沈 越, 胡筱敏, 馬云峰, 王 琦, 王廷帥, 李強強, 石曉飛

1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110819 2.遼寧省環(huán)境保護(hù)廳, 遼寧 沈陽 110033 3.沈陽航空航天大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院, 遼寧 沈陽 110136 4.航天科工智慧產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司, 北京 100854

基于C4ISRE系統(tǒng)的核電站大氣核污染擴散軌跡系統(tǒng)仿真研究

沈 越1,2, 胡筱敏1*, 馬云峰3, 王 琦3, 王廷帥3, 李強強3, 石曉飛4

1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110819 2.遼寧省環(huán)境保護(hù)廳, 遼寧 沈陽 110033 3.沈陽航空航天大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院, 遼寧 沈陽 110136 4.航天科工智慧產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司, 北京 100854

為了在核污染事故處理時提供精細(xì)化預(yù)警，以遼寧省某核電站周邊部分重要目標(biāo)(大衣屯、大周屯、紅沿河鎮(zhèn)、駝山鄉(xiāng)、西楊鄉(xiāng)、復(fù)大線應(yīng)急撤離線路)為研究對象，將環(huán)境保護(hù)指揮自動化系統(tǒng)C4ISRE(Command，Control，Communications，Computer，Intelligence，Surveillance，Reconnaissance，Environmental Impact Assessment)與HYSPLIT 4.9模型相耦合，采用NCEP(美國國家環(huán)境預(yù)報中心)的FNL全球氣象數(shù)據(jù)對核污染擴散軌跡進(jìn)行仿真研究. 結(jié)果表明：自模擬初始時間2014-04-01T00:00:00.00開始，進(jìn)、出大衣屯邊界時間分別為00:06:16.560、00:06:49.000，歷時31.340 s；由西向東橫穿過大周屯，進(jìn)、出時間分別為于00:06:16.56到達(dá)大衣屯北部邊界，于00:06:46.90擴散出大衣屯邊界，經(jīng)過大衣屯區(qū)域耗時共計29.00 s；核污染氣團(tuán)于00:15:30.85到達(dá)大周屯上空500 m處，由西向東橫穿過大周屯，于00:15:46.05離開大周屯上空，過程耗時15.20 s；核污染氣團(tuán)于00:32:14.25 經(jīng)過重要應(yīng)急撤離線路2(復(fù)大線)，全程耗時32 min 14.25 s.核污染氣團(tuán)與從2014-04-01T00:00:00.000進(jìn)入紅沿河鎮(zhèn)上空500 m區(qū)域，于00:24:27.00擴散出，全程歷時24 min 27.00 s；進(jìn)、出駝山鄉(xiāng)上空500 m區(qū)域的時間分別為00:24:28、00:51:00，歷時26 min 32.00 s；進(jìn)、出西楊鄉(xiāng)上空的時間分別為00:51:01、01:05:4.70，歷時14 min 37.00 s；重點區(qū)域大衣屯和大周屯行政區(qū)的預(yù)警時間分別為376.56、930.85 s，重點撤離線路2區(qū)域預(yù)警時間為1 934.25 s.

C4ISRE; 大氣核污染擴散軌跡; HYSPLIT

目前，核電站應(yīng)急技術(shù)得到世界各國的普遍重視. 清華大學(xué)開發(fā)的核事故后果預(yù)測和評價決策系統(tǒng)[1]，可對研究區(qū)40 km范圍內(nèi)每個網(wǎng)格的風(fēng)場、濃度場、潛在劑量及防護(hù)進(jìn)行預(yù)測. 中國輻射防護(hù)研究院開發(fā)的核事故場外后果實時評價計算機系統(tǒng)軟件，可對研究區(qū)近場10 km、遠(yuǎn)場40 km風(fēng)場、濃度場、劑量場及防護(hù)行動區(qū)域進(jìn)行預(yù)測. 美國勞倫斯·利弗摩爾國立實驗室開發(fā)的ARAC(the Atmospheric Release Advisory Capability)系統(tǒng)[1-3]，可模擬全球未來2 d點源周圍15 km的濃度場和劑量場. 歐洲共同體開發(fā)了RODOS(an integrated and comprehensive real-time on-line decision support system)系統(tǒng)[1,4]，可對研究區(qū)內(nèi)各種距離范圍內(nèi)的風(fēng)場、濃度場、潛在劑量及防護(hù)行動的進(jìn)行評價和預(yù)測. 日本原子力研究所開發(fā)了SPEEDI(Prediction of Environment Emergency Dose Information)系統(tǒng)[1,5]可以模擬全球任一點源未來最長52 h三維氣象場、濃度場和劑量場.

