Tóm tắt Luận án Nghiên cứu ứng dụng mô hình khu vực đánh giá phát tán và ảnh hưởng phóng xạ hạt nhân tới lãnh thổ Việt Nam từ các nguồn xuyên biên giới

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM Kiều Ngọc Dũng NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH KHU VỰC ĐÁNH GIÁ PHÁT TÁN VÀ ẢNH HƯỞNG PHÓNG XẠ HẠT NHÂN TỚI LÃNH THỔ VIỆT NAM TỪ CÁC NGUỒN XUYÊN BIÊN GIỚI Chuyên ngành: Vật lý Nguyên tử và Hạt nhân Mã số: 9 44 01 06 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ HÀ NỘI - 2022 Công trình được hoàn thành tại: Trung tâm Đào tạo Hạt nhân, Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam. 140 Nguyễn Tuân, Thanh Xuân, Hà Nội. Người hướng dẫn khoa học: 1. TS. Nguyễn Hào Quang Viện năng lượng nguyên tử Việt Nam. 2. TS. Nguyễn Văn Hiệp Viện Vật lý địa cầu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Chủ động trong công tác phòng ngừa, ứng phó sự cố hạt nhân, vì vậy việc dự báo, tính toán quỹ đạo, mức độ ảnh hưởng đến môi trường và con người của các đám mây chứa đồng vị phóng xạ từ các sự cố hạt nhân xuyên biên giới là thực sự cần thiết. Để nâng cao hiệu quả trong quá trình dự báo, tính toán phát tán phóng xạ “tầm gần” cần có các nghiên cứu chi tiết, toàn diện hơn về các ảnh hưởng của khu vực ảnh hưởng đến quá trình phát tán trong khí quyển như: - Điều kiện biên ban đầu (độ phân giải miền tính, dữ liệu khí tượng, số hạng nguồn phát thải...); - Các yếu tố vi vật lý của quá trình phát tán chất phóng xạ trong khí quyển; - Độ nhạy và độ tin cậy của các mô hình vật lý – toán đối với quá trình phát tán phóng xạ trong khí quyển; Vì các lý do nói trên, đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu ứng dụng mô hình khu vực đánh giá phát tán và ảnh hưởng phóng xạ hạt nhân tới lãnh thổ Việt Nam từ các nguồn xuyên biên giới” được NCS chọn để thực hiện. 2. Mục tiêu của luận án Mục đích nghiên cứu mô hình đánh giá phát tán phóng xạ tầm gần (khu vực) phù hợp với điều kiện thực tế của Việt Nam được thể hiện bằng bốn mục tiêu cụ thể là: - Tìm hiểu mô hình toán học phù hợp cho bài toán đánh giá phát tán phóng xạ khu vực; - Tìm hiểu mô hình khí tượng khu vực, các yếu tố tác động, ảnh hưởng đến độ chính xác, chi tiết của điều kiện khí tượng trong quy mô khu vực; - Kiểm chứng năng lực tính toán phát tán phóng xạ trong khí quyển thông qua tai nạn NMĐHN Fukushima Daiichi; - Ứng dụng mô hình đã lựa chọn để đánh giá mức độ ảnh hưởng đến các tỉnh, thành phố khu vực miền Bắc Việt Nam khi xẩy ra sự cố hạt nhân xuyên biên giới từ các nhà máy điện hạt nhân Phòng Thành/Trung Quốc. 2 3. Nội dung cần thực hiện Với mục tiêu tổng quát nêu trên, luận án cần giải quyết các nội dung sau: - Nghiên cứu,lựa chọn mô hình khu vực mô phỏng, đánh giá phát tán phóng xạ trong khí quyển (FLEXPART-WRF); - Nghiên cứu ảnh hưởng của yếu tố khu vực như: địa hình, thảm thực vật, trường khí tượng khu vực, tham số vi vật lý trong khí quyển, ảnh hưởng đến độ chính xác, tin cậy của mô hình; - Đánh giá độ tin cậy của mô hình qua kết quả kiểm chứng độ nhạy, tương quan của kết quả mô phỏng phát tán phóng xạ từ sự cố Fukushima với các giá trị kết quả quan trắc thực tế tại các trạm quan trắc Futaba, Nahara của Nhật Bản bằng phương pháp sử dụng giản đồ Taylor; - Áp dụng các cấu hình phù hợp để mô phỏng sự cố giả định của nhà máy điện hạt nhân Phòng Thành, Trung Quốc vào tháng 3 năm 2020 ảnh hưởng đến Việt Nam bao gồm mức độ ảnh hưởng đến môi trường và dân chúng ( giá trị suất liều) trên khu vực miền Bắc Việt Nam. 4. Ý nghĩa khoa học của luận án 4.1. Ý nghĩa khoa học - Việc sử dụng mô hình khu vực (Flexpart-WRF) đánh giá, dự báo sự phát tán phóng xạ tầm gần trong khí quyển là phù hợp và cho kết quả có độ tương quan cao với các kết quả quan trắc thực tế; - Lựa chọn bộ cấu hình vi vật lý: địa hình, thảm thực vật, trường khí tượng khu vực, tham số vi vật lý trong khí quyển,phù hợp (từ 48 thử nghiệm trong luận án) cho mô hình khí tượng khu vực WRF và chương trình mô phỏng đánh giá phát tán phóng xạ tầm gần (Flexpart-WRF); - Đánh giá được mức độ ảnh hưởng đến môi trường, dân chúng tại các tỉnh, thành phố khu vực miền Bắc Việt Nam trong trường hợp giả định xảy ra sự cố hạt nhân xuyên biên giới. 4.2. Các kết quả cụ thể 3 - Thực hiện 48 thử nghiệm (bộ 24 cấu hình vi vật lý, 02 số hạng nguồn phát tán phóng xạ) để đánh giá độ nhạy và tương quan của mô hình khu vực trong mô phỏng đánh giá phát tán chất phóng xạ trong khí quyển. Lựa chọn. - Lựa chọn một số bộ cấu hình để áp dụng cho bài toán mô phỏng đối với khu vực miền Bắc Việt Nam. - Kết quả tính toán mức độ ảnh hưởng đến Việt Nam từ sự cố hạt nhân giả định tại NMĐHN Phòng Thành. 5. Giá trị thực tiễn của luận án Thông qua các nội dung nghiên cứu của luận án, là cơ sở để có thể áp dụng các công cụ tính toán, mô phỏng vào thực tế công tác hỗ trợ chỉ huy trong tham mưu, đề xuất với Thủ trưởng Bộ Quốc phòng, Lãnh đạo Uỷ ban Quốc gia Ứng phó sự cố thiên tai và Tìm kiếm cứu nạn trong công tác ứng phó với các sự cố hạt nhân xuyên biên giới. 6. Bố cục của luận án Luận án gồm 136 trang, 12 bảng, 73 hình, 04 công trình công bố, 69 tài liệu tham khảo, 8 trang phụ lục và được phân bổ như sau: Mở đầu: 03 trang, giới thiệu tính cấp thiết, mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án; Chương 1: Đánh giá nguy cơ ảnh hưởng từ các sự cố hạt nhân xuyên biên giới và tình hình nghiên cứu đánh giá phát tán phóng xạ trong khí quyển (28 trang) ; Chương 2: Phương pháp nghiên cứu (32 trang); Chương 3: Kết quả nghiên cứu và ứng dụng (48 trang); Phần Kết luận và kiến nghị (02 trang); Danh mục các công trình đã công bố liên quan đến luận án, các tài liệu tham khảo và phần Phụ lục. 4 CHƯƠNG 1. CHƯƠNG 1. ĐÁNH GIÁ NGUY CƠ ẢNH HƯỞNG TỪ CÁC SỰC CỐ HẠT NHÂN XUYÊN BIÊN GIỚI VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ PHÁT TÁN PHÓNG XẠ TRONG KHÍ QUYỂN 1.1 Đánh giá nguy cơ ảnh hưởng từ các sự cố NMĐHN xuyên biên giới Việc lựa chọn vị trí để xây dựng, bố trí các NMĐHN phải bảo đảm những yêu cầu rất cao về an toàn và đáp ứng các vấn đề về kinh tế, kỹ thuật, xã hội, môi trường, đặc biệt là phải giảm thiểu tác động kể cả khi xảy ra sự cố. Theo nhận định của các chuyên gia điện hạt nhân quốc tế thì chương trình điện hạt nhân của Trung Quốc đang được triển khai quá nhanh cả về số lượng và tính đa dạng của công nghệ, nhưng cơ bản là sao sao chép các công nghệ có sẵn trên thế giới, khả năng tự chủ chưa cao. Trong khi đó cơ chế quản lý rủi ro về an ninh, an toàn hạt nhân còn hạn chế, tiềm ẩn nguy cơ rủi ro cao khi vận hành. Khi xảy ra sự cố, các NMĐHN sẽ tác động tiêu cực đến một khu vực rộng lớn, trong đó có cả Việt Nam, cụ thể như sau: - Trường hợp NMĐHN Phòng Thành xảy ra sự cố hạt nhân, các khu vực Phòng Thành, Khâm Châu, Bắc Hải tỉnh Quảng Tây/Trung Quốc trong phạm vi bán kính 30km tính từ tâm sự cố sẽ bị phơi nhiễm phóng xạ và ảnh hưởng để các vùng, lãnh thổ lân cận, theo đó: nếu sự cố xảy ra vào mùa đông, với đặc điểm địa hình vùng Đông Bắc bộ là vùng trung du, đồi núi thấp, có nhiều cánh cung mở rộng về phía bắc và quy tụ ở Tam Đảo/Vĩnh Phúc, kết hợp với gió mùa Đông Bắc, chỉ trong khoảng thời gian 10 đến 12 giờ, toàn bộ khu vực Đông Bắc bộ và đồng bằng sông Hồng sẽ bị ảnh hưởng của bụi phóng xạ. Trong thời gian 02 – 03 ngày có thể ảnh hưởng đến phần lớn miền Bắc nước ta; Nếu sự cố xảy ra vào mùa hè: hướng gió ngược lên phía Bắc, nên sẽ ảnh hưởng đến phần lớn tỉnh Quảng Tây và một phần tỉnh Hà Giang, Cao Bằng/Việt Nam. Đối với nguồn nước: do đặc điểm của dòng hải lưu, nên chỉ trong khoảng thời gian 24 giờ, chất phóng xạ có thể theo dòng chảy ven bờ, gây nhiễm xạ khu vực 5 Bắc Hải, bán đảo Lôi Châu, phía bắc đảo Hải Nam/Trung Quốc và toàn bộ các tỉnh ven biển miền Bắc, miền Trung nước ta. - Trường hợp NMĐHN Xương Giang và Dương Giang xảy ra sự cố hạt nhân: khu vực đảo Hải Nam và Dưong Giang/tỉnh Quảng Đông sẽ trực tiếp bị phơi nhiễm phóng xạ và ảnh hưởng đến các khu vực lân cận. Theo đó: khi xảy ra sự cố vào mùa đông, gió mùa và dòng hải lưu theo hướng Đông Bắc – Tây Nam sẽ đưa bụi phóng xạ gây nhiễm khu vực Bắc Hải, bán đảo Lôi Châu, phía Bắc, Tây Bắc đảo Hải Nam/Trung Quốc cũng như quần đảo Hoàng Sa và các tỉnh miền Trung nước ta; tình huống sự cố xảy ra vào mùa hè: gió và dòng hải lưu theo hướng Tây Bắc và Tây Nam – Đông Bắc sẽ đưa bụi phóng xạ gây nhiễm khu vực Bắc Hải, bán đảo Lôi Châu, phía Bắc Hải Nam/Trung Quốc và toàn bộ Vịnh Bắc bộ, các tỉnh ven biển miền Bắc nước ta. - Khi xảy ra thảm hoạ hạt nhân (nổ lò phản ứng hạt nhân) mức độ ảnh hưởng sẽ lớn hơn rất nhiều lần, gây huỷ diệt sự sống của con người và môi trường trong bán kính 30km và để lại hậu quả đối với môi trường đến nhiều thập kỷ sau. 1.2 Các nghiên cứu về bài toán mô phóng xạ trong khí quyển Các bài học từ sự cố tại nhà máy điện hạt nhân Fukushima vào tháng 3 năm 2011 cho thấy tầm quan trọng đặc biệt của việc quan trắc phóng xạ môi trường, mô phỏng,tính toán và đánh giá phát tán chất phóng xạ từ các nhà máy điện hạt nhân trong công tác chuẩn bị và ứng phó các sự cố bức xạ và hạt nhân. Rất nhiều nhóm nghiên cứu và các tổ chức trên thế giới đã tiến hành nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực mô phỏng, đánh giá sự phát tán của các chất phóng xạ trong khí quyển từ các sự cố NMĐHN. 1.2.1 Các nghiên cứu trên thế giới Ngay trước khi xảy ra sự cố NMĐHN Fukushima, đã có những nghiên cứu đánh giá khả năng phát tán và tính toán quỹ đạo di chuyển của các hạt (sol khí) trong khí quyển được thực hiện. Năm 2006, nhóm nghiên cứu của Fast và các cộng sự đã sử dụng các kết quả của mô hình WRF mô phỏng các trường hoàn lưu tại trung tâm Mexico [1]. Năm 2011, Foy và cộng sự nghiên cứu sự vận chuyển và 6 chuyển hóa các hạt sol khí (khí thải) ở khu vực đô thị Mexico bằng việc sử dụng mô hình FLEXPART-WRF[2]. Nhóm nghiên cứu của Zarauz và Pasken (2010) đã sử dụng mô hình WRF để mô phỏng các trường khí tượng phục vụ tính toán cho các mô hình phát tán khí CALPUFF và HYSPLIT để đánh giá sự phát tán của các chất ô nhiễm trong khí quyển. Nhóm nghiên cứu của Angevine và các cộng sự (2013) đã sử dụng mô hình phát tán hạt Lagrangian FLEXPART nghiên cứu sự vận chuyển chất ô nhiễm tại khu vực California. Nhóm nghiên cứu của Madala và cộng sự (2015) sử dụng mô hình FLEXPART-WRF để mô phỏng sự phát tán của NOx trong khí quyển trên khu vực địa hình phức tạp Ranchi, Ấn Độ [6]. a) Nghiên cứu quá trình phát tán phóng xạ từ sự cố NMĐHN Fukushima trên quy mô địa phương Năm 2012, nhóm nghiên cứu của Katata và các cộng sự đã sử dụng mô hình phát tán hạt Lagrange trong phần mềm GEARN để mô phỏng đối với chất phóng xạ là I- 131 và Cs-137 trên diện tích 190 km2 xung quanh nhà máy điện hạt nhân Fukushima Daiichi [7]. Tác giả Srinivas và các cộng sự (2012) về mô phỏng sự phát tán các chất phóng xạ trong khí quyển quy mô khu vực từ sự cố nhà máy điện hạt nhân Fukushima Dai-ichi [8]. Ngoài ra, GS. Korsakissok và cộng sự đã thực hiện công trình “ Nghiên cứu và đánh giá độ nhạy quá trình phát tán trong khí quyển quy địa phương và rơi lắng bề mặt từ sự cố NMĐHN Fukushima” [61]. Năm 2014, Christoudias và các cộng sự đã sử dụng mô hình EMAC (mô hình hoàn lưu hóa khí quyển) với độ phân giải 50km để đánh giá rủi ro toàn cầu về phát tán chất phóng xạ vào khí quyển từ những tai nạn phóng xạ có thể xảy ra trong tương lai [9]. b) Nghiên cứu quá trình phát tán trên quy mô vùng Nhóm nghiên cứu của GS. Terada và cộng sự đã tiến hành nhiều mô hình phân tích trên quy mô vùng với mục đích đánh giá số hạng nguồn và các quá trình phát tán, phân bổ liều chiếu của một số chất phóng xạ (I-131 và Cs-137) [43], nhóm nghiên cứu đã sử dụng mô hình phát tán hạt Lagrange trong phần mềm GEARN để tính toán sự phát tán trong khí quyển của các hạt nhân phóng xạ và đánh giá lại số hạng nguồn và phát tán của I-131 và Cs-137 từ sự cố NMĐHN Fukushima năm 7 2011. nhón ngiên cứu của GS. H. Huang và cộng sự tại People’s Public Security University of China, Trung Quốc cũng tiến hành các nghiên cứu trên quy mô vùng với nội dung: “Mô hình hóa và phân tích độ nhạy của quá trình vận chuyển, rơi lắng hạt nhân phóng xạ từ vụ tai nạn Fukushima Daiichi” được công bố trên tạp chí Atmos. Chem. Phys., năm 2014. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng mô hình phát tán Eulerian trong phần mềm WRF-Chem đánh giá quá trình rơi lắng khô và ướt của hai đồng vị I-131 và Cs-137 [62]. c) Nghiên cứu quá trình phát tán trên quy mô khu vực Các nghiên cứu phát tán chất phóng xạ quy mô toàn cầu được rất nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới tiến hành, nghiên cứu của GS. Roland Draxler và đồng nghiệp (2015) tại nhiều quốc gia trên thế giới đã sử dụng nhiều các mô hình phân tích toàn cầu khác nhau để đánh giá mức độ ảnh hưởng của phóng xạ sau khi sự cố tại NMĐHN Fukushima xảy ra [14].Nhóm nghiên cứu của Wai, K. M., và Peter, K. N. (2015) đã sử dụng mô hình phát tán hạt Lagrange trong phần mềm HYSPLIT4 để đánh giá khả năng ảnh hưởng của chất phóng xạ Cs-137 phát tán từ các vụ tai nạn giả định (tương tự sự cố NMĐHN Fukushima) tại các địa điểm nhà máy điện hạt nhân ở miền Nam Trung Quốc với các điều kiện khí tượng bốn mùa khác nhau [10]. Tác giả Rakesh (2015) đã sử dụng mô hình FLEXPART-WRF mô phỏng quá trình phát tán của chất phóng xạ trong không khí trong trường hợp giả định tại nhà máy điện hạt nhân ở phía đông nam nước Pháp[11]. Nhóm nghiên cứu của Shekhar và cộng sự (2020) đã nghiên cứu xây dựng hệ thống “Ứng cứu Khẩn cấp Sự cố Hạt nhân Trực tuyến” (Online Nuclear Emergency Response System - ONERS). Đây là một “Hệ thống Hỗ trợ Quyết định” (Decision Support Systems - DSS) được phát triển để quản lý các trường hợp khẩn cấp liên quan đến sự cố hạt nhân cho các địa điểm Nhà máy Điện hạt nhân của Ấn Độ[13]. 1.2.2 Các nghiên cứu trong nước Từ những năm 1980-1990 Viện Nghiên cứu hạt nhân, Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam đã có các nghiên cứu về lan truyền các đám mây phóng xạ từ nhà máy điện hạt nhân. Với sự cố vấn khoa học của Giáo sư Phạm Duy Hiển, cùng với sự tham gia của nhiều chuyên gia, tuy nhiên các nghiên cứu mới chỉ tập trung tìm 8 hiểu phương pháp luận và có thử nghiệm mô phỏng phát tán từ ống khói của nhà máy nhiệt điện ra khu vực theo các hướng gió trong năm. Năm 2011 GS Phạm Duy Hiển, TS Nguyễn Hào Quang và TS. Phạm Kim Long đã sử dụng mô hình phát tán hạt tầm xa Lagrange để xem xét quá trình lan truyền các chất phóng xạ như Cs-137 và I-131 từ tai nạn Fukushima đến Tây Thái Bình Dương và Đông Nam Á; Trong thời gian 2011-2015, PGS. TS Nguyễn Tuấn Khải đã có những nghiên cứu về “Nghiên cứu, đánh giá tác động môi trường của phóng xạ phát ra từ nhà máy điện hạt nhân trong điều kiện hoạt động bình thường và khi xảy ra sự cố theo các cấp độ khác nhau”; Năm 2017, Tiến sĩ Nguyễn Hào Quang, Phạm Kim Long và các cộng sự nghiên cứu sử dụng mô hình phát tán hạt FLEXPART để mô phỏng vận chuyển tầm xa của I-131 và Cs-137 từ tai nạn nhà máy điện hạt nhân Fukushima Daiichi đến khu vực Nhiệt đới Tây Thái Bình Dương và Đông Nam Á. Từ các kết quả nghiên cứu cho thấy sự phù hợp giữa mô hình FLEXPART và các kết quả quan trắc có thể được coi là thỏa đáng. Tuy nhiên, vẫn còn sự khác biệt giữa các giá trị nồng độ được tính toán từ mô hình và các giá trị quan trắc. 1.3 Đặc điểm khí tượng ảnh hưởng đến quá trình phát tán trong khí quyển Việt Nam nằm trong khu vực Đông Nam Á tiếp giáp với khu vực Đông Á, tây Thái Bình Dương và khu vực Nam Á. Toàn bộ khu vực trên trải dài từ vĩ độ 10oS đến 50oN, kinh độ 70oE đến 150oE. Tại đây bao gồm các khu vực nhiệt đới, cận nhiệt đới và ôn đới. Đối với hầu hết các quá trình ô nhiễm không khí nói chung và quá trình phát tán phóng xạ trong không khí nói riêng, tầng đối lưu là tầng xảy ra quá trình vận chuyển và phát tán nhiều nhất. Tầng đối lưu là tầng khí quyển hoạt động mạnh nhất. Tầng này chứa 80% khối lượng không khí và hầu như toàn bộ hơi nước của bầu khí quyển. Các hiện tượng thời tiết như mây, mưa, và giông bão đều chỉ xảy ra ở đây. Đây chính là những yếu tố tác động trực tiếp đến chùm phóng xạ trong quá trình lan truyền trong bầu khí quyển. 1.4 Mô hình phát tán trong khí quyển Năm loại mô hình phát tán được sử dụng phổ biến: mô hình chùm hạt Gaussian; mô 9 hình bong bóng hạt Gaussian; mô hình phát tán hạt Lagrangian; mô hình phát tán Eulerian; và mô hình động lực học chất lỏng tính toán (CFD). Phạm vi mô hình phát tán khí quyển hiện có sẵn từ tương đối đơn giản đến phức tạp. Để xác định cách các mô hình phân tán có thể được áp dụng một cách hiệu quả, điều quan trọng là phải xác định được yêu cầu cụ thể trong đánh giá rủi ro phóng xạ và ứng phó khẩn cấp. Hình 1.1 Các loại mô hình: a) mô hình quỹ đạo trung bình; b) mô hình hộp Eulerian;c) mô hình bong bóng hạt Gaussian; d) mô hình phát tán hạt Lagrangian Bảng 1.1 Tổng hợp các mô hình phát tán trong khí quyển Khuyến cáo sử dụng < 1 km 1-10 km 10-100 km 100-1.000 km Đánh giá nguy cơ trực tiếp - Gaussian Puff Eulerian Địa hình phức tạp CFD Lagrangian Lagrangian Eulerian Quá trình phát tán tầm xa - Gaussian Gaussian Eulerian Quá trình phát tán tự do - Lagrangian Lagrangian Lagrangian Khu đô thị, đường phố CFD CFD Eulerian Eulerian 10 CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Mô hình dự báo khí tượng WRF WRF là hệ thống mô hình được sử dụng cho các dự báo và ứng dụng phân tích khác nhau, từ quy mô vùng đến quy mô toàn cầu. WRF bao gồm nhiều tham số cho