向的擴(kuò)散系數(shù)。其數(shù)學(xué)計算模型為式（6）。2.處于長期核泄漏，且離地面有一定高度時，放射性核素擴(kuò)散模型為式（2）其中，h是放射性核素釋放后，放射性云團(tuán)的穩(wěn)定高度，m，其數(shù)學(xué)計算模型為式（8）。3.處于短期核泄漏，放射性核素擴(kuò)散模型為式（3）其中，σx，σy，σz為擴(kuò)散系數(shù)。其數(shù)學(xué)計算模型為式（6）xc(i)，yx(i)，zc(i)是第i個放射性核素擴(kuò)散云團(tuán)中心坐標(biāo)，單位是m。其數(shù)學(xué)計算模型為式（5）。zinv頂?shù)母叨龋ㄟ^結(jié)合氣象觀測數(shù)據(jù)，采用Yd法、羅氏法或者查表法獲取。n的取值范圍[1,4]。4.處于復(fù)雜山體地形時，放射性核素擴(kuò)散模型為式（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(fēng)方向接收點(diǎn)空間濃度計算點(diǎn)投影到地形表面，在地形表面對應(yīng)的空間點(diǎn)的水平高程，Hc為臨界分流高度。5.放射性核素云團(tuán)中心坐標(biāo)數(shù)學(xué)模型為式（5），其中，平均風(fēng)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(kuò)散參數(shù)的確定采用沃格特方法計算，為式（6）其中，x單位為km，參數(shù)a,b,c,d,e,f根據(jù)氣象條件，查詢國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T13201-1991）《制定地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法》獲得。7.放射性核素的釋放率數(shù)學(xué)計算模型為式（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.放射性核素云團(tuán)釋放后，由熱力抬升等上升的穩(wěn)定高度，數(shù)學(xué)計算模型為式（8）其中，W0為放射性核素起始擴(kuò)散速度，單位是m/s；h′為放射性核素起始擴(kuò)散高度，單位為m；x為下風(fēng)向距離，單位為m；u為h′處平均風(fēng)速，單位為m/s；Di為放射性核素起始擴(kuò)散半徑，單位為m；C為修正因子，單位為m。對放射性核素擴(kuò)散區(qū)域的計算涉及的地理信息數(shù)據(jù)，氣象信息數(shù)據(jù)，放射性核素物理特性，他們相互影響，對準(zhǔn)確計算放射性核素的擴(kuò)散區(qū)域十分復(fù)雜。結(jié)合圖5功能流程圖，通過確定事發(fā)生時間，中心位置，地理地形地貌，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，確定放射性核素擴(kuò)散模型的各個參數(shù)，選取對應(yīng)的地形條件下的擴(kuò)散模型。至此，計算并沒有結(jié)束，由于參數(shù)的復(fù)雜性和風(fēng)場的不確定行，需要不斷的更新風(fēng)場數(shù)據(jù)，因為中心點(diǎn)位置已經(jīng)發(fā)生變化，擴(kuò)散局部區(qū)域已經(jīng)初步確立，為了正確計算出下一階段的擴(kuò)散區(qū)域，就不能簡單的用上面的擴(kuò)散模型進(jìn)行計算，本發(fā)明的核心計算就是充分利用地理數(shù)據(jù)，結(jié)合風(fēng)場變化，把初步計算的濃度區(qū)域進(jìn)行劃分，同時也需要把初次的云團(tuán)分裂成小的云團(tuán)，抽象疊加到地理網(wǎng)格中，重新計算小云團(tuán)的中心位置。如圖4所示，再運(yùn)用擴(kuò)散模型逐次進(jìn)行計算，最后把相應(yīng)的結(jié)果進(jìn)行疊加，即可得出在設(shè)置的時間范圍內(nèi)放射性核素擴(kuò)散區(qū)域，擴(kuò)散路徑，以及擴(kuò)散所造成的污染程度。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。