閩南核電廠區(qū)短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨估算*

.福建省氣象臺(tái) . 福建省氣候中心　莊　瑤　鮑瑞娟　張容焱

閩南核電廠區(qū)短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨估算*

1.福建省氣象臺(tái) 2. 福建省氣候中心莊瑤1鮑瑞娟2張容焱2

通過(guò)對(duì)暴雨一致區(qū)的分析，選擇合理的代表氣象站和水文站，根據(jù)代表水文站1953年～2007年不同歷時(shí)最大降水資料，采用皮爾遜－Ⅲ型法計(jì)算不同重現(xiàn)期短歷時(shí)降水量極值，最后通過(guò)雨強(qiáng)-頻率-歷時(shí)關(guān)系曲線(xiàn)求算暴雨衰減系數(shù)，得到閩南核電廠廠址區(qū)域短歷時(shí)暴雨設(shè)計(jì)值，具有一定的代表性和實(shí)用性，成果穩(wěn)定合理，可為工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)的參考依據(jù)。

皮爾遜－Ⅲ型法 暴雨公式 衰減系數(shù) 短歷時(shí) 可能最大暴雨

為確保核電廠的安全，防止外部事件——可能最大降水量（PMP）以及臨近流域內(nèi)的水庫(kù)大壩可能垮壩，使洪水對(duì)下游核電廠產(chǎn)生潛在的嚴(yán)重威脅，根據(jù)核安全導(dǎo)則核電廠廠址選擇安全規(guī)定［1］的要求，必須評(píng)價(jià)廠址所在區(qū)域由降水引起、并影響核電廠安全的洪水泛濫的可能性，需要對(duì)臨近流域和廠址區(qū)域發(fā)生的短歷時(shí)最大降水進(jìn)行估算和分析。

短歷時(shí)暴雨一般指24小時(shí)以?xún)?nèi)的強(qiáng)降水，暴雨在時(shí)程上變化多端，總雨量相等的暴雨可以由無(wú)數(shù)個(gè)不同的強(qiáng)度降雨短歷時(shí)過(guò)程組成。然而，6小時(shí)以?xún)?nèi)的降水是短歷時(shí)強(qiáng)降水最具風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)段［2］。通常用暴雨遞減指數(shù)反映暴雨在時(shí)程分配上的集中（或分散）程度。暴雨遞減指數(shù)在不同時(shí)段存在差異，有研究表明，福建省短歷時(shí)暴雨遞減指數(shù)在1小時(shí)段發(fā)生轉(zhuǎn)折［3］。此外，短歷時(shí)暴雨具有高偏態(tài)分布特點(diǎn)，目前常用的分布線(xiàn)型難以擬合這種資料［4］，朱穎元［5］等對(duì)福建城市短歷時(shí)暴雨頻率的研究表明耿貝爾分布優(yōu)于皮爾遜－Ⅲ分布。劉增基［6］等利用氣象臺(tái)站資料討論了閩南地區(qū)汛期1～2小時(shí)內(nèi)降水的概率分布，指出受對(duì)流發(fā)展的貢獻(xiàn)大量級(jí)降水多發(fā)生在午后。

單站短歷時(shí)的可能最大暴雨（短歷時(shí)PMP）設(shè)計(jì)值估算尚無(wú)成熟的方法可以借鑒［7］，本文通過(guò)確定暴雨一致區(qū)及參證站，利用頻率分析法、暴雨公式參數(shù)分析法［8］，估算和分析閩南核電廠的短歷時(shí)暴雨特征，嘗試為核電工程設(shè)計(jì)提供氣候可行性論證。

