对于核电厂雨排水系统, 我国和美国的核安全导则^[1,2]中都要求按照可能最大降雨 (PMP) 进行考虑。但在国内某些核电厂雨排水系统工程实践中, 从经济性角度出发选用强度稍低的千年一遇暴雨强度进行管道设计, 而采用可能最大降雨进行校核来满足核安全审评要求, 确保在此情景下厂房外积水深度不超过室内外地坪高差。

　　 对于厂址可能最大降水的计算, 国内核安全导则没有论述其计算方法, 一般参考《水利水电工程设计洪水计算规范》^[3]中的相关规定, 而厂内雨排水系统的设计则是参照了《室外排水设计规范》^[4]等规范标准。但这些规范都不是针对核电厂发布的技术标准, 也缺乏降雨时程分布相关说明, 并不能全面反映核电厂厂址特点和安全技术要求, 因此在考虑雨型后, 设计基准降雨对核电厂水淹影响还值得进一步的分析和探讨。

　　 本文从国内某滨海核电厂厂址实际条件出发, 梳理适用于短历时降雨的雨型表示方法, 通过建立典型核电厂雨排水系统水动力模型, 模拟不同雨型降雨在厂区内的水淹过程, 探讨适用于设计基准降雨的雨型技术特点, 进而分析其对厂区水淹的影响, 以期为核安全审评提供技术支撑。

　　 暴雨强度公式揭示了平均雨强和时间的相关关系, 但并不能描述降雨的实际发生过程。不同的强度过程对下垫面的调蓄计算均有重要影响。国内相关学者对降雨模式存在众多讨论, 但根据雨型生成方法的不同, 基本可以归为以下几类:

　　 (1) 依据IDF曲线指定一个几何形状, 典型的如Chicago雨型^[5], 双三角雨型^[6]等。

　　 (2) 直接利用IDF曲线作为雨型分布, 推理公式推算洪峰流量便是以IDF曲线为基础, 考虑将一定历时内的降雨强度均匀化, 作为排水推理公式的计算输入, 国内核电厂雨排水设计也大多采用此方法^[6]。

　　 (3) 利用相关标准方法, 直接根据实际降雨数据生成雨型。这类雨型产生方法被研究的较多, 如AES雨型^[8,9]、ISWS雨型^[10,11]、SCS雨型等, 我国学者也对类方法的应用进行过许多有益的讨论^[12]。

　　 (4) 利用统计模型随机生成, 如采用MonteCarlo方法模拟一定重现期水平下的降雨过程^[13]。

　　 选择雨型作分析时, 应注意其应用范围。相比于城市或者流域, 核电厂区所占面积较小, 降雨汇流时间短, 主厂区最大汇流时间一般小于1h, 宜选用历时短、雨峰单一、精度高、构造方法简单的雨型。上述列举的方法中, Chicago、AES和ISWS雨型基本满足要求, 将其作为本校核工作的对比雨型, 相应构造方法说明如下:

　　 (1) Chicago雨型。Keifer和Chu^[5]在芝加哥进行雨网系统研究时, 根据强度—历时一频率关系提出了一种非均匀的合成雨量过程线, 称为芝加哥雨型。该雨型可根据降雨时长和峰现时间进行造峰, 以达到最大的径流强度。该雨型的最大优点是可以保证任何历时内的雨量都具有相同的平均强度。Chicago雨型按雨峰位置为界分为峰前雨量上升段和峰后衰减段, 设单一重现期暴雨强度公式如式 (1) 所示。

　　 则Chicago雨型雨峰发生前 (上升段) 雨强为:

　　 雨峰发生后 (下降段) 雨强为:

　　 式中a———暴雨强度等级参数, 可根据暴雨公式和指定的重现期得到, 对于可能最大降雨, 该值依据时段—雨量关系确定;

　　 b———时间参数;

　　 c———雨强随历时变化衰减参数, 需根据所选暴雨强度等级确定;

　　 t_d———降雨时段长度, min;

　　 t_a, t_b———分别为雨峰向下降段和上升段的时间, min;

　　 r———雨峰位置参数, 用雨峰前时长占总设计时长的比值来表示。

　　 (2) AES雨型。Watt等^[9]根据加拿大境内500个气象观测站46年的降雨数据, 筛选出107场较典型的大暴雨事件, 通过模糊聚类等分析, 并考虑了地区气候条件差异, 开发了适用于城市地区的时段 (降雨时长为1h) 雨型。从形式上来看, 该雨型的雨峰前段为线性递增过程, 雨峰后段为近指数衰减过程。用于AES雨型分析的样本为大暴雨, 因此更适合类似可能最大降雨等稀遇暴雨的计算, 其雨强公式如式 (4) 、式 (5) 、式 (6) 所示。

