東部區(qū)域核事故核素大氣擴(kuò)散特征研究

郭瑞萍, 王瑞英, 岳峰, 李雯婷, 郜建偉

(生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心, 北京 102401)

核電廠事故時(shí)放射性核素通過大氣環(huán)境釋放到環(huán)境中[1],排放到環(huán)境中的放射性核素在風(fēng)和大氣湍流作用下不斷輸送和擴(kuò)散,在短期內(nèi)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生大范圍的影響[2],氣態(tài)污染物在大氣中的擴(kuò)散狀態(tài)取決于風(fēng)向、風(fēng)速、大氣湍流、氣溫的垂直梯度、大氣熱力學(xué)穩(wěn)定度等氣象條件和以及事故周圍地區(qū)的地形條件[3];分析核事故情況下氣載放射性核素對(duì)周圍環(huán)境造成的輻射影響是開展核電廠環(huán)境影響評(píng)價(jià)、安全分析、輻射防護(hù)、核事故應(yīng)急響應(yīng)等工作的重要基礎(chǔ)[4]。

核事故發(fā)生后,通過分析放射性核素的擴(kuò)散特征來評(píng)估放射性核素可能造成的輻射后果影響,研究放射性核素大氣擴(kuò)散的基本方法有:大氣示蹤實(shí)驗(yàn)、風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)、數(shù)學(xué)模型方法以及計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics ,CFD)[5-6]。數(shù)學(xué)模型方法具有較大優(yōu)勢(shì),基于數(shù)學(xué)模型方法建立的大氣擴(kuò)散模式可實(shí)現(xiàn)快速評(píng)價(jià)核事故可能造成的輻射影響,常見的大氣擴(kuò)散模型有高斯模型、拉格朗日模型以及歐拉模型[7],不同大氣擴(kuò)散模型具有其優(yōu)勢(shì),適用于不同的模擬尺度,如高斯煙團(tuán)大氣擴(kuò)散模型CALPUFF[8]、混合單粒子拉格朗日積分軌跡模式HYSPLIT[9]、隨機(jī)游走粒子-煙團(tuán)模式(random-walk particle-puff model,RPPM)[10]、拉格朗日-歐拉耦合模型[7]等。其中高斯大氣擴(kuò)散模式因具有計(jì)算方法簡(jiǎn)便快捷,被廣泛用于核事故大氣污染物的輸送擴(kuò)散計(jì)算中,如高斯大氣煙羽模式(AMS/EPA regulatory model,AERMOD)、大氣擴(kuò)散模式(atomspheric diffusion modeling,ADMS)、健康物理模型(health physics codes,HotSpot)和德國(guó)的高斯煙團(tuán)擴(kuò)散模型ATSTEP等[11]。在核電廠事故應(yīng)急系統(tǒng)建立過程中,系統(tǒng)研究核電廠周圍區(qū)域性大氣流動(dòng)的背景情況、污染物擴(kuò)散情況至關(guān)重要,可應(yīng)用中尺度氣象模式研究當(dāng)?shù)卮髿饬鲃?dòng)[12],并結(jié)合大氣擴(kuò)散模式分析大氣流動(dòng)和氣載污染物中尺度擴(kuò)散。胡嘯峰等[13-14]基于中尺度氣象模式WRF(weather research forecasting model)實(shí)現(xiàn)了對(duì)放射性物質(zhì)大氣擴(kuò)散模擬的環(huán)境輻射劑量的實(shí)時(shí)估算,并基于WRF模式研究了不同氣象條件下“臟彈”恐怖襲擊時(shí)污染物分布特征。黃昕等[15]建立的突發(fā)性大氣環(huán)境污染事件應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng),該系統(tǒng)包括WRF模式、風(fēng)場(chǎng)診斷模式CALMET和高斯煙團(tuán)擴(kuò)散模式CALPUFF,并用此系統(tǒng)模擬了2011年3月日本福島核事故,系統(tǒng)可以精確模擬事故濃度場(chǎng)變化。沈越等[16]通過整合WRF模式、HYSPLIT、ArcGIS等系統(tǒng)構(gòu)建了核污染擴(kuò)散單一合成圖系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)核污染應(yīng)急處置的制信息權(quán)。