總體來看，這些系統(tǒng)基本屬于“決策支持系統(tǒng)”范疇，而不屬于“指揮控制系統(tǒng)”范疇. 現(xiàn)有的“核電站事故的決策支持系統(tǒng)”[6-8]與C4ISR(軍事指揮自動化系統(tǒng))[9-11]相比主要存在如下問題：采用的設(shè)備型號復(fù)雜、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、沒有采用分布式仿真HLARTI等方法；沒有實現(xiàn)現(xiàn)行系統(tǒng)與監(jiān)視、偵察等技術(shù)(衛(wèi)星、無人機)的有效融合；無法實現(xiàn)環(huán)境保護(hù)力量體系的綜合模擬與分析等. 在此基礎(chǔ)上，提出的環(huán)境保護(hù)指揮自動化系統(tǒng)C4ISRE[12-13]，以計算機為核心，具有環(huán)境指揮控制、環(huán)境污染態(tài)勢偵察、災(zāi)難預(yù)警探測、通信、仿真演練和其他環(huán)境保護(hù)信息保障功能的環(huán)保領(lǐng)域的綜合信息系統(tǒng)，它的主要功能是信息獲取、處理、決策支持和對環(huán)保隊伍實施指揮與控制，以及環(huán)境污染應(yīng)急事件模擬、演練、指揮、處理等. 該研究基于C4ISRE系統(tǒng)進(jìn)行大氣核污染事故的預(yù)警研究，以期為核電站核污染預(yù)警技術(shù)的發(fā)展開拓新的思路.

1 模擬算法選擇

2008年美國應(yīng)急響應(yīng)框架(the Federal National Response Framework，F(xiàn)NRF)指派NOAA(the National Oceanic and Atmospheric Administration，美國國家海洋和大氣管理局)采用HYSPLIT混合單粒子拉格朗日積分軌跡模型(Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory model)[14-20]進(jìn)行煙霧、放射性和有害物質(zhì)的預(yù)測，并與世界氣象組織(WMO)協(xié)同處理國際性的應(yīng)急事故. 2011年，為幫助聯(lián)合國原子輻射效應(yīng)科學(xué)委員會(the United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation，UNSCEAR)對日本福島核事故進(jìn)行核污染評估，世界氣象組織(WMO)構(gòu)建了大氣輸送和擴散模式項目(the Atmospheric Transport and Dispersion Model，ATDM)，成立了專門的工作組(TT，Task Team)研究日本福島核事故引起的大氣核輻射的評估方法. 工作組成員包括NOAA、加拿大氣象中心(CMC)、英國氣象局(UKMET)、日本氣象廳(JMA)和奧地利中央氣象和地球動力研究所(ZAMG)等. NOAA主要采用HYSPLIT模式對日本福島大氣核輻射進(jìn)行評估. HYSPLIT模型主要由4個計算組件構(gòu)成：由平均風(fēng)場驅(qū)動的污染氣團(tuán)離子輸送仿真模塊、湍流輸運仿真模塊、沉降和衰變仿真模塊、大氣污染濃度仿真模塊. NOAA的研究證明，以日本福島核事故為依據(jù)，采用HYSPLIT模式的各項技術(shù)對核污染的擴散模擬具有較好的預(yù)測效果[21].

