一种放射性核素水环境中迁移扩散分布式解耦计算方法与流程

1.本发明属于水体辐射防护及核事故后果评价领域，具体涉及一种放射性核素水环境中迁移扩散分布式解耦计算方法。


背景技术：

2.核事故后果评价是核设施应急计划和应急准备、应急防护行动决策的先决条件。为了及时高效地对核事故后果进行评价，需要监测放射性核素在水环境中的迁移扩散行为。
3.目前针对放射性核素在水环境中的迁移扩散行为，通常采用成熟商业软件进行数值模拟计算，主要通过将水动力运动方程和核素迁移扩散方程进行耦合计算以计算放射性核素在水环境中的迁移扩散参数，但水动力模型建立及验证繁琐，依赖充裕的输入参数数据，因此对环境要求比较高，应对快速评价放射性核素迁移扩散影响具有一定的局限性，导致核素迁移扩散模拟计算效率低。


技术实现要素：

[0004][0005]
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种放射性核素水环境中迁移扩散分布式解耦计算方法,在现有核素迁移扩散方程的基础上添加核素源项及核素固有特性(综合衰变系数)，针对放射性核素在水环境中的水动力运动方程和迁移扩散方程进行分布式解耦计算，快速分布式解耦模拟计算核素的迁移扩散规律，提高模拟计算效率，能够及时高效地模拟预测水环境中放射性核素迁移扩散行为规律，同时可应用于核事故后果评价，为核事故不同时期阶段的应急决策提供技术依据和支撑，具有一定的实用和应用价值。
[0006]
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种放射性核素水环境中迁移扩散分布式解耦计算方法，所述方法包括如下步骤：
[0007]
s1、对水动力模型涉及的控制方程进行模式修正，对水动力模型的输出按照预定的格式进行离散，形成流场分布式文件；
[0008]
s2、对核素迁移扩散模型增加输入数据存储模块和/或实时流场数据调用模块，所述核素迁移扩散模型首先判断所述水动力模型有无输出流场输出数据文件，若所述水动力模型有输出流场输出数据文件，则接收所述水动力模型输出的流场输出数据文件；
[0009]
s3、若所述水动力模型并未输出流场输出数据文件，则从目标区域直接调取现有实时流场数据，并对调取的实时流场数据进行处理，处理成预设格式；
[0010]
s4、对核素迁移扩散模型涉及的控制方程进行修正，开发并集成实时流场文本文件读取接口和核素迁移扩散解析流场数据文件接口，以实现分布式水环境核素水动力与核素迁移扩散过程的自动化计算。
[0011]
进一步,步骤s1包括从不可压缩流体运动的基本方程忽略物理量沿水深方向的变化，沿水深方向积分，得到修正后的水动力运动方程为
[0012]
连续性方程：
[0013][0014]
水流运动方程：
[0015][0016][0017]
其中：为相对基准面水位，m；h为水下地形高程，m；t为时间，s；ρ为水的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；c为谢才系数，m
1/2
/s；f为柯氏力系数，s-1
；τ
sx
,τ
sy
为风生应力；ex，ey为x，y方向广义的涡粘性系数，m2/s；u，v分别为x，y方向水深平均流速，m/s。
[0018]
进一步,所述水动力模型的输出为水下地形高程h、流速(u、v)。
[0019]
进一步,步骤s1还包括
[0020]
根据所述水动力模型计算域离散的网格编号id，采用设定的文件格式，按照随时间变化，每时刻排列输出水下地形高程h、流速(u、v)，并形成流场分布式文件。
[0021]
进一步,步骤s3包括若所述水动力模型并未输出流场输出数据文件，则从目标网站直接调取实时流场数据，并对调取的实时流场数据进行处理，处理成预设格式。
[0022]
进一步,所述目标网站包括国家海洋预报中心以及noaa。
[0023]
进一步,步骤s3包括若所述水动力模型并未输出流场输出数据文件，则从数据存储模块中调取若干相邻最近时刻的历史实时流场数据的平均值。
[0024]
进一步,步骤s3包括若所述水动力模型并未输出流场输出数据文件，则从数据存储模块中调取相邻最近时刻的历史实时流场数据。
[0025]
进一步,步骤s4包括对所述核素迁移扩散模型涉及的放射性核素迁移扩散方程添加放射性核素物质源项及核素固有特性修正后的放射性核素迁移扩散方程为
[0026][0027]
其中：h为水下地形高程，m；t为时间，s；液态流出物浓度；排放浓度；dx，dy为x，y方向扩散系数，m2/s；k为核素特有系数(衰变、吸附沉降)，d-1
；q为排放量，m3/s；u，v分别为x，y方向水深平均流速， m/s。
[0028]
进一步,所述核素特有系数k通过以下公式进行计算，k＝k
decay
+k
lm
,其中衰变作用t为核素半衰期，s；吸附沉降作用a
悬浮/颗粒
‑ꢀ
放射性核素a在悬浮物/颗粒物上的平衡浓度；a
水-放射性核素a在流体水中的平衡浓度。
[0029]
本发明的效果在于：采用本发明所公开的一种放射性核素水环境中迁移扩散分布式解耦计算方法，实时性高，精确度高，水域环境适用性广，能实时精确地反应滨海水环境中放射性核素的迁移扩散行为，能够及时高效地模拟预测水环境中放射性核素迁移扩散行为规律，同时可应用于核事故后果评价，为核事故不同时期阶段的应急决策提供技术依据
