東部區域核事故核素大氣擴散特征研究

郭瑞萍, 王瑞英, 岳峰, 李雯婷, 郜建偉

(生態環境部核與輻射安全中心, 北京 102401)

核電廠事故時放射性核素通過大氣環境釋放到環境中[1],排放到環境中的放射性核素在風和大氣湍流作用下不斷輸送和擴散,在短期內對環境產生大范圍的影響[2],氣態污染物在大氣中的擴散狀態取決于風向、風速、大氣湍流、氣溫的垂直梯度、大氣熱力學穩定度等氣象條件和以及事故周圍地區的地形條件[3];分析核事故情況下氣載放射性核素對周圍環境造成的輻射影響是開展核電廠環境影響評價、安全分析、輻射防護、核事故應急響應等工作的重要基礎[4]。

核事故發生后,通過分析放射性核素的擴散特征來評估放射性核素可能造成的輻射后果影響,研究放射性核素大氣擴散的基本方法有:大氣示蹤實驗、風洞模擬實驗、數學模型方法以及計算流體動力學(computational fluid dynamics ,CFD)[5-6]。數學模型方法具有較大優勢,基于數學模型方法建立的大氣擴散模式可實現快速評價核事故可能造成的輻射影響,常見的大氣擴散模型有高斯模型、拉格朗日模型以及歐拉模型[7],不同大氣擴散模型具有其優勢,適用于不同的模擬尺度,如高斯煙團大氣擴散模型CALPUFF[8]、混合單粒子拉格朗日積分軌跡模式HYSPLIT[9]、隨機游走粒子-煙團模式(random-walk particle-puff model,RPPM)[10]、拉格朗日-歐拉耦合模型[7]等。其中高斯大氣擴散模式因具有計算方法簡便快捷,被廣泛用于核事故大氣污染物的輸送擴散計算中,如高斯大氣煙羽模式(AMS/EPA regulatory model,AERMOD)、大氣擴散模式(atomspheric diffusion modeling,ADMS)、健康物理模型(health physics codes,HotSpot)和德國的高斯煙團擴散模型ATSTEP等[11]。在核電廠事故應急系統建立過程中,系統研究核電廠周圍區域性大氣流動的背景情況、污染物擴散情況至關重要,可應用中尺度氣象模式研究當地大氣流動[12],并結合大氣擴散模式分析大氣流動和氣載污染物中尺度擴散。胡嘯峰等[13-14]基于中尺度氣象模式WRF(weather research forecasting model)實現了對放射性物質大氣擴散模擬的環境輻射劑量的實時估算,并基于WRF模式研究了不同氣象條件下“臟彈”恐怖襲擊時污染物分布特征。黃昕等[15]建立的突發性大氣環境污染事件應急預警系統,該系統包括WRF模式、風場診斷模式CALMET和高斯煙團擴散模式CALPUFF,并用此系統模擬了2011年3月日本福島核事故,系統可以精確模擬事故濃度場變化。沈越等[16]通過整合WRF模式、HYSPLIT、ArcGIS等系統構建了核污染擴散單一合成圖系統,實現了對核污染應急處置的制信息權。

不同地區廠址條件差異造成事故輻射后果存在明顯差異。選擇中國東部沿海區域為研究對象,基于區域氣象場開展中國東部區域尺度核電廠事故時放射性核素大氣擴散特征模擬研究,建立區域尺度放射性核素大氣擴散計算方法,確定中國東部區域尺度和核電廠周邊尺度放射性核素大氣擴散空間分布特征,將為中國東部區域核電廠大氣環境影響評價和核事故后果評價提供技術參考。

1 計算方法和模型

WRF模型是美國研發的中尺度天氣預報模式,包括預處理系統、同化系統、動力內核以及后處理4個部分。可用于業務數值天氣預報,也可用于大氣數值模擬研究,包括數據同化研究、物理過程參數化研究、區域氣候模擬、空氣質量模擬、海氣耦合以及理想實驗模擬等。WRF模式通過設置模擬區域,利用氣象再分析數據驅動,生成研究區域所需的風速、風向和大氣穩定度等氣象要素。

