半封闭浅海海域的放射性核素输运模拟方法及装置

本发明涉及核安全应急响应与海洋核素输运，尤其涉及一种半封闭浅海海域的放射性核素输运模拟方法及装置。

背景技术：

1、核能是重要的清洁能源，准确评估核事故场景下放射性核素在半封闭浅海环境中的迁移扩散过程，是核设施选址安全论证、环境影响评价和核应急决策的基本前提。核应急响应对海洋扩散模拟结果提出快速时效要求，以支撑事故初期限制区划定、渔业禁捕范围确定与公众防护措施部署。

2、对于沿海核电站密集分布、海洋资源利用强度高的半封闭浅海海域，海洋放射性核素扩散模型能够在事故初期为限制区划定、渔业禁捕范围确定、海水养殖风险研判和公众防护措施部署提供定量依据，因而是区域核应急技术体系的重要组成部分。

3、现有海洋放射性核素扩散模型大体可分为箱式模型、欧拉网格模型和拉格朗日粒子模型三类。箱式模型将研究海域概化为若干水体箱，通过箱体之间的交换通量描述核素迁移，具有结构简单、参数需求少和计算速度快等优点，适用于长期平均浓度估算、区域尺度质量收支分析和应急初期的快速粗略判断，但难以刻画近岸复杂岸线、潮流往复和局地污染羽形态。欧拉网格模型在固定网格上求解对流-扩散方程，能够与三维水动力模式、沉积物模块和生态模块耦合，适合描述连续浓度场和开展区域环境影响评价。欧拉或欧拉-拉格朗日框架在大洋尺度长距离输运重建中具有适用性，但欧拉模型通常存在一定数值扩散，高分辨率三维计算量也较大，在多站点（核电站）、多源项和多情景快速推演中存在效率压力。相比之下，拉格朗日粒子追踪方法通过释放大量虚拟粒子并追踪其在三维流场中的运动轨迹，统计获得水体、沉积物及生物介质中的放射性核素浓度分布。该方法具有物理直观、数值扩散小和天然适合并行计算等特点，因而被广泛应用于核素迁移路径和浓度场模拟。对于封闭浅海、强潮汐、近岸核电站集群和高强度渔业利用区，拉格朗日方法能够较好兼顾近岸污染羽追踪、沉积物相互作用、生物富集过程和快速应急计算需求，因此，适合作为区域核事故海洋扩散快速评估模型的核心技术路线。

4、然而，已有研究多集中于大洋或外海尺度事故重建，或以特定事故后的长期环境归因分析为目标；针对半封闭浅海、强潮汐、近岸核电站集群和高强度渔业利用区的放射性核素输运模拟仍相对不足。半封闭浅海海域的潮致余流是由潮流非线性相互作用产生的二阶平均流，是核素长期净输运的重要机制之一。现有的放射性核素输运模拟方案，潮汐驱动仅包含振荡分量，未显式利用潮致余流贡献，缺失潮致余流而低估了净输运距离与方向偏转，影响半封闭浅海海域的放射性核素输运模拟的可靠性，尤其在近岸浅水区影响显著。

5、因此，研究一种面向半封闭浅海海域的放射性核素快速输运模拟方案，具有明确的工程应用价值和应急决策意义。

6、本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

技术实现思路

1、针对现有技术中的至少一个问题，本发明提出了一种半封闭浅海海域的放射性核素输运模拟方法及装置，能够提高半封闭浅海海域的放射性核素输运模拟的可靠性。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种半封闭浅海海域的放射性核素输运模拟方法，包括：

4、获取目标半封闭浅海海域在预设时间步的第一海洋流场数据和多个分潮的余流信息，所述目标半封闭浅海海域分为多个网格，所述目标半封闭浅海海域中的放射性核素分为多个拉格朗日粒子；

5、基于各个分潮的余流信息，确定所述目标半封闭浅海海域在所述预设时间步的总潮汐流场和合成余流场；根据所述总潮汐流场、合成余流场和第一海洋流场数据，构建得到所述目标半封闭浅海海域在所述预设时间步的粒子平流输运驱动流场；

