核輻射突發(fā)事件氣載放射性物質(zhì)大氣彌散計(jì)算軟件的研發(fā)*

周 強(qiáng) 拓 飛 徐翠華 張 京 李文紅 張 慶 張建峰 蘇 旭*

核輻射突發(fā)事件氣載放射性物質(zhì)大氣彌散計(jì)算軟件的研發(fā)*

周 強(qiáng)①拓 飛①徐翠華①?gòu)?京①李文紅①?gòu)?慶①?gòu)埥ǚ澧偬K 旭①*

目的：研發(fā)氣載放射性物質(zhì)大氣彌散計(jì)算軟件，為在核輻射突發(fā)事件發(fā)生后能夠快速、準(zhǔn)確地計(jì)算出氣載放射性物質(zhì)的擴(kuò)散范圍。方法：以高斯模式為計(jì)算基礎(chǔ)，在考慮重力沉降、地面反射和放射性衰變等因素的條件下，進(jìn)行大氣彌散計(jì)算。結(jié)果：設(shè)計(jì)并研發(fā)出核輻射突發(fā)事件氣載放射性物質(zhì)大氣彌散計(jì)算軟件，以表格、制圖和下風(fēng)向坐標(biāo)點(diǎn)設(shè)置等形式給出計(jì)算結(jié)果。結(jié)論：該軟件可有效降低氣載放射性物質(zhì)擴(kuò)散計(jì)算的難度，滿足核輻射突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)的需要。

核輻射；放射性；大氣彌散；軟件

[First-author’s address] China CDC Key Laboratory of Radiological Protection and Nuclear Emergency, National Institute for Radiological Protection, Chinese Center for Disease Control and Prevention, Beijing 100088, China.

隨著核技術(shù)的廣泛應(yīng)用，核輻射突發(fā)事件的防范和處置越來(lái)越受到政府和公眾的關(guān)注。核輻射突發(fā)事件發(fā)生后往往會(huì)造成放射性污染物經(jīng)大氣擴(kuò)散，在短期內(nèi)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響。在進(jìn)行核輻射突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)決策時(shí)放射性污染物向大氣擴(kuò)散過(guò)程的模擬，已成為應(yīng)急響應(yīng)決策的重要依據(jù)。因此，中國(guó)疾病預(yù)防控制中心輻射防護(hù)與核安全醫(yī)學(xué)所項(xiàng)目組調(diào)研分析了核輻射突發(fā)事件短時(shí)間釋放放射性物質(zhì)的源項(xiàng)特性，結(jié)合大氣擴(kuò)散的基本傳輸模式，建立有針對(duì)性的核輻射突發(fā)事件氣載放射性物質(zhì)擴(kuò)散傳輸模式，并有效地將放射性物質(zhì)的特性融入大氣擴(kuò)散傳輸模式，以研制更具針對(duì)性、實(shí)用性和便捷性的核輻射突發(fā)事件氣載放射性物質(zhì)大氣彌散計(jì)算軟件。

1 材料與方法

1.1 大氣擴(kuò)散模式的選擇

大氣擴(kuò)散模式是一種用以處理大氣污染物在大氣中(主要是邊界層內(nèi))輸送和擴(kuò)散問(wèn)題的物理和數(shù)學(xué)模型[1]。當(dāng)核輻射突發(fā)事件發(fā)生后，氣載放射性物質(zhì)在大氣中的彌散過(guò)程需要結(jié)合放射性污染物的濃度、氣象等數(shù)據(jù)，定量分析出放射性污染物在大氣中輸送和擴(kuò)散的特征。但由于氣載放射性物質(zhì)在擴(kuò)散過(guò)程中受氣象、地形及放射性物質(zhì)自身的物理和化學(xué)特征的影響，使得模擬氣載放射性物質(zhì)的大氣彌散過(guò)程十分復(fù)雜。近年來(lái)，氣象學(xué)家結(jié)合各種模式的理論核心和應(yīng)用特征建立和發(fā)展了許多大氣擴(kuò)散模式，目前較為常用的大氣擴(kuò)散模式有以高斯模型、里格朗日方法和歐拉方法為基礎(chǔ)的3類。其中高斯模型在大多數(shù)氣象條件下模擬效果較為合理，實(shí)際應(yīng)用較多，是模擬大氣污染物擴(kuò)散的經(jīng)典方法[2-3]。但高斯模型在應(yīng)用時(shí)有其適用條件：①下墊面平坦、開闊和性質(zhì)均勻；②擴(kuò)散過(guò)程中污染物本身是被動(dòng)、保守的，污染物在地面被反射；③擴(kuò)散在同一溫度層結(jié)中發(fā)生；④適用范圍通常＜10～20 km[1]。核輻射突發(fā)事件發(fā)生后放射性物質(zhì)的大氣彌散過(guò)程基本屬于高斯模型的適用范圍。根據(jù)污染物釋放持續(xù)時(shí)間和環(huán)境的不同，高斯模式又有多種形式。

