GIS及大氣傳輸模型在核應急管理中的研究與系統實現

侯姍姍

(核工業計算機應用研究所， 北京 100048)

GIS及大氣傳輸模型在核應急管理中的研究與系統實現

侯姍姍

(核工業計算機應用研究所， 北京 100048)

在深入研究美國國家海洋和大氣管理局HYSPLIT大氣擴散模型的基礎上，采用.Net語言和ArcGIS Server，建成了一個集地理信息系統技術及大氣擴散模型于一體的放射性污染物擴散分析系統，實現了大氣擴散模型與地理信息系統的集成，并對地理信息系統與大氣擴散模型的結合、放射性污染物在大氣中的擴散模擬等關鍵技術進行了詳細闡述。系統可對突發性核事故應急響應提供實時、可靠、可視化的解決方案，并已成功應用到日本福島核電站核事故放射性137CS擴散模擬及模擬應急管理中，研究成果進而可推廣應用到我國新建核電站選址，輻射環境監測等領域，為鞏固和加強我國核應急管理體系，提供了先進的技術手段和可靠支撐。

地理信息系統 擴散模擬 核應急 放射性污染物

1 引言

核能作為解決能源危機、緩解環境問題、應對氣候變化最為現實的選擇，已成為各國能源發展戰略中的重要內容。截止到2013年底，我國共有17臺運行核電機組，總裝機容量1470萬千瓦，在建機組31臺，約占全球核電在建機組總數的40%[1]。按照我國核能發展規劃，到2020年，核電裝機容量將達到5800萬千瓦，在建容量達到3000萬千瓦以上，成為當今核能發展速度最快的國家。核安全是核能發展的生命線，核應急是核安全的最后一道防線，對保障核安全至關重要。核電的迅速發展，給我國的核應急管理工作帶來諸多新的問題和壓力，管理涉及面更廣、組織協調更加困難，對判斷決策的準確性和科學性要求也變的更高。利用大氣擴散模型開展放射性污染物在大氣中擴散過程的模擬，可以在發生核事故時，盡快確定核污染的影響范圍并采取應急措施，將危害和損失降至最低，對于加強我國核應急管理體系，提高應急決策的有效性和實時性尤為重要。

核應急管理是一項復雜的系統工程，利用計算機建立核應急管理系統作為輔助手段，在核電站或其他核設施發生意外核事故時，可有效提高應急響應能力，對減緩事故后果、保護公眾與環境，具有十分重要的作用。由于可能的核事故涉及洪水、地震、臺風、火災、化學及危險品等多個災害類型，涉及范圍在幾十甚至幾百公里內，需要了解該區域內放射性物質的濃度分布、地形、氣象、人口、交通、應急設施等信息，這些信息多與空間位置有關[2]。已經建立的國家核應急響應系統，雖然有地理信息系統模塊，但只有基本的地圖顯示、放大縮小或簡單的統計功能，并未和大氣傳輸模型相結合[3]，與發達國家在充分利用先進的信息管理手段和技術以輔助核應急決策，仍然存在較大差距。考慮近年來地理信息系統在應急監測中的應用發展，以及放射性污染物在大氣中擴散的危害性，本文以地理信息系統為支撐，開展放射性核素在大氣中的擴散模擬研究，并以日本福島核電站核事故為例，研究地理信息系統及大氣傳輸模型在核應急管理中的應用。

2 GIS及大氣擴散模型在核應急領域的現狀及應用

2.1 GIS在核應急領域現狀

地理信息系統(Geographic Information System，GIS)以地理空間數據庫為基礎，可以實現對空間數據的采集、存儲、分析、顯示和制圖[4]，應用貫穿應急準備、響應、終止和恢復等核應急管理的各個階段，并為核應急響應的分析與決策提供重要參考。因此，在各國開發的核應急管理系統中都應用了GIS技術，例如歐共體開發的RODOS系統，利用GIS顯示放射性物質的時空分布，美國輻射監測與評價中心開發的FASER系統，芬蘭開發的MEMbrain系統，通過GIS系統查詢核事故發生區域及其嚴重程度[5]。

2.2 大氣擴散模型建模與應用

大氣擴散模型根據氣象學原理，采用數學方法，對空氣污染物的擴散、輸送、清除及化學過程等進行模擬[6]。長期以來，一直用于分析大氣污染過程和污染物遷移規律，評價大氣污染程度，預測污染趨勢，輔助決策及事故應急等。按照模型復雜程度和應用尺度的不同，大氣擴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比較了各類大氣擴散模型的特性。

