核電廠設(shè)計基準風(fēng)速確定中幾個問題的探討

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（1．環(huán)境保護部核與輻射安全中心，北京100082；2．中國核電工程有限公司，北京，100840）

核電廠設(shè)計基準風(fēng)速確定中幾個問題的探討

王璐1，朱好2，楊宇1，路雨1，紀忠華1，?

（1．環(huán)境保護部核與輻射安全中心，北京100082；2．中國核電工程有限公司，北京，100840）

本文以廣東某核電廠設(shè)計基準風(fēng)速的確定過程為例，通過對不確定因素的深入分析以及校核計算的驗證，探討了設(shè)計基準風(fēng)速確定過程中值得注意的幾個常見問題。根據(jù)法規(guī)對確定核電廠設(shè)計基準的相關(guān)要求，本文對核電廠設(shè)計基準風(fēng)速確定過程中不確定因素的處理提出了建議，并討論了相應(yīng)的取值原則。

核電廠；設(shè)計基準風(fēng)速；特大值；不確定因素

氣象特征是核電廠廠址特征的重要組成部分［1］，其中強風(fēng)的破壞作用是核電廠安全相關(guān)構(gòu)筑物設(shè)計中必須考慮的因素之一［2，3］。核安全相關(guān)的構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要按照相關(guān)規(guī)范的要求，考慮各種荷載效應(yīng)的組合工況進行正常使用極限狀態(tài)和承載力極限狀態(tài)的分析驗算，基本風(fēng)壓荷載作為一種嚴重環(huán)境荷載參與其中多種工況的組合［4，5］。設(shè)計基準風(fēng)速作為基本風(fēng)壓的直接決定因素，其評價結(jié)果的準確性是核安全審評中關(guān)注的重點。

l 概述

我國的核安全導(dǎo)則 《核電廠廠址選擇的極端氣象事件 （不包括熱帶氣旋）》（HAD101／10）［6］對設(shè)計基準風(fēng)速的確定和評價做出了詳細的規(guī)定，主要分為以下四個步驟：（1）數(shù)據(jù)收集：收集廠址區(qū)域內(nèi)具有連續(xù)記錄裝置的氣象站的風(fēng)速記錄，并進行平均時間和統(tǒng)一高度的歸一化處理；（2）數(shù)據(jù)組選擇：將廠址的數(shù)據(jù)和該區(qū)域諸氣象站的數(shù)據(jù)進行比較，選定其中的一個氣象站作為廠址的代表性氣象站，該氣象站最好有30年或更長期氣候時期的數(shù)據(jù)組；（3）統(tǒng)計分析：選擇適合于數(shù)據(jù)組的統(tǒng)計分布函數(shù)；（4）設(shè)計基準值的確定：經(jīng)過統(tǒng)計分析，外推某一平均再現(xiàn)間隔 （重現(xiàn)期）值及其置信區(qū)間，經(jīng)綜合考慮確定其設(shè)計基準值。

設(shè)計基準風(fēng)速評價結(jié)果的準確性受到許多因素的影響。比如，收集的歷史數(shù)據(jù)是否完整、觀測場地周邊是否受到過非自然因素的影響；所選取的氣象站能否代表廠址的情況；選擇的統(tǒng)計分布函數(shù)是否合理等。其中，廠址風(fēng)速替代性資料的使用是否能夠合理地反映廠址地區(qū)的特征是審評中關(guān)注的問題之一。由于核電廠多選擇在人口稀少的濱海地區(qū)，其周邊常常無法找到能完全代表廠址氣象特征且有長期觀測記錄的氣象站，所以，需要將廠址周邊比較有代表性的氣象站的資料經(jīng)過合理地換算到廠址進行使用。HAD101／10［6］中規(guī)定：“在不可能選定一個有代表性的氣象站時，應(yīng)當由有經(jīng)驗的氣象專家在考慮到廠址特性的情況下，從比較有代表性的氣象站得到的數(shù)據(jù)作保守的推斷”。顯然，在這一過程中存在一定的不確定性。因而在核安全審評中，審評者通常會要求申請者對這一不確定性進行適當評估。

