Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Прогнозирование радиационной обстановки при выбросах радио активных веществ в атмосферу 19
1.1. Математические модели распространения примесей в погранич ном слое атмосферы 19
1.1.1 Факторы, определяющие рассеяние примесей 19
1.1.2 Использование уравнений механики сплошной среды для описания рассеяния примесей 27
1.1.3 Полуэмпирические модели 29
1.1.4 К-теория 32
1.1.5 Гауссовы модели рассеяния примесей 37
1.1.6 Стохастические модели 40
1.2 Методы расчета воздействия ионизирующего излучения 43
1.2.1 Пути воздействия ионизирующего излучения на человека 43
1.2.2 Основные дозиметрические величины 44
1.2.3 Мощность эквивалентной дозы, обусловленной наличием радионуклидов на подстилающей поверхности 48
1.2.4 Мощность внешней эквивалентной дозы, сформированной радиоактивным облаком 51
1.2.5 Мощность эквивалентной дозы, обусловленной вдыханием радиоактивных веществ 53
1.3 Требования к информационному обеспечению для поддержки принятия решений при аварийных выбросах радиоактивных веществ в атмосферу 54
Глава 2. Комплексная стохастически - детерминистическая модель распространения радиоактивных примесей в атмосфере и расчета индивиду альных доз облучения 59
2.1 Математическая формулировка модели 59
2.2 Численная формулировка модели 61
2.3 Идентификация параметров и верификация модели 70
2.3.1 Параметры турбулентной диффузии 70
2.3.2 Вымывание частиц осадками 77
2.3.3 Гравитационное оседание 79
2.3.4 Взаимодействие с подстилающей поверхностью 81
2.3.5 Моделирование аварийного выброса на РХЗ СХК... 85
Глава 3. Структура геоинформационного экспертно - моделирующего комплекса для оценки последствий выбросов радиоактивных веществ в атмосферу 89
3.1 Структура 89
3.2 Геоинформационная система 94
3.2.1 Системы координат для определения положения объектов 94
3.2.2 Реципиенты радиационного риска 95
3.2.3 Потенциально-опасные объекты 97
3.2.4 Цифровые модели местности и радиационной обстановки 98
3.3 Экспертно-аналитическая система 102
3.4 Моделирующая система 106
3.5 Методика использования геоинформационного экспертно-моделирующего комплекса 107
Глава 4. Программный комплекс «АРИА» для прогнозирования и оценки последствий выбросов радиоактивных веществ в пограничный слой атмосферы 110
4.1 Основные характеристики 110
4.2 Реализация в рамках объектно-ориентированного подхода 112
4.3 Руководство пользователя 119
4.3.1 Главное окно программы 119
4.3.2 Управление объектами ГИС и параметрами моделирования 121
4.3.3 Настройки и текущая информация о выполнении расчета 125
АЗА Окна 126
4.3.5 Управление расчетом 129
4.3.6 Пункт меню «Анализ» 129
4.4 Применения ГИЭМК «АРИА» для проведения анализа радиационной обстановки 133
Заключение 136
Список использованных источников 138
Приложение 150
- Методы расчета воздействия ионизирующего излучения
- Идентификация параметров и верификация модели
- Системы координат для определения положения объектов
- Реализация в рамках объектно-ориентированного подхода
Введение к работе
Актуальность работы. Попадание вредных веществ в приземный слой атмосферы возможно как при штатной работе предприятий, так и в результате аварийных ситуаций. Аварийные выбросы могут привести к опасному для здоровья населения загрязнению окружающей среды. Основная задача подразделений гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций, других служб заключается в оперативной ликвидации последствий выбросов, минимизации воздействия вредных веществ на население и персонал предприятий. Для принятия решения необходимо иметь возможность оперативно получать прогнозную оценку степени воздействия вредных веществ на население и окружающую среду. Прогнозная оценка сложившейся обстановки невозможна без информации о характере аварии, топографических данных, текущих метеоусловиях. Сведения, поступающие персоналу, ответственному за принятие решений по ликвидации последствий и минимизации воздействия вредных веществ, в условиях стресса и дефицита времени, нередко противоречивы. Соответственно, решения, принимаемые в этих условиях, могут быть неадекватными. Повышение оперативности и эффективности действии аварийных служб возможно с использованием специализированных информационных систем поддержки принятия решений.
Информационная система поддержки принятия решений по минимизации последствий выбросов радиоактивных веществ в атмосферу должна предоставлять возможность хранения и обработки разнородных меняющихся с течением времени данных, оперативно прогнозировать и анализировать радиационную обстановку, поддерживать принятие решений по проведению радиационной защиты населения. Пространственный характер данных, необходимость их визуализации, анализа и работы с электронными картами местности приводят к необходимости применения геоинформационных систем при оценке последствий загрязнения окружающей среды [1 - 3]. Прогнозирование рассеяния радиоактивных примесей в атмосфере и расчет доз должны осуществляться на основе адекватных математических моделей. Исходными данными для моделей долж-
ны являться сведения, которые могут быть известны непосредственно при возникновении аварии и не требуют проведения дополнительных расчетов [4, 5]. Результаты расчетов должны отображать динамику изменения радиационной обстановки на карте местности, предоставляться в графическом, текстовом и табличном видах. Анализ радиационной обстановки должен проводиться на основе сопоставления полученных данных с принятыми критериями радиационной безопасности населения. Рекомендации должны вырабатываться в соответствии с требованиями нормативных документов. Требования представляют собой набор эвристических данных, которые могут быть формализованы с помощью логических правил. Возможности работы с эмпирическими и эвристическими данными предоставляются экспертными системами [6, 7]. Таким образом, информационная система оценки последствий выбросов радиоактивных веществ в атмосферу должна содержать геоинформационную, моделирующую и экспертную системы.
