固定點(diǎn)大氣湍流觀測計算核電廠地區(qū)大氣擴(kuò)散參數(shù)的方法

劉珂　鮑昕杰　楊杰　沙向東

（蘇州熱工研究院江蘇蘇州215004）

固定點(diǎn)大氣湍流觀測計算核電廠地區(qū)大氣擴(kuò)散參數(shù)的方法

劉珂鮑昕杰楊杰沙向東

（蘇州熱工研究院江蘇蘇州215004）

本文對在核電廠設(shè)置固定點(diǎn)湍流觀測點(diǎn)計算核電廠大氣擴(kuò)散參數(shù)的方法進(jìn)行介紹，并結(jié)合廣東大亞灣核電站計算結(jié)果進(jìn)行討論。計算結(jié)果表明該法計算的廠址區(qū)域擴(kuò)散參數(shù)與P-G擴(kuò)散參數(shù)基本相當(dāng)，說明該法對于當(dāng)?shù)貧廨d放射性污染物擴(kuò)散的防護(hù)有一定指導(dǎo)意義。

湍流觀測；邊界層；大氣擴(kuò)散參數(shù)；空氣污染；輻射防護(hù)

本文介紹一種相對經(jīng)濟(jì)且有可靠理論基礎(chǔ)的計算大氣擴(kuò)散參數(shù)方法，即通過在固定點(diǎn)進(jìn)行湍流觀測，依據(jù)大氣擴(kuò)散統(tǒng)計理論為基礎(chǔ)，通過統(tǒng)計分析湍流特征量特征值，計算得到有較好區(qū)域代表性的大氣擴(kuò)散參數(shù)。此外，本文也結(jié)合了該方法在大亞灣核電廠應(yīng)用實(shí)例的計算結(jié)果與P-G擴(kuò)散參數(shù)進(jìn)行對比分析，討論研究該方法的適用性及在分析核電廠大氣擴(kuò)散特征方面的應(yīng)用。

1　原理

三維超聲風(fēng)溫儀對風(fēng)速脈動的快速響應(yīng)以及對風(fēng)分量的敏感性，使其成為研究低層大氣湍流的理想工具。周期為1h左右的譜隙把大氣運(yùn)動分為大尺度運(yùn)動和湍流運(yùn)動量部分，這就決定了在處理湍流數(shù)據(jù)和分析湍流結(jié)構(gòu)時，湍流數(shù)據(jù)采樣尺度一般取約1h左右，采樣間隔高于1s。為兼顧采樣期間氣象條件的穩(wěn)定性，將整點(diǎn)前30min采樣作為一個數(shù)據(jù)組進(jìn)行分析。根據(jù)統(tǒng)計理論，湍流運(yùn)動這個隨機(jī)變量其取值雖隨時間和空間的變化極不規(guī)則，但它的統(tǒng)計特征量，如平均值、方差、相關(guān)系數(shù)等都有一定規(guī)律性，因此湍流結(jié)構(gòu)可以用這些統(tǒng)計特征量來描述，這樣可以通過固定點(diǎn)的湍流觀測分析得到試驗地區(qū)的湍流擴(kuò)散特征。

1.1計算方法

統(tǒng)計模式以大氣擴(kuò)散統(tǒng)計理論為基礎(chǔ)，尋求擴(kuò)散粒子關(guān)于時間和空間的概率分布，進(jìn)一步求出擴(kuò)散物質(zhì)濃度的空間分布和時間變化。根據(jù)大氣擴(kuò)散統(tǒng)計理論，粒子經(jīng)過時間為t的擴(kuò)散后，粒子的位移方差可以表示為歐拉譜函數(shù)形式：

帕斯奎爾曾提出一種即可以保留泰勒統(tǒng)計理論基本特征，又能夠使用易于測量的湍流量進(jìn)行參數(shù)化的方法。該方法從湍流相似性理論出發(fā)，直接從湍流量和時間尺度估算擴(kuò)散參數(shù)：