C4ISRE系統(tǒng)的主體構(gòu)件是STK(System Toolkit)系統(tǒng). STK由美國AGI(Analytical Graphics)公司開發(fā)，是航天領(lǐng)域最先進(jìn)的商品化的仿真分析軟件. Aerospace公司(獨立評測機構(gòu))的評測報告證明，其分析結(jié)果置信度為99.50%. STK全面支持對復(fù)雜陸、海、空、天、電一體化建模及構(gòu)建C4ISR系統(tǒng)[22].

2 擴散區(qū)域基本環(huán)境

遼寧某核電廠地處渤海遼東灣東海岸，北、西、南三面臨海，東側(cè)與陸地接壤，反應(yīng)堆位于廠址西側(cè)，屬于溫帶季風(fēng)氣候區(qū). 廠外主要居民點為距廠界ESE方位的紅沿河鎮(zhèn)(7.00 km)、復(fù)州城(22.00 km)、瓦房店市(49.00 km)；S方位的大連港(110.00 km)；N方位的沈陽市(270.00 km).

氣象資料以距核電廠相近的熊岳氣象站30 a的數(shù)據(jù)資料統(tǒng)計為主. 該區(qū)域南風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向，全年風(fēng)頻為26%，全年1月、2月最多風(fēng)向為北北東(21%)和北風(fēng)(20%)，3—12月主導(dǎo)風(fēng)向均為南風(fēng)且出現(xiàn)頻率為22%～31%. 常年平均風(fēng)速為3.90 ms，其中春季風(fēng)速較大，夏季風(fēng)速較小，但差異不是很大. 一年中以4月風(fēng)速為最大，達(dá)到5.00 ms；以8月風(fēng)速為最小. 各月大于17.00 ms的大風(fēng)日數(shù)以4月最為集中，月均出現(xiàn)7.60 d.

2.1 混合單粒子拉格朗日積分軌跡算法

HYSPLIT模式假設(shè)大氣核污染氣團(tuán)隨風(fēng)飄動，則其移動軌跡就是其在時間和空間上位置矢量的積分，即通過初始位置P(t)和第一猜測位置P′(t+Δt)的三維速度矢量的平均值來計算. 速度矢量在空間和時間上進(jìn)行線性內(nèi)插：

第一猜測位置：

P′(t+Δt)=P(t)+V(P,t)Δt

(1)

最后的位置：

P(t+Δt)=P(t)+0.5[V(P,t)+V(P′,t+Δt)]Δt

(2)

VmaxΔt<0.75

(3)

(4)

式中：P為質(zhì)點的初始位置；P′為質(zhì)點的第一預(yù)測位置；t為仿真時間，s；V為風(fēng)速，ms；Vmax為最大風(fēng)速，ms；Ztop為軌跡模式坐標(biāo)系統(tǒng)的頂部，m；Zgl為地形高度，m；Zmsl為坐標(biāo)下邊界高度，m.

2.2 氣象場數(shù)據(jù)

為保證試驗的可靠性，氣象場數(shù)據(jù)采用NCEP(美國國家環(huán)境預(yù)報中心)提供的全球分析資料第三階段GRAS數(shù)據(jù). GDAS系統(tǒng)使用WRF模式進(jìn)行預(yù)測和資料同化，數(shù)據(jù)分辨率為1°×1°，時間間隔為6 h，編碼格式為GRIB l碼，累計有26個標(biāo)準(zhǔn)等壓層(1 000 ～10 hPa)、地表邊界層和對流層頂?shù)男畔? 每6 h進(jìn)行一次全球數(shù)據(jù)分析. 這種數(shù)據(jù)具有時次多、密度大、連續(xù)性強、分辨率較高、內(nèi)容豐富等特點，在中小尺度天氣分析中具備較大的優(yōu)勢，能夠有效彌補常規(guī)觀測資料在災(zāi)害性天氣分析方面的不足[23].