6、根据所述粒子平流输运驱动流场和预获取的空间变化水平扩散场，得到各个所述拉格朗日粒子在所述预设时间步的位置；

7、根据各个所述拉格朗日粒子在所述预设时间步的位置，完成所述目标半封闭浅海海域的放射性核素输运模拟过程。

8、在一个实施例中，所述获取目标半封闭浅海海域在预设时间步的第一海洋流场数据，包括：

9、获取与所述预设时间步相邻的两个时间片转换时刻的流场数据；

10、基于与所述预设时间步相邻的两个时间片转换时刻的流场数据进行线性插值，得到目标半封闭浅海海域在预设时间步的第一海洋流场数据。

11、在一个实施例中，所述的半封闭浅海海域的放射性核素输运模拟方法，还包括：

12、基于网格的经向间距、纬向间距、每个网格在单日内的经向平均速度和纬向平均速度，得到该网格的水平扩散系数，所述空间变化水平扩散场包括：各个网格的水平扩散系数。

13、在一个实施例中，每个分潮的余流信息包括：调和常数、各个所述网格的经向的潮致余流分量和纬向的潮致余流分量，所述调和常数包括：天文初始辐角、节点因子、各个所述网格上经向的潮流振幅、经向的迟角、纬向的潮流振幅和纬向的迟角；所述第一海洋流场数据包括：经向的背景环流场和纬向的背景环流场；

14、所述基于各个分潮的余流信息，确定所述目标半封闭浅海海域在所述预设时间步的总潮汐流场和合成余流场；根据所述总潮汐流场、合成余流场和第一海洋流场数据，构建得到所述目标半封闭浅海海域在所述预设时间步的粒子平流输运驱动流场，包括：

15、根据各个分潮的所述天文初始辐角、节点因子、经向的潮流振幅和经向的迟角，得到经向的总潮汐流场；根据各个分潮的所述天文初始辐角、节点因子、纬向的潮流振幅和纬向的迟角，得到纬向的总潮汐流场；

16、将各个分潮同一网格的经向的潮致余流分量叠加，得到经向的合成余流场；将各个分潮同一网格的纬向的潮致余流分量叠加，得到纬向的合成余流场；

17、将所述经向的总潮汐流场、合成余流场和背景环流场叠加，得到经向的粒子平流输运驱动流场；将所述纬向的总潮汐流场、合成余流场和背景环流场叠加，得到纬向的粒子平流输运驱动流场；所述目标半封闭浅海海域在所述预设时间步的粒子平流输运驱动流场包括：经向和纬向的粒子平流输运驱动流场。

18、在一个实施例中，所述根据所述粒子平流输运驱动流场和所述预设时间步对应的预获取的空间变化水平扩散场，得到各个所述拉格朗日粒子在所述预设时间步的位置，包括：

19、将各个所述拉格朗日粒子划分至多个线程，针对不同线程中的拉格朗日粒子，并行执行粒子位移更新操作；

20、所述粒子位移更新操作包括：根据所述拉格朗日粒子的局地流速，确定该拉格朗日粒子的平流位移；根据所述预获取的空间变化水平扩散场和在上一时间步的位置，确定该粒子在所述预设时间步的位置。

21、在一个实施例中，所述根据各个所述拉格朗日粒子在所述预设时间步的位置，完成所述目标半封闭浅海海域的放射性核素输运模拟过程，包括：

22、根据各个所述拉格朗日粒子在所述预设时间步的位置，确定在该预设时间步发生衰变的拉格朗日粒子、发生解吸的拉格朗日粒子和发生沉积的拉格朗日粒子，完成拉格朗日粒子的更新；

23、根据每个更新后的拉格朗日粒子在所述预设时间步的位置，得到所述目标半封闭浅海海域在该预设时间步的水体三维浓度场、沉积物面密度和沉积物质量浓度。

24、在一个实施例中，所述的半封闭浅海海域的放射性核素输运模拟方法，还包括：

25、根据所述水体三维浓度场，得到所述目标半封闭浅海海域的网格表层浓度；

26、根据所述网格表层浓度，得到所述目标半封闭浅海海域中的多级营养生物各自体内的核素浓度。

27、第二方面，本技术提供一种半封闭浅海海域的放射性核素输运模拟装置，包括：

28、获取模块，用于获取目标半封闭浅海海域在预设时间步的第一海洋流场数据和多个分潮的余流信息，所述目标半封闭浅海海域分为多个网格，所述目标半封闭浅海海域中的放射性核素分为多个拉格朗日粒子；

29、构建粒子平流输运驱动流场模块，用于基于各个分潮的余流信息，确定所述目标半封闭浅海海域在所述预设时间步的总潮汐流场和合成余流场；根据所述总潮汐流场、合成余流场和第一海洋流场数据，构建得到所述目标半封闭浅海海域在所述预设时间步的粒子平流输运驱动流场；

