GIS支持下的核设施废气扩散模拟系统研究

张东辉，赵英俊，秦 凯，裴承凯

（1.核工业北京地质研究院 遥感信息与图像分析技术国家级重点实验室，北京 100029）

在核能的生产和消费过程中，将产生当前技术无法回收或不值得回收利用的废弃物，按照其物理性状，可分为气载废物、液态废物和固体废物。气载废物中所含的放射性核素随设施而异，铀矿冶厂废气中主要的核素为铀、钍、镭、氡及其子体，核动力厂废气的主要组分为惰性气体、气溶胶、3H和14C，后处理厂的废气中常含有239Pu、226Ra和222Rn，反应堆将产生碘废气。此外，废气中可能还含有非放有害物质，如铀同位素厂废气中含有较多的HF和F2，后处理厂废气中含有较多的氮氧化物，焚烧炉废气中含有较多的CO2、NOx和 SO2[1]。核设施经废气流出物排入大气的放射性物质，将向下风向输运，并随大气的混合过程弥散，以降雨沉降、下垫面碰撞或重力沉降等形式落入地面，经水体、植物、动物等方式进入人体，在较长的时间内形成内照射。

本文针对废气的输运过程，引入具有强大空间分析和空间操作功能的GIS技术，在集成管理废气流出物的化学成分、气溶胶浓度、排风系统流量、环境风向风速等监测数据后，结合气体扩散数学模型，运用GIS栅格数据模型和域面分析技术，模拟污染风险空间量化评估结果，为有关决策提供技术支持。

1 核设施废气扩散数学模型

有别于一般工业污染，核设施废气的排放源项一般有明确的估算值；对环境的辐射剂量也有明确的法规规范，因此核设施废气扩散模拟的核心内容是判断放射性物质流出核设施后，在环境中的转移途径和范围。大气的扩散能力主要受风向、风速和大气稳定度的影响。风向决定污染物在大气中的扩散方向，通常在水平风的作用下将气载污染物不断向下风向输送，称为大气输运。主导风向常出现左右和上下的无规则摆动，称为湍流，其流场的各个特征量统计平均值具有规律性。气载污染物在随风输运过程中，因大气湍流作用导致在横向和垂直方向上不断加大与周围空气的混合范围，称为大气扩散[2]。核设施废气中的核素在空间中符合高斯分布，假设大气风速是均匀和稳定的，且在扩散过程中核素物质的质量是守恒的。在建模时，先建立瞬时单烟团扩散模型，再假设核设施源强随时间分布连续均匀，建立点源烟羽扩散模型。

假定核设施核素瞬时释放，且在空间中按正态方式扩散，则单位容积核素的浓度变化为：

将瞬时单核素团设置为连续排放模式，可理解为排放是在时间上连续的多个核素团，将式（1）对t0从-∞到t求积分，得到连续排放核素下的正态扩散模型[3]，即

式中，x、y、z、t分别为预测点的空间坐标和时刻；x0、y0、z0、t0分别为核素释放点的初始空间坐标和初始时刻；x'、y'、z'为释放点中心在t～t0时间段内的迁移距离，x'=∫udt、y'=∫vdt、z'=∫wdt；u、v、w 分别为核素释放点中心在x、y、z方向的速度分量；C为预测点的核素团瞬时浓度；Q为核素团瞬时排放量；σx、σy、σz为x、y、z方向的扩散参数，是扩散时间段T的函数；T＝t-t0。

2 核设施废气扩散模拟系统设计

2.1 总体设计

核设施废气扩散模拟系统的最终目的是获取废气的输运过程，该过程具有非常强的时间性和空间性。系统以核素扩散对象为基础，把下垫面信息、经济社会活动以及环境等有关数据，按其空间位置输入计算机；再通过多目标的数据库、分析软件与应用模型进行废气信息的存贮、更新、查询、模型分析、模拟预测、微观评价、宏观评价、显示以及绘图输出等工作。系统按功能可分为5个部分：GIS基本功能（空间信息显示与控制、图例与图层控制、核素信息查询和空间信息分析等），大气核素数据管理（废气监控数据的增加、删除、更新和浏览），废气扩散模型参数设置（横向扩散参数、垂直扩散参数、混合层高度、抬升高度、气象参数），图形化结果输出（网格分级法、等值线分级法、栅格分级法）和废气扩散决策评价（扩散距离评价、扩散浓度评价）。

