張東輝，趙英俊，秦 凱，裴承凱

（1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 遙感信息與圖像分析技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

在核能的生產(chǎn)和消費(fèi)過(guò)程中，將產(chǎn)生當(dāng)前技術(shù)無(wú)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(shè)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(dòng)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(yīng)堆將產(chǎn)生碘廢氣。此外，廢氣中可能還含有非放有害物質(zhì)，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(shè)施經(jīng)廢氣流出物排入大氣的放射性物質(zhì)，將向下風(fēng)向輸運(yùn)，并隨大氣的混合過(guò)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(jīng)水體、植物、動(dòng)物等方式進(jìn)入人體，在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)形成內(nèi)照射。

本文針對(duì)廢氣的輸運(yùn)過(guò)程，引入具有強(qiáng)大空間分析和空間操作功能的GIS技術(shù)，在集成管理廢氣流出物的化學(xué)成分、氣溶膠濃度、排風(fēng)系統(tǒng)流量、環(huán)境風(fēng)向風(fēng)速等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，結(jié)合氣體擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用GIS柵格數(shù)據(jù)模型和域面分析技術(shù)，模擬污染風(fēng)險(xiǎn)空間量化評(píng)估結(jié)果，為有關(guān)決策提供技術(shù)支持。

1 核設(shè)施廢氣擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型

有別于一般工業(yè)污染，核設(shè)施廢氣的排放源項(xiàng)一般有明確的估算值；對(duì)環(huán)境的輻射劑量也有明確的法規(guī)規(guī)范，因此核設(shè)施廢氣擴(kuò)散模擬的核心內(nèi)容是判斷放射性物質(zhì)流出核設(shè)施后，在環(huán)境中的轉(zhuǎn)移途徑和范圍。大氣的擴(kuò)散能力主要受風(fēng)向、風(fēng)速和大氣穩(wěn)定度的影響。風(fēng)向決定污染物在大氣中的擴(kuò)散方向，通常在水平風(fēng)的作用下將氣載污染物不斷向下風(fēng)向輸送，稱為大氣輸運(yùn)。主導(dǎo)風(fēng)向常出現(xiàn)左右和上下的無(wú)規(guī)則擺動(dòng)，稱為湍流，其流場(chǎng)的各個(gè)特征量統(tǒng)計(jì)平均值具有規(guī)律性。氣載污染物在隨風(fēng)輸運(yùn)過(guò)程中，因大氣湍流作用導(dǎo)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(kuò)散[2]。核設(shè)施廢氣中的核素在空間中符合高斯分布，假設(shè)大氣風(fēng)速是均勻和穩(wěn)定的，且在擴(kuò)散過(guò)程中核素物質(zhì)的質(zhì)量是守恒的。在建模時(shí)，先建立瞬時(shí)單煙團(tuán)擴(kuò)散模型，再假設(shè)核設(shè)施源強(qiáng)隨時(shí)間分布連續(xù)均勻，建立點(diǎn)源煙羽擴(kuò)散模型。

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

將瞬時(shí)單核素團(tuán)設(shè)置為連續(xù)排放模式，可理解為排放是在時(shí)間上連續(xù)的多個(gè)核素團(tuán)，將式（1）對(duì)t0從-∞到t求積分，得到連續(xù)排放核素下的正態(tài)擴(kuò)散模型[3]，即

式中，x、y、z、t分別為預(yù)測(cè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)和時(shí)刻；x0、y0、z0、t0分別為核素釋放點(diǎn)的初始空間坐標(biāo)和初始時(shí)刻；x'、y'、z'為釋放點(diǎn)中心在t～t0時(shí)間段內(nèi)的遷移距離，x'=∫udt、y'=∫vdt、z'=∫wdt；u、v、w 分別為核素釋放點(diǎn)中心在x、y、z方向的速度分量；C為預(yù)測(cè)點(diǎn)的核素團(tuán)瞬時(shí)濃度；Q為核素團(tuán)瞬時(shí)排放量；σx、σy、σz為x、y、z方向的擴(kuò)散參數(shù)，是擴(kuò)散時(shí)間段T的函數(shù)；T＝t-t0。

