海岛核电厂址的设计基准洪水位研究

方明豹，黄佳钰，杨万康，孙纯键

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

0 引言

核电是目前世界公认的清洁能源，其技术成熟、成本合理、污染气体排放少，对促进我国能源与经济社会的可持续发展具有重大意义[1]。近年来滨海地区核电厂开发较多，但由于近岸区域人口密集，基础设施众多，符合核电站建设的优良厂址越来越少，选取海岛作为核电厂址成为一种新思路[2]。

浙江省是全国海岛数量最多的省份，数量占全国的近40%。通过现场踏勘和资料分析开展厂址候选，选取的厂址位于浙江中部海域某海岛，远离人口密集区，有助于减少社会风险，该海岛地理位置如图1 所示。依据相关规范[3]，核电站厂址的选择需考虑极端气象事件对设计基准洪水的影响。海岛易遭受台风袭击，尤其是台风引起的风暴潮和强浪会对厂址的安全造成严重威胁。同时，浙江中部海域是我国受台风影响最严重的地区之一。因此开展以台风等极端天气影响的海岛核电候选厂址设计基准洪水位的研究，对核电工程的安全建设和运营具有重要意义。

图1 海岛核电厂址及潮位站位置示意图Fig.1 The location sketch map of island nuclear power plant and tidal gauge station

针对台风时风暴潮等极端水位的研究，主要方法包含统计分析和数值模拟两种。如董胜 等[4]利用多年观测资料对风暴潮增水峰值重现期进行了估算；顾裕兵 等[5]通过统计分析秦山核电厂多年台风资料，计算了可能最大热带气旋参数设计值；董剑希 等[6]采用多个潮位站的风暴潮增水数据，统计分析了不同台风路径下的风暴潮时空分布特征；曾银东[7]利用多种手段对宁德核电工程风暴潮灾害风险特征参数进行了定量估计；齐江辉 等[8]以典型强台风路径为基础，设置多组情景模式，模拟计算了徐大堡核电站厂址的可能最大风暴潮增水。

以往鲜有针对海岛核电厂址开展设计基准洪水位的研究，尤其缺少对各灾害特征参数的定量评估。本文以海岛核电厂址为研究对象，对厂址所面临的天文高潮位、海平面上升、风暴潮及台风浪特征参数进行统计分析和数值计算，为确定厂址设计基准洪水位和提高未来海岛核电工程的防灾减灾能力提供科学依据。

1 数据和方法

依据核电厂工程水文技术规范[9]，对厂址测站(位置见图1)2016年全年逐时潮位资料进行调和分析，然后用调和常数预报未来19 a的潮位数据并统计累计频率，推算10%超越概率天文高潮位和未来19 a的最高天文潮位。统计邻近坎门海洋站1990—2016年海平面高度值，采用线性回归方法推算厂址海平面上升速率。

风暴潮及波浪数值计算采用MIKE21模型，该模型同时包含水动力及波浪模块[10-11]，被广泛应用于河流、湖泊、河口、海湾、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙等的模拟，已在国内外多个实际案例中得到检验。模型的计算区域包含渤海、黄海、东海，为了提高模型的计算精度兼顾计算效率，对不同区域的计算网格进行大小不同的划分，网格边长最小为100 m，在开边界附近网格边长最大为30 km左右。模型初始水位和初始流场设为0，浅滩地区采用动边界干湿网格技术。水深数据来源于电子海图和GEBCO全球水深数据(https://www.gebco.net/)。

按照规范要求[3]，采用统计法推算千年一遇气压低值作为假想台风最低中心气压值。统计1949—2019年间进入以厂址为中心，半径为400 km范围内的台风样本，选择台风中心气压最低值，采用皮尔逊Ⅲ极值分布曲线推算最低中心气压。台风移动速度通过对进入半径400 km范围内的台风样本进行统计得到。台风数据采用中国台风网1949—2019年的最佳路径数据集(http://tcdata.typhoon.org.cn/zjljsjj_zlhq.html)。

最大风速半径根据1961—1970年的实际观测数据进行分析，数据来源为西北太平洋飞机探测台风资料。

根据历史记录，影响厂址的台风登陆方向集中在N与W方向之间，因此选取NNE、N、NNW、NW、WNW、W方向作为强台风登陆方向。以厂址为中心，设置9条假想路径，与厂址的距离分别为2R，1.5R，R，0.5R，0，-0.5R，-R，-1.5R，-2R，其中R为台风最大风速半径，正值代表路径在厂址右侧，负值代表在左侧(图2)。环海岛选取5个点(P1～P5)，位置如图7所示，通过比较各点增水数值确定风暴潮增水最大值及对应的最不利路径。

