一种核设施废气择时排放的设计方法与流程

1.本发明涉及核环境大气扩散参数的估算技术，具体涉及一种核设施废气择时排放的设计方法。


背景技术：

2.在核设施的环境评价、设施设计以及日常生产的排放工作中，需要考虑厂址所在区域的大气稀释能力。扩散参数是评价厂址扩散稀释能力的综合指标，扩散参数对核设施排放时机具有重要的指导意义。
3.在实际工作中，扩散参数的估算一般采用以下方法：1)大气扩散示踪实验，在厂址释放大气示踪剂，依据采样结果估算主导风向下的大气扩散参数，该方法贴近实际，但实验周期长且费用较高，只能依据部分时段内的扩散情况对大气扩散参数进行估算，无法反映厂址全年不同气象条件下的扩散参数特征。2) 利用三维湍流观测设备，通过观测三维湍流脉动量估算扩散参数，该方法可以对一个完整的时间序列进行观测，因此可以得到完整的各类稳定度下的扩散参数。该方法相对大气扩散示踪实验更易实现，但三维湍流脉动观测设备价格高且易损坏，实际中也只用于数十天或几个月的观测，无法进行长时间的部署。大气边界层湍流脉动量还可采用常规铁塔气象观测资料通过湍流参数化方法计算。考虑到核设施一般配备常规气象观测塔，可以考虑采用气象塔观测资料估算实时扩散参数，进而指导核设施实时排放的系统。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种核设施废气择时排放的设计方法，采用核设施常规气象资料以及部分三维湍流观测资料，通过相似理论建立气象塔常规气象观测资料与三维湍流观测资料的相似性关系，对核设施所在区域的实时扩散参数进行估算，进而计算估算排放中实时的最大落地浓度，与预定限值比较后确定核设施是否进行排放。
5.本发明的技术方案如下：一种核设施废气择时排放的设计方法，包括如下步骤：
6.(1)选取核设施厂址气象塔常规气象观测资料和部分时段的三维湍流资料作为数据基础；
7.(2)建立核设施厂址气象塔常规气象观测资料和三维湍流资料的相似关系，并计算厂址粗糙度；
8.(3)以建立的相似关系计算厂址逐时的湍流脉动速度，同时计算对应时段的理查森数以及对应的混合长，进而计算相应的拉格朗日时间尺度；
9.(4)将步骤(3)中的逐时数据代入泰勒公式计算逐时扩散参数；
10.(5)根据得到的扩散参数和当前时刻风速计算造成的最大浓度，最大浓度低于设定限值时进行废气排放。
11.进一步，如上所述的核设施废气择时排放的设计方法，步骤(1)中所述的气象塔常规气象观测资料包括气象塔各层的风速、风向、温度，三维湍流脉动资料包括三维风速、温
度脉动。
12.进一步，如上所述的核设施废气择时排放的设计方法，步骤(2)中核设施厂址气象塔常规气象观测资料和三维湍流资料的相似关系建立方法如下：
13.根据大气边界层湍流的相似性理论，湍流脉动速度满足如下的相似性关系：
[0014][0015]
其中，σ
u,v,w
表示σu或σv或σw，分别为纵向、侧向和垂向湍流脉动速度，u
*
表示特征速度，根据不同情况应取不同参数，例如地面摩擦速度，f
u,v,w
(z/l,h/l) 为纵向、侧向和垂向三个方向对应的无因次函数，z为高度，h为大气边界层的特征尺度，l为莫宁—奥布霍夫长度：
[0016][0017]
其中，u
*
为特征速度，k为开尔曼常数，取0.38，θ为位温，w为垂向速度，θ’为温度脉动量，w’为垂向速度脉动量，
[0018]
只考虑核设施近地面层相似性关系函数如下：
[0019][0020]
这里u
*
取地面摩擦速度，对中性层结有：
[0021][0022]
湍流扩散强弱可以用三个方向的湍流度iu、iv、iw来度量，它们分别为：
[0023][0024]
其中，u是平均风速，如果风速廓线也遵守莫宁—奥布霍夫相似性，那么湍流度也遵守相似性，
[0025]
