GIS及大气传输模型在核应急管理中的研究与系统实现

侯姗姗

(核工业计算机应用研究所， 北京 100048)

GIS及大气传输模型在核应急管理中的研究与系统实现

侯姗姗

(核工业计算机应用研究所， 北京 100048)

在深入研究美国国家海洋和大气管理局HYSPLIT大气扩散模型的基础上，采用.Net语言和ArcGIS Server，建成了一个集地理信息系统技术及大气扩散模型于一体的放射性污染物扩散分析系统，实现了大气扩散模型与地理信息系统的集成，并对地理信息系统与大气扩散模型的结合、放射性污染物在大气中的扩散模拟等关键技术进行了详细阐述。系统可对突发性核事故应急响应提供实时、可靠、可视化的解决方案，并已成功应用到日本福岛核电站核事故放射性137CS扩散模拟及模拟应急管理中，研究成果进而可推广应用到我国新建核电站选址，辐射环境监测等领域，为巩固和加强我国核应急管理体系，提供了先进的技术手段和可靠支撑。

地理信息系统 扩散模拟 核应急 放射性污染物

1 引言

核能作为解决能源危机、缓解环境问题、应对气候变化最为现实的选择，已成为各国能源发展战略中的重要内容。截止到2013年底，我国共有17台运行核电机组，总装机容量1470万千瓦，在建机组31台，约占全球核电在建机组总数的40%[1]。按照我国核能发展规划，到2020年，核电装机容量将达到5800万千瓦，在建容量达到3000万千瓦以上，成为当今核能发展速度最快的国家。核安全是核能发展的生命线，核应急是核安全的最后一道防线，对保障核安全至关重要。核电的迅速发展，给我国的核应急管理工作带来诸多新的问题和压力，管理涉及面更广、组织协调更加困难，对判断决策的准确性和科学性要求也变的更高。利用大气扩散模型开展放射性污染物在大气中扩散过程的模拟，可以在发生核事故时，尽快确定核污染的影响范围并采取应急措施，将危害和损失降至最低，对于加强我国核应急管理体系，提高应急决策的有效性和实时性尤为重要。

核应急管理是一项复杂的系统工程，利用计算机建立核应急管理系统作为辅助手段，在核电站或其他核设施发生意外核事故时，可有效提高应急响应能力，对减缓事故后果、保护公众与环境，具有十分重要的作用。由于可能的核事故涉及洪水、地震、台风、火灾、化学及危险品等多个灾害类型，涉及范围在几十甚至几百公里内，需要了解该区域内放射性物质的浓度分布、地形、气象、人口、交通、应急设施等信息，这些信息多与空间位置有关[2]。已经建立的国家核应急响应系统，虽然有地理信息系统模块，但只有基本的地图显示、放大缩小或简单的统计功能，并未和大气传输模型相结合[3]，与发达国家在充分利用先进的信息管理手段和技术以辅助核应急决策，仍然存在较大差距。考虑近年来地理信息系统在应急监测中的应用发展，以及放射性污染物在大气中扩散的危害性，本文以地理信息系统为支撑，开展放射性核素在大气中的扩散模拟研究，并以日本福岛核电站核事故为例，研究地理信息系统及大气传输模型在核应急管理中的应用。

2 GIS及大气扩散模型在核应急领域的现状及应用

2.1 GIS在核应急领域现状

地理信息系统(Geographic Information System，GIS)以地理空间数据库为基础，可以实现对空间数据的采集、存储、分析、显示和制图[4]，应用贯穿应急准备、响应、终止和恢复等核应急管理的各个阶段，并为核应急响应的分析与决策提供重要参考。因此，在各国开发的核应急管理系统中都应用了GIS技术，例如欧共体开发的RODOS系统，利用GIS显示放射性物质的时空分布，美国辐射监测与评价中心开发的FASER系统，芬兰开发的MEMbrain系统，通过GIS系统查询核事故发生区域及其严重程度[5]。

2.2 大气扩散模型建模与应用

大气扩散模型根据气象学原理，采用数学方法，对空气污染物的扩散、输送、清除及化学过程等进行模拟[6]。长期以来，一直用于分析大气污染过程和污染物迁移规律，评价大气污染程度，预测污染趋势，辅助决策及事故应急等。按照模型复杂程度和应用尺度的不同，大气扩散模型可基本分为高斯模型、拉格朗日模型和欧拉模型[7]，表1比较了各类大气扩散模型的特性。

表1 大气扩散模型特性比较

根据模型所属类型及在放射性核素扩散中的应用，表2总结了常用大气扩散模型的研发机构、模型类型及常见应用场景[8]。

表2 常用大气扩散模型及在放射性核素扩散模拟中的应用

考虑核应急管理对模型稳定性和快速计算的要求，以及大气扩散模型所需气象数据的可获得性和准确性，计算过程的复杂度及对放射性核素在大气中的衰减及干湿沉积过程的计算，本研究选择HYSPLIT模型用于系统中放射性物质大气扩散模拟。