图2 假想台风方向及路径Fig.2 The directions and paths of hypothetical typhoon cases

采用HOLLAND提出的台风风场模型[12]，气压方程为

(1)

其中：r表示任意点与台风中心的距离，单位：km；Pn为外围参考气压，Pc为台风中心气压，Ps为任意点的气压，单位：hPa；Rmax为最大风速半径，单位：km；B为Holland参数，无量纲，决定了风场的强度和轮廓，计算公式如下[13]

B=1.5+(980-Pc)/120

(2)

根据气压公式和梯度风原理，径向风速计算公式为

(3)

其中：Wg为任意点的风速，单位：m/s；ρa为空气密度，单位：kg/m3；f为科氏力参数。

台风浪数值模拟的风场参数和模型网格均与风暴潮一致。

2 结果

风暴潮增水及其叠加的天文高潮位和台风浪，是构成海岛核电厂设计基准洪水位的主要影响因子[14]。当台风正面袭击或严重影响海岛时，岛屿周围海域将出现风暴增水并伴有台风浪，可能会对核电工程设施构成严重威胁。

2.1 天文高潮位及海平面上升幅度

通过对核电厂址测站2016年全年逐时潮位资料的调和分析以及根据调和常数预报未来19 a的潮位数据的统计分析，得到10%超越概率天文高潮位为3.14 m。

核电厂址附近的坎门海洋站建站早、观测历时长，具有多年海平面观测数据。统计分析该站的海平面数据可知(图3)，1990—2016年坎门站海平面平均上升速率为3.9 mm/a。核电厂址建设及运行周期以80 a计，80 a后该海域海平面上升幅度约为0.31 m。

图3 坎门潮位站海平面上升情况Fig.3 The sea level rise of Kanmen station

2.2 假想台风参数的计算

中心气压是表征台风强弱的气象参数之一，中心气压越低，台风强度越大。图4为1949—2019年间进入以厂址为中心，400 km半径范围内的台风路径样本。根据皮尔逊Ⅲ极值分布曲线可知(图5)，厂址处千年一遇(频率为0.1%)台风中心气压值为884.4 hPa。

图4 进入以核电厂址为中心，400 km半径范围 的台风路径样本Fig.4 The samples of typhoon entering 400 km radius around the nuclear power plant

图5 核电厂址区域最低中心气压的皮尔逊Ⅲ极值分布曲线Fig.5 Pearson-Ⅲ distribution curve of annual extreme low pressure around the nuclear power plant

根据1961—1970年观测的强台风中心气压及风速半径的结果可知(表1)，当中心气压低于900 hPa时，风速半径不超过30 km，因此本文采用30 km为假想台风最大风速半径。对400 km半径范围内台风样本的移速进行统计(图6)，发现强台风(中心气压低于935 hPa)移速范围在10～35 km/h之间。基于此，本文以平均值25 km/h作为假想台风移速。

表1 台风中心气压与最大风速半径观测资料Tab.1 Observation data of central pressure and maximum wind radius of typhoon

图6 核电厂址区域台风移速统计Fig.6 Statistics of typhoon moving velocity around the nuclear power plant

2.3 可能最大风暴潮增水及台风浪

计算NNE、N、NNW、NW、WNW、W等 6个方向强台风时厂址附近5个点的风暴潮增水值，限于篇幅，选取风暴潮增水较为显著的NNW、NW、WNW、W方向的计算结果列于表2。由表2可知：不同计算点风暴潮增水值相差较大，出现极大值的路径也有差异。岛屿东侧的P2和P3点，增水值普遍较大；而岛屿西侧的P4和P5点，增水值较小。台风在厂址左侧登陆时(R为负值)，厂址位于台风前进路线的右半圆，风力较强，有利于风暴潮增水的产生，所引起的增水值显著大于在厂址右侧登陆时。比较各路径下风暴潮增水结果，NW向左侧0.5R处登陆的台风使得厂址处的可能最大风暴潮增水达到最大，增水最大值为2.99 m，为最不利路径。该路径下厂址附近海域各点最大风暴潮增水统计结果如图7所示，从增水的空间分布来看，海岛东侧海域增水值显著大于西侧。由于海岛四周为开放水域，不利于增水的堆积，相对于滨海厂址，海岛厂址的风暴潮增水数值较小[8]。

