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放射性烟云大尺度大气扩散模拟系统の研究

归档日期:06-12       文本归类:放射性烟云      文章编辑:爱尚语录

  放射性烟蚕大尺度大气扩越模拟能力的提高是目前核事故后果评价研究的热点课题。本文描述了放射性核素在大气中迁移和扩散过程 的模式与参数,以及放射性核素释放所致的个人有效剂量估算模型。 该模型是基于已有的经验以及我们所能获取的气象数据,采用一系列 拉格朗日烟团来模拟放射性核素在大气中的迁移扩散过程,并考虑了 放射性核素物理衰变及干湿沉积的影响,通过跟踪这些烟团同时考虑 每个烟团的扩散来达到模拟目的。 在微机wjn95环境下,采用vi蚰a1Basic4.O,以面向对象的程序设计 方法,实现了放射性烟云大尺度大气扩散模拟系统.该模拟系统具有 动态信息显示和中断或继续作业的功能:采用经纬度网格模型估算和 报告烟团迁移轨迹、地面空气浓度、个人有效剂量,实现了模拟区域 的缩放功能;以图形的方式显示和打印烟团轨迹、浓度和剂量等值线 分布图以及关心点信息。f初步使用表明,本系统对一般场景(放射性 释放次数:4次,模拟时间:3天)的处理时间三30分钟,可以用来评 估气载放射性释放的区域性或国家性的后果影响./ 关键词:核事影大尺度,大气,迁移,扩散,模拟 ABSTRACT At present,the study lon哥rallgen锄sport anddifjmsionofradioactivecloudsin annosphereisa hot toplc m咖clearaccident consequenceassessment.The DaDer presented memodelandits parameters long.raIlgetransporta11d击筋sionofradioactive cloudsasweHasmeInodel evahlatingiIldividllal efrective doses仔omradioactiveclouds. Simula石onof long-rallge仃孤sport arlddjmlSion.ofradioactive cloudsis basedonme previousexperiences andacKevable meteoroIo百caldata,uses as砸esof totfaceme仃ajectory of幽ese a11dtakesintoaccounttheprocesses dif}hsionofe8chpuff andd瓷ctsofradioac6ve decay,dIy 、Vetd印osition ofradioImclicles. The system personalcomputer、vit王l VisualBasic4.O lar培ua窒|e mlderWiIl95 operationsvstem.The processes ofsimuIationcanbeshown iIl dynarnicmode,canceled orcon恤ued.The system es缸ates me仃a{ectory pb,airconcen妞札ion at汀oulldalld曲di、,idual effective dose wi出 lon每tIJde-latitude鲥止realizedp弧to野aph pufrS,t11eiso-pletll distribution汀aph concen扛ationanddosesaswellast11etjIblesforconcemedDoilltscan be乎apllicaIlydisplayed printed.PTel咖jrlary印plicationsbowst11atit takeslessman30m洒utetonmasiInulation genericsc衄撕o(radioactiverelease:4 tinles,siInuIation period: applicabletoevaiuate re西。芏1ai ornational consequence atm-0sphericfelease radionuclides仃omnuclearf配ilities. KEYWORDS:Nuclear Accident,Long-删呜e,At010sphere, Transpon,Diffusio玛Sim试adon 太原理工太学硕士学位论文 第一章引言 1.1课题背景 人类一直受到自然灾害,例如地震、火山爆发、洪水和暴风雨的 损害.