2 核設(shè)施廢氣擴(kuò)散模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

核設(shè)施廢氣擴(kuò)散模擬系統(tǒng)的最終目的是獲取廢氣的輸運(yùn)過(guò)程，該過(guò)程具有非常強(qiáng)的時(shí)間性和空間性。系統(tǒng)以核素?cái)U(kuò)散對(duì)象為基礎(chǔ)，把下墊面信息、經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)以及環(huán)境等有關(guān)數(shù)據(jù)，按其空間位置輸入計(jì)算機(jī)；再通過(guò)多目標(biāo)的數(shù)據(jù)庫(kù)、分析軟件與應(yīng)用模型進(jìn)行廢氣信息的存貯、更新、查詢、模型分析、模擬預(yù)測(cè)、微觀評(píng)價(jià)、宏觀評(píng)價(jià)、顯示以及繪圖輸出等工作。系統(tǒng)按功能可分為5個(gè)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?cái)?shù)據(jù)管理（廢氣監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的增加、刪除、更新和瀏覽），廢氣擴(kuò)散模型參數(shù)設(shè)置（橫向擴(kuò)散參數(shù)、垂直擴(kuò)散參數(shù)、混合層高度、抬升高度、氣象參數(shù)），圖形化結(jié)果輸出（網(wǎng)格分級(jí)法、等值線分級(jí)法、柵格分級(jí)法）和廢氣擴(kuò)散決策評(píng)價(jià)（擴(kuò)散距離評(píng)價(jià)、擴(kuò)散濃度評(píng)價(jià)）。

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)來(lái)源分為3個(gè)部分：①空間數(shù)據(jù)圖層，包括行政區(qū)（面狀）、水系（面狀）、居民點(diǎn)（點(diǎn)狀）、鐵路（線狀）、道路（線狀）和地名標(biāo)注（點(diǎn)狀）；②廢氣屬性數(shù)據(jù)，包括污染源（點(diǎn)狀和面狀）、大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)（點(diǎn)狀）、網(wǎng)格劃分（面狀）和監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布（點(diǎn)狀）；③氣象數(shù)據(jù)，包括風(fēng)向（面狀）、風(fēng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，服務(wù)器端采用高性能PC，通過(guò)創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)并實(shí)現(xiàn)必要數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的方法，為客戶端提供數(shù)據(jù)服務(wù)；客戶端表現(xiàn)為一個(gè)基于圖形界面的可視化應(yīng)用程序，通過(guò)通信協(xié)議訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)采用SQL Server 2005，通過(guò)ArcSDE管理空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)。

2.3 GIS與廢氣擴(kuò)散模型的集成方法

GIS與廢氣擴(kuò)散模型的集成方法包括松散結(jié)合、緊密結(jié)合和完全集成[4]3個(gè)層次。在綜合考慮可操作性和數(shù)據(jù)特征的基礎(chǔ)上，利用面向?qū)ο蟮拈_放式開發(fā)環(huán)境、動(dòng)態(tài)鏈接、數(shù)據(jù)對(duì)象訪問(wèn)技術(shù)以及GIS組件技術(shù)，通過(guò)各種開放式的嵌入機(jī)制和透明的數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)GIS與廢氣擴(kuò)散模型的集成。其具體步驟為：①預(yù)處理。首先收集核設(shè)施周邊基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表，并進(jìn)行地理空間圖層的變換；再通過(guò)ArcSDE將其導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)，利用網(wǎng)格剖分技術(shù)，將評(píng)價(jià)區(qū)離散化，生成網(wǎng)格層及其相應(yīng)控制點(diǎn)；然后根據(jù)廢氣排放信息，確定污染源位置，讀取氣象數(shù)據(jù)，確定評(píng)價(jià)參數(shù)并建立坐標(biāo)系；最后在確定坐標(biāo)原點(diǎn)和主導(dǎo)風(fēng)向的基礎(chǔ)上，確定評(píng)價(jià)區(qū)的范圍。②模擬計(jì)算。首先接收用戶輸入的參數(shù)，創(chuàng)建計(jì)算對(duì)象，傳遞參數(shù)進(jìn)行模型運(yùn)算；再計(jì)算每個(gè)控制點(diǎn)的模擬結(jié)果。③GIS模擬輸出，主要包括基于網(wǎng)格的顯示、等值線顯示和柵格圖像顯示。根據(jù)濃度大小進(jìn)行分級(jí)，顯示不同濃度區(qū)間的統(tǒng)計(jì)圖（圖1）。