HYSPLIT模型是美国国家海洋和大气管理局和澳大利亚气象局联合开发的一种用于计算和分析大气污染物轨迹、扩散范围的专业模型。迄今已经过20多年的发展，模型稳定，可处理多气象数据输入、多物理过程和不同类型污染物排放源的扩散和沉降过程，已广泛应用于多种污染物在不同地区的传输和扩散研究。

3 系统设计与实现

3.1 系统框架设计

系统使用SOA架构，将不同数据资源以服务的形式进行发布，并进行综合集成，总体技术架构如图1所示。

应用支撑层主要包含基础的GIS平台软件、数据库管理软件及相关的基础支撑插件。

数据资源层包含基础地理信息数据库(包含基础地理数据、遥感影像数据、地名数据、空间元数据等)、属性数据库(包含城市人口、城市GDP数据、重要机构数据等)、气象数据库(包含降水、风速、风向等)。

服务层由经过重新配置与切图的WEBGIS服务引擎、基础地理信息互操作服务、GIS空间缓冲区分析服务及HYSPLIT大气传输模型组成。

系统应用层包括数据、图层管理应用(包括图层的控制编辑、地图加载、遥感影像数据加载、用户浏览器端地图交互操作等功能)、扩散动态模拟(包括对HYSPLIT大气传输模型进行参数配置录入、核污染物扩散危险区域划分、核污染物随时间的扩散轨迹分析及浓度变化分析等功能)、查询模块(包括监测数据查询、地图图形及属数关联查询、公安、消费、学校、医院等重要机构查询及应急资源查询等功能)、应急预案分析(包括核污染物影响范围及影响经济、人口的预测、核事故情况下救援路径分析及群众疏散模拟分析等功能)、系统管理(包括用户管理、权限管理、数据库日常维护及日志管理等)。

3.2 放射性污染物扩散模拟

对大气污染物的扩撒模拟，都需要“输入—模拟—输出”三个步骤，HYSPLIT模型模拟流程为，输入排放源类型、坐标时间等参数、再输入NOAA气象数据，用HYSPLIT模型进行模拟运算，输出扩散轨迹及浓度变化预测。

3.2.1 模型输入

作为大气扩散模型的输入，气象数据的获取对模拟结果有密切影响。大部分直接采集的气象数据为点源采集，数据离散，周期不稳，大气扩散模型无法直接使用。因此，需要对直接采集的气象数据进行预处理，以符合大气扩散模型的输入要求。对HYSPLIT模型进行分析，发现模型所用气象数据由美国国家海洋和大气管理局提供，把全球气象数据按照1°x1°的网格划分，插值到正射投影的地图上，时间间隔为6h，即记录每日00,06,12,18时的风速U、风速水平分量V、高度Z、温度T、气压P、地表气压P0及大气垂直运动场信息。数据从2005年1月至今，每月更新。因为放射性污染物的扩散，还包括湿沉降过程，因此气象数据还包括降雨数据。

3.2.2 放射性污染物扩散模拟过程

对放射性污染物扩散模拟主要是指对放射性物质在大气中的抬升、沉降以及放射性核素自身衰变这一高度复杂、非线性的过程，通过模型简化，突出最主要过程和关键因子，借助于数学公式来实现对这一过程的描述[7]。主要包括以下过程：

(1)烟羽抬升及有效释放高度

h=hx+Δh

(1)

其中：h：代表释放的有效高度(单位：米)； hx：代表排放口高度(单位：米)；△h：代表气体提升的高度(单位：米)；

(2)重力沉降

(2)

(3)干沉积

(3)

其中：Vd：代表沉降速度(m·s-1)；Wd：代表表面沉降率(Bq·m-3·s-1)；

(4)湿沉积

一般定为冲刷参数Λ(S-1)与降水强度(mm·h-1)成正比，

Λ=α·I

(4)

其中：α表示冲刷比例常数(h·(mm·s)-1)；

(5)放射性核素衰变

(5)

λ表示放射性核素的衰变常数。

3.2.3 模型输出

在美国国家海洋和大气管理局网站上，分别下载安装HYSPLIT轨迹模型和扩散模型。选择轨迹模型，依次输入气象数据，事故发生位置，模拟时间，模拟高度，进行运算，可得到模拟地点放射性物质的扩散轨迹。选择扩散模型，除输入上述参数外，再依次选择污染物类型，输入释放浓度、释放速率，计算结束后，得到模拟物质的浓度分布。扩散轨迹和浓度分布输出均为文本格式，通过专业制图软件或GIS可输出图形文件。