工业革命又带来了人为灾难的威胁,如资源的浪费和环境的污 染。随着科学技术的发展,核能作为一种清洁、安全的能源越来越受 到人们的青睐,利用越来越广泛.但是在人类的任何实践活动中,都 存在着发生意外事件和事故的可能性,因此有必要做好核事故应急的 计划和准备,以尽可能把危害降低到实际可做到的最低水平。 核电发展的历史已经证明,核电站的安全记录是良好的,但现代 科学技术还不能绝对排除严重事故发生的可能性。 1986年4月26日1时23分,前苏联切尔诺贝利核电站第四号堆发生 了核电史上对环境影响最大的一次堆芯熔化事故。这次事件使大量放 射性物质从堆芯释放到环境中,就地的放射性沉降量相当于堆芯累积 的总活度的0.3~o.5%,20公里以内的数值为1.s~2%,20公里以外的 数值为1~1.5%.放射性烟云分三个方向漂移:西北路由前苏联西部于 27日到达芬兰、瑞典;西路于4月29~309至波兰、民主德国、匈牙利、 奥地利、南斯拉夫、联邦德国及意大利北部;南路于5月l一3日抵罗马 尼亚、保加利亚、希腊北部.此外,烟云亦于5月3“6日相继抵日本、 中国、印度、加拿大和美国【I邡l。 切尔诺贝利核事故的发生,给人们上了深刻的一课,使前苏联及 受到影响的国家蒙受了程度不同的经济损失,提供了一次检验人们在 核事故发生时的应急能力的机会.人们在汲取事故教训的同时,总结 出许多宝贵的经验,认识到要做到及时干预,有必要增强事故应急响 应的能力,尤其是放射性烟云的大尺度大气扩散模拟能力的提高一度 成为研究的热点。 大尺度大气扩散模拟是指从几百公里到几千公里范围的气载流出 物释放的迁移扩散计算,计算结果可以用来评估气载放射性释 放的区域性或国家性的后果影响。为了探索大尺度大气扩散模拟的改 进方法,国际原子能机构(心)和世界气象组织(WMO)从1989 年开始利用切尔诺贝利核事故后的监测数据进行了一次大尺度大气扩 散模型模拟及其结果比对分析的练习,参加练习比对的有来自十几个 国家的十几个模型,这些模型利用切尔诺贝利核事故的源项和分析的实测气象资料及预测的气象资料对欧洲的一些地点的”1I和”7cs的近 地面空气浓度和地面沉积浓度进行计算,然后与实测值进行比对统计 分析。该项练习提供了许多富有价值的结谢4^6,7|8’110,“l,其主要的部分 可概括如下: (1)欧拉方式和拉格朗日方式模拟的方法之间并不产生明显的差 (2)模式的模拟质量明显地依赖于所输入的气象数据,当利用天气预报的资料做输入时,模式性能明显变差; (3)混合层的精确描述可使模式的模拟能力改进。 我国目前还未见到关于开展这项工作的报道.为防患于未然,根 据我国的具体情况,开发放射性烟云大尺度大气扩散模拟系统(简称 大尺度大气扩散模拟系统J,用来评估气载放射性释放的区域 性或国家性的后果影响,是一项非常有意义的工作. 1.2大尺度大气扩散模拟系统的主要用途 为了在发生核事故时,能够有效地保护公众、保护环境,最大限 度地减少损失,必须及时作出应急辐射评价和应急决策.应急响应的 有效性与干预时间的选择密切有关.如果在任何放射性释放到环境之 前,或任何放射性到达某给定位置或区域之前,预防措施(或干预行 动)能够充分实施,则能实现完全避免剂量.在所有情况下,启动和 实施干预的速度,通常是确保减轻事故后果有效性的最重要的因素. 要做到及时干预,必须加强事故评价工作,因为事故后果评价是干预 的依据,事故发生后,确切地描述放射性烟云特征(预测烟云的轨迹 和散布)和进行剂量预测(烟云造成的辐射后果的范围和程度)是迫 在眉睫的应急工作””. 大尺度大气扩散模拟系统主要用于在事故情况下,根据当 时的气象条件,当地的地理条件,的释放源项,释放核素的参 数,对气载流出物中放射性核素从几百公里到几千公里范围的迁移扩 散进行模拟计算,给出放射性烟团迁移轨迹、地面空气浓度分布、个 人剂量分布和关心点信息,用以评估气载放射性释放所致的区 域性或国家性的后果影响,为事故应急决策提供参考依据。 3大尺度大气扩散模拟系统研究内容大尺度大气扩散模拟系统研究工作的主要内容有: (1)大尺度大气扩散模型 给出了模拟放射性核素在大气中的迁移和扩散过程的模式和参 数,其中考虑了放射性核素物理衰变及千湿沉积的影响过程,并描述 了放射性核索释放所致的个人有效剂量估算模型。 (2)大尺度大气扩散模拟系统分析 分析了模拟系统的需求,给出了系统设计原则及系统设计方案。 (3)大尺度大气扩散模拟系统的实现 重点介绍了模拟系统中用到的主要算法及模拟实现方法,叙述了 系统程序各个主要部分的设计方法,并给出部分模拟结果实例。 太原理工大学硕士学位论文第二章大尺度大气扩散模型 本章基于国际上已有的经验以及我们所能获取的气象数据,提供 一个大尺度大气扩散模拟模型.该模型采用拉格朗日烟团来模拟放射 性核素在大气中的迁移扩散,即假定排放的放射性核素由一系列排放 的烟团所包含,跟踪这些烟团同时考虑每个烟团的扩散来达到模拟目 的3。405’“o”。烟团的迁移轨迹取决于风场,即每一时刻的风向决定烟 团的迁移方向,风速决定烟团在此方向上行走的距离.烟团的扩散取 决于大气湍流场,湍流场的交换和混合过程使得烟团中污染物的稀释 和扩散加快,扩散的速率是烟团迁移的时间和距离的函数,即和气象 条件的时空变化密切相关.该模型还对物理衰变、千沉积和降水冲洗 过程进行模拟,同时采用一个简单的混合层演变模型来得到每小时的 混合层高度.此外,对放射性核素释放的空气浸没照射、地面沉积照 射以及吸入内照射所致的个人有效剂量也进行了估算. 本系统是通过对风场、浓度场和剂量场分布的计算来实现大尺度 大气扩散模拟任务的. 2.1烟团的轨迹 烟圃的轨迹是由风场确定的.本模型对风场的描述采用两层模型 118】,一层是混合层,另一层是混合层上方的稳定层.假定在稳定层中 风速是不随高度而变化的,其风速取地转风.地转风可由地面天气图 上的等压线分布计算,计算公式如下: 其中,p为空气密度,g/m3;f为科里奥利参数,(u禹Vg)为地转风的东西和南北分量,m,s;P为压力,bPa. 在混合层内(z墨Hm),风速廓线由下式给定: 式中,u(z)为z高度处的风速,m,s;G为地转风速,蒯s.H。.。为混合层高度,m;q为风廓线指数.q的取值应使上式满足lo m处的风速, lom处的风速由各气象站的常规观测提供。 本模型中烟团的迁移由烟团中心位置随时间变化所形成的轨迹来 模拟. 每一步长烟团运行的平均速度为: dz。‘…^。。x一.12。i。 其中,hm。和hllIi。是描述污染物在烟团中分布的最低和最高高度,m。实 用中,通常取烟团释放的有效高度风处的风速来近似表示u。 每一步长烟团运行的平均风向假定由烟团中心高舰处的风向来 确定,即: a,。+j;::三等(口。一口-。)其中, a为平均风向;仅10为地面风向;0【G为地转风风向。 2.2烟团的扩散 2.2 1垂直扩散 烟团的扩散继续使用两层模型来考虑【18J.假定放射性核素最初被 释放到混合层内,由于尾流和抬升作用而使其分布于砧和啊高度的范围 之内.抬升高度按BIiggs公式计算,得到有效高度见后,考虑尾流影 响得到: 其中,风为烟团的有效释放高度,m;风。。为混合层高度,m;A为建筑物迎风截面,m2。 然后在气象数据不更新的情况下,混合层高度设为定值,烟团的 垂直扩散将被限制在地面和混合层顶之间,扩散参数眈可用来描述这 种扩散程度,睨可由Pas叫曲线给出,于是任何时刻烟团在垂直方向 的分布范围为: 太原理工大学硕士学位论文随着气象数据的更新,大气稳定度和混合层高度都要作相应的变 化.根据大气稳定度和混合层高度的变化,相应地采用虚源方法确定 此外,还应考虑眈大于混合层高度的情形。在混合层之上,放射 性核素的量值是以100m厚度分层来记录的。设QN+(t)为t时刻在混 合层内的核素量,QN(t,m)是混合层上部(m—1)h到mAh高 度层内的放射性核素量,其中h取100m-假设开始时刻t。的混合 层高度为H出(t。),第二时段的混合层高度为}ki)【(t: ),则应按混合 层是加厚还是变薄两种情况分别对待: (1)若}k。(t:)>Ikk(t1),并且放射性核素在混合层上有一 定的量,则此部分应有一定的份额会重新进入混合层,此时有: Q(f2,m)=【Q(f1,小)(1一r。)】exp【一五矿(f2一f1)】其中,t。为第m稳定层中的放射性核素进入混合层的份额,h’为有效 耗减率,这是为考虑物理衰变、干沉积和湿沉积的影响而引入的,九 为稳定层中的有效耗减率,只考虑物理衰变和冲洗的影响. (2)若}k。(t:)<风m(t1),则混合层中的放射性核素会被隔 离出来,这样隔离出来进入稳定层中的放射性含量为每米厚度含有Qw+ (t,)/(h。一h1),其中h。和hl为tl时刻放射性在混合层中分布的高度范 围.由此混合层上部稳定层中放射性含量增加为: 其中,T(m)为第m稳定层和混合层重叠的份额,则混合层中放射性含量相应地减少为: 太原理工大学硬士学位论文烟团剐刚被释放出的初始阶段,其横向扩散主要是由小尺度涡旋 和风切变引起的,到一定阶段后,其扩散将主要由较大的天气尺度控 制.