1　資料來(lái)源

1.1暴雨一致區(qū)的確定

據(jù)文獻(xiàn)［9］對(duì)我省雨季暴雨、臺(tái)風(fēng)暴雨空間分布特征的分析，閩南核電廠址所在的區(qū)域各縣市為暴雨的一致區(qū)，它們下暴雨時(shí)的環(huán)流形勢(shì)與天氣系統(tǒng)往往同一，且都處于宏觀大地形——博平嶺的東南側(cè)，所以致暴的概率和強(qiáng)度也比較接近，可視為暴雨的一致區(qū)，并收集暴雨一致區(qū)內(nèi)場(chǎng)址周邊的5個(gè)水文、雨量站和4個(gè)國(guó)家氣象臺(tái)站的降水量資料。

1.2參證氣象站和水文站代表性論證

1.2.1代表氣象站的選取

根據(jù)氣候成因和氣候形成機(jī)理的一致性、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與氣象站要素同步相關(guān)性論證與分析結(jié)果，4個(gè)參證氣象站中，選擇唯一一個(gè)居海島，并與廠址區(qū)域僅隔一個(gè)海灣的參證氣象站，具有更好的相似性，以其作為廠址區(qū)域氣候特征的“代表氣象站”是合理的。

1.2.2代表水文站的選取

5個(gè)參證水文、雨量站距廠址2.3～33.8公里，從空間尺度來(lái)看，它們對(duì)太陽(yáng)輻射的承載，對(duì)大氣環(huán)流、天氣系統(tǒng)的受控性都是一致的。從海陸方位、地形地貌和海拔高度來(lái)說(shuō)，都與廠址相近，期間雖有某些小氣候差別，但總的氣候面貌和災(zāi)害天氣的籠罩度基本雷同。因此，從氣候成因和氣候形成機(jī)理的一致性來(lái)看，這些水文、雨量參證站都具有較好的代表性。但其中有一個(gè)水文參證站為標(biāo)準(zhǔn)水文站，積累了1953年～2007年共55年的短歷時(shí)降水資料序列，且缺測(cè)較少，從數(shù)據(jù)序列長(zhǎng)度和質(zhì)量來(lái)看明顯優(yōu)于其他站，通過(guò)與代表氣象站相同年份的年最大24小時(shí)降水量作相關(guān)性分析（圖1）表明，二者有較好的相關(guān)性（R=0.68），因此該水文站可作為廠址區(qū)域的“代表水文站”。

圖1　代表氣象站與代表水文站歷年最大24小時(shí)降水相關(guān)關(guān)系圖

1.3代表水文站短歷時(shí)降水特征

表1給出了1953年～2007年代表水文站不同歷時(shí)的最大降水量的極大值、均值和標(biāo)準(zhǔn)差。隨著降水歷時(shí)的延長(zhǎng)，標(biāo)準(zhǔn)差越來(lái)越大，也就是說(shuō)歷時(shí)越短的降水，其量越穩(wěn)定；歷時(shí)越長(zhǎng)的降水，其量變化越大。從均值還可以看出，1h和6h時(shí)段均值有一個(gè)明顯的遞增率變化。

表1　代表水文站不同歷時(shí)最大降水量統(tǒng)計(jì)表

2　可能最大暴雨短歷時(shí)降水的設(shè)計(jì)

可能最大暴雨（PMP）指一年的某一時(shí)期，特定的某設(shè)計(jì)流域上一定歷時(shí)內(nèi)、物理上可能發(fā)生近似上限降水（包括降水總量及其時(shí)空分布），其概率為萬(wàn)年一遇［10］。短歷時(shí)PMP的計(jì)算要先推求廠址區(qū)域24h可能最大暴雨，以及代表水文站各種歷時(shí)萬(wàn)年一遇設(shè)計(jì)暴雨值，然后采用暴雨公式確定暴雨參數(shù)反算短歷時(shí)的PMP。對(duì)于24hPMP，本文采用閩南核電廠區(qū)已有的PMP成果，即萬(wàn)年一遇PMP為1280mm。

2.1設(shè)計(jì)暴雨公式的確定

短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算公式如下［11］：

式中，Sp—雨勢(shì)或雨力，歷時(shí)為1h的雨強(qiáng)，單位mm/h； Xtp—?dú)v時(shí)t的暴雨量，單位mm；t—暴雨歷時(shí)，單位h；n—暴雨遞減指數(shù)。

