GIS及大氣傳輸模型在核應(yīng)急管理中的研究與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

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(核工業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究所， 北京 100048)

GIS及大氣傳輸模型在核應(yīng)急管理中的研究與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

侯?yuàn)檴?/p>

(核工業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究所， 北京 100048)

在深入研究美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局HYSPLIT大氣擴(kuò)散模型的基礎(chǔ)上，采用.Net語(yǔ)言和ArcGIS Server，建成了一個(gè)集地理信息系統(tǒng)技術(shù)及大氣擴(kuò)散模型于一體的放射性污染物擴(kuò)散分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大氣擴(kuò)散模型與地理信息系統(tǒng)的集成，并對(duì)地理信息系統(tǒng)與大氣擴(kuò)散模型的結(jié)合、放射性污染物在大氣中的擴(kuò)散模擬等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。系統(tǒng)可對(duì)突發(fā)性核事故應(yīng)急響應(yīng)提供實(shí)時(shí)、可靠、可視化的解決方案，并已成功應(yīng)用到日本福島核電站核事故放射性137CS擴(kuò)散模擬及模擬應(yīng)急管理中，研究成果進(jìn)而可推廣應(yīng)用到我國(guó)新建核電站選址，輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，為鞏固和加強(qiáng)我國(guó)核應(yīng)急管理體系，提供了先進(jìn)的技術(shù)手段和可靠支撐。

地理信息系統(tǒng) 擴(kuò)散模擬 核應(yīng)急 放射性污染物

1 引言

核能作為解決能源危機(jī)、緩解環(huán)境問(wèn)題、應(yīng)對(duì)氣候變化最為現(xiàn)實(shí)的選擇，已成為各國(guó)能源發(fā)展戰(zhàn)略中的重要內(nèi)容。截止到2013年底，我國(guó)共有17臺(tái)運(yùn)行核電機(jī)組，總裝機(jī)容量1470萬(wàn)千瓦，在建機(jī)組31臺(tái)，約占全球核電在建機(jī)組總數(shù)的40%[1]。按照我國(guó)核能發(fā)展規(guī)劃，到2020年，核電裝機(jī)容量將達(dá)到5800萬(wàn)千瓦，在建容量達(dá)到3000萬(wàn)千瓦以上，成為當(dāng)今核能發(fā)展速度最快的國(guó)家。核安全是核能發(fā)展的生命線(xiàn)，核應(yīng)急是核安全的最后一道防線(xiàn)，對(duì)保障核安全至關(guān)重要。核電的迅速發(fā)展，給我國(guó)的核應(yīng)急管理工作帶來(lái)諸多新的問(wèn)題和壓力，管理涉及面更廣、組織協(xié)調(diào)更加困難，對(duì)判斷決策的準(zhǔn)確性和科學(xué)性要求也變的更高。利用大氣擴(kuò)散模型開(kāi)展放射性污染物在大氣中擴(kuò)散過(guò)程的模擬，可以在發(fā)生核事故時(shí)，盡快確定核污染的影響范圍并采取應(yīng)急措施，將危害和損失降至最低，對(duì)于加強(qiáng)我國(guó)核應(yīng)急管理體系，提高應(yīng)急決策的有效性和實(shí)時(shí)性尤為重要。

核應(yīng)急管理是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，利用計(jì)算機(jī)建立核應(yīng)急管理系統(tǒng)作為輔助手段，在核電站或其他核設(shè)施發(fā)生意外核事故時(shí)，可有效提高應(yīng)急響應(yīng)能力，對(duì)減緩事故后果、保護(hù)公眾與環(huán)境，具有十分重要的作用。由于可能的核事故涉及洪水、地震、臺(tái)風(fēng)、火災(zāi)、化學(xué)及危險(xiǎn)品等多個(gè)災(zāi)害類(lèi)型，涉及范圍在幾十甚至幾百公里內(nèi)，需要了解該區(qū)域內(nèi)放射性物質(zhì)的濃度分布、地形、氣象、人口、交通、應(yīng)急設(shè)施等信息，這些信息多與空間位置有關(guān)[2]。已經(jīng)建立的國(guó)家核應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)，雖然有地理信息系統(tǒng)模塊，但只有基本的地圖顯示、放大縮小或簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)功能，并未和大氣傳輸模型相結(jié)合[3]，與發(fā)達(dá)國(guó)家在充分利用先進(jìn)的信息管理手段和技術(shù)以輔助核應(yīng)急決策，仍然存在較大差距。考慮近年來(lái)地理信息系統(tǒng)在應(yīng)急監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用發(fā)展，以及放射性污染物在大氣中擴(kuò)散的危害性，本文以地理信息系統(tǒng)為支撐，開(kāi)展放射性核素在大氣中的擴(kuò)散模擬研究，并以日本福島核電站核事故為例，研究地理信息系統(tǒng)及大氣傳輸模型在核應(yīng)急管理中的應(yīng)用。