考虑小尺度的影响,将烟团看成有一定宽度的圆柱体,其宽度为: 其中,B的单位为m,而t的单位取s.天气尺度的水平扩展则由排放新烟团来隐含实现。 2.3大气稳定度的确定 烟团的扩散关键在于确定扩散参数,而扩散参数和扩散天气类型 有关,Pasq词l根据常规气象资料将扩散天气类型分为6类,即强不稳 定,不稳定,弱不稳定,中性,较稳定和稳定,它们分别用英文字母 白天,根据太阳辐射强度和地面风速,采用sInim诺模图确定pasqum大气稳定度。地表感热通量近似由下式给出: (f)=95.O【cos妒cos,cos05f十五一300)+s曲妒siny]y=tan-1(s曲@一79)+0.434印 其中,厂rc J为云量校正系数(见表2.I);H“J为太阳辐射热量, w/cm2;旯为经度,中为纬度,Y为太阳倾角;劝一年中的天数,,为该 日当地时间。 表2.1云量校正系数 云量 o.89o.8l o.75 O.72 O.67 o.59 O.45 O.23 夜间,根据云量确定辐射等级(见表2.2),然后根据地面风速和 辐射等级来确定Pasquill大气稳定度‘”1(见表2 表2,2夜间太阳辐射等级表卷云量(全天空十分制) 辐射等级 表2.3大气稳定度分类地面风速,ds 辐射等级 2.4烟团有效高度的确定对于稳定天气: 。=2.6.【3.710一5Q^(矿-J)】173+H。 对于中性和不稳定天气: ,=1.6 【3.710。Q^x:】3/万+日。 .=2.08 [3.710。5Q。】2” 其中,Q^为烟团的热释放量,caVs;£f为释放高度的平均风速,m,s; B为释放高度,m。 2.5大气扩散参数%的确定 Pasqllill大气扩散参数。器用德国科学豸Wogt推荐的公式计算: 式中,系数b。b,和b3的值见表2.4。表2.4系数b。b:和b,取值表 b1O.8800.O.9850-1.1860-l-3500.2.8800I.3.8000 b2 .O.1520 O.8200 O.8500i O.7930 1.2550J 1.4190 b3 O.1475 O.0168 O.OOl5 O.0022-O.0420I—O.0550 太原理工大学硕士学位论文2.6耗减 放射性核素在迁移过程中的耗减由‰‘(在混合层内)和九(在 稳定层内)两个参数采描述,两者的差别在于后者不考虑干沉积的影 磙=h+h一心九萨入寸AN 其中,知为放射性衰变常数,1/s,对于给定核索取定值:知。为干沉 积耗减速率常数,l/s;山为湿沉积耗减速率常数,l/s。 对于山,本模型采用山“J=510像rfJ“8计算,其中尺“J 为降雨量, (删nm);对于干沉积,通常用沉积速度来描述,采用简 单的阻尼模型,则有: 其中,%。“J为时刻t的有效沉积速度,m,s;%”为该核素的干沉积速度,耐s;r“J为阻尼项,对于下垫面为陆地,按照大气稳定度 类别分别取值为:O(A—D类)、20(E类)和40(F类).得到K ,f,后,假设核素在^J至凡高度层内分布混合均匀的情况下可以求得: 2.7混合层演变模拟混合层高度与大气稳定度、感热通量、地面状况等因素有关.为 简化计算,本模型采用简单的季节混合层高度随时间的变化曲线来模 拟混合层高度演型”1. 白天,考虑地转风的变化,用地转风G=o和G=9In,s的曲线(见 太原理工大学硬士学位论文 1)内插来得到地转风为G时的混合层高度8】。夜间,则采用机械混合层高度,即:H。。=90G +夏季:G=9+春季:G=O +冬季:G:o+冬季:G=9 时间(h)图2.1季节混合层高度变化曲线放射性释放所致剂量估算模式 烟团轨迹确定后,根据烟团的相对扩散参数可以给出事故放射性 释放的浓度场分布,进而给出剂基场分布,对公众个人有效剂量当量 作出估算,以用来评估气载放射性释放造成的区域性或国家性 的后果影响2102 “05矧.2.8.1时间积分空气浓度和地面沉积浓度 每个烟团所致的时间积分浓度为: 式中,表示放射性核素;壤示该烟团总的迁移的时间,s;c。,r£J为第i个烟团释放在计算点P所造成的时间积分浓度,Bq s/m3;c。, ‰,,为第,,l时段该烟团在计算点p所造成的空气浓度,Bq,m3;出 为烟团释放的时间间隔,s;Qf‰,J为第捆困第m时段的放射性 第lO页 太原理工大学硕士学位论文 总量,Bq。 地面沉积浓度由两部分组成,即放射性核素的于沉积和湿沉积。 每个烟团所致的地面干沉积浓度为: Gd口fT,N)=y如。Ckp fT,N) 式中,G破,rr,J为第ijI因团在计算点P的地面干沉积浓度,Bq/m2‘s; %。