浅谈美国核电厂设计基准洪水灾害评价方法

纪忠华，潘 蓉，路 雨，王 璐，杨 宇

（环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082）

浅谈美国核电厂设计基准洪水灾害评价方法

纪忠华，潘 蓉，路 雨，王 璐，杨 宇

（环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082）

本文通过针对美国核管会相关导则和技术文件的分析，梳理了美国核管会洪水评价依据、计算方法、审评者的审查策略以及福岛后的最新经验总结等方面内容。通过示例重点叙述了层次分析方法评价方法在洪水评价中的应用，在此基础上阐述了美国核管会未来对美国核电厂防洪安全评价的改进和对今后工作的展望，文章最后对上述内容进行了总结。

美国核电厂；设计基准洪水；洪水评价方法；福岛事故

洪水与地质、地震、气象灾害一样，是危害核电厂安全的外部自然灾害事件，也是核电厂从选址到运行阶段都须关注的重要安全问题。近年来洪水对核电厂的安全威胁逐渐加大，特别是日本福岛事故使世人眼光的重点聚焦到核电厂的防洪安全上来。国内相关机构针对洪水风险源开展了多种分析和探讨。日本福岛事故发生后，常向东等［1］从我国沿海与日本地震海域的构造背景差异和我国核电厂开展的复核研究结论出发，对我国的核电厂厂址所受海啸的影响进行了分析。张爱玲等［2］结合我国拟建的某几个内陆核电厂址工程实例，对在内陆核电厂选址过程中所遵循相关的防洪法规和标准体系进行了梳理和阐述。李丹等［3］筛选并研究了多起国外核电厂遭受的外部水淹事件，分析了水淹特点，并对我国核电厂应对水淹能力提出了具体的建议。荣峰［4］等对有关标准条文的理解以及对现有水文计算方法的总结及滨河研究堆的防洪设计基准进行了探讨。这些研究和讨论从不同方面阐述了防洪对核电厂运行安全的重要性，也从反面说明了核电厂设计和运行对洪水评价的要求。

核电厂防洪评价主要是依据厂址的水文特征，辨别和分析可能发生的洪水灾害，确定具体厂址设计基准洪水（DBF），并在满足核电厂建设、运行和退役在技术、安全、环境保护和经济等方面的要求下，根据实际厂坪高度和厂房布置来建造永久性的防洪构筑物或选用适当的设备以确保核电厂不受外部水淹，美国核管会（简称NRC）在其核安全导则中将设计基准洪水定义为：由于一种或多种极端自然事件组合（如：气象、地震、滑坡等）所引起的，并能给核电厂安全重要构筑物、系统和设备带来严重风险的洪水现象。设计基准洪水是核电厂防洪设计中较为通用的概念，他将核电厂可能遭受的各项洪水灾害（如：暴雨、风暴潮、海啸、溃坝、假潮、风浪、江河中的洪水、泥沙、冰灾等）进行筛选组合，综合表征核电厂址的洪水特征，给出了厂址位置与洪水致灾因子之间的相互关系，见表1。规范、合理的设计基准洪水不仅能够给核电厂防洪提供较为清晰的量化标准，同时也能优化取水方案、厂址布置。目前除了美国核管会之外，美国还有众多联邦政府机构要求使用设计基准洪水来定义各项水利工程的设防标准。

