核电厂设计基准风速确定中几个问题的探讨

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（1．环境保护部核与辐射安全中心，北京100082；2．中国核电工程有限公司，北京，100840）

核电厂设计基准风速确定中几个问题的探讨

王璐1，朱好2，杨宇1，路雨1，纪忠华1，∗

（1．环境保护部核与辐射安全中心，北京100082；2．中国核电工程有限公司，北京，100840）

本文以广东某核电厂设计基准风速的确定过程为例，通过对不确定因素的深入分析以及校核计算的验证，探讨了设计基准风速确定过程中值得注意的几个常见问题。根据法规对确定核电厂设计基准的相关要求，本文对核电厂设计基准风速确定过程中不确定因素的处理提出了建议，并讨论了相应的取值原则。

核电厂；设计基准风速；特大值；不确定因素

气象特征是核电厂厂址特征的重要组成部分［1］，其中强风的破坏作用是核电厂安全相关构筑物设计中必须考虑的因素之一［2，3］。核安全相关的构筑物的结构设计中，需要按照相关规范的要求，考虑各种荷载效应的组合工况进行正常使用极限状态和承载力极限状态的分析验算，基本风压荷载作为一种严重环境荷载参与其中多种工况的组合［4，5］。设计基准风速作为基本风压的直接决定因素，其评价结果的准确性是核安全审评中关注的重点。

l 概述

我国的核安全导则 《核电厂厂址选择的极端气象事件 （不包括热带气旋）》（HAD101／10）［6］对设计基准风速的确定和评价做出了详细的规定，主要分为以下四个步骤：（1）数据收集：收集厂址区域内具有连续记录装置的气象站的风速记录，并进行平均时间和统一高度的归一化处理；（2）数据组选择：将厂址的数据和该区域诸气象站的数据进行比较，选定其中的一个气象站作为厂址的代表性气象站，该气象站最好有30年或更长期气候时期的数据组；（3）统计分析：选择适合于数据组的统计分布函数；（4）设计基准值的确定：经过统计分析，外推某一平均再现间隔 （重现期）值及其置信区间，经综合考虑确定其设计基准值。

设计基准风速评价结果的准确性受到许多因素的影响。比如，收集的历史数据是否完整、观测场地周边是否受到过非自然因素的影响；所选取的气象站能否代表厂址的情况；选择的统计分布函数是否合理等。其中，厂址风速替代性资料的使用是否能够合理地反映厂址地区的特征是审评中关注的问题之一。由于核电厂多选择在人口稀少的滨海地区，其周边常常无法找到能完全代表厂址气象特征且有长期观测记录的气象站，所以，需要将厂址周边比较有代表性的气象站的资料经过合理地换算到厂址进行使用。HAD101／10［6］中规定：“在不可能选定一个有代表性的气象站时，应当由有经验的气象专家在考虑到厂址特性的情况下，从比较有代表性的气象站得到的数据作保守的推断”。显然，在这一过程中存在一定的不确定性。因而在核安全审评中，审评者通常会要求申请者对这一不确定性进行适当评估。

美国核管会颁布的 《标准审查大纲》（NUREG-0800）［7］中明确规定，将百年重现期3 s阵风风速用于确定核电厂构筑物风荷载。在我国的核电厂设计中，也要求至少采用百年一遇极大风速 （3 s阵风风速）作为核电厂设计基准风速［8］。

本文将以广东某核电厂为例，探讨核电厂设计基准风速确定中的不确定因素处理方法及取值原则。

2 资料与方法

2.l风速资料

某核电厂位于广东省沿海，厂址区背山面海，无长期的气象观测站。厂址周边有陆丰气象站、汕尾气象站、遮浪海洋站等。陆丰气象站与厂址距离为28 km，属于国家基本站。汕尾气象站距离厂址约45 km，属于国家基本站。遮浪海洋站位于厂址西南约27 km。1962年开始观测波浪。气象观测项目包括风速、风向、气温、气压等参数。由于陆丰气象站位置距离海边较远，考虑到替代资料的代表性，在确定设计基准风速时主要参考了汕尾气象站 （见表1）和遮浪海洋站（见表2）的观测资料。

