CALPUFF模型在模擬核電站事故源項(xiàng)大氣擴(kuò)散中的應(yīng)用

張玉珍,蒯琳萍,楊燕華

(上海交通大學(xué)核能科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200240)

核電站一旦發(fā)生不可控的嚴(yán)重事故,就會(huì)有大量的放射性核素通過(guò)大氣擴(kuò)散,對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的污染。放射性物質(zhì)物理化學(xué)性質(zhì)變化非常復(fù)雜,采用模型對(duì)大氣擴(kuò)散的模擬對(duì)核事故的后果環(huán)境評(píng)價(jià),對(duì)核事故的應(yīng)急決策和環(huán)境后果評(píng)估有積極意義。CA LPUFF是美國(guó)EPA推薦的由Sigma Research Corporation開(kāi)發(fā)的空氣質(zhì)量擴(kuò)散模式,可以進(jìn)行各種尺度的大氣污染研究,是當(dāng)前國(guó)際上用于復(fù)雜地形下的常用大氣擴(kuò)散模式,并且在大氣擴(kuò)散領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。遲妍妍[1]利用CA LPUFF做了珠江三角洲土地覆被變化對(duì)特征大氣污染物擴(kuò)散影響研究,結(jié)果表明采用CA LPUFF大氣污染擴(kuò)散模式可以較好地分析珠江三角洲地區(qū)區(qū)域內(nèi)的大氣污染擴(kuò)散特征。CA LPUFF也應(yīng)當(dāng)可以模擬核電站發(fā)生事故后放射性核素通過(guò)大氣擴(kuò)散的過(guò)程,不過(guò)目前還很少看到我國(guó)在這方面工作的研究成果報(bào)道。本文將用CALPUFF模型對(duì)大亞灣核電站一旦發(fā)生事故源項(xiàng)可能出現(xiàn)的大氣擴(kuò)散進(jìn)行模擬,定量分析區(qū)域內(nèi)核素的分布。

1 CALPUFF模式系統(tǒng)簡(jiǎn)介[2]

CA LPUFF是一個(gè)用來(lái)模擬不穩(wěn)定狀態(tài)的多層、多物種污染的高斯型煙團(tuán)擴(kuò)散模型,模式系統(tǒng)包括邊界層氣象模式CALMET,污染物擴(kuò)散模式CALPUFF和后處理軟件CA LPOST三個(gè)部分。CA LMET通過(guò)質(zhì)量守恒連續(xù)方程對(duì)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行診斷,在輸入模式所需的常規(guī)氣象觀測(cè)資料或大型中尺度氣象模式輸出場(chǎng)后,可以自動(dòng)計(jì)算并生成包括逐時(shí)的風(fēng)場(chǎng)、混合層高度、大氣穩(wěn)定度和微氣象參數(shù)等的三維風(fēng)場(chǎng)和微氣象場(chǎng)資料。

在CALPUFF煙團(tuán)擴(kuò)散模型中,大量離散煙團(tuán)構(gòu)成連續(xù)煙羽,并假設(shè)在一定時(shí)間內(nèi)煙團(tuán)靜止,然后采用積分煙團(tuán)方法來(lái)計(jì)算某受體點(diǎn)在模擬時(shí)間段內(nèi)的平均污染物濃度。單個(gè)煙團(tuán)在某受體點(diǎn)的濃度計(jì)算公式為:

式中:C為地面濃度;Q為源強(qiáng);σx,σy和σz為擴(kuò)散系數(shù)在三個(gè)方向上的分量;da和dc分別為監(jiān)測(cè)點(diǎn)到污染源之間的距離分量;g為沉降加速度;He為污染源有效高度;h為混合層高度。

CA LPOST是用于計(jì)算平均濃度和沉積通量的后處理程序,輸出選定區(qū)域和時(shí)段的平均濃度、平均最大濃度,計(jì)算相關(guān)系數(shù)等相關(guān)量。