大氣彌散因子(atmosphere diffusion factor,ADF)是評價廠址核事故時放射性核素大氣擴散能力的重要指標,核電廠事故大氣彌散因子采用高斯大氣擴散模式進行計算[式(1)],利用風速、風向、大氣穩定度等氣象要素,分別計算0～2、2～8、8～24、24～96、96～720 h不同時段的事故大氣彌散因子。

(1)

(2)

2 計算參數

WRF模式中設置的中國東部區域的模擬范圍為17°52′44″N～41°47′27″N,105°38′52″E～128°21′3″E,模擬區域中心點經緯度坐標為30°N,117°E,網格分辨率為東西向40個網格,南北向54個網格,每個網格的格距為50 km(圖1),計算網格共計2 160 個。選擇再分析氣象數據(final reanalysis data,FNL )驅動WRF模式,FNL數據是由美國氣象環境預報中心和美國國家大氣研究中心制作的全球氣象再分析數據,網格分辨率為1°×1°,FNL數據的模擬時間為2015年1月1日—12月31日。利用WRF模式模擬東部區域的氣象場,氣象場范圍覆蓋防城港、昌江、陽江、臺山、大亞灣、福清、田灣、寧德、秦山、海陽、紅沿河、三門12個核電廠(圖1)。利用研究區域每個網格模擬獲得的氣象要素場進行區域尺度每個網格事故時大氣擴散模擬計算得到區域大氣彌散因子。針對12個核電廠所在的網格開展核電廠周邊尺度大氣彌散因子計算,得到核電廠大氣彌散因子。

圖1 模式計算網格及核電廠點位分布Fig.1 Model calculation grid and nuclear power plant point distribution

3 計算結果分析

3.1 氣象場特征

核事故情景下放射性核素的擴散特征與核電廠所在區域氣象場分布密切相關。不同核電廠受廠址特征和氣候條件影響,其氣象場特征存在顯著差異。圖2給出紅沿河核電廠、三門核電廠和陽江核電廠在大氣穩定度D條件下的風速風向發生頻率。可以看出,紅沿河SW風向的發生頻率(12.0%)最高,三門NNE風向的發生頻率(13.9%)最高,陽江NNE風向的發生頻率(15.4%)最高。其他核電廠如防城港NNE風向的發生頻率(11.7%)最高,昌江S風向的發生頻率(7.7%)最高,臺山S風向的發生頻率(12.1%)最高,大亞灣SSW風向的發生頻率(10.2%)最高,福清SSW風向的發生頻率(12.6%)最高,田灣S風向的發生頻率(12.1%)最高,寧德NNE風向的發生頻率(14.3%)最高,秦山ESE風向的發生頻率(6.9%)最高,海陽SSW風向的發生頻率(9.2%)最高。

圖2 3個核電廠風速風向發生頻率Fig.2 Frequency of wind speed and direction occurrence in three nuclear power plants

3.2 區域大氣彌散因子

區域大氣彌散因子可以綜合反映出東部區域放射性核素的大氣擴散能力和空間分布特征。圖3中給出了區域每個計算網格中心點周邊500 m處0～2、2～8、8～24、24～96、96～720 h以及年平均的大氣彌散因子空間分布。0～2、2～8、8～24、24～96、96～720 h以及年平均大氣彌散因子的變化范圍依次為6.00×10-5～1.54×10-3、4.20×10-5～7.90×10-4、2.80×10-5～4.34×10-4、1.60×10-5～2.10×10-4、7.20×10-6～8.30×10-5、2.20×10-6～2.67×10-5s/m3。不同時段大氣彌散因子的高值區域均主要分布在計算區域的西部和東北部,不同時段0～2、2～8、8～24、24～96、96～720 h的區域平均大氣彌散因子分別為2.3×10-4、1.36×10-4、8.61×10-4、4.37×10-5、1.71×10-5和5.58×10-6s/m3。