表l 汕尾气象站l953～2008历年最大风速 （m·s-l）Table l Annual maximum wind speeds in Shanwei Station during l953～2008（m·s-l）

表2 遮浪站l965～2009历年最大风速 （m·s-l）Table 2 Annual maximum wind speeds in Zhelang Station during l965～2009（m·s-l）

2.2 计算方法

一般来说，在进行核电厂设计时，会采取至少两种统计分布函数对某一平均再现间隔的气象参数进行估算。我国普遍采用极值I型 （又称Gumbel型）分布和皮尔逊III型 （P-III型）分布进行核电厂设计基准风速取值的估算［9］。

2．2．1 Gumbel型分布

Gumbel型分布是极端风速、极端温度等气象要素推断中广泛使用的方法。其概率密度函数为

其中，a＞0为分布的尺度参数，u为分布的位置参数。

2．2．2 Pearson-III型分布

Pearson-III型分布对随机变量具有广泛的概括和模拟能力，在气象、水文上均有广泛应用［10］。其概率密度函数为

其中，α、β、α0为参数，Γ（α）是α的伽玛函数。三个参数可分别用下式计算：

3 设计单位拟采用的两种思路

3.l思路一

根据汕尾气象站1953～2008年（见表1），遮浪海洋站1965～2009年（见表2）10 m高度10 min平均最大风速资料，利用Gumbel和P-III型分布函数进行频率计算，遮浪海洋站的计算成果显著大于利用汕尾气象站的计算成果（见表3）。根据厂址观测站与遮浪海洋站同期最大风速的对比（见表4），遮浪海洋站的风速绝大多数高于厂址观测站，直接移用遮浪海洋站的成果作为厂址百年一遇最大风速，取值为49．4 m·s-1。

通过表2不难发现，遮浪海洋站最大风速计算成果并未包络其历史上的最大值，即其百年一遇最大风速49．4 m/·s-1小于其序列中的极值53．9 m·s-1。

表3 汕尾站、遮浪站l0m高度最大风速计算成果（m·s-l）Table 3 Results of maximum wind speeds at l0m height in Shanwei and Zhelang Stations（m·s-l）

表4 遮浪站与厂址站同期最大风速比值（2008.ll-20l2.0l）Table 4 The ratio of maximum wind speeds in Zhelang station to those in on-site station during the same period（2008.ll-20l2.0l）

3.2 思路二

考虑直接将历史极值53．9 m·s-1作为遮浪站百年一遇最大风速成果。根据遮浪和厂址的最大风速同期资料对比，遮浪站风速明显大于厂址，遮浪站历史最大风速53．9 m·s-1订正到厂址20m高度处为49．4 m·s-1（厂址站早期10m高度风速受稀疏树林影响，采用20m高度风速与遮浪站进行比较），根据换算关系（粗糙度指数b0值采用0．16）计算得到厂址10 m高度最大风速44．2 m·s-1。

4 存在的问题

4.l历史特大值

遮浪海洋站最大风速计算成果并未包络其历史上的最大值，即其百年一遇最大风速成果49．4 m·s-1小于其序列中的极值53．9 m·s-1。《核电厂工程气象技术规范》［8］中指出：“对历史特大风应进行调查和考证，分析产生大风的背景”。对于核电厂这种对安全有着高度要求的设施来说，并不能简单的将其视为离散于频率曲线之外的一个数字，应当仔细分析该记录的真实性和可靠性，及其可能对设计基准产生的影响。

经过调查，遮浪海洋站记录到的、厂址区域历史上最强的这次强风天气过程出现在1979年8月2日，由7908号强台风“荷贝”（HOPE）造成。该台风于1979年7月29日在西太平洋形成，基本稳定向西北偏西方向移动，于8月2日下午在深圳登陆，该台风强度大、移速快、破坏性大、影响范围广，波及深圳、汕头、惠阳、佛山、肇庆5个地区、37县（市），使沿海许多地方遭到12级以上大风的袭击。在该次台风过程中，汕尾气象站记录到10min平均最大风速为43．7 m·s-1，遮浪海洋站为53．9 m·s-1。从表1中也可以看出，这次台风不仅创造了遮浪海洋站的“风速之最”，同时创造了汕尾气象站的“风速之最”。