2.2 数据库设计

数据来源分为3个部分：①空间数据图层，包括行政区（面状）、水系（面状）、居民点（点状）、铁路（线状）、道路（线状）和地名标注（点状）；②废气属性数据，包括污染源（点状和面状）、大气环境质量监测点（点状）、网格划分（面状）和监测点分布（点状）；③气象数据，包括风向（面状）、风速（面状）、气温（面状）、云量（面状）、降水率（文本）和大气稳定度（文本）等。系统采用C/S结构设计，服务器端采用高性能PC，通过创建数据库并实现必要数据库服务器的方法，为客户端提供数据服务；客户端表现为一个基于图形界面的可视化应用程序，通过通信协议访问数据库服务器。系统数据库平台采用SQL Server 2005，通过ArcSDE管理空间数据、属性数据和气象数据。

2.3 GIS与废气扩散模型的集成方法

GIS与废气扩散模型的集成方法包括松散结合、紧密结合和完全集成[4]3个层次。在综合考虑可操作性和数据特征的基础上，利用面向对象的开放式开发环境、动态链接、数据对象访问技术以及GIS组件技术，通过各种开放式的嵌入机制和透明的数据交换，实现GIS与废气扩散模型的集成。其具体步骤为：①预处理。首先收集核设施周边基础数据表，并进行地理空间图层的变换；再通过ArcSDE将其导入数据库，利用网格剖分技术，将评价区离散化，生成网格层及其相应控制点；然后根据废气排放信息，确定污染源位置，读取气象数据，确定评价参数并建立坐标系；最后在确定坐标原点和主导风向的基础上，确定评价区的范围。②模拟计算。首先接收用户输入的参数，创建计算对象，传递参数进行模型运算；再计算每个控制点的模拟结果。③GIS模拟输出，主要包括基于网格的显示、等值线显示和栅格图像显示。根据浓度大小进行分级，显示不同浓度区间的统计图（图1）。

2.4 访问控制策略

核设施废气数据具有很高的敏感性，因此系统的访问控制策略决定了相关数据的安全性。本文从两个方面设计系统的安全机制：访问控制，即是否允许用户登录并访问数据库；操作控制，即是否允许用户对数据库进行相应操作。访问控制通过身份（ID）认证、角色（Role）管理、登录（Login）管理来实现；操作控制则根据用户的权限管理和审核来实现，以访问控制为基础。通过访问和操作控制，确保只有授权的用户才能操作系统，而权限管理将进一步控制用户的操作范围。

图1 核设施废气扩散模拟系统的数据处理流程图

3 核设施废气扩散模拟系统实现

3.1 废气数据管理

核设施废气监测计划包括监测或取样点、监测或取样频率、取样量、采用仪器、测量时间、数据质量、数据处理方法和监测结果。辅助参数包括流出物化学成分、气溶胶粒度分布、排风速度、受影响区域风向和风速。根据核设施废气空间数据库建设的实际情况，编制其空间数据库地理图层的属性结构表（表1、图2a）。数据分层和拓扑处理后，再录入属性数据，属性数据一般采用批量输入的方式，分要素输入该实体的属性信息。由于数据的来源多种多样，不同格式、不同比例尺必然会带来诸多问题，因而系统要求将所有的文件格式统一转换为shape矢量格式，再经投影统一导入空间数据库。服务器端的ArcSDE链接到SQL Server后，再将空间数据导入SQL Server数据库的一系列表格中。通过ArcGIS Desktop的ArcCatalog模块提供的向导来导入空间数据，以实现空间数据在数据库中的存储。