图7 最不利路径下核电厂址附近海域最大风暴潮增水分布Fig.7 The distribution of maximum storm surge around nuclear power plant under the most risky path

表2 各假想台风路径下风暴潮增水计算结果Tab.2 The storm surge level of various hypothetical typhoon paths

结合前文各路径下的风暴潮增水的结果，选取增水较为严重的路径进行台风浪计算，计算结果如表3所示。由表可知，厂址北侧(P1)和西侧(P5)遭受的波浪影响相对较小，东侧受到的影响较为严重(P2)。由于P2点周围无阻挡，有利于外海风浪的传播。当台风移动方向为W向，台风路径位于厂址左侧R处时，P2点有效波高达到最大值，为5.87 m，转化为H1/100波高后为8.02 m。而当台风在NNW、NW、WNW等其他路径下，受岛屿南侧小岛礁的阻挡，波浪的高度被一定程度削弱。最不利路径下(W方向，左侧R处)厂址附近海域各点波高最大值统计结果如图8所示，由图可知，波高受岛屿岸线的遮蔽影响较为明显，岛屿东侧遭受的波浪威胁较为严重。

表3 各假想台风路径下有效波高计算结果Tab.3 The significant wave height of various hypothetical typhoon paths

图8 最不利路径下核电厂址附近海域最大台风浪有效波高分布Fig.8 The distribution of maximum significant wave height around nuclear power plant under the most risky path

2.4 海岛核电厂址设计基准洪水位的计算

由于本研究中的核电厂址位于海岛，其风暴潮增水分布特征和波浪参数与其他核电厂址相比具有一定的特殊性[7-8]。风暴潮增水与滨海相比数值偏小，这是因为海岛厂址距离陆地较远，四周海水环绕，不利于强台风下水位的堆积。但厂址受到的波浪影响却较为显著，尤其在岛屿东侧。通过多组虚拟台风路径的数值模拟，揭示了不同台风移动方向和距离对海岛厂址处风暴潮增水的影响，并确定了最危险台风路径。在此基础上，对各水位参数进行叠加可以得到海岛厂址处的最高水位(设计基准洪水位)。

本研究基于某海岛实际地理位置，通过以下4个方面因子的叠加影响来计算设计基准洪水位：(1)天文高潮位；(2)海平面上升的影响；(3)可能最大风暴潮增水；(4)台风浪。考虑极端情况下选取不同路径中各计算要素最大值参与组合，根据设计规范[9]，厂址处的设计基准洪水位结果为

设计基准洪水位=10%超越概率天文高潮位+海平面上升+可能最大风暴潮增水+0.6×最大台风浪(H1/100)=3.14+0.31+2.99+0.6×8.02=11.25 m。

依据《风暴潮灾害重点防御区划定技术导则》[15]，海岛核电厂址设计基准洪水位较高，所在海域受到的海洋灾害威胁较为严重，应当作为重点防灾区域进行防护。

3 结论

本文通过对海岛核电厂址高潮位、风暴潮及台风浪等灾害风险研究，为厂址基准洪水位设计和防灾减灾提供了科学依据，主要结论如下：

(1)通过观测潮位的调和分析和预报，海岛核电厂址处10%超越概率天文高潮位为3.14 m；以厂址建设及运行周期为80 a来计算，海平面上升幅度约为0.31 m。

(2)基于多年台风资料统计分析厂址海域可能最大台风参数，其中千年一遇的最低中心气压为884.4 hPa，最大风速半径为30 km，平均移动速度为25 km/h。

(3)高精度海洋数值模型显示，相对于滨海厂址，海岛核电厂址的风暴潮增水偏小，但波浪的影响显著；在拟建岛屿东侧，受风暴潮和波浪威胁较为严重。在最不利台风路径下，风暴潮增水极大值达到了2.99 m，有效波高最大为5.87 m。

(4)通过各影响因子叠加计算，该海岛核电厂址处的设计基准洪水位为11.25 m。

本研究针对海岛核电厂址设计基准洪水位的计算对沿海其他工程也具有重要的参考意义。