Количественное описание распространения радиоактивных веществ в атмосфере и их воздействие на население возможно на основе адекватной физико-математической модели. Модель должна описывать процессы, определяющие рассеяние примесей в атмосфере и воздействия ионизирующего излучения на население: ветровой перенос, турбулентную диффузию, гравитационное оседание, вымывание осадками, взаимодействие с подстилающей поверхностью, радиоактивный распад, внешний и внутренний пути формирования дозы. Кроме этого, модель должна позволять учитывать свойства подстилающей поверхности, параметры выброса, состояние устойчивости атмосферы, зависимость скорости и направления ветра с высотой, свойства радионуклидов.
В настоящее время для прогнозирования рассеяния примесей в атмосфере существуют модели, основанные на уравнениях механики сплошной среды [8 -И], полуэмпирические модели [8, 10, 12], стохастические модели [13 -28]. Использование уравнений механики сплошной среды позволяет получить распределение радиоактивных примесей с учетом неоднородности поля скорости ветра в горизонтальном и вертикальном направлениях, шероховатости подсти-
7 лающей поверхности, изменения устойчивости атмосферы. При этом прогнозирование рассеяния примесей в атмосфере основано на данных, требующих множества замеров направления и скорости ветра, температуры. Трудности, связанные с обеспечением начальными данными и большие затраты машинного времени для решения уравнений делают нецелесообразным применение этих моделей в условиях аварийной обстановки, требующей проведения оперативных прогнозных расчетов.
Модели, основанные на значительных упрощающих допущениях, образовали класс полуэмпирических моделей описания рассеяния примесей в атмосфере, например, К-модели [12, 29 - 31] или гауссовы модели [12, 29, 30, 32, 33]. В основе К-моделей лежит уравнение турбулентной диффузии [30], в котором зависимость переноса примесей от состояния устойчивости атмосферы описывается тензором коэффициентов турбулентной диффузии. Аналитическое решение уравнения возможно при постоянных коэффициентах турбулентной диффузии. В других случаях, задача сводится к определению вида тензора и численному решению уравнения турбулентной диффузии [34, 35]. Гауссовы модели основаны на предположении о нормальном распределении примеси в пространстве в любой момент времени. Исходными данными гауссовых моделей являются скорость и направление ветра в точке выброса, класс устойчивости атмосферы, высота и мощность выброса. Эти данные не требуют множества замеров или проведения дополнительных расчетов. Гауссовы модели позволяют оперативно рассчитывать распределение примесей в приземном слое атмосферы с учетом гравитационного оседания, радиоактивного распада, вымывания осадками, шероховатости подстилающей поверхности. В настоящее время гауссовы модели являются моделями, рекомендованными МАГАТЭ для прогнозирования распространения примесей при возникновении аварийных ситуаций [36]. Недостатками полуэмпирических моделей являются использование упрощающих предположений значительно снижающих достоверность прогнозных расчетов. Кроме этого, гауссовы и К-модели не позволяют рассчитать наземные концентрации загрязняющих веществ, учитывать изменения метеоусло-
8 вий с течением времени, сложный рельеф и неоднородности свойств подстилающей поверхности.
Стохастические модели основаны на построении траекторий ансамбля случайно блуждающих частиц [37]. Исходными данными для использования этих моделей также как и для гауссовых моделей являются: скорость ветра в точке выброса, параметры источника, мощность выброса, метеоусловия. Стохастические модели позволяют определять удельную плотность загрязнения атмосферы. Данные модели можно обобщить для расчета наземных концентраций примесей и внешнего и внутреннего воздействия излучения радионуклидов на человека. При этом могут быть учтены процессы ветрового переноса, турбулентной диффузии, гравитационного оседания частиц примеси, вымывания их осадками, взаимодействия с подстилающей поверхностью, радиоактивный распад.
Прогнозирование последствий радиационной аварии сводится к последовательному решению задач определения концентраций радиоактивных веществ в окружающей среде и расчету доз. Но в случае аварийного выброса информация о дозовых нагрузках должна быть доступна оперативному персоналу в самые ранние сроки [4, 5] в связи с необходимостью снижения уровней ингаляционного и внешнего облучения населения. Поэтому, необходима разработка комплексной математической модели, предназначенной для одновременного определения уровней загрязнения приземного слоя атмосферы и расчета доз.
В настоящее время разработано значительное количество информационных систем, предназначенных для решения различных задач, связанных прогнозированием распространения примесей в атмосфере. Например, экологический программный комплекс «Zone» [38], позволяющий рассчитывать рассеяние примеси в результате мгновенного и продолжительного выбросов, предназначен для оценки предельно допустимых концентраций. В рамках комплекса реализована модель рассеяния лагранжевых частиц [39]. Расчет доз отсутствует. Комплекс работает на персональном компьютере в операционной среде MS-DOS.
Программный комплекс «Чистый воздух - расчет рассеяния», разработанный ООО «Экологической фирмой «Лазурит», предназначен для проведения работ по экологической сертификации, паспортизации и аудиту [40]. Расчет рассеяния загрязняющих веществ проводится в соответствии с ОНД-86 [41].