2 CALPUFF大氣擴(kuò)散模式的應(yīng)用

大亞灣核電站周圍地形以山丘為主,周圍有小城鎮(zhèn)、灌木林、山丘和大面積海洋,地形和下墊面十分復(fù)雜。本文取2002年大亞灣核電站周圍80 km土地覆被類型和高程遙感數(shù)據(jù),作為下墊面地形數(shù)據(jù),分辨率為1 km。

2.1 模擬區(qū)域及網(wǎng)格劃分

模擬范圍地形及點(diǎn)源位置見(jiàn)圖1。模型采用UTM坐標(biāo),點(diǎn)源坐標(biāo)為(168.587,2422.266),大亞灣核電站UTM分區(qū)是50 N。模擬計(jì)算網(wǎng)格區(qū)域?yàn)?60×160,網(wǎng)格間距為1000 m。釋放源位于(80,80)網(wǎng)格。

圖1 模擬范圍地形及點(diǎn)源位置

2.2 源項(xiàng)計(jì)算

本文利用M AAP4.0對(duì)大亞灣核電站冷端雙端一旦斷裂失水產(chǎn)生的源項(xiàng)計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明,事故后約3.1×105s的放射性核素(131I)開(kāi)始向環(huán)境泄漏,并將累計(jì)向環(huán)境釋放的放射性裂變產(chǎn)物質(zhì)量為20 g。核素131I進(jìn)入環(huán)境后會(huì)發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng),最終以氣溶膠、元素碘、有機(jī)化合物碘形態(tài)在大氣環(huán)境中擴(kuò)散(三種形態(tài)間的轉(zhuǎn)化非常復(fù)雜,它們?cè)跀U(kuò)散過(guò)程中有不同的濕沉降過(guò)程和最終濃度分布,本文將對(duì)這些分布分別進(jìn)行模擬計(jì)算。模擬假設(shè)從釋放開(kāi)始131I即以三種形態(tài)存在,三者質(zhì)量比取24∶22∶54[3]。本文對(duì)一旦核電站發(fā)生事故導(dǎo)致131I釋放之后一周時(shí)間的大氣擴(kuò)散進(jìn)行模擬計(jì)算,圖2給出事故源累計(jì)向環(huán)境釋放的三種形態(tài)131I的質(zhì)量。

圖2 累計(jì)向環(huán)境釋放的不同存在形態(tài)131 I的質(zhì)量分布

2.3 模擬氣象條件的設(shè)定

大亞灣核電站位于東南沿海地區(qū),海洋性氣候特征十分明顯。夏季受西南季風(fēng),臺(tái)風(fēng)和雷暴雨影響,天氣較為潮濕,冬季受東北季風(fēng)影響,天氣較為干燥。本文獲取模擬區(qū)域范圍內(nèi)的1個(gè)地面逐時(shí)和1個(gè)每天2次(分別為00:00和12:00)高空全年氣象資料,分別模擬冬季核素131I分布情況,分析模擬區(qū)域內(nèi)核素131I大氣擴(kuò)散隨季節(jié)變化的特征。

穩(wěn)定度(本文利用PGT方法計(jì)算得大氣穩(wěn)定度)、風(fēng)速和降雨強(qiáng)度是影響擴(kuò)散的主要?dú)庀笠蛩亍１疚膹臍庀髷?shù)據(jù)中抽取幾種氣象組合與穩(wěn)定度組成三種因素的恒定條件組合,然后對(duì)這些組合進(jìn)行計(jì)算模擬,分析不同條件下的擴(kuò)散情況。大亞灣核電站廠址主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镋SE和E風(fēng)向,主要居民點(diǎn)在主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向方位,計(jì)算中氣象條件假設(shè)為E風(fēng)向。

表1 恒定計(jì)算工況

污染物擴(kuò)散的計(jì)算采用有效釋放高度處的風(fēng)速廓線模式,有效釋放源高度處的平均風(fēng)速,通過(guò)離地10 m處的平均風(fēng)速折算而成。

