閩南核電廠區(qū)短歷時設計暴雨估算*

.福建省氣象臺 . 福建省氣候中心　莊　瑤　鮑瑞娟　張容焱

閩南核電廠區(qū)短歷時設計暴雨估算*

1.福建省氣象臺 2. 福建省氣候中心莊瑤1鮑瑞娟2張容焱2

通過對暴雨一致區(qū)的分析，選擇合理的代表氣象站和水文站，根據(jù)代表水文站1953年～2007年不同歷時最大降水資料，采用皮爾遜－Ⅲ型法計算不同重現(xiàn)期短歷時降水量極值，最后通過雨強-頻率-歷時關系曲線求算暴雨衰減系數(shù)，得到閩南核電廠廠址區(qū)域短歷時暴雨設計值，具有一定的代表性和實用性，成果穩(wěn)定合理，可為工程設計提供科學的參考依據(jù)。

皮爾遜－Ⅲ型法 暴雨公式 衰減系數(shù) 短歷時 可能最大暴雨

為確保核電廠的安全，防止外部事件——可能最大降水量（PMP）以及臨近流域內(nèi)的水庫大壩可能垮壩，使洪水對下游核電廠產(chǎn)生潛在的嚴重威脅，根據(jù)核安全導則核電廠廠址選擇安全規(guī)定［1］的要求，必須評價廠址所在區(qū)域由降水引起、并影響核電廠安全的洪水泛濫的可能性，需要對臨近流域和廠址區(qū)域發(fā)生的短歷時最大降水進行估算和分析。

短歷時暴雨一般指24小時以內(nèi)的強降水，暴雨在時程上變化多端，總雨量相等的暴雨可以由無數(shù)個不同的強度降雨短歷時過程組成。然而，6小時以內(nèi)的降水是短歷時強降水最具風險的時段［2］。通常用暴雨遞減指數(shù)反映暴雨在時程分配上的集中（或分散）程度。暴雨遞減指數(shù)在不同時段存在差異，有研究表明，福建省短歷時暴雨遞減指數(shù)在1小時段發(fā)生轉折［3］。此外，短歷時暴雨具有高偏態(tài)分布特點，目前常用的分布線型難以擬合這種資料［4］，朱穎元［5］等對福建城市短歷時暴雨頻率的研究表明耿貝爾分布優(yōu)于皮爾遜－Ⅲ分布。劉增基［6］等利用氣象臺站資料討論了閩南地區(qū)汛期1～2小時內(nèi)降水的概率分布，指出受對流發(fā)展的貢獻大量級降水多發(fā)生在午后。

單站短歷時的可能最大暴雨（短歷時PMP）設計值估算尚無成熟的方法可以借鑒［7］，本文通過確定暴雨一致區(qū)及參證站，利用頻率分析法、暴雨公式參數(shù)分析法［8］，估算和分析閩南核電廠的短歷時暴雨特征，嘗試為核電工程設計提供氣候可行性論證。

1　資料來源

1.1暴雨一致區(qū)的確定

據(jù)文獻［9］對我省雨季暴雨、臺風暴雨空間分布特征的分析，閩南核電廠址所在的區(qū)域各縣市為暴雨的一致區(qū)，它們下暴雨時的環(huán)流形勢與天氣系統(tǒng)往往同一，且都處于宏觀大地形——博平嶺的東南側，所以致暴的概率和強度也比較接近，可視為暴雨的一致區(qū)，并收集暴雨一致區(qū)內(nèi)場址周邊的5個水文、雨量站和4個國家氣象臺站的降水量資料。

1.2參證氣象站和水文站代表性論證

1.2.1代表氣象站的選取

根據(jù)氣候成因和氣候形成機理的一致性、現(xiàn)場觀測與氣象站要素同步相關性論證與分析結果，4個參證氣象站中，選擇唯一一個居海島，并與廠址區(qū)域僅隔一個海灣的參證氣象站，具有更好的相似性，以其作為廠址區(qū)域氣候特征的“代表氣象站”是合理的。