Программный комплекс "Гарант-Универсал", разработанный НПО фирмой «Гарант» [42]. Расчет рассеяния вредных веществ проводится в соответствии с ОНД-86. Программный комплекс содержит программы, предназначенные для расчета рассеяния вредных веществ в воздухе, формирования проекта предельно допустимых выбросов, экологического паспорта предприятия, таблиц "Инвентаризации выбросов загрязняющих веществ в атмосферу" в соответствии со стандартными формами. В составе комплекса имеется программа "НУКЛИД", для расчетов полей среднегодовых концентраций радиоактивных веществ в приземном слое атмосферы, годовых выпадений на почву, а также доз облучения от среднегодовых концентраций радиоактивных веществ в атмосферном воздухе и от выпадений их на почву.
Система Recass - это система информационной поддержки решения задач чрезвычайных ситуаций, связанных с аварийным загрязнением окружающей среды. Основными задачами системы RECASS [43] являются сбор, обработка, систематизация и хранение данных мониторинга, представление результатов анализа состояния загрязнения на контролируемой территории, моделирование процессов распространения загрязняющих веществ в атмосфере, расчет индивидуальных и коллективных доз. В системе используются возможности геоинформационных систем, реализованы модели, основанные на разных методиках и, как следствие, имеющих разную оперативность. Система RECASS предназначена для работы в операционной среде UNIX с использованием стандартных средств MS Windows.
Программный комплекс «Призма» [44], разработанная в НПП «ЛОГУС», предназначена для автоматизированной поддержки принятия решений по формированию комплекса воздухоохранных мероприятий для предприятия на основе рассчитанных полей приземных концентраций. Предусмотрена возмож-
10 ность работы программного комплекса с ГИС ArcView/ArcInfo и САПР AutoCAD.
Система «Нострадамус» [45], разработанная в ИБРАЭ РАН, предназначена для расчета развития обстановки в результате аварий на ядерно-опасных объектах в реальном режиме времени. Расчет динамики концентраций происходит на основе лагранжевой стохастической модели рассеяния примесей. Поля концентраций используются для расчета доз. Система реализована для работы на персональном компьютере в операционных средах MS-DOS и MS-Windows.
Прикладная геоинформационная система PRANA [46], предназначена для поддержки принятия решений по реабилитации радиоактивно загрязненных территорий. Система представляет собой совокупность отдельных специализированных геоинформационных систем, применяемых для исследований моделей расчета доз, рисков, оптимизации структуры контрмер.
Таким образом, в настоящее время программные комплексы разрабатываются на основе геоинформационных или экспертных систем, в структуре которых присутствуют моделирующие блоки. С помощью программных комплексов решаются задачи нормирования выбросов предприятий, определения среднегодовых концентраций и значений доз, расчета приземных концентраций примесей и дозовых нагрузок населения в результате аварийных выбросов в атмосферу, анализа рисков населения. Расчеты проводятся с использованием моделей различной сложности, масштабности и оперативности. Однако, программного комплекса, интегрирующего возможности геоинформационных, моделирующих и экспертных систем для оперативной подготовки решений при аварийном выбросе радиоактивных веществ в атмосферу, используемого службами гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций, аварийно-техническими центрами не существует. В связи с этим существует необходимость разработки геоинформациошюго экспертно-моделирующего комплекса для оценки последствий выбросов радиоактивных веществ в атмосферу.
Целью диссертационной работы является повышение оперативности и адекватности прогнозирования, оценки последствий и эффективности выраба-
тываемых решений при выбросах радиоактивных веществ в атмосферу с помощью проблемно-ориентированного программного обеспечения. Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
Определить требования к информационному обеспечению для оценки последствий выбросов радиоактивных веществ в атмосферу и поддержки принятия решений по минимизации радиационного воздействия на население.
Разработать комплексную стохастически-детерминистическую модель распространения радиоактивных примесей в атмосфере и расчета индивидуальных доз облучения, формируемых нуклидами, находящимися в атмосфере и на подстилающей поверхности, при прямом пути воздействия.
3. Определить структуру и принципы взаимодействия функциональных час
тей геоинформационного экспертно-моделирующего комплекса для оценки по
следствий выбросов радиоактивных веществ в атмосферу.
4. Создать геоинформационный экспертно-моделирующий комплекс для
прогнозирования и оценки последствий выбросов радиоактивных веществ в ат
мосферу, работающий на персональном компьютере под управлением операци
онной системы MS Windows.
Методы решения задач включают в себя анализ требований, предъявляемых к программным средствам, предназначенным для информационного обеспечения при выбросе радиоактивных веществ в атмосферу; анализ физических процессов, определяющих распространение примесей в атмосфере и формирование доз; построение комплексной математической модели в рамках стохастически-детерминистического подхода; разработку структуры и принципов функционирования программного обеспечения, создание программного комплекса на основе современных информационных технологий.
Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Разработаны принципы взаимодействия геоинформационной, моделирующей и экспертной систем, позволяющие создать проблемно-ориентированный программный комплекс для оперативного проведения прогнозных расчетов и подготовки мер по защите населения с учетом характеристик местности, пара-
12 метров потенциально-опасных объектов и реципиентов радиационного воздействия.
На основе стохастически-детерминистического подхода создана комплексная модель распространения радиоактивных веществ в пограничном слое атмосферы и расчета доз облучения, позволяющая проводить прогнозные расчеты эволюции радиационной обстановки. Модель более полно, чем в рамках других полуэмпирических моделей, учитывает факторы, определяющие рассеяние примесей в атмосфере и загрязнение подстилающей поверхности, а также формирование индивидуальных доз.
