本發(fā)明涉及核能事故放射性源項擴(kuò)散評估領(lǐng)域，具體為基于高斯煙流修正的內(nèi)陸核電源項擴(kuò)散計算方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著核技術(shù)和核能的廣泛應(yīng)用，核應(yīng)用設(shè)施和核電廠趨向于建設(shè)在人口密度較高的內(nèi)陸城市地區(qū)內(nèi)陸城市地區(qū)。內(nèi)陸核電立項使得沿海而建的核動力廠開始轉(zhuǎn)向內(nèi)陸城市周圍建設(shè)，同時，內(nèi)陸城區(qū)仍現(xiàn)存有大量核能利用實(shí)驗裝置和放射性廢物庫。城市及其周邊現(xiàn)存放射源，若發(fā)生火災(zāi)或爆炸等意外事故可能導(dǎo)致放射性泄漏和擴(kuò)散。

2、人口活動頻繁的城區(qū)相比于農(nóng)村地區(qū)空氣溫度更高，形成城市熱島環(huán)流。從空氣溫度隨高度的變化看，城區(qū)地表空氣溫度隨著高度的增加反而升高，即出現(xiàn)“逆溫”現(xiàn)象，垂直方向上氣溫隨高度增加的大氣結(jié)構(gòu)叫做“混合層”。氣象中出現(xiàn)的逆溫現(xiàn)象極大影響了城市污染物隨大氣的輸送與擴(kuò)散過程。

3、在放射性核素擴(kuò)散模型方面，大氣擴(kuò)散模型主要有用于微尺度模擬的cfd湍流模型、用于小尺度模擬的高斯模型、用于中尺度模擬的拉格朗日模型和歐拉模型?，F(xiàn)有的大氣擴(kuò)散理論是在一定理想條件假設(shè)的情形下得到，對于實(shí)際的復(fù)雜情形的大氣污染物擴(kuò)散，目前無使用于各種條件的大氣擴(kuò)散模型。

4、對于內(nèi)陸城市地區(qū)的放射性核素擴(kuò)散，因內(nèi)陸城市地區(qū)的氣象條件更加復(fù)雜多變，氣象場空間跨度大。若采用微尺度模擬，無疑將附加計算量和工作的精細(xì)度；若采用中尺度模擬，又不能捕捉到城市下墊面的擴(kuò)散現(xiàn)象。為此，有必要基于廣泛使用的高斯煙流模型進(jìn)行修正，建立一種改進(jìn)的事故放射性核素大氣擴(kuò)散計算方法，有助于準(zhǔn)確掌握放射性核素的擴(kuò)散遷移規(guī)律，從而針對性地制定應(yīng)急措施保障公眾的輻射安全。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于上述存在的問題，提出了本發(fā)明。

2、因此，本發(fā)明解決的技術(shù)問題是因內(nèi)陸城市地區(qū)的氣象條件復(fù)雜多變，存在大氣逆溫(混合層)、城市熱島效應(yīng)等現(xiàn)象，此外，氣象場空間跨度大，傳統(tǒng)的模擬方法無法捕捉城市下墊面的擴(kuò)散現(xiàn)象。

3、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：基于高斯煙流修正的內(nèi)陸核電源項擴(kuò)散計算方法，其包括如下步驟，

4、根據(jù)核電廠類型及地理位置確定數(shù)據(jù)信息；

5、控制流軟件模擬域的地理信息、網(wǎng)格嵌套方案作為靜態(tài)數(shù)據(jù)，氣象參數(shù)作為動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入，傳遞給中尺度數(shù)值天氣預(yù)報軟件；

6、中尺度數(shù)值天氣預(yù)報軟件完成模式微物理過程參數(shù)化方案的設(shè)置，控制流軟件輸出中尺度數(shù)值天氣預(yù)報軟件地理模型的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)文件，自編程軟件按網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)文件重建網(wǎng)格模型；

7、控制流軟件調(diào)用系統(tǒng)級源項計算分析軟件進(jìn)行事故工況的源項計算；

8、控制流軟件調(diào)用中尺度數(shù)值天氣預(yù)報軟件開展計算輸出各物理量場的時空分布結(jié)果；

9、統(tǒng)計中尺度數(shù)值天氣預(yù)報軟件網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處各物理量參數(shù)的時空變化規(guī)律，進(jìn)行垂直向逆溫、大氣主導(dǎo)風(fēng)判斷；

10、控制流軟件調(diào)用自編程軟件，以事故工況源項計算作為計算輸入，采用修正的高斯煙流擴(kuò)散公式或復(fù)合源修正公式，考慮逆溫修正、大氣主導(dǎo)風(fēng)修正后，自編程軟件遍歷所有大氣區(qū)域網(wǎng)格組各個網(wǎng)格開展公式計算，確定各網(wǎng)格處的事故源項濃度。