1.2.2代表水文站的選取

5個參證水文、雨量站距廠址2.3～33.8公里，從空間尺度來看，它們對太陽輻射的承載，對大氣環(huán)流、天氣系統(tǒng)的受控性都是一致的。從海陸方位、地形地貌和海拔高度來說，都與廠址相近，期間雖有某些小氣候差別，但總的氣候面貌和災害天氣的籠罩度基本雷同。因此，從氣候成因和氣候形成機理的一致性來看，這些水文、雨量參證站都具有較好的代表性。但其中有一個水文參證站為標準水文站，積累了1953年～2007年共55年的短歷時降水資料序列，且缺測較少，從數(shù)據(jù)序列長度和質(zhì)量來看明顯優(yōu)于其他站，通過與代表氣象站相同年份的年最大24小時降水量作相關性分析（圖1）表明，二者有較好的相關性（R=0.68），因此該水文站可作為廠址區(qū)域的“代表水文站”。

圖1　代表氣象站與代表水文站歷年最大24小時降水相關關系圖

1.3代表水文站短歷時降水特征

表1給出了1953年～2007年代表水文站不同歷時的最大降水量的極大值、均值和標準差。隨著降水歷時的延長，標準差越來越大，也就是說歷時越短的降水，其量越穩(wěn)定；歷時越長的降水，其量變化越大。從均值還可以看出，1h和6h時段均值有一個明顯的遞增率變化。

表1　代表水文站不同歷時最大降水量統(tǒng)計表

2　可能最大暴雨短歷時降水的設計

可能最大暴雨（PMP）指一年的某一時期，特定的某設計流域上一定歷時內(nèi)、物理上可能發(fā)生近似上限降水（包括降水總量及其時空分布），其概率為萬年一遇［10］。短歷時PMP的計算要先推求廠址區(qū)域24h可能最大暴雨，以及代表水文站各種歷時萬年一遇設計暴雨值，然后采用暴雨公式確定暴雨參數(shù)反算短歷時的PMP。對于24hPMP，本文采用閩南核電廠區(qū)已有的PMP成果，即萬年一遇PMP為1280mm。

2.1設計暴雨公式的確定

短歷時設計暴雨計算公式如下［11］：

式中，Sp—雨勢或雨力，歷時為1h的雨強，單位mm/h； Xtp—歷時t的暴雨量，單位mm；t—暴雨歷時，單位h；n—暴雨遞減指數(shù)。

在我國大多數(shù)地區(qū)，當t=1h和t=6h時降雨量有轉折點［12］，因此，當以長包短、大包小的統(tǒng)計方式進行分析時，可以概化地分三段擬合以上公式：

2.2不同重現(xiàn)期短歷時降水量的計算

分別采用耿貝爾－Ⅰ型極值法和皮爾遜－Ⅲ型法計算不同頻率不同歷時的降水量［13］。由表2可以看出，代表水文站不同重現(xiàn)期各種短歷時降水量皮爾遜—Ⅲ法的計算結果比耿貝爾法更保守，且擬合曲線（圖2）比耿貝爾－Ⅰ型（圖略）好，Cs/Cv取值為3.5左右也較為合理，因此，我們將采用皮爾遜—Ⅲ法的計算結果確定短歷時暴雨公式的參數(shù)。

表2　代表水文站短歷時暴雨頻率計算結果

續(xù)表2

圖2　代表水文站短歷時暴雨皮爾遜—Ⅲ概率計算適線

2.3暴雨衰減系數(shù)的確定

將表2皮爾遜—Ⅲ法的計算結果繪于雙對數(shù)圖上［14］，分析同一頻率的各點據(jù)的分布及分配情況，然后用多組平行的折線把不同頻率的點據(jù)連起來，作為各頻率的雨強—頻率—歷時關系線，如圖3所示。