Создан банк данных, позволяющий проводить прогнозные расчеты рассеяния примесей и индивидуальных доз при различных метеоусловиях и радио-нуклидных составах выбросов, с учетом особенностей местности на основе хранящихся в нем параметров комплексной стохастически-детерминистической модели, пространственных распределений характеристик подстилающей поверхности, параметров потенциально-опасных объектов и реципиентов радиационного воздействия.
Разработана методика прогнозирования и оценки последствий выбросов радиоактивных веществ в атмосферу, выработки рекомендаций о мерах защиты населения с помощью геоинформационного экспертно-моделирующего комплекса, позволяющая повысить оперативность и эффективность подготовки решений.
Положения, выносимые на защиту.
Структура и принципы функционирования геоинформационного экспертно-моделирующего комплекса, на основе которых могут быть созданы программные средства, позволяющие проводить оперативное прогнозирование развития радиационной обстановки при авариях, связанных с попаданием радиоактивных веществ в атмосферу, оценку последствий аварий и подготовку решений по их минимизации.
Комплексная стохастически-детерминистическая модель распространения радиоактивных примесей в пограничном слое атмосферы и расчета доз
13 внешнего и внутреннего облучения человека. Численная реализация модели,
позволяющая оперативно прогнозировать радиационную обстановку при выбросе радиоактивных веществ в атмосферу.
3. Геоинформационный экспертно-моделирующий комплекс «АРИА», позволяющий эффективно решать задачи оперативной оценки последствий выброса радиоактивных веществ в атмосферу и подготовки решений о мерах защиты населения, за счет интеграции возможностей геоинформационных, моделирующих и экспертных систем.
Практическая значимость работы. Созданный геоинформационный экспертно-моделирующий комплекс «АРИА» может использоваться сотрудниками аварийно-технических служб, комитетов охраны окружающей среды, подразделений гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций для:
прогнозирования пространственно-временных распределений радиоактивных веществ в пограничном слое атмосферы с учетом параметров источника выброса, состояния атмосферы, свойств подстилающей поверхности;
расчетов эквивалентных доз с учетом свойств радионуклидов, цепочек радиоактивного распада, внешних и внутренних путей воздействия на человека, суммарной активности и радионуклидного состава выброса;
анализа уровней радиоактивного загрязнения поверхности и доз облучения населения, зонирования загрязненных территорий;
подготовки рекомендаций о мерах, направленных на минимизацию последствий радиоактивных выбросов и улучшение экологической обстановки в районах расположения предприятий ядерно-топливного цикла;
создания баз данных последствий аварийных ситуаций, сопровождающихся выбросами радиоактивных веществ в атмосферу с учетом различных метеоусловий и параметров выбросов;
формирования практических навыков принятия решений и повышения квалификации специалистов в области защиты населения и территории от чрезвычайных ситуаций.
Предложенная функциональная структура геоинформационного экспертно-
14 моделирующего комплекса может использоваться при разработке других программных средств, предназначенных для оценки последствий загрязнения грунтовых и подземных вод радиоактивными и токсичными веществами.
Реализация и внедрение результатов работы.
Результаты работы нашли применение при выполнении госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работ в Северском государственном технологическом институте. Исследования поддерживались программами Минобразования, Миннауки, Минатома.
Созданный геоинформационный экспертно-моделирующий комплекс «АРИА» введен в эксплуатацию в Управлении администрации г Северск по делам защиты населения и территории от чрезвычайных ситуаций, Аварийно-техническом центре г. Северска, Комитете охраны окружающей среды и природных ресурсов г. Северска.
Достоверность полученных результатов обусловлена использованием общепризнанных теоретических представлений и законов, достаточной обоснованностью сделанных допущений, применением апробированных и надежных вычислительных алгоритмов, верификацией проблемно-ориентированного программного обеспечения и подтверждается сопоставлением с данными наблюдений, аналитическими расчетами и результатами, полученными другими авторами.
Личный вклад автора состоял в анализе процессов, определяющих распространение примесей в атмосфере и формирование индивидуальных доз облучения; создании стохастически-детерминистической модели; разработке ее численной реализации; анализе и обсуждении представленных в диссертации результатов. В ряде работ идеи были предложены М.Д. Носковым. При разработке программного комплекса «АРИА» использовались базовые классы геоинформационной системы, разработанные коллективом Лаборатории математического моделирования технологий ядерной промышленности СГТИ. Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на VIII научно-
технической конференции Ядерного общества России «Использование ядерной
энергетики: состояние, последствия, перспективы» (Екатеринбург - Заречный, 1997), международной конференции «Всесибирские чтения по математике и механике» (Томск, 1997), международной конференции «Сопряженные задачи механики и экологии» (Томск, 1998, 2000, 2002), международном симпозиуме «Контроль и реабилитация окружающей среды» (1998), II Русско-корейском симпозиуме по науке и технологии (Томск, 1998), III сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике (Новосибирск, 1998), IV всероссийском научно-техническом семинаре «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, 1998), Научно-практических конференциях СХК (Северск, 1999, 2003), отраслевой научно - технической конференции «Технология и автоматизация атомной энергетики» (Северск, 2000, 2001, 2003, 2004, 2005), межотраслевой научно-практической конференции «Современные проблемы атомной науки и техники» (Снежинск, 2000, 2003), Всеросийской научной школе «Математические методы в экологии» (Петрозаводск, 2001), международной конференции «Математические модели и методы их исследования» (Красноярск, 2001), III международной конференции «Проблема управления и моделирования в сложных системах» (Самара, 2001), международной конференции «Enviromis-2002» (Томск, 2002), III Всероссийской научно-технической конференции «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий» (Улан-Удэ, 2002), XII международной конференции-выставки «Информационные технологии в образовании» (Москва, 2002), II Научно-технической конференции «Научно-инновационное сотрудничество» (Москва, 2003), II международной конференции «Окружающая среда и экология Сибири, Дальнего Востока и Арктики» (Томск, 2003), XIV конференции Ядерного общества России «Научное обеспечение безопасного использования ядерных энергетических технологий» (Удомля, 2003), международной конференции «Физико-технические проблемы атомной энергетики и промышленности» (Томск, 2004), международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления» (Томск, 2004), IV сессии школы семинара
«Промышленная безопасность и экология» (Саров, 2004).
