本發(fā)明屬于核環(huán)境檢測技術，具體的涉及一種評價突發(fā)事故狀態(tài)下不同半衰期核素的環(huán)境影響，對河道中多組分放射性核素濃度進行預報的快速計算方法。
背景技術：
近年來，為保障能源安全、優(yōu)化能源結構，國家制定了積極發(fā)展核電的能源政策，提出要在大型先進壓水堆核電站示范工程、高溫氣冷堆核電機組商業(yè)運行方面取得突破。核電站在突發(fā)事故期間會向海洋、河流、湖泊、水庫等環(huán)境水域排放放射性核素。核素在衰變過程中會發(fā)出α射線、β射線、γ射線以及x射線，從而對接觸核素的人體產(chǎn)生不同程度的危害。在大劑量照射情況下，神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、造血系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)和消化系統(tǒng)會受到嚴重損傷，出現(xiàn)細胞蛋白質(zhì)凝固、新陳代謝終止、甚至大量細胞立即死亡等危及生命安全的嚴重后果。與放射性核素在海域中輸運相比，其在河道中輸運時，受流域水量的限制，影響范圍更大，持續(xù)時間更長，安全性問題更突出。日本福島核電事故所引發(fā)的放射性核素泄漏使得核電站周圍80公里范圍內(nèi)的公眾受到超過安全閾值的輻射劑量的照射，20萬居民被迫從居住地撤離，對生態(tài)環(huán)境的影響將長達數(shù)十年。為保障流域的水安全，最大限度地發(fā)揮流域的生態(tài)服務功能，必須對突發(fā)事故狀態(tài)下核素的影響范圍進行快速預報，以便采取科學合理的應對措施，而河道中多組分放射性核素濃度的快速算法正是相關部門有效開展這些工作的重要技術支撐，對核電水安全評價與應對具有重要意義。
核電站排出的放射性核素種類較多，達數(shù)十種，比如氚、銫-137、鍶-90、鈷-60、碘-131等。不同核素的半衰期差別較大，比如碘-131的半衰期為8天，鈷-60的半衰期為5.27年，氚的半衰期12.43年，鍶-90的半衰期為28年，銫-137的半衰期30.17年。因此，對于同一河道，不同組分核素的影響程度存在較大差異。為了評價突發(fā)事故狀態(tài)下不同半衰期核素的環(huán)境影響，就需要快速預報多組分放射性核素的濃度分布。對于實際河道，由于地形與岸線十分復雜，已有的算法是采用純數(shù)值理論，比如有限差理論、有限元理論、有限體積理論，分別計算每種核素的濃度。這類算法的不足在于需要對每種核素所滿足的控制方程分別進行數(shù)值離散與求解。如果核素種類較多，計算時間會變得很長，難以滿足突發(fā)性核事故情況下快速預測的要求。因此，探索一種快速計算多組分放射性核素濃度的算法是核電水安全預報領域亟待解決的問題，對核電水環(huán)境風險評價具有十分重要的意義。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供了一種計算參數(shù)獲取精準并且計算速度快的河道中多組分放射性核素濃度預報的快速計算方法，其能夠通過對河道水深、二維向流速及相應各系數(shù)的獲取構建具有普適性的計算方式及模型，得到河道中多組分放射性核素的濃度分布。本發(fā)明的計算速度快、精度高，可適用于不同河道的計算模型構建。
本發(fā)明所采用的技術方案如下：
一種河道中多組分放射性核素濃度預報的快速計算方法，其特征在于所述計算方法包括；
首先利用數(shù)值算法計算不考慮衰變情形下河道中核素的濃度分布，并利用解析法將考慮衰變作用的核素濃度同不考慮衰變作用的核素濃度建立轉(zhuǎn)換關系，從而快速獲得河道中多組分放射性核素的濃度分布。
具體的講，所述計算方法進一步包括：
進行核素的濃度分布計算時，首先采用數(shù)值算法求解連續(xù)性方程、二維深度平均的水動力學方程，獲得河道的流速分布；所述數(shù)字算法包括有限差分法、有限元法或者有限體積法。
另外，所述計算方法進一步包括：
所述連續(xù)性方程為：
二維平均的水動力學方程包括：