不同地區(qū)廠址條件差異造成事故輻射后果存在明顯差異。選擇中國(guó)東部沿海區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象,基于區(qū)域氣象場(chǎng)開展中國(guó)東部區(qū)域尺度核電廠事故時(shí)放射性核素大氣擴(kuò)散特征模擬研究,建立區(qū)域尺度放射性核素大氣擴(kuò)散計(jì)算方法,確定中國(guó)東部區(qū)域尺度和核電廠周邊尺度放射性核素大氣擴(kuò)散空間分布特征,將為中國(guó)東部區(qū)域核電廠大氣環(huán)境影響評(píng)價(jià)和核事故后果評(píng)價(jià)提供技術(shù)參考。

1 計(jì)算方法和模型

WRF模型是美國(guó)研發(fā)的中尺度天氣預(yù)報(bào)模式,包括預(yù)處理系統(tǒng)、同化系統(tǒng)、動(dòng)力內(nèi)核以及后處理4個(gè)部分。可用于業(yè)務(wù)數(shù)值天氣預(yù)報(bào),也可用于大氣數(shù)值模擬研究,包括數(shù)據(jù)同化研究、物理過程參數(shù)化研究、區(qū)域氣候模擬、空氣質(zhì)量模擬、海氣耦合以及理想實(shí)驗(yàn)?zāi)M等。WRF模式通過設(shè)置模擬區(qū)域,利用氣象再分析數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng),生成研究區(qū)域所需的風(fēng)速、風(fēng)向和大氣穩(wěn)定度等氣象要素。

大氣彌散因子(atmosphere diffusion factor,ADF)是評(píng)價(jià)廠址核事故時(shí)放射性核素大氣擴(kuò)散能力的重要指標(biāo),核電廠事故大氣彌散因子采用高斯大氣擴(kuò)散模式進(jìn)行計(jì)算[式(1)],利用風(fēng)速、風(fēng)向、大氣穩(wěn)定度等氣象要素,分別計(jì)算0～2、2～8、8～24、24～96、96～720 h不同時(shí)段的事故大氣彌散因子。

(1)

(2)

2 計(jì)算參數(shù)

WRF模式中設(shè)置的中國(guó)東部區(qū)域的模擬范圍為17°52′44″N～41°47′27″N,105°38′52″E～128°21′3″E,模擬區(qū)域中心點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)為30°N,117°E,網(wǎng)格分辨率為東西向40個(gè)網(wǎng)格,南北向54個(gè)網(wǎng)格,每個(gè)網(wǎng)格的格距為50 km(圖1),計(jì)算網(wǎng)格共計(jì)2 160 個(gè)。選擇再分析氣象數(shù)據(jù)(final reanalysis data,FNL )驅(qū)動(dòng)WRF模式,FNL數(shù)據(jù)是由美國(guó)氣象環(huán)境預(yù)報(bào)中心和美國(guó)國(guó)家大氣研究中心制作的全球氣象再分析數(shù)據(jù),網(wǎng)格分辨率為1°×1°,FNL數(shù)據(jù)的模擬時(shí)間為2015年1月1日—12月31日。利用WRF模式模擬東部區(qū)域的氣象場(chǎng),氣象場(chǎng)范圍覆蓋防城港、昌江、陽江、臺(tái)山、大亞灣、福清、田灣、寧德、秦山、海陽、紅沿河、三門12個(gè)核電廠(圖1)。利用研究區(qū)域每個(gè)網(wǎng)格模擬獲得的氣象要素場(chǎng)進(jìn)行區(qū)域尺度每個(gè)網(wǎng)格事故時(shí)大氣擴(kuò)散模擬計(jì)算得到區(qū)域大氣彌散因子。針對(duì)12個(gè)核電廠所在的網(wǎng)格開展核電廠周邊尺度大氣彌散因子計(jì)算,得到核電廠大氣彌散因子。