圖3 區域計算網格中心點500 m處不同時間段大氣彌散因子(ADF)分布Fig.3 Distribution of atmospheric diffusion factors(ADF)at different time periods at 500 m from the center point of the regional computing grid

圖4中給出了每個區域計算網格中心點周邊5 000 m處0～2、2～8、8～24、24～96、96～720 h以及年平均的大氣彌散因子空間分布圖。不同時間段0～2、2～8、8～24、24～96、96～720 h以及年平均大氣彌散因子的變化范圍依次為1.00×10-6～2.81×10-4、1.20×10-6～7.36×10-5、8.00×10-7～3.32×10-5、5.00×10-7～1.07×10-5、2.10×10-7～3.30×10-6、1.00×10-8～7.98×10-7s/m3。不同時段2～8、8～24、24～96、96～720 h大氣彌散因子的高值區域均主要分布在計算區域的西部和東北部,但0～2 h的大氣彌散因子分布沒有明顯的高值區域。不同時段0～2、2～8、8～24、24～96、96～720 h的區域平均大氣彌散因子分別為1.57×10-5、8.26×10-6、4.73×10-6、2.07×10-6、6.56×10-7s/m3。

圖4 區域計算網格中心點5 000 m處不同時間段大氣彌散因子(ADF)分布Fig.4 Distribution of atmospheric diffusion factors (ADF) at different time periods at 5 000 m from the center point of the regional computing grid

3.3 核電廠大氣彌散因子

圖5～圖7分別給出了紅沿河、三門和陽江不同核電廠距離網格中心點500 m和5 000 m處0～2 h大氣彌散因子隨方位的分布特征,由圖可知,紅沿河核電廠500 m和5 000 m處大氣彌散因子變化范圍分別為3.56×10-6～1.97×10-4s/m3和1.21×10-7～1.32×10-5s/m3;三門核電廠500 m和5 000 m處大氣彌散因子變化范圍分別為1.72×10-6～1.97×10-4s/m3和5.95×10-8～1.31×10-5s/m3;陽江核電廠500 m和5 000 m處大氣彌散因子變化范圍分別為1.36×10-6～1.25×10-4s/m3和2.56×10-8～6.97×10-6s/m3。

圖5 紅沿河核電廠區域中心點500 m和5 000 m處 不同時段大氣彌散因子分布Fig.5 Distribution of atmospheric diffusion factors at different time periods at 500 m and 5 000 m of the regional center of Hongyanhe Nuclear Power Plant

圖6 三門核電廠區域中心點500 m和5 000 m處 不同時段大氣彌散因子分布Fig.6 Distribution of atmospheric diffusion factors at different time periods at 500 m and 5 000 m of the regional center of Sanmen Nuclear Power Plant

圖7 陽江核電廠區域中心點500 m和5 000 m處 不同時段大氣彌散因子分布圖Fig.7 Distribution of atmospheric diffusion factors at different time periods at 500 m and 5 000 m of the regional center of Yangjiang Nuclear Power Plant