x方向動量方程：
y方向動量方程：
其中：h為水深，t為時間變量，
一實施方式中，河道上游采用流量邊界條件，河道下游采用水位邊界條件，固壁采用自由滑移邊界條件。初始條件采用靜流條件即初始速度設置為0起算。
另一實施方式中，所述計算方法進一步包括：
進行核素的濃度分布計算時，其次在不考慮核素衰變作用，計算河道中核素濃度分布；
所述不考慮衰變情形下，核素濃度的控制方程、邊界條件、初始條件為：
c0(x，y，0)＝iδ(x-x0，y-y0)(6)
其中：c0為核素濃度，vt為紊動擴散系數(shù)，i為突發(fā)事故狀態(tài)下瞬間排放的核素強度，δ為狄拉克δ函數(shù)，(x0，y0)為排放點位置。
再一實施方式中，所述計算方法進一步包括：
進行核素的濃度分布計算時，最后通過數(shù)值算法求得無衰變核素濃度c0后，通過如下變換公式計算衰變速率為k(量綱為1/[時間量綱])的核素的濃度分布：
ck(x，y，t)＝c0(x，y，t)exp(-kt)(7)
其中k的量綱為1/時間量綱。
另外，所述設定水文條件為恒定流條件，h、u、vt只是空間位置(x，y)的函數(shù)。
本發(fā)明采用數(shù)值算法與解析方法相結合的思路，其預報河道中多組分放射性核素濃度的快速算法原理為：利用數(shù)值算法計算不考慮衰變情形下河道中核素的濃度分布，并利用解析法將考慮衰變作用的核素濃度同不考慮衰變作用的核素濃度建立轉(zhuǎn)換關系，從而快速獲得河道中多組分放射性核素的濃度分布。
本發(fā)明的有效果在于，該河道中多組分放射性核素濃度預報的快速計算方法計算參數(shù)獲取精準并且計算速度快的，其能夠通過對河道水深、二維向流速及相應各系數(shù)的獲取構建具有普適性的計算方式及模型，得到河道中多組分放射性核素的濃度分布。本發(fā)明的計算速度快、精度高，可適用于不同河道的計算模型構建。
下面結合具體實施方式對本發(fā)明做進一步的闡述。
具體實施方式
本發(fā)明預報河道中多組分放射性核素濃度的快速算法原理為：利用數(shù)值算法計算不考慮衰變情形下河道中核素的濃度分布，并利用解析法將考慮衰變作用的核素濃度同不考慮衰變作用的核素濃度建立轉(zhuǎn)換關系，從而快速獲得河道中多組分放射性核素的濃度分布。
具體算法過程如下：
首先，采用常規(guī)的數(shù)值算法，例如有限差分法、有限元法、有限體積法求解連續(xù)性方程、二維深度平均的水動力學方程，獲得河道的流速分布?？刂品匠膛c邊界條件如下：
連續(xù)性方程：
x方向動量方程：
y方向動量方程：
其中：h為水深，t為時間變量，
河道上游采用流量邊界條件，河道下游采用水位邊界條件，固壁采用自由滑移邊界條件。初始條件采用靜流條件起算，即初始速度設置為0。
其次，不考慮核素衰變作用，計算河道中核素濃度分布。不考慮衰變情形下，核素濃度的控制方程、邊界條件、初始條件為：
c0(x，y，0)＝iδ(x-x0，y-y0)(6)
其中：c0為核素濃度，vt為紊動擴散系數(shù)，i為突發(fā)事故狀態(tài)下瞬間排放的核素強度，δ為狄拉克δ函數(shù)，(x0，y0)為排放點位置。
第三步，通過數(shù)值算法求得無衰變核素濃度c0后，通過如下變換公式計算衰變速率為k(量綱為1/[時間量綱])的核素的濃度分布：
ck(x，y，t)＝c0(x，y，t)exp(-kt)(7)
變換公式(7)的推導過程如下：
對于河道中核素濃度的水環(huán)境風險評價，通?？紤]的水文條件為恒定流條件，因此h、u、vt只是空間位置(x，y)的函數(shù)。
衰變速率為k的核素的濃度控制方程、邊界條件以及初始條件為：
ck(x，y，0)＝iδ(x-x0，y-y0)(10)
令ck(x，y，t)＝ω(x，y，t)exp(-kt)，將其帶入方程式(6)-(8)式并利用h、u、vt只是空間位置(x，y)的函數(shù)，可得：
ω(x，y，0)＝iδ(x-x0，y-y0)(13)
方程式(9)-(11)式表明令ω(x，y，t)即為不考慮衰變的核素濃度c0(x，y，t)，可得出方程式(7)式成立。