和支撑，具有一定的实用和应用价值。
附图说明
[0030]
图1是本发明实施例公开的一种放射性核素水环境中迁移扩散分布式解耦计算方法的方法流程图。
具体实施方式
[0031]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。
[0032]
实施例一
[0033]
如图1所示，本发明所公开的一种放射性核素水环境中迁移扩散分布式解耦计算方法，所述方法包括如下步骤：
[0034]
s1:基于开源流体力学模型，对水动力模型涉及的控制方程进行模式修正，对水动力模型的输出按照预定的格式进行离散，形成流场分布式文件。
[0035]
水动力模型涉及的控制方程为水动力运动方程采用通用的平面二维数学模型，从不可压缩流体运动的基本方程忽略物理量沿水深方向的变化，沿水深方向积分，即求得深度平均的平面二维水流运动方程。
[0036]
修正后的水动力运动方程为
[0037]
连续性方程：
[0038][0039]
水流运动方程：
[0040][0041][0042]
其中：为相对基准面水位，m；h为水下地形高程，m；t为时间，s；ρ为水的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；c为谢才系数，m
1/2
/s；f为柯氏力系数，s-1
；τ
sx
,τ
sy
为风生应力；ex，ey为x，y方向广义的涡粘性系数，m2/s；u，v分别为x，y方向水深平均流速，m/s。
[0043]
依据上述方程，对水动力模型的输出进行修正，将水动力模型计算出的水下地形高程h、流速(u、v)输出，并根据模型计算域离散的网格编号id，采用自定的文件格式，按照随时间变化，每时刻排列输出水下地形高程h、流速(u、v)，并形成流场分布式文件，方便核素迁移扩散模型对水动力模型的输出进行调用。
[0044]
s2:对核素迁移扩散模型增加输入数据存储模块和/或实时流场数据调用模块，所述核素迁移扩散模型首先判断所述水动力模型有无输出流场输出数据文件，若所述水动力模型有输出流场输出数据文件，则接收所述水动力模型输出的流场输出数据文件。
[0045]
s3:若所述水动力模型并未输出流场输出数据文件，则从目标区域直接调取现有实时流场数据，并对调取的实时流场数据进行处理，处理成预设格式。
[0046]
作为一种实施方式，若所述水动力模型并未输出流场输出数据文件，则从目标网
站直接调取实时流场数据，并对调取的实时流场数据进行处理，处理成预设格式后进行核素迁移扩散模拟计算，所述目标网站包括国家海洋预报中心以及noaa。
[0047]
由于在一般情况下，同一滨海水环境中，实时流场数据基本相同，或者是实时流场数据变化具有连续性，作为另一种实施方式，若所述水动力模型并未输出流场输出数据文件，则从数据存储模块中调取若干相邻最近时刻的历史实时流场数据的平均值。
[0048]
作为另一种实施方式，若所述水动力模型并未输出流场输出数据文件，则从数据存储模块中调取相邻最近时刻的历史实时流场数据。
[0049]
s3:对核素迁移扩散模型涉及的控制方程添加放射性核素物质源项及核素固有特性以进行修正，开发并集成水动力流场文本文件读取接口和核素迁移扩散解析流场数据文件接口，以实现分布式水环境核素水动力与核素迁移扩散过程的自动化计算。
[0050]
对所述核素迁移扩散模型涉及的放射性核素迁移扩散方程添加放射性核素物质源项及核素固有特性修正后的放射性核素迁移扩散方程为
[0051][0052]
其中：h为水下地形高程，m；t为时间，s；液态流出物浓度；排放浓度；dx，dy为x，y方向扩散系数，m2/s；k为核素特有系数(衰变、吸附沉降)，d-1
；q为排放量，m3/s；u，v分别为x，y方向水深平均流速， m/s。
[0053]
所述核素特有系数k通过以下公式进行计算，k＝k
decay
+k
lm
,其中衰变作用t为核素半衰期，s；吸附沉降作用a
悬浮/颗粒-放射性核素a在悬浮物/颗粒物上的平衡浓度；a
水-放射性核素a在流体水中的平衡浓度。
[0054]
迁移扩散方程添加放射性核素物质源项及核素固有特性能够提高模型数据拟合精度。
[0055]
通过上述实施例可以看出，本发明公开的一种放射性核素水环境中迁移扩散分布式解耦计算方法，针对放射性核素在水环境中的水动力运动方程和核素迁移扩散方程进行分布式解耦计算，能够快速计算核素的迁移扩散规律，提高模拟计算效率，通过对放射性核素迁移扩散方程进行优化，提高核素迁移扩散模拟精度，同时在水动力模型无法输出核素迁移扩散模型所需输入参数数据的情况下，引入外部现有输入参数数据或者存储的历史参数数据进行核素迁移扩散实时数值模拟计算。采用本发明的方法，实时性高，精确度高，水域环境适用性广，能够及时高效地模拟预测水环境中放射性核素迁移扩散行为规律，同时可应用于核事故后果评价，为核事故不同时期阶段的应急决策提供技术依据和支撑，具有一定的实用和应用价值。
[0056]
本发明所述的方法并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。