2 GIS及大氣擴(kuò)散模型在核應(yīng)急領(lǐng)域的現(xiàn)狀及應(yīng)用

2.1 GIS在核應(yīng)急領(lǐng)域現(xiàn)狀

地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)以地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空間數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、分析、顯示和制圖[4]，應(yīng)用貫穿應(yīng)急準(zhǔn)備、響應(yīng)、終止和恢復(fù)等核應(yīng)急管理的各個(gè)階段，并為核應(yīng)急響應(yīng)的分析與決策提供重要參考。因此，在各國(guó)開(kāi)發(fā)的核應(yīng)急管理系統(tǒng)中都應(yīng)用了GIS技術(shù)，例如歐共體開(kāi)發(fā)的RODOS系統(tǒng)，利用GIS顯示放射性物質(zhì)的時(shí)空分布，美國(guó)輻射監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)中心開(kāi)發(fā)的FASER系統(tǒng)，芬蘭開(kāi)發(fā)的MEMbrain系統(tǒng)，通過(guò)GIS系統(tǒng)查詢(xún)核事故發(fā)生區(qū)域及其嚴(yán)重程度[5]。

2.2 大氣擴(kuò)散模型建模與應(yīng)用

大氣擴(kuò)散模型根據(jù)氣象學(xué)原理，采用數(shù)學(xué)方法，對(duì)空氣污染物的擴(kuò)散、輸送、清除及化學(xué)過(guò)程等進(jìn)行模擬[6]。長(zhǎng)期以來(lái)，一直用于分析大氣污染過(guò)程和污染物遷移規(guī)律，評(píng)價(jià)大氣污染程度，預(yù)測(cè)污染趨勢(shì)，輔助決策及事故應(yīng)急等。按照模型復(fù)雜程度和應(yīng)用尺度的不同，大氣擴(kuò)散模型可基本分為高斯模型、拉格朗日模型和歐拉模型[7]，表1比較了各類(lèi)大氣擴(kuò)散模型的特性。

表1 大氣擴(kuò)散模型特性比較

根據(jù)模型所屬類(lèi)型及在放射性核素?cái)U(kuò)散中的應(yīng)用，表2總結(jié)了常用大氣擴(kuò)散模型的研發(fā)機(jī)構(gòu)、模型類(lèi)型及常見(jiàn)應(yīng)用場(chǎng)景[8]。

表2 常用大氣擴(kuò)散模型及在放射性核素?cái)U(kuò)散模擬中的應(yīng)用

考慮核應(yīng)急管理對(duì)模型穩(wěn)定性和快速計(jì)算的要求，以及大氣擴(kuò)散模型所需氣象數(shù)據(jù)的可獲得性和準(zhǔn)確性，計(jì)算過(guò)程的復(fù)雜度及對(duì)放射性核素在大氣中的衰減及干濕沉積過(guò)程的計(jì)算，本研究選擇HYSPLIT模型用于系統(tǒng)中放射性物質(zhì)大氣擴(kuò)散模擬。

HYSPLIT模型是美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局和澳大利亞氣象局聯(lián)合開(kāi)發(fā)的一種用于計(jì)算和分析大氣污染物軌跡、擴(kuò)散范圍的專(zhuān)業(yè)模型。迄今已經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，模型穩(wěn)定，可處理多氣象數(shù)據(jù)輸入、多物理過(guò)程和不同類(lèi)型污染物排放源的擴(kuò)散和沉降過(guò)程，已廣泛應(yīng)用于多種污染物在不同地區(qū)的傳輸和擴(kuò)散研究。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用SOA架構(gòu)，將不同數(shù)據(jù)資源以服務(wù)的形式進(jìn)行發(fā)布，并進(jìn)行綜合集成，總體技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

