海島核電廠址的設(shè)計基準洪水位研究

方明豹，黃佳鈺，楊萬康，孫純鍵

(1.國核浙能核能有限公司，浙江 杭州 310012;2.自然資源部 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012)

0 引言

核電是目前世界公認的清潔能源，其技術(shù)成熟、成本合理、污染氣體排放少，對促進我國能源與經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義[1]。近年來濱海地區(qū)核電廠開發(fā)較多，但由于近岸區(qū)域人口密集，基礎(chǔ)設(shè)施眾多，符合核電站建設(shè)的優(yōu)良廠址越來越少，選取海島作為核電廠址成為一種新思路[2]。

浙江省是全國海島數(shù)量最多的省份，數(shù)量占全國的近40%。通過現(xiàn)場踏勘和資料分析開展廠址候選，選取的廠址位于浙江中部海域某海島，遠離人口密集區(qū)，有助于減少社會風(fēng)險，該海島地理位置如圖1 所示。依據(jù)相關(guān)規(guī)范[3]，核電站廠址的選擇需考慮極端氣象事件對設(shè)計基準洪水的影響。海島易遭受臺風(fēng)襲擊，尤其是臺風(fēng)引起的風(fēng)暴潮和強浪會對廠址的安全造成嚴重威脅。同時，浙江中部海域是我國受臺風(fēng)影響最嚴重的地區(qū)之一。因此開展以臺風(fēng)等極端天氣影響的海島核電候選廠址設(shè)計基準洪水位的研究，對核電工程的安全建設(shè)和運營具有重要意義。

圖1 海島核電廠址及潮位站位置示意圖Fig.1 The location sketch map of island nuclear power plant and tidal gauge station

針對臺風(fēng)時風(fēng)暴潮等極端水位的研究，主要方法包含統(tǒng)計分析和數(shù)值模擬兩種。如董勝 等[4]利用多年觀測資料對風(fēng)暴潮增水峰值重現(xiàn)期進行了估算；顧裕兵 等[5]通過統(tǒng)計分析秦山核電廠多年臺風(fēng)資料，計算了可能最大熱帶氣旋參數(shù)設(shè)計值；董劍希 等[6]采用多個潮位站的風(fēng)暴潮增水?dāng)?shù)據(jù)，統(tǒng)計分析了不同臺風(fēng)路徑下的風(fēng)暴潮時空分布特征；曾銀東[7]利用多種手段對寧德核電工程風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險特征參數(shù)進行了定量估計；齊江輝 等[8]以典型強臺風(fēng)路徑為基礎(chǔ)，設(shè)置多組情景模式，模擬計算了徐大堡核電站廠址的可能最大風(fēng)暴潮增水。

以往鮮有針對海島核電廠址開展設(shè)計基準洪水位的研究，尤其缺少對各災(zāi)害特征參數(shù)的定量評估。本文以海島核電廠址為研究對象，對廠址所面臨的天文高潮位、海平面上升、風(fēng)暴潮及臺風(fēng)浪特征參數(shù)進行統(tǒng)計分析和數(shù)值計算，為確定廠址設(shè)計基準洪水位和提高未來海島核電工程的防災(zāi)減災(zāi)能力提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)和方法

依據(jù)核電廠工程水文技術(shù)規(guī)范[9]，對廠址測站(位置見圖1)2016年全年逐時潮位資料進行調(diào)和分析，然后用調(diào)和常數(shù)預(yù)報未來19 a的潮位數(shù)據(jù)并統(tǒng)計累計頻率，推算10%超越概率天文高潮位和未來19 a的最高天文潮位。統(tǒng)計鄰近坎門海洋站1990—2016年海平面高度值，采用線性回歸方法推算廠址海平面上升速率。

風(fēng)暴潮及波浪數(shù)值計算采用MIKE21模型，該模型同時包含水動力及波浪模塊[10-11]，被廣泛應(yīng)用于河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙等的模擬，已在國內(nèi)外多個實際案例中得到檢驗。模型的計算區(qū)域包含渤海、黃海、東海，為了提高模型的計算精度兼顧計算效率，對不同區(qū)域的計算網(wǎng)格進行大小不同的劃分，網(wǎng)格邊長最小為100 m，在開邊界附近網(wǎng)格邊長最大為30 km左右。模型初始水位和初始流場設(shè)為0，淺灘地區(qū)采用動邊界干濕網(wǎng)格技術(shù)。水深數(shù)據(jù)來源于電子海圖和GEBCO全球水深數(shù)據(jù)(https://www.gebco.net/)。

