一种用于核设施废气扩散的数值模拟方法技术

本发明专利技术属于数值模拟技术领域，具体涉及一种GIS支持下的核设施废气扩散数值模拟方法。本发明专利技术包括如下步骤：步骤1、数据预处理：步骤1.1、数据表经过数字化形成图层，导入数据库，分别离散化为控制点数据和网格层数据两种类型；步骤1.2、根据废气的剂量建立(x,y,z)坐标系；步骤1.3、根据气象数据建立坐标系，确定污染区范围；步骤2、模拟计算：步骤2.1、将步骤1经预处理的数据，导入核素扩散模型，建立最优模型；步骤2.2、获得网格中心点绝对坐标和浓度数据；步骤2.3、计算同一坐标下的核素浓度数据随时间变化结果；步骤3、GIS模拟输出。本发明专利技术能够模拟污染风险空间量化评估结果，为有关决策提供技术支持。

A numerical simulation method for the diffusion of exhaust gas in nuclear facilities

【技术实现步骤摘要】
一种用于核设施废气扩散的数值模拟方法
本专利技术属于数值模拟
，具体涉及一种GIS支持下的核设施废气扩散数值模拟方法。
技术介绍
在核能的生产和消费活动中，会产生目前技术下无法回收或者不值得回收利用的废弃物，按照这些废弃物的物理性状，可分为气载废物、液态废物和固体废物。气载废物中所含的放射性核素随设施而异，铀矿冶厂废气中主要核素是铀、钍、镭、氡及其子体，核动力厂废气主要组分是惰性气体、气溶胶、3H和14C，后处理厂的废气中常常含有239Pu、226Ra和222Rn，反应堆会产生碘废气。此外，废气中可能还含有非放有害物质，铀同位素厂废气中含有较多的HF和F2，后处理厂废气中含有较多的氮氧化物，焚烧炉废气中含有较多的CO2、NOx和SO2。核设施经气体流出物排入大气的放射性物质，将向下风向输运，并随着大气的混合过程弥散，以降雨沉降、下垫面碰撞或重力沉降落入地面。经水体、植物、动物等方式进入人体，在较长的时间内形成内照射。因此，我国规定了严格的废气管控规范，将核设施经气体途径对人的影响区分为：源项、输运过程、污染介质、照射方式和剂量5个环节。在实际反应堆的运行中，冷却剂系统极少量的腐蚀产物与固态裂变产物会随着系统的泄露，在核岛厂房内部形成气溶胶。研究重点应该放在这部分气溶胶的扩散途径上，掌握其透过放射性废气处理系统和厂房通风系统后，逸散到自然环境中的规律和量值，为科学评估其对环境带来的不利影响提供依据。分析现有的研究手段，存在三个明显的不足：一是扩散模型缺乏气象数据与地面核素监测数据的合理结合。分别在地面和空中两个尺度获取气象和核素数据，引入气体弥散模型，探索综合作用的效果。这种分离处理思路，对于数据积累较多的典型核素，有较高的准确率。但由于忽略了厂址附近背景放射性的干扰，存在固有的模拟误差，在微量核素扩散模拟方面，会产生较大的误差；二是扩散模拟忽视了核设施所处微自然环境。现有的试验方法和数值模拟技术，基于经验模拟和纯数学计算，不能有效地将地形、地貌和下垫面类型作为参数引入到扩散模型中。而核设施废气中核素含量属于微量级，在忽视局部小环境下，模拟的可靠性值得怀疑。三是信息化水平不足。利用所建立的废气扩散数值模拟模型作为基本的组成部分，不但具有数据管理功能，而且包括GIS、数据分析、可视化、仿真模型、最优化处理和专家系统等各项功能。拥有上述各项功能的综合废气评价系统是最近几年新开发的大气扩散评价模型系统的共同特点，也是核设施废气扩散数值模拟技术共同的发展趋势。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题：针对现有技术的不足，本专利技术提供一种用于核设施废气扩散的数值模拟方法，能够模拟污染风险空间量化评估结果，为有关决策提供技术支持。本专利技术采用的技术方案：一种用于核设施废气扩散的数值模拟方法，包括如下步骤：步骤1、数据预处理：步骤1.1、数据表经过数字化形成图层，图层通过ArcSDE导入数据库，将数据库中的图层分别离散化为控制点数据和网格层数据两种类型；步骤1.2、根据废气的剂量建立(x,y,z)坐标系；步骤1.3、根据气象数据建立坐标系，确定污染区范围；步骤2、模拟计算：步骤2.1、将步骤1经预处理的数据，导入核素扩散模型，建立最优模型；步骤2.2、将模型计算结果，根据中心点层创建浓度和坐标字段，获得网格中心点绝对坐标和浓度数据；步骤2.3、引入数据获取时间因子，计算同一坐标下的核素浓度数据随时间变化结果，实现专题图显示；步骤3、GIS模拟输出。