30、确定粒子位置模块，用于根据所述粒子平流输运驱动流场和预获取的空间变化水平扩散场，得到各个所述拉格朗日粒子在所述预设时间步的位置；

31、模拟模块，用于根据各个所述拉格朗日粒子在所述预设时间步的位置，完成所述目标半封闭浅海海域的放射性核素输运模拟过程。

32、第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的半封闭浅海海域的放射性核素输运模拟方法。

33、第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的半封闭浅海海域的放射性核素输运模拟方法。

34、第五方面，本发明提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的半封闭浅海海域的放射性核素输运模拟方法。

35、由上述技术方案可知，本发明提供一种半封闭浅海海域的放射性核素输运模拟方法及装置，能够提高半封闭浅海海域的放射性核素输运模拟的可靠性；具体可以具有如下有益效果：

36、（1）根据总潮汐流场、合成余流场和背景环流场，构建粒子平流输运驱动流场，提升输运路径精度，提高半封闭浅海海域的放射性核素输运模拟的可靠性。

37、显式叠加各分潮潮致余流独立场，在地形复杂区域捕捉长期净输运贡献。配合tpxo9 atlas 工具箱作为潮汐调和常数的数据源，四分潮潮汐相位的均方根误差 rmse为8°–16°。

38、(2) 构建多核电站基础数据库，可以支撑半封闭浅海海域核电集群的应急响应。

39、通过结构化多组参数组与地理参数核电站坐标数据库，单次编译支持半封闭浅海海域的多个核电站任意单站点或多站点组合的应急切换。相较现有单站点架构需反复重配置与重编译的做法，本发明在核电集群场景下切换时间从分钟级压缩至秒级，使应急响应流程满足时效要求。

40、(3) 亚日尺度流场，提升输运路径精度。

41、流场时间分辨率从月度平均提升至亚日尺度（如3 小时），分辨率可以提高约 240倍，能够解析潮流不对称、风暴事件、惯性振荡等亚日尺度物理过程。双板缓冲机制以最小内存开销实现流场的平滑时间插值和自动跨月文件轮换。

42、(4) 多级 openmp 并行调度组合，消除串行计算性能瓶颈。

43、在共享内存多核平台上对粒子循环(parallel do + static)、潮汐相位递推(collapse(2))、空间变化水平扩散系数场(collapse(3))、浓度累加(atomic)采用分层调度组合，配合每线程独立 xorshift128+ 伪随机数生成器（pseudorandom numbergenerator, prng） 状态消除全局锁竞争。其中，粒子循环计算量在粒子间近似均匀，static等量分块避免动态调度开销；潮汐相位递推在 (i,j) 二维网格点上、扩散系数场在(i,j,k) 三维网格点上的计算彼此独立，collapse 将多层循环合并为单层且最大化并行粒度；浓度累加时多线程同时写入同一栅格，atomic 以硬件原子操作替代显式锁，临界区开销最小化。

44、(5) 粒子动态压缩，进一步降低模拟耗时。

45、例如，按压缩周期  = 1 day，扫描粒子数组并紧凑化有效粒子至数组头部。在 90 天释放 + 270 天扩散的某半封闭浅海海域的典型工况下，模拟末期水体粒子数降至总粒子数的 40%–60%，粒子循环耗时按比例下降，进一步放大并行加速效果。

46、(6) 深度自适应沉积物交换，提高浅水区模拟合理性。

47、沉积速率常数  可以采用深度自适应方案 ，当实际水深小于沉积物交互层厚度参数zinter 时，浅水区域的交互层厚度自动取实际水深值，使沉积速率增强，可以更加真实地反映浅水海域水-沉积物交换水体的物理特征。

48、(7) 四级食物链生物富集单向耦合，直接输出食用性水产品核素活度。

49、例如，以表层水体浓度场为时变输入，经每模拟日末尾一次的单向耦合前向 欧拉积分得到浮游植物、浮游动物、非掠食性鱼类、掠食性鱼类四级营养生物体内的核素浓度。相较于现有技术仅输出水体、沉积物浓度并依赖外部经验公式粗估食物链末端浓度的做法，本发明可以在物理上保留水体浓度的时空演化信息，在工程上通过单日分辨率的循环调用将额外计算开销控制在总耗时 1% 以内，使核电集群应急评估能够同步给出海产品放射性暴露的定量评估结果，直接支撑海产品管制区范围确定与公众健康风险评估。