为干沉积速度,m,s. 每个烟团所致的地面湿沉积浓度为: Gwm fT.N)3AN’C啦fT,N)协一一kdj 式中,GbE,仃’,,为第i烟团在计算点P的地面湿沉积浓度,Bq/m2‘s; 山为湿冲洗系数,1/s. 2.8.2个人有效剂量当量 个人有效剂量当量的估算包括空气浸役剂量、地面沉积外照射剂 量和吸入剂量。 式中,D£少“r,为核素N所致的空气浸没剂量,sv:DtPG“rJ为核素N所致的地面沉积剂量,sv;觑fJ为核素N所致的吸入剂量, sv;glj’。j为空气浸没外照射剂量转换系数,Sv(s‘Bq’m_3)。: gG—mJ为地面沉积外照射剂量转换系数,sv(s。Bq‘n1_2)4;岛^ m,为吸人内照射剂量转换系数,sv(Bq)、1;乃和凡分别为发生干 沉积和湿沉积的时间,s;瓦为个人受照射时间,s。 第ll页 太原理工大学硕士学位论文 第三章大尺度大气扩散模拟系统分析 3.1系统的基本需求 3+1.1计算需求分析 大尺度大气扩散模拟系统用于评估气载放射性释放的区域 性或国家性的后果影响,为事故应急决策提供技术支持。该系统以大 尺度大气扩散模拟模型为软件设计的理论依据,采用一系列烟团来模 拟放射性核素在大气中的迁移扩散,跟踪这些烟团同时考虑每个烟团 扩散的时空分布,具体实现几百公里到几千公里范围的气载流出物释 放的迁移扩散计算. 大气扩散模拟系统计算的项目有: .放射性烟团的迁移轨迹; 个人剂量分布;.关心点的地面空气浓度和个人剂量信息。 3.1.2计算网格模型分析 为反映放射性污染物大尺度大气扩散的空间分布,模拟系统需采 用经纬度网格模型,以东亚天气图为底图。 天气图是一张平面图,丽地球上的水平运动大致是沿着球面运动 的,球体在几何上是不展平面.把具有球形的地球表面表现在平面图 上要通过专门的投影技术,作如下转换: (把)地球上的状态斗(变为)投影面上的状态哼(再变到)天 气图上的状态. 由于投影的原则和方法(如光源的位置)不同,有多种不同性质 的投影底图。 (1)正形投影:每一点上,径向与纬向的放缩比例一样,地球上 两交线问的夹角投影不变: (2)等面积投影:各区域的缩尺一样,因而在底图上任取一个区 域,其面积与实际地球表面该区域的面积有一定的比例关系; 第12页 太原理工大学硕士学位论文 (3)等距投影:任意两点间距离保持不变. 在气象学上,一般采用正形投影,以保持地区的原有形状,因而 保证图上风向的准确以及气压系统的形状和移动方向与实际相同。 常用的天气底图,采用以下三种正形投影: 《1)极射赤面投影(stereo乎apmcPr咏}ction) 这种投影设想把投影光源放在南极,把北半球各点投影到通过 60。N的平面上.这种投影方法,可使地球上任何一点在径圈方向和纬 圈方向的放大率都一样,因而是正投影。但放大率随纬度而变,纬度 越低放大率越大。一般极地区域及整个北半球天气图的底图都采用这 种投影. (2)麦卡托(Mercator)投影 将光源放在地球中心点,使地球上各点投射到与南北纬22.50圈相 交的圆柱面上,再将柱面展开经订正而得。一般低纬度或赤道地区的 天气图多采用这种投影 (3)兰勃脱(I釉1bert)标准面圆锥投影 这种投影是简单圆锥投影后经订正而成的.简单圆锥投影是将光 源放在地球中心点,把地球上各点投射到与地球相切或相割的圆锥面 上,然后将圆锥面展开而得,展开的面是扇形平面.把这种投影经过 特定的订正使得同一地点的径向和纬向的放大率m相等,就可以得到兰 勃脱投影。这种投影一般适用于中纬度地区天气图,我国用的亚欧天 气图和东亚天气图就是采用这种投影法.一般常用的是使圆锥面与地 球相割于30。N和600N的双标准纬线投影法. 我国处于中纬度地区,为反映放射性污染物扩散在我国的空间分 布,用兰勃脱投影作为背景底图是合适的.按照经度间隔1。、纬度间 隔o.5。来划分计算网格可满足计算和图形显示的要求. 3.1.3输入/输出数据分析 a,输人数据: .地图数据:包括模拟地区的左下角的经度和纬度、右上角的经 度和纬度; .地面天气图资料:包括气象观察站的坐标(经度和纬度);地 第13页 太缘理工大学硕士学位论文 面风向、风速、气压、小时降雨量和云量; 释放源项:包括源项编号、释放时间、持续时间、释放点坐标(经度和纬度)、释放高度、热释放率、建筑物迎风截面、核 素名称和释放量; 核参数:包括核素名称、半衰期、干沉积速度、降水冲洗系数及空气浸没、地面沉积外照射剂量转换系数和空气吸入内照射 剂量转换系数: 混合层演变资料:根据释放的时间,选择春季、夏季或冬季中的一种(若释放时间在秋季,则可根据具体日期与夏季或冬季 的接近程度归人夏季或冬季); b.