低风速下蒸发池年均大气弥散不同计算方法的比较

朱 好，郑平辉，王晓亮，郑 伟，白晓平 (中国核电工程有限公司，北京 100840)

现阶段我国有一些核设施采用天然蒸发池来处理低放射性水平的液态流出物。通常经净化处理后的液态流出物采取向环境水体排放的方式，但对于受纳水体稀释扩散能力较小或者无受纳水体的内陆厂址，液态流出物可采用大气扩散稀释方式排放，采用天然蒸发池进行处理是一种可选的技术方案，该方案不仅在技术及经济上有一定优势，不增加能耗，还可以尽量减少二次废物的产生［1］。

在评价天然蒸发池对周围环境及公众的影响时，需要计算蒸发池周围80 km半径范围内的年均大气弥散因子(即相对浓度)，通常将蒸发池作为地面面源考虑，采用基于一维高斯烟羽扩散模式的虚点源法［2］。该方法对于某些低风速频率较高的内陆厂址，应用中有一些局限性，如烟羽模式中浓度与风速成反比，在静风和接近静风条件下会导致计算浓度的不合理增大;烟羽模式是静态模式，不考虑扩散的时间过程，无法反应低风速条件下污染物的累积作用;烟羽模式不考虑气象场的空间变化，无法很好地反映地形的作用。此外，上述方法对于有风条件下靠近面源的受体也是一种较差的近似方法。美国环保署推荐的CALPUFF模式采用三维拉格朗日高斯烟团结合数值积分的方法来处理非均一、非平稳气象条件下面源的扩散，克服了上述方法模拟的局限性［3］，且CALPUFF模式在低风速频率较高的内陆厂址通过了现场示踪物试验的定量校验，验证了小静风下模式模拟结果的可靠性［4－5］。

美国核管理委员会的技术报告［6］指出，将模式模拟值与实测值比较是进行模拟结果验证的最好方法，但无实测值时，可将简单模式与高级模式的模拟结果对比，以判断简单模式的适宜性。笔者以某低风速频率较高的内陆厂址为例，针对虚拟的天然蒸发池，分别采用一维虚点源法和三维拉格朗日高斯烟团模式CALPUFF，模拟计算厂址80 km半径范围内的年均大气弥散因子，并对结果进行了对比分析，以期为位于类似厂址的蒸发池等地面面源的年均大气弥散计算和后续环境影响评价提供参考。

1 计算模型和输入数据

1．1 虚源法 虚源法将面源近似简化为位于一定上风向位置的虚拟点源，面源在下风向造成的浓度分布可认为是该虚点源的贡献［7］。横风向源宽可近似看作虚点源扩散在源位置产生的烟羽宽度，因而可对虚点源采用高斯浓度公式。后退到源上风向的虚点源离面源的距离X'对应值σy的计算公式为:

式中，d为横风向面源宽度，m。

地面释放源长期弥散因子计算公式:

对于蒸发池这类地面面源，采用厂址10 m高度的风向、风速、大气稳定度三维联合频率以及厂址实际扩散参数来计算年均大气弥散因子。由图1可知，厂址低风速频率较高，静风频率为14．4%，0．5 ～2 m/s的小风频率高达 64．2%;最多风向为 WSW，风频为19．8%，次多风向为 SW，风频为12．1%。大气稳定度以中性的D类为主，占60%，不稳定类(A、B、C)和稳定类(E、F)分别占22%和18%。图2为根据厂址风洞试验和数值模拟综合得到的大气扩散参数。受厂址复杂地形和建筑物扰动的影响，厂址大气扩散参数较对应稳定度级别的P－G扩散参数明显偏大。

1．2 CALPUFF模式 CALPUFF高斯烟团模式为美国国家环保署(USEPA)推荐的适用于长距离输送和涉及复杂流动(如地形和土地利用变化导致的气象场空间变化、小静风、熏烟、环流等)近场应用的导则模式［3］。CALPUFF模式系统包括3个主要模块:气象模式CALMET可利用常规地面和探空气象观测资料，针对关心区域的地形、地表状态等，利用质量守衡方程对风场进行诊断;输送和扩散模式CALPUFF，利用CALMET输出的风场和微气象学参数，通过跟踪从排放源释放的离散烟团的运行来模拟烟团移动路径上的扩散、转化和清除;后处理模块CALPOST用于计算平均浓度和沉积通量，输出选定区域和时段的平均浓度和最大浓度等。CALPUFF采用各向同性分布的高斯烟团和沿风向拉伸的烟团两种积分采样方案来计算烟团的平流、输送和扩散等。积分烟团模式适合中等尺度范围，拉伸烟团模式适合局地尺度。空间某点的污染物浓度由源不断释放的烟团的扩散贡献叠加得到。描述某一烟团在一个受体点的浓度贡献的基本方程为:

式中，C为地面浓度;Q为一个烟团中污染物质量;σx、σy、σz分别为纵向、横向和垂直方向的扩散参数，da、dc分别为纵向和横向烟团中心距受体的距离;g为高斯方程中的垂直项;He为烟团中心距离地面的有效高度;h为混合层高度。公式(4)中的求和项代表了混合层顶和地面之间的多次反射。

CALPUFF模式的主体框架具有自然适应低风速条件扩散过程的能力，通过对常规算法做若干调整，如改变拉伸烟团的释放方式、烟流抬升方式、近场效应的模拟方案和扩散参数的增长方式等，使其适应小静风条件。CALPUFF采用二维数值积分算法来模拟面源下风向的浓度分布，其将多边形面源的各个顶点转化为顺风向和横风向坐标，采用两个误差函数的差值对横风向进行积分，对于顺风向，采用了更加有效和快速收敛的Romberg数值积分算法［3］。

针对研究区域，设置两套模拟网格，均以虚拟蒸发池面源中心为投影中心，小尺度模拟区域为10 km×10 km，水平气象网格距为100 m，采样网格距为50 m，大尺度模拟区域为160 km×160 km，水平气象网格距与采样网格距均设为1 000 m。两套模拟网格在垂直方向均划分为10层，各层高度分别为20、40、80、160、300、600、1 000、1 500、2 200 和3 000 m。模式采用美国地质勘探局(USGS)提供的约90 m分辨率的地形高程资料和900 m分辨率的全球土地覆盖数据，气象资料包括投影中心200 km范围内12个格点的NCEP地面气象资料和每日4次的垂直廓线资料、厂址周边13个常规地面站以及现场气象铁塔全年观测资料。烟团扩散采用CALMET输出的时空变化的微气象学参数，根据相似性理论进行计算。

2 结果与分析

假定虚拟天然蒸发池的尺寸为300 m×200 m，简化起见，假定蒸发池有效蒸发面积与实际面积相同。CALPUFF利用厂址区域全年逐时气象资料结合面源排放情况，模拟得到全年逐时浓度场，将全年8 760 h的浓度场进行平均，并采用面积平均的方法将各扇区内的网格浓度转换为相应的扇区平均值，以便与虚点源法的计算结果进行比较。

CALPUFF计算的厂址区域年均大气弥散因子分布见图3。高浓度区出现在地面面源周围。受厂址区域较高的小静风频率的影响，地面面源在各方位的大气弥散因子差别并不显著，主要由于低风速条件下风向多变，烟羽的水平慢摆作用导致其在水平方向侧向扩散很宽，近源处甚至能出现上风向扩散［8］，因而年均大气弥散因子整体上并未像大风或中等风速条件表现出明显的主导风向下风向的扩散优势。此外，低风速条件下，风场易受局部地形等因素的影响，空间变化大，因而地形也会影响烟羽的扩散形态。由图3可知，在丘陵山区地形有明显起伏的地区，年均大气弥散因子等值线与地形等高线对应较好，表明CALPUFF模式能够较好地反映厂址区域复杂地形对大气弥散的影响。