表1 外部洪水组合事件Table1 Combinationofexternalfloodevents

1 防洪评价

1.1 评价依据

目前美国核管会在核电厂厂址防洪审评中的审评技术依据，除了有关的联邦法规外，主要有：美国核管会发布的《标准审查大纲》（NUREG0800）［5］、《美国核电厂厂址特征设计基准洪水评估》（NUREG/CR-7076）［6］、《核电厂最终热阱》（RG1.27）［7］，《核电厂设计基准洪水》（RG1.59）［8］、《核电厂洪水防护》（RG1.102）［9］以及美国国家标准协会和美国能源协会联合发布的《确定核反应堆厂址设计基准洪水国家标准》（ANSI/ANS-2.8-1992）［10］等，其中对核电厂防洪审评中具有直接指导意义的有《核电厂设计基准洪水》、《核电厂洪水防护》及《确定核反应堆厂址设计基准洪水国家标准》。对核电厂址设计基准洪水给出了明确的定义，提供了针对影响厂址的不同洪水事件具体的分析及计算方法，以指导有关机构的执照行为活动。《核电厂设计基准洪水》不仅说明了陆域洪水及风暴潮增水可接受的计算方法，同时还提供了美国大小河流中的流量及美国东海岸不同位置的可能最大风暴潮水位。《核电厂洪水防护》则对核电厂各种水工构筑物所承担的功能及相应的设防要求作了具体的规定。但由于种种原因，特别是美国在过去相当一段时间没有出现新厂址的申请，很多发布日期较为久远的导则没有得到及时的更新替换，其中的内容随着水文研究的不断发展已不能满足当前核电厂防洪评价的最新要求，如《确定核反应堆厂址设计基准洪水国家标准》已被美国国家标准协会废除，但新版迟迟没有推出，因此出现了标准的缺失。为应对新堆厂址的申请，美国核管会在总结福岛事故后的经验反馈和梳理水文业内有关最新研究成果的基础上，发布了《防洪综合评估指导》等一系列临时导则，这些发布的导则重点关注了风暴潮、湖震、溃坝和海啸这类能够产生较高量级的洪水灾害上，导则分别从灾害原理、计算方法、洪水影响、审评流程等多个角度出发，对核电厂防洪审评做了详细的规定和说明。这些导则是福岛事故后美国核管会的最新经验总结的成果，也是美国核电厂防洪设计或复核审查的重要技术依据，具有重要的参考价值。

1.2 洪水分析计算方法及不确定性分析

核电厂洪水计算分析方法从广义上可归纳为概率论方法和确定论方法两类。

概率论方法主要利用概率理论计算洪水大小。概率论方法使用的前提是将极端洪水的发生考虑为一种随机事件并符合某一概率分布。但由于概率论方法的使用主要受数据数量的制约，与确定论方法相比，概率论方法在计算设计基准洪水高危险等级时（如计算万年一遇重现期及更低概率）存在较大的不确定性，因此须根据所掌握的资料情况获得一定的置信度。目前常用的洪水概率计算方法包括：Pearson-Ⅲ型分布模型、Bulletin分布模型，Monte-Carlo方法以及用于核电厂系统的概率安全分析（PSA）方法等。值得说明的是，美国核管会认为在为核电厂进行洪水概率分析时，应将厂址处核电厂运行寿命这一因素考虑进去。

确定性方法一般是指利用数学模型或经验公式方法计算和预测洪水风险。使用确定论方法的前提是水文事件有较为清晰的物理规律，或可以通过数学公式进行描述和表达。目前美国数值模型的开发单位主要为联邦相关的管理和科研机构，包括美国陆军工程兵团（USACE），美国农垦局（Reclamation），美国地调局（USGS）、美国国家海洋和大气局（NOAA）等。这些单位属于各自领域的权威，其开发的模型可靠性较高，能够满足美国核安全法规、导则对核电厂外部洪水灾害的计算需求。随着水文研究的不断进步和发展，目前流行着多种水文模型，美国核管会认为在水文计算和分析时，须根据所掌握的资料情况和模拟洪水的复杂程度要求选用恰当的模型和相应额度参数。

由于概率论方法和确定论方法各有优缺点，完全使用确定论和概率论的方法计算设计基准洪水的情况并不多，更多的是组合了概率统计内容的数学模型方法（Joint Probabilistic Method）。这种方法结合了以上两种方法的优点，在洪水前端分析时采用概率论方法统计分析厂址及周边水文特征规律并作为数学模型的输入参数，而在洪水后端计算时则以数学模型计算为主，从而使计算结果在满足一定的保守性水平的条件下达到足够的精度和可信度，保证厂址设计基准洪水能够经受住（预测）未来运行寿期内所能遇到的极端洪水作用。当前这类计算方法较多，如美国陆军工程兵团开发的用于计算流域的洪水计算模型HEC-HMS，美国国家海洋和大气局开发的风暴潮计算模型SOLSH等。