在我國(guó)大多數(shù)地區(qū)，當(dāng)t=1h和t=6h時(shí)降雨量有轉(zhuǎn)折點(diǎn)［12］，因此，當(dāng)以長(zhǎng)包短、大包小的統(tǒng)計(jì)方式進(jìn)行分析時(shí)，可以概化地分三段擬合以上公式：

2.2不同重現(xiàn)期短歷時(shí)降水量的計(jì)算

分別采用耿貝爾－Ⅰ型極值法和皮爾遜－Ⅲ型法計(jì)算不同頻率不同歷時(shí)的降水量［13］。由表2可以看出，代表水文站不同重現(xiàn)期各種短歷時(shí)降水量皮爾遜—Ⅲ法的計(jì)算結(jié)果比耿貝爾法更保守，且擬合曲線(xiàn)（圖2）比耿貝爾－Ⅰ型（圖略）好，Cs/Cv取值為3.5左右也較為合理，因此，我們將采用皮爾遜—Ⅲ法的計(jì)算結(jié)果確定短歷時(shí)暴雨公式的參數(shù)。

表2　代表水文站短歷時(shí)暴雨頻率計(jì)算結(jié)果

續(xù)表2

圖2　代表水文站短歷時(shí)暴雨皮爾遜—Ⅲ概率計(jì)算適線(xiàn)

2.3暴雨衰減系數(shù)的確定

將表2皮爾遜—Ⅲ法的計(jì)算結(jié)果繪于雙對(duì)數(shù)圖上［14］，分析同一頻率的各點(diǎn)據(jù)的分布及分配情況，然后用多組平行的折線(xiàn)把不同頻率的點(diǎn)據(jù)連起來(lái)，作為各頻率的雨強(qiáng)—頻率—?dú)v時(shí)關(guān)系線(xiàn)，如圖3所示。

由圖3可以知道，曲線(xiàn)明顯分為3段，n值就是圖中各折線(xiàn)段的斜率，計(jì)算結(jié)果列于表3。由表3可見(jiàn)，閩南核電廠區(qū)短歷時(shí)暴雨存在明顯的3個(gè)衰減系數(shù)。如果僅以1h和24h分，那么1h至6h的暴雨強(qiáng)度估算將會(huì)明顯偏小，因此從工程安全角度出發(fā)，應(yīng)采用3段擬合更為合理。

圖3　代表水文站雨強(qiáng)-歷時(shí)-頻率曲線(xiàn)

表3　代表水文站短歷時(shí)暴雨衰減系數(shù)表

2.4短歷時(shí)可能最大暴雨的計(jì)算

由公式（3）～（5），借用代表水文站P=0.01%的暴雨公式參數(shù)，采納24h可能最大暴雨成果X24hPMP=1280mm，推求短歷時(shí)可能最大暴雨（見(jiàn)表4）。

表4　廠址短歷時(shí)計(jì)算結(jié)果

3　短歷時(shí)可能最大暴雨計(jì)算結(jié)果的合理性分析

本文收集了代表水文站年最大短歷時(shí)暴雨資料系列，對(duì)年最大短歷時(shí)暴雨系列進(jìn)行概率計(jì)算，得到不同頻率下各短歷時(shí)的設(shè)計(jì)暴雨量；通過(guò)繪制暴雨－頻率－歷時(shí)曲線(xiàn)分析求出相應(yīng)暴雨參數(shù)；最后根據(jù)可能最大24h暴雨公式求出各短歷時(shí)的可能最大暴雨。