3.2.4 模型的验证

对大气扩散模型模拟结果的验证，通常采用与放射性核素实际监测数据比较的方法。研究搜集了日本东京电力公司发布的福岛核事故最终调查报告，将模型输出结果与辐射实测数据进行比较，以判断模型的准确性。

3.3 系统研制

系统主体界面使用Visual studio 2012系统,.Net语言进行开发，使用ArcGIS Server作为空间地图服务系统，底图采用天地图的空间地图服务及BingMap的遥感影像图服务，在服务器端调用HYSPLIT函数与分析结果，并融合在浏览器端地图上进行展示，数据库使用SQL Server2008，主要存储核应急物资储备、核应急知识、核应急报送等信息。主要研制过程如下：

(1)主界面开发

系统主界面为使用.Net开发的网站，主要分为地图控制模块，主要实现与地图的交互控制，对地图进行标绘；历史气象数据查询与显示；调用HYSPLIT的参数设置与气象轨迹分析结果展示；核污染影响范围及应急路径分析。

如图2所示，左上角为地图鹰眼视图，中间展示地图，由右侧栏控制显示矢量地图(突出居民区、道路)，遥感影像及影像+部分标注图。其中国内地区的矢量地图调用国家测绘局天地图地图服务，遥感影像及影像+部分标准图调用微软Bing地图服务。

下侧为功能按钮区，依次为核应急突发事件定位，影响范围设定，影响分析(对人口、经济影响等)，资源分析(分析周边医院、消防及核应急储备中心分布情况)，路径分析(事发地疏散路径分析)，大气模拟(调用HYSPLIT大气模型进行核污染物扩散分析)。

(2)ArcGIS Server

ArcGIS Server是ESRI公司提供的专业地图服务发布与管理系统，本系统使用ArcGIS Server对核应急相关的专题图层进行发布与管理，并使用ArcGIS API for JavaScript在页面端进行地图的交互操作开发。

ArcGIS API for JavaScript是ESRI公司提供的基于JavaScript调用地图REST API接口的封装包，并将获取的地图图层展示到Web页面中，能够提供地图的展示、查询、分析等交互功能。

系统底图使用由国家测绘局提供的天地图地图服务，该地图包含了基础的居民区、道路等公共设施地图数据。

(3)与HYSPLIT模型的集成

目前，大气扩散模型与地理信息系统的集成主要有三种方式，分别为松散集成、紧密集成和完全集成，表3比较了三种集成方式[9]。

表3 大气扩散模型与地理信息系统的集成方式

为了方便用户在使用同一个操作系统时既分析污染物随大气传输的结果，使用地图进行综合展示与操作，同时考虑开发的难度，本研究采用紧密集成的方案，将HYSPLIT模型与地理信息系统集成在扩散分析系统，通过统一的用户界面同时管理HYSPLIT模型与GIS的相关设置，并实现两者的数据交互。

HYSPLIT是使用解释执行脚本语言TCL(Tool Command Language)开发的，该语言可在各类操作系统上使用，本系统中首先将参数输入到调用txt文件中，再使用cmd调用HYSPLIT工具中的hyts_std.exe进行模拟分析，最后将输出到working目录下的运算结果在网页上进行展示。

3.4 系统应用验证

福岛第一核电站位于日本福岛县最东端，距离东京不到300km，东临太平洋，西面环山。2011年3月11日，日本东部发生9级地震并引发海啸，导致福岛第一核电站，1、2、3、4号机组先后发生爆炸，大量放射性物质外泄，对公众健康和环境造成严重影响。本文即以福岛核事故为例，开展系统应用案例分析。

(1)数据采集：福岛核电站厂区范围内地图；以福岛为中心50km范围的行政区划、主干道路图及医院、消防、学校、监测站等重要应急资源信息；全球重要城市定位图；全球1∶100000国家边界图等空间数据。

(2)放射性污染物扩散轨迹分析

设置气象数据、模拟类型等轨迹模拟的必要参数，输入日本福岛第一核电站的经纬度信息，排放高度分别设置为距离核电站地面50m、500m、1000m模拟自2011年3月12日00时至17日00时，5天内三个高度137CS的扩散轨迹。

(3)137CS浓度变化分析

以放射性污染物137CS为例，释放强度设置为0.14TBq/h(日本核安全委员会公布数据)，假定放射性137CS匀速释放，释放速率为3.89x107Bq/s，模拟自2011年3月12日00时至17日00时，5天内放射性137CS的浓度变化，模拟结果如图3所示。