除此之外，在利用数值模型进行洪水计算时，为保证分析的质量，验证成果是否合理可靠，美国核管会还要求对计算结果评估其不确定性。这些不确定性主要来自：计算输入的不确定性、模型参数的不确定性、气候变化等长周期效应的影响等，在分析报告中应对如下方面进行说明。

（1）模型本身的不确定性：模型的好坏直接关系到计算的可靠性，美国核管会认为需详细审查模型的结构、控制方程、数据输入要求、参数说明、输出信息，模型的完整信息（例如，简化假设、空间或时间的离散方案、插值方法、时间步长求解程序等）。当然，最重要的是要考虑模型的适用性，应根据所模拟厂址的洪水情景和水动力条件选取模型。如在模拟河流洪水漫滩计算时，滩涂的植被会对水流底部摩擦产生影响，因此模型须能够考虑这一因素。表2给出了美国霍尔顿［11］编制的天然河道糙率表，可以依据研究区域流域实际情况选用相关糙率系数用于水力模型计算。

表2 天然河道糙率表Table2 Roughnessof natural river

（2）确定模型参数和输入数据的不确定性：通常情况下，洪水模拟模型的参数和输入的水文数据都存在着不确定性，前者是由于模型对客观条件进行概化的局限性，后者主要受数据观测精度的影响。这两类都体现了人类认知的局限，因此需在计算结果中反映出来。

（3）模型验证：由于设计基准洪水是根据一系列假定的极端洪水情景确定，为保证计算结果充分反映不利水文气象条件的危险水平，须将洪水模拟结果与具体厂址数据对比验证，从而确定模型方法的适用性。验证时，一般选取与假定情景相近的严重的厂址历史洪水数据作为模型输入，以检验模型模拟极端洪水的性能。

1.3 评价策略

美国核管会在评价厂址的设计基准洪水时一般采用层次分析方法 （Hierarchical Hazard Assessment，简称HHA）。层次分析方法是根据假设的洪水危险情景以及所掌握水文数据的数量和质量情况，对核电厂址及厂区内安全重要物项提供的一种渐进的层次评价方法。这种方法提倡从简化但保守的方法出发来计算发生在厂址附近的可能最大洪水，随着计算结果所提示的风险程度逐步更换采用更为精细的算法来对有关洪水灾害进行分析计算。此外，由于不同构筑物、系统和设备所需提供的防洪安全水平可能并不一致，因此在使用层次分析方法时除了需要考虑可能最大洪水风险，同时还要根据核电厂内各种构筑物、系统和设备在厂区所处的不同位置区别对待。例如，核岛区的构筑物所受风险主要来自强降雨，而冷却水取水构筑物的主要风险可能来自可能最大海啸或可能最大风暴潮。因此，构筑物的防洪设计基准主要取自暴雨所致洪水，而取水构筑物的设计基准则应选取可能最大海啸或可能最大风暴潮的计算结果。

层次分析方法在评价设计基准洪水的主要步骤如下。

（1）在审查厂址附近的历史数据和评估水文、气象、地震等自然现象的基础上明确洪水的起因事件和物理机制，逐一选择某种洪水类型进行评价；

（2）对于所有可能的洪水起因事件，根据导则、规范规定的洪水组合，合理利用较少的数据资料，采用保守、简化的方法来估计相应的可能最大洪水。如，对于分析强降雨导致的洪水过程，可以采用单位线方法保守计算，另外，在开始阶段也可以忽略降雨入渗、渠道行洪及植被阻滞等作用；

（3）如果任何安全相关构筑物、系统和设备可能会受到洪水的影响，则应采用厂址周边具体水文、气象、高程数据作为实际条件，选用恰当的洪水计算方法，并可参考其他相关机构在类似计算中的实践经验，进行更为细化的分析，然后重复前一步骤，直到已使用了最为先进的计算方法（模型）及最大程度地考虑了厂址周边实际水文条件；

（4）如果结果显示厂区所有安全相关构筑物、系统和设备都不受洪水静、动态的影响则评价结束。若所有厂址数据都已经被使用，但计算得出的洪水水位超过厂坪标高或安全相关构筑物、系统和设备，并且仍受到洪水的影响，则要求厂址提供构筑物、设施作为防洪屏障，并将其定义为安全相关项进行可靠性和有效性的评估。