2.4 訪問(wèn)控制策略

核設(shè)施廢氣數(shù)據(jù)具有很高的敏感性，因此系統(tǒng)的訪問(wèn)控制策略決定了相關(guān)數(shù)據(jù)的安全性。本文從兩個(gè)方面設(shè)計(jì)系統(tǒng)的安全機(jī)制：訪問(wèn)控制，即是否允許用戶登錄并訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)；操作控制，即是否允許用戶對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行相應(yīng)操作。訪問(wèn)控制通過(guò)身份（ID）認(rèn)證、角色（Role）管理、登錄（Login）管理來(lái)實(shí)現(xiàn)；操作控制則根據(jù)用戶的權(quán)限管理和審核來(lái)實(shí)現(xiàn)，以訪問(wèn)控制為基礎(chǔ)。通過(guò)訪問(wèn)和操作控制，確保只有授權(quán)的用戶才能操作系統(tǒng)，而權(quán)限管理將進(jìn)一步控制用戶的操作范圍。

圖1 核設(shè)施廢氣擴(kuò)散模擬系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理流程圖

3 核設(shè)施廢氣擴(kuò)散模擬系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 廢氣數(shù)據(jù)管理

核設(shè)施廢氣監(jiān)測(cè)計(jì)劃包括監(jiān)測(cè)或取樣點(diǎn)、監(jiān)測(cè)或取樣頻率、取樣量、采用儀器、測(cè)量時(shí)間、數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)處理方法和監(jiān)測(cè)結(jié)果。輔助參數(shù)包括流出物化學(xué)成分、氣溶膠粒度分布、排風(fēng)速度、受影響區(qū)域風(fēng)向和風(fēng)速。根據(jù)核設(shè)施廢氣空間數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)的實(shí)際情況，編制其空間數(shù)據(jù)庫(kù)地理圖層的屬性結(jié)構(gòu)表（表1、圖2a）。數(shù)據(jù)分層和拓?fù)涮幚砗?，再錄入屬性?shù)據(jù)，屬性數(shù)據(jù)一般采用批量輸入的方式，分要素輸入該實(shí)體的屬性信息。由于數(shù)據(jù)的來(lái)源多種多樣，不同格式、不同比例尺必然會(huì)帶來(lái)諸多問(wèn)題，因而系統(tǒng)要求將所有的文件格式統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為shape矢量格式，再經(jīng)投影統(tǒng)一導(dǎo)入空間數(shù)據(jù)庫(kù)。服務(wù)器端的ArcSDE鏈接到SQL Server后，再將空間數(shù)據(jù)導(dǎo)入SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)的一系列表格中。通過(guò)ArcGIS Desktop的ArcCatalog模塊提供的向?qū)?lái)導(dǎo)入空間數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的存儲(chǔ)。

表1 核設(shè)施廢氣圖層屬性結(jié)構(gòu)表

3.2 廢氣擴(kuò)散模型參數(shù)設(shè)置

當(dāng)采用正態(tài)擴(kuò)散模型對(duì)點(diǎn)源廢氣進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，必須首先確定具體廢氣污染預(yù)測(cè)模型的參數(shù)。其參數(shù)包括大氣混合層高度、垂直和水平擴(kuò)散系數(shù)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(dǎo)致大氣增溫、引起對(duì)流，從下而上，下層空氣強(qiáng)烈混合，大氣層結(jié)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T13201-91）文件中對(duì)混合層高度做了規(guī)定：按照地域?qū)⑽覈?guó)大氣層穩(wěn)定度分為A、B、C、D、E、F六個(gè)參數(shù)查找選項(xiàng)，前四項(xiàng)計(jì)算公式一致，后兩項(xiàng)計(jì)算公式一致[6]；可基于風(fēng)速、地轉(zhuǎn)角速度和地理緯度等參數(shù)，計(jì)算混合層高度的估算值。②垂直和水平擴(kuò)散系數(shù)的設(shè)置。污染物在大氣中的擴(kuò)散與濃度分布是在湍流作用下形成的，而湍流統(tǒng)計(jì)量與采樣時(shí)間有關(guān)，因此擴(kuò)散系數(shù)也與采樣時(shí)間有關(guān)。根據(jù)回歸系數(shù)和回歸指數(shù)建立經(jīng)驗(yàn)函數(shù)，得到廢氣的垂直和水平擴(kuò)散參數(shù)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(duì)高度，△H為煙氣的抬升高度[7]。根據(jù)HJ/T 2.2-1993《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則：大氣環(huán)境》中推薦的煙氣抬升公式，計(jì)算得到有關(guān)系數(shù)[8]。