既然该特大值记录是真实可靠的，那么，在进行设计基准风速取值时应该完全依赖计算结果还是应该进行更保守的考虑？根据计算经验，长序列风速按降序排列的年大风序列中前3个值对50年一遇风速值的大小起着决定性影响［11］。虽然“荷贝”造成了厂址地区年最大风速，但由于其远高于排在第二位的风速，在绘制Gumbel频率曲线或P-III频率曲线时，该记录点对50年及更长重现期的极值作用是比较小的。可想而知，如果再出现1到2个排名前3位的强风样本，计算结果将有大幅提高。

经过增补2010年至2013年遮浪海洋站的年最大风速成果（见表5），本文采用Gumbel（如图1所示）和P-III型（如图2所示）频率曲线进行了复核计算，得到加入增补记录后的最大风速成果（表6）。通过对比表3和表6的相应数值可以发现，两种方法得到的成果均有所提高（表6）。同样采用矩法进行的P-III频率计算中，百年一遇的最大风速由49．4 m·s-1提高至51．8m·s-1。通过图1和图2，我们不难发现，计算成果的提高很大程度上是由新增的48．6 m·s-1的记录值造成的。经调查，该大风记录是由2013年“天兔”台风过境造成的。天兔台风于2013年9月22日在广东省汕尾沿海登陆，登陆时中心气压为935 hPa，汕尾气象站的测风仪在台风登陆前被风摧毁，没有记录到本次台风的最大风速。汕尾海洋站记录到10 m高10 min最大风速为25．5 m·s-1，极大风速为42．2 m·s-1；遮浪海洋站记录到10 m高10 min最大风速为48．6 m·s-1，极大风速60．6 m·s-1。2013年年极端风速记录在遮浪海洋站的风速历史记录中排在第2位，并且已非常接近极值统计方法得到的成果49．4 m·s-1。虽然“天兔”造成大风的记录和“荷贝”造成的大风记录都离散于频率曲线之外，但增补了“天兔”台风资料后，不论哪种方法计算的成果都有所提高。

可见，对我国东南沿海等气象灾害频发地区，如果直接采用极值统计结果而不考虑厂址处已出现过的特大值，得到的结果是不具备保守性的。

表5 遮浪海洋站年最大风速（20l0～20l3）（m·s-l）Table 5 Annual maximum wind speeds in Zhelang station（20l0～20l3）（m·s-l）

图l Gumbel型分布函数拟合遮浪站最大风速结果Fig.l Diagram for maximum wind speeds in Zhelang Station，fitted by Gumbel distribution function

图2 Pearson-III型分布函数拟合遮浪站最大风速结果Fig.2 Diagram for maximum wind speeds in Zhelang Station，fitted by Pearson-III distribution function

表6 遮浪站最大风速计算成果（m·s-l）Table 6 Results for maximum wind speeds in Zhelang Station（m·s-l）

如何合理保守地考虑设计基准风速取值呢？本文采用目估适线法对P-III频率曲线进行了调整（图2中浅灰线），结果显示，如果曲线去迎合序列中的最大的两个样本，势必会远离序列中排名3～5位的数个样本，得到的成果为五十年一遇最大风速52．4 m·s-1，百年一遇最大风速58．2 m·s-1。相应的极大风速分别为77．0 m·s-1和85．6 m·s-1。这个成果比原设计基准提高很多。而且，采用目估法进行适线时，随意性较大，客观性差。可见，评价中如果一味迎合最大值，可能造成结果过于保守，从而增加不必要的工程成本。