图1给出了层次分析方法在评价某核电厂陆域洪水风险的技术路线图。

图1 层次分析方法评价陆域洪水风险的技术路线图Fig.1 Technology flow chart of the flood assessm entw ith HHA m ethod

1.4 示例

以某滨河核电厂址设计基准洪水分析过程为例阐述层次分析方法的洪水评价思路。假设厂址位于流域出口处，如图2所示，核电厂主要受电厂上游陆域洪水的影响，厂址所在流域主要洪水特征参数见表3。

图2 核电厂位置示意图Fig.2 Schematic diagram of the location of NPP

图3 流域平均可能最大降雨过程Fig.3 Thehydrograph of basin of PM P rain off depths in 1-hour increm ent

表3 流域主要洪水特征参数Table 3 Flood parametersofbasin

从图3可知，厂址所在流域中未建有水坝或水电站等水利工程设施，在可能最大洪水计算时无需考虑溃坝的影响，厂址的防洪安全主要受流域中降雨产生的可能最大洪水的影响，可以将其确定为厂址的设计基准洪水。如果厂址位于东经103度以东，可以参照导则《核电设计基准洪水》所给出的不同流域面积条件下可能最大洪水洪峰流量等值线图。此等值线图是美国核管会联合美国陆军兵团等单位，依据美国各个大区的水文气象报告［12］给出的可能最大降雨计算得出。具体做法是：首先根据厂址所在流域的面积，选出适用于此流域面积的可能最大洪水流量的等值线图。根据厂址地理坐标将厂址位置在等值线图上点出，从而得到可能最大降雨的指数（等值线之间的点可以取点两边等值线的较大值），最后将指数乘以实际流域面积从而得出流域出口干流中的可能最大洪水峰值。对于东经103度以西地区，本方法并不适用。导则同时也将全国主要流域河流的可能最大洪水列出，必要时可以查表得出。

上述方法较为简单易用，但计算结果较为粗糙，在以下情况下可采用更加精细的方法来计算可能流域上的可能最大洪水。

当厂址的防洪条件无法满足上述方法给出的值；

按照上述方法得出的洪水流量使防洪建设成本过高；

厂址流域洪水形成条件并不单一，如河流上游有水库，或有冰川融雪的影响。

美国陆军工程兵团开发了分布式水文模型HMS。在此模型中可以根据厂址位置和流域实际水文条件输入具体实测数据，如：可能最大降雨过程、流域数字地形图（DEM）等。模型在计算时，可从最保守的洪水情景出发，对模型的输入条件逐步深入和细化，现对洪水情景作如下4种情景的假设。

（1）不考虑降雨入渗和雨洪之间的转化，河道瞬时汇流；

（2）不考虑入渗，采用线性单位线法考虑降雨产流变化，河道瞬时汇流；

（3）不考虑入渗，采用非线性单位线法考虑降雨产流变化，河道瞬时汇流；

（4）考虑降雨入渗，采用非线性单位线法考虑降雨产流变化，河道瞬时汇流。

图4显示了4种情景条件下计算得到流域出口处的洪水过程线。

图4 河流洪水流量过程示意图Fig.4 Schem atic diagram of river flood hydrograph

从图4中可以看出，随着模型输入条件的逐步细化，计算得到的洪水过程逐渐坦化，洪水主峰靠后，滞时增大，峰值随之减小。在4种洪水情景中，情景1洪峰流量最大，情景3次之，情景2最小。主要原因是情景1完全不考虑入渗和流域下垫面调蓄作用的影响，流域出口洪峰流量一般只受暴雨时空分布和流域形状的影响。情景2和3都考虑了下垫面雨洪过程的影响，但考虑非线性产流方式增加了洪峰流量，并使洪峰过程提前。情景4考虑了入渗的因素，导致降雨前期洪水过程较其他情景略小。