11、作為本發(fā)明所述的基于高斯煙流修正的內(nèi)陸核電源項擴(kuò)散計算方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述數(shù)據(jù)信息是根據(jù)核電廠的類型，確定核電廠所處城市地區(qū)，根據(jù)所處城市及周圍的環(huán)境狀況確定模擬域的網(wǎng)格分辨率；

12、所述域的網(wǎng)格分辨率包括模擬域的區(qū)域范圍、網(wǎng)格嵌套的層數(shù)、各層嵌套網(wǎng)格的厚度；

13、各層網(wǎng)格中心相同且網(wǎng)格中心默認(rèn)為核電廠所在的地理位置，確定模擬域的地理信息，根據(jù)不同分辨率的海拔數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù)，確定模擬域的理想化實(shí)驗條件或當(dāng)前區(qū)域的真實(shí)氣象參數(shù)，確定事故放射性核素的下墊面反射系數(shù)、核素半衰期時間、核素粒子沉降末速度、側(cè)向和垂直向核素濃度正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)差，確定計算的指定時間和劃分時間步長；

14、根據(jù)模擬域的n重網(wǎng)格嵌套方案，確定各層網(wǎng)格的中心和粗網(wǎng)格母層范圍的水平格點(diǎn)數(shù)、格距，且滿足網(wǎng)格嵌套時，以1：(n-1)的降尺度比率從最外層網(wǎng)格到最內(nèi)層網(wǎng)格增加水平分辨率，從母層到子層的降尺度比率保持相同的要求。

15、作為本發(fā)明所述的基于高斯煙流修正的內(nèi)陸核電源項擴(kuò)散計算方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述按網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)文件重建網(wǎng)格模型是控制流軟件將模擬域的地理信息作為靜態(tài)數(shù)據(jù)，理想化實(shí)驗條件或該區(qū)域的真實(shí)氣象參數(shù)作為動態(tài)數(shù)據(jù)，動態(tài)數(shù)據(jù)是數(shù)值模擬計算的初始化條件和邊界條件，靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)均作為中尺度數(shù)值天氣預(yù)報軟件的輸入文件，修正高架連續(xù)點(diǎn)源高斯煙流擴(kuò)散將輸入文件傳遞給中尺度數(shù)值天氣預(yù)報軟件后，由控制流軟件確定中尺度數(shù)值天氣預(yù)報軟件模擬域網(wǎng)格的垂直坐標(biāo)，并完成模式微物理過程參數(shù)化方案的設(shè)置；

16、控制流軟件根據(jù)中尺度數(shù)值天氣預(yù)報軟件計算的地理模型及其垂直坐標(biāo)、水平網(wǎng)格，輸出網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)文件；

17、將網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)文件導(dǎo)入至自編程軟件，建立地理模型的網(wǎng)格模型，默認(rèn)坐標(biāo)系為右手坐標(biāo)系(x-y-z)，遍歷所有的空間網(wǎng)格，并對網(wǎng)格以編號1、2、……、m進(jìn)行標(biāo)記，保存網(wǎng)格空間位置及對應(yīng)的編號；

18、對城市下墊面的部分網(wǎng)格，且實(shí)際地理情況為非大氣區(qū)域或含非大氣區(qū)域體積占比>50％，則對該網(wǎng)格以a1、a2、……、ai、……、an進(jìn)行編號，分組為非大氣區(qū)域網(wǎng)格組，若含非大氣區(qū)域體積占比<50％或完全為大氣區(qū)域，則對該網(wǎng)格以b1、b2、……、bj、……、bq進(jìn)行編號，分組為大氣區(qū)域網(wǎng)格組。

19、作為本發(fā)明所述的基于高斯煙流修正的內(nèi)陸核電源項擴(kuò)散計算方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述模式微物理過程參數(shù)化方案包括粗網(wǎng)格方案、細(xì)網(wǎng)格方案、長波輻射方案、短波輻射方案、近地面方案、陸面過程的參數(shù)化方案并耦合城市冠層模型、積云方案、邊界層方案。

20、作為本發(fā)明所述的基于高斯煙流修正的內(nèi)陸核電源項擴(kuò)散計算方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述事故工況的源項計算是控制流軟件調(diào)用系統(tǒng)級源項計算分析軟件，根據(jù)指定計算時間，以t＝0為事故初始狀態(tài)，計算核電廠事故源項結(jié)果q(t)，輸出并保存至文件中；