3 基于C4ISRE系統(tǒng)的污染氣團(tuán)模擬推演方法

a) 初始仿真環(huán)境率定. 設(shè)置全球同化氣象場的網(wǎng)格初始值；根據(jù)初始?xì)庀髨鲈O(shè)置的情況，設(shè)定仿真時間域、點源的地理坐標(biāo)和高度等基本參數(shù)；根據(jù)研究區(qū)域的實際氣象條件分析區(qū)域垂直縱向方向離子擴散的運動模式，進(jìn)而構(gòu)建前向或后向離子軌跡擴散分析情景.

b) 完成初始仿真率定后，需要進(jìn)行高級仿真環(huán)境率定[24-27]. 分析時間積分方法策略；設(shè)定離子擴散的穩(wěn)定率；對初始?xì)鈭鲎佑虻木W(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化；分析時間域內(nèi)的多層軌跡復(fù)合策略；研究離子擴散軌跡輸出頻率的率定；設(shè)置立體混合層計算方法；輸出污染氣團(tuán)擴散軌跡仿真結(jié)果. 具體仿真參數(shù)見表1.

表1 核污染事故情景設(shè)置

c) 將離子擴散軌跡仿真數(shù)據(jù)構(gòu)建成CISRE/STK主件需要的彈道軌跡仿真控制文件，利用C4ISRE系統(tǒng)綜合仿真引擎AGI STK，對核污染氣團(tuán)進(jìn)行仿真推演. 仿真推演過程分為三個部分：核污染氣團(tuán)擴散軌跡數(shù)據(jù)輸入、基于STK內(nèi)核的仿真控制、STK仿真內(nèi)核計算及核素污染氣團(tuán)擴散數(shù)據(jù)推演顯示核素污染氣團(tuán)擴散軌跡數(shù)據(jù)輸入. 仿真前需要將有HYSPLIT模擬出的核素污染氣團(tuán)擴散軌跡數(shù)據(jù)構(gòu)建成C4ISRE/STK需要的仿真控制數(shù)據(jù)文件格式[22,28-32]，仿真控制數(shù)據(jù)文件一般分為彈道參數(shù)控制數(shù)據(jù)文件、姿態(tài)參數(shù)控制數(shù)據(jù)文件、模型關(guān)鍵點控制數(shù)據(jù)文件等，該研究采用彈道參數(shù)控制文件. 軌跡參數(shù)是以*.e為結(jié)尾的數(shù)據(jù)存儲文件，數(shù)據(jù)內(nèi)容可以有多種組合方式.

4 結(jié)果與討論

4.1 基于C4ISRE的核污染粒子擴散特征

基于C4ISRE/STK推演模擬所得的核污染粒子擴散軌跡、部分重要居民區(qū)域、重要撤離路線綜合分析見圖1.

圖1 基于HYSPLIT模擬的核污染氣團(tuán)軌跡綜合分析Fig.1 Comprehensive analysis of nuclear pollution air mass trajectory by HYSPLIT

核電廠址周邊重要的居民區(qū)空中500 m處核污染氣團(tuán)的擴散情況. 核污染氣團(tuán)于2014-04-01 T 00:15:30.85到達(dá)大周屯(39.811°N、121.539°E)上空500 m處，由西向東橫穿過大周屯，并于00:15:46.05 離開大周屯上空(39.811°N、121.54°E)，過程耗時15.20 s；核污染氣團(tuán)于2014-04-01T00:32:14.25 經(jīng)過重要應(yīng)急撤離線路2(復(fù)大線，39.827°N、121.614°E)，從推演開始到核污染氣團(tuán)擴散至應(yīng)急撤離線路2(復(fù)大線)全程耗時32 min 14.25 s. 核污染氣團(tuán)與從模擬起始時間2014-04-01T0:00:00.00 開始由1號反應(yīng)堆位置進(jìn)入紅沿河鎮(zhèn)上空500 m區(qū)域，于2014-04-01T00:24:27.00擴散出紅沿河鎮(zhèn)區(qū)域，出區(qū)位置在39.820°N、121.579°E，全程歷時24 min 27.00 s；氣團(tuán)于2014-04-01T00:24:28.00 進(jìn)入駝山鄉(xiāng)上空500 m區(qū)域，于2014年4月1日00:51:00.00離開該區(qū)域，出區(qū)位置為39.845°N、121.695°E，全程歷時26 min 32.00 s；氣團(tuán)于2014-04-01T00:51:01.00進(jìn)入西楊鄉(xiāng)上空500 m區(qū)域，于01:05:04.70離開該區(qū)域，出區(qū)位置在39.860°N、121.763°E，全程歷時14 min 37.00 s，依次可得各區(qū)域及重點路線的預(yù)警處置時間，見圖2(截選).