美國核管會頒布的 《標準審查大綱》（NUREG-0800）［7］中明確規(guī)定，將百年重現(xiàn)期3 s陣風(fēng)風(fēng)速用于確定核電廠構(gòu)筑物風(fēng)荷載。在我國的核電廠設(shè)計中，也要求至少采用百年一遇極大風(fēng)速 （3 s陣風(fēng)風(fēng)速）作為核電廠設(shè)計基準風(fēng)速［8］。

本文將以廣東某核電廠為例，探討核電廠設(shè)計基準風(fēng)速確定中的不確定因素處理方法及取值原則。

2 資料與方法

2.l風(fēng)速資料

某核電廠位于廣東省沿海，廠址區(qū)背山面海，無長期的氣象觀測站。廠址周邊有陸豐氣象站、汕尾氣象站、遮浪海洋站等。陸豐氣象站與廠址距離為28 km，屬于國家基本站。汕尾氣象站距離廠址約45 km，屬于國家基本站。遮浪海洋站位于廠址西南約27 km。1962年開始觀測波浪。氣象觀測項目包括風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓等參數(shù)。由于陸豐氣象站位置距離海邊較遠，考慮到替代資料的代表性，在確定設(shè)計基準風(fēng)速時主要參考了汕尾氣象站 （見表1）和遮浪海洋站（見表2）的觀測資料。

表l 汕尾氣象站l953～2008歷年最大風(fēng)速 （m·s-l）Table l Annual maximum wind speeds in Shanwei Station during l953～2008（m·s-l）

表2 遮浪站l965～2009歷年最大風(fēng)速 （m·s-l）Table 2 Annual maximum wind speeds in Zhelang Station during l965～2009（m·s-l）

2.2 計算方法

一般來說，在進行核電廠設(shè)計時，會采取至少兩種統(tǒng)計分布函數(shù)對某一平均再現(xiàn)間隔的氣象參數(shù)進行估算。我國普遍采用極值I型 （又稱Gumbel型）分布和皮爾遜III型 （P-III型）分布進行核電廠設(shè)計基準風(fēng)速取值的估算［9］。

2．2．1 Gumbel型分布

Gumbel型分布是極端風(fēng)速、極端溫度等氣象要素推斷中廣泛使用的方法。其概率密度函數(shù)為

其中，a＞0為分布的尺度參數(shù)，u為分布的位置參數(shù)。

2．2．2 Pearson-III型分布

Pearson-III型分布對隨機變量具有廣泛的概括和模擬能力，在氣象、水文上均有廣泛應(yīng)用［10］。其概率密度函數(shù)為

其中，α、β、α0為參數(shù)，Γ（α）是α的伽瑪函數(shù)。三個參數(shù)可分別用下式計算：

3 設(shè)計單位擬采用的兩種思路

3.l思路一

根據(jù)汕尾氣象站1953～2008年（見表1），遮浪海洋站1965～2009年（見表2）10 m高度10 min平均最大風(fēng)速資料，利用Gumbel和P-III型分布函數(shù)進行頻率計算，遮浪海洋站的計算成果顯著大于利用汕尾氣象站的計算成果（見表3）。根據(jù)廠址觀測站與遮浪海洋站同期最大風(fēng)速的對比（見表4），遮浪海洋站的風(fēng)速絕大多數(shù)高于廠址觀測站，直接移用遮浪海洋站的成果作為廠址百年一遇最大風(fēng)速，取值為49．4 m·s-1。

通過表2不難發(fā)現(xiàn)，遮浪海洋站最大風(fēng)速計算成果并未包絡(luò)其歷史上的最大值，即其百年一遇最大風(fēng)速49．4 m/·s-1小于其序列中的極值53．9 m·s-1。

表3 汕尾站、遮浪站l0m高度最大風(fēng)速計算成果（m·s-l）Table 3 Results of maximum wind speeds at l0m height in Shanwei and Zhelang Stations（m·s-l）

表4 遮浪站與廠址站同期最大風(fēng)速比值（2008.ll-20l2.0l）Table 4 The ratio of maximum wind speeds in Zhelang station to those in on-site station during the same period（2008.ll-20l2.0l）