圖1 模式計(jì)算網(wǎng)格及核電廠點(diǎn)位分布Fig.1 Model calculation grid and nuclear power plant point distribution

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 氣象場(chǎng)特征

核事故情景下放射性核素的擴(kuò)散特征與核電廠所在區(qū)域氣象場(chǎng)分布密切相關(guān)。不同核電廠受廠址特征和氣候條件影響,其氣象場(chǎng)特征存在顯著差異。圖2給出紅沿河核電廠、三門核電廠和陽江核電廠在大氣穩(wěn)定度D條件下的風(fēng)速風(fēng)向發(fā)生頻率。可以看出,紅沿河SW風(fēng)向的發(fā)生頻率(12.0%)最高,三門NNE風(fēng)向的發(fā)生頻率(13.9%)最高,陽江NNE風(fēng)向的發(fā)生頻率(15.4%)最高。其他核電廠如防城港NNE風(fēng)向的發(fā)生頻率(11.7%)最高,昌江S風(fēng)向的發(fā)生頻率(7.7%)最高,臺(tái)山S風(fēng)向的發(fā)生頻率(12.1%)最高,大亞灣SSW風(fēng)向的發(fā)生頻率(10.2%)最高,福清SSW風(fēng)向的發(fā)生頻率(12.6%)最高,田灣S風(fēng)向的發(fā)生頻率(12.1%)最高,寧德NNE風(fēng)向的發(fā)生頻率(14.3%)最高,秦山ESE風(fēng)向的發(fā)生頻率(6.9%)最高,海陽SSW風(fēng)向的發(fā)生頻率(9.2%)最高。

圖2 3個(gè)核電廠風(fēng)速風(fēng)向發(fā)生頻率Fig.2 Frequency of wind speed and direction occurrence in three nuclear power plants

3.2 區(qū)域大氣彌散因子

區(qū)域大氣彌散因子可以綜合反映出東部區(qū)域放射性核素的大氣擴(kuò)散能力和空間分布特征。圖3中給出了區(qū)域每個(gè)計(jì)算網(wǎng)格中心點(diǎn)周邊500 m處0～2、2～8、8～24、24～96、96～720 h以及年平均的大氣彌散因子空間分布。0～2、2～8、8～24、24～96、96～720 h以及年平均大氣彌散因子的變化范圍依次為6.00×10-5～1.54×10-3、4.20×10-5～7.90×10-4、2.80×10-5～4.34×10-4、1.60×10-5～2.10×10-4、7.20×10-6～8.30×10-5、2.20×10-6～2.67×10-5s/m3。不同時(shí)段大氣彌散因子的高值區(qū)域均主要分布在計(jì)算區(qū)域的西部和東北部,不同時(shí)段0～2、2～8、8～24、24～96、96～720 h的區(qū)域平均大氣彌散因子分別為2.3×10-4、1.36×10-4、8.61×10-4、4.37×10-5、1.71×10-5和5.58×10-6s/m3。

圖3 區(qū)域計(jì)算網(wǎng)格中心點(diǎn)500 m處不同時(shí)間段大氣彌散因子(ADF)分布Fig.3 Distribution of atmospheric diffusion factors(ADF)at different time periods at 500 m from the center point of the regional computing grid