Публикации. По теме диссертации опубликованы: 3 статьи в реферируемых журналах, 16 статей в сборниках трудов, 18 тезисов докладов, 8 научных отчетов.
Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, четыре главы, заключение, два приложения, список используемой литературы из 147 наименований. Работа изложена на 159 страницах, содержит 39 рисунков и 12 таблиц.
В первой главе описаны основные закономерности распространения примесей в атмосфере и методы расчета воздействия ионизирующего излучения. Рассмотрены формы существования примесей в атмосфере, масштабы распространения, основные процессы рассеяния: ветровой перенос, турбулентная и молекулярная диффузия, гравитационное оседание, вымывание осадками, взаимодействие с поверхностью, вторичное взвихривание. Определены факторы, влияющие на характер среднемасштабного рассеяния примесей: параметры источника, степень устойчивости атмосферы, свойства подстилающей поверхности. Приведен краткий обзор детерминистических и стохастических моделей распространения примесей в атмосфере. Представлены основные дозиметрические величины, методы расчета внешней и внутренней мощности эквивалентной дозы. Проведен анализ современных информационных технологий и программного обеспечения, которое может быть использовано для поддержки принятия решений при выбросах загрязняющих веществ в атмосферу. Определены требования, предъявляемые к информационному обеспечению поддержки принятия решений по минимизации последствий выбросов радиоактивных веществ в атмосферу.
Вторая глава содержит описание комплексной стохастически -детерминистической модели распространения радиоактивных примесей в атмосфере и расчета индивидуальных мощностей доз облучения, формируемых радиоактивными выбросами при прямом пути воздействия рассеяния примесей в атмосфере. Распространение радиоактивных примесей описывается с помощью метода
17 частиц. Ветровой перенос и гравитационное оседание описывается с помощью
детерминистических закономерностей, турбулентная диффузия, взаимодействие с подстилающей поверхностью, вымывание осадками, вторичный подьем -с помощью стохастических. При расчете мощности дозы учитываются внешнее и внутреннее воздействие, обусловленное р- и у-излучением облака радиоактивных веществ, радионуклидов, расположенных на поверхности, а также в результате ингаляции радионуклидов. Приведены результаты верификации стохастически-детерминистической модели с помощью аналитических расчетов, модели Пасквилла-Гиффорда и данных наблюдений радиационной обстановки в следе аварийного выброса 1993г. на Сибирском химическом комбинате.
В третьей главе приведено описание структуры геоинформационного экс-пертно-моделирующего комплекса для оценки последствий выбросов радиоактивных веществ в атмосферу. Определены принципы функционирования и взаимодействия систем комплекса. Представлена методика использования комплекса, позволяющая повысить оперативность и адекватность прогнозирования и оценки последствий при выбросах радиоактивных веществ в атмосферу. Геоинформационная система должна состоять из цифровых моделей (ЦМ) местности, объектов-реципиентов, потенциально опасных объектов, радиационной обстановки, модуля общения и выполнять функции ввода, хранения и визуализации данных о районе расположения источника выброса. Моделирующая система должна содержать модули расчета распространения радиоактивных примесей и оценки воздействия ионизирующего излучения на население, а также модуль управления расчетом. Экспертная система должна выполнять функции анализа начальных данных, идентификации параметров расчетов, анализа радиационной обстановки, подготовки рекомендаций с помощью соответствующих модулей и баз данных параметров расчетов и нормативной информации и аварийных планов. Методика использования комплекса для оценки последствий выбросов радиоактивных веществ в атмосферу включает этапы предварительной подготовки информационных ресурсов, ввода и редактирования данных, моделирования, анализа радиационной обстановки.
18 В четвертой главе представлены характеристики программного комплекса
«АРИА» в соответствии с ГОСТ Р ИСО/МЭК 9126-23, дано описание программной реализации, описывается интерфейс пользователя, приведен пример применения комплекса для оценки последствий аварийного выброса 1993г. на РХЗ СХК. Программный комплекс «АРИА», разработан в среде программирования Borland C++ Builder Pro. 5.0 и представляет собой многопоточное проблемно-ориентированное программное обеспечение, предназначенное для работы на персональном компьютере под управлением операционной системы MS Windows. Синхронизация потоков данных в программном комплексе организована на основе обработки событий. Соответствие функциональных возможностей комплекса задачам прогнозирования и оценки последствий выбросов возможна с помощью классов, разработанных в рамках объектно-ориентированного подхода.
В заключении приводятся основные выводы по результатам работы.