东京电力公司发布的福岛核事故最终调查报告中，关于放射性物质扩散情况的说明指出，事故发生之初，放射性物质随西风向太平洋及北美洲扩散，但受白令海附近气团影响，3月17-18日，近地面放射性物质逆时针移向俄罗斯东部，中国沿海地区事故期间放射性物质含量暂未发现异常的结果一致。由此与图3进行比较，可知模型预测结果与核素实测数据基本一致，表明所选用的模型、参数假设基本合理，模型能够较好的模拟福岛核事故发生期间，放射性物质扩散及变化情况。

(4)生成应急预案

从大气传输模拟结果分析得出，福岛核电站事故发生后短期内，污染物扩散主要向东偏北方向转移，结合GIS地图用红、黄、蓝依次分别表示受危害程度概率由大到小。

通过进行周边人口统计查询与重点保护场所查询，仅距离福岛核电站20km范围内就有两个大型社区，并有学校、医院等人口相对密集的公共场所亟需及时转移。

从HYSPLIT模拟结果得出，放射性物质以往东往北扩散为主，规划撤离路径规划时，受影响的不同区域可分多条路径撤离。同时福岛核电站西部地区虽然有山隔离，且预测遭受核污染物污染概率较小，但西面人口密集的城市应当做好防范措施。

同时陆上救援力量通过公路从西北部、西部、南部向福岛核电站周边绿色区域集结救援，海上救援从东部海域直接进入厂区进行救援(图4)。

4 结论与展望

4.1 结论

大气扩散模型作为放射性污染物扩散模拟必不可少的工具和手段，由于专业性较强，在我国核应急管理的应用仍存在较大的提高空间。本研究在广泛吸收国内外地理信息系统在核应急中的应用及放射性污染物大气扩散模拟的最新研究进展基础上，综合利用地理信息系统与大气传输模型分析相结合的方式，开展了核应急状态下的污染物预测及分布情况分析及系统开发工作，主要取得了以下研究进展：

(1)初步完成了对大气扩散模型的研究

对国际主流大气扩散模型的原理、分类、计算过程进行了深入研究，实现了核事故状态下，实时、准确、可靠的模拟放射性污染物随时间、空间的分布预测，有利于建立行之有效的定量放射性污染控制方案，为科学应对核事故中污染物扩散影响分析提供强有力的支撑。

(2)构建了核应急地理信息系统

建立了核应急地理信息系统信息分类与编码体系，核应急地理信息数据库，根据核应急管理需求，归纳总结出核应急GIS主体功能框架，可以生动的显示地图、方便的获取数据，以及进行决策所需的空间分析，能够进行地图标绘与全景化展示，信息量丰富、直观，应用前景良好。

(3)实现了GIS与HYSPLIT模型的集成

充分利用了GIS丰富的地图展示与互操作能力和HYSPLIT强大的污染物传输模拟分析能力，进行优势互补，整合管理、分析、查询、展示功能，为核应急提供强大的分析工具。

(4)建立了准确可靠的放射性污染物扩散分析系统

完成了系统总体设计、研制和实施工作，并以日本福岛核事故为例，在核电站放射性物质严重泄露情况下，进行核污染扩散的模拟与分析，并与已确认的相关研究结果进行对比分析，验证了本研究开发的系统在核应急状态下提供的决策依据是准确可靠的。

4.2 展望

(1)利用GIS与大气扩散模型进行放射性污染物扩散分析可参考的先例和经验不多，系统在功能扩展、空间分析等方面仍存在一些值得改进的地方，系统数据资源仍需进一步丰富。

(2)文中采用的HYSPLIT模型是大气扩散模拟的经典模型，对大多数地形、气象条件，模型都可以有效的模拟放射性污染物的扩散，但任何模型都是对现实世界的简化，存在模型自身局限性。未来可继续深入研究、比较不同大气扩散模型对放射性污染物扩散模拟结果的差异，开发针对不同核电站，更精确的核应急放射性污染物扩散分析系统。

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Research of Geographic Information System and Atmospheric Transmission Model for Nuclear Emergency Management and Realization of Software System

HOU Shan-shan

(Computer Application Institute of Nuclear Industry,Consulting department, Beijing 100048,China)

Based on the research of the national oceanic and atmospheric administration (NOAA) HYSPLIT atmospheric model, adopt.net software development platform and ArcGIS Server secondary development technique, detail explain the geographic information system and atmospheric diffusion model of combination of information classification and coding, function framework model, modular software development and system integration. The system provide sudden nuclear accident emergency response in real time, reliableand visualization solutions, and the platform has been successfully applied to the Fukushima nuclear power plant nuclear accident radioactive137Cs diffusion simulation and emergency management, which can be applied to new nuclear power plant siting, radiation environmental monitoring, to consolidate and strengthen the nuclear emergency management system in our country, provides advanced technology and reliableprotection.

GIS; diffusion simulation; HYSPLIT; nuclear emergency; radioactive contaminants

2016-06-14

P208

B

1007-3000(2016)06-7