應(yīng)用支撐層主要包含基礎(chǔ)的GIS平臺(tái)軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件及相關(guān)的基礎(chǔ)支撐插件。

數(shù)據(jù)資源層包含基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)(包含基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、地名數(shù)據(jù)、空間元數(shù)據(jù)等)、屬性數(shù)據(jù)庫(kù)(包含城市人口、城市GDP數(shù)據(jù)、重要機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)等)、氣象數(shù)據(jù)庫(kù)(包含降水、風(fēng)速、風(fēng)向等)。

服務(wù)層由經(jīng)過(guò)重新配置與切圖的WEBGIS服務(wù)引擎、基礎(chǔ)地理信息互操作服務(wù)、GIS空間緩沖區(qū)分析服務(wù)及HYSPLIT大氣傳輸模型組成。

系統(tǒng)應(yīng)用層包括數(shù)據(jù)、圖層管理應(yīng)用(包括圖層的控制編輯、地圖加載、遙感影像數(shù)據(jù)加載、用戶(hù)瀏覽器端地圖交互操作等功能)、擴(kuò)散動(dòng)態(tài)模擬(包括對(duì)HYSPLIT大氣傳輸模型進(jìn)行參數(shù)配置錄入、核污染物擴(kuò)散危險(xiǎn)區(qū)域劃分、核污染物隨時(shí)間的擴(kuò)散軌跡分析及濃度變化分析等功能)、查詢(xún)模塊(包括監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢(xún)、地圖圖形及屬數(shù)關(guān)聯(lián)查詢(xún)、公安、消費(fèi)、學(xué)校、醫(yī)院等重要機(jī)構(gòu)查詢(xún)及應(yīng)急資源查詢(xún)等功能)、應(yīng)急預(yù)案分析(包括核污染物影響范圍及影響經(jīng)濟(jì)、人口的預(yù)測(cè)、核事故情況下救援路徑分析及群眾疏散模擬分析等功能)、系統(tǒng)管理(包括用戶(hù)管理、權(quán)限管理、數(shù)據(jù)庫(kù)日常維護(hù)及日志管理等)。

3.2 放射性污染物擴(kuò)散模擬

對(duì)大氣污染物的擴(kuò)撒模擬，都需要“輸入—模擬—輸出”三個(gè)步驟，HYSPLIT模型模擬流程為，輸入排放源類(lèi)型、坐標(biāo)時(shí)間等參數(shù)、再輸入NOAA氣象數(shù)據(jù)，用HYSPLIT模型進(jìn)行模擬運(yùn)算，輸出擴(kuò)散軌跡及濃度變化預(yù)測(cè)。

3.2.1 模型輸入

作為大氣擴(kuò)散模型的輸入，氣象數(shù)據(jù)的獲取對(duì)模擬結(jié)果有密切影響。大部分直接采集的氣象數(shù)據(jù)為點(diǎn)源采集，數(shù)據(jù)離散，周期不穩(wěn)，大氣擴(kuò)散模型無(wú)法直接使用。因此，需要對(duì)直接采集的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以符合大氣擴(kuò)散模型的輸入要求。對(duì)HYSPLIT模型進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)模型所用氣象數(shù)據(jù)由美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局提供，把全球氣象數(shù)據(jù)按照1°x1°的網(wǎng)格劃分，插值到正射投影的地圖上，時(shí)間間隔為6h，即記錄每日00,06,12,18時(shí)的風(fēng)速U、風(fēng)速水平分量V、高度Z、溫度T、氣壓P、地表氣壓P0及大氣垂直運(yùn)動(dòng)場(chǎng)信息。數(shù)據(jù)從2005年1月至今，每月更新。因?yàn)榉派湫晕廴疚锏臄U(kuò)散，還包括濕沉降過(guò)程，因此氣象數(shù)據(jù)還包括降雨數(shù)據(jù)。