按照規(guī)范要求[3]，采用統(tǒng)計法推算千年一遇氣壓低值作為假想臺風(fēng)最低中心氣壓值。統(tǒng)計1949—2019年間進入以廠址為中心，半徑為400 km范圍內(nèi)的臺風(fēng)樣本，選擇臺風(fēng)中心氣壓最低值，采用皮爾遜Ⅲ極值分布曲線推算最低中心氣壓。臺風(fēng)移動速度通過對進入半徑400 km范圍內(nèi)的臺風(fēng)樣本進行統(tǒng)計得到。臺風(fēng)數(shù)據(jù)采用中國臺風(fēng)網(wǎng)1949—2019年的最佳路徑數(shù)據(jù)集(http://tcdata.typhoon.org.cn/zjljsjj_zlhq.html)。

最大風(fēng)速半徑根據(jù)1961—1970年的實際觀測數(shù)據(jù)進行分析，數(shù)據(jù)來源為西北太平洋飛機探測臺風(fēng)資料。

根據(jù)歷史記錄，影響廠址的臺風(fēng)登陸方向集中在N與W方向之間，因此選取NNE、N、NNW、NW、WNW、W方向作為強臺風(fēng)登陸方向。以廠址為中心，設(shè)置9條假想路徑，與廠址的距離分別為2R，1.5R，R，0.5R，0，-0.5R，-R，-1.5R，-2R，其中R為臺風(fēng)最大風(fēng)速半徑，正值代表路徑在廠址右側(cè)，負值代表在左側(cè)(圖2)。環(huán)海島選取5個點(P1～P5)，位置如圖7所示，通過比較各點增水?dāng)?shù)值確定風(fēng)暴潮增水最大值及對應(yīng)的最不利路徑。

圖2 假想臺風(fēng)方向及路徑Fig.2 The directions and paths of hypothetical typhoon cases

采用HOLLAND提出的臺風(fēng)風(fēng)場模型[12]，氣壓方程為

(1)

其中：r表示任意點與臺風(fēng)中心的距離，單位：km；Pn為外圍參考氣壓，Pc為臺風(fēng)中心氣壓，Ps為任意點的氣壓，單位：hPa；Rmax為最大風(fēng)速半徑，單位：km；B為Holland參數(shù)，無量綱，決定了風(fēng)場的強度和輪廓，計算公式如下[13]

B=1.5+(980-Pc)/120

(2)

根據(jù)氣壓公式和梯度風(fēng)原理，徑向風(fēng)速計算公式為

(3)

其中：Wg為任意點的風(fēng)速，單位：m/s；ρa為空氣密度，單位：kg/m3；f為科氏力參數(shù)。

臺風(fēng)浪數(shù)值模擬的風(fēng)場參數(shù)和模型網(wǎng)格均與風(fēng)暴潮一致。

2 結(jié)果

風(fēng)暴潮增水及其疊加的天文高潮位和臺風(fēng)浪，是構(gòu)成海島核電廠設(shè)計基準洪水位的主要影響因子[14]。當(dāng)臺風(fēng)正面襲擊或嚴重影響海島時，島嶼周圍海域?qū)⒊霈F(xiàn)風(fēng)暴增水并伴有臺風(fēng)浪，可能會對核電工程設(shè)施構(gòu)成嚴重威脅。

2.1 天文高潮位及海平面上升幅度

通過對核電廠址測站2016年全年逐時潮位資料的調(diào)和分析以及根據(jù)調(diào)和常數(shù)預(yù)報未來19 a的潮位數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，得到10%超越概率天文高潮位為3.14 m。

核電廠址附近的坎門海洋站建站早、觀測歷時長，具有多年海平面觀測數(shù)據(jù)。統(tǒng)計分析該站的海平面數(shù)據(jù)可知(圖3)，1990—2016年坎門站海平面平均上升速率為3.9 mm/a。核電廠址建設(shè)及運行周期以80 a計，80 a后該海域海平面上升幅度約為0.31 m。