注： 0—一號反應(yīng)堆； 1—飛入大衣屯事件； 2—飛出大衣屯事件； 3—飛入大周屯事件； 4—飛出大周屯事件； 5—飛過應(yīng)急撤離路線2事件； 6—氣團(tuán)繼續(xù)擴散事件.圖2 區(qū)域預(yù)警時間Fig.2 Time for area early warning

4.2 基于C4ISRE的動態(tài)推演感知能力與傳統(tǒng)HYSPLIT分析方法優(yōu)勢比較

基于傳統(tǒng)HYSPLIT的污染源軌跡分析方法——通常生成shp或KML數(shù)據(jù)，并基于ArcGIS和Google Earth軟件進(jìn)行相應(yīng)的分析，動態(tài)仿真效果主要基于Google Earth實現(xiàn)；C4ISRE系統(tǒng)是綜合集成系統(tǒng)，其主模塊AGI STK具有強大的集成功能，與HYSPLT的傳統(tǒng)Goolge Earth功能相比具有多種優(yōu)勢特征：

a) C4ISRE系統(tǒng)推演技術(shù)(見圖3)可實現(xiàn)多線程、多通道、多角度的核污染擴散仿真模擬，與HYSPLIT的傳統(tǒng)Google Earth仿真技術(shù)(見圖4)相比優(yōu)勢明顯. 圖3中構(gòu)建了三個仿真線程，從不同的角度分析核污染粒子擴散的情況及其對周邊環(huán)境的影響，包括三維核污染粒子動態(tài)分析通道〔見圖3(a)〕、重要目標(biāo)分析通道〔見圖3(b)〕、二維全景分析通道〔見圖3(c)〕. 二維的仿真通道是和每個三維的仿真通道實時通訊的，即實現(xiàn)了核污染擴散過程的三維模擬和二維模擬的協(xié)同推演，由于可以實現(xiàn)對核污染擴散的多分辨率、多角度的協(xié)同模擬，所以，應(yīng)急部門可以立體地、全面地理解核污染粒子擴散的過程，進(jìn)而可以大大深化人員對核污染擴散的認(rèn)知能力；與之相比，HYSPLT傳統(tǒng)的Google Earth仿真方法中，Google Earth只能產(chǎn)生一個仿真通道，由于無法進(jìn)行多分辨率、多角度的仿真設(shè)置分析，所以，大大限制了研究人員對核污染粒子擴散的立體效果分析能力.

b) C4ISRE系統(tǒng)推演技術(shù)可實現(xiàn)核污染粒子擴散效果推演模擬和動態(tài)數(shù)據(jù)的實時模擬，HYSPLIT的傳統(tǒng)Google Earth仿真技術(shù)無法實現(xiàn). C4ISRE系統(tǒng)可以根據(jù)核污染粒子擴散的情況產(chǎn)生實時仿真數(shù)據(jù)，圖3(d)(e)(f)分別為核污染粒子擴散實時動態(tài)仿真軌跡圖、粒子擴散實時動態(tài)(經(jīng)度、緯度、高度)仿真數(shù)據(jù)和粒子擴散實時動態(tài)(經(jīng)度、緯度、擴散半徑)仿真數(shù)據(jù). HYSPLIT的傳統(tǒng)Google Earth仿真技術(shù)只能實現(xiàn)粒子擴散的三維動態(tài)仿真，但是無法構(gòu)建實時動態(tài)(經(jīng)度、緯度、高度)仿真數(shù)據(jù).