输出结果: .各烟团迁移的轨迹图: .地面空气浓度分布图(包括某一烟团各核素的浓度分布,所有 烟团各核素的浓度分布); .个人剂量分布图(包括某一烟团各核素的剂量分布,所有烟团 各核索的剂量分布); .关心点信息(包括各核素的空气浓度,浸没剂量,地面沉积照 射剂量,空气吸入内照射剂量及剂量合计); 32基本设计原则 a.针对从事污染物迁移扩散的专业人员,而不是计算机专业人 员,因此,要求系统界面友好,易学易用; b高效的数据管理能力,以处理大量的输入和输出数据; c.快速模拟计算能力,既要满足大尺度大气扩散模拟模型的各项 要求,又要对一般场景(释放次数:4次,模拟时间:3天)的处理时 间玉30分钟; d.形象直观的报告,以图形形式给出烟团的迁移轨迹、等值线分 布情况,以表格形式给出关心点的浓度和个人剂量信息; e.交互处理设计和独立于设备的图表输出设计。 第14页 太原理工大学硕士学位论文 3.3系统开发工具及环境 VisIlal Ba畦c(简称vB)是一种具有很好的图形用户界面(Graphic userInte如c e,简写为G叭)的程序设计语言,它采用面向对象和事件 驱动的程序设计两种新机制把过程化和结构化编程结合在一起,并且 具有丰富的图形指令,可以生成和制作各种图形,是实现物理过程模 拟的较为理想的工具‘28瑚j邮1掣矧。 根据前述需求,并考虑开发者和预期用户的条件,大尺度大气扩 散模拟系统,使用面向对象的程序设计方法vistlal Basic 4.o在windows 95下开发,通过窗体、控件及菜单构成具有w.mdows风格的运行界面。 系统运行环境为:硬件要求486以上mM兼容微型计算机,8M以 上内存,10M硬盘自由空间。 3.4大尺度大气扩散模拟系统的流程 在大尺度大气扩散模拟系统中,把某个要模拟的任务称作一个“项 目”。每个项目有自己的一套输入数据:定制地图、核参数、释放景 象、气象参数和混合层高度的选择.对项目必须输入正确的数据才能 开始进行模拟计算,模拟时段的长度由气象数据的起止时间决定.模 拟计算包括烟团轨迹、空气浓度和个人剂量的计算.结果报告为烟团 迁移轨迹、时间积分浓度、个人削量分布和关心点的信息, 第15页 太原理工大学硕士学位论文 系统运行流程为 图3.1大尺度大气扩散模拟系统的运行流程框图 第16页 第四章大尺度大气扩散模拟系统的实现4.1系统功能 根据大尺度大气扩散模拟系统所要完成的模拟任务,本系统按功 能可划分为4个部分,如下图所示。 图4.1 大尺度大气扩散模拟系统功能划分图 4.1.1项目管理 (1)新建项目 要对一个新的计算任务(场景)进行模拟,首先应建立一个新的 “项目”,以保存项目信息.用户完成创建新项目操作后,所创建的 项目就被认为是已有项目。 (2)打开项目 如果要对一个已存在的项目进行模拟,首先应该打开该项目,为 模拟计算提供输入数据文件。 (3)保存项目 保存项目的功能是保存所有输入数据,而不是保存计算结果。 当用户在设置参数操作过程中或完成设置参数操作后,应该立即 保存项目,以免丢失输入数据而使大量的输人工作前功尽弃.当保存 了一个完整的项目之后,用户…旦打开项目就可进行模拟计算和结果 报告操作. (4)关闭项目 关闭项目是关闭当前打开的项目,并删除该项目的临时文件,为 第17页 太原理工大学硕士学位论文 执行一个新的计算任务作好准备。 (5)系统帮助 大尺度大气扩散模拟系统提供有帮助功能,以帮助用户正确操作 此系统。帮助文件具有完全W蠡dowS帮助界面。 (6)退出系统 退出系统的功能是结束模拟工作,并返回到操作系统. 4.1.2参数设置 一个完整的项目输入是由以下五个部分组成。 (1)定制地图 定制地图是用户对计算区域的网格设置,是模拟烟团迁移轨迹、地面空气浓度、个人有效剂量的基础.为帮助用户正确、快速地定制 一幅满意的地图,系统要提供简单的帮助功能,对定制地图提供具体 指导。 (2)核参数库 核参数库用于存储模拟计算所需要的核参数. (3)释放景象 释放景象用于输入放射性释放源项相关参数,为模拟计算提供数 (4)选择混合层根据放射性污染物释放的时间,选择相应季节的混合层高度演变 曲线,供模拟计算采用. (5)气象参数库 气象数据库存储气象背景资料,以每天4幅地面天气图的观测时间 为准,依次输入,并进行编号,时间序列决定模拟场景的时间长度。 气象数据来自地面天气图,采集的数据共有地面风向等5个气象要 素。此外,必须输入观测站的坐标(经度,纬度)。在该数据库记录 中,观测站的坐标是唯一的,不容许重复. 