　　 雨峰发生前 (上升段) 雨强:

　　 雨峰发生后 (下降段) 雨强:

　　 式中h———降雨峰值雨量, mm;

　　 t_p———降雨峰值发生时刻;

　　 t_d———降雨时段长度, min;

　　 K———降雨特征参数, 与研究区地理位置和气候条件有关, 一般在5~7;

　　 R_tot———降雨时段t_d内的降雨总量, mm。

　　 (3) ISWS雨型。Huff等^[10]在研究伊利诺伊东部降雨特征时, 借鉴了SCS雨型的表示方法 (即降雨比例累计过程线) , 根据降雨峰值出现的位置不同, 将降雨时程分布分为4种类型, 研究表明短历时暴雨的峰值大多出现在前两个时段内。相比于SCS雨型, ISWS雨型可以让工程设计人员对降雨时长的选取有更高的自由度, 可根据降雨分布类型、时长、总雨量、雨区面积 (点或面雨量) 来确定雨型。

　　 厂址地区属东南季风气候区, 冬季受西伯利亚变性冷气团控制, 气候寒冷, 干旱少雨;夏季受西太平洋副热带高压与东南季风影响, 温高雨多, 降水主要集中在6~9月, 多年平均降水量占年降水量的60%左右, 7月中旬至9月上旬暴雨强度尤其大。厂址地区暴雨可明显分为台风暴雨和非台风暴雨, 非台风暴雨出现的频次较多, 但强度小于台风暴雨, 当地有实测记录以来发生的最大24h降雨量为599.1mm, 周边地区发生的最大降雨为830.3mm。

　　 可能最大降雨的分析包含时段内总雨量推求和时段内雨量—历时关系分析两部分^[15]。

　　 可能最大暴雨从量级上来说属于稀遇气象事件, 其计算方法是基于流域地理特点和气象资料从物理成因机制上进行分析, 没有重现期概念。当设计流域或临近地区有特大暴雨资料时, 可采用当地暴雨放大或移置放大方法获得;当流域面积较大、数据资料较为丰富时, 则可采用暴雨组合法或暴雨时—面—深概化法。

　　 目前我国核电厂都属于滨海核电厂, 受选址条件制约, 厂区大多布置在半岛或岬角之上, 厂址所在流域很小, 属于设计点降雨的应用范围, 即依据当地气象资料计算得到某一地点固定历时内的降雨总量值。依托厂址周边地区多个气象站, 收集其降雨量、露点、风速等多种气象资料, 采用水汽效率放大、水汽风速联合放大、暴雨移置放大等多种方法, 分别计算得到24h可能最大降雨量。在此基础上, 从保守的角度出发, 最终选用经过水汽输送放大得到的移置暴雨计算结果, 相关计算参数见表1。

　　 可能最大降雨雨量—历时关系的计算, 实际是时段总雨量在各短历时内的再分配过程, 本文借鉴推求城市暴雨公式中常用方法, 以各短历时内降雨量某一重现期计算结果所反映的雨量比例关系分配24小时降雨总量。具体来说, 搜集当地气象站降雨数据, 统计当地10 min、20 min、30 min、1h、3h、6h、12h以及24h年最大雨量, 选用国内水文气象领域常用的Pearson-III型概率分布计算重现期为万年一遇的降雨量, 计算得到各短历时降雨量 (见表2) 。

　　 在确定雨型参数时, 借鉴前人相关研究成果^[12], 将雨峰位置参数统一确定为0.39, 时段为1h的降雨过程, 雨峰出现在23.4 min处, 降雨总量按表2取为266mm。对于Chicago雨型, 依据表2, 采用最小二乘法拟合得到公式 (1) 中的雨型相关参数:a=46.09, b=20.30, c=0.548, 截取雨强最大1h雨量时程分布为设计雨型;AES雨型中降雨特征参数K按滨海地区推荐值确定为5;ISWS采用雨峰靠前的I型点雨量分布形式。据此, 得到可能最大降雨1h条件下3种雨型降雨强度时程分布 (见图1) , 同时列出雨型主要特征 (见表3) 。