核輻射突發(fā)事件發(fā)生后事件源項(xiàng)放射性核素的釋放其時(shí)間有一定的持續(xù)性。因此，本研究選用連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散的高斯煙羽模型，實(shí)際放射性核素釋放時(shí)多位于地面或接近地面的大氣邊界層，受地面因素影響使得放射性核素?cái)U(kuò)散是有界的，應(yīng)考慮地面的影響。以釋放點(diǎn)在地面上的投影點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)(0，0，0)，在考慮地面反射條件下某一點(diǎn)活度濃度的計(jì)算如公式1[4]：

式中，C為坐標(biāo)點(diǎn)x、y和z的空氣時(shí)間積分活度濃度(Bq/sgm3)；H為有效釋放高度(m)；Q為源項(xiàng)活度(Bq)；u為有效釋放高度處的平均風(fēng)速(m/s)；σy和σz分別是橫風(fēng)方向和垂直方向濃度分布標(biāo)準(zhǔn)差(m)；x，y，z分別是下風(fēng)方向、橫風(fēng)方向和垂直方向的距離(m)；α為地面反射系數(shù)，取值為0～1之間，在假設(shè)地面完全反射的條件下α取值為1。

1.2 重力沉降修正

重力沉降又稱干沉積，粒徑＞10 μm的粒子有明顯的重力沉降，粒子的沉降速度取決于空氣阻力和重力平衡，可用斯托克斯公式2表示[5]：

式中，Vs為沉降速度(m/s)；ρ為粒子密度(kg/m3)；g為重力加速度(9.806 m/s2)；D為粒子直徑(m)；μ為空氣動(dòng)力粘性系數(shù)，可取1.8×10-5kg/mgs。干沉積涉及的影響因素十分復(fù)雜，其沉降速度Vs的大小與眾多因素有關(guān)，其中包括氣溶膠顆?；驓怏w的性質(zhì)(顆粒的大小、密度和形狀等)、地面的特征(地面的結(jié)構(gòu)與粗糙度)、氣象條件等。對(duì)于多數(shù)的材料可認(rèn)為其干沉積速率為1 cm/s，含碘放射性核素的干沉積速度為1.1 cm/s[6]。根據(jù)文獻(xiàn)[4]的基本思路：在擴(kuò)散過(guò)程中同時(shí)有重力沉降的位移迭加到煙云中心線上，中心線就會(huì)向下傾斜，所有粒子相當(dāng)于在下傾的中心線上擴(kuò)散。該類擴(kuò)散和沉降的迭加可認(rèn)為是擴(kuò)散行過(guò)程中，實(shí)源以Vs的速度向下移動(dòng)，在x處向下移動(dòng)的高度為，即源高由H降到了，將這一修正帶入公式(1)，得到經(jīng)過(guò)重力沉降修正后的高斯煙羽模型和高斯煙團(tuán)模型如公式3：

式中各解釋同公式(1)、公式(2)。

1.3 濕沉降修正

降水會(huì)對(duì)煙羽或煙團(tuán)的顆粒物和氣溶膠，以及可溶性氣體產(chǎn)生一定的清洗作用，降水過(guò)程造成的濕沉積是導(dǎo)致放射性氣溶膠和氣體向地面沉積的另一重要機(jī)制。通常以沖洗系數(shù)Λ(s-1)描述降水對(duì)空氣中污染物清洗作用的大小，Λ與降水強(qiáng)度的關(guān)系如公式4[7]：