通过部分湍流观测数据以及常规气象观测资料，确定相似性关系的函数形式以及中性条件下a、b、c的取值。
[0026]
进一步，如上所述的核设施废气择时排放的设计方法，步骤(2)中，假定100米高度以下气层遵守近地面层规律：选取全年中性稳定度的风廓线资料，采用最小二乘法估算地面粗糙度。u2、u1分别为高度z2、 z1对应的风速，z0为地面粗糙度。
[0027]
进一步，如上所述的核设施废气择时排放的设计方法，步骤(3)中计算理查森数的方法如下：
[0028]
分别表示垂直方向上的风速梯度，表示位温梯度，可以由气象塔常规气象观测资料计算得到，稳定度函数sh、sm可表示为通量理查森数 rf的函数：
[0029]
[0030][0031]
其中，通量查森数rf由梯度理查森数ri求得：
[0032][0033]
其中，ch、cm、r
f1
、r
f2
为常数，r
fc
表示临界通量理查森数，ri≥0.191时， r
ifc
取常数0.2。
[0034]
进一步，如上所述的核设施废气择时排放的设计方法，步骤(3)中计算拉格朗日时间尺度的方法如下：
[0035]
l表征了影响污染物扩散湍涡尺度的大小，其计算结果为离地面高度z 与稳定度的变量：
[0036][0037]
其中，k＝0.38，sm为稳定度函数，
[0038]
格朗日时间尺度可以表示为，c
t
为常数：
[0039][0040]
t
lu
、t
lv
、t
lw
分别为水平u、水平v和w方向的拉格朗日时间尺度，u’、v’、 w’分别表示三个方向的湍流脉动速度。
[0041]
进一步，如上所述的核设施废气择时排放的设计方法，步骤(4)中计算扩散参数的方法如下：
[0042][0043]
式中，σi为水平或垂向扩散参数，σi为水平或垂向湍流脉动速度，t
l
为拉格朗日时间尺度，t为扩散时间。
[0044]
进一步，如上所述的核设施废气择时排放的设计方法，步骤(5)中所述最大浓度的计算方法如下：
[0045][0046]
其中，qm为最大浓度，q为释放率，u为风速，h为释放高度，e为自然常数，σz、σy分别为垂向和水平扩散参数。
[0047]
进一步，如上所述的核设施废气择时排放的设计方法，步骤(5)中所述限值由核设施根据其排放的特征核素进行设定。
[0048]
本发明的有益效果如下：本发明提供的核设施废气择时排放的设计方法，利用核设施自建的气象观测塔和数十天的湍流观测，获取基础数据，利用核设施常规观测数据和湍流观测数据建立的相似关系计算核设施湍流特征，采用常规观测资料推算扩散参数，使得扩散参数的实时获取成为可行，满足核设施对排放时机选择的需求。本发明将气象塔常规气象观测数据用于核设施排放时机决策，拓展了核设施气象塔数据的应用价值；相对于
大气扩散示踪实验与湍流观测估算扩散参数的方法，本发明可获得全年实时扩散参数的序列，为核设施排放时机提供决策依据，优化了核设施排放对周边环境造成的影响程度。
具体实施方式
[0049]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0050]
本发明采用核设施常规气象资料以及部分三维湍流观测资料，通过相似理论建立铁塔常规气象观测资料与三维湍流观测资料的相似性关系，对核设施所在区域的实时扩散参数进行估算。具体包括如下步骤：
[0051]
(1)选取厂址气象塔常规气象观测资料和部分时段的三维湍流资料作为数据基础，包括气象塔各层的风速、风向、温度和三维风速、温度脉动资料。
[0052]
(2)建立厂址气象塔常规观测资料和湍流资料的相似关系，并计算厂址粗糙度。
[0053]
假定100米高度以下气层遵守近地面层规律(如下式)，选取全年中性稳定度的风廓线资料，采用最小二乘法估算地面粗糙度：
[0054][0055]