các quá trình lớp biên, đối lưu, vi vật lý, bức xạ, các quá trình bề mặt, và một số tùy chọn khác. Quy mô dự báo của mô hình rất đa dạng, có thể từ hàng mét đến hàng nghìn km bao gồm các nghiên cứu và thực hành dự báo số (NWP), đồng hóa dữ liệu và tham số hóa các yếu tố vật lý, mô phỏng khí hậu bằng phương pháp hạ quy mô động lực downscaling (dynamic downscaling climate simulations), nghiên cứu và đánh giá chất lượng không khí, mô hình kết hợp đại dương - khí quyển và các mô phỏng lý tưởng (như xoáy lớp biên, đối lưu, sóng tà áp,). Chính vì những ưu điểm như trên, mô hình WRF đang được sử dụng trong nghiên cứu khí quyển và dự báo nghiệp vụ tại Hoa kỳ cũng như nhiều nơi trên thế giới. Hình 2.1 Địa hình được chi tiết hóa phù hợp với thực tế khi độ phân giải cao[26]. Các mô hình khu vực (RCM) đóng một vai trò rất quan trọng trong các nghiên cứu khí quyển (Hình 2.1). Ngoài sự tác động của các quá trình quy mô lớn, khí hậu địa phương còn chịu ảnh hưởng mạnh mẽ bởi các yếu tố khu vực như địa hình núi, tương tác đất liền - đại dương, đặc tính đất, các quá trình khí tượng quy mô nhỏ như các ổ đối lưu - những hiện tượng không được mô phỏng chi tiết trong 11 các mô hình toàn cầu [26]. Mô hình khu vực lấy các điều kiện biên từ các mô hình toàn cầu và chi tiết hóa số liệu cho địa phương thông qua các chương trình toán học đa dạng được gọi là kỹ thuật hạ quy mô động lực [26]. 2.1.1 Tham số chính trong mô hình WRF a. Tham số hóa vi vật lý Quá trình vi vật lý bao gồm các quá trình xử lý hơi nước, mây và giáng thủy; và các sơ đồ loại này trong mô hình WRF là sơ đồ Kessler; Purdue Lin; WSM 3, 4, 5, 6; Eta GCP; và Thompson. Các sơ đồ trên chủ yếu nghiên cứu các quá trình của hơi nước, sự tạo thành của mây (dạng lỏng hoặc các hạt ngưng kết), sự hình thành và rơi xuống của giáng thủy lỏng, tuyết hoặc sương. Tuy nhiên mỗi sơ đồ có độ phức tạp và các biến ẩm riêng, trong mỗi sơ đồ và xem xét xem các sơ đồ có xử lý pha băng và pha hỗn hợp không. Quá trình xử lý pha hỗn hợp là kết quả từ sự tương tác giữa các tinh thể băng và nước lỏng, tạo điều kiện cho sự tạo thành mưa đá. b. Tham số hóa đối lưu Các sơ đồ tham số hóa đối lưu trong mô hình WRF bao gồm sơ đồ Kain-Fritsch; Betts-Miller-Janjic; và Grell-Devenyi. Các sơ đồ này nghiên cứu hiệu ứng đối lưu nông hoặc sâu. Mục đích của chúng là miêu tả các dòng thẳng đứng thăng và giáng bên trong và các chuyển động bồi hoàn bên ngoài đám mây. Các sơ đồ này được thực hiện chỉ trong các cột riêng lẻ và cung cấp profile nhiệt và ẩm và lượng mưa rơi xuống bề mặt. Một số sơ đồ có thể cung cấp thêm xu hướng của trường mây và giáng thủy. Trong tương lai, có thể cung cấp thêm xu hướng của các chuyển động và vận chuyển động lượng. c. Các mô hình mặt đất Các mô hình bề mặt đất (LSMs) sử dụng các thông tin khí quyển từ các sơ đồ lớp sát đất, phát xạ cưỡng bức từ các sơ đồ bức xạ, và giáng thủy cưỡng bức từ các quá trình vi vật lý và các sơ đồ đối lưu, cùng với thông tin bên trong như các biến trạng thái đất và thuộc tính mặt đất, để cung cấp các thông lượng nhiệt và ẩm trên các điểm mặt đất và trên băng biển. Các thông lượng này cung cấp điều kiện biên mực thấp cho vận chuyển thẳng đứng thực hiện trong sơ đồ lớp biên hành tinh 12 PBL (hoặc sơ đồ khuếch tán thẳng đứng trong trường hợp mà sơ đồ PBL không chạy, như là trong các xoáy quy mô lớn). Chú ý rằng hiện nay mô hình WRF chưa xử lý được sự tương tác giữa xoáy quy mô lớn với các thông lượng bề mặt. Các mô hình mặt đất có các mức độ phức tạp riêng trong việc xử lý các thông lượng ẩm và nhiệt trong nhiều lớp đất khác nhau và cũng có thể vận dụng được ảnh hưởng của thực vật, rễ, tán cây và dự báo tuyết phủ bề mặt. Các mô hình này tuy không dự báo được xu hướng của các yếu tố, nhưng có khả năng cập nhập các biến trạng thái bề mặt gồm nhiệt độ bề mặt đất, profile nhiệt độ đất, profile độ ẩm đất, độ tuyết phủ và có thể cả các thuộc tính của tán cây. Tuy nhiên giữa các điểm gần nhau trong LSM không có sự tương tác ngang. d. Tham số hóa lớp biên hành tinh Lớp biên hành tinh (PBL) xử lý các thông lượng thẳng đứng quy mô dưới lưới tính nhờ sự vận chuyển các xoáy không chỉ trong lớp biên mà trong toàn bộ cột khí quyển. Các thông lượng bề mặt được cung cấp từ các sơ đồ lớp sát đất và sơ đồ bề mặt. Sơ đồ PBL xác định profile các thông lượng bên trong lớp biên xáo trộn và lớp ổn định, và do đó nó cung cấp xu thế nhiệt độ, độ ẩm không khí (bao gồm cả mây), và các chuyển động ngang trong toàn bộ một cột khí quyển. Các sơ đồ này đều là một chiều, và đều thừa nhận có một tỉ lệ phân biệt rõ ràng giữa các xoáy quy mô dưới lưới và các xoáy đã giải được e. Tham số hóa sự phát xạ khí quyển Các sơ đồ bức xạ cho chúng ta hình dung về sự đốt nóng bầu khí quyển bằng phân kỳ thông lượng bức xạ, bức xạ sóng dài đi xuống bề mặt và bức xạ sóng ngắn cung cấp nhiệt cho bề mặt đất. Phát xạ sóng dài bao gồm hồng ngoại và bức xạ nhiệt hấp thụ và phát xạ bởi các chất khí và bề mặt. Thông lượng bức xạ sóng dài đi lên từ bề mặt được xác định bằng độ phát xạ bề mặt và do đó phụ thuộc vào loại đất sử dụng và nhiệt độ đất. Bức xạ sóng ngắn bao gồm các bước sóng xung quanh dải thị phổ, phát xạ từ Mặt trời và khi đến Trái đất bị hấp thụ, phản xạ và tán xạ. Một lượng bị phản xạ do albedo bề mặt tạo thành thông lượng đi lên. Hơn nữa, phân bố của CO2, O3 mây và sự phân bố hơi nước trong khí quyển cũng ảnh hưởng đến sự phát xạ. 13 2.1.2 Dữ liệu khí tượng ban đầu Hiện nay, sự phát triển của mô hình thời tiết động lực học và các mô hình phân tán hạt cho phép mô phỏng quá trình phát tán trong khí quyển của các hạt nhân phóng xạ với độ chính xác cao. Một yếu tố quan trọng đối với quá trình mô phỏng là các bộ dữ liệu khí tượng toàn cầu đã được hiệu chỉnh thành các mô hình khu vực. Trung tâm Dự báo Thời tiết hạn ngắn Khu vực Châu Âu (ECMWF) cung cấp các dự báo toàn cầu có độ phân giải cao với tần suất hai lần một ngày vào lúc 00 giờ UTC và 12 giờ UTC, sử dụng hệ thống đồng hóa dữ liệu 4D-Var với 91 mức áp suất khác nhau [58]. ECMWF đã tạo ra một dữ liệu tái phân tích ERA5 mới với độ phân giải ngang 31 km và 137 mức áp suất khác nhau. Ngoài ra, các dữ liệu bề mặt đất liền và bề mặt đại dương cũng được cung cấp, bao gồm lượng mưa, nhiệt độ ở 2 m và bức xạ khí quyển [58]. 