Методы расчета воздействия ионизирующего излучения
Радиоактивные примеси являются источниками а-, р\ у- излучений (а излучение представляет собой поток ядер Hej, Р-излучение - электронов или позитронов, у-излучение - электромагнитные волны с длиной волны менее ,2м). Все виды ядерных излучений при прохождении через вещество взаимодействуют с ним. При этом независимо от вида излучения энергия излучения передается атомам вещества и затрачивается на их возбуждение и ионизацию. Поэтому а-, Р-, у- излучения называют ионизирующими излучениями. Ионизация атомов живого вещества может вызывать разрушение молекул и оказывать влияние на биохимическое функционирование клетки и организма в целом. Воздействие ионизирующего излучения на живой организм может происходить по прямому и непрямому пути. Прямое воздействие может происходить посредством внешнего и внутреннего облучения. Внешнее воздействие прямым путем происходит вследствие присутствия в воздухе или на земной поверхности радионуклидов, являющихся источниками излучения. При внешнем облучении а- частицы проникают через кожу на очень малую глубину (порядка нескольких десятков микрометров) и не представляют серьезной опасности. Внешнее воздействие р- и у- излучений приводит к поражению кроветворных и других внутренних органов. Внутреннее облучение прямым путем происходит при вдыхании радиоактивных частиц (ингаляционный путь). Облучение через дыхательные пути зависит от размеров частиц. Частицы размером менее 0,1 мкм не задерживаются в организме и удаляются при выдохе вместе с воздухом [101]. При размерах от 0,1 до 5мкм частицы могут задерживаться и оседать в легких. Частицы, обладающие размером более 5мкм, задерживаются в носовой полости. К непрямому пути воздействия относится внутреннее облучение радиоактивными частицами, попавшими в организм с зараженной пищей и водой (пероральный путь), через открытые раны.
Количественной характеристикой радиоактивного источника является его активность. Активностью RJ j-ro радионуклида в образце называется отношение числа dNJ спонтанных ядерных переходов из одного определенного ядерного состояния радионуклида в другое к интервалу времени dt [101 - 104]: или, согласно закону радиоактивного распада:
Единицей измерения активности в международной системе единиц (СИ) является беккерель (Бк). В радиоактивном источнике с активностью 1Бк происходит 1 акт распада за 1 секунду. В качестве единицы измерения активности также используется единица - кюри (Ки), равная активности 1г радия:
Полная активность R образца равна сумме парциальных активностей RJ всех входящих в него радионуклидов:
Для количественной оценки воздействия ионизирующего излучения на вещество в практических задачах используют понятия поглощенной, эквивалентной и экспозиционной доз [30, 101, 104 - 107]. Поглощенной дозой излучения DJ, создаваемой j-ым радионуклидом, называется величина, равная отношению средней энергии j-ro радионуклида dEJ, переданной в результате ионизации веществу в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме:
Единицей поглощенной дозы в СИ является грей (Гр), соответствующий поглощению 1Дж энергии в 1кг облученного вещества. Существует также внесистемная единица поглощенной дозы - рад. Один рад соответствует поглощению 100 эрг энергии в 1 г облученного вещества: Единицы измерения поглощенной дозы связаны соотношением:
Для фотонов от поглощенной дозы в воздухе DB0M к поглощенной дозе в био логической ткани DTK можно перейти с помощью выражения [4, 101, 104]: где ц, ц зд - массовые коэффициенты поглощения энергии для ткани и воздуха соответственно (м2/кг).
Для количественной оценки эффекта воздействия ионизирующего излучения на биологическую ткань используется эквивалентная доза. Эквивалентная доза HJ, обусловленная воздействием излучения j-ro радионуклида на весь организм, пропорциональна поглощенной дозе [30, 48, 101, 104]
Идентификация параметров и верификация модели
Предлагаемая в настоящей работе комплексная стохастически - детерминистическая модель распространения радиоактивных примесей в атмосфере и расчета индивидуальных доз облучения содержит параметры A h(n), (где = (x,y,z), h - соответствует 50 и 100м), которые определялись с помощью модели Пасквилла-Гиффорда, рекомендованной МАГАТЭ [36] (см. (1.46)).
На основе сравнения данных моделирования с моделью Пасквилла-Гиффорда была получена следующая зависимость величины перемещения Alih і-ой частицы вдоль -ой координатной оси от времени ее движения ts и величины временного шага At: где Ph , ф - эмпирические коэффициенты модели Пасквилла-Гиффорда, значения которых приведены в табл. 4; С, - параметр модели, значения которого для различных стратификации атмосферы приведены в табл. 8. Верификация стохастически-детерминистической модели проводилась с помощью сравнения результатов моделирования дисперсии примеси ау(х), CTZ(X) с аналогичными результатами, полученными с помощью модели Пасквилла-Гиффорда. Моделировалось рассеяние примесей в результате мгновенного выброса с учетом различных классов устойчивости атмосферы. Дисперсия примеси рассчитывалась на высотах 50 и 100м с использованием типичных значений скорости ветра [4], соответствующих различным стратификациям атмосферы. Зависимости сту (на высоте 50м) и CTZ от времени представлены на рис. 2.3 и 2.4. Временные зависимости ау (на высоте 100м) и az- на рис. 2.5 и симостей дисперсии примеси на высотах 50 и 100м также проводилось для различных значений скорости ветра, соответствующих каждому классу устойчивости атмосферы (см. табл. 2). Результаты моделирования рассеяния примеси при различных скоростях ветра для сильно неустойчивой атмосферы (класс А) приведены на рис. 2.7. Вид графиков не изменился при моделировании рассеяния примесей с использованием различных значений временного шага: 0,5, 1,2, 10 и 20с. Таким образом, используя формулу (2.27) и значения параметров модели, приведенные в табл. 4 и 8, рассеяние примесей в рамках предложенной модели описывается аналогично модели Пасквилла-Гиффорда. С помощью разработанной модели также проводилось моделирование распространения примесей в результате постоянного выброса с высоты 100м в течение Ічаса для различных классов устойчивости атмосферы при скорости вет В рамках стохастически-детерминистической модели рассчитывалось рассеяние примесей при различных стратификациях атмосферы с учетом неоднородности распределения ветра по высоте. На рис. 2.10 показаны картины рассеяния примеси от мгновенного источника через 300с после выброса. Изменение скорости ветра с высотой задавалось степенной функцией (см. формулу (2.12)). Скорость ветра на высоте флюгера (10м) для различных классов устой чпвости атмосферы принималась равной 2 м/с. Полученные профили скорости ветра по высоте для классов устойчивости А - F представлены на рис. 2.11.
