闽南核电厂区短历时设计暴雨估算*

2015-08-24福建省气象台福建省气候中心鲍瑞娟张容焱

海峡科学 2015年7期

.福建省气象台 . 福建省气候中心　庄　瑶　鲍瑞娟　张容焱

闽南核电厂区短历时设计暴雨估算*

1.福建省气象台 2. 福建省气候中心庄瑶1鲍瑞娟2张容焱2

通过对暴雨一致区的分析，选择合理的代表气象站和水文站，根据代表水文站1953年～2007年不同历时最大降水资料，采用皮尔逊－Ⅲ型法计算不同重现期短历时降水量极值，最后通过雨强-频率-历时关系曲线求算暴雨衰减系数，得到闽南核电厂厂址区域短历时暴雨设计值，具有一定的代表性和实用性，成果稳定合理，可为工程设计提供科学的参考依据。

皮尔逊－Ⅲ型法暴雨公式衰减系数短历时可能最大暴雨

为确保核电厂的安全，防止外部事件——可能最大降水量（PMP）以及临近流域内的水库大坝可能垮坝，使洪水对下游核电厂产生潜在的严重威胁，根据核安全导则核电厂厂址选择安全规定［1］的要求，必须评价厂址所在区域由降水引起、并影响核电厂安全的洪水泛滥的可能性，需要对临近流域和厂址区域发生的短历时最大降水进行估算和分析。

短历时暴雨一般指24小时以内的强降水，暴雨在时程上变化多端，总雨量相等的暴雨可以由无数个不同的强度降雨短历时过程组成。然而，6小时以内的降水是短历时强降水最具风险的时段［2］。通常用暴雨递减指数反映暴雨在时程分配上的集中（或分散）程度。暴雨递减指数在不同时段存在差异，有研究表明，福建省短历时暴雨递减指数在1小时段发生转折［3］。此外，短历时暴雨具有高偏态分布特点，目前常用的分布线型难以拟合这种资料［4］，朱颖元［5］等对福建城市短历时暴雨频率的研究表明耿贝尔分布优于皮尔逊－Ⅲ分布。刘增基［6］等利用气象台站资料讨论了闽南地区汛期1～2小时内降水的概率分布，指出受对流发展的贡献大量级降水多发生在午后。

单站短历时的可能最大暴雨（短历时PMP）设计值估算尚无成熟的方法可以借鉴［7］，本文通过确定暴雨一致区及参证站，利用频率分析法、暴雨公式参数分析法［8］，估算和分析闽南核电厂的短历时暴雨特征，尝试为核电工程设计提供气候可行性论证。

1　资料来源

1.1暴雨一致区的确定

据文献［9］对我省雨季暴雨、台风暴雨空间分布特征的分析，闽南核电厂址所在的区域各县市为暴雨的一致区，它们下暴雨时的环流形势与天气系统往往同一，且都处于宏观大地形——博平岭的东南侧，所以致暴的概率和强度也比较接近，可视为暴雨的一致区，并收集暴雨一致区内场址周边的5个水文、雨量站和4个国家气象台站的降水量资料。

1.2参证气象站和水文站代表性论证

1.2.1代表气象站的选取

根据气候成因和气候形成机理的一致性、现场观测与气象站要素同步相关性论证与分析结果，4个参证气象站中，选择唯一一个居海岛，并与厂址区域仅隔一个海湾的参证气象站，具有更好的相似性，以其作为厂址区域气候特征的“代表气象站”是合理的。

1.2.2代表水文站的选取

5个参证水文、雨量站距厂址2.3～33.8公里，从空间尺度来看，它们对太阳辐射的承载，对大气环流、天气系统的受控性都是一致的。从海陆方位、地形地貌和海拔高度来说，都与厂址相近，期间虽有某些小气候差别，但总的气候面貌和灾害天气的笼罩度基本雷同。因此，从气候成因和气候形成机理的一致性来看，这些水文、雨量参证站都具有较好的代表性。但其中有一个水文参证站为标准水文站，积累了1953年～2007年共55年的短历时降水资料序列，且缺测较少，从数据序列长度和质量来看明显优于其他站，通过与代表气象站相同年份的年最大24小时降水量作相关性分析（图1）表明，二者有较好的相关性（R=0.68），因此该水文站可作为厂址区域的“代表水文站”。