式中，I為降水強(qiáng)度(mm/h)；a，b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，按釋放物質(zhì)為含碘、不含碘物質(zhì)、以及惰性氣體的情況分別取值。對(duì)含碘物質(zhì)取a=8×10-5，b=0.6；對(duì)不含碘物質(zhì)，取a=1.2×10-4，b=0.5；對(duì)惰性氣體則不考慮濕沉積的影響[7]。

對(duì)于濕沉降導(dǎo)致的煙羽耗減可以采用對(duì)源強(qiáng)進(jìn)行修正的方法[8]如公式5：

式中，Q(x)為下風(fēng)向x軸上某點(diǎn)將濕沉積修正后的源強(qiáng)，Bq；u和x的解釋如公式(1)。

1.4 核素衰變修正

在核輻射突發(fā)事件發(fā)生后，放射性核素的衰變符合指數(shù)衰變規(guī)律，則對(duì)公式(4)中初始活度濃度Q的修正如公式6[9]：

式中，Q(t)為經(jīng)過(guò)t時(shí)間后對(duì)源項(xiàng)修正后的活度濃度(Bq)；t為經(jīng)過(guò)的時(shí)間(s)；Q0為源項(xiàng)的初始活度(對(duì)于源項(xiàng)活度變化的值取源項(xiàng)的歸一化值或峰值活度)(Bq)；λ是核素的衰變常數(shù)(s-1)；u和x的解釋同公式(1)。λ可由核素的半衰期求得，即λ=ln2/T1/2，T1/2為放射性核素的半衰期(s)。

1.5 地面總沉積率

地面總沉積率是干沉積率和濕沉積率之和，對(duì)于干沉積率，根據(jù)擴(kuò)散理論和動(dòng)量傳遞的普朗特理論，可推導(dǎo)出干沉積的放射性物質(zhì)地面沉降率如公式7[5]：

式中，Wdry(x，y)為下風(fēng)向(x，y)點(diǎn)處的地面干沉積率(Bq/ sgm-2)；C(x，y，0)為計(jì)算的坐標(biāo)為(x，y，0)點(diǎn)的放射性物質(zhì)的活度濃度(Bq/m3)；Vs為干沉降速度(m/s)。

對(duì)于濕沉積率，可以通過(guò)沖洗系數(shù)Λ與空氣污染濃度的乘積在煙云的整個(gè)垂直高度范圍內(nèi)的積分求得如公式8[10]：

式中，Wwet(x，y)為下風(fēng)向(x，y)點(diǎn)處的地面濕沉積率(Bq/sgm-2)；Λ為沖洗系數(shù)；Q(x)為考慮濕沉積所致煙羽耗減的源強(qiáng)修正值(Bq/s)；其他解釋同公式(1)。

則放射性物質(zhì)干、濕沉降到地面的總沉積率如公式9[8]：

式中，Wtotal為總沉積率(Bq/s·m-2)。

1.6 地面沉積核素的活度濃度

干、濕沉降所致地面沉積的放射性核素的活度濃度如公式10：

式中，W(x，y，0，t)為爆后t時(shí)刻內(nèi)地面(x，y)點(diǎn)的地面沉積放射性核素的活度濃度(Bq/m2)。

1.7 劑量估算

在設(shè)計(jì)劑量估算時(shí)分別考慮了內(nèi)、外照射劑量。對(duì)于內(nèi)照射劑量估算，主要考慮吸入煙羽中核素所致的內(nèi)照射劑量。對(duì)于外照射劑量估算，主要考慮兩個(gè)方面，即基于近地面空氣中核素的時(shí)間積分濃度的劑量估算和基于地面沉積核素表面比活度的劑量估算。有關(guān)內(nèi)、外照射劑量的估算模式和參數(shù)均來(lái)自于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17982-2000核事故應(yīng)急情況下公眾受照劑量估算的模式和參數(shù)[11]。

