GIS支持下的核設施廢氣擴散模擬系統(tǒng)研究

張東輝，趙英俊，秦 凱，裴承凱

（1.核工業(yè)北京地質研究院 遙感信息與圖像分析技術國家級重點實驗室，北京 100029）

在核能的生產和消費過程中，將產生當前技術無法回收或不值得回收利用的廢棄物，按照其物理性狀，可分為氣載廢物、液態(tài)廢物和固體廢物。氣載廢物中所含的放射性核素隨設施而異，鈾礦冶廠廢氣中主要的核素為鈾、釷、鐳、氡及其子體，核動力廠廢氣的主要組分為惰性氣體、氣溶膠、3H和14C，后處理廠的廢氣中常含有239Pu、226Ra和222Rn，反應堆將產生碘廢氣。此外，廢氣中可能還含有非放有害物質，如鈾同位素廠廢氣中含有較多的HF和F2，后處理廠廢氣中含有較多的氮氧化物，焚燒爐廢氣中含有較多的CO2、NOx和 SO2[1]。核設施經廢氣流出物排入大氣的放射性物質，將向下風向輸運，并隨大氣的混合過程彌散，以降雨沉降、下墊面碰撞或重力沉降等形式落入地面，經水體、植物、動物等方式進入人體，在較長的時間內形成內照射。

本文針對廢氣的輸運過程，引入具有強大空間分析和空間操作功能的GIS技術，在集成管理廢氣流出物的化學成分、氣溶膠濃度、排風系統(tǒng)流量、環(huán)境風向風速等監(jiān)測數據后，結合氣體擴散數學模型，運用GIS柵格數據模型和域面分析技術，模擬污染風險空間量化評估結果，為有關決策提供技術支持。

1 核設施廢氣擴散數學模型

有別于一般工業(yè)污染，核設施廢氣的排放源項一般有明確的估算值；對環(huán)境的輻射劑量也有明確的法規(guī)規(guī)范，因此核設施廢氣擴散模擬的核心內容是判斷放射性物質流出核設施后，在環(huán)境中的轉移途徑和范圍。大氣的擴散能力主要受風向、風速和大氣穩(wěn)定度的影響。風向決定污染物在大氣中的擴散方向，通常在水平風的作用下將氣載污染物不斷向下風向輸送，稱為大氣輸運。主導風向常出現左右和上下的無規(guī)則擺動，稱為湍流，其流場的各個特征量統(tǒng)計平均值具有規(guī)律性。氣載污染物在隨風輸運過程中，因大氣湍流作用導致在橫向和垂直方向上不斷加大與周圍空氣的混合范圍，稱為大氣擴散[2]。核設施廢氣中的核素在空間中符合高斯分布，假設大氣風速是均勻和穩(wěn)定的，且在擴散過程中核素物質的質量是守恒的。在建模時，先建立瞬時單煙團擴散模型，再假設核設施源強隨時間分布連續(xù)均勻，建立點源煙羽擴散模型。

假定核設施核素瞬時釋放，且在空間中按正態(tài)方式擴散，則單位容積核素的濃度變化為：

將瞬時單核素團設置為連續(xù)排放模式，可理解為排放是在時間上連續(xù)的多個核素團，將式（1）對t0從-∞到t求積分，得到連續(xù)排放核素下的正態(tài)擴散模型[3]，即

式中，x、y、z、t分別為預測點的空間坐標和時刻；x0、y0、z0、t0分別為核素釋放點的初始空間坐標和初始時刻；x'、y'、z'為釋放點中心在t～t0時間段內的遷移距離，x'=∫udt、y'=∫vdt、z'=∫wdt；u、v、w 分別為核素釋放點中心在x、y、z方向的速度分量；C為預測點的核素團瞬時濃度；Q為核素團瞬時排放量；σx、σy、σz為x、y、z方向的擴散參數，是擴散時間段T的函數；T＝t-t0。

2 核設施廢氣擴散模擬系統(tǒng)設計

2.1 總體設計

核設施廢氣擴散模擬系統(tǒng)的最終目的是獲取廢氣的輸運過程，該過程具有非常強的時間性和空間性。系統(tǒng)以核素擴散對象為基礎，把下墊面信息、經濟社會活動以及環(huán)境等有關數據，按其空間位置輸入計算機；再通過多目標的數據庫、分析軟件與應用模型進行廢氣信息的存貯、更新、查詢、模型分析、模擬預測、微觀評價、宏觀評價、顯示以及繪圖輸出等工作。系統(tǒng)按功能可分為5個部分：GIS基本功能（空間信息顯示與控制、圖例與圖層控制、核素信息查詢和空間信息分析等），大氣核素數據管理（廢氣監(jiān)控數據的增加、刪除、更新和瀏覽），廢氣擴散模型參數設置（橫向擴散參數、垂直擴散參數、混合層高度、抬升高度、氣象參數），圖形化結果輸出（網格分級法、等值線分級法、柵格分級法）和廢氣擴散決策評價（擴散距離評價、擴散濃度評價）。