圖3 坎門潮位站海平面上升情況Fig.3 The sea level rise of Kanmen station

2.2 假想臺風(fēng)參數(shù)的計算

中心氣壓是表征臺風(fēng)強弱的氣象參數(shù)之一，中心氣壓越低，臺風(fēng)強度越大。圖4為1949—2019年間進入以廠址為中心，400 km半徑范圍內(nèi)的臺風(fēng)路徑樣本。根據(jù)皮爾遜Ⅲ極值分布曲線可知(圖5)，廠址處千年一遇(頻率為0.1%)臺風(fēng)中心氣壓值為884.4 hPa。

圖4 進入以核電廠址為中心，400 km半徑范圍 的臺風(fēng)路徑樣本Fig.4 The samples of typhoon entering 400 km radius around the nuclear power plant

圖5 核電廠址區(qū)域最低中心氣壓的皮爾遜Ⅲ極值分布曲線Fig.5 Pearson-Ⅲ distribution curve of annual extreme low pressure around the nuclear power plant

根據(jù)1961—1970年觀測的強臺風(fēng)中心氣壓及風(fēng)速半徑的結(jié)果可知(表1)，當(dāng)中心氣壓低于900 hPa時，風(fēng)速半徑不超過30 km，因此本文采用30 km為假想臺風(fēng)最大風(fēng)速半徑。對400 km半徑范圍內(nèi)臺風(fēng)樣本的移速進行統(tǒng)計(圖6)，發(fā)現(xiàn)強臺風(fēng)(中心氣壓低于935 hPa)移速范圍在10～35 km/h之間?；诖?，本文以平均值25 km/h作為假想臺風(fēng)移速。

表1 臺風(fēng)中心氣壓與最大風(fēng)速半徑觀測資料Tab.1 Observation data of central pressure and maximum wind radius of typhoon

圖6 核電廠址區(qū)域臺風(fēng)移速統(tǒng)計Fig.6 Statistics of typhoon moving velocity around the nuclear power plant

2.3 可能最大風(fēng)暴潮增水及臺風(fēng)浪

計算NNE、N、NNW、NW、WNW、W等 6個方向強臺風(fēng)時廠址附近5個點的風(fēng)暴潮增水值，限于篇幅，選取風(fēng)暴潮增水較為顯著的NNW、NW、WNW、W方向的計算結(jié)果列于表2。由表2可知：不同計算點風(fēng)暴潮增水值相差較大，出現(xiàn)極大值的路徑也有差異。島嶼東側(cè)的P2和P3點，增水值普遍較大；而島嶼西側(cè)的P4和P5點，增水值較小。臺風(fēng)在廠址左側(cè)登陸時(R為負值)，廠址位于臺風(fēng)前進路線的右半圓，風(fēng)力較強，有利于風(fēng)暴潮增水的產(chǎn)生，所引起的增水值顯著大于在廠址右側(cè)登陸時。比較各路徑下風(fēng)暴潮增水結(jié)果，NW向左側(cè)0.5R處登陸的臺風(fēng)使得廠址處的可能最大風(fēng)暴潮增水達到最大，增水最大值為2.99 m，為最不利路徑。該路徑下廠址附近海域各點最大風(fēng)暴潮增水統(tǒng)計結(jié)果如圖7所示，從增水的空間分布來看，海島東側(cè)海域增水值顯著大于西側(cè)。由于海島四周為開放水域，不利于增水的堆積，相對于濱海廠址，海島廠址的風(fēng)暴潮增水?dāng)?shù)值較小[8]。

圖7 最不利路徑下核電廠址附近海域最大風(fēng)暴潮增水分布Fig.7 The distribution of maximum storm surge around nuclear power plant under the most risky path

表2 各假想臺風(fēng)路徑下風(fēng)暴潮增水計算結(jié)果Tab.2 The storm surge level of various hypothetical typhoon paths