c) C4ISRE系統(tǒng)推演技術(shù)(見圖3)可實現(xiàn)多平臺數(shù)據(jù)的融合分析，但HYSPLIT的傳統(tǒng)Google Earth仿真技術(shù)(見圖4)無法實現(xiàn). 核污染粒子擴散仿真研究需要來自多源數(shù)據(jù)的支持，C4ISRE/STK可以融合多種數(shù)據(jù)，如.BMP、.JPG2、.kml、.shp(ArcGIS)、.mxd(ArcGIS)、.TIF(Geo Tiff)等，同時支持多種三維模型數(shù)據(jù)，如.max、.3ds、.flt、.obj、.skp、.lwo等. 相比之下，HYSPLIT的傳統(tǒng)Google Earth主要支持.kml 和.skp數(shù)據(jù). 由于C4ISRE能夠融合多源數(shù)據(jù)，所以，在對核污染粒子擴散仿真時能夠綜合各種數(shù)據(jù)的特點，更加全面、詳盡地展示擴散的態(tài)勢. 圖3(a)(b)(c)即是綜合多源數(shù)據(jù)的仿真推演效果，與圖5相比，其對核污染粒子擴散的仿真能力遠(yuǎn)強于HYSPLIT的Google Earth技術(shù).

HYSPLT傳統(tǒng)的Google Earth仿真節(jié)點時間間隔均為1 h(見圖4). 這種仿真技術(shù)的問題在于，在每一個仿真開始內(nèi)，應(yīng)急部門無法了解這一個小時內(nèi)核污染粒子擴散的具體情況. 如仿真的第一個節(jié)點是時間2014-04-01T01:00，即在核污染擴散發(fā)生的第1個小時(2014-04-01T00:00—2014-04-01T01:00)內(nèi)，核污染粒子擴散的情況是無法被模擬出來的，這樣就會造成了應(yīng)急預(yù)警關(guān)鍵時間內(nèi)的信息盲點，在重要的預(yù)警前期時間內(nèi)擴散情況不明，這個問題是應(yīng)急預(yù)警技術(shù)需要解決的關(guān)鍵問題之一. 相比之下，C4ISRE具有精細(xì)化預(yù)警能力. 基于C4ISRE/STK平臺，通過其內(nèi)置的Route Calculation Method算法，基于仿真點的時間節(jié)點、經(jīng)度、緯度、高度反算出在這個時間段內(nèi)的核污染粒子擴散速度，具體見圖5. 通過該算法，C4ISRE/STK可以精細(xì)模擬出核污染粒子在每個時間段內(nèi)的擴散速度、經(jīng)度、緯度、高度等，結(jié)合仿真推演效果較好地推演出每個應(yīng)急預(yù)警時間段內(nèi)的粒子擴散情況.

注：圖中“04/01/2014 0000”即為“2014-04-01T00:00”，余同.圖4 基于Google Earth的HYSPLIT仿真技術(shù)Fig.4 HYSPLIT simulation technology based on Google Earth

圖5 C4ISRE仿真推演技術(shù)與HYSPLIT傳統(tǒng)Google Earth技術(shù)比較Fig.5 The comparison between deduction technology based on C4ISRE and simulation technology based on Google Earth

由圖5可看出，在核污染擴散的第1個小時內(nèi)，基于Google Earth方法模擬出的氣團(tuán)速度為平均速度(6.76 m/s)，傳統(tǒng)方法無法實現(xiàn)精細(xì)化的擴散速度分析；然而，基于C4ISRE推演的核污染氣團(tuán)擴散的速度可實現(xiàn)精細(xì)化模擬，通過模擬發(fā)現(xiàn)擴散速度呈現(xiàn)梯度分布特征，與仿真時間間隔(s)對應(yīng)的氣團(tuán)擴散速度(m/s)為(0、0、2.674、4.016、4.68、5.09、…).與傳統(tǒng)方法相比，C4ISRE的推演技術(shù)可以實現(xiàn)對核污染氣團(tuán)擴散的精細(xì)化仿真，可使應(yīng)急隊伍對核污染氣團(tuán)擴散的具體情況有深入的了解，進(jìn)而制訂可執(zhí)行的應(yīng)急預(yù)案.