2.2 數據庫設計

數據來源分為3個部分：①空間數據圖層，包括行政區(qū)（面狀）、水系（面狀）、居民點（點狀）、鐵路（線狀）、道路（線狀）和地名標注（點狀）；②廢氣屬性數據，包括污染源（點狀和面狀）、大氣環(huán)境質量監(jiān)測點（點狀）、網格劃分（面狀）和監(jiān)測點分布（點狀）；③氣象數據，包括風向（面狀）、風速（面狀）、氣溫（面狀）、云量（面狀）、降水率（文本）和大氣穩(wěn)定度（文本）等。系統(tǒng)采用C/S結構設計，服務器端采用高性能PC，通過創(chuàng)建數據庫并實現必要數據庫服務器的方法，為客戶端提供數據服務；客戶端表現為一個基于圖形界面的可視化應用程序，通過通信協(xié)議訪問數據庫服務器。系統(tǒng)數據庫平臺采用SQL Server 2005，通過ArcSDE管理空間數據、屬性數據和氣象數據。

2.3 GIS與廢氣擴散模型的集成方法

GIS與廢氣擴散模型的集成方法包括松散結合、緊密結合和完全集成[4]3個層次。在綜合考慮可操作性和數據特征的基礎上，利用面向對象的開放式開發(fā)環(huán)境、動態(tài)鏈接、數據對象訪問技術以及GIS組件技術，通過各種開放式的嵌入機制和透明的數據交換，實現GIS與廢氣擴散模型的集成。其具體步驟為：①預處理。首先收集核設施周邊基礎數據表，并進行地理空間圖層的變換；再通過ArcSDE將其導入數據庫，利用網格剖分技術，將評價區(qū)離散化，生成網格層及其相應控制點；然后根據廢氣排放信息，確定污染源位置，讀取氣象數據，確定評價參數并建立坐標系；最后在確定坐標原點和主導風向的基礎上，確定評價區(qū)的范圍。②模擬計算。首先接收用戶輸入的參數，創(chuàng)建計算對象，傳遞參數進行模型運算；再計算每個控制點的模擬結果。③GIS模擬輸出，主要包括基于網格的顯示、等值線顯示和柵格圖像顯示。根據濃度大小進行分級，顯示不同濃度區(qū)間的統(tǒng)計圖（圖1）。

2.4 訪問控制策略

核設施廢氣數據具有很高的敏感性，因此系統(tǒng)的訪問控制策略決定了相關數據的安全性。本文從兩個方面設計系統(tǒng)的安全機制：訪問控制，即是否允許用戶登錄并訪問數據庫；操作控制，即是否允許用戶對數據庫進行相應操作。訪問控制通過身份（ID）認證、角色（Role）管理、登錄（Login）管理來實現；操作控制則根據用戶的權限管理和審核來實現，以訪問控制為基礎。通過訪問和操作控制，確保只有授權的用戶才能操作系統(tǒng)，而權限管理將進一步控制用戶的操作范圍。

圖1 核設施廢氣擴散模擬系統(tǒng)的數據處理流程圖

3 核設施廢氣擴散模擬系統(tǒng)實現

3.1 廢氣數據管理

核設施廢氣監(jiān)測計劃包括監(jiān)測或取樣點、監(jiān)測或取樣頻率、取樣量、采用儀器、測量時間、數據質量、數據處理方法和監(jiān)測結果。輔助參數包括流出物化學成分、氣溶膠粒度分布、排風速度、受影響區(qū)域風向和風速。根據核設施廢氣空間數據庫建設的實際情況，編制其空間數據庫地理圖層的屬性結構表（表1、圖2a）。數據分層和拓撲處理后，再錄入屬性數據，屬性數據一般采用批量輸入的方式，分要素輸入該實體的屬性信息。由于數據的來源多種多樣，不同格式、不同比例尺必然會帶來諸多問題，因而系統(tǒng)要求將所有的文件格式統(tǒng)一轉換為shape矢量格式，再經投影統(tǒng)一導入空間數據庫。服務器端的ArcSDE鏈接到SQL Server后，再將空間數據導入SQL Server數據庫的一系列表格中。通過ArcGIS Desktop的ArcCatalog模塊提供的向導來導入空間數據，以實現空間數據在數據庫中的存儲。