21、控制流軟件在中尺度數(shù)值天氣預(yù)報軟件中完成時間積分方案、網(wǎng)格嵌套方式、積分步長、計算輸出時間間隔的設(shè)置，并保存；

22、所述各物理量場的時空分布結(jié)果是軟件調(diào)用中尺度數(shù)值天氣預(yù)報軟件，由中尺度數(shù)值天氣預(yù)報軟件執(zhí)行一個時間步長的計算，輸出各種物理量場的時空分布結(jié)果；

23、所述時空分布結(jié)果包括溫度、地面水平風(fēng)速、感熱通量、潛熱通量、風(fēng)場。

24、作為本發(fā)明所述的基于高斯煙流修正的內(nèi)陸核電源項擴(kuò)散計算方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述垂直向逆溫、大氣主導(dǎo)風(fēng)判斷是控制流軟件統(tǒng)計中尺度數(shù)值天氣預(yù)報軟件計算的各物理量時空分布結(jié)果，并按網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的空間位置，計算網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處各標(biāo)量物理量在當(dāng)前時空下的線性插值，以及矢量物理量風(fēng)場在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處的主導(dǎo)風(fēng)向的風(fēng)速，并按自編程軟件保存網(wǎng)格編號的順序?qū)懭敫魑锢砹繀?shù)，并保存為當(dāng)前時間步長下自編程軟件前處理數(shù)據(jù)文件；

25、控制流軟件根據(jù)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的空間位置和前處理數(shù)據(jù)文件中對應(yīng)的溫度，判斷當(dāng)前時間步長下的網(wǎng)格模型垂直向的溫度梯度，表達(dá)式為：

26、

27、其中，γ為溫度梯度；t為溫度，z為垂直向高度；

28、判斷溫度梯度是否存在γ＞0，若存在逆溫，則控制流軟件按網(wǎng)格的編號和需要逆溫修正信號作為逆溫修正依據(jù)并寫入文件中，若不存在逆溫現(xiàn)象γ＜0，則控制流軟件調(diào)用自編程軟件，由自編程軟件讀入前處理數(shù)據(jù)文件，作為當(dāng)前時間步長下事故源項大氣擴(kuò)散的初始狀態(tài)。

29、作為本發(fā)明所述的基于高斯煙流修正的內(nèi)陸核電源項擴(kuò)散計算方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述確定各網(wǎng)格處的事故源項濃度是控制流軟件調(diào)用自編程軟件，由自編程軟件讀入當(dāng)前時間步長下核電廠事故源項結(jié)果q(x,δt)作為大氣擴(kuò)散計算的邊界條件；

30、自編程軟件對大氣區(qū)域網(wǎng)格組第j個網(wǎng)格(j＝1～q)執(zhí)行與中尺度數(shù)值天氣預(yù)報軟件模擬相同的時間步長內(nèi)，考慮各種清除和遷移轉(zhuǎn)化過程影響修正后的高架連續(xù)點(diǎn)源高斯煙流擴(kuò)散，表達(dá)式為：

31、

32、其中，q(x,y,z；h)為空間(x，y，z)處放射性核素的平均濃度；q(δt)為放射性核素源項；(x，y，z)為計算網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的位置；為環(huán)境平均風(fēng)速，u為環(huán)境風(fēng)速，為大粒子重力沉積作用的影響，vs為粒子沉降末速度，α為下墊面反射系數(shù)，為核素半衰期時間，σy、σz為側(cè)風(fēng)方向y和垂直方向z放射性核素濃度正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)差；

33、判斷逆溫修正信號，若存在逆溫現(xiàn)象，則修正的高架連續(xù)點(diǎn)源高斯煙流擴(kuò)散公式以y＝0和出現(xiàn)逆溫層的高度hm計算得到和xm；

34、其中，為濃度達(dá)到極大值時對應(yīng)的垂直方向z放射性核素濃度正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)差；xm為出現(xiàn)地面最高濃度的距離；

35、當(dāng)下風(fēng)向距離x≤xm時，則按修正的高架連續(xù)點(diǎn)源高斯煙流擴(kuò)散公式計算，當(dāng)下風(fēng)向距離x≥2xm，則按復(fù)合源修正公式在(xm，2xm)的范圍內(nèi)以濃度的對數(shù)插值計算，表達(dá)式為：

36、

37、其中，分別為當(dāng)前時間步長內(nèi)第i個網(wǎng)格的平均風(fēng)速大?。?/p>

38、自編程軟件默認(rèn)的主導(dǎo)風(fēng)為x軸，若當(dāng)前時間步長為第一個時間步長，且第i個網(wǎng)格內(nèi)的主導(dǎo)風(fēng)與x軸存在一個角度θ，則需要對高斯煙流擴(kuò)散公式進(jìn)行修正，表達(dá)式為：