3.2.2 放射性污染物擴(kuò)散模擬過(guò)程

對(duì)放射性污染物擴(kuò)散模擬主要是指對(duì)放射性物質(zhì)在大氣中的抬升、沉降以及放射性核素自身衰變這一高度復(fù)雜、非線(xiàn)性的過(guò)程，通過(guò)模型簡(jiǎn)化，突出最主要過(guò)程和關(guān)鍵因子，借助于數(shù)學(xué)公式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)這一過(guò)程的描述[7]。主要包括以下過(guò)程：

(1)煙羽抬升及有效釋放高度

h=hx+Δh

(1)

其中：h：代表釋放的有效高度(單位：米)； hx：代表排放口高度(單位：米)；△h：代表氣體提升的高度(單位：米)；

(2)重力沉降

(2)

(3)干沉積

(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)濕沉積

一般定為沖刷參數(shù)Λ(S-1)與降水強(qiáng)度(mm·h-1)成正比，

Λ=α·I

(4)

其中：α表示沖刷比例常數(shù)(h·(mm·s)-1)；

(5)放射性核素衰變

(5)

λ表示放射性核素的衰變常數(shù)。

3.2.3 模型輸出

在美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局網(wǎng)站上，分別下載安裝HYSPLIT軌跡模型和擴(kuò)散模型。選擇軌跡模型，依次輸入氣象數(shù)據(jù)，事故發(fā)生位置，模擬時(shí)間，模擬高度，進(jìn)行運(yùn)算，可得到模擬地點(diǎn)放射性物質(zhì)的擴(kuò)散軌跡。選擇擴(kuò)散模型，除輸入上述參數(shù)外，再依次選擇污染物類(lèi)型，輸入釋放濃度、釋放速率，計(jì)算結(jié)束后，得到模擬物質(zhì)的濃度分布。擴(kuò)散軌跡和濃度分布輸出均為文本格式，通過(guò)專(zhuān)業(yè)制圖軟件或GIS可輸出圖形文件。

3.2.4 模型的驗(yàn)證

對(duì)大氣擴(kuò)散模型模擬結(jié)果的驗(yàn)證，通常采用與放射性核素實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比較的方法。研究搜集了日本東京電力公司發(fā)布的福島核事故最終調(diào)查報(bào)告，將模型輸出結(jié)果與輻射實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以判斷模型的準(zhǔn)確性。

3.3 系統(tǒng)研制

系統(tǒng)主體界面使用Visual studio 2012系統(tǒng),.Net語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，使用ArcGIS Server作為空間地圖服務(wù)系統(tǒng)，底圖采用天地圖的空間地圖服務(wù)及BingMap的遙感影像圖服務(wù)，在服務(wù)器端調(diào)用HYSPLIT函數(shù)與分析結(jié)果，并融合在瀏覽器端地圖上進(jìn)行展示，數(shù)據(jù)庫(kù)使用SQL Server2008，主要存儲(chǔ)核應(yīng)急物資儲(chǔ)備、核應(yīng)急知識(shí)、核應(yīng)急報(bào)送等信息。主要研制過(guò)程如下：

(1)主界面開(kāi)發(fā)

系統(tǒng)主界面為使用.Net開(kāi)發(fā)的網(wǎng)站，主要分為地圖控制模塊，主要實(shí)現(xiàn)與地圖的交互控制，對(duì)地圖進(jìn)行標(biāo)繪；歷史氣象數(shù)據(jù)查詢(xún)與顯示；調(diào)用HYSPLIT的參數(shù)設(shè)置與氣象軌跡分析結(jié)果展示；核污染影響范圍及應(yīng)急路徑分析。

如圖2所示，左上角為地圖鷹眼視圖，中間展示地圖，由右側(cè)欄控制顯示矢量地圖(突出居民區(qū)、道路)，遙感影像及影像+部分標(biāo)注圖。其中國(guó)內(nèi)地區(qū)的矢量地圖調(diào)用國(guó)家測(cè)繪局天地圖地圖服務(wù)，遙感影像及影像+部分標(biāo)準(zhǔn)圖調(diào)用微軟Bing地圖服務(wù)。