其中，u2、u1分别为高度z2、z1对应的风速，z0为地面粗糙度。
[0056]
通过部分湍流观测数据及同期的气象塔常规气象观测资料，建立常规观测资料与湍流脉动量的相似性关系。根据大气边界层湍流的相似性理论，湍流速度涨落标准差满足如下的相似性关系：
[0057][0058]
这里σ
u,v,w
表示σu或σv或σw，分别是纵向、侧向和垂向湍流脉动速度，u
*
是某一恰当的特征速度，根据不同情况应取不同参数，例如地面摩擦速度。 f
u,v,w
(z/l,h/l)是三个方向对应的无因次函数，z是高度，h是大气边界层的特征尺度，l是莫宁—奥布霍夫长度：
[0059][0060]
其中，u
*
为无因次速度，k为开尔曼常数，取0.38，θ为位温，w为垂向速度，θ’为温度脉动量，w’为垂向速度脉动量，
[0061]
只考虑核设施近地面层相似性关系函数：
[0062][0063]
这里u
*
取地面摩擦速度，对中性层结有：
[0064][0065]
湍流扩散强弱可以用三个方向的湍流度来度量，它们分别为：
[0066][0067]
这里u是平均风速。如果风速廓线也遵守莫宁—奥布霍夫相似性，那么湍流度也遵守相似性。
[0068]
通过部分湍流观测数据以及常规观测资料，确定相似性关系的函数形式以及中性条件下a、b、c的取值。
[0069]
(3)以建立的相似关系计算厂址实时的湍流脉动量(湍流脉动速度)σu或σv或σw，同时计算该小时的理查森数以及对应的混合长l，进而计算相应的拉格朗日时间尺度。
[0070]
分别表示垂直方向上的风速梯度与位温梯度，可以由气象塔常规气象观测资料计算得到，sh、sm可表示为通量理查森数rf的函数：
[0071][0072][0073]
其中，通量查森数rf由梯度理查森数ri求得：
[0074][0075]
其中，ch、cm、r
f1
、r
f2
为常数，r
fc
表示临界通量理查森数，ri≥0.191时，r
ifc
取常数0.2。
[0076]
l表征了影响污染物扩散湍涡尺度的大小，其计算结果为离地面高度与稳定度的变量：
[0077][0078]
其中，k＝0.38，sm为稳定度函数，
[0079]
格朗日时间尺度可以表示为，c
t
为常数：
[0080][0081]
t
lu
、t
lv
、t
lw
分别为水平u、水平v和w方向的拉格朗日时间尺度，u’、v’、 w’分别表示三个方向的速度脉动速度。
[0082]
由以上关系可以计算出湍流脉动速度以及拉格朗日时间尺度的值。
[0083]
(4)将步骤(3)中的逐时数据代入泰勒公式计算逐时扩散参数。
[0084]
将计算逐时资料的湍流速度脉动速度以及拉格朗日时间尺度代入泰勒公式，求解相应时刻的扩散参数。泰勒公式如下：
[0085][0086]
式中，σi为水平或垂向扩散参数，σi为水平或垂向湍流脉动速度，t
l
为拉格朗日时间尺度，t为扩散时间。
[0087]
(5)以推算的扩散参数和当前时刻风速造成的最大浓度，最大浓度低于设定限值时进行排放，限值由核设施根据其排放的特征核素进行设定。
[0088]
由扩散参数和风速计算当前的最大落地浓度：
[0089][0090]
其中，qm为最大浓度，q为释放率，u为风速，h为释放高度，e为自然常数，σz、σy分别为垂向和水平扩散参数。
[0091]
由于不同核设施的特征核素有差别，根据核设施特征核素确定限值q
level
，当qm＜q
level
时进行排放。
[0092]
对于本领域技术人员而言，显然本发明的结构不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的标记视为限制所涉及的权利要求。
[0093]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。