所述步骤1.1的具体步骤为：数据表经过数字化过程为，根据核设施废气空间数据库建设的实际情况，在数据分层和拓扑处理后录入属性数据，属性数据一般采用批量输入的方式，分要素输入该实体的属性信息；将所有的数据来源、不同的格式、不同的比例尺问题文件格式，统一转换为Shape矢量格式，经投影统一导入到空间数据库中；将服务器端ArcSDE连接到SQLServer，将空间数据导入SQLServer数据库的一系列表格中。导入软件是ArcGISDesktop的ArcCatalog模块，按照向导一步步导入空间数据，即可实现数据库中的图层分别离散化为控制点数据和网格层数据两种类型。所述步骤1.2的具体步骤为：核设施废气剂量设置为点状的(x,y,z)坐标，点数据坐标属性表包括监测或取样点、监测取样频率、取样量、采用仪器、测量时间、数据质量、数据处理方法、监测结果等数据。所述步骤1.3的具体步骤为：污染区范围综合考虑的因素有流出物化学成分、气溶胶粒度分布、排风速度、受影响区域风向、风速，确定污染区范围。所述步骤2.1的具体步骤为：建模过程为：核设施废气中的核素在空间中符合高斯分布，假设大气风速是均匀和稳定的，且在扩散过程中核素物质的质量是守恒的；在建模时，首先建立瞬时单烟团扩散模型，接着假设核设施源强随着时间分布连续均匀，建立点源烟羽扩散模型；假定核设施核素瞬时释放，且在空间中按正态方式扩散，则单位容积核素的浓度变化为：[C(x,y,z,t)/Q(x0,y0,z0,t0)]＝[(2π)3/2σxσyσz]-1×exp{-0.5[(x-x0-x')2/σx2+(y-y0-y')2/σy2+(z-z0-z')2/σz2]}将瞬时单核素团设置为连续排放模式，可以理解为排放是在时间上连续的多个核素团，对t0从-∞到t求积分，得到连续排放核素下正态扩散模型：C(x,y,z)＝Q(2πuσyσz)-1exp[-y2/(2σy2)]exp[-z2/(2σze)]式中，x，y，z，t分别为预测点的空间坐标和时刻；x0，y0，z0，t0为核素释放点初始空间坐标和初始时刻；x'，y'，z'为释放点中心在t-t0时间段内的迁移距离，x'＝∫udt，y'＝∫vdt，z'＝∫wdt，u，v，w分别为核素释放点中心在x，y，z方向的速度分量；C为预测点的核素团瞬时浓度；Q为核素团瞬时排放量；σx，σy，σz为x，y，z方向的扩散参数，是扩散时间段T的函数，T＝t-t0。所述步骤2.2的具体步骤为：考虑到地表受热后大气增温，引起对流，从下而上，下层空气强烈混合，大气层结趋于接近干绝热递减率，此层大气称为混合层，这一混合层伸展的高度称为混合层高度；在国家标准文件中对混合层高度做了规定，按照地域，将我国大气层稳定度分为A，B，C，D，E，F六个参数查找选项，前四项计算公式一致，后两项计算公式相同。可以基于风速、地转角速度和地理纬度等参数，得出混合层高度估算值，获得网格中心点绝对坐标和浓度数据。所述步骤2.3的具体步骤为：根据回归系数和回归指数，建立经验函数，得出废气的垂直和水平扩散参数σy、σz；烟气有效排放高度He计算方法为：He＝H+△H，其中H为烟囱的绝对高度；△H为烟气的抬升高度。所述步骤3的具体步骤为：步骤3.1、侧重点源污染物评价和分析，实现核素分布网格分级法模拟输出；第一步用大量固定的计算点将整个模拟区域离散化，以便计算扩散的污染物浓度；第二步确定污染源影响的范围；第三步把计算得到的气象参数和污染源数据代入大气扩散模型，分别计算出此污染源对所有固定计算点造成的污染物浓度值；第四步对每一个污染源重复执行步骤第二步、第三步，直到遍历完所有固定点；第五步根据所有固定计算点保存的浓度值，生成专题图，实现核素分布网格分级法模拟本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于核设施废气扩散的数值模拟方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤(1)、数据预处理：步骤(1.1)、数据表经过数字化形成图层，图层通过ArcSDE导入数据库，将数据库中的图层分别离散化为控制点数据和网格层数据两种类型；步骤(1.2)、根据废气的剂量建立(x,y,z)坐标系；步骤(1.3)、根据气象数据建立坐标系，确定污染区范围；步骤(2)、模拟计算：步骤(2.1)、将步骤(1)经预处理的数据，导入核素扩散模型，建立最优模型；步骤(2.2)、将模型计算结果，根据中心点层创建浓度和坐标字段，获得网格中心点绝对坐标和浓度数据；步骤(2.3)、引入数据获取时间因子，计算同一坐标下的核素浓度数据随时间变化结果，实现专题图显示；步骤(3)、GIS模拟输出。