表1 大氣擴散模型特性比較

根據模型所屬類型及在放射性核素擴散中的應用，表2總結了常用大氣擴散模型的研發機構、模型類型及常見應用場景[8]。

表2 常用大氣擴散模型及在放射性核素擴散模擬中的應用

考慮核應急管理對模型穩定性和快速計算的要求，以及大氣擴散模型所需氣象數據的可獲得性和準確性，計算過程的復雜度及對放射性核素在大氣中的衰減及干濕沉積過程的計算，本研究選擇HYSPLIT模型用于系統中放射性物質大氣擴散模擬。

HYSPLIT模型是美國國家海洋和大氣管理局和澳大利亞氣象局聯合開發的一種用于計算和分析大氣污染物軌跡、擴散范圍的專業模型。迄今已經過20多年的發展，模型穩定，可處理多氣象數據輸入、多物理過程和不同類型污染物排放源的擴散和沉降過程，已廣泛應用于多種污染物在不同地區的傳輸和擴散研究。

3 系統設計與實現

3.1 系統框架設計

系統使用SOA架構，將不同數據資源以服務的形式進行發布，并進行綜合集成，總體技術架構如圖1所示。

應用支撐層主要包含基礎的GIS平臺軟件、數據庫管理軟件及相關的基礎支撐插件。

數據資源層包含基礎地理信息數據庫(包含基礎地理數據、遙感影像數據、地名數據、空間元數據等)、屬性數據庫(包含城市人口、城市GDP數據、重要機構數據等)、氣象數據庫(包含降水、風速、風向等)。

服務層由經過重新配置與切圖的WEBGIS服務引擎、基礎地理信息互操作服務、GIS空間緩沖區分析服務及HYSPLIT大氣傳輸模型組成。

系統應用層包括數據、圖層管理應用(包括圖層的控制編輯、地圖加載、遙感影像數據加載、用戶瀏覽器端地圖交互操作等功能)、擴散動態模擬(包括對HYSPLIT大氣傳輸模型進行參數配置錄入、核污染物擴散危險區域劃分、核污染物隨時間的擴散軌跡分析及濃度變化分析等功能)、查詢模塊(包括監測數據查詢、地圖圖形及屬數關聯查詢、公安、消費、學校、醫院等重要機構查詢及應急資源查詢等功能)、應急預案分析(包括核污染物影響范圍及影響經濟、人口的預測、核事故情況下救援路徑分析及群眾疏散模擬分析等功能)、系統管理(包括用戶管理、權限管理、數據庫日常維護及日志管理等)。

3.2 放射性污染物擴散模擬

對大氣污染物的擴撒模擬，都需要“輸入—模擬—輸出”三個步驟，HYSPLIT模型模擬流程為，輸入排放源類型、坐標時間等參數、再輸入NOAA氣象數據，用HYSPLIT模型進行模擬運算，輸出擴散軌跡及濃度變化預測。

3.2.1 模型輸入

作為大氣擴散模型的輸入，氣象數據的獲取對模擬結果有密切影響。大部分直接采集的氣象數據為點源采集，數據離散，周期不穩，大氣擴散模型無法直接使用。因此，需要對直接采集的氣象數據進行預處理，以符合大氣擴散模型的輸入要求。對HYSPLIT模型進行分析，發現模型所用氣象數據由美國國家海洋和大氣管理局提供，把全球氣象數據按照1°x1°的網格劃分，插值到正射投影的地圖上，時間間隔為6h，即記錄每日00,06,12,18時的風速U、風速水平分量V、高度Z、溫度T、氣壓P、地表氣壓P0及大氣垂直運動場信息。數據從2005年1月至今，每月更新。因為放射性污染物的擴散，還包括濕沉降過程，因此氣象數據還包括降雨數據。

3.2.2 放射性污染物擴散模擬過程

對放射性污染物擴散模擬主要是指對放射性物質在大氣中的抬升、沉降以及放射性核素自身衰變這一高度復雜、非線性的過程，通過模型簡化，突出最主要過程和關鍵因子，借助于數學公式來實現對這一過程的描述[7]。主要包括以下過程：

(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Λ(S-1)與降水強度(mm·h-1)成正比，

Λ=α·I

(4)