下側(cè)為功能按鈕區(qū)，依次為核應(yīng)急突發(fā)事件定位，影響范圍設(shè)定，影響分析(對(duì)人口、經(jīng)濟(jì)影響等)，資源分析(分析周邊醫(yī)院、消防及核應(yīng)急儲(chǔ)備中心分布情況)，路徑分析(事發(fā)地疏散路徑分析)，大氣模擬(調(diào)用HYSPLIT大氣模型進(jìn)行核污染物擴(kuò)散分析)。

(2)ArcGIS Server

ArcGIS Server是ESRI公司提供的專(zhuān)業(yè)地圖服務(wù)發(fā)布與管理系統(tǒng)，本系統(tǒng)使用ArcGIS Server對(duì)核應(yīng)急相關(guān)的專(zhuān)題圖層進(jìn)行發(fā)布與管理，并使用ArcGIS API for JavaScript在頁(yè)面端進(jìn)行地圖的交互操作開(kāi)發(fā)。

ArcGIS API for JavaScript是ESRI公司提供的基于JavaScript調(diào)用地圖REST API接口的封裝包，并將獲取的地圖圖層展示到Web頁(yè)面中，能夠提供地圖的展示、查詢(xún)、分析等交互功能。

系統(tǒng)底圖使用由國(guó)家測(cè)繪局提供的天地圖地圖服務(wù)，該地圖包含了基礎(chǔ)的居民區(qū)、道路等公共設(shè)施地圖數(shù)據(jù)。

(3)與HYSPLIT模型的集成

目前，大氣擴(kuò)散模型與地理信息系統(tǒng)的集成主要有三種方式，分別為松散集成、緊密集成和完全集成，表3比較了三種集成方式[9]。

表3 大氣擴(kuò)散模型與地理信息系統(tǒng)的集成方式

為了方便用戶(hù)在使用同一個(gè)操作系統(tǒng)時(shí)既分析污染物隨大氣傳輸?shù)慕Y(jié)果，使用地圖進(jìn)行綜合展示與操作，同時(shí)考慮開(kāi)發(fā)的難度，本研究采用緊密集成的方案，將HYSPLIT模型與地理信息系統(tǒng)集成在擴(kuò)散分析系統(tǒng)，通過(guò)統(tǒng)一的用戶(hù)界面同時(shí)管理HYSPLIT模型與GIS的相關(guān)設(shè)置，并實(shí)現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)交互。

HYSPLIT是使用解釋執(zhí)行腳本語(yǔ)言TCL(Tool Command Language)開(kāi)發(fā)的，該語(yǔ)言可在各類(lèi)操作系統(tǒng)上使用，本系統(tǒng)中首先將參數(shù)輸入到調(diào)用txt文件中，再使用cmd調(diào)用HYSPLIT工具中的hyts_std.exe進(jìn)行模擬分析，最后將輸出到working目錄下的運(yùn)算結(jié)果在網(wǎng)頁(yè)上進(jìn)行展示。

3.4 系統(tǒng)應(yīng)用驗(yàn)證

福島第一核電站位于日本福島縣最東端，距離東京不到300km，東臨太平洋，西面環(huán)山。2011年3月11日，日本東部發(fā)生9級(jí)地震并引發(fā)海嘯，導(dǎo)致福島第一核電站，1、2、3、4號(hào)機(jī)組先后發(fā)生爆炸，大量放射性物質(zhì)外泄，對(duì)公眾健康和環(huán)境造成嚴(yán)重影響。本文即以福島核事故為例，開(kāi)展系統(tǒng)應(yīng)用案例分析。

(1)數(shù)據(jù)采集：福島核電站廠(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)地圖；以福島為中心50km范圍的行政區(qū)劃、主干道路圖及醫(yī)院、消防、學(xué)校、監(jiān)測(cè)站等重要應(yīng)急資源信息；全球重要城市定位圖；全球1∶100000國(guó)家邊界圖等空間數(shù)據(jù)。

(2)放射性污染物擴(kuò)散軌跡分析

設(shè)置氣象數(shù)據(jù)、模擬類(lèi)型等軌跡模擬的必要參數(shù)，輸入日本福島第一核電站的經(jīng)緯度信息，排放高度分別設(shè)置為距離核電站地面50m、500m、1000m模擬自2011年3月12日00時(shí)至17日00時(shí)，5天內(nèi)三個(gè)高度137CS的擴(kuò)散軌跡。