1.8 軟件開發(fā)工具與運(yùn)行環(huán)境

軟件開發(fā)工具以微軟最新的.net框架為基礎(chǔ)，使用微軟Winform、MSChart繪圖等最新技術(shù)，采用模塊化編程方式實(shí)現(xiàn)，通過(guò)不同模塊的搭配使用，可靈活應(yīng)用于各種不同應(yīng)用的項(xiàng)目。在模式研究的基礎(chǔ)上采用Visual C#編程語(yǔ)言編制，其語(yǔ)言在.net framwork4.0環(huán)境下運(yùn)行，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)選用MSSQLServer2008，軟件開發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2010。模式中的積分計(jì)算在程序設(shè)計(jì)時(shí)引入了龍貝格(Romberg)求積分問(wèn)題的算法[12]。

2 結(jié)果

在使用核輻射突發(fā)事件氣載放射性物質(zhì)大氣彌散計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算時(shí)要求：①需輸入核突發(fā)事件源項(xiàng)的相關(guān)信息，包括給出源項(xiàng)釋放的核素、活度、有效釋放高度和沉積速度等；②需給出事件發(fā)生時(shí)的氣象條件，包括有效釋放高度的平均風(fēng)速、風(fēng)向和大氣穩(wěn)定度等；③設(shè)置源項(xiàng)持續(xù)釋放時(shí)間、選擇地形條件及設(shè)置制圖顯示時(shí)等值線的數(shù)值要求等。根據(jù)上面給定的這些信息，軟件進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算，以表格、制圖和下風(fēng)向坐標(biāo)點(diǎn)設(shè)置等3種方式給出計(jì)算結(jié)果。在制圖顯示中為加載電子地圖提供有導(dǎo)入接口。

本研究以源項(xiàng)釋放射性核素為131I為例，假設(shè)其活度為3.7×1010Bq，有效釋放高度為2 m，沉積速度為1 cm/s，有效釋放高度的平均風(fēng)速為2 m/s，風(fēng)向是90o(軟件將風(fēng)來(lái)自北面設(shè)為0o，來(lái)自東面設(shè)為90o，來(lái)自南面設(shè)為180o，來(lái)自西面設(shè)為270o)，源項(xiàng)釋放的持續(xù)時(shí)間為20 min，事件發(fā)生地為城市地形，設(shè)置近地面空氣時(shí)間積分等值線的活度濃度從大到小分別為370000 Bq/s·m-3、37000 Bq/s·m-3、3700 Bq/s·m-3，大氣穩(wěn)定度設(shè)置為B級(jí)。大氣穩(wěn)定度是指大氣中的某氣團(tuán)在垂直方向上的穩(wěn)定程度，從極不穩(wěn)定到穩(wěn)定共分有A～F6個(gè)等級(jí)，其具體取值情況可參考文獻(xiàn)[13-14]。根據(jù)以上輸入的信息，采用本軟件計(jì)算的近地面空氣時(shí)間積分等值線制圖結(jié)果顯示如圖1所示，將等值線加載電子地圖后的圖片顯示如圖2所示。

圖1 近地面空氣時(shí)間積分活度濃度等值線制圖

圖2 等值線的電子地圖顯示

3 結(jié)論

根據(jù)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)安全叢書第86號(hào)中的要求，大氣彌散模式計(jì)算可應(yīng)用于下述3個(gè)方面的應(yīng)急響應(yīng)活動(dòng)[15]：①為制定應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃提供技術(shù)支持；②在事故期間實(shí)時(shí)地計(jì)算氣載放射性核素的濃度分布；③對(duì)事故后果的分析。本項(xiàng)目組此次設(shè)計(jì)、研發(fā)的核輻射突發(fā)事件氣載放射性物質(zhì)大氣彌散計(jì)算軟件，可應(yīng)用于上述3種應(yīng)急響應(yīng)活動(dòng)中，能夠快速、準(zhǔn)確地完成原本較為復(fù)雜的計(jì)算，并可根據(jù)用戶所關(guān)心的核素濃度，進(jìn)行等值線的制圖顯示，還可與電子地圖相結(jié)合能夠較為直觀地給出事件發(fā)生后不同污染量彌散的范圍，對(duì)事件后的安全分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。