Проверка адекватности расчета вымывания примесей осадками в модели проводилась с использованием метода разделения по физическим процессам и с помощью сопоставления результатов аналитических расчетов и моделирования. Аналитически выпадение примеси на подстилающую поверхность в результате вымывания осадками в течение времени dt (без учета процессов ветрового переноса, турбулентной диффузии, гравитационного оседания, взаимодействия с подстилающей поверхностью и радиоактивного распада) может быть описано уравнением: где С0 - концентрация примеси в облаке в момент времени t = 0; At- интервал времени, в течение которого происходит вымывание. Изменение концентрации примеси в облаке за время At будет равно: С другой стороны, в рамках стохастически-детерминистической модели, концентрация примеси пропорциональна количеству частиц в облаке и число блуждающих частиц, покинувших облако в результате вымывания осадками AN , определяется по формуле: где N0 - число частиц в облаке в момент времени t = 0. При этом, вероятность вымывания частиц осадками Pa(At) равна: или, учитывая (1.7) По интенсивности осадки классифицируют как слабые, умеренные и сильные. Интенсивность определяется объемом осадков, выпадающих за некоторый промежуток времени. Слабым считается дождь, при котором выпадает менее 2,5мм/ч осадков, умеренным - от 2,5мм/ч до 8мм/ч, сильным - более 8мм/ч [117, 118]. Принятые в модели значения интенсивности осадков приведены в табл. 9.
Системы координат для определения положения объектов
Пространственные данные составляют один из основных классов геоинформационных данных, предназначенных для определения месторасположения объекта на земной поверхности. Отображение положения точек на поверхности может осуществляться с помощью различных систем координат [108, 126]: плоской декартовой, плоской полярной, сферической. Применение той или иной системы координат зависит от масштабов рассматриваемого участка местности. В случае, когда расчет рассеяния радиоактивных веществ в результате выбросов в атмосферу осуществляется с помощью среднемасштабной модели (размеры области моделирования), можно пренебречь кривизной земной поверхности и задавать положение точек с помощью плоской декартовой системы координат. Положение точки на карте задается с помощью пары чисел (х, у). Ось абсцисс (координата х) системы определяет восточнее или западнее расположена точка относительно центра системы координат. Ось ординат (координата у) - севернее или южнее.
При использовании крупномасштабных расчетных моделей или для достижения большей позиционной точности используется географическая система координат, базирующаяся на предположении о том, что земная поверхность имеет форму геоида. Положение точки на поверхности в данном случае задается широтой и долготой. Широта изменяется от -90 (южный полюс) до +90 (северный полюс). Долгота - от -180 (западная долгота) до +180 (восточная долгота).
ГИС, предназначенная для работы с картами различного масштаба, должна иметь систему диалогов, позволяющих вводить координатные данные в декартовой и географической системах координат, а также методы пересчета координат из одной системы в другую.
Реципиентами радиационного риска называются объекты, для которых существует вероятность нанесения вреда здоровью и/или окружающей среде, ущерба материальной базе, вследствие выброса и/или разлива радиоактивных веществ [136]. В ГИМЭК такими объектами являются контрольные пункты, дороги, реки, населенные пункты и т.п. [115, 127, 129]. Все перечисленные объекты имеют различную геометрию. Например, контрольный пункт может быть изображен точкой на карте местности, дорога и река - линией, населенный пункт - контуром, охватывающим некоторую площадь. Таким образом, любые реальные объекты, расположенные на местности, могут быть классифицированы как точечные, линейные, площадные. Чем сложнее геометрия объекта, тем большим количеством координат (пространственных данных) он описывается. Кроме этого, любой объект может быть охарактеризован тематическими данными (например, плотность населения, загрязнение поверхности радионуклидами и т.д.). Каждый объект отображается на карте местности с помощью каких-либо символов, способов штриховки. Совокупность пространственных, тематических данных и атрибутов отображения представляет собой цифровую модель объекта.
Точечные объекты реципиенты - контрольные пункты, предназначенные для наблюдения временной динамики параметров, характеризующих радиационную обстановку в данной точке местности. Таким образом, атрибутами цифровой модели точечного объекта являются координаты точки, условный знак отображения и название объекта (статические атрибуты), а также динамические данные, например, значения активности радионуклидов или мощности эквивалентной дозы в точке на поверхности.
Цифровая модель линейного объекта содержит статические и динамические данные. Статические - пространственные и тематические данные. Пространственные данные представляют собой координаты упорядоченного набора связанных отрезков (звеньев). Звенья образуют полилинию, с помощью которой отображается линейный объект. Звенья могут отображаться линиями различного цвета и толщины. Тематическими данными цифровой модели линейного объекта являются цвет и толщина звеньев, направление и интенсивность движения (для транспортных коммуникаций) и т.п. Динамическими данными линейного объекта реципиента являются распределения значений активности радионуклидов на поверхности и мощности эквивалентной дозы по сечению, рекомендации о мерах по минимизации воздействия радионуклидов на объект.