　　 从图1和表3可知, 3种雨型以AES雨型雨峰强度最大 (14.34mm/min) , Chicago雨型雨峰强度最小 (8.12 mm/min) 。从小时降雨总量来看, 以ISWS-I和AES雨型降雨小时雨量最为精确, Chicago雨型差异最大, 比可能最大降雨给定的最大1h雨量减小了22.8mm。这主要是由于公式使用的限制, Chicago雨型公式计算降雨强度分布精度随所选用的时间单位长度成反比, 即单位时间间隔取值越短得到的降雨总量越接近所给定的设计值, 本文所采用的时间单位是min, 故精度稍有欠缺。

　　 国内外开发的雨洪模型产品较多, 比较著名有美国环保署设计开发的SWMM模型, 该模型能够完整的模拟动态降水和污染物在管道中的径流过程, 可以辅助研究人员对相关雨洪调蓄设施以及水质影响进行合理评价和预测^[16], 但该模型不能模拟管道外地表水体的水力运动过程。加拿大水力研究所基于SWMM计算引擎开发出了PCSWMM模型, 该模型除了保留SWMM模型在一维管网计算所需的水文、水力和水质模块外, 还耦合了地表二维的水力计算以及GIS模块等, 能够处理原SWMM模型在检查井溢流或过载后无法直接计算溢流水体在地表的流动演进的问题, 在相关工程应用中取得了较好的应用效果^[17]。

　　 本文在评估不同短历时雨型的PMP所导致的滨海核电厂厂区内积水时, 需要处理包括排水口被海潮顶托、雨水井溢流、地表积水漫流等多种复杂水力现象, 这些问题都属于PCSWMM功能承接范围, 选其作为本研究的计算分析模型是合适的。

　　 核电厂防排洪设计遵循3种防洪方式:恰当的厂坪标高, 地表防洪工程和地下管网。本研究所选取的典型核电厂址位于黄海之滨, 厂址沿北侧山坡坡脚建有一道排洪沟, 排洪沟从西南一侧入海, 主要用来收集厂址北侧山坡及周边汇集的洪水, 确保在PMP条件下陆域洪水不影响主厂区。一期主厂区面积为20.31ha, 厂内采用阶梯式布置, 反应堆厂房等核安全构筑物所处的主厂区室外地面标高为7.85m (85高程, 下同) , 室内外地坪高差为0.2m。

　　 厂区雨排水系统包括建筑物屋面落水管、地下主雨水管道、检查井、雨水篦子以及相应的连通管, 受场地条件限制, 不设置蓄水溢流设施。厂区各项排水设施独立布置, 雨水经管道收集后直流入海, 不与地表河渠相连。雨水管网设计采用千年一遇降雨强度, 其出水口为管径DN1 600的铸铁管, 管道中心高程为2.4m, 在高潮位情况下排水口将被淹没。

　　 根据前期厂址工程水文专题分析, 得到厂址千年一遇潮位为4.48 m。由于厂址所在地潮汐属于不正规半日潮, 潮型变化不规则, 且很难确定降雨和潮汐过程的组合关系, 从保守性出发, 将潮汐过程设定为单一水位值作为管网排水口水位边界, 进行海潮淹没出流工况分析。此外, 在低潮位时, 雨水管网排水口底标高高于海面, 属于自由出流, 将其作为本次校核计算的另一工况。

　　 依据核电厂地形勘测资料, 借助GIS软件建立了一期厂区及周边地形DEM, 同时还绘制出反应堆厂房等各类建筑物的位置范围, 在PCSWMM模型中统一设置为阻水区。雨水管网的建模按照建厂时设计资料进行, 包括检查井深度、管道断面形状、首末端高程、衔接关系等。概化后共获得152个检查井、152段管道。

　　 管道口流入水量需依靠建模阶段汇水区划分结果以及相应的水文特性, 不同的划分方式所形成的子汇水区会对径流计算结果产生一定影响。核电厂厂房占地面积较大, 屋面积水水量可观, 在划分汇水区时须正确识别屋面雨水的排放路径。在划分汇水区时除考虑阻水构筑物、管道位置以及道路走向外, 同时按照厂房建筑物落水管布置, 确保按照设计要求将屋面积水汇入指定雨水口, 厂区内汇水分区划分结果见图2。