4.1.3模拟计算 模拟计算有:烟团迁移轨迹,地面空气浓度,个人有效剂量.这 第18面 三项计算任务依次进行.当烟团迁移轨迹计算任务未完成时,系统禁止对后两项作出反应,同样当前两项任务完成后,才容许执行第三项 任务。 (1)烟团迁移轨迹 烟团迁移轨迹的计算功能是根据大气扩散模型和气象背景及释放 参数,确定每一个烟团经每一时间步长所行走的空间位置,为模拟烟 团轨迹提供依据,并为空气浓度计算和个人剂量计算提供数据. (2)地面空气浓度 根据烟团轨迹和大气扩散参数完成地面空气浓度的计算功能,为 模拟烟团所致地面空气浓度分布提供依据,并为个人剂量计算提供数 (3)个人有效剂量根据地面空气浓度分布和个人剂量转换系数,完成个人剂量的计 算功能,为模拟烟团所致个人剂量分布提供依据。 4.1.4结果报告 模拟计算结果报告有:烟团迁移轨迹,时间积分地面空气浓度, 个人有效剂量和关心点的信息。它与模拟计算的任务相对应.一旦某 项计算任务完成,系统容许对其结果进行浏览和输出,当然,也可以 在全部计算任务完成后,给出完整的结果报告。 前三项报告是彩色图形,最后一项是表格形式。输出图形的比例 依赖于所定制的地图,并以定制的地图为底图。当用户对图形大小不 满意时,可重新设置显示底图,输出图形自动按地图比例进行调整. 4.2模拟计算方法与实现 4.2.1坐标系统的建立 如图4.2所示,按照兰勃托圆锥投影原理,置光源于球心,使圆锥 面与地球相割于仇t300和伫一60。(双标准纬度),把地球上各点投射 到该圆锥面上,然后将映象面沿某一经线展开,则成为一扇形面,张 角为孤k(k为圆锥常数)12”. 第19页 太原理工大学硕士学位论文 图4.2兰勃脱投影经地图放大系数(m羟圈=m纬啊)订正后,有 式中,‘=11423.7km为赤道与极点的距离;f表示印象面上…点到极 点的距离;妒为该点的纬度,rad;圆锥常数:k-O.7156;地球半径: Ra=637lb皿。 据此,在大尺度大气扩散系统中,为便于模拟计算、绘制烟团轨 迹、浓度和剂量等值线分布图,建立统一的地图坐标系统(在映象面 上北极点的位甓为坐标原点,沿标准经线向赤道方向为x轴)和绘图坐 标系统(绘图窗口左上角为原点,向下为x轴正向),如下图所示: 第20页 太原理工大学硕士学位论文 图4.3 地图坐标和绘图坐标系统 4.2.2坐标转换 4.2.2.1经纬度和地图坐标的相互转换 对于给定地球上任意一点的经度和纬度(JD,wD)可通过下面的 变换得到映象面上的坐标: Pie一4+Ah《1)/180 Lm=Lq+(Cos(WD‘Pie)/(1+S吣wD+Pie)))^K A击=Pie+CSng((JD-PLo))‘K x=【庙+Cos(m血) _y=【皿+Sh《』d曲) 对于给定映象面上任意一点的坐标(Ky)可通过下面的变换得到 地球上的经纬度坐标: Lq2=Lq“2T邱=(Lw2/Lq2)“(1/K) 第21页 太原理工大学硕士学位论文 WD2A托(Tlnp/Sq《1Tmp‘n印))/PIe 4.2.22地图坐标向绘图坐标的变换 绘图比例因子为: Fa2w/(By—Ay) Fb=H/(Ax—Bx) 地图坐标向绘图坐标的转换为: Px=Fa+(y-Ay) Py=Fb+(x—Bx) 4.2.3背景图的设计及实现 为形象和直观地表示各烟团在空间运行的轨迹和放射性核素浓度 的分布,需要定制~幅具有经纬度网格线背景的地图,并且有缩放功 模拟区域由用户提供的模拟区域左下角和右上角的经纬度坐标来确定。 绘制纬线时,保持纬度不变,对经度从绘图区左下角到右上角作 循环,步长取lo,计算出每一步终点的经纬度坐标,再通过坐标转换 为绘图坐标,然后依次用L缸e方法画线。 绘制经线时,保持经度不变,对纬度从绘图区左下角到右上角作 循环,步长取loo,计算出每一步终点的经纬度坐标,再通过坐标转换 为绘图坐标,然后依次用I血e方法画线。 绘制的经线。.绘图时考虑到经纬度网格的特殊 性,在画经线,画纬线。 绘制中国大陆边界时,从预先准备好的数据文件读人中国大陆边 界的120组经纬度数据,用L.me方法画线。 定制好的背景地图如下: 第22页 太原理工大学硕士学位论文 太原理工大学硕士学位论文&为p点到i气象站的距离 图4.5两层风模型 稳定层风场的确定: 稳定层的风场决定于地转风,由地面天气图上的等压线分布获取 的模拟区域各气象站的气压值,然后用前述距离反平方插值法内插到 经纬度网格节点上。地转风的计算方法如下: 吁一去考 oj敏计算时将气压的空间微分用经纬度网格的中央差分格式法近似表 2&x4.2.5烟团轨迹的模拟 所谓烟团的轨迹是指烟团中心在迁移过程中形成的轨迹。 