3 計(jì)算結(jié)果及討論

3.1 季節(jié)規(guī)律模擬分析

圖3和圖4分別為1月和7月131I的月均濃度分布,可以看到冬季下風(fēng)方向下風(fēng)向131I污染較為嚴(yán)重。冬季光照較弱、日照時(shí)間短、逆溫層較厚,而且溫度較低、大氣對(duì)流不活躍,因此不利于空氣中污染物質(zhì)擴(kuò)散的因素較多,使得131I濃度比其他季節(jié)季大。夏季131I濃度分布范圍比冬季大,但是造成影響較小。

圖31 月131 I空氣時(shí)間積分濃度分布

圖41 月131 I地面沉積濃度分布

圖5和圖6分別代表冬季和夏季131I沉降分布,可以看到受主導(dǎo)風(fēng)向的影響夏季沉降的范圍更廣,沉降值也高于冬季。這是由于夏季的降水量高于冬季,降水量是決定沉降大小的主要因素。

圖57 月131 I空氣時(shí)間積分濃度分布

圖67 月131 I地面沉積濃度分布

3.2 恒定氣象條件模擬分析

模擬結(jié)果表明,在源點(diǎn)附近由CALPUFF計(jì)算的時(shí)間積分濃度值很小,趨近于0,這主要是因?yàn)槟Ｐ椭衅漭S向濃度受由時(shí)間積分計(jì)算導(dǎo)出的誤差函數(shù)的影響,在源點(diǎn)的時(shí)間積分濃度趨近于0。模式最大濃度的出現(xiàn)位置,在E風(fēng)下風(fēng)向1 km處。

由圖7可以看到不同穩(wěn)定度條件下的濃度最大值差異明顯,F類穩(wěn)定度和無(wú)降雨條件非常不利于污染物的擴(kuò)散,濃度最大值約為D穩(wěn)定度的7倍,對(duì)周圍地區(qū)影響較大。

圖72 m/s風(fēng)速不同穩(wěn)定度條件計(jì)算的131 I濃度分布

圖8表明降雨對(duì)131I的濃度分布影響很大,在10mm/h的降雨強(qiáng)度下空氣時(shí)間積分濃度接近0值,而且在源點(diǎn)近距離產(chǎn)生了較大的131I地面沉積濃度,降雨越大對(duì)點(diǎn)源近距離地面造成影響更大。

圖8 D穩(wěn)定度不同降雨條件下計(jì)算的131 I濃度分布

由圖9可以看到,風(fēng)速為0時(shí)造成影響最嚴(yán)重,濃度最大值是2 m/s風(fēng)速以上的6倍,隨著風(fēng)速越大,影響減小越明顯。3 m/s風(fēng)速以上時(shí)差異不大。

4 結(jié)論

本文計(jì)算結(jié)果可以為大亞灣核電站一旦發(fā)生事故,放射性核素131I對(duì)周圍環(huán)境可能造成的影響提供參考。可以看出事故所釋放的131I對(duì)周圍環(huán)境的影響依賴于事故時(shí)的氣象條件。在核事故后果計(jì)算中采用了CALMET風(fēng)場(chǎng)模式確定煙羽輸送軌跡,降低了只采用釋放點(diǎn)附近一個(gè)測(cè)站的氣象資料所帶來(lái)的誤差。大亞灣核電站地形較復(fù)雜,CA LPUFF模式中CA LMET模型考慮了復(fù)雜地形的動(dòng)力效應(yīng)以及靜風(fēng)等非定常條件,能很好模擬不同尺度區(qū)域的污染物擴(kuò)散背景。

圖9 C-D穩(wěn)定度不同風(fēng)速條件下濃度隨距離分布比較

[1] 遲妍妍.珠江三角洲土地覆被變化對(duì)特征大氣污染物擴(kuò)散影響研究[D].北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院,2007.

[2] JOSEPH S Scire,FRANCOISE R Robe,MARK E Fernau, ROBERY JYamartino.A User's Guide fo r the CALMET Meteorological Model(Version 5)[EB/OL].Earth Tech, Inc(www.src.com/verio/dow nload/dow nload.h tm). January 2000.

[3] NIKOLA I Talerko.Reconstru ction of131I radioactive contam ination in Ukraine caused by the Chernobyl accident using atm ospheric transport modeling[J].Journal of Environmental Radioactivity,84(2005):343-362.