由圖3可以知道，曲線明顯分為3段，n值就是圖中各折線段的斜率，計算結果列于表3。由表3可見，閩南核電廠區(qū)短歷時暴雨存在明顯的3個衰減系數(shù)。如果僅以1h和24h分，那么1h至6h的暴雨強度估算將會明顯偏小，因此從工程安全角度出發(fā)，應采用3段擬合更為合理。

圖3　代表水文站雨強-歷時-頻率曲線

表3　代表水文站短歷時暴雨衰減系數(shù)表

2.4短歷時可能最大暴雨的計算

由公式（3）～（5），借用代表水文站P=0.01%的暴雨公式參數(shù)，采納24h可能最大暴雨成果X24hPMP=1280mm，推求短歷時可能最大暴雨（見表4）。

表4　廠址短歷時計算結果

3　短歷時可能最大暴雨計算結果的合理性分析

本文收集了代表水文站年最大短歷時暴雨資料系列，對年最大短歷時暴雨系列進行概率計算，得到不同頻率下各短歷時的設計暴雨量；通過繪制暴雨－頻率－歷時曲線分析求出相應暴雨參數(shù)；最后根據(jù)可能最大24h暴雨公式求出各短歷時的可能最大暴雨。

為了驗證短歷時可能最大暴雨計算結果的合理性，我們對福建省出現(xiàn)的三場特大暴雨（即24h最大降水量福鼎沙埕691.8mm、仙游下張隆638.1mm和晉江英林623.5mm，圖4上）和由于臺風所致的短歷時強降水個例（龍王臺風特大暴雨，圖4下）分別做短歷時雨量分布曲線，由圖4可以看出，各短歷時最大可能暴雨曲線趨勢與實際特大暴雨短歷時雨量分布趨勢是一致的，能反映短歷時可能最大暴雨的分布規(guī)律，且有一定的保守性。

由此說明，以上推求的廠址區(qū)域短歷時暴雨公式能夠較好地反映該地區(qū)的短歷時暴雨特征，具有一定的代表性和實用性，成果穩(wěn)定合理。

圖4　福建三場特大暴雨和PMP雨量-歷時曲線（上圖）、“龍王”臺風特大暴雨和PMP雨量-歷時曲線（下圖）

4　結論

通過分析計算，得到了閩南核電廠短歷時暴雨強度的計算參數(shù)，由此獲得了廠址區(qū)域不同歷時短歷時可能最大暴雨量。通過合理性分析，認為所得結果合理、可靠，可為工程設計提供科學的參考依據(jù)。

［1］ 國家安全局政策法規(guī)處.核電安全導則匯編［M］.北京：中國法制出版社，1991.

［2］ 嚴洌娜，徐集云，陳勝軍.短歷時強降水的極值分布與統(tǒng)計風險計算［J］.科技通報， 2005，21（6）：657-661.

［3］ 余志明.福建省暴雨統(tǒng)計參數(shù)有關特性分析［J］.水利科技，2001（3）：7-8.

［4］ 朱穎元.城市短歷時暴雨強度公式參數(shù)率定［J］.福州大學學報（自然科學版）， 2000，28（1）：48-51.

［5］ 朱穎元，王勇.福建省城市短歷時暴雨頻率分布假設檢驗［J］.福州大學學報（自然科學版）， 2006，34（3）：415-419.

［6］ 劉增基，林新彬，王世德，等.閩南地區(qū)汛期短歷時降水氣候特征［J］.氣象，1997， 23（8）：50-53.

［7］ 華家鵬，吳艷紅，苗艷紅，等.短歷時可能最大暴雨的一種計算方法［J］.水電能源科學， 2006，24（6）：33-34.

［8］ 史桂珍，邢鳳梅.吉林省短歷時設計暴雨分析方法［J］.吉林水利， 2002，238（8）：16-18.

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［15］ 吳瑞欽.九洲江下游地區(qū)短歷時暴雨公式分析［J］.廣東水利電力，2009，4（4）：59-61.

*注：福建省氣象局開放式氣象科學研究基金項目（2014K03）。