从上述分析可以看出，流域情景变化会对计算得到的可能最大洪水计算结果造成很大影响，根据层次分析方法的计算思路，由简化方法开始过渡到复杂模型。为保证核电厂的防洪安全，在使用模型计算核电厂设计基准洪水时，应重点考虑设计洪水的保守性，并在有条件的情况下应尽可能的使用保守的洪水情景参数。

2 福岛事故后洪水评价方法改进及展望

2.1 福岛经验反馈与洪水复核

日本福岛核事故以后，美国核管会启动了针对福岛核事故的经验总结，要求各核电运营商重新筛查包括洪水在内的能对核电厂安全造成影响的厂址外部极端事件，在此基础上对原有的厂址洪水风险及防洪设施的设计基准进行复核评价，评价范围主要围绕以下几个方面。

（1）设计基准洪水复核：美国核管会要求核电厂重新识别当前所服役厂址的洪水特征，确定所有可能的洪水风险来源（如强降雨、海啸、溃坝［13-15］等），如果当前的某些水文特征或防洪措施与申请时相比已经发生变化，则应详细地列出并递交给美国核管会审查。调查并收集最新的洪水数据，特别是对厂址有现实风险的洪水类型及关键参数，利用最先进的计算方法复核厂址的设计基准洪水。在此过程中应说明不同类型洪水的发生机制以及发生过程中的附加效应，对于面临多种洪水风险的厂址，可假设不同类型洪水组合进行分析，选取计算结果中最不利的洪水情景作为设计采用结果，洪水评估的最终目的是得到能够包络所有类型洪水风险的设计基准洪水；

（2）防洪裕度评估：在对设计基准洪水复核的基础上还需针对核电厂安全重要物项确定厂区外部各项防洪设施的防洪裕度。收集场坪高度及防洪措施资料，通过对安全相关构筑物、系统和设备所要求的最低洪水设防要求与厂址各项防洪设施的防洪能力（如堤坝的高度、水密门的承压能力等）对比综合确定防洪裕度；

（3）防洪设施评估：当核电厂设置有堤坝、排水管沟等外部防排洪设施时，需要根据相关工程技术规范评估这些设施，分析其在极端洪水条件下是否存在有溃损的可能。在此过程中需要考虑洪水水淹高度及相应的附加作用（如：水动力效应，泥沙的淤积、侵蚀等）对这些设施的影响；

（4）减灾能力评估：当洪水评价结果表明目前核电厂的防洪设计基准不能包络目前的洪水风险时，或某些防洪设施会在所假设的洪水情景中失效时，则必须在评价中进一步说明厂址的排涝能力。在此评估中，需分析防洪设施失效模式以及受此影响厂区的水淹范围、深度及相应的附加动力作用等，从而确定受影响的安全重要物项，在此基础上说明在某些极端洪水条件下厂区水淹缓解措施和排涝能力（如：防水临时挡板的高度、移动水泵的扬程、工作人员操作手册等）是否有效，并在此基础上说明水淹对厂区重要安全物项的影响。

2.2 未来工作的改进及展望

美国核管会在《标准审查大纲》等防洪导则中一般要求采用“可能最大”洪水这一术语定义核电厂设计基准洪水，但福岛事故使人们对“可能最大”这一概念有了不同的认识，很多之前认为极端不可能的洪水在特定的条件下也有可能发生。根据近年来美国相关机构在防洪方面的工程实践，特别是经过对2005年Karina飓风的经验总结和反馈，美国陆军工程兵团、美国海洋和大气局以及联邦应急管理局在有关文献表述中已经不再使用“可能最大”这一术语，美国核管会虽然还未对此进行修正，但试图与这些机构的定义保持一致，尽量采用“设计基准”这一术语来避免歧义。核电厂的原始场坪高度及核电厂设计基准洪水评价不同于其他核电厂其他设施对所评价内容精度的要求，在满足保守性要求下更加侧重于结果的可靠性和合理性，为此美国核管会认为需在以下方面做出改进和突破。

（1）开发高精度的水文气象数据库。美国当前使用的一些高精度数据（如：地形高程数据、流域划分、水系、更加可靠和密集的气象数据、遥感资料以及代表土壤和植被的空间数据等，极大地改善了模型输入参数的质量。未来的监管导则应注重数据的可用性和可靠性，特别要增强数据在收集、核实、归档和传播方面的管理，从而来提高模型的可靠性以及提高模型预测的精度；