3.2 思路二

考慮直接將歷史極值53．9 m·s-1作為遮浪站百年一遇最大風(fēng)速成果。根據(jù)遮浪和廠址的最大風(fēng)速同期資料對比，遮浪站風(fēng)速明顯大于廠址，遮浪站歷史最大風(fēng)速53．9 m·s-1訂正到廠址20m高度處為49．4 m·s-1（廠址站早期10m高度風(fēng)速受稀疏樹林影響，采用20m高度風(fēng)速與遮浪站進行比較），根據(jù)換算關(guān)系（粗糙度指數(shù)b0值采用0．16）計算得到廠址10 m高度最大風(fēng)速44．2 m·s-1。

4 存在的問題

4.l歷史特大值

遮浪海洋站最大風(fēng)速計算成果并未包絡(luò)其歷史上的最大值，即其百年一遇最大風(fēng)速成果49．4 m·s-1小于其序列中的極值53．9 m·s-1。《核電廠工程氣象技術(shù)規(guī)范》［8］中指出：“對歷史特大風(fēng)應(yīng)進行調(diào)查和考證，分析產(chǎn)生大風(fēng)的背景”。對于核電廠這種對安全有著高度要求的設(shè)施來說，并不能簡單的將其視為離散于頻率曲線之外的一個數(shù)字，應(yīng)當仔細分析該記錄的真實性和可靠性，及其可能對設(shè)計基準產(chǎn)生的影響。

經(jīng)過調(diào)查，遮浪海洋站記錄到的、廠址區(qū)域歷史上最強的這次強風(fēng)天氣過程出現(xiàn)在1979年8月2日，由7908號強臺風(fēng)“荷貝”（HOPE）造成。該臺風(fēng)于1979年7月29日在西太平洋形成，基本穩(wěn)定向西北偏西方向移動，于8月2日下午在深圳登陸，該臺風(fēng)強度大、移速快、破壞性大、影響范圍廣，波及深圳、汕頭、惠陽、佛山、肇慶5個地區(qū)、37縣（市），使沿海許多地方遭到12級以上大風(fēng)的襲擊。在該次臺風(fēng)過程中，汕尾氣象站記錄到10min平均最大風(fēng)速為43．7 m·s-1，遮浪海洋站為53．9 m·s-1。從表1中也可以看出，這次臺風(fēng)不僅創(chuàng)造了遮浪海洋站的“風(fēng)速之最”，同時創(chuàng)造了汕尾氣象站的“風(fēng)速之最”。

既然該特大值記錄是真實可靠的，那么，在進行設(shè)計基準風(fēng)速取值時應(yīng)該完全依賴計算結(jié)果還是應(yīng)該進行更保守的考慮？根據(jù)計算經(jīng)驗，長序列風(fēng)速按降序排列的年大風(fēng)序列中前3個值對50年一遇風(fēng)速值的大小起著決定性影響［11］。雖然“荷貝”造成了廠址地區(qū)年最大風(fēng)速，但由于其遠高于排在第二位的風(fēng)速，在繪制Gumbel頻率曲線或P-III頻率曲線時，該記錄點對50年及更長重現(xiàn)期的極值作用是比較小的?？上攵?，如果再出現(xiàn)1到2個排名前3位的強風(fēng)樣本，計算結(jié)果將有大幅提高。

經(jīng)過增補2010年至2013年遮浪海洋站的年最大風(fēng)速成果（見表5），本文采用Gumbel（如圖1所示）和P-III型（如圖2所示）頻率曲線進行了復(fù)核計算，得到加入增補記錄后的最大風(fēng)速成果（表6）。通過對比表3和表6的相應(yīng)數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)，兩種方法得到的成果均有所提高（表6）。同樣采用矩法進行的P-III頻率計算中，百年一遇的最大風(fēng)速由49．4 m·s-1提高至51．8m·s-1。通過圖1和圖2，我們不難發(fā)現(xiàn)，計算成果的提高很大程度上是由新增的48．6 m·s-1的記錄值造成的。經(jīng)調(diào)查，該大風(fēng)記錄是由2013年“天兔”臺風(fēng)過境造成的。天兔臺風(fēng)于2013年9月22日在廣東省汕尾沿海登陸，登陸時中心氣壓為935 hPa，汕尾氣象站的測風(fēng)儀在臺風(fēng)登陸前被風(fēng)摧毀，沒有記錄到本次臺風(fēng)的最大風(fēng)速。汕尾海洋站記錄到10 m高10 min最大風(fēng)速為25．5 m·s-1，極大風(fēng)速為42．2 m·s-1；遮浪海洋站記錄到10 m高10 min最大風(fēng)速為48．6 m·s-1，極大風(fēng)速60．6 m·s-1。2013年年極端風(fēng)速記錄在遮浪海洋站的風(fēng)速歷史記錄中排在第2位，并且已非常接近極值統(tǒng)計方法得到的成果49．4 m·s-1。雖然“天兔”造成大風(fēng)的記錄和“荷貝”造成的大風(fēng)記錄都離散于頻率曲線之外，但增補了“天兔”臺風(fēng)資料后，不論哪種方法計算的成果都有所提高。

