CALPUFF模型在模擬核電站事故源項大氣擴散中的應用

張玉珍,蒯琳萍,楊燕華

(上海交通大學核能科學與工程學院,上海 200240)

核電站一旦發(fā)生不可控的嚴重事故,就會有大量的放射性核素通過大氣擴散,對周圍環(huán)境產生嚴重的污染。放射性物質物理化學性質變化非常復雜,采用模型對大氣擴散的模擬對核事故的后果環(huán)境評價,對核事故的應急決策和環(huán)境后果評估有積極意義。CA LPUFF是美國EPA推薦的由Sigma Research Corporation開發(fā)的空氣質量擴散模式,可以進行各種尺度的大氣污染研究,是當前國際上用于復雜地形下的常用大氣擴散模式,并且在大氣擴散領域有著廣泛的應用。遲妍妍[1]利用CA LPUFF做了珠江三角洲土地覆被變化對特征大氣污染物擴散影響研究,結果表明采用CA LPUFF大氣污染擴散模式可以較好地分析珠江三角洲地區(qū)區(qū)域內的大氣污染擴散特征。CA LPUFF也應當可以模擬核電站發(fā)生事故后放射性核素通過大氣擴散的過程,不過目前還很少看到我國在這方面工作的研究成果報道。本文將用CALPUFF模型對大亞灣核電站一旦發(fā)生事故源項可能出現(xiàn)的大氣擴散進行模擬,定量分析區(qū)域內核素的分布。

1 CALPUFF模式系統(tǒng)簡介[2]

CA LPUFF是一個用來模擬不穩(wěn)定狀態(tài)的多層、多物種污染的高斯型煙團擴散模型,模式系統(tǒng)包括邊界層氣象模式CALMET,污染物擴散模式CALPUFF和后處理軟件CA LPOST三個部分。CA LMET通過質量守恒連續(xù)方程對風場進行診斷,在輸入模式所需的常規(guī)氣象觀測資料或大型中尺度氣象模式輸出場后,可以自動計算并生成包括逐時的風場、混合層高度、大氣穩(wěn)定度和微氣象參數(shù)等的三維風場和微氣象場資料。

在CALPUFF煙團擴散模型中,大量離散煙團構成連續(xù)煙羽,并假設在一定時間內煙團靜止,然后采用積分煙團方法來計算某受體點在模擬時間段內的平均污染物濃度。單個煙團在某受體點的濃度計算公式為:

式中:C為地面濃度;Q為源強;σx,σy和σz為擴散系數(shù)在三個方向上的分量;da和dc分別為監(jiān)測點到污染源之間的距離分量;g為沉降加速度;He為污染源有效高度;h為混合層高度。

CA LPOST是用于計算平均濃度和沉積通量的后處理程序,輸出選定區(qū)域和時段的平均濃度、平均最大濃度,計算相關系數(shù)等相關量。

2 CALPUFF大氣擴散模式的應用

大亞灣核電站周圍地形以山丘為主,周圍有小城鎮(zhèn)、灌木林、山丘和大面積海洋,地形和下墊面十分復雜。本文取2002年大亞灣核電站周圍80 km土地覆被類型和高程遙感數(shù)據(jù),作為下墊面地形數(shù)據(jù),分辨率為1 km。

2.1 模擬區(qū)域及網(wǎng)格劃分

模擬范圍地形及點源位置見圖1。模型采用UTM坐標,點源坐標為(168.587,2422.266),大亞灣核電站UTM分區(qū)是50 N。模擬計算網(wǎng)格區(qū)域為160×160,網(wǎng)格間距為1000 m。釋放源位于(80,80)網(wǎng)格。

圖1 模擬范圍地形及點源位置

2.2 源項計算

本文利用M AAP4.0對大亞灣核電站冷端雙端一旦斷裂失水產生的源項計算。計算結果表明,事故后約3.1×105s的放射性核素(131I)開始向環(huán)境泄漏,并將累計向環(huán)境釋放的放射性裂變產物質量為20 g。核素131I進入環(huán)境后會發(fā)生復雜的物理化學反應,最終以氣溶膠、元素碘、有機化合物碘形態(tài)在大氣環(huán)境中擴散(三種形態(tài)間的轉化非常復雜,它們在擴散過程中有不同的濕沉降過程和最終濃度分布,本文將對這些分布分別進行模擬計算。模擬假設從釋放開始131I即以三種形態(tài)存在,三者質量比取24∶22∶54[3]。本文對一旦核電站發(fā)生事故導致131I釋放之后一周時間的大氣擴散進行模擬計算,圖2給出事故源累計向環(huán)境釋放的三種形態(tài)131I的質量。