按照核安全法规的相关要求，在确定核电厂设计基准时应贯彻合理偏保守的原则。本文认为当出现实测值高于百年一遇最大风速估算值时，设计基准风速成果应至少包络实测最大值。对本工程来说，设计基准风速取值不应小于实测特大值53．9 m·s-1对应的极大风速79．2 m·s-1。

4.2 代表性气象站资料的移用

对于设计单位的第二思路，本文认为并不符合核安全导则HAD101/10中关于代表性气象站资料使用的相关说明，其估算过程也不能体现保守性。HAD101/10中规定：“在不可能选定一个有代表性的气象站时，应当由有经验的气象专家在考虑到厂址的物理特性的情况下，从比较有代表性的气象站得到的数据作保守的推断”。首先，虽然厂址站20 m高度风速和遮浪站10 m高度风速的同期数据对比的平均结果显示前者小于后者，但也有部分样本显示前者大于后者。设计单位选择样本的平均比值0．916将遮浪站10 m高度风速样本换算到厂址站20 m高度。而在2008．11～2012．01的34组同期样本中，有13组样本的比值大于0．916，最大的一组比值达到1．15，与均值的偏差达到25%。可见采用比值0．916将遮浪站风速“折减”至厂址20 m高度处并不符合“保守”的原则。其次，我国《建筑结构荷载规范》［12］及国际相关规范［13］对海岸带的粗糙度指数b0的推荐取值均不大于0．12，设计单位利用粗糙度指数0．16由厂址20 m高度的风速推算10 m高度风速，势必会将10 m高度风速的取值进一步减小。综合上述原因，本文认为将遮浪站的风速资料通过平均比值“折减”至厂址的处理方法并不适宜。对本工程来说，本文认为直接使用该气候区域内同期资料普遍高于厂址的遮浪站的风速序列作为厂址处的风速样本是合适的。

5 对核电厂设计基准风速取值原则的思考

5.l偏保守取值，留有安全裕度

核电厂是对建、构筑物安全有着高度要求的设施，确定合理偏保守的设计基准是必要的。在防护可能的极端自然事件影响方面，日本福岛核事故提供了经验与教训。人们更加清晰的认识到比＂可能最大＂更大的自然灾害是存在的，即存在发生超过设计基准的外部事件的可能性［14］。在确定核电厂设计基准过程中，要考虑可能存在的不确定性，留有适当的安全裕度，这是合理确定设计基准所必需要考虑的问题，也是核安全法规的基本要求。

安全裕度并不意味着将设计基准无限提高，而是要在对厂址自然条件充分认识的情况下，对各估算环节进行偏保守的取值。其目的是使最终的设计基准在可以预见的历史时期内满足核电厂安全的需要。目前核电厂的寿期大约为40至60年，还要考虑延寿的可能性，因此，要保证其在建设期间、运行期间及退役期间的安全，就要在确定设计基准时以发展的、长远的眼光看待问题，考虑气候变化趋势，在确定设计基准参数或事件时留有安全裕度。这就要求我们在进行设计基准估算时，不能只从数学方法的客观性上考虑问题，还要充分考虑区域内极端事件发生的实际情况以及所确定的设计基准的合理性，进行合理、偏保守的估计。

5.2 包络已发生的极端事件

如果说“荷贝”造成的特大值还让我们对该极端事件的重现期有所顾虑，那么“天兔”＂的出现无疑让我们重新审视利用概率方法估算外部事件设计基准的保守性。利用概率论法估算外部自然事件的设计基准，一个很关键的因素就是样本数量。一般来说，对于同一个平均再现时间间隔的成果，样本序列越长，得到的成果越可靠。而我们实际工作中，往往要用30年的历史资料外推百年重现期，甚至千年重现期的成果，这就要求我们在确定各项设计基准，特别是外部自然事件的设计基准时不仅要通过客观的数学计算，更要全面而充分的考虑厂址区域实际发生过的极端自然事件。对于核电厂设计基准风速取值来说，应至少包络实测风速最大值对应的3 s阵风风速。