有關(guān)等值線的計(jì)算主要是針對(duì)近地面空氣中放射性核素的時(shí)間積分活度濃度，對(duì)于氣載放射性物質(zhì)的環(huán)境評(píng)價(jià)而言，應(yīng)更重視近地面處空氣的污染濃度，此時(shí)軟件計(jì)算時(shí)將z＝0代入公式(4)或公式(5)，即得到下風(fēng)向某點(diǎn)的近地面空氣時(shí)間積分活度濃度[10]。將用戶所關(guān)心的等值點(diǎn)連成線后制圖顯示。

在進(jìn)行軟件計(jì)算時(shí)需要用戶給出源項(xiàng)的有效釋放高度，其等于源項(xiàng)的幾何高度與煙氣抬升高度之和。源項(xiàng)的有效釋放高度直接影響到氣載放射性物質(zhì)大氣的擴(kuò)散，在相同氣象條件下地面濃度與源項(xiàng)的有效釋放高度的平方成反比[13]。國(guó)內(nèi)外在煙氣抬升方面進(jìn)行了廣泛的理論和實(shí)驗(yàn)研究，到目前為止已提出了數(shù)十個(gè)煙氣抬升公式。在核輻射突發(fā)事件發(fā)生時(shí)用戶需根據(jù)當(dāng)時(shí)的風(fēng)速、釋放氣體的溫度和環(huán)境溫度等條件，參考《大氣環(huán)境模式計(jì)算方法》中的煙氣抬升公式計(jì)算出煙氣抬升高度，再與源項(xiàng)的幾何高度相加得出有效釋放高度[13]。

本軟件中氣載放射性核素大氣彌散的計(jì)算需分核素進(jìn)行，不同核素受其自身衰變特性的影響，在計(jì)算時(shí)設(shè)置的參數(shù)不同。當(dāng)核輻射事件發(fā)生后多種放射性核素釋放時(shí)，需在“源項(xiàng)”設(shè)置中分別選擇核素類型進(jìn)行計(jì)算。核輻射突發(fā)事件氣載放射性物質(zhì)大氣彌散計(jì)算軟件，在彌散過(guò)程的計(jì)算中考慮了重力沉降、地面反射、濕沉降和放射性衰變等因素，可為核輻射突發(fā)事件的應(yīng)急響應(yīng)提供技術(shù)支持。

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Research on the nuclear radiation emergencies airborne radioactive material atmospheric dispersion calculation software

ZHOU Qiang, TUO Fei, XU Cui-hua, et al

China Medical Equipment,2014,11(4):15-18.

Objective: To calculate the diffusion of airborne radioactive material fastly and accuratly when nuclear radiation emergencies occurs. Methods: Gaussian model were used for basis of the calculation, the conditions such as gravitational settling, ground reflection as well as radioactive decay and other factors were considered during the atmospheric dispersion calculation. Results: A software that can be used to calculate airborne radioactive material atmospheric dispersion under nuclear radiation emergencies were designed and developed. With tables, graphics and other forms downwind coordinates given in the results. Conclusion: This software can effectively reduce some difficulty of the calculation for the airborne spread of radioactive material, and can meet the need during nuclear radiation emergency response.

Nuclear radiation; Radioactive; Atmospheric dispersion; Software

1672-8270(2014)04-0015-04

R144

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.04.005

周強(qiáng),男,(1974- ),碩士，副主任技師。中國(guó)疾病預(yù)防控制中心輻射防護(hù)與核安全醫(yī)學(xué)所輻射防護(hù)與核應(yīng)急中國(guó)疾病預(yù)防控制中心重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，研究方向：輻射檢測(cè)與評(píng)價(jià)。

2014-01-10

衛(wèi)生行業(yè)科研專項(xiàng)(201002009)“輻射危害控制與核輻射衛(wèi)生應(yīng)急處置關(guān)鍵技術(shù)研究及其應(yīng)用”

①中國(guó)疾病預(yù)防控制中心輻射防護(hù)與核安全醫(yī)學(xué)所 輻射防護(hù)與核應(yīng)急中國(guó)疾病預(yù)防控制中心重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100088

*通訊作者：suxu@nirp.cn