圖4中給出了每個(gè)區(qū)域計(jì)算網(wǎng)格中心點(diǎn)周邊5 000 m處0～2、2～8、8～24、24～96、96～720 h以及年平均的大氣彌散因子空間分布圖。不同時(shí)間段0～2、2～8、8～24、24～96、96～720 h以及年平均大氣彌散因子的變化范圍依次為1.00×10-6～2.81×10-4、1.20×10-6～7.36×10-5、8.00×10-7～3.32×10-5、5.00×10-7～1.07×10-5、2.10×10-7～3.30×10-6、1.00×10-8～7.98×10-7s/m3。不同時(shí)段2～8、8～24、24～96、96～720 h大氣彌散因子的高值區(qū)域均主要分布在計(jì)算區(qū)域的西部和東北部,但0～2 h的大氣彌散因子分布沒有明顯的高值區(qū)域。不同時(shí)段0～2、2～8、8～24、24～96、96～720 h的區(qū)域平均大氣彌散因子分別為1.57×10-5、8.26×10-6、4.73×10-6、2.07×10-6、6.56×10-7s/m3。

圖4 區(qū)域計(jì)算網(wǎng)格中心點(diǎn)5 000 m處不同時(shí)間段大氣彌散因子(ADF)分布Fig.4 Distribution of atmospheric diffusion factors (ADF) at different time periods at 5 000 m from the center point of the regional computing grid

3.3 核電廠大氣彌散因子

圖5～圖7分別給出了紅沿河、三門和陽江不同核電廠距離網(wǎng)格中心點(diǎn)500 m和5 000 m處0～2 h大氣彌散因子隨方位的分布特征,由圖可知,紅沿河核電廠500 m和5 000 m處大氣彌散因子變化范圍分別為3.56×10-6～1.97×10-4s/m3和1.21×10-7～1.32×10-5s/m3;三門核電廠500 m和5 000 m處大氣彌散因子變化范圍分別為1.72×10-6～1.97×10-4s/m3和5.95×10-8～1.31×10-5s/m3;陽江核電廠500 m和5 000 m處大氣彌散因子變化范圍分別為1.36×10-6～1.25×10-4s/m3和2.56×10-8～6.97×10-6s/m3。

圖5 紅沿河核電廠區(qū)域中心點(diǎn)500 m和5 000 m處 不同時(shí)段大氣彌散因子分布Fig.5 Distribution of atmospheric diffusion factors at different time periods at 500 m and 5 000 m of the regional center of Hongyanhe Nuclear Power Plant

圖6 三門核電廠區(qū)域中心點(diǎn)500 m和5 000 m處 不同時(shí)段大氣彌散因子分布Fig.6 Distribution of atmospheric diffusion factors at different time periods at 500 m and 5 000 m of the regional center of Sanmen Nuclear Power Plant

圖7 陽江核電廠區(qū)域中心點(diǎn)500 m和5 000 m處 不同時(shí)段大氣彌散因子分布圖Fig.7 Distribution of atmospheric diffusion factors at different time periods at 500 m and 5 000 m of the regional center of Yangjiang Nuclear Power Plant

其他核電廠如防城港核電廠500 m和5 000 m處大氣彌散因子變化范圍分別為1.79×10-6～2.25×10-4s/m3和4.85×10-8～1.24×10-5s/m3,昌江核電廠500 m和5 000 m處大氣彌散因子變化范圍分別為4.23×10-6～3.00×10-4s/m3和8.86×10-8～1.79×10-5s/m3,臺(tái)山核電廠500 m和5 000 m處大氣彌散因子變化范圍分別為0～1.39×10-4s/m3和0～8.08×10-6s/m3,大亞灣核電廠500 m和5 000 m處大氣彌散因子變化范圍分別為0～1.69×10-4s/m3和0～1.03×10-5s/m3,福清核電廠500 m和5 000 m處大氣彌散因子變化范圍分別為1.75×10-6～2.37×10-4s/m3和4.51×10-8～1.43×10-5s/m3,田灣核電廠500 m和5 000 m處大氣彌散因子變化范圍分別為7.78×10-6～2.46×10-4s/m3和2.82×10-7～1.70×10-5s/m3,寧德核電廠500 m和5 000 m處大氣彌散因子變化范圍分別為3.26×10-6～2.01×10-4s/m3和1.02×10-7～1.23×10-5s/m3,秦山核電廠500 m和5 000 m處大氣彌散因子變化范圍分別為5.24×10-6～2.34×10-4s/m3和2.12×10-7～1.16×10-4s/m3,海陽核電廠500 m和5 000 m處大氣彌散因子變化范圍分別為4.43×10-6～1.52×10-4s/m3和1.35×10-7～9.68×10-6s/m3。

