建设和规划项目的环境影响评价主要以预测性评价为主，采用数值模拟的方法对拟建项目实施后可能对环境造成的影响进行预测分析。因此，各种环境评价模型及计算程序的开发，为环境影响评价提供了重要的手段和方法^[1-5]。预测气态流出物在大气中迁移和扩散，根据评价的范围大小，可以分为全球尺度、区域尺度（几十到几百公里）及城市尺度、小区尺度或街道尺度（一般称为微尺度，评价范围为几百米到几公里范围）。目前在区域尺度范围常用的评价模式主要以高斯烟羽模式应用最为广泛。一般核设施正常运行排放的放射性污染物，其影响范围主要集中在厂区内或周围几百米范围。由于核设施厂区内复杂建筑物的存在，使得污染物的扩散问题变得非常复杂。常用的直线高斯烟羽模式将不再适用。在不同风向和不同天气条件下，对于微尺度范围的流场和放射性物质的扩散过程的影响也不尽相同。因此，准确评估这些特征因素对微尺度边界层、流场和扩散过程的影响，成为了研究的重点及难点。

随着流体计算技术的迅速发展，使得数值模拟技术研究复杂地形情况下的流场和污染物扩散成为一个重要研究手段。苗世光等^[6]建立了一个城市小区尺度三维非静力κ-ε模式，引入了作为城市特征的街区建筑物布局及其高度、朝向和对短波辐射的遮蔽以及不同地表利用类型等特征影响，用强迫-恢复法计算地面温度，同时加入了污染物平流扩散方程，模拟了实际城市小区中的气象和污染扩散特征，并用观测资料对模式作了初步检验。刘树华等^[7]基于稳态RANS理论开发了街区尺度模式的理论框架并利用风洞实验数据进行了验证，评估交通污染线源的扩散过程。h.Kaplan等^[8]采用拉格朗日粒子扩散模式计算了城市建筑物群周围的污染物浓度，其风场采用的是Rockle^[9]研究的目标分析方法并经过调整满足连续方程。李心怡等^[10]采用Fluent模式对中性大气、单个建筑物的气流扰动情况进行了模拟，并以风洞试验数据检验模拟结果。徐敏等^[11]、欧阳琰等^[12]和张宁、蒋维楣^[13]采用细网格非静力能量闭合边界层模式和随机游动模式模拟方法建立了一套分析建筑物尾流流场和污染物扩散的数值模拟系统。以上这些方法其计算的条件是某个单一的稳态条件，无法实现气象条件及释放源项实时变化情况的长期计算，而且这些研究仅适用于非放射性的扩散计算。

为解决放射性污染物在厂区内或城市街道等的扩散行为，开发了微尺度辐射环境影响评价软件系统，该系统能够实现多点源同时排放的模拟，并且对实时流出物监测数据和气象数据，可以不间断连续模拟，实现设施长期排放造成的影响评价。本文主要对开发的微尺度辐射环境影响软件系统的功能及开发情况进行介绍，并构建多种计算试验模型开展验证工作。

1 系统构架与功能 1.1 系统构架

微尺度辐射环境影响评价系统开发采用C/S架构，基于三维GIS可视化平台开发。系统的架构包括数据层、核心计算模块层和操作界面层3个部分。系统架构如图1。

系统设计遵循结构合理，用户操作友好的原则。界面设计尽量简洁明了，整体采用模块化设计，软件系统开发主要分为参数设置模块和结果展示模块2大部分。

1.1.1 操作界面

操作界面主要包括可视化的输入输出操作界面。输入界面包括：气象数据、源项数据、关注点数据、计算设置、核素数据库、重载项目及开始计算等，输出界面包括各类结果展示、风场展示及GIS图形操作等按钮。系统界面如图2。操作界面还包括输入参数的纠错及缺省值的设定；输出结果的静态和动态展示包括三维粒子动画展示，三维风场展示及浓度和剂量结果的渲染展示等，系统还内置了800多种放射性核素及相关计算参数的数据库。

1.1.2 核心计算模块

核心计算模块层包括地形和网格预处理计算模块、风场预处理模块和污染物迁移扩散模块（包括粒子随机游走模块和浓度剂量计算模块）等。其中预处理模块是将地形、网格、风场等数据经过预处理供污染物迁移扩散模块计算使用，可大大优化计算时间。

1.1.3 数据层

数据层主要包括气象数据、风场数据、源项数据（包括核素相关的计算数据）、模型基础数据及计算结果数据等。其中气象数据和源项数据由用户根据实际情况实时输入；风场数据有风场预处理模块生成，并由输入的气象数据，根据现有风场数据预处理生成。

1.2 系统开发

系统开发采用Node.js技术进行开发，客户端程序使用Electron框架进行封装。密集型的计算部分采用C++扩展与Node.js相结合以提高系统整体性能。渲染模块使用GPU加载的Three.js实现。

1.3 系统计算流程

系统的计算流程见图3。

2 算例验证

为了验证开发模式计算的合理性及系统的可用性，构造了从无建筑、简单的单个建筑物到多排复杂建筑物开展数值计算试验，并与相关文献的计算案例进行比较，确认系统计算的合理性。