3.3 圖形化結(jié)果輸出

GIS支持下的核設(shè)施廢氣擴(kuò)散模擬過(guò)程為：①利用大量固定的計(jì)算點(diǎn)將整個(gè)模擬區(qū)域離散化，以便計(jì)算擴(kuò)散的污染物濃度；②確定污染源影響的范圍，一般認(rèn)為一個(gè)污染源只會(huì)對(duì)下風(fēng)向形成污染，因此篩選得到受該污染源影響的所有固定計(jì)算點(diǎn)；③把計(jì)算得到的氣象參數(shù)和污染源數(shù)據(jù)代入大氣擴(kuò)散模型，分別計(jì)算得到該污染源對(duì)所有固定計(jì)算點(diǎn)造成的污染物濃度值；④對(duì)每個(gè)污染源重復(fù)執(zhí)行步驟②和③，直至遍歷所有固定計(jì)算點(diǎn)；⑤根據(jù)所有固定計(jì)算點(diǎn)保存的濃度值，生成專題圖，以便模擬大氣污染擴(kuò)散的結(jié)果。專題圖輸出時(shí)，網(wǎng)格分級(jí)法主要使用的ArcEngine接口包括IFeature、IFeatureLayer等；等值線分級(jí)法主要使用的ArcEngine接口包括IGeoDataset、ICursor、IGeoFeatureLayer等；柵格分級(jí)法主要使用的ArcEngine接口包括IRasterLayer、IFeatureLayer、IRaster等；離散化網(wǎng)格點(diǎn)使用的是線層Fishnet。本文以某核設(shè)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(wǎng)格和等值線，模擬結(jié)果如圖2c、2d所示。

3.4 廢氣擴(kuò)散決策評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)某核設(shè)施的廢氣擴(kuò)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(guān)鍵因素是風(fēng)向，不同的風(fēng)向決定了污染物的輸送方向，以及污染源對(duì)其下風(fēng)向區(qū)域的總體污染狀況；而風(fēng)速是控制污染物遷移距離的主要因素，但風(fēng)速對(duì)濃度分布的貢獻(xiàn)往往受大氣穩(wěn)定度、逆溫層等其他因素的影響，表現(xiàn)得不太明顯。通過(guò)改變不同的因子，實(shí)現(xiàn)對(duì)廢氣擴(kuò)散的模擬，不僅能在核設(shè)施日常核素廢氣排放監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)中發(fā)揮作用，而且能為前期選址規(guī)劃和突發(fā)應(yīng)急情況下的決策推演，提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。

圖2 廢氣污染擴(kuò)散模擬界面與結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

在社會(huì)公眾和政府企業(yè)對(duì)環(huán)境保護(hù)需求迫切的現(xiàn)今，核設(shè)施的廢氣管理也面臨新的要求，急需引入信息化技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)在廢氣排放的前期進(jìn)行地理空間信息預(yù)評(píng)價(jià)，在日常環(huán)境監(jiān)測(cè)中開展定量化分析，以及在突發(fā)應(yīng)急時(shí)快速掌握核素遷移途徑和速度的目標(biāo)。本文將氣載核素?cái)U(kuò)散模型與GIS空間分析技術(shù)進(jìn)行集成，利用C/S結(jié)構(gòu)，運(yùn)用Visual C#2010平臺(tái)、ArcEngine組件、SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫(kù)等軟件，實(shí)現(xiàn)了污染源評(píng)價(jià)、廢氣擴(kuò)散模擬和廢氣流出物控制效果評(píng)價(jià)等功能，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一套適用于核設(shè)施廢氣擴(kuò)散模擬的軟件系統(tǒng)，為相關(guān)工作提供了一種新型的工作手段。