低風速下蒸發池年均大氣彌散不同計算方法的比較

朱 好，鄭平輝，王曉亮，鄭 偉，白曉平 (中國核電工程有限公司，北京 100840)

現階段我國有一些核設施采用天然蒸發池來處理低放射性水平的液態流出物。通常經凈化處理后的液態流出物采取向環境水體排放的方式，但對于受納水體稀釋擴散能力較小或者無受納水體的內陸廠址，液態流出物可采用大氣擴散稀釋方式排放，采用天然蒸發池進行處理是一種可選的技術方案，該方案不僅在技術及經濟上有一定優勢，不增加能耗，還可以盡量減少二次廢物的產生［1］。

在評價天然蒸發池對周圍環境及公眾的影響時，需要計算蒸發池周圍80 km半徑范圍內的年均大氣彌散因子(即相對濃度)，通常將蒸發池作為地面面源考慮，采用基于一維高斯煙羽擴散模式的虛點源法［2］。該方法對于某些低風速頻率較高的內陸廠址，應用中有一些局限性，如煙羽模式中濃度與風速成反比，在靜風和接近靜風條件下會導致計算濃度的不合理增大;煙羽模式是靜態模式，不考慮擴散的時間過程，無法反應低風速條件下污染物的累積作用;煙羽模式不考慮氣象場的空間變化，無法很好地反映地形的作用。此外，上述方法對于有風條件下靠近面源的受體也是一種較差的近似方法。美國環保署推薦的CALPUFF模式采用三維拉格朗日高斯煙團結合數值積分的方法來處理非均一、非平穩氣象條件下面源的擴散，克服了上述方法模擬的局限性［3］，且CALPUFF模式在低風速頻率較高的內陸廠址通過了現場示蹤物試驗的定量校驗，驗證了小靜風下模式模擬結果的可靠性［4－5］。

美國核管理委員會的技術報告［6］指出，將模式模擬值與實測值比較是進行模擬結果驗證的最好方法，但無實測值時，可將簡單模式與高級模式的模擬結果對比，以判斷簡單模式的適宜性。筆者以某低風速頻率較高的內陸廠址為例，針對虛擬的天然蒸發池，分別采用一維虛點源法和三維拉格朗日高斯煙團模式CALPUFF，模擬計算廠址80 km半徑范圍內的年均大氣彌散因子，并對結果進行了對比分析，以期為位于類似廠址的蒸發池等地面面源的年均大氣彌散計算和后續環境影響評價提供參考。

1 計算模型和輸入數據

1．1 虛源法 虛源法將面源近似簡化為位于一定上風向位置的虛擬點源，面源在下風向造成的濃度分布可認為是該虛點源的貢獻［7］。橫風向源寬可近似看作虛點源擴散在源位置產生的煙羽寬度，因而可對虛點源采用高斯濃度公式。后退到源上風向的虛點源離面源的距離X'對應值σy的計算公式為:

式中，d為橫風向面源寬度，m。

地面釋放源長期彌散因子計算公式:

對于蒸發池這類地面面源，采用廠址10 m高度的風向、風速、大氣穩定度三維聯合頻率以及廠址實際擴散參數來計算年均大氣彌散因子。由圖1可知，廠址低風速頻率較高，靜風頻率為14．4%，0．5 ～2 m/s的小風頻率高達 64．2%;最多風向為 WSW，風頻為19．8%，次多風向為 SW，風頻為12．1%。大氣穩定度以中性的D類為主，占60%，不穩定類(A、B、C)和穩定類(E、F)分別占22%和18%。圖2為根據廠址風洞試驗和數值模擬綜合得到的大氣擴散參數。受廠址復雜地形和建筑物擾動的影響，廠址大氣擴散參數較對應穩定度級別的P－G擴散參數明顯偏大。

1．2 CALPUFF模式 CALPUFF高斯煙團模式為美國國家環保署(USEPA)推薦的適用于長距離輸送和涉及復雜流動(如地形和土地利用變化導致的氣象場空間變化、小靜風、熏煙、環流等)近場應用的導則模式［3］。CALPUFF模式系統包括3個主要模塊:氣象模式CALMET可利用常規地面和探空氣象觀測資料，針對關心區域的地形、地表狀態等，利用質量守衡方程對風場進行診斷;輸送和擴散模式CALPUFF，利用CALMET輸出的風場和微氣象學參數，通過跟蹤從排放源釋放的離散煙團的運行來模擬煙團移動路徑上的擴散、轉化和清除;后處理模塊CALPOST用于計算平均濃度和沉積通量，輸出選定區域和時段的平均濃度和最大濃度等。CALPUFF采用各向同性分布的高斯煙團和沿風向拉伸的煙團兩種積分采樣方案來計算煙團的平流、輸送和擴散等。積分煙團模式適合中等尺度范圍，拉伸煙團模式適合局地尺度。空間某點的污染物濃度由源不斷釋放的煙團的擴散貢獻疊加得到。描述某一煙團在一個受體點的濃度貢獻的基本方程為:

式中，C為地面濃度;Q為一個煙團中污染物質量;σx、σy、σz分別為縱向、橫向和垂直方向的擴散參數，da、dc分別為縱向和橫向煙團中心距受體的距離;g為高斯方程中的垂直項;He為煙團中心距離地面的有效高度;h為混合層高度。公式(4)中的求和項代表了混合層頂和地面之間的多次反射。

CALPUFF模式的主體框架具有自然適應低風速條件擴散過程的能力，通過對常規算法做若干調整，如改變拉伸煙團的釋放方式、煙流抬升方式、近場效應的模擬方案和擴散參數的增長方式等，使其適應小靜風條件。CALPUFF采用二維數值積分算法來模擬面源下風向的濃度分布，其將多邊形面源的各個頂點轉化為順風向和橫風向坐標，采用兩個誤差函數的差值對橫風向進行積分，對于順風向，采用了更加有效和快速收斂的Romberg數值積分算法［3］。

針對研究區域，設置兩套模擬網格，均以虛擬蒸發池面源中心為投影中心，小尺度模擬區域為10 km×10 km，水平氣象網格距為100 m，采樣網格距為50 m，大尺度模擬區域為160 km×160 km，水平氣象網格距與采樣網格距均設為1 000 m。兩套模擬網格在垂直方向均劃分為10層，各層高度分別為20、40、80、160、300、600、1 000、1 500、2 200 和3 000 m。模式采用美國地質勘探局(USGS)提供的約90 m分辨率的地形高程資料和900 m分辨率的全球土地覆蓋數據，氣象資料包括投影中心200 km范圍內12個格點的NCEP地面氣象資料和每日4次的垂直廓線資料、廠址周邊13個常規地面站以及現場氣象鐵塔全年觀測資料。煙團擴散采用CALMET輸出的時空變化的微氣象學參數，根據相似性理論進行計算。

2 結果與分析

假定虛擬天然蒸發池的尺寸為300 m×200 m，簡化起見，假定蒸發池有效蒸發面積與實際面積相同。CALPUFF利用廠址區域全年逐時氣象資料結合面源排放情況，模擬得到全年逐時濃度場，將全年8 760 h的濃度場進行平均，并采用面積平均的方法將各扇區內的網格濃度轉換為相應的扇區平均值，以便與虛點源法的計算結果進行比較。

CALPUFF計算的廠址區域年均大氣彌散因子分布見圖3。高濃度區出現在地面面源周圍。受廠址區域較高的小靜風頻率的影響，地面面源在各方位的大氣彌散因子差別并不顯著，主要由于低風速條件下風向多變，煙羽的水平慢擺作用導致其在水平方向側向擴散很寬，近源處甚至能出現上風向擴散［8］，因而年均大氣彌散因子整體上并未像大風或中等風速條件表現出明顯的主導風向下風向的擴散優勢。此外，低風速條件下，風場易受局部地形等因素的影響，空間變化大，因而地形也會影響煙羽的擴散形態。由圖3可知，在丘陵山區地形有明顯起伏的地區，年均大氣彌散因子等值線與地形等高線對應較好，表明CALPUFF模式能夠較好地反映廠址區域復雜地形對大氣彌散的影響。