2.2 Chương trình FLEXPART-WRF FLEXPART-WRF là chương trình kết hợp sử dụng dữ liệu đầu vào và toàn bộ miền tính toán với hệ tọa độ từ mô hình WRF (tăng độ phân giải cho bài toán mô phỏng phát tán), lựa chọn các số liệu gió khác nhau (gió trung bình theo thời gian, gió tức thời); tính toán, xử lý lớp biên hành tinh và các thông số bề mặt nhất định, bao gồm chiều cao PBL, thông lượng nhiệt bề mặt, vận tốc ma sát, rơi lắng khô, ướt dựa trên dữ liệu thu được từ thực tế với quy mô nhỏ, trung bình và quy mô địa phương để nâng cao độ chính xác trong kết quả tính toán, mô phỏng; đặc biệt là khả năng tính toán song song cho hiệu quả tính toán cao hơn nhiều lần so với các phiên bản FLEXPART. Hình 2.2 Sơ đồ các quá trình mô phỏng thực hiện mô hình khí quyển WRF- ARW và mô hình phân tán FLEXPART-WRF 14 2.2.1 Các thông số khí tượng cho bài toán mô phỏng phát tán khu vực Mô hình WRF cung cấp các biến số khí tượng không gian và thời gian làm đầu vào cho mô hình FLEXPART-WRF được chi tiết trong Bảng 1. Bảng 1 Các thông số của WRF sử dụng trên FLEXPART-WRF Thông số Chiều Mô tả ZNW 1D Giá trị sigma của cấp độ đầy đủ. ZNU 1D Giá trị sigma của cấp độ một nửa. PB 3D Giá trị áp suất cơ sở P 3D Độ nhiễu loạn của áp suất PHB 3D Giá trị cơ sở của trọng lực PH 3D Giá trị nhiễu loạn của trọng lực T 3D Nhiệt độ QVAPOR 3D Độ ẩm cụ thể TKE 3D Động năng rối. XLAT 2D Vĩ độ XLONG 2D Kinh độ MAPFAC 2D Hệ số bản đồ PSFC 2D Áp suất bề mặt 2.2.2 Các sơ đồ tham số hoá Dựa trên các nghiên cứu tương tự trên thế giới đã được công bố làm cơ sở để lựa chọn các sơ đồ tham số hóa cho quá trình vi vật lý. - Hai sơ đồ bức xạ sóng ngắn và sóng dài: Rapid Radiative Transfer Model (RRTM) scheme; RRTMG scheme - 03 sơ đồ lớp biên hành tinh: YSU scheme; Mellor-Yamada-Janjic (Eta) TKE scheme; MYNN 2.5 level TKE scheme. 15 - 04 sơ đồ vi vật lý mây được sử dụng: Sơ đồ Kessler scheme; WRF Single- Moment (WSM) 3-class simple ice scheme; WSM 6-class graupel scheme: sơ đồ mới trong WRF; Sơ đồ Thompson. 2.2.3 Số hạng nguồn phát tán phóng xạ Trong khuôn khổ của luận án, Nghiên cứu sinh đã tìm hiểu hiện nay các nghiên cứu, đánh giá phát tán phóng xạ từ sự cố NMĐHN Fukushima thường sử dụng kết quả nghiên cứu đánh giá số hạng nguồn phát tán của nhóm nghiên cứu Katata và cộng sự, (2015) [42]. Hình 2.3 biểu diễn số hạng nguồn Cs-137 theo tính toán của Katata. Ngoài ra, nghiên cứu của Teranda và các cộng sự năm (2019) [43] đã thực hiện việc đánh giá lại số hạng nguồn phát tán Cs-137 từ NMĐHN Fukushima trong thời gian từ 12/3 đến 31/3/2011. Hình 2.4 biểu diễn số hạng nguồn Cs-137 theo tính toán của Teranda. Hình 2.3 Số hạng nguồn của Cs-137 theo tính toán của Katata năm 2015 Hình 2.4 Số hạng nguồn của Cs-137 theo tính toán của Teranda năm 2019 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 1011 1012 1013 1014 1015 Re lea se R at e of C s- 13 7, B q. h^ -1 Time,h KATATA 16 2.2.4 Thiết lập thông số cho chương trình FLEXPART-WRF Bước 1: Thiết lập cấu hình cho mô hình WRF gồm các thủ tục như sau: lựa chọn miền tính (xác định số lượng lưới tính, độ phân giải...); lựa chọn các sơ đồ tham số hoá quá trình vi vật lý cho mô hình WRF, đặt thời gian, lựa chọn các tham số trong kết quả của file output... Bước 2: Thiết lập cấu hình chương trình FLEXPART-WRF, các thủ tục khai báo thực hiện trong 01 file gồm bao gồm các nội dung như sau: Sau khi mô hình WRF chạy, cần chỉ rõ các miền tính toán từ kết quả chạy để làm đầu vào cho chương trình Flexpart-Wrf; khai báo thông số cho mô phỏng như thời điểm bắt đầu và kết thúc mô phỏng, khoảng thời gian xuất dữ liệu ra, đơn vị sử dụng đầu ra bao gồm tính nồng độ riêng từng nhân phóng xạ hay tỉ lệ giữa các nhân phóng xạ; Để thiết lập lưới tọa độ tính toán trong mô phỏng, chỉnh tệp dữ liệu OUTGRIB tương ứng với các thông số khu vực cần mô phỏng và độ phân giải của dữ liệu khí tượng đầu vào; Thiết lập các thông số đồng vị phóng xạ... 2.3 Đánh giá độ nhạy và hệ số tương quan của mô hình 2.3.1 Giản đồ Taylo Để kiểm chứng, đánh giá độ tin cậy của các kết quả thu được từ các mô hình, luận án đã sử dụng phương pháp đánh giá thống kê giữa các giá trị tính toán từ kết quả mô phỏng với kết quả quan trắc thực tế và phương pháp so sánh các kết quả từ mô hình trên biểu đồ thời gian, bản đồ nồng độ. Giản đồ Taylo cung cấp các kết quả thống kê về mức độ phù hợp giữa giá trị quan trắc và kết quả của mô hình thông qua hệ số tương quan Pearson và độ lệch chuẩn. Sử dụng giản đồ Taylor (Taylor diagram) để đánh giá sai số của mô hình thông qua các chỉ số thống kê bao gồm Độ lệch chuẩn, sai số trung bình và hệ số tương quan". Giản đồ Taylor đặc trưng cho mối quan hệ thống kê giữa hai trường: trường “thử nghiệm” (thường đại diện cho trường được mô phỏng bởi một mô hình) và trường “tham chiếu” (đại diện cho số liệu đo được thực tế). Mối liên hệ chặt chẽ giữa giữa hai trường được mô tả bằng biểu đồ toán học (Hình 2.5) 17 Hình 2.5 Giản đồ Taylor và Mối quan giữa các hệ số trong giản đồ Taylor 2.3.2 Số liệu quan trắc phóng xạ Trong khuôn khổ của luận án này đã sử dụng các kết quả quan trắc phóng xạ tại trạm Futaba và Naraha của Nhật Bản sau sự cố hạt nhân tại nhà NMĐHN Fukushima Daiichi. Dữ liệu quan trắc được lấy từ báo cáo của H.Tsuruta và các cộng sự [46] Hình 2.6 Vị trí của trạm quan trắc Futaba, Naraha và NMĐHN Fukushima 18 CHƯƠNG 3. CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG 3.1 Kết quả mô phỏng phát tán phóng xạ từ sự cố NMĐHN Fukushima Để đánh giá độ nhạy đối với các tham số vi vật lý trong quá trình thiết lập điều kiện biên của FLEXPART-WRF để mô phỏng tái tạo các trường khí tượng có độ phân giải cao (trường gió) và tái tạo sự phân bố phóng xạ theo thời gian và không gian tại khu vực NMĐHN Fukushima vào tháng 3 năm 2011. Kết quả mô phỏng từ FLEXPART-WRF được so sánh, kiểm chứng với các kết quả quan trắc tại 02 trạm quan trắc Futaba và Naraha/Nhật Bản. Kết quả kiểm chứng được biểu diễn trên giản đồ Taylor. 