5.3 重视新增极端事件，及时复核设计基准

在全球气候变化的背景下，影响我国的极端气象事件频率和强度也将有所变化。例如，已有研究表明未来西北太平洋的强台风和超强台风的爆发频率有升高的趋势［15］。营运单位应随时关注影响厂址的极端气象事件，当厂址区域新增了强度较大的（位于样本序列前列的）极端事件后，相关营运单位应及时开展调查，复核设计基准成果。如复核成果高于原成果，应对电厂内相关设备和构筑物抵御极端自然灾害的能力进行校核。如有必要，须及时升级应急预案，并采取相应改进措施，以保证核电厂运行安全。对于该厂址的新建机组，则应采用新的、更为保守的设计基准进行设计。

［1］国家核安全局．HAF101核电厂厂址选择安全规定［S］．北京：国家核安全局，1991．

［2］国家核安全局．HAF102核动力厂设计安全规定［S］．北京：国家核安全局，2004．

［3］张天祝．核电厂设计基准风速若干问题的探讨［J］．核安全，2004（3）：32-34．

［4］国家能源局．NB/T 20105核电厂厂房设计荷载规范［S］．北京：国家能源局，2012．

［5］国家能源局．NB/T 20012压水堆核电厂核安全有关的混凝土结构设计要求［S］．2010．

［6］国家核安全局．HAD101/10核电厂厂址选择的极端气象事件（不包括热带气旋）［S］．北京：中国法制出版社，1991．

［7］US NRC．Standard Review Plan（NUREG-0800）［S］．Washington DC：U．S．Nuclear Regulatory Commission，2007．

［8］中国电力企业联合会．GB/T 50674-2013核电厂工程气象技术规范［S］．北京：中国计划出版社，2013．

［9］姜海梅，刘新建，邱林，等．极值分布函数在核电厂设计基准气象参数中的应用［J］．辐射防护，2014，34（4）：224 -233．

［10］胡毅，李萍，杨建功，等．应用气象学（第二版）［M］．北京：气象出版社，2005．

［11］高梓淇，张秀芝，孙即霖．五十年一遇最大风速计算方法比较［J］．风能，2014（4）：70-75．

［12］中华人民共和国住房和城乡建设部．GB50009-2012建筑结构荷载规范［S］．北京：中国建筑工业出版社，2012．

［13］李兴凯，王尧，丘海珊．国际电力工程中不同标准的设计风速计算方法［J］．电力建设，2012，33（8）：44-48．

［14］潘蓉，孙锋，张庆华．核安全监管中关于构筑物安全的3个问题讨论［J］．核安全，2013，12（A01）：81-87．

［15］IPCC．Climate Change 2013-the Physical Science Basis［M］．Cambridge，United Kingdom：Cambridge University Press，2013：124．

The Discussion of Several Problems in Evaluation of Design Basis Wind Speeds of Nuclear Power Plants

Wang Lu1，Zhu Hao2，Yang Yu1，Lu Yu1，Ji Zhonghua1
（1．Nuclear and Radiation Safety Center，Beijing，China；2．China Nuclear Power Engineering Co．，Ltd．，Beijing，China）

By the example of the design basis value of wind speeds for a nuclear power plant in Guangdong Province，through the uncertainties analysisand calculation verification，several problems deserving attention during the evaluationprocess of design basis wind speed value are discussed．In accordance with the regulatory requirements ofthe evaluationof nuclear power plant design basis，suggestion of uncertainty handlingduring the evaluation of nuclear power plant design basis wind speedsare made，and the principles during this processare discussed．

Nuclear Power Plants；Design Basis Wind Speeds；Extraordinary Value；uncertain factor

P49

：A

：1672-5360（2016）04-0089-06

2016-09-02

2016-10-13

科技部国家软科学研究计划，项目编号2013GXS4B075；环保部公益性行业科研专项，项目编号201309056；环保部核与辐射安全中心青年科技工作者基金

王 璐 （1982—），女，山东青岛人，高级工程师／博士，现主要从事核设施厂址气象特征及危险性评价研究工作

∗通讯作者：纪忠华，E-mail：jizhonghua＠chinansc．cn