【技术特征摘要】
1.一种用于核设施废气扩散的数值模拟方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤(1)、数据预处理：步骤(1.1)、数据表经过数字化形成图层，图层通过ArcSDE导入数据库，将数据库中的图层分别离散化为控制点数据和网格层数据两种类型；步骤(1.2)、根据废气的剂量建立(x,y,z)坐标系；步骤(1.3)、根据气象数据建立坐标系，确定污染区范围；步骤(2)、模拟计算：步骤(2.1)、将步骤(1)经预处理的数据，导入核素扩散模型，建立最优模型；步骤(2.2)、将模型计算结果，根据中心点层创建浓度和坐标字段，获得网格中心点绝对坐标和浓度数据；步骤(2.3)、引入数据获取时间因子，计算同一坐标下的核素浓度数据随时间变化结果，实现专题图显示；步骤(3)、GIS模拟输出。2.根据权利要求1所述的一种用于核设施废气扩散的数值模拟方法，其特征在于：所述步骤(1.1)的具体步骤为：数据表经过数字化过程为，根据核设施废气空间数据库建设的实际情况，在数据分层和拓扑处理后录入属性数据，属性数据一般采用批量输入的方式，分要素输入该实体的属性信息；将所有的数据来源、不同的格式、不同的比例尺问题文件格式，统一转换为Shape矢量格式，经投影统一导入到空间数据库中；将服务器端ArcSDE连接到SQLServer，将空间数据导入SQLServer数据库的一系列表格中。导入软件是ArcGISDesktop的ArcCatalog模块，按照向导一步步导入空间数据，即可实现数据库中的图层分别离散化为控制点数据和网格层数据两种类型。3.根据权利要求2所述的一种用于核设施废气扩散的数值模拟方法，其特征在于：所述步骤(1.2)的具体步骤为：核设施废气剂量设置为点状的(x,y,z)坐标，点数据坐标属性表包括监测或取样点、监测取样频率、取样量、采用仪器、测量时间、数据质量、数据处理方法、监测结果等数据。4.根据权利要求3所述的一种用于核设施废气扩散的数值模拟方法，其特征在于：所述步骤(1.3)的具体步骤为：污染区范围综合考虑的因素有流出物化学成分、气溶胶粒度分布、排风速度、受影响区域风向、风速，确定污染区范围。5.根据权利要求4所述的一种用于核设施废气扩散的数值模拟方法，其特征在于：所述步骤(2.1)的具体步骤为：建模过程为：核设施废气中的核素在空间中符合高斯分布，假设大气风速是均匀和稳定的，且在扩散过程中核素物质的质量是守恒的；在建模时，首先建立瞬时单烟团扩散模型，接着假设核设施源强随着时间分布连续均匀，建立点源烟羽扩散模型；假定核设施核素瞬时释放，且在空间中按正态方式扩散，则单位容积核素的浓度变化为：[C(x,y,z,t)/Q(x0,y0,z0,t0)]＝[(2π)3/2σxσyσz]-1×exp{-0.5[(x-x0-x')2/σx2+(y-y0-y')2/σy2+(z-z0-z')...

【专利技术属性】
技术研发人员：张东辉，赵英俊，陆冬华，秦凯，裴承凯，赵宁博，张玉燕，
申请(专利权)人：核工业北京地质研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11