3.1.1 Thiết lập thử nghiệm Miền tính của mô hình Flexpart-WRF được biểu diễn trên Hình 3.1 với miền tính bên ngoài ở độ phân giải 5km và miền tính trong ở độ phân giải 1km. Số liệu điều kiện biên và điều kiện ban đầu được lấy từ số liệu tái phân tích ERA5, với độ phân giải 0.25 độ, cập nhật từng giờ một. Mô hình WRF được chạy với 51 mực thẳng đứng của khí quyển và 04 lớp đất; cấu hình vi vật lý được trình bày trong bảng 2. Thời gian mô phỏng từ 21:00 UTC ngày 11/03/2011 đến 01:00 UTC ngày 26/03/2011. Sử dụng 02 số hạng nguồn của đồng vị phóng xạ Cs-137 được xác định dựa trên báo cáo phân tích của Katata và cộng sự, (2015) và theo tính toán của Teranda và cộng sự (2019). Hình 3.1 Miền tính của mô hình WRF cho khu vực NMĐHN Fukushima 19 3.1.2 Kết quả đánh giá trường khí tượng Với độ phân giải ban đầu (thô) khoảng 31 km, dữ liệu khí tượng tái phân tích ERA5 không thể tái tạo các biến khí tượng trên địa hình phức tạp của khu vực Nhật Bản. Mô hình WRF có thể hạ quy mô động lực đến độ phân giải lưới chi tiết hơn (05 km và 01 km trong nghiên cứu này). Hình 3.2 Mô phỏng độ cao địa thế vị (màu) và trường gió (ngạnh) ở mức 850 mb, lúc 12h00 UTC ngày 15/03/2011 từ mô hình WRF trong thử nghiệm (a), so với dữ liệu phân tích lại ERA5 (b ) đối với thử nghiệm 1 Hình 3.2 Mô phỏng độ cao địa thế vị (màu) và trường gió (ngạnh) ở mức 850 mb, ngày 15/03/2011 tại khu vực NMĐHN Fukushima Hình 3.3 Lượng mưa mô phỏng tích lũy từ mô hình WRF trong thử nghiệm 1, từ 09:00 đến 15:00 ngày 15 tháng 3 năm 2011 Lượng và cường độ mưa trong trường hợp này (Hình 3.3) cho kết quả tương đồng với kết quả mô phỏng từ nghiên cứu của G. Katata, và các cộng sự . (a) (b) 20 3.1.3 Đánh giá độ nhạy kết quả mô phỏng phát tán phóng xạ với các sơ đồ vi vật lý Trạm quan trắc Futaba rất gần với NMĐHN Fukushima với khoảng cách tầm 3,2 km, đây cũng là nơi bị ảnh hưởng nặng nề bởi cả động đất, sóng thần và ảnh hưởng của bức xạ. Đối với các nghiên cứu khác sử dụng mô hình phát tán phóng xạ toàn cầu thì các khu vực lân cận của nhà máy thường không được tính đến do giới hạn của độ phân giải lưới. Trong nghiên cứu này, NCS đã sử dụng độ phân giải cao 01 km để có thể tính toán được mức độ ảnh hưởng bức xạ đến các trạm tại Futaba, cũng như các trạm lân cận khác (trạm Naraha). Kết quả tính toán nồng độ của phóng xạ Cs-137 trong khí quyển trong theo thời gian từng giờ tại trạm Futaba và Naraha được biểu diễn trên Hình 3.4 đối với trường hợp sử dụng số hạng nguồn phát tán của Katata; tương tự là trường hợp khi sử dụng số hạng nguồn của Teranda là Hinh3.5. Dữ liệu quan trắcđược hiển thị trong các hình này được lấy từ Tsuruta và cộng sự, (2011). Hình 3.4 Biểu đồ so sánh bộ kết quả mô phỏng với giá trị quan trắc (a) (b) 21 tại trạm Futaba (a) và Nahara (b) sử dụng số hạng nguồn theo Katata Hình 3.5 Biểu đồ so sánh bộ kết quả mô phỏng với giá trị quan trắc tại trạm Futaba (a) và Nahara (b) sử dụng số hạng nguồn theo Teranda Sự phân bố theo thời gian của quá trình lắng đọng bề mặt của chất phóng xạ Cs- 137 tại Futaba, Naraha được thể hiện trong Hình 3.4 và Hình 3.5. Nhìn chung, 48 thử nghiệm đã thực hiện đều mô phỏng đúng các vị trí có nồng độ phóng xạ Cs-137 rơi lắng. Các kết quả mô phỏng có sự tương đồng với số liệu quan trắc, đặc biệt là từ ngày 12/03 đến 14/03 và ngày 16/03/2011tại trạm quan trắc Futaba và từ 15/03/2019 đến 16/03/2011 tại trạm Naraha. Các giá trị của nồng độ Cs-137 vào ngày 12/03/2019 và 19/03/2011 tại trạm Futaba được tái tạo tốt trong tất cả các thử nghiệm. Giá trị nồng độ phóng xạ Cs-137 trong các ngày 15/03, 16/03 và 19/03/2011 tại trạm quan trắc Naraha cũng được chương trình FLEXPART-WRF mô phỏng lại cho kết quả tốt. (a) (b) 22 Đối với các giá trị quan trắc nồng độ phóng xạ có giá trị nhỏ hơn 102Bq/m3 cho thấy độ sai số lớn giữa giá trị mô phỏng và quan trắc; tương ứng với các giai đoạn phát thải phóng xạ từ sự cố vào môi trường thấp, như ngày 14, 17 hay 19, thì mô hình cho lượng phát thải thấp hơn hẳn (Hình 3.4 (b) trạm Nahara) độ tin cậy và độ nhạy trong mô phỏng liên quan đến các yếu tố vi vật lý khác nhau và tần suất của nguồn phát thải đã thể hiện rõ ràng hơn khi so sánh kết quả với các trạm quan trắc Futaba và Nahara. Điều này có thể nhận thấy trong kết quả mô phỏng các ngày: 13-14 / 03/2011 và 19-21 / 03/2011 trong Hình 3.4(a) (trạm Futaba) và ngày 17,18,20/03/20111 trong Hình 3.4(b) (trạm Nahara). Có sự sai lệch lớn giữa giá trị mô phỏng và quan trắc tại trạm vào các ngày 15/03, 17-18/03 nguyên nhân có thể do quá trình mô phỏng mưa chưa sát với thực tế của mô hình WRF (cùng thời điểm này đã có mưa lớn tại khu vực đặt các trạm quan trắc). Bên cạnh việc đánh giá sự lắng đọng chất phóng xạ Cs-137 theo thời gian thì phân bố sự phát tán phóng xạ Cs-137 theo không gian được tính toán. Kết quả từ thử nghiệm Exp 4 thể hiện trên Hình 3.6 hiện thị nồng độ chất phóng xạ Cs-137 trong các “đám mây” phóng xạ tại độ cao 100 m trong ba ngày khác nhau. với (a): thời gian từ 00 UTC 12 đến 00 UTC 13/03/2011, (b): thời gian từ 00 UTC 15 đến 00 UTC 16/03/2011 và ( c): thời gian từ 00 UTC 19 đến 00 UTC 20/03/2011. Đơn vị: Bq/m3. Hình 3.6 Sự phân bố không gian quy mô địa phương của