為了驗(yàn)證短歷時(shí)可能最大暴雨計(jì)算結(jié)果的合理性，我們對(duì)福建省出現(xiàn)的三場(chǎng)特大暴雨（即24h最大降水量福鼎沙埕691.8mm、仙游下張隆638.1mm和晉江英林623.5mm，圖4上）和由于臺(tái)風(fēng)所致的短歷時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例（龍王臺(tái)風(fēng)特大暴雨，圖4下）分別做短歷時(shí)雨量分布曲線(xiàn)，由圖4可以看出，各短歷時(shí)最大可能暴雨曲線(xiàn)趨勢(shì)與實(shí)際特大暴雨短歷時(shí)雨量分布趨勢(shì)是一致的，能反映短歷時(shí)可能最大暴雨的分布規(guī)律，且有一定的保守性。

由此說(shuō)明，以上推求的廠址區(qū)域短歷時(shí)暴雨公式能夠較好地反映該地區(qū)的短歷時(shí)暴雨特征，具有一定的代表性和實(shí)用性，成果穩(wěn)定合理。

圖4　福建三場(chǎng)特大暴雨和PMP雨量-歷時(shí)曲線(xiàn)（上圖）、“龍王”臺(tái)風(fēng)特大暴雨和PMP雨量-歷時(shí)曲線(xiàn)（下圖）

4　結(jié)論

通過(guò)分析計(jì)算，得到了閩南核電廠短歷時(shí)暴雨強(qiáng)度的計(jì)算參數(shù)，由此獲得了廠址區(qū)域不同歷時(shí)短歷時(shí)可能最大暴雨量。通過(guò)合理性分析，認(rèn)為所得結(jié)果合理、可靠，可為工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)的參考依據(jù)。

［1］ 國(guó)家安全局政策法規(guī)處.核電安全導(dǎo)則匯編［M］.北京：中國(guó)法制出版社，1991.

［2］ 嚴(yán)洌娜，徐集云，陳勝軍.短歷時(shí)強(qiáng)降水的極值分布與統(tǒng)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算［J］.科技通報(bào)， 2005，21（6）：657-661.

［3］ 余志明.福建省暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)有關(guān)特性分析［J］.水利科技，2001（3）：7-8.

［4］ 朱穎元.城市短歷時(shí)暴雨強(qiáng)度公式參數(shù)率定［J］.福州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2000，28（1）：48-51.

［5］ 朱穎元，王勇.福建省城市短歷時(shí)暴雨頻率分布假設(shè)檢驗(yàn)［J］.福州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2006，34（3）：415-419.

［6］ 劉增基，林新彬，王世德，等.閩南地區(qū)汛期短歷時(shí)降水氣候特征［J］.氣象，1997， 23（8）：50-53.

［7］ 華家鵬，吳艷紅，苗艷紅，等.短歷時(shí)可能最大暴雨的一種計(jì)算方法［J］.水電能源科學(xué)， 2006，24（6）：33-34.

［8］ 史桂珍，邢鳳梅.吉林省短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨分析方法［J］.吉林水利， 2002，238（8）：16-18.

［9］ 鹿世謹(jǐn).福建氣候［M］.北京：氣象出版社， 1999.

［10］ 王國(guó)安.可能最大暴雨和洪水計(jì)算原理與方法［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，1998.

［11］ 郭學(xué)強(qiáng).中山小欖站短歷時(shí)暴雨公式分析［J］.中國(guó)西部科技， 2008，7（16）：31-32.

［12］ 楊遠(yuǎn)東，高秀玲.短歷時(shí)暴雨遞減指數(shù)與等值線(xiàn)圖的編制［J］.水文， 2001，21（6）：29-34.

［13］ 馬開(kāi)玉，丁裕國(guó)，屠其璞，等.氣候統(tǒng)計(jì)原理與方法［M］.北京：氣象出版社，1993.

［14］ 毛慧琴，杜堯東，宋麗莉.廣州短歷時(shí)降水極值概率分布模型研究［J］.氣象，2004，30（10）：3-6.

［15］ 吳瑞欽.九洲江下游地區(qū)短歷時(shí)暴雨公式分析［J］.廣東水利電力，2009，4（4）：59-61.

*注：福建省氣象局開(kāi)放式氣象科學(xué)研究基金項(xiàng)目（2014K03）。