綜上所述，通過推演模擬得出的應(yīng)急時間是應(yīng)急部門演習(xí)時重要的演練依據(jù)，通過各種事件的時間約束，應(yīng)急部門可以評估現(xiàn)有的行動能力能否達(dá)到實戰(zhàn)的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而對各自的處置行動進(jìn)行優(yōu)化，使得應(yīng)急處置預(yù)案到達(dá)可執(zhí)行的程度. 分析得到的各重要事件的地理位置點位則是非常重要的應(yīng)急監(jiān)測布點. 地面的地理位置可作為應(yīng)急部門設(shè)置監(jiān)測點位的參考點，空間的地理位置則可為布設(shè)無人機應(yīng)急處置時提供很好的航跡規(guī)劃參考.

5 結(jié)論

a) C4ISRE對于核污染擴散軌跡主軸方向上的重要目標(biāo)的預(yù)警表明，核污染氣團(tuán)從自模擬起始時間2014-04-01T00:00:00.00開始，經(jīng)過377.00 s到達(dá)大衣屯西北方，于00:06:16.56到達(dá)大衣屯北部邊界，于00:06:46.90擴散出大衣屯邊界，經(jīng)過大衣屯區(qū)域耗時共計29.00 s；核污染氣團(tuán)于00:15:30.85到達(dá)大周屯上空500 m處，由西向東橫穿過大周屯，于00:15:46.05離開大周屯上空，過程耗時15.20 s；核污染氣團(tuán)于00:32:14.25經(jīng)過重要應(yīng)急撤離線路2(復(fù)大線)，全程耗時32 min 14.25 s.

b) 對整個政區(qū)的預(yù)警技術(shù)要求可得，核污染氣團(tuán)與從模擬起始時間2014-04-01T00:00:00.00開始進(jìn)入紅沿河鎮(zhèn)上空500 m區(qū)域，于00:24:27.00擴散出紅沿河鎮(zhèn)區(qū)域，全程歷時24 min 27.00 s；核污染氣團(tuán)于00:24:28.00進(jìn)入駝山鄉(xiāng)上空500 m區(qū)域，于00:51:00.00離開該區(qū)域，全程歷時26 min 32.00 s；核污染氣團(tuán)于00:51:01.00進(jìn)入西楊鄉(xiāng)上空500 m區(qū)域，于01:05:04.70離開該區(qū)域，全程歷時14 min 37.00 s. 根據(jù)C4ISRE仿真推演，核污染氣團(tuán)平均擴散速度為6.70 m/s. 各區(qū)域及重點路線的預(yù)警時間：大衣屯政區(qū)為376.56 s、大周屯政區(qū)預(yù)警時間為930.85 s、應(yīng)急撤離線路2(復(fù)大線)區(qū)域預(yù)警時間為1 934.25 s.

c) 應(yīng)用C4ISRE系統(tǒng)整合HYSPLI模型對核污染擴散軌跡進(jìn)行模擬分析具有如下優(yōu)勢：仿真時間間隔(s)小可以實現(xiàn)精細(xì)化仿真；可以實現(xiàn)與仿真推演過程同步的動態(tài)實時數(shù)據(jù)分析；分析圖能夠集成擴散點位的經(jīng)度、緯度和高度數(shù)據(jù)，進(jìn)而提高分析效果的可讀性.

d) C4ISRE系統(tǒng)推演技術(shù)可實現(xiàn)多線程、多通道、多角度的核污染擴散仿真模擬；C4ISRE系統(tǒng)推演技術(shù)可實現(xiàn)核污染粒子擴散效果推演模擬和動態(tài)數(shù)據(jù)的實時模擬；C4ISRE系統(tǒng)推演技術(shù)可實現(xiàn)多平臺數(shù)據(jù)的融合分析，在對核污染粒子擴散仿真時能夠綜合各種數(shù)據(jù)的特點，更加全面、詳盡地展示擴散的態(tài)勢，這些特征可以使應(yīng)急部門能夠全面立體的理解核污染粒子擴散的過程，進(jìn)而大大深化人員對核污染擴散的認(rèn)知能力.