第24页 烟团初始行走的位置取决于烟团的有效释放高度,而有效释放高 度和初始释放的物理高度、热释放率及大气稳定度条件有关。烟团有 效释放高度按照2.4节给出的方法确定. 计算出烟团的有效释放高度后就可用}昆合层内的风速廓线求出烟 团在每一时间步长行走的距离和方向: 记录每一时间步长的烟团位置,并依次用Ljne方法画线,即可得到烟团的运行轨迹. 每一时间步长以烟团的水平扩散宽度为半径,用c砌e方法画圆, 可以更形象地表示出烟团扩散的时间变化.图4.6给出了烟团轨迹计算 框图,模拟的烟团轨迹图示于图4.7. 开始 用希尔法对气象数据序列排 序,并确定模拟时段 打开数据文件 源项序列循环 选择气象场计算时间步长循环 图4.6烟团迁移轨迹计算框图第25页 太J釉墼工大学硕士学位论文 图4.7模拟得到的烟团轨迹 4.2.6浓度场的模拟 烟团轨迹确定之后,就给出了每一个烟团中心位置的时空变化过 程,累积从烟团释放到某时刻的每个烟团扩散所致地面空气浓度分 布,就可得到地面空气积分浓度场。烟团的扩散由水平扩散和垂直扩 散两部分组成,前者表示烟团中放射性污染物在水平方向上的散布, 后者表示在垂直方向上的分布,本系统采用混合层和稳定层两层模型 模拟烟团中污染物的分布. 图4.8是混合层高度变化对污染物浓度影响的示意图.由于混合层 高度随时问变化,在混合层高度降低时,部分污染物被截留在混合层 上部的稳定层中,这部分污染物对地面空气浓度没有贡献,只有当混 合层高度由于天气条件的变化再次升高,部分截留在稳定层内的污染 物又回到混合层才对地面空气浓度有贡献. 因此混合层高度的确定和残留在混合层内的放射性污染物总量的 确定是给出地面浓度场分布的主要过程。 第26页 太原理工大学硬士学位论文 图4.8混合层高度变化效应示意图 时间 4.2.6.1混合层高度的模拟 本模型采用简单的季节混合层高度随时间交化的曲线来模拟混合 层高度演变的过程. 白天,考虑地转风的变化,用地转风G=O和G=9m/s的曲线)线性内插来得到地转风为G时的混合层高度,即: Gr,J为t时刻的地转风,功,s;三‰rG.f,为t时刻地转风为G时的混合层高度,m。 将对应于G—O和G一9的春季、夏季和冬季的三组曲线) 按照离散点采集后,保存在一个数据文件.模拟时用Ij方法绘制出 曲线供用户选择.计算时根据用户选定的季节,选择相应季节的离散 点数据,按照前述的内插方法褥到t时刻的混合层高度。 目前尚未见到有关秋季混合层高度变化曲线的报道,在实用中, 秋季情况可按具体日期选择相近的夏季或冬季曲线给出 了夏季混合层高度变化的模拟结果. 夜间,则采用机械混合层高度,即:H。萨90G(t) 第27页 太原理工大学硕士学位论文 图4.9夏季混合层高度变化曲线混合层内污染物总量的确定 任一时刻烟团的垂直分布范围由烟团释放的有效高度、烟团的垂 直扩散参数及混合层商度所决定。跟踪每个烟团,考虑混合层高度变 化的效应,就可按照2.2节给出的方法计算混合层内放射性核素量Qw‘ 和混合层上方稳定层内截留的量Qw。 根据烟团在模拟时间内的迁移轨迹,可以确定烟团行走范围的最 低经纬度和最高经纬度.考虑烟团的扩散,估算浓度场时,以烟团行 走范围为基础适当放大计算范围.浓度计算公式见2.&l。 图4.10给出了地面空气浓度计算的主要过程. 第28页 太原理工大学硕士学位论文 开始 地图参数初始化 根据熠团轨迹 确定计算范围 烟团和核素循环 确定每一时间步长 稳定层和混合层中的核素含量 图4.10地面空气浓度计算框图 4.2.6.3浓度分布等值线的绘制 从计算机图形学的角度讲,等值线具有以下性质: 等值线是一条光滑连续曲线;.对于给定的某~等值水平,相应的等值线数量可能不只一条; .由于定义域是有界的,等值线可能闭合,也可能不闭合: 等值线不互相交错.对于不同的应用目的,产生等值线的算法也不尽相同。有些算法 适用于规则离散点信息场的等值线图生成,有的算法采用等参数插值 函数的概念,适用于高次单元网格系统。 放射性核素地面浓度分布等值线可以反映事故后果影响的程度和 范围,为核事故应急响应提供参考依据,以决定在不同等值线水平内 的区域采取相应的防护行动(如污染食品和日用品的禁用,分发和服 用碘片,隐蔽,撤离,制定应急检测方案等)。 对于本系统,要画等值线的地面浓度数据放在一个二维数组里, 即浓度只是经度和纬度的函数,构成一个规则离散点信息场.

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