表1 核设施废气图层属性结构表

3.2 废气扩散模型参数设置

当采用正态扩散模型对点源废气进行预测时，必须首先确定具体废气污染预测模型的参数。其参数包括大气混合层高度、垂直和水平扩散系数以及废气抬升高度（图2b）。①大气混合层高度的确定。地表受热导致大气增温、引起对流，从下而上，下层空气强烈混合，大气层结接近干绝热递减率，该层大气称为混合层，混合层伸展的高度称为混合层高度[5]。在国家标准（GB/T13201-91）文件中对混合层高度做了规定：按照地域将我国大气层稳定度分为A、B、C、D、E、F六个参数查找选项，前四项计算公式一致，后两项计算公式一致[6]；可基于风速、地转角速度和地理纬度等参数，计算混合层高度的估算值。②垂直和水平扩散系数的设置。污染物在大气中的扩散与浓度分布是在湍流作用下形成的，而湍流统计量与采样时间有关，因此扩散系数也与采样时间有关。根据回归系数和回归指数建立经验函数，得到废气的垂直和水平扩散参数σy、σz。③废气抬升高度。烟气有效排放高度He可表示为：He=H+△H，其中H为烟囱的绝对高度，△H为烟气的抬升高度[7]。根据HJ/T 2.2-1993《环境影响评价技术导则：大气环境》中推荐的烟气抬升公式，计算得到有关系数[8]。

3.3 图形化结果输出

GIS支持下的核设施废气扩散模拟过程为：①利用大量固定的计算点将整个模拟区域离散化，以便计算扩散的污染物浓度；②确定污染源影响的范围，一般认为一个污染源只会对下风向形成污染，因此筛选得到受该污染源影响的所有固定计算点；③把计算得到的气象参数和污染源数据代入大气扩散模型，分别计算得到该污染源对所有固定计算点造成的污染物浓度值；④对每个污染源重复执行步骤②和③，直至遍历所有固定计算点；⑤根据所有固定计算点保存的浓度值，生成专题图，以便模拟大气污染扩散的结果。专题图输出时，网格分级法主要使用的ArcEngine接口包括IFeature、IFeatureLayer等；等值线分级法主要使用的ArcEngine接口包括IGeoDataset、ICursor、IGeoFeatureLayer等；栅格分级法主要使用的ArcEngine接口包括IRasterLayer、IFeatureLayer、IRaster等；离散化网格点使用的是线层Fishnet。本文以某核设施为例，在给定一定天气条件因子后，模拟了其核素排放的网格和等值线，模拟结果如图2c、2d所示。

3.4 废气扩散决策评价

通过对某核设施的废气扩散模拟可知，在给定的污染源排放条件下，控制污染物地面浓度的关键因素是风向，不同的风向决定了污染物的输送方向，以及污染源对其下风向区域的总体污染状况；而风速是控制污染物迁移距离的主要因素，但风速对浓度分布的贡献往往受大气稳定度、逆温层等其他因素的影响，表现得不太明显。通过改变不同的因子，实现对废气扩散的模拟，不仅能在核设施日常核素废气排放监测和预报中发挥作用，而且能为前期选址规划和突发应急情况下的决策推演，提供强大的技术支持。

图2 废气污染扩散模拟界面与结果

4 结 语

在社会公众和政府企业对环境保护需求迫切的现今，核设施的废气管理也面临新的要求，急需引入信息化技术手段，实现在废气排放的前期进行地理空间信息预评价，在日常环境监测中开展定量化分析，以及在突发应急时快速掌握核素迁移途径和速度的目标。本文将气载核素扩散模型与GIS空间分析技术进行集成，利用C/S结构，运用Visual C#2010平台、ArcEngine组件、SQL Server 2005数据库等软件，实现了污染源评价、废气扩散模拟和废气流出物控制效果评价等功能，设计并构建了一套适用于核设施废气扩散模拟的软件系统，为相关工作提供了一种新型的工作手段。