其他核電廠如防城港核電廠500 m和5 000 m處大氣彌散因子變化范圍分別為1.79×10-6～2.25×10-4s/m3和4.85×10-8～1.24×10-5s/m3,昌江核電廠500 m和5 000 m處大氣彌散因子變化范圍分別為4.23×10-6～3.00×10-4s/m3和8.86×10-8～1.79×10-5s/m3,臺山核電廠500 m和5 000 m處大氣彌散因子變化范圍分別為0～1.39×10-4s/m3和0～8.08×10-6s/m3,大亞灣核電廠500 m和5 000 m處大氣彌散因子變化范圍分別為0～1.69×10-4s/m3和0～1.03×10-5s/m3,福清核電廠500 m和5 000 m處大氣彌散因子變化范圍分別為1.75×10-6～2.37×10-4s/m3和4.51×10-8～1.43×10-5s/m3,田灣核電廠500 m和5 000 m處大氣彌散因子變化范圍分別為7.78×10-6～2.46×10-4s/m3和2.82×10-7～1.70×10-5s/m3,寧德核電廠500 m和5 000 m處大氣彌散因子變化范圍分別為3.26×10-6～2.01×10-4s/m3和1.02×10-7～1.23×10-5s/m3,秦山核電廠500 m和5 000 m處大氣彌散因子變化范圍分別為5.24×10-6～2.34×10-4s/m3和2.12×10-7～1.16×10-4s/m3,海陽核電廠500 m和5 000 m處大氣彌散因子變化范圍分別為4.43×10-6～1.52×10-4s/m3和1.35×10-7～9.68×10-6s/m3。

不同核電廠距離中心點500 m處0～2 h大氣彌散因子平均值變化范圍在10-5～10-4s/m3量級,如防城港核電廠為1.43×10-4s/m3,昌江核電廠為1.66×10-4s/m3,陽江核電廠為7.27×10-5s/m3,臺山核電廠為8.22×10-5s/m3,大亞灣核電廠為1.06×10-4s/m3,福清核電廠為1.16×10-4s/m3,田灣核電廠為1.85×10-4s/m3,寧德核電廠為1.39×10-4s/m3,秦山核電廠為1.66×10-4s/m3,海陽核電廠為1.12×10-4s/m3,紅沿河核電廠為1.27×10-4s/m3,三門核電廠為1.26×10-4s/m3。

不同核電廠距離中心點5 000 m處0～2 h大氣彌散因子平均值變化范圍在10-6～10-5s/m3量級,如防城港核電廠為6.88×10-6s/m3,昌江核電廠為8.24×10-6s/m3,陽江核電廠為2.81×10-6s/m3,臺山核電廠為3.81×10-6s/m3,大亞灣核電廠為5.86×10-6s/m3,福清核電廠為6.29×10-6s/m3,田灣核電廠為1.21×10-5s/m3,寧德核電廠為8.00×10-6s/m3,秦山核電廠為1.74×10-5s/m3,海陽核電廠為6.40×10-6s/m3,紅沿河核電廠為7.78×10-6s/m3,三門核電廠為8.17×10-6s/m3。

4 結論

以中國東部區域為研究區域,利用WRF氣象預報模式和高斯大氣擴散模式分析了東部區域范圍和不同核電廠廠址的事故大氣彌散因子分布特征,得出如下主要結論。

(1)在中性穩定度下,各核電廠的主導風向發生頻率從高到低依次為陽江>寧德>三門>福清>田灣>臺山>紅沿河>防城港>大亞灣>海陽>昌江>秦山,主導風向依次為NNE、NNE、SSW、S、S、 SW、NNE、SSW、SSW、 S、 ESE。

(2)東部區域計算網格中心點周邊500 m和5 000 m處大氣彌散因子的最大值均出現在0～2 h時段,最大值分別為1.54×10-3s/m3和2.81×10-4s/m3;最大值主要出現在計算區域的西部地區。

(3)不同核電廠距離中心點500 m處0～2 h大氣彌散因子最大值從高到低依次為:昌江>田灣>福清>秦山>防城港>寧德>紅沿河、三門>大亞灣>海陽>臺山>陽江;距離中心點5 000 m處0～2 h大氣彌散因子最大值:秦山>昌江>田灣>福清>紅沿河>三門>防城港>寧德>大亞灣>海陽>臺山>陽江。

(4)不同核電廠距離區域中心點500 m處的大氣彌散因子最大值在10-4s/m3量級,距離區域中心點5 000 m處的大氣彌散因子最大值在10-6～10-4s/m3量級。對同一核電廠而言,其500 m和5 000 m處的大氣彌散因子最大值相差約一個量級。