nồng độ Cs-137 3.1.4 Đánh giá độ tin cậy kết quả thực nghiệm Hình 3.7 thể hiện độ nhạy của kết quả mô phỏng đối với các tùy chọn vật lý khác nhau của mô hình WRF khi so sánh với giá trị quan trắc thực tế tại trạm ( ( ( 23 Futaba (a) và Nahara (b). Trong biểu đồ các thử nghiệm chứa độ lệch chuẩn chuẩn hóa (σ) lớn hơn 5 sẽ không được hiển thị để so sánh, đánh giá kết quả giữa mô phỏng và quan trắc. giản đồ (a1), (b1) sử dụng số hạng nguồn của Katata; (a2), (b2) sử dụng số hạng nguồn của Teranda. Hình 3.7 Giản đồ Taylor so sánh 24 kết quả mô phỏng nồng độ phóng xạ với giá trị quan trắc nồng độ phóng xạ của Cs-137 tại trạm Futaba (a) và Nahara (b) Thông qua các kết quả biểu diễn trên biểu đồ Hình 3.7 thấy được việc sử dụng các số hạng nguồn phát tán khác nhau trong mô hình hoá quá trình phát tán cho các kết quả không tương đồng. Vì vậy cần có những nghiên cứu thêm về việc đánh giá lại số hạng nguồn phát tán trong những nghiên cứu tiếp theo. Không (a1) (a2) (b2) (b1) 24 có sự đồng nhất về cấu hình nào là tốt nhất khi đánh giá qua 2 trạm, ví dụ như thử nghiệm 5 kém ở trạm Futaba nhưng tốt ở trạm Naraha. Các giá trị quan trắc nồng độ Cs-137 từ 11/03 đến 26/03/2011tại trạm Futaba và Naraha được so sánh với các kết quả mô phỏng. Kết quả mô phỏng từ các thử nghiệm đều nắm bắt được sự thay đổi hợp lý của nồng độ Cs-137 theo diễn tiến của sự cố. Dựa trên phân tích trên biểu đồ Taylor để đánh giá độ nhạy các kết quả mô phỏng đối với 24 cấu hình vật lý, một số cấu hình thử nghiệm được khuyến nghị để nghiên cứu thêm do hiệu suất tốt hơn trong số tất cả như: Exp19, Exp21, Exp23, Exp4, Exp5, Exp3 và Exp15...Đây là cơ sở để có thể lựa chọn một số cấu hình phù hợp cho việc đánh giá phát tán phóng xạ từ NMĐHN Phòng Thành đến miền Bắc Việt Nam. 3.2 Kết quả mô phỏng phát tán phóng xạ từ sự cố giả định tại NMĐHN Phòng Thành/Trung Quốc 3.2.1 Thiết lập thử nghiệm Miền tính của mô hình WRF được biểu diễn trên Hình 3.8 với miền tính bên ngoài ở độ phân giải 5km và miền tính trong ở độ phân giải 1km. Số liệu điều kiện biên và điều kiện ban đầu được lấy từ số liệu tái phân tích ERA5, với độ phân giải 0.25 độ, cập nhật từng giờ một. Mô hình WRF được chạy với 51 mực thẳng đứng của khí quyển và 04 lớp đất. Thời gian mô phỏng từ 00:00 UTC ngày 12/03/2020 đến 00:00 UTC ngày 17/03/2020 Hình 3.8 Miền tính của mô hình WRF cho mô phỏng giả định 25 Trong nghiên cứu này, danh sách các sơ đồ tham số được lựa chọn để mô phỏng phát tán và đánh giá nguy cơ ảnh hưởng từ sự cố NMĐHN Phòng Thành được lựa chọn từ 24 cấu hình trong mục 3.1.3. Chi tiết các cấu hình đươc chọn trong Bảng 4. Bảng 4 Bộ sơ đồ tham số hóa cho quá trình vi vật lý STT Thử nghiệm Cấu hình của WRF-ARW Sơ đồ vi vật lý mây Sơ đồ lớp biên hành tinh Sơ đồ bức xạ 1 Exp01 (cấu hình 15) WSM 6-class graupel scheme Mellor-Yamada- Janjic (Eta) TKE scheme RRTM scheme/ Dudhia scheme 2 Exp02 (cấu hình 04) Kessler scheme 3 Exp03 (cấu hình 05) MYNN 2.5 level TKE scheme 3.2.2 Nồng độ phát tán phóng xạ Cs-137 trong không khí Từ kết quả thử nghiệm nhận thấy có sự giống nhau trong kết quả của nồng độ Cs-137 từ 03 thử nghiệm với các cấu hình tham số hoá khác nhau. Tuy nhiên, thử nghiệm Exp03 có một điểm khác biệt đáng chú ý so với Exp01 và Exp02 đó là lượng phóng xạ phát tán về phía Trung Quốc với diện tích đám mây phóng xạ rộng hơn lần lượt từ Hình 3.9a đến Hình 3.9c. Sự khác biệt này tiếp tục được quan sát thấy khi sự phát tán phóng xạ lan rộng về phía Biển Đông vào ngày 13 tháng 3 năm 2020; đến ngày 14 đến ngày 15 tháng 3 năm 2020, sự phát tán phóng xạ rõ ràng hơn ở miền Bắc Việt Nam (Hình 3.10và 3.11). Điều này hoàn toàn phù hợp với các điều kiện khí tượng khu vực có gió tích lũy và mưa ở cấp độ bề mặt (Hình 3.12). Hơn nữa, trong mùa đông (thường từ tháng 11 đến tháng 3), các khối khí cực bắt nguồn từ Cao nguyên Siberi xâm nhập sâu vào các vùng vĩ độ thấp trong đó có Việt Nam, được tạo điều kiện bởi Cao nguyên phía đông Tây Tạng khiến không khí chuyển hướng nam theo hướng đông bắc. Do đó, sự phát tán phóng xạ một phần bị chi phối bởi hướng gió đông bắc. Trong nghiên cứu này mục tiêu chính là tìm hiểu mức độ ảnh hưởng từ sự cố NMĐHN Phòng Thành đến Việt Nam trong điều kiện gió mùa mùa đông. 26 Hình 3.9 Sự phân bố theo không gian của nồng độ Cs-137 vào ngày 12 tháng 3 năm 2020 với Exp01 (a), Exp02 (b) và Exp03 (c). Hình 3.10 Tương tự như Hình 3.9 nhưng vào ngày 14/03/2020. Hình 3.11 Tương tự như Hình 3.10 nhưng vào ngày 15/03/2020 Hình 3.12 Lượng gió tích lũy và lượng mưa trên bề mặt vào ngày 14/3/2020 27 Quá trình đánh gía sự lắng đọng khô và ướt của phóng xạ Cs-137 từ ngày 12 đến ngày 16/3/2020 với ba thí nghiệm khác nhau đượ tính toán. Vào ngày 12/3/2020, có thể thấy rõ rằng có sự khác biệt trong kết quả mô phỏng từ Exp03 (Hình 3.13c) so với các kết quả khác (Hình 3.13a-b) về sự lan rộng của các khu vực phóng xạ. Ngày 14/3/2020, thí nghiệm Exp03 (Hình 3.14c) cho thấy một dải hẹp và mở rộng của sự lắng đọng khô và ướt của các chất phóng xạ Cs-137. Quan sát thấy rằng Exp01 (Hình 3.15a) và Exp02 (Hình 3.15b) mô phỏng sự lắng đọng khô và ướt của các chất phóng xạ Cs-137với Hình 3.12 Gió tích lũy và lượng mưa ở bề mặt khu vực vào ngày 14/3/2020, dải tần ngắn hơn và rộng hơn so với Exp03, lý do cho điều này là do ảnh hưởng của lớp biên hành tinh lên cấu trúc nhiệt-dymamical và các trường dòng chảy trong khí quyển. Hình 3.13 Sự rơi lắng khô, ướt của chất phóng xạ Cs-137 vào ngày 12/3/2020 Hình 3.14 Tương tự như Hình 3.15 nhưng vào ngày 14/03/2020 Có thể thấy được liều hiệu dụng cao trên khu vực đất liền của miền bắc Việt Nam vào ngày 15/03/2020 là do quá trình di chuyển của các chất phóng xạ 28 theo hướng gió chủ đạo từ phía Đông Bắc và xuất hiện mưa trong thời gian này cho nên quá trình rơi lắng ướt đóng góp chính vào yếu