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Systematic Simulation of Atmospheric Nuclear Pollution Diffusion Trajectory of a Nuclear Power Plant based on C4ISRE

SHEN Yue1,2, HU Xiaomin1*, MA Yunfeng3, WANG Qi3, WHANG Tingshuai3, LI Qiangqiang3, SHI Xiaofei4

1.College of Resources and Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China 2.Department of Environmental Protection of Liaoning Province, Shenyang 110033, China 3.College of Energy and Environment, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136, China 4.CASIC Intelligence Industry Development Co., Ltd., Beijing 100854, China

When dealing with nuclear pollution accidents, it is necessary to the refine the early warning technique to support joint defense action. For locations including Dayi village, Dazhou village, Hongyanhe town, Tuoshan village, Xiyang village and Fuda line emergency evacuation route, precise emergency warnings for atmospheric nuclear pollutant transport trajectories were determined based on C4ISRE (Command, Control, Communications, Computer, Intelligence, Surveillance, Reconnaissance and Environmental Impact Assessment) and HYSPLIT 4.9 model, which was driven by FNL meteorological data from NCEP. The results showed that a nuclear pollution air mass spread into the northern border of Dayitun between 00:00:00.00 and 00:06:16.56 on April 1. It then moved outside the border of Dayitun at 00:06:46.900, taking only 29.00 seconds to shift. It arrived in the airspace of Dazhou village (altitude of 500 m) at 00:15:30.85, traversing Dazhou village from west to east. It left the airspace of Dazhou village at 00:15:46.05, taking 15.20 seconds. It then arrived in the airspace of vital emergency evacuation route 2 (Fuda route) at 00:32:14.250, taking 32 minutes and 14.25 seconds. Next, it spread into the airspace of Hongyanhe (altitude of 500 m) at 00:00:00.00 on April 1,2014. Then, it spread away from Hongyanhe at 00:24:27.00, taking 24 minutes and 27.00 seconds. It arrived in the airspace of Tuoshan township at 00:24:28.00, spreading away from the area at 00:51:00.00, which took 26 minutes and 32.00 seconds. It arrived in the airspace of Xiyang township at 00:51:01.00, spreading away from the area at 01:05:04.70, which took 14 minutes and 37.00 seconds. The early warning and emergency response times for relevant areas were as follows: Dayi village administrative region was 376.56 seconds, Dazhou village administrative region was 931.85 seconds, and emergency evacuation route 2 was 1934.25 seconds.

C4ISRE; Atmospheric Nuclear Pollutant Transport Trajectory; HYSPLIT

2016-05-07

2016-12-18

遼寧省教育廳系列項目(L2015405)；沈陽航空航天大學(xué)博士啟動基金(16YB17)

沈越(1971-)，男，遼寧沈陽人，博士，主要從事核輻射監(jiān)測與預(yù)警、環(huán)境影響評價和大氣霧霾數(shù)值模擬等研究，shenshenyue@sina.com.

*責(zé)任作者，胡筱敏(1958-)，男，江西婺源人，教授，博士，博導(dǎo)，主要從事環(huán)境影響評價、環(huán)境技術(shù)咨詢及水處理研究，hxmin_jj@163.com

X51；X837

1001- 6929(2017)06- 0835- 09

A

11.13198/j.issn.1001- 6929.2017.01.03

沈越,胡筱敏,馬云峰,等.基于C4ISRE系統(tǒng)的核電站大氣核污染擴散軌跡系統(tǒng)仿真研究[J].環(huán)境科學(xué)研究,2017,30(6):835- 843.

SHEN Yue,HU Xiaomin,MA Yunfeng,etal.Systematic simulation of atmospheric nuclear pollution diffusion trajectory of a nuclear power plant based on C4ISRE[J].Research of Environmental Sciences,2017,30(6):835- 843.