其中：α表示沖刷比例常數(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。

3.2.3 模型輸出

在美國國家海洋和大氣管理局網站上，分別下載安裝HYSPLIT軌跡模型和擴散模型。選擇軌跡模型，依次輸入氣象數據，事故發生位置，模擬時間，模擬高度，進行運算，可得到模擬地點放射性物質的擴散軌跡。選擇擴散模型，除輸入上述參數外，再依次選擇污染物類型，輸入釋放濃度、釋放速率，計算結束后，得到模擬物質的濃度分布。擴散軌跡和濃度分布輸出均為文本格式，通過專業制圖軟件或GIS可輸出圖形文件。

3.2.4 模型的驗證

對大氣擴散模型模擬結果的驗證，通常采用與放射性核素實際監測數據比較的方法。研究搜集了日本東京電力公司發布的福島核事故最終調查報告，將模型輸出結果與輻射實測數據進行比較，以判斷模型的準確性。

3.3 系統研制

系統主體界面使用Visual studio 2012系統,.Net語言進行開發，使用ArcGIS Server作為空間地圖服務系統，底圖采用天地圖的空間地圖服務及BingMap的遙感影像圖服務，在服務器端調用HYSPLIT函數與分析結果，并融合在瀏覽器端地圖上進行展示，數據庫使用SQL Server2008，主要存儲核應急物資儲備、核應急知識、核應急報送等信息。主要研制過程如下：

(1)主界面開發

系統主界面為使用.Net開發的網站，主要分為地圖控制模塊，主要實現與地圖的交互控制，對地圖進行標繪；歷史氣象數據查詢與顯示；調用HYSPLIT的參數設置與氣象軌跡分析結果展示；核污染影響范圍及應急路徑分析。

如圖2所示，左上角為地圖鷹眼視圖，中間展示地圖，由右側欄控制顯示矢量地圖(突出居民區、道路)，遙感影像及影像+部分標注圖。其中國內地區的矢量地圖調用國家測繪局天地圖地圖服務，遙感影像及影像+部分標準圖調用微軟Bing地圖服務。

下側為功能按鈕區，依次為核應急突發事件定位，影響范圍設定，影響分析(對人口、經濟影響等)，資源分析(分析周邊醫院、消防及核應急儲備中心分布情況)，路徑分析(事發地疏散路徑分析)，大氣模擬(調用HYSPLIT大氣模型進行核污染物擴散分析)。

(2)ArcGIS Server

ArcGIS Server是ESRI公司提供的專業地圖服務發布與管理系統，本系統使用ArcGIS Server對核應急相關的專題圖層進行發布與管理，并使用ArcGIS API for JavaScript在頁面端進行地圖的交互操作開發。

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

系統底圖使用由國家測繪局提供的天地圖地圖服務，該地圖包含了基礎的居民區、道路等公共設施地圖數據。

(3)與HYSPLIT模型的集成

目前，大氣擴散模型與地理信息系統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 大氣擴散模型與地理信息系統的集成方式

為了方便用戶在使用同一個操作系統時既分析污染物隨大氣傳輸的結果，使用地圖進行綜合展示與操作，同時考慮開發的難度，本研究采用緊密集成的方案，將HYSPLIT模型與地理信息系統集成在擴散分析系統，通過統一的用戶界面同時管理HYSPLIT模型與GIS的相關設置，并實現兩者的數據交互。

HYSPLIT是使用解釋執行腳本語言TCL(Tool Command Language)開發的，該語言可在各類操作系統上使用，本系統中首先將參數輸入到調用txt文件中，再使用cmd調用HYSPLIT工具中的hyts_std.exe進行模擬分析，最后將輸出到working目錄下的運算結果在網頁上進行展示。

3.4 系統應用驗證

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，西面環山。2011年3月11日，日本東部發生9級地震并引發海嘯，導致福島第一核電站，1、2、3、4號機組先后發生爆炸，大量放射性物質外泄，對公眾健康和環境造成嚴重影響。本文即以福島核事故為例，開展系統應用案例分析。

(1)數據采集：福島核電站廠區范圍內地圖；以福島為中心50km范圍的行政區劃、主干道路圖及醫院、消防、學校、監測站等重要應急資源信息；全球重要城市定位圖；全球1∶100000國家邊界圖等空間數據。

