核事故大气污染危害预测与优化控制的理论及应用研究

Source inversion, hazard prediction and optimal control are three interrelated key issues for nuclear accident emergency. Although hazard prediction for nuclear accident has been extensively studied, it is still difficult and challenging issues on source inversion and optimal control， and prediction accuracy is unsatisfactory. The aim of this project is to develop new theories for source inversion and optimal control for nuclear accident and to improve the calculation accuracy of radioactive plume deposition by simulating the impact of complex terrain and heterogeneous underlying surface on radioactive plume dispersion, through which to improve hazard prediction accuracy. (1)the source inversion model will be established, and the source inversion algorithms based on adjoint operator theory will be developed. (2) the parameterization of cloud and precipitation, the calculation method of radioactive deposition over complex topographywill be improved, and the parameterization scheme will be validated by applying meteorological observation experiments, wind tunnel experiments, water tank experiments and monitoring data of Fukushima nuclear accident; (3) the optimal control model will be constructed, and a rapid algorithm for solving the optimal control problem will be realized by developing the adjoint model of radioactive contamination dispersion model. New research approaches and methods can be provided by this project, the results will help researchers to develop source apportionment method of inter-regionally transported haze pollutants, pollution forecasting and optimizal control for the universality of the modeling and solving methods, and the interdisciplinary fusion of atmospheric science, nuclear science and technology, cybernetics and environmental science can be promoted as well, which has important academic significance.

源项反演、危害预测和优化控制是应对核事故相互关联的三个关键问题。尽管核事故危害预测已有很多研究，但关于源项反演和优化控制的理论与方法仍是重难点问题，且预测精度有待提高。本项目旨在建立核事故源项反演和优化控制新的理论，发展放射性烟羽沉积计算方法。（1）建立源项反演模型，发展基于伴随算子原理的源项反演算法；（2）发展云雾、降水、复杂地形和非均匀下垫面对放射性烟羽沉积影响的计算方法和参数化方案，应用气象观测、风洞试验、水槽试验和福岛核事故监测数据多角度对参数化方案进行验证，提高预测精度；（3）建立核事故危害优化控制模型，研发放射性污染扩散伴随模式，实现优化控制模型快速求解。本项目不仅为核事故应急提供新的研究思路和方法，由于模拟和求解方法的普适性，其成果将有助于研究雾霾源项（及区域贡献）反演、污染预报与优化控制，同时也可促进大气科学、核科学与技术、控制论、环境科学等学科交叉融合，具有重要学术价值。

本项目针对核事故源项反演、危害预测和优化控制等三个关键科学问题：（1）提出了基于拉格朗日原理的源项快速反演方法。在扩散模拟过程中，在不改变粒子总数的前提条件下，设源强为单位1，得出各个时刻对扩散区域任意位置上的浓度或剂量的贡献率，利用在核事故中源强和浓度、剂量满足线性关系，利用某时刻某位置上的浓度或剂量为贡献率与源强的乘积的原理，建立核事故应急优化控制的数学模型，利用最小二乘法对模型进行求解，得出了基于贡献率和监测结果反演源强的理论公式，只需要一次性求解扩散模式就可以快速反演源强，而且误差只与贡献率和监测结果有关，也就是贡献率和监测结果误差可以忽略的话，反演误差为零。（2）研究了干湿沉降对放射性烟羽的影响。应用长白山哈尔巴岭102m气象塔100Hz梯度观测数据，对复杂下垫面局地相似理论适用性进行了检验，求出了无量纲风速标准差、无量纲温度和湿度标准差与稳定度关系的经验公式，发现了该地域湍流统计特征的新现象。发展了核事故大气污染扩散模式NDM，针对福岛核事故进行了扩散模拟，NDM的模拟结果与福岛核事故监测结果有较好的一直性。（3）提出了核事故应急优化控制理论框架，给出了核事故应急优化控制问题一般提法的理论方程，建立了核事故应急优化控制数学模型，提出了应急行动代价和事故损失函数的具体表达式，将应急行动代价和事故损失定量化，并给出了事故源控制、警戒、疏散、防护、洗消、人员伤亡、医学救治等计算方法。建立了人员疏散路径优化模型，设计了关于人员疏散路径优化问题的遗传算法。（4）提出了基于伴随算子原理的大气污染高分辨率网格化精准溯源方法，发展了大气污染优化控制的理论方法，建立了大气污染应急优化控制模型，实现了同时考虑环境效应、社会效益和经济代价等多目标的动态优化控制，并在京津冀及周边2+26城市、成都市、贵州省空气质量预报预警系统中进行了应用实践。