对比虚源法与CALPUFF计算的方位最大年均大气弥散因子随下风距离的变化(图4)，可见，10 km以内，CALPUFF计算结果较虚源法更为保守。在0．5～1 km，CALPUFF计算结果是虚源法的2倍左右，随着距离增加，二者差异逐渐减小;10～30 km，两种方法计算结果相当;30～80 km，虚源法计算结果大于CALPUFF计算值，随着距离增加，二者差异增大;30～40 km，虚源法计算结果较CALPUFF偏大0．5倍;而70～80 km，两种方法计算结果相差达3倍左右。此外，虚源法基于高斯直线烟流模式，采用厂址单点气象观测资料来代表整个评价区域的气象条件，厂址80 km半径范围内，其计算的方位最大年均大气弥散因子均出现在主导风向下风向(即ENE方位)。《核安全导则》HAD 101/02《核电厂厂址选择的大气弥散问题》［9］指出，高斯烟羽模式的适用条件是气象参数在时间和空间上大致相同，适用范围大约为10 km，超出该范围，其适用性就降低。随着距离的增加，模式中通常采用的均匀性假设愈来愈不适用。因而，对于厂址区域地形复杂、低风速频率较高、风场空间变化较大的情形，采用虚源法进行80 km范围的大气扩散计算本质上来说是不适宜的。CALPUFF这类三维拉格朗日轨迹类模式则可以满足区域尺度的应用需求，反映烟羽扩散的时空变化特征。上述对比表明，对于环境影响评价中关注的方位最大弥散因子及其出现位置，基于高斯烟羽模式的虚源法由于不考虑低风速条件下污染物在近区的累积效应以及气象条件的空间变化，因而其在小静风频率较高厂址的计算结果存在不保守情形，对于下垫面非平坦均一的情形，其预测的年均最大弥散因子出现位置与实际情况有所偏离。

虚源法与CALPUFF计算的各对应扇区年均大气弥散因子之比随下风距离和方位的变化分布见图5。从中值分布来看，在45 km以内，虚源法计算结果整体上小于CALPUFF计算值，0．5～1 km扇区，中值偏低达1个量级左右，55～75 km，二者计算结果相当;在NE和ENE方位(即主导风向下风向)，两种方法计算值相当，其他方位CALPUFF计算值更偏保守。主要由于CALPUFF烟团模式能更好地模拟小静风条件下多方位的弥散，而虚源法这类高斯烟羽模式通常将污染物按照集中在主导风下风向输送来处理，因而在其他方位会导致计算结果的偏低。整体来看，两种方法计算值之比在各距离和各方位的离散达1个量级左右。

3 结论

目前，在核设施天然蒸发池等地面面源的环境影响评价中多采用基于高斯烟羽模式的虚源法。对于某些低风速频率较高的内陆厂址，该方法在应用中有一些局限性。以我国某一低风速频率较高的内陆厂址为例，分别采用基于一维高斯烟羽模式的虚源法和三维拉格朗日高斯烟团模式CALPUFF结合数值积分法，计算了某虚拟蒸发池的地面年均大气弥散因子。结果表明，虚源法由于不考虑小静风条件下污染物的近区累积效应和多方位弥散，因而在低风速频率较高的厂址，对方位最大弥散因子和各扇区年均大气弥散因子的计算结果存在不保守情形。对于复杂下垫面，虚源法预测的年均最大弥散因子出现位置与实际情况有所偏离。对于这类厂址，在评价蒸发池等面源的环境影响时，建议选择其他适宜的大气扩散模式和方法。

［1］王文静，李杰，廉冰，等．核设施蒸发池对周围环境的影响研究［C］//中国核学会辐射防护分会．辐射防护分会2012年学术年会论文集．中国核学会辐射防护分会，2012:196－199．

［2］刘克强，邹长贵．天然蒸发池核素大气迁移研究(英文)［J］．中国核科技报告，1997(00):991－1003．

［3］SCIRE J S，STRIMAITIS D G，YAMARTINO R J．A user’s guide for the CALPUFF dispersion model(version 5)［R］．Concord，MA:Earth Tech Inc，2000．

［4］朱好，蔡旭晖，张宏升，等．内陆丘陵河谷地区小风条件下的大气扩散模拟研究［J］．环境科学学报，2011，31(3):613 －623．

［5］朱好，张宏升，蔡旭晖，等．CALPUFF在复杂地形条件下的近场大气扩散模拟研究［J］．北京大学学报:自然科学版，2013，49(3):452 －462．

［6］MOLENKAMP C R，BIXLER N E，MORROW C W，et al．Comparison of average transport and dispersion among a Gaussian，a two-dimensional，and a three-dimensional model，NUREG/CR － 6853 ［R］．Washington，DC，2004．

［7］蒋维楣．空气污染气象学［M］．南京:南京大学出版社，2003:95－96．

［8］ARYA S P．Modeling and parameterization of near-source diffusion in weak winds［J］．Journal of Applied Meteorology，1995，34(5):1112 －1122．

［9］国家核安全局．HAD101－02核电厂厂址选择的大气弥散问题［S］．［出版地不详］:［出版社不详］，1987．