表1 核設施廢氣圖層屬性結構表

3.2 廢氣擴散模型參數設置

當采用正態(tài)擴散模型對點源廢氣進行預測時，必須首先確定具體廢氣污染預測模型的參數。其參數包括大氣混合層高度、垂直和水平擴散系數以及廢氣抬升高度（圖2b）。①大氣混合層高度的確定。地表受熱導致大氣增溫、引起對流，從下而上，下層空氣強烈混合，大氣層結接近干絕熱遞減率，該層大氣稱為混合層，混合層伸展的高度稱為混合層高度[5]。在國家標準（GB/T13201-91）文件中對混合層高度做了規(guī)定：按照地域將我國大氣層穩(wěn)定度分為A、B、C、D、E、F六個參數查找選項，前四項計算公式一致，后兩項計算公式一致[6]；可基于風速、地轉角速度和地理緯度等參數，計算混合層高度的估算值。②垂直和水平擴散系數的設置。污染物在大氣中的擴散與濃度分布是在湍流作用下形成的，而湍流統(tǒng)計量與采樣時間有關，因此擴散系數也與采樣時間有關。根據回歸系數和回歸指數建立經驗函數，得到廢氣的垂直和水平擴散參數σy、σz。③廢氣抬升高度。煙氣有效排放高度He可表示為：He=H+△H，其中H為煙囪的絕對高度，△H為煙氣的抬升高度[7]。根據HJ/T 2.2-1993《環(huán)境影響評價技術導則：大氣環(huán)境》中推薦的煙氣抬升公式，計算得到有關系數[8]。

3.3 圖形化結果輸出

GIS支持下的核設施廢氣擴散模擬過程為：①利用大量固定的計算點將整個模擬區(qū)域離散化，以便計算擴散的污染物濃度；②確定污染源影響的范圍，一般認為一個污染源只會對下風向形成污染，因此篩選得到受該污染源影響的所有固定計算點；③把計算得到的氣象參數和污染源數據代入大氣擴散模型，分別計算得到該污染源對所有固定計算點造成的污染物濃度值；④對每個污染源重復執(zhí)行步驟②和③，直至遍歷所有固定計算點；⑤根據所有固定計算點保存的濃度值，生成專題圖，以便模擬大氣污染擴散的結果。專題圖輸出時，網格分級法主要使用的ArcEngine接口包括IFeature、IFeatureLayer等；等值線分級法主要使用的ArcEngine接口包括IGeoDataset、ICursor、IGeoFeatureLayer等；柵格分級法主要使用的ArcEngine接口包括IRasterLayer、IFeatureLayer、IRaster等；離散化網格點使用的是線層Fishnet。本文以某核設施為例，在給定一定天氣條件因子后，模擬了其核素排放的網格和等值線，模擬結果如圖2c、2d所示。

3.4 廢氣擴散決策評價

通過對某核設施的廢氣擴散模擬可知，在給定的污染源排放條件下，控制污染物地面濃度的關鍵因素是風向，不同的風向決定了污染物的輸送方向，以及污染源對其下風向區(qū)域的總體污染狀況；而風速是控制污染物遷移距離的主要因素，但風速對濃度分布的貢獻往往受大氣穩(wěn)定度、逆溫層等其他因素的影響，表現得不太明顯。通過改變不同的因子，實現對廢氣擴散的模擬，不僅能在核設施日常核素廢氣排放監(jiān)測和預報中發(fā)揮作用，而且能為前期選址規(guī)劃和突發(fā)應急情況下的決策推演，提供強大的技術支持。

圖2 廢氣污染擴散模擬界面與結果

4 結 語

在社會公眾和政府企業(yè)對環(huán)境保護需求迫切的現今，核設施的廢氣管理也面臨新的要求，急需引入信息化技術手段，實現在廢氣排放的前期進行地理空間信息預評價，在日常環(huán)境監(jiān)測中開展定量化分析，以及在突發(fā)應急時快速掌握核素遷移途徑和速度的目標。本文將氣載核素擴散模型與GIS空間分析技術進行集成，利用C/S結構，運用Visual C#2010平臺、ArcEngine組件、SQL Server 2005數據庫等軟件，實現了污染源評價、廢氣擴散模擬和廢氣流出物控制效果評價等功能，設計并構建了一套適用于核設施廢氣擴散模擬的軟件系統(tǒng)，為相關工作提供了一種新型的工作手段。