（2）进一步发展洪水概率评价方法。尽管概率理论发展历史较长，也在被运用到美国数个核电厂的设计基准洪水计算中，但目前美国仍没有一部导则或规范专门为概率论方法计算设计基准洪水提供指导。概率论灾害分析方法在确定设计基准洪水时可以依托数值仿真方法和洪水灾害样本资料确定来消除计算洪水的不确定性。此外，美国核管会认为应该开发能够表示出具体安全重要构筑物、系统和设备防洪水平的概率安全方法；

（3）关注气候变化。对于厂址洪水的计算依据都是基于分析总结历史水文数据所得出的规律和认识，即使采用概率统计方法分析洪水，重要的前提条件也是假设未来的极端洪水发生规律满足过去数据的分布规律。在全球气候变化大背景下，厂址设计基准洪水受此影响的程度虽然还不得而知，但某些极端洪水的尺度特征已经发生了变化，如：厂址尺度意义上局部强降雨、流域上尺度意义上的极端洪水、海陆尺度意义上的超强热带气旋等。为保证核电厂防洪安全，应积极关注全球气候变化方面的研究进展，在厂址洪水分析中加入气候变化对流域和厂址水文特征影响的分析。

3 总结

美国核管会作为美国核安全监管部门，在核电厂防洪安全评价方面具有较高的水平和丰富的实践经验。本文通过梳理美国核管会洪水评价依据、计算方法、审评者的审查策略以及福岛后的最新经验总结等方面内容，探寻其在洪水评价方面的经验，为我国核电厂防洪安全审评工作提供借鉴。

从监管依据来看，美国核管会核安全防洪导则和规范紧贴美国国内具体的水文气象条件，导则与相关工程研究机构的工程实践结合度较高，充分反映了美国政府机构对于核电厂防洪监管的具体实践。导则的制定往往是审评人员与科研机构合作的研究成果，其中很多内容都引用或参考了其他专业机构的研究成果，并且还提供明确的计算程序、经验公式等，使得导则在审评过程中具有很强的针对性和可操作性。

从审评策略上来看，无论在核电厂址洪水分析上还是在福岛后防洪符合评估上，美国核管会都采用层次分析方法。层次分析方法可以在一定条件下简化厂址洪水分析过程，对洪水的分析逐步细化和优化，分析结果也将从保守性向精确性转变。对于没有充足水文资料作数据支撑的厂址，这种方法可以提供较高保守性的设计基准洪水成果并能使之能够满足相关法规、导则的规定。

从美国核管会今后工作的展望来看，美国核安全机构并没有因为日本福岛事故对核电厂防洪安全乃至核电安全采取怀疑态度，而是通过进一步同有关机构密切合作，广泛收集更多当前厂址具体的水文、气象资料等基础数据来作为模型的输入，改进洪水分析计算方法等方式，提高厂址设计基准洪水计算分析的可靠性，这也有利于明确现有厂址的防洪裕度，以上这些做法很值得我国核安全审评监管人员的思考。

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On the U.S.Nuclear Power Plant Design Basis Flood Risk AssessmentM ethod

JIZhonghua，PANRong，LUYu，WANG Lu，YANGYu
（Nuclearand Radiation SafetyCenter，MEPBeijing100082，China）

Through summarizing relevant guides and technical documents of U.S.NRC，this paper described theevaluation basis，computationalmethods，review strategy and experience feedback from the Fukushimanuclearaccident.The processofHHA evaluationmethodwaspresented by an example.Based on theabovecontent，thispaper focused on improving the flood analysismethod and looking to the futurework by NRC.Finally，the flood evolutionmethodswereanalyzed and discussed.

U.S.nuclearpowerplant；designbasis flood；HHAmethod；Fukushimanuclearaccident

TV122+.5

：A

：1672-5360（2015）03-0017-07

2014-03-19

2014-08-26

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1441300000325

纪忠华（1985—），男，江苏扬州人，工程师/工学硕士，水文水资源专业，现主要从事核电厂防洪安全审评工作