不同核電廠距離中心點(diǎn)500 m處0～2 h大氣彌散因子平均值變化范圍在10-5～10-4s/m3量級(jí),如防城港核電廠為1.43×10-4s/m3,昌江核電廠為1.66×10-4s/m3,陽江核電廠為7.27×10-5s/m3,臺(tái)山核電廠為8.22×10-5s/m3,大亞灣核電廠為1.06×10-4s/m3,福清核電廠為1.16×10-4s/m3,田灣核電廠為1.85×10-4s/m3,寧德核電廠為1.39×10-4s/m3,秦山核電廠為1.66×10-4s/m3,海陽核電廠為1.12×10-4s/m3,紅沿河核電廠為1.27×10-4s/m3,三門核電廠為1.26×10-4s/m3。

不同核電廠距離中心點(diǎn)5 000 m處0～2 h大氣彌散因子平均值變化范圍在10-6～10-5s/m3量級(jí),如防城港核電廠為6.88×10-6s/m3,昌江核電廠為8.24×10-6s/m3,陽江核電廠為2.81×10-6s/m3,臺(tái)山核電廠為3.81×10-6s/m3,大亞灣核電廠為5.86×10-6s/m3,福清核電廠為6.29×10-6s/m3,田灣核電廠為1.21×10-5s/m3,寧德核電廠為8.00×10-6s/m3,秦山核電廠為1.74×10-5s/m3,海陽核電廠為6.40×10-6s/m3,紅沿河核電廠為7.78×10-6s/m3,三門核電廠為8.17×10-6s/m3。

4 結(jié)論

以中國(guó)東部區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)域,利用WRF氣象預(yù)報(bào)模式和高斯大氣擴(kuò)散模式分析了東部區(qū)域范圍和不同核電廠廠址的事故大氣彌散因子分布特征,得出如下主要結(jié)論。

(1)在中性穩(wěn)定度下,各核電廠的主導(dǎo)風(fēng)向發(fā)生頻率從高到低依次為陽江>寧德>三門>福清>田灣>臺(tái)山>紅沿河>防城港>大亞灣>海陽>昌江>秦山,主導(dǎo)風(fēng)向依次為NNE、NNE、SSW、S、S、 SW、NNE、SSW、SSW、 S、 ESE。

(2)東部區(qū)域計(jì)算網(wǎng)格中心點(diǎn)周邊500 m和5 000 m處大氣彌散因子的最大值均出現(xiàn)在0～2 h時(shí)段,最大值分別為1.54×10-3s/m3和2.81×10-4s/m3;最大值主要出現(xiàn)在計(jì)算區(qū)域的西部地區(qū)。

(3)不同核電廠距離中心點(diǎn)500 m處0～2 h大氣彌散因子最大值從高到低依次為:昌江>田灣>福清>秦山>防城港>寧德>紅沿河、三門>大亞灣>海陽>臺(tái)山>陽江;距離中心點(diǎn)5 000 m處0～2 h大氣彌散因子最大值:秦山>昌江>田灣>福清>紅沿河>三門>防城港>寧德>大亞灣>海陽>臺(tái)山>陽江。

(4)不同核電廠距離區(qū)域中心點(diǎn)500 m處的大氣彌散因子最大值在10-4s/m3量級(jí),距離區(qū)域中心點(diǎn)5 000 m處的大氣彌散因子最大值在10-6～10-4s/m3量級(jí)。對(duì)同一核電廠而言,其500 m和5 000 m處的大氣彌散因子最大值相差約一個(gè)量級(jí)。