對比虛源法與CALPUFF計算的方位最大年均大氣彌散因子隨下風距離的變化(圖4)，可見，10 km以內，CALPUFF計算結果較虛源法更為保守。在0．5～1 km，CALPUFF計算結果是虛源法的2倍左右，隨著距離增加，二者差異逐漸減小;10～30 km，兩種方法計算結果相當;30～80 km，虛源法計算結果大于CALPUFF計算值，隨著距離增加，二者差異增大;30～40 km，虛源法計算結果較CALPUFF偏大0．5倍;而70～80 km，兩種方法計算結果相差達3倍左右。此外，虛源法基于高斯直線煙流模式，采用廠址單點氣象觀測資料來代表整個評價區域的氣象條件，廠址80 km半徑范圍內，其計算的方位最大年均大氣彌散因子均出現在主導風向下風向(即ENE方位)。《核安全導則》HAD 101/02《核電廠廠址選擇的大氣彌散問題》［9］指出，高斯煙羽模式的適用條件是氣象參數在時間和空間上大致相同，適用范圍大約為10 km，超出該范圍，其適用性就降低。隨著距離的增加，模式中通常采用的均勻性假設愈來愈不適用。因而，對于廠址區域地形復雜、低風速頻率較高、風場空間變化較大的情形，采用虛源法進行80 km范圍的大氣擴散計算本質上來說是不適宜的。CALPUFF這類三維拉格朗日軌跡類模式則可以滿足區域尺度的應用需求，反映煙羽擴散的時空變化特征。上述對比表明，對于環境影響評價中關注的方位最大彌散因子及其出現位置，基于高斯煙羽模式的虛源法由于不考慮低風速條件下污染物在近區的累積效應以及氣象條件的空間變化，因而其在小靜風頻率較高廠址的計算結果存在不保守情形，對于下墊面非平坦均一的情形，其預測的年均最大彌散因子出現位置與實際情況有所偏離。

虛源法與CALPUFF計算的各對應扇區年均大氣彌散因子之比隨下風距離和方位的變化分布見圖5。從中值分布來看，在45 km以內，虛源法計算結果整體上小于CALPUFF計算值，0．5～1 km扇區，中值偏低達1個量級左右，55～75 km，二者計算結果相當;在NE和ENE方位(即主導風向下風向)，兩種方法計算值相當，其他方位CALPUFF計算值更偏保守。主要由于CALPUFF煙團模式能更好地模擬小靜風條件下多方位的彌散，而虛源法這類高斯煙羽模式通常將污染物按照集中在主導風下風向輸送來處理，因而在其他方位會導致計算結果的偏低。整體來看，兩種方法計算值之比在各距離和各方位的離散達1個量級左右。

3 結論

目前，在核設施天然蒸發池等地面面源的環境影響評價中多采用基于高斯煙羽模式的虛源法。對于某些低風速頻率較高的內陸廠址，該方法在應用中有一些局限性。以我國某一低風速頻率較高的內陸廠址為例，分別采用基于一維高斯煙羽模式的虛源法和三維拉格朗日高斯煙團模式CALPUFF結合數值積分法，計算了某虛擬蒸發池的地面年均大氣彌散因子。結果表明，虛源法由于不考慮小靜風條件下污染物的近區累積效應和多方位彌散，因而在低風速頻率較高的廠址，對方位最大彌散因子和各扇區年均大氣彌散因子的計算結果存在不保守情形。對于復雜下墊面，虛源法預測的年均最大彌散因子出現位置與實際情況有所偏離。對于這類廠址，在評價蒸發池等面源的環境影響時，建議選擇其他適宜的大氣擴散模式和方法。

［1］王文靜，李杰，廉冰，等．核設施蒸發池對周圍環境的影響研究［C］//中國核學會輻射防護分會．輻射防護分會2012年學術年會論文集．中國核學會輻射防護分會，2012:196－199．

［2］劉克強，鄒長貴．天然蒸發池核素大氣遷移研究(英文)［J］．中國核科技報告，1997(00):991－1003．

［3］SCIRE J S，STRIMAITIS D G，YAMARTINO R J．A user’s guide for the CALPUFF dispersion model(version 5)［R］．Concord，MA:Earth Tech Inc，2000．

［4］朱好，蔡旭暉，張宏升，等．內陸丘陵河谷地區小風條件下的大氣擴散模擬研究［J］．環境科學學報，2011，31(3):613 －623．

［5］朱好，張宏升，蔡旭暉，等．CALPUFF在復雜地形條件下的近場大氣擴散模擬研究［J］．北京大學學報:自然科學版，2013，49(3):452 －462．

［6］MOLENKAMP C R，BIXLER N E，MORROW C W，et al．Comparison of average transport and dispersion among a Gaussian，a two-dimensional，and a three-dimensional model，NUREG/CR － 6853 ［R］．Washington，DC，2004．

［7］蔣維楣．空氣污染氣象學［M］．南京:南京大學出版社，2003:95－96．

［8］ARYA S P．Modeling and parameterization of near-source diffusion in weak winds［J］．Journal of Applied Meteorology，1995，34(5):1112 －1122．

［9］國家核安全局．HAD101－02核電廠廠址選擇的大氣彌散問題［S］．［出版地不詳］:［出版社不詳］，1987．