图1　代表气象站与代表水文站历年最大24小时降水相关关系图

1.3代表水文站短历时降水特征

表1给出了1953年～2007年代表水文站不同历时的最大降水量的极大值、均值和标准差。随着降水历时的延长，标准差越来越大，也就是说历时越短的降水，其量越稳定；历时越长的降水，其量变化越大。从均值还可以看出，1h和6h时段均值有一个明显的递增率变化。

表1　代表水文站不同历时最大降水量统计表

2　可能最大暴雨短历时降水的设计

可能最大暴雨（PMP）指一年的某一时期，特定的某设计流域上一定历时内、物理上可能发生近似上限降水（包括降水总量及其时空分布），其概率为万年一遇［10］。短历时PMP的计算要先推求厂址区域24h可能最大暴雨，以及代表水文站各种历时万年一遇设计暴雨值，然后采用暴雨公式确定暴雨参数反算短历时的PMP。对于24hPMP，本文采用闽南核电厂区已有的PMP成果，即万年一遇PMP为1280mm。

2.1设计暴雨公式的确定

短历时设计暴雨计算公式如下［11］：

式中，Sp—雨势或雨力，历时为1h的雨强，单位mm/h； Xtp—历时t的暴雨量，单位mm；t—暴雨历时，单位h；n—暴雨递减指数。

在我国大多数地区，当t=1h和t=6h时降雨量有转折点［12］，因此，当以长包短、大包小的统计方式进行分析时，可以概化地分三段拟合以上公式：

2.2不同重现期短历时降水量的计算

分别采用耿贝尔－Ⅰ型极值法和皮尔逊－Ⅲ型法计算不同频率不同历时的降水量［13］。由表2可以看出，代表水文站不同重现期各种短历时降水量皮尔逊—Ⅲ法的计算结果比耿贝尔法更保守，且拟合曲线（图2）比耿贝尔－Ⅰ型（图略）好，Cs/Cv取值为3.5左右也较为合理，因此，我们将采用皮尔逊—Ⅲ法的计算结果确定短历时暴雨公式的参数。

表2　代表水文站短历时暴雨频率计算结果

续表2

图2　代表水文站短历时暴雨皮尔逊—Ⅲ概率计算适线

2.3暴雨衰减系数的确定

将表2皮尔逊—Ⅲ法的计算结果绘于双对数图上［14］，分析同一频率的各点据的分布及分配情况，然后用多组平行的折线把不同频率的点据连起来，作为各频率的雨强—频率—历时关系线，如图3所示。

由图3可以知道，曲线明显分为3段，n值就是图中各折线段的斜率，计算结果列于表3。由表3可见，闽南核电厂区短历时暴雨存在明显的3个衰减系数。如果仅以1h和24h分，那么1h至6h的暴雨强度估算将会明显偏小，因此从工程安全角度出发，应采用3段拟合更为合理。

图3　代表水文站雨强-历时-频率曲线

表3　代表水文站短历时暴雨衰减系数表

2.4短历时可能最大暴雨的计算

由公式（3）～（5），借用代表水文站P=0.01%的暴雨公式参数，采纳24h可能最大暴雨成果X24hPMP=1280mm，推求短历时可能最大暴雨（见表4）。

表4　厂址短历时计算结果

3　短历时可能最大暴雨计算结果的合理性分析

本文收集了代表水文站年最大短历时暴雨资料系列，对年最大短历时暴雨系列进行概率计算，得到不同频率下各短历时的设计暴雨量；通过绘制暴雨－频率－历时曲线分析求出相应暴雨参数；最后根据可能最大24h暴雨公式求出各短历时的可能最大暴雨。

为了验证短历时可能最大暴雨计算结果的合理性，我们对福建省出现的三场特大暴雨（即24h最大降水量福鼎沙埕691.8mm、仙游下张隆638.1mm和晋江英林623.5mm，图4上）和由于台风所致的短历时强降水个例（龙王台风特大暴雨，图4下）分别做短历时雨量分布曲线，由图4可以看出，各短历时最大可能暴雨曲线趋势与实际特大暴雨短历时雨量分布趋势是一致的，能反映短历时可能最大暴雨的分布规律，且有一定的保守性。

由此说明，以上推求的厂址区域短历时暴雨公式能够较好地反映该地区的短历时暴雨特征，具有一定的代表性和实用性，成果稳定合理。