圖2 累計向環(huán)境釋放的不同存在形態(tài)131 I的質量分布

2.3 模擬氣象條件的設定

大亞灣核電站位于東南沿海地區(qū),海洋性氣候特征十分明顯。夏季受西南季風,臺風和雷暴雨影響,天氣較為潮濕,冬季受東北季風影響,天氣較為干燥。本文獲取模擬區(qū)域范圍內的1個地面逐時和1個每天2次(分別為00:00和12:00)高空全年氣象資料,分別模擬冬季核素131I分布情況,分析模擬區(qū)域內核素131I大氣擴散隨季節(jié)變化的特征。

穩(wěn)定度(本文利用PGT方法計算得大氣穩(wěn)定度)、風速和降雨強度是影響擴散的主要氣象因素。本文從氣象數(shù)據(jù)中抽取幾種氣象組合與穩(wěn)定度組成三種因素的恒定條件組合,然后對這些組合進行計算模擬,分析不同條件下的擴散情況。大亞灣核電站廠址主導風向為ESE和E風向,主要居民點在主導風向的下風向方位,計算中氣象條件假設為E風向。

表1 恒定計算工況

污染物擴散的計算采用有效釋放高度處的風速廓線模式,有效釋放源高度處的平均風速,通過離地10 m處的平均風速折算而成。

3 計算結果及討論

3.1 季節(jié)規(guī)律模擬分析

圖3和圖4分別為1月和7月131I的月均濃度分布,可以看到冬季下風方向下風向131I污染較為嚴重。冬季光照較弱、日照時間短、逆溫層較厚,而且溫度較低、大氣對流不活躍,因此不利于空氣中污染物質擴散的因素較多,使得131I濃度比其他季節(jié)季大。夏季131I濃度分布范圍比冬季大,但是造成影響較小。

圖31 月131 I空氣時間積分濃度分布

圖41 月131 I地面沉積濃度分布

圖5和圖6分別代表冬季和夏季131I沉降分布,可以看到受主導風向的影響夏季沉降的范圍更廣,沉降值也高于冬季。這是由于夏季的降水量高于冬季,降水量是決定沉降大小的主要因素。

圖57 月131 I空氣時間積分濃度分布

圖67 月131 I地面沉積濃度分布

3.2 恒定氣象條件模擬分析

模擬結果表明,在源點附近由CALPUFF計算的時間積分濃度值很小,趨近于0,這主要是因為模型中其軸向濃度受由時間積分計算導出的誤差函數(shù)的影響,在源點的時間積分濃度趨近于0。模式最大濃度的出現(xiàn)位置,在E風下風向1 km處。

由圖7可以看到不同穩(wěn)定度條件下的濃度最大值差異明顯,F類穩(wěn)定度和無降雨條件非常不利于污染物的擴散,濃度最大值約為D穩(wěn)定度的7倍,對周圍地區(qū)影響較大。

圖72 m/s風速不同穩(wěn)定度條件計算的131 I濃度分布

圖8表明降雨對131I的濃度分布影響很大,在10mm/h的降雨強度下空氣時間積分濃度接近0值,而且在源點近距離產生了較大的131I地面沉積濃度,降雨越大對點源近距離地面造成影響更大。

圖8 D穩(wěn)定度不同降雨條件下計算的131 I濃度分布

由圖9可以看到,風速為0時造成影響最嚴重,濃度最大值是2 m/s風速以上的6倍,隨著風速越大,影響減小越明顯。3 m/s風速以上時差異不大。

4 結論

本文計算結果可以為大亞灣核電站一旦發(fā)生事故,放射性核素131I對周圍環(huán)境可能造成的影響提供參考。可以看出事故所釋放的131I對周圍環(huán)境的影響依賴于事故時的氣象條件。在核事故后果計算中采用了CALMET風場模式確定煙羽輸送軌跡,降低了只采用釋放點附近一個測站的氣象資料所帶來的誤差。大亞灣核電站地形較復雜,CA LPUFF模式中CA LMET模型考慮了復雜地形的動力效應以及靜風等非定常條件,能很好模擬不同尺度區(qū)域的污染物擴散背景。

圖9 C-D穩(wěn)定度不同風速條件下濃度隨距離分布比較

[1] 遲妍妍.珠江三角洲土地覆被變化對特征大氣污染物擴散影響研究[D].北京:中國環(huán)境科學研究院,2007.

[2] JOSEPH S Scire,FRANCOISE R Robe,MARK E Fernau, ROBERY JYamartino.A User's Guide fo r the CALMET Meteorological Model(Version 5)[EB/OL].Earth Tech, Inc(www.src.com/verio/dow nload/dow nload.h tm). January 2000.

[3] NIKOLA I Talerko.Reconstru ction of131I radioactive contam ination in Ukraine caused by the Chernobyl accident using atm ospheric transport modeling[J].Journal of Environmental Radioactivity,84(2005):343-362.