σx，σy及σz分別表示縱向擴(kuò)散，側(cè)向擴(kuò)散和垂直擴(kuò)散參數(shù)，σu，σv及σw為對應(yīng)風(fēng)向風(fēng)速漲落標(biāo)準(zhǔn)差。T是擴(kuò)散時間，Tx，y，z分別是三方向的拉格朗日時間尺度有關(guān)的特征時間。fx，y，z（T/Tx，y，z）分別為某一特定函數(shù)，已知fx，y，z(0)=1，上式可改寫為：x，y，z=Iu，v，w X fx, y，z(X/UTx，y，z)

1.2湍流特征量分析

大氣邊界層湍流的相似性理論指出：湍流速度漲落標(biāo)準(zhǔn)差遵守如下的相似性關(guān)系：

式中，ˉU是平均風(fēng)速。如果風(fēng)速廓線也遵守莫寧-奧布霍夫相似性，那么湍流度也遵守相似性，因此，在推算大氣擴(kuò)散參數(shù)值前，需根據(jù)大量湍流觀測試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到文中上述湍流特征值，并考查無因次湍流特征速度σu、v、w/u*隨穩(wěn)定度參數(shù)z/L的變化規(guī)律，以及湍流度隨風(fēng)速變化關(guān)系是否滿足相似性理論，這是根據(jù)此方法計算大氣擴(kuò)散參數(shù)的前提。

2　數(shù)據(jù)處理

2.1數(shù)據(jù)組篩選和野點(diǎn)剔除

對于大氣某物理量的一組湍流觀測是等精度的，因此，可以認(rèn)為在一組湍流原始資料中，若某一數(shù)據(jù)的偏差超過3倍標(biāo)準(zhǔn)方差，則該數(shù)據(jù)點(diǎn)視為“壞值”，俗稱“野點(diǎn)”，對該值予以剔除，并用相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)插值進(jìn)行補(bǔ)點(diǎn)。剔除野點(diǎn)需遵守如下規(guī)則：（1）每次剔除野點(diǎn)后，應(yīng)再進(jìn)行判別，直至剔除所有野點(diǎn)；（2）可能同時出現(xiàn)多個野點(diǎn)，應(yīng)先剔除最大者，再進(jìn)行判別；（3）當(dāng)一組湍流數(shù)據(jù)野點(diǎn)數(shù)目超過1%，舍棄該組數(shù)據(jù)。

2.2坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)

在湍流儀器安裝時，為減小儀器支撐結(jié)構(gòu)對氣流的擾動，將儀器對準(zhǔn)主導(dǎo)風(fēng)向，同時通過調(diào)整儀器萬向節(jié)，使儀器安裝垂直。儀器一經(jīng)安裝后，x、y、z方向固定不變。擴(kuò)散參數(shù)要求x為順風(fēng)向、y為側(cè)風(fēng)向、z為垂直風(fēng)向，因此在每組數(shù)據(jù)計算前，需根據(jù)本次試驗的主導(dǎo)風(fēng)向?qū)ψ鴺?biāo)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)[5]，使y方向和z方向風(fēng)速分量平均值為零，x、y、z方向遵循右手法則。

2.3趨勢項去除

對于緩慢的天氣系統(tǒng)變化或儀器系統(tǒng)的零點(diǎn)漂移，以及蓄電池供電電壓下降引入的噪聲，采用趨勢回歸的方法加以消除。一般的，一次回歸方法能夠有效地去除觀測系統(tǒng)的零點(diǎn)漂移或天氣系統(tǒng)的緩慢變化。但是，盡管其頻率范圍很低，仍可能與湍流譜的低頻段有交疊現(xiàn)象，這時采用二次回歸方程去除趨勢項。

3　試驗結(jié)果案例分析

3.1試驗結(jié)果

通過在大亞灣核電廠10m和80m高度設(shè)置三維超聲風(fēng)速儀，選取于2011年12月～2012年2月和2011年8月～9月開展了冬夏季現(xiàn)場湍流觀測試驗，根據(jù)試驗觀測數(shù)據(jù)計算大氣湍流特征量。為了通過實(shí)測湍流度確定大氣擴(kuò)散參數(shù)并能與實(shí)用穩(wěn)定度分類系統(tǒng)相銜接，使用前文章節(jié)中各穩(wěn)定度類別代表性湍流度用于推算大氣擴(kuò)散參數(shù)。廠址地區(qū)10m和80m高度各穩(wěn)定度類別代表性湍流度計算擴(kuò)散參數(shù)的具體典型值，依據(jù)Draxler方法估算廠址地區(qū)擴(kuò)散參數(shù)計算到的擴(kuò)散參數(shù)值。