　　 核电厂区属于高影响开发场地, 本厂址坐落于渗透性低的基岩之上, 地表基本都铺设了水泥地面, 绿化面积很小, 综合上述因素, 将模型中各子汇水区中不透水面积比例设置为0.99, 洼地面积比例为0。对于下垫面的阻水效应, 按照《水力计算手册》^[18]中的推荐值, 将地表不透水区域 (水泥地面) 曼宁系数 (n) 统一设置为0.015, 管道的糙率按管材类型 (铸铁管) 设定为0.01。

　　 模拟区网格划分选用六边形网格, 网格边长为2.5m, 汇流计算采用动力波法, 计算时间步长选为0.5s, 共模拟2h, 其中前1h模拟降雨积水过程, 后1h模拟无降雨条件下的退水过程。

　　 将3种设计雨型降雨连同2种外海潮位状态输入PCSWMM模型, 计算得到研究区域内各个雨水检查井、管道、流量、地面水位及水深等情况。从计算结果来看, 无论何种雨型, 在发生可能最大降雨情形下, 降雨量都超过管网设计最大排水量, 雨水井发生溢流, 地面迅速积水进而覆盖全厂区。选取厂区东、西两处积水最高点 (图2中A、B两点) 作为地面积水过程变化的代表性点, 分析降雨对电厂的影响。

　　 对比自由出流条件下和千年一遇高潮位顶托条件下厂区地面积水深度 (见图3、图4) , 各雨型降雨所形成的积水, 无论潮水是否淹没出水口, 最大积水深度都小于厂区允许水淹深度 (0.2 m) , 满足核电厂安全要求。具体来说又以AES雨型降雨所造成的水淹深度最大, ISWS-I雨型次之, Chicago雨型最小, 与各雨型的雨峰强度大小次序相同。此外, 从地面积水起始时间来看, 积水起始时间也与雨峰前降雨过程线斜率大小规律一致。

　　 从水淹过程来看, A、B两处积水存在较大差异, 主要表现在: (1) 各雨型降雨在A点积水起始时间相距较大, 且较接近雨峰发生时刻, 而B点积水起始时间则较为集中, 更为靠前; (2) A点各积水过程线较为尖瘦, 不同积水过程线峰值大于B点; (3) A点各积水过程线最大积水深度出现时间与雨峰强度大小相反, 雨峰强度最小的Chicago雨型其降雨—积水峰值相差最大, 约为10 min, 而这种延迟现象在B点并不显著。通过查看雨水管道满流时间 (未附) , 了解到差异的主要原因是B点附近管网排水能力裕量 (受市售管径规格限制) 相对较小, 在可能最大降雨校核状态下, 管网迅速达到超载状态, 地表产生积水并向周围漫溢, 因此不同雨强时程分布所导致的积水深度差异相对较小, 此时积水深度主要受累积降雨量的控制。而A点附近排水能力存有一定裕度, 只在降雨达到一定强度, 降雨量超过管道排水能力, 雨水井才发生溢流。地表积水受A、B两点间距离和阻水构筑物影响, 没有通过地面径流得到迅速平摊。

　　 对于出水口受潮位顶托影响, A点在潮位顶托工况下, 不同雨型降雨所导致地面最大积水深度比自由出流工况要深3~4cm, 积水起始时间也有一定的提前。而B点在2种潮位工况下, 积水深度只有微小的差异。归结原因, 同样是由于B点附近管网排水较A点裕量少, 在上游管道出现超载时, 下游管道受高潮顶托影响而引起的排水能力下降对该点处附近管道排水影响有限。而A点恰恰相反, 其附近管道排水能力受潮位顶托影响显著, 故而积水过程也与自由出流工况呈现出明显差异。

　　 以某核电厂址为例, 模拟了一期主厂区在降雨和高潮位顶托作用下的水淹过程, 可以得出以下主要结论:

　　 (1) 在选用雨型公式/曲线时应依据厂址所在地水文气象特征, 关注其适用范围, 合理确定各项参数, 确保所需的计算精度。

　　 (2) 在时段雨量一定的情况下, 降雨的峰值强度直接决定了地面最大积水深度。

　　 (3) 厂区在管网排水能力有富余时, 地面积水过程对降雨时程分布较为敏感, 潮位顶托效应只对最大积水深度有少量影响;管网排水能力无裕度时, 地面积水过程主要受累积降雨量控制, 雨水口潮位条件影响不大。

　　 (4) 在核电厂防水淹审评中, 应充分考虑雨排水管网工程实际, 必要时需建立二维雨洪数值模型, 辅助分析雨型对局部排水不畅区域的水淹深度影响, 确保厂内各项设施的安全。