Цифровая модель площадного объекта также содержит статические и динамические данные. Статическими данными являются список координат всех звеньев, ограничивающих ареал - область, ограниченную замкнутой полилинией, параметры отображения ареала (цвет заливки или тип штриховки), численность и возрастной состав населения, характеристика застройки, средства эвакуации и т.д. Динамические данные представляют собой распределения по площади, временные серии средних по площади максимальных и минимальных значений активности радионуклидов на поверхности, мощности индивидуальных и коллективных эквивалентных доз, обусловленных внешним и внутренним путями воздействия радионуклидов, а также рекомендации о мерах обеспечения радиационной безопасности населения и минимизации воздействия радионуклидов на объект.
Реализация в рамках объектно-ориентированного подхода
В соответствии с требованиями, предъявляемыми к ГИМЭК, в программном комплексе необходимо параллельное выполнение задач ГИС, моделирующей системы и экспертно- аналитической системы. Применение объектно-ориентированного подхода предоставляет возможности реализации ГИМЭК в виде многопоточного проблемно-ориентированного ПО. Мультизадачность позволяет одновременно выполнять задачи каждой из систем комплекса. Однако при этом возникает необходимость синхронизации работы потоков, включающей управление обменом данными и работой потоков. С другой стороны, объектно-ориентированный подход позволяет представить предметную область в виде отдельных объектов. Описание атрибутов и функций объектов позволяет разрабатывать классы, а также их иерархическую структуру.
Синхронизация работы потоков в программном комплексе «АРИА» происходит следующим образом. При запуске программного обеспечения ядро операционной системы создает для него процесс и выделяет некоторое изолированное адресное пространство. В начале работы программы создается главный управляющий поток. Подпрограммы, выполняемые в этом потоке, реализуют задачи ГИС (редактирование и управление формой представления данных проекта), ЭАС (анализ радиационной обстановки) и позволяют синхронизировать одновременную работу главного и расчетного потоков, управлять обменом данными между системами. Работа главного потока начинается с создания нового или считывания из файла ранее сохраненного проекта (рис. 4.1).
Ввод и редактирование данных проекта, управление расчетом и представлением результатов, сохранение и считывание данных осуществляется с помощью системы диалогов. Данные проекта отображаются ГИС в виде карт, распределений величин вдоль выбранных направлений, таблиц и т.д. При проведении моделирования в проект сохраняются результаты расчетов распространения облака радионуклидов и мощностей эквивалентных доз. Результаты расчетов и другие данные проекта используются ЭАС для анализа радиационной обстановки. Управление работой расчетного потока и обменом данными между потоками организовано с помощью событий: «начало расчета», «пауза», «обновление данных», «остановить расчет», «расчет закончен». События могут находиться в одном из двух состояний: отмеченном (событие произошло) или неотмеченном (событие не произошло). Перед запуском расчетного потока все события находятся в неотмеченном состоянии. При получении команды от пользователя событие «начало расчета» переводится в отмеченное состояние и начинается работа расчетного потока. В расчетном потоке выполняются задачи МС. Инициализация начальных данных для работы МС производится по исходным пространственно-атрибутивным данным и пространственным распределениям физических величин в модуле идентификации параметров моделирования. Расчет распространения радиоактивных веществ в приземном слое атмосфере н их воздействия на население производится по дискретным временным шагам. Кроме этого, на каждом временном шаге проверяется статус событий «пауза», «обновление данных», «остановить расчет». Если событие «пауза» находится в отмеченном состоянии, то работа расчетного потока приостанавливается до тех пор, пока состояние этого события не изменится. Отмеченное состояние события «обновление данных» сигнализирует о необходимости подготовить текущие результаты расчета для представления в ГИС, отмеченное состояние события «остановить расчет» - о завершении работы расчетного потока. Прекращение работы расчетного потока также может произойти в результате окончания расчета.
В главном потоке при завершении работы расчетного потока событие «расчет закончен» переводится в отмеченное состояние, а в главном потоке отображаются результаты расчета. Далее результаты расчета рассматриваются в модуле анализа радиационной обстановки. Результаты работы модуля пред ставляются в виде таблиц и карт, отображающих радиационную обстановку. Затем ЭАС генерирует отчет по результатам работы ГИМЭК. Для оформления отчета целесообразно использовать текстовые редакторы (например, MS Word для операционной системы MS Windows).
Применение объектно-ориентированного подхода позволило описать в предметную область с помощью объектов, определить операции над ними, разработать базовые классы, организовать взаимодействие связанных между собой объектов с помощью древовидной структуры с базовым классом в корне. Было разработано более 200 классов, предназначенных для решения отдельных задач при функционировании программы. Ниже будут рассмотрены базовые классы программного комплекса, предназначенные для создания и управления ГИС, управлением главным окном, моделью, экспертной системой. Часть классов создано на основе библиотеки VCL C++ Builder с помощью классов TForm и TFrame.
Класс TGObj предназначен для построения объектов ГИС. Данный класс наследуется от класса физической величины TQuatity, поскольку большинство объектов ГИС должны предоставлять сведения о значениях физических величин в точке, вдоль линии, распределении по контуру. Полями TGObj являются атрибуты, присущие всем объектам ГИС. Виртуальные методы этого класса предназначены для сохранения и восстанавления объекта из потока, предоставления сведений об объектах (названии, типе и т.д.). Классы-наследники расширяют возможности базового и строятся в соответствии с геометрическими признаками объектов.