(3)137CS濃度變化分析

以放射性污染物137CS為例，釋放強(qiáng)度設(shè)置為0.14TBq/h(日本核安全委員會(huì)公布數(shù)據(jù))，假定放射性137CS勻速釋放，釋放速率為3.89x107Bq/s，模擬自2011年3月12日00時(shí)至17日00時(shí)，5天內(nèi)放射性137CS的濃度變化，模擬結(jié)果如圖3所示。

東京電力公司發(fā)布的福島核事故最終調(diào)查報(bào)告中，關(guān)于放射性物質(zhì)擴(kuò)散情況的說(shuō)明指出，事故發(fā)生之初，放射性物質(zhì)隨西風(fēng)向太平洋及北美洲擴(kuò)散，但受白令海附近氣團(tuán)影響，3月17-18日，近地面放射性物質(zhì)逆時(shí)針移向俄羅斯東部，中國(guó)沿海地區(qū)事故期間放射性物質(zhì)含量暫未發(fā)現(xiàn)異常的結(jié)果一致。由此與圖3進(jìn)行比較，可知模型預(yù)測(cè)結(jié)果與核素實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致，表明所選用的模型、參數(shù)假設(shè)基本合理，模型能夠較好的模擬福島核事故發(fā)生期間，放射性物質(zhì)擴(kuò)散及變化情況。

(4)生成應(yīng)急預(yù)案

從大氣傳輸模擬結(jié)果分析得出，福島核電站事故發(fā)生后短期內(nèi)，污染物擴(kuò)散主要向東偏北方向轉(zhuǎn)移，結(jié)合GIS地圖用紅、黃、藍(lán)依次分別表示受危害程度概率由大到小。

通過(guò)進(jìn)行周邊人口統(tǒng)計(jì)查詢(xún)與重點(diǎn)保護(hù)場(chǎng)所查詢(xún)，僅距離福島核電站20km范圍內(nèi)就有兩個(gè)大型社區(qū)，并有學(xué)校、醫(yī)院等人口相對(duì)密集的公共場(chǎng)所亟需及時(shí)轉(zhuǎn)移。

從HYSPLIT模擬結(jié)果得出，放射性物質(zhì)以往東往北擴(kuò)散為主，規(guī)劃撤離路徑規(guī)劃時(shí)，受影響的不同區(qū)域可分多條路徑撤離。同時(shí)福島核電站西部地區(qū)雖然有山隔離，且預(yù)測(cè)遭受核污染物污染概率較小，但西面人口密集的城市應(yīng)當(dāng)做好防范措施。

同時(shí)陸上救援力量通過(guò)公路從西北部、西部、南部向福島核電站周邊綠色區(qū)域集結(jié)救援，海上救援從東部海域直接進(jìn)入廠(chǎng)區(qū)進(jìn)行救援(圖4)。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

大氣擴(kuò)散模型作為放射性污染物擴(kuò)散模擬必不可少的工具和手段，由于專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)，在我國(guó)核應(yīng)急管理的應(yīng)用仍存在較大的提高空間。本研究在廣泛吸收國(guó)內(nèi)外地理信息系統(tǒng)在核應(yīng)急中的應(yīng)用及放射性污染物大氣擴(kuò)散模擬的最新研究進(jìn)展基礎(chǔ)上，綜合利用地理信息系統(tǒng)與大氣傳輸模型分析相結(jié)合的方式，開(kāi)展了核應(yīng)急狀態(tài)下的污染物預(yù)測(cè)及分布情況分析及系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工作，主要取得了以下研究進(jìn)展：

(1)初步完成了對(duì)大氣擴(kuò)散模型的研究

對(duì)國(guó)際主流大氣擴(kuò)散模型的原理、分類(lèi)、計(jì)算過(guò)程進(jìn)行了深入研究，實(shí)現(xiàn)了核事故狀態(tài)下，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、可靠的模擬放射性污染物隨時(shí)間、空間的分布預(yù)測(cè)，有利于建立行之有效的定量放射性污染控制方案，為科學(xué)應(yīng)對(duì)核事故中污染物擴(kuò)散影響分析提供強(qiáng)有力的支撐。