3.2推算擴(kuò)散參數(shù)

為方便擴(kuò)散計算的程序使用，y、z的表達(dá)式以冪次律表達(dá)為:

此外，作為大氣彌散因子計算模式的輸入?yún)?shù)，需要得到對廠址區(qū)域有較好代表性的大氣擴(kuò)散參數(shù)，為此，對10m和80m高度計算得到的不同距離下風(fēng)向大氣擴(kuò)散參數(shù)值進(jìn)行平均后擬合得到可以代表廠址區(qū)域的大氣擴(kuò)散參數(shù)值。給出了最終推薦的廠址地區(qū)大氣擴(kuò)散參數(shù)值。

給出了推薦擴(kuò)散參數(shù)與P-G擴(kuò)散參數(shù)對比結(jié)果。

表1　大亞灣核電廠址計算擴(kuò)散參數(shù)系數(shù)值

表2　廠址地區(qū)大氣擴(kuò)散參數(shù)系數(shù)值

3.3結(jié)果討論

3.3.1除強(qiáng)不穩(wěn)定類天氣條件下的垂直擴(kuò)散參數(shù)，湍流觀測計算得到的擴(kuò)散參數(shù)值均大于P-G擴(kuò)散參數(shù)，這是由于此次試驗地區(qū)比P-G擴(kuò)散試驗地區(qū)的地形起伏略大造成，近區(qū)地形起伏造成局地擴(kuò)散能力增強(qiáng)，一方面有利于核電廠氣載放射性污染物的擴(kuò)散，同時也可能造成近區(qū)放射性煙羽最大落地濃度更接近排放點(diǎn)。

3.3.2廠址區(qū)域離岸流擴(kuò)散能力大于向岸流情形，但在極端穩(wěn)定情形下大氣擴(kuò)散參數(shù)值相差不大。由此可見，這主要是陸面地形起伏對局地擴(kuò)散能力加強(qiáng)造成的。

3.3.3由于低層受地形影響更為明顯，廠址區(qū)域低層大氣擴(kuò)散能力大于高層。

3.3.4廠址地區(qū)除在強(qiáng)不穩(wěn)定和不穩(wěn)定類天氣條件下，計算得到的垂直擴(kuò)散參數(shù)值在500m～1000m左右以遠(yuǎn)處較P-G擴(kuò)散參數(shù)偏小，其他穩(wěn)定度情形下，廠址地區(qū)大氣擴(kuò)散參數(shù)均大于P-G擴(kuò)散參數(shù)。

4　結(jié)語

4.1大氣擴(kuò)散參數(shù)作為輻射環(huán)境影響評價時一個重要的參數(shù)，其可靠性和合理性值得關(guān)注，而固定點(diǎn)湍流觀測具有較好的理論依據(jù)，在一定觀測時段內(nèi)可以獲得足夠多的觀測樣本，對于分析核電廠區(qū)域不同大氣穩(wěn)定層結(jié)的擴(kuò)散條件提供足夠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4.2固定點(diǎn)湍流觀測屬于歐拉觀測，計算得到的大氣擴(kuò)散參數(shù)在廠址區(qū)域的適用范圍有一定局限性，這是該方法的一個理論局限性，因此，在核電廠輻射環(huán)境影響評價計算中，建議結(jié)合示蹤試驗等其他試驗方法的計算結(jié)果，以期得到更為準(zhǔn)確的核電廠址區(qū)域大氣擴(kuò)散參數(shù)值。

[1]國家核安全局.核電廠廠址選擇的大氣彌散問題.核安全導(dǎo)則HAD 101/02,1987.

[2]吳艷標(biāo),陽繼紅,等.廣東西部地區(qū)的湍流強(qiáng)度及大氣擴(kuò)散參數(shù)探討[J].廣州環(huán)境科學(xué),1998,13(2)10-15.

[3]蔣維楣,周朝輔,等.平衡氣球探測研究山區(qū)流場特征和大氣擴(kuò)散參數(shù)[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,1986,5(2)212-218.