tố liều hiệu dụng trên khu vực miền Bắc Việt Nam tăng cao hơn. Hình 3.15 Phân bố không gian của suất liều hiệu dụng vào ngày 14/3/2020 với Exp01 (a), Exp02 (b) và Exp03 (c). Hình 3.16 Tương tự như Hình 3.15 nhưng vào ngày 15/03/2020 Từ các kết quả mô phỏng dự báo mức độ ảnh hưởng khi xảy ra sự cố tại NMĐHN Phòng Thành sẽ ảnh hưởng đến các tỉnh thành phố khu vực miền Bắc Việt Nam. Hình 3.17 biểu diễn phân bố theo không gian kết quả mô phỏng liều hiệu dụng (nồng độ phóng xạ) gây ra bởi các hạt nhân phóng xạ trong thời gian 217 giờ kể từ khi sự cố xảy ra, các đám mây phóng xạ phát tán đến miền Bắc Việt Nam trong thời gian 48 giờ kể từ thời điểm vụ tai nạn xảy ra. Liều hiệu dụng có giá trị trong khoảng từ 0,2 đến 3mSV sẽ ảnh hưởng đến cư dân tại một số tỉnh như: Quảng Ninh, Hải Phòng, Hải Dương, Thái Bình, Hà Nội, Bắc Giang, Bắc Ninh, Cao Bằng. Hình 3.17 biểu diễn mức độ ô nhiễm phóng xạ (nồng độ phóng xạ) của các tỉnh miền Bắc Việt Nam vào tháng 3/2020. 29 Hình 3.17 Mức độ ô nhiễm phóng xạ của các tỉnh miền Bắc Việt Nam vào tháng 3/2020 tương ứng với các thử nghiệm Exp01 (a), Exp02 (b) và Exp03 (c). Dựa trên các kết quả có được từ mô phỏng giả định cho kịch bản sự cố cho Phòng Thành đã được thực hiện. Với 03 bộ cấu hình vi vật lý khác nhau, có thể nhận thấy sự khác biệt của thí nghiệm thứ ba (Exp03) Hình 3.17c so với hai thí nghiệm đầu (Exp01, Exp02) trong mô phỏng nồng độ Cs-137 và sự rơi lắng khô và rơi lắng ướt, có thể đánh giá được sự phụ thuộc của các yếu tố vi vật lý đến kết quả mô phỏng sự lan truyền, rơi lắng là khá rõ ràng. 30 Trong 03 kết quả mô phỏng trên Hình 3.47 đều cho thấy các đám mây phóng xạ phát tán đến miền Bắc Việt Nam trong thời gian 48 giờ kể từ thời điểm vụ tai nạn xảy ra. Thời điểm sau khi xảy ra sự cố khoảng 100h đến 150h một số khu vực không ghi nhận được sự xuất hiện của phóng xạ vì trong khoảng thời gian này có sự nhiễu động mạnh trường gió kết hợp với mưa được ghi nhận ở ven biển, điều này có thể là nguyên nhân làm các đồng vị phóng xạ bị rửa trôi trước khi phát tán đến các tỉnh nói trên. Liều hiệu dụng (nồng độ phóng xạ) có giá trị trong khoảng từ 0,2 đến 3mSv sẽ ảnh hưởng đến cư dân tại một số tỉnh như: Quảng Ninh, Hải Phòng, Hải Dương, Thái Bình, Hà Nội, Bắc Giang, Bắc Ninh, Cao Bằng. Căn cứ theo các hướng dẫn của cơ quan pháp quy quốc tế và trong nước thì những giá trị liều hiệu dung này lớn hơn 5 mSv, vì vậy toàn bộ lượng thực, thực phẩm tại những khu vực nêu trên sẽ tạm thời không được sử dụng. 31 KẾT LUẬN Trong khuôn khổ nội dung của Luận án, Nghiên cứu sinh đã sử dụng chương trình FLEXPART-WRF làm công cụ để mô phỏng, đánh giá mức độ ảnh hưởng của chất phóng xạ Cs-137 từ NMĐHN Phòng Thành/Trung Quốc đến miền Bắc Việt Nam. Trong quá trình nghiên cứu đã đánh giá được sự ảnh hưởng của các yếu tố khí tượng khu vực lên kết quả của bài toán mô phỏng phát tán, các kết quả thử nghiệm đã được so sánh đánh giá với các giá trị tại các trạm quan trắc khí tượng của Trung tâm dự báo khí tượng thuỷ văn Trung ương và các trạm quan trắc phóng xạ môi trường tại khu vực Futaba va Nahara Nhật Bản. Kết quả đạt được từ quá trình nghiên cứu cho thấy phù hợp, có khả năng nắm bắt được các giá trị cực trị, tương đồng giữa các giá trị mô phỏng và quan trắc, dựa trên cơ sở đó để đưa ra một số kết luận như sau: - Các nghiên cứu trong luận án (48 thử nghiệm) đã chứng minh được độ nhạy của các tham số vi vật lý trong mô hình dự báo khí tượng (WRF) và số hạng nguồn sự phù hợp của việc sử dụng mô hình FLEXPART-WRF trong việc mô phỏng dự báo phát tán phóng xạ; thông qua đó để xác định cấu hình phù hợp (tối ưu) của các cấu hình vi vật lý và số hạng nguồn cho bài toán mô phỏng, đánh giá phát tán phóng xạ từ NMĐHN Phòng Thành đến miền Bắc Việt Nam. - Kết quả mô phỏng, tính toán lại cho bài toán phát tán phóng xạ trong khí quyển từ sự cố tại NMĐHN Fukushima cho kết quả tính toán phù hợp, có khuynh hướng nắm bắt tốt, sát với các giá trị cực trị so với các giá trị quan trắc tại 02 trạm quan trắc Futaba và Nahara của Nhật Bản. - Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là cơ sở để xây dựng, phát triển thêm phương pháp đánh giá phát tán phóng xạ tầm gần (độ phân giải cao); kết quả tính toán, mô phỏng từ mô hình Flexpart-WRF là những cơ sở, dữ liệu ban đầu giúp cho công tác chuẩn bị và ứng phó với các sự cố, tai nạn từ NMĐHN Phòng Thành 32 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN I. Tạp chí Scopus Kieu Ngoc Dung, Nguyen Hao Quang, Nguyen Thi Hang, Nguyen Thi Thoa “Simulating the potential impacts of nuclear power plant accident for Northern Vietnam”, Journal of Water, Enviroment and Polution; DOI 10.3233/AJW220017 e-ISSN: 1875-8568,Volume 19, No2– March,2022,pp1-8; Scoupus index. II. Tạp chí chuyên ngành quốc tế Kieu Ngoc Dung, Nguyen Hao Quang, Hoang Huu Duc, Nguyen Thi Hang, Nguyen Thi Thoa and Nguyen Quang Trung, “Study on numerical models to evaluate atmospheric dispersion of radioactive materials on Vietnam territory”, IOSR Jounal of Applied Physics (IOSR-JAP) e-ISSN: 2278-4861, Volume 12, Issue 6 Ser. II (Nov. - Dec. 2020), Pages 51 - 63. III. Tạp chí khoa học trong nước 1. Kieu Ngoc Dung, Nguyen Hao Quang, Hoang Huu Duc, Đinh Van Thin, “Kết hợp mô hình phán tán hạt Lagrangian và mô hình khí tượng khu vực trong dự báo phát tán phóng xạ tại Việt Nam”, Journal of Military Science and Technology, ISSN:1859-1043, No 68, 8-2020, Papes150-159. 2. Kieu Ngoc Dung, Nguyen Hao Quang, Hoang Huu Duc, Nguyen Thi Hang, Nguyen Thi Thoa and Nguyen Quang Trung “Simulation of atmospheric radiocesium (137Cs) from Fukushima nuclear accident using FLEXPART-WRF driven by ERA5 reanalysis data”, Nuclear Science and Technology, Vietnam Atomic Energy Society and Vietnam Atomic Energy Institute, Vol.10, No. 3(2020), pp 01 - 12