(2)構(gòu)建了核應(yīng)急地理信息系統(tǒng)

建立了核應(yīng)急地理信息系統(tǒng)信息分類(lèi)與編碼體系，核應(yīng)急地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)核應(yīng)急管理需求，歸納總結(jié)出核應(yīng)急GIS主體功能框架，可以生動(dòng)的顯示地圖、方便的獲取數(shù)據(jù)，以及進(jìn)行決策所需的空間分析，能夠進(jìn)行地圖標(biāo)繪與全景化展示，信息量豐富、直觀(guān)，應(yīng)用前景良好。

(3)實(shí)現(xiàn)了GIS與HYSPLIT模型的集成

充分利用了GIS豐富的地圖展示與互操作能力和HYSPLIT強(qiáng)大的污染物傳輸模擬分析能力，進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，整合管理、分析、查詢(xún)、展示功能，為核應(yīng)急提供強(qiáng)大的分析工具。

(4)建立了準(zhǔn)確可靠的放射性污染物擴(kuò)散分析系統(tǒng)

完成了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、研制和實(shí)施工作，并以日本福島核事故為例，在核電站放射性物質(zhì)嚴(yán)重泄露情況下，進(jìn)行核污染擴(kuò)散的模擬與分析，并與已確認(rèn)的相關(guān)研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了本研究開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)在核應(yīng)急狀態(tài)下提供的決策依據(jù)是準(zhǔn)確可靠的。

4.2 展望

(1)利用GIS與大氣擴(kuò)散模型進(jìn)行放射性污染物擴(kuò)散分析可參考的先例和經(jīng)驗(yàn)不多，系統(tǒng)在功能擴(kuò)展、空間分析等方面仍存在一些值得改進(jìn)的地方，系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源仍需進(jìn)一步豐富。

(2)文中采用的HYSPLIT模型是大氣擴(kuò)散模擬的經(jīng)典模型，對(duì)大多數(shù)地形、氣象條件，模型都可以有效的模擬放射性污染物的擴(kuò)散，但任何模型都是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的簡(jiǎn)化，存在模型自身局限性。未來(lái)可繼續(xù)深入研究、比較不同大氣擴(kuò)散模型對(duì)放射性污染物擴(kuò)散模擬結(jié)果的差異，開(kāi)發(fā)針對(duì)不同核電站，更精確的核應(yīng)急放射性污染物擴(kuò)散分析系統(tǒng)。

[1] 任海平, 王天龍. 當(dāng)前我國(guó)國(guó)家安全形勢(shì)綜合評(píng)估及應(yīng)對(duì)[J]. 全球化, 2015(1):61-72.

[2] 王醒宇, 施仲齊. 國(guó)家核應(yīng)急管理信息系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)[J]. 核動(dòng)力工程, 2003(4): 387-390.

[3] 熊偉. 國(guó)家核應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)中地理信息子系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 北京：中國(guó)原子能科學(xué)研究院, 2006.

[4] 吳信才, 地理信息系統(tǒng)原理與方法(第二版)[M]. 電子工業(yè)出版社，2009.

[5] Guber A L, Best R G, Chatfield T A et al. A Geographic Information System for Radiological Emergency Response[R]. Prepared for the Department of Energy under Contract No, 1999.

[6] Connan O, Smith K, Organo C, et al. Comparison of RIMPUFF, HYSPLIT, ADMS atmospheric dispersion model outputs, using emergency response procedures, with 85Kr measurements made in the vicinity of nuclear reprocessing plant[J]. Journal of Environmental Radioactivity.2013, 124:266-277.

[7] 張兵, 放射性物質(zhì)大氣彌散仿真研究[D].黑龍江哈爾濱： 哈爾濱工程大學(xué), 2004.

[8] 崔慧玲, 姚仁太, 徐向軍. 放射性核素長(zhǎng)距離遷移模擬研究進(jìn)展[J]. 輻射防護(hù), 2012,32(4):204-247.

[9] 謝鵬, 侯祺棕, 黃曄瑩 .空氣污染擴(kuò)散模型與GIS應(yīng)用結(jié)合的探討[J]. 工業(yè)安全與環(huán)保, 2005(4):14-16.

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