可見，對我國東南沿海等氣象災(zāi)害頻發(fā)地區(qū)，如果直接采用極值統(tǒng)計結(jié)果而不考慮廠址處已出現(xiàn)過的特大值，得到的結(jié)果是不具備保守性的。

表5 遮浪海洋站年最大風(fēng)速（20l0～20l3）（m·s-l）Table 5 Annual maximum wind speeds in Zhelang station（20l0～20l3）（m·s-l）

圖l Gumbel型分布函數(shù)擬合遮浪站最大風(fēng)速結(jié)果Fig.l Diagram for maximum wind speeds in Zhelang Station，fitted by Gumbel distribution function

圖2 Pearson-III型分布函數(shù)擬合遮浪站最大風(fēng)速結(jié)果Fig.2 Diagram for maximum wind speeds in Zhelang Station，fitted by Pearson-III distribution function

表6 遮浪站最大風(fēng)速計算成果（m·s-l）Table 6 Results for maximum wind speeds in Zhelang Station（m·s-l）

如何合理保守地考慮設(shè)計基準風(fēng)速取值呢？本文采用目估適線法對P-III頻率曲線進行了調(diào)整（圖2中淺灰線），結(jié)果顯示，如果曲線去迎合序列中的最大的兩個樣本，勢必會遠離序列中排名3～5位的數(shù)個樣本，得到的成果為五十年一遇最大風(fēng)速52．4 m·s-1，百年一遇最大風(fēng)速58．2 m·s-1。相應(yīng)的極大風(fēng)速分別為77．0 m·s-1和85．6 m·s-1。這個成果比原設(shè)計基準提高很多。而且，采用目估法進行適線時，隨意性較大，客觀性差?？梢姡u價中如果一味迎合最大值，可能造成結(jié)果過于保守，從而增加不必要的工程成本。

按照核安全法規(guī)的相關(guān)要求，在確定核電廠設(shè)計基準時應(yīng)貫徹合理偏保守的原則。本文認為當出現(xiàn)實測值高于百年一遇最大風(fēng)速估算值時，設(shè)計基準風(fēng)速成果應(yīng)至少包絡(luò)實測最大值。對本工程來說，設(shè)計基準風(fēng)速取值不應(yīng)小于實測特大值53．9 m·s-1對應(yīng)的極大風(fēng)速79．2 m·s-1。

4.2 代表性氣象站資料的移用

對于設(shè)計單位的第二思路，本文認為并不符合核安全導(dǎo)則HAD101/10中關(guān)于代表性氣象站資料使用的相關(guān)說明，其估算過程也不能體現(xiàn)保守性。HAD101/10中規(guī)定：“在不可能選定一個有代表性的氣象站時，應(yīng)當由有經(jīng)驗的氣象專家在考慮到廠址的物理特性的情況下，從比較有代表性的氣象站得到的數(shù)據(jù)作保守的推斷”。首先，雖然廠址站20 m高度風(fēng)速和遮浪站10 m高度風(fēng)速的同期數(shù)據(jù)對比的平均結(jié)果顯示前者小于后者，但也有部分樣本顯示前者大于后者。設(shè)計單位選擇樣本的平均比值0．916將遮浪站10 m高度風(fēng)速樣本換算到廠址站20 m高度。而在2008．11～2012．01的34組同期樣本中，有13組樣本的比值大于0．916，最大的一組比值達到1．15，與均值的偏差達到25%?？梢姴捎帽戎?．916將遮浪站風(fēng)速“折減”至廠址20 m高度處并不符合“保守”的原則。其次，我國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》［12］及國際相關(guān)規(guī)范［13］對海岸帶的粗糙度指數(shù)b0的推薦取值均不大于0．12，設(shè)計單位利用粗糙度指數(shù)0．16由廠址20 m高度的風(fēng)速推算10 m高度風(fēng)速，勢必會將10 m高度風(fēng)速的取值進一步減小。綜合上述原因，本文認為將遮浪站的風(fēng)速資料通過平均比值“折減”至廠址的處理方法并不適宜。對本工程來說，本文認為直接使用該氣候區(qū)域內(nèi)同期資料普遍高于廠址的遮浪站的風(fēng)速序列作為廠址處的風(fēng)速樣本是合適的。

5 對核電廠設(shè)計基準風(fēng)速取值原則的思考

5.l偏保守取值，留有安全裕度

核電廠是對建、構(gòu)筑物安全有著高度要求的設(shè)施，確定合理偏保守的設(shè)計基準是必要的。在防護可能的極端自然事件影響方面，日本福島核事故提供了經(jīng)驗與教訓(xùn)。人們更加清晰的認識到比＂可能最大＂更大的自然災(zāi)害是存在的，即存在發(fā)生超過設(shè)計基準的外部事件的可能性［14］。在確定核電廠設(shè)計基準過程中，要考慮可能存在的不確定性，留有適當?shù)陌踩６龋@是合理確定設(shè)計基準所必需要考慮的問題，也是核安全法規(guī)的基本要求。

安全裕度并不意味著將設(shè)計基準無限提高，而是要在對廠址自然條件充分認識的情況下，對各估算環(huán)節(jié)進行偏保守的取值。其目的是使最終的設(shè)計基準在可以預(yù)見的歷史時期內(nèi)滿足核電廠安全的需要。目前核電廠的壽期大約為40至60年，還要考慮延壽的可能性，因此，要保證其在建設(shè)期間、運行期間及退役期間的安全，就要在確定設(shè)計基準時以發(fā)展的、長遠的眼光看待問題，考慮氣候變化趨勢，在確定設(shè)計基準參數(shù)或事件時留有安全裕度。這就要求我們在進行設(shè)計基準估算時，不能只從數(shù)學(xué)方法的客觀性上考慮問題，還要充分考慮區(qū)域內(nèi)極端事件發(fā)生的實際情況以及所確定的設(shè)計基準的合理性，進行合理、偏保守的估計。

5.2 包絡(luò)已發(fā)生的極端事件

如果說“荷貝”造成的特大值還讓我們對該極端事件的重現(xiàn)期有所顧慮，那么“天兔”＂的出現(xiàn)無疑讓我們重新審視利用概率方法估算外部事件設(shè)計基準的保守性。利用概率論法估算外部自然事件的設(shè)計基準，一個很關(guān)鍵的因素就是樣本數(shù)量。一般來說，對于同一個平均再現(xiàn)時間間隔的成果，樣本序列越長，得到的成果越可靠。而我們實際工作中，往往要用30年的歷史資料外推百年重現(xiàn)期，甚至千年重現(xiàn)期的成果，這就要求我們在確定各項設(shè)計基準，特別是外部自然事件的設(shè)計基準時不僅要通過客觀的數(shù)學(xué)計算，更要全面而充分的考慮廠址區(qū)域?qū)嶋H發(fā)生過的極端自然事件。對于核電廠設(shè)計基準風(fēng)速取值來說，應(yīng)至少包絡(luò)實測風(fēng)速最大值對應(yīng)的3 s陣風(fēng)風(fēng)速。

5.3 重視新增極端事件，及時復(fù)核設(shè)計基準

在全球氣候變化的背景下，影響我國的極端氣象事件頻率和強度也將有所變化。例如，已有研究表明未來西北太平洋的強臺風(fēng)和超強臺風(fēng)的爆發(fā)頻率有升高的趨勢［15］。營運單位應(yīng)隨時關(guān)注影響廠址的極端氣象事件，當廠址區(qū)域新增了強度較大的（位于樣本序列前列的）極端事件后，相關(guān)營運單位應(yīng)及時開展調(diào)查，復(fù)核設(shè)計基準成果。如復(fù)核成果高于原成果，應(yīng)對電廠內(nèi)相關(guān)設(shè)備和構(gòu)筑物抵御極端自然災(zāi)害的