39、

40、其中，(x,y)為自編程軟件默認(rèn)的坐標(biāo)系方向，(i,j)為網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)；

41、若當(dāng)前時間步長非第一個時間步長，且第i個網(wǎng)格內(nèi)的主導(dǎo)風(fēng)與上一個時間步長下網(wǎng)格的主導(dǎo)風(fēng)存在角度α，則對高斯煙流擴(kuò)散公式進(jìn)行另一種修正，表達(dá)式為：

42、

43、其中，(x',y')為新坐標(biāo)，δt為時間步長，為當(dāng)前時間步長內(nèi)第i個網(wǎng)格的平均風(fēng)速大小，否則，則不進(jìn)行修正；

44、完成當(dāng)前時間步長的計算后，遍歷所有大氣區(qū)域網(wǎng)格組各個網(wǎng)格的事故源項濃度，輸出并保存文件作為下一時間步長計算的各源項，控制流軟件按劃分的時間步長調(diào)用中尺度數(shù)值天氣預(yù)報模塊計算并輸出物理量；統(tǒng)計物理量進(jìn)行修正判斷；調(diào)用自編程軟件，輸入事故源項，采用修正公式，遍歷大氣區(qū)域網(wǎng)格計算事故源項，直到達(dá)到指定的計算時間。

45、本發(fā)明的另外一個目的是提供基于高斯煙流修正的內(nèi)陸核電源項擴(kuò)散計算系統(tǒng)，其能通過模塊化設(shè)計、動態(tài)數(shù)據(jù)輸入、精確的數(shù)值模擬和修正算法，解決了現(xiàn)有系統(tǒng)在模擬精度、計算效率和應(yīng)急響應(yīng)方面的不足。

46、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：基于高斯煙流修正的內(nèi)陸核電源項擴(kuò)散計算系統(tǒng)，包括：數(shù)據(jù)輸入模塊、中尺度數(shù)值天氣預(yù)報模塊、網(wǎng)格重建與管理模塊、事故源項計算模塊以及擴(kuò)散計算與修正模塊；

47、所述數(shù)據(jù)輸入模塊是提供初始地理信息和氣象參數(shù)，輸入到中尺度數(shù)值天氣預(yù)報模塊和網(wǎng)格重建與管理模塊；

48、所述中尺度數(shù)值天氣預(yù)報模塊是設(shè)置模式微物理過程參數(shù)化方案，進(jìn)行中尺度數(shù)值天氣預(yù)報計算，輸出各物理量場的時空分布結(jié)果；

49、所述網(wǎng)格重建與管理模塊是根據(jù)中尺度數(shù)值天氣預(yù)報軟件輸出的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)文件，重建網(wǎng)格模型，確定網(wǎng)格中心位置，設(shè)置網(wǎng)格分辨率，劃分大氣區(qū)域和非大氣區(qū)域網(wǎng)格組；

50、所述事故源項計算模塊是調(diào)用系統(tǒng)級源項計算分析軟件，進(jìn)行事故工況的源項計算，設(shè)置時間積分方案、網(wǎng)格嵌套方式、積分步長和計算輸出時間間隔，計算核電廠事故源項結(jié)果；

51、所述擴(kuò)散計算與修正模塊是使用自編程軟件讀取源項計算結(jié)果，采用修正的高斯煙流擴(kuò)散公式或復(fù)合源修正公式，考慮逆溫和大氣主導(dǎo)風(fēng)的影響，計算各網(wǎng)格處的事故源項濃度，輸出并保存結(jié)果，作為下一時間步長的輸入，直至完成所有計算時間步長。

52、一種計算機(jī)設(shè)備，包括存儲器和處理器，所述存儲器存儲有計算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計算機(jī)程序時實(shí)現(xiàn)如上所述基于高斯煙流修正的內(nèi)陸核電源項擴(kuò)散計算方法的步驟。

53、一種計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有計算機(jī)程序，所述計算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時實(shí)現(xiàn)如上所述基于高斯煙流修正的內(nèi)陸核電源項擴(kuò)散計算方法的步驟。

54、本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明考慮了內(nèi)陸城市特有的“熱島效應(yīng)”、逆溫現(xiàn)象等對背景風(fēng)場的影響。本發(fā)明通過中尺度數(shù)值天氣預(yù)報軟件提供該區(qū)域的大氣預(yù)測，結(jié)合修正的高斯煙流模型的實(shí)時計算，能夠給出精度較高的事故源項大氣擴(kuò)散分布，避免使用傳統(tǒng)的經(jīng)驗系數(shù)；本發(fā)明提供了內(nèi)陸核電事故源項大氣擴(kuò)散計算的合理模式，可針對不同區(qū)域的氣象特點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展。