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，其技術成熟、成本合理、污染氣體排放少，對促進我國能源與經濟社會的可持續(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，基礎設施眾多，符合核電站建設的優(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量最多的省份，數量占全國的近40%。通過現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)，有助于減少社會風險，該海島地理位置如圖1 所示。依據相關規(guī)范[3]，核電站廠址的選擇需考慮極端氣象事件對設計基準洪水的影響。海島易遭受臺風襲擊，尤其是臺風引起的風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影響最嚴重的地區(qū)之一。因此開展以臺風等極端天氣影響的海島核電候選廠址設計基準洪水位的研究，對核電工程的安全建設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

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

以往鮮有針對海島核電廠址開展設計基準洪水位的研究，尤其缺少對各災害特征參數的定量評估。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、風暴潮及臺風浪特征參數進行統(tǒng)計分析和數值計算，為確定廠址設計基準洪水位和提高未來海島核電工程的防災減災能力提供科學依據。

1 數據和方法

依據核電廠工程水文技術規(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和分析，然后用調和常數預報未來19 a的潮位數據并統(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。

風暴潮及波浪數值計算采用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)域的計算網格進行大小不同的劃分，網格邊長最小為100 m，在開邊界附近網格邊長最大為30 km左右。模型初始水位和初始流場設為0，淺灘地區(qū)采用動邊界干濕網格技術。水深數據來源于電子海圖和GEBCO全球水深數據(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范圍內的臺風樣本，選擇臺風中心氣壓最低值，采用皮爾遜Ⅲ極值分布曲線推算最低中心氣壓。臺風移動速度通過對進入半徑400 km范圍內的臺風樣本進行統(tǒng)計得到。臺風數據采用中國臺風網1949—2019年的最佳路徑數據集(http://tcdata.typhoon.org.cn/zjljsjj_zlhq.html)。

最大風速半徑根據1961—1970年的實際觀測數據進行分析，數據來源為西北太平洋飛機探測臺風資料。

根據歷史記錄，影響廠址的臺風登陸方向集中在N與W方向之間，因此選取NNE、N、NNW、NW、WNW、W方向作為強臺風登陸方向。以廠址為中心，設置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為臺風最大風速半徑，正值代表路徑在廠址右側，負值代表在左側(圖2)。環(huán)海島選取5個點(P1～P5)，位置如圖7所示，通過比較各點增水數值確定風暴潮增水最大值及對應的最不利路徑。

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

采用HOLLAND提出的臺風風場模型[12]，氣壓方程為

(1)

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

B=1.5+(980-Pc)/120

(2)

根據氣壓公式和梯度風原理，徑向風速計算公式為

(3)

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

臺風浪數值模擬的風場參數和模型網格均與風暴潮一致。

2 結果

風暴潮增水及其疊加的天文高潮位和臺風浪，是構成海島核電廠設計基準洪水位的主要影響因子[14]。當臺風正面襲擊或嚴重影響海島時，島嶼周圍海域將出現風暴增水并伴有臺風浪，可能會對核電工程設施構成嚴重威脅。

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和分析以及根據調和常數預報未來19 a的潮位數據的統(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據。統(tǒng)計分析該站的海平面數據可知(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 假想臺風參數的計算

中心氣壓是表征臺風強弱的氣象參數之一，中心氣壓越低，臺風強度越大。圖4為1949—2019年間進入以廠址為中心，400 km半徑范圍內的臺風路徑樣本。根據皮爾遜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1961—1970年觀測的強臺風中心氣壓及風速半徑的結果可知(表1)，當中心氣壓低于900 hPa時，風速半徑不超過30 km，因此本文采用30 km為假想臺風最大風速半徑。對400 km半徑范圍內臺風樣本的移速進行統(tǒng)計(圖6)，發(fā)現強臺風(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作為假想臺風移速。

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

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

2.3 可能最大風暴潮增水及臺風浪

計算NNE、N、NNW、NW、WNW、W等 6個方向強臺風時廠址附近5個點的風暴潮增水值，限于篇幅，選取風暴潮增水較為顯著的NNW、NW、WNW、W方向的計算結果列于表2。由表2可知：不同計算點風暴潮增水值相差較大，出現極大值的路徑也有差異。島嶼東側的P2和P3點，增水值普遍較大；而島嶼西側的P4和P5點，增水值較小。臺風在廠址左側登陸時(R為負值)，廠址位于臺風前進路線的右半圓，風力較強，有利于風暴潮增水的產生，所引起的增水值顯著大于在廠址右側登陸時。比較各路徑下風暴潮增水結果，NW向左側0.5R處登陸的臺風使得廠址處的可能最大風暴潮增水達到最大，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暴潮增水統(tǒng)計結果如圖7所示，從增水的空間分布來看，海島東側海域增水值顯著大于西側。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，海島廠址的風暴潮增水數值較小[8]。

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

表2 各假想臺風路徑下風暴潮增水計算結果Tab.2 The storm surge level of various hypothetical typhoon paths

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

表3 各假想臺風路徑下有效波高計算結果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，其風暴潮增水分布特征和波浪參數與其他核電廠址相比具有一定的特殊性[7-8]。風暴潮增水與濱海相比數值偏小，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。通過多組虛擬臺風路徑的數值模擬，揭示了不同臺風移動方向和距離對海島廠址處風暴潮增水的影響，并確定了最危險臺風路徑。在此基礎上，對各水位參數進行疊加可以得到海島廠址處的最高水位(設計基準洪水位)。

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)可能最大風暴潮增水；(4)臺風浪。考慮極端情況下選取不同路徑中各計算要素最大值參與組合，根據設計規(guī)范[9]，廠址處的設計基準洪水位結果為

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

依據《風暴潮災害重點防御區(qū)劃定技術導則》[15]，海島核電廠址設計基準洪水位較高，所在海域受到的海洋災害威脅較為嚴重，應當作為重點防災區(qū)域進行防護。

3 結論

本文通過對海島核電廠址高潮位、風暴潮及臺風浪等災害風險研究，為廠址基準洪水位設計和防災減災提供了科學依據，主要結論如下：

(1)通過觀測潮位的調和分析和預報，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)基于多年臺風資料統(tǒng)計分析廠址海域可能最大臺風參數，其中千年一遇的最低中心氣壓為884.4 hPa，最大風速半徑為30 km，平均移動速度為25 km/h。

(3)高精度海洋數值模型顯示，相對于濱海廠址，海島核電廠址的風暴潮增水偏小，但波浪的影響顯著；在擬建島嶼東側，受風暴潮和波浪威脅較為嚴重。在最不利臺風路徑下，風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計基準洪水位為11.25 m。

本研究針對海島核電廠址設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。