2.1 无建筑物案例建构及分析

构建了长860 m，宽550 m，高50 m的一个平坦开阔地形区域，该区域内无建筑物及地形变化情况。在这种情况下，评价区域内的风场分布较均匀，如图4。

在评价区内设置一个距离地面1 m高的释放点，以3.7 × 10¹⁰ Bq/h释放Cs-137，释放时间为1 h。其释放结束后，评价区内各网格的积分浓度分布模拟计算结果见图5，其评价区内积分浓度最大值为1.3 × 10⁹ Bq·s/m³；

距离释放点不同距离处的中心线积分浓度的变化见图6，从图中可以看出，随着距离的增加，积分浓度在逐渐降低。选取距离释放点某处横截面，其积分浓度随着截面处的变化趋势见图7，图中可以看出，在距离释放点370 m的横截面上其积分浓度分布满足正态分布规律。因此，在没有地形及其它因素影响情况下的平坦开阔地形，其计算的污染物浓度分布满足高斯烟羽模型计算结果的分布规律。

2.2 单个建筑物案例构建及分析

构建一个长30 m、宽20 m和高25 m的单个建筑物，其结构如图8。在距离建筑物左边界10 m处，设定释放高度10 m烟囱，以3.7 × 10¹⁰ Bq/h的速率释放Cs-137，释放时间为1 h，释放的总粒子数为10万个。

计算的气象条件为西风（270度），10 m高风速为1 m/s为初始条件，大气稳定度为D类。在这个计算区域内，经过建筑物后，其地面风场如图9。

从图9中可以看出，由于建筑物的存在，对局地风场造成了扰动。在建筑物的迎风面，建筑物会使得风速发生减速，并使风从建筑物的侧面和上面绕过建筑物。

在建筑物的背风面，会形成一个回旋区，并使得风往反方向移动。回旋区的中心约在0.8倍的建筑物高度处，回旋区的下游方向会伸展至约4.8倍的建筑物高度处。这个模拟效果与王卫国等^[14]研究的模拟具有一致性。

10 m高的烟囱释放¹³⁷Cs后，不同时间点评价区内粒子分布图及时间积分浓度分布图分别见图10和图11。从图中可以看出，由于释放点低于建筑物高度，并且距离建筑物较近，为地面源排放，释放开始时候，污染物主要聚集在建筑物的迎风面，形成高浓度区域，然后从建筑物的两侧和顶部绕过建筑物向下风向迁移；在建筑物的背风面，由于建筑物的存在形成了浓度很低的空腔区；但随着时间的推移，空腔区内最终形成一个涡旋，并逐渐形成一个浓度聚集区。

2.3 多个建筑物案例构建及分析

在单个建筑物验证的基础上，为了评价开发模式对多个建筑物的适用情况。构造了多个建筑物案例。由30个长30 m、宽20 m和高25 m建筑物排列成3排，每排10个建筑物，如图12。

计算的气象条件为西风，10米高的风速为1 m/s作为初始条件，大气稳定度为A类。其最底层风场计算结果见图13。

从图13可以看出，在第一个建筑物的迎风面和单个建筑物类似，形成一个低风速区，并且随着建筑物高度增加在垂直方向形成一个风速逐渐增大的风廓线。在垂直风向的2个建筑物中间形成一个风速回旋区，在该回旋区内风速增强。在沿着风向的2个建筑物中间，靠近建筑物附近的区域，风速降低；在2个建筑物中间，风速会逐渐增大。沿着风向的最后一个建筑物背风面，与单个建筑物的背风面形成的尾流区类似。

分别在距离最左边的中间第一个建筑物边界40 m和70 m处，设置释放高度分别为40 m和70 m的2个连续释放点，模拟多点源排放。

其中释放高度为40 m的释放点，释放的污染物粒子的迁移扩散计算结果见图14。从图14中可以看出，污染物的扩散分布和速度场分布基本一致。释放开始时在建筑物的迎风面，由于建筑物的阻挡形成高浓度区域；随着扩散时间的推移，污染物会绕过建筑物并继续向下风向扩散；由于释放点在靠近中间排的建筑物，因此从图中可以看出，污染物在上排和下排建筑物周围形成的污染物浓度较低，但在与中间排建筑物中间的空隙中形成了浓度相对较高区域。

释放高度为70 m的释放点释放的污染物粒子的迁移扩散计算结果见图15，从图中可以看出，由于释放高度的原因，其近距离空气中的污染物浓度较低，最大浓度点出现在较远的建筑物周围。同时由于建筑物的存在，模式能很好的反应建筑物周围浓度的变化情况。因此，模式能很好的模拟复杂建筑物及多点源排放情况。

3 结　语

微尺度辐射环境影响评价软件系统是基于雷诺平均的欧拉方法计算的微尺度风场耦合拉格朗日粒子随机游走模式，建立放射性污染物大气迁移扩散模拟及辐射剂量模拟核心计算模块基础上开发的。该系统能够很好的模拟放射性污染物在复杂建筑物及复杂地形下的迁移扩散过程。另外该系统通过优化计算机制，可能满足核设施正常运行情况下实时模拟，还可以满足核设施间隙排放、多点源排放及长期排放造成的影响情况模拟。通过开发整个系统运行稳定，用户界面友好，已经具备了产品化的条件。该系统为今后开展微尺度辐射环境影响评价工作提供了技术基础。