(2)放射性污染物擴散軌跡分析

設置氣象數據、模擬類型等軌跡模擬的必要參數，輸入日本福島第一核電站的經緯度信息，排放高度分別設置為距離核電站地面50m、500m、1000m模擬自2011年3月12日00時至17日00時，5天內三個高度137CS的擴散軌跡。

(3)137CS濃度變化分析

以放射性污染物137CS為例，釋放強度設置為0.14TBq/h(日本核安全委員會公布數據)，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時至17日00時，5天內放射性137CS的濃度變化，模擬結果如圖3所示。

東京電力公司發布的福島核事故最終調查報告中，關于放射性物質擴散情況的說明指出，事故發生之初，放射性物質隨西風向太平洋及北美洲擴散，但受白令海附近氣團影響，3月17-18日，近地面放射性物質逆時針移向俄羅斯東部，中國沿海地區事故期間放射性物質含量暫未發現異常的結果一致。由此與圖3進行比較，可知模型預測結果與核素實測數據基本一致，表明所選用的模型、參數假設基本合理，模型能夠較好的模擬福島核事故發生期間，放射性物質擴散及變化情況。

(4)生成應急預案

從大氣傳輸模擬結果分析得出，福島核電站事故發生后短期內，污染物擴散主要向東偏北方向轉移，結合GIS地圖用紅、黃、藍依次分別表示受危害程度概率由大到小。

通過進行周邊人口統計查詢與重點保護場所查詢，僅距離福島核電站20km范圍內就有兩個大型社區，并有學校、醫院等人口相對密集的公共場所亟需及時轉移。

從HYSPLIT模擬結果得出，放射性物質以往東往北擴散為主，規劃撤離路徑規劃時，受影響的不同區域可分多條路徑撤離。同時福島核電站西部地區雖然有山隔離，且預測遭受核污染物污染概率較小，但西面人口密集的城市應當做好防范措施。

同時陸上救援力量通過公路從西北部、西部、南部向福島核電站周邊綠色區域集結救援，海上救援從東部海域直接進入廠區進行救援(圖4)。

4 結論與展望

4.1 結論

大氣擴散模型作為放射性污染物擴散模擬必不可少的工具和手段，由于專業性較強，在我國核應急管理的應用仍存在較大的提高空間。本研究在廣泛吸收國內外地理信息系統在核應急中的應用及放射性污染物大氣擴散模擬的最新研究進展基礎上，綜合利用地理信息系統與大氣傳輸模型分析相結合的方式，開展了核應急狀態下的污染物預測及分布情況分析及系統開發工作，主要取得了以下研究進展：

(1)初步完成了對大氣擴散模型的研究

對國際主流大氣擴散模型的原理、分類、計算過程進行了深入研究，實現了核事故狀態下，實時、準確、可靠的模擬放射性污染物隨時間、空間的分布預測，有利于建立行之有效的定量放射性污染控制方案，為科學應對核事故中污染物擴散影響分析提供強有力的支撐。

(2)構建了核應急地理信息系統

建立了核應急地理信息系統信息分類與編碼體系，核應急地理信息數據庫，根據核應急管理需求，歸納總結出核應急GIS主體功能框架，可以生動的顯示地圖、方便的獲取數據，以及進行決策所需的空間分析，能夠進行地圖標繪與全景化展示，信息量豐富、直觀，應用前景良好。

(3)實現了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強大的污染物傳輸模擬分析能力，進行優勢互補，整合管理、分析、查詢、展示功能，為核應急提供強大的分析工具。

(4)建立了準確可靠的放射性污染物擴散分析系統

完成了系統總體設計、研制和實施工作，并以日本福島核事故為例，在核電站放射性物質嚴重泄露情況下，進行核污染擴散的模擬與分析，并與已確認的相關研究結果進行對比分析，驗證了本研究開發的系統在核應急狀態下提供的決策依據是準確可靠的。

4.2 展望

(1)利用GIS與大氣擴散模型進行放射性污染物擴散分析可參考的先例和經驗不多，系統在功能擴展、空間分析等方面仍存在一些值得改進的地方，系統數據資源仍需進一步豐富。

(2)文中采用的HYSPLIT模型是大氣擴散模擬的經典模型，對大多數地形、氣象條件，模型都可以有效的模擬放射性污染物的擴散，但任何模型都是對現實世界的簡化，存在模型自身局限性。未來可繼續深入研究、比較不同大氣擴散模型對放射性污染物擴散模擬結果的差異，開發針對不同核電站，更精確的核應急放射性污染物擴散分析系統。

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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