結(jié)合前文各路徑下的風(fēng)暴潮增水的結(jié)果，選取增水較為嚴重的路徑進行臺風(fēng)浪計算，計算結(jié)果如表3所示。由表可知，廠址北側(cè)(P1)和西側(cè)(P5)遭受的波浪影響相對較小，東側(cè)受到的影響較為嚴重(P2)。由于P2點周圍無阻擋，有利于外海風(fēng)浪的傳播。當(dāng)臺風(fēng)移動方向為W向，臺風(fēng)路徑位于廠址左側(cè)R處時，P2點有效波高達到最大值，為5.87 m，轉(zhuǎn)化為H1/100波高后為8.02 m。而當(dāng)臺風(fēng)在NNW、NW、WNW等其他路徑下，受島嶼南側(cè)小島礁的阻擋，波浪的高度被一定程度削弱。最不利路徑下(W方向，左側(cè)R處)廠址附近海域各點波高最大值統(tǒng)計結(jié)果如圖8所示，由圖可知，波高受島嶼岸線的遮蔽影響較為明顯，島嶼東側(cè)遭受的波浪威脅較為嚴重。

表3 各假想臺風(fēng)路徑下有效波高計算結(jié)果Tab.3 The significant wave height of various hypothetical typhoon paths

圖8 最不利路徑下核電廠址附近海域最大臺風(fēng)浪有效波高分布Fig.8 The distribution of maximum significant wave height around nuclear power plant under the most risky path

2.4 海島核電廠址設(shè)計基準洪水位的計算

由于本研究中的核電廠址位于海島，其風(fēng)暴潮增水分布特征和波浪參數(shù)與其他核電廠址相比具有一定的特殊性[7-8]。風(fēng)暴潮增水與濱海相比數(shù)值偏小，這是因為海島廠址距離陸地較遠，四周海水環(huán)繞，不利于強臺風(fēng)下水位的堆積。但廠址受到的波浪影響卻較為顯著，尤其在島嶼東側(cè)。通過多組虛擬臺風(fēng)路徑的數(shù)值模擬，揭示了不同臺風(fēng)移動方向和距離對海島廠址處風(fēng)暴潮增水的影響，并確定了最危險臺風(fēng)路徑。在此基礎(chǔ)上，對各水位參數(shù)進行疊加可以得到海島廠址處的最高水位(設(shè)計基準洪水位)。

本研究基于某海島實際地理位置，通過以下4個方面因子的疊加影響來計算設(shè)計基準洪水位：(1)天文高潮位；(2)海平面上升的影響；(3)可能最大風(fēng)暴潮增水；(4)臺風(fēng)浪?？紤]極端情況下選取不同路徑中各計算要素最大值參與組合，根據(jù)設(shè)計規(guī)范[9]，廠址處的設(shè)計基準洪水位結(jié)果為

設(shè)計基準洪水位=10%超越概率天文高潮位+海平面上升+可能最大風(fēng)暴潮增水+0.6×最大臺風(fēng)浪(H1/100)=3.14+0.31+2.99+0.6×8.02=11.25 m。

依據(jù)《風(fēng)暴潮災(zāi)害重點防御區(qū)劃定技術(shù)導(dǎo)則》[15]，海島核電廠址設(shè)計基準洪水位較高，所在海域受到的海洋災(zāi)害威脅較為嚴重，應(yīng)當(dāng)作為重點防災(zāi)區(qū)域進行防護。

3 結(jié)論

本文通過對海島核電廠址高潮位、風(fēng)暴潮及臺風(fēng)浪等災(zāi)害風(fēng)險研究，為廠址基準洪水位設(shè)計和防災(zāi)減災(zāi)提供了科學(xué)依據(jù)，主要結(jié)論如下：

(1)通過觀測潮位的調(diào)和分析和預(yù)報，海島核電廠址處10%超越概率天文高潮位為3.14 m；以廠址建設(shè)及運行周期為80 a來計算，海平面上升幅度約為0.31 m。

(2)基于多年臺風(fēng)資料統(tǒng)計分析廠址海域可能最大臺風(fēng)參數(shù)，其中千年一遇的最低中心氣壓為884.4 hPa，最大風(fēng)速半徑為30 km，平均移動速度為25 km/h。

(3)高精度海洋數(shù)值模型顯示，相對于濱海廠址，海島核電廠址的風(fēng)暴潮增水偏小，但波浪的影響顯著；在擬建島嶼東側(cè)，受風(fēng)暴潮和波浪威脅較為嚴重。在最不利臺風(fēng)路徑下，風(fēng)暴潮增水極大值達到了2.99 m，有效波高最大為5.87 m。

(4)通過各影響因子疊加計算，該海島核電廠址處的設(shè)計基準洪水位為11.25 m。

本研究針對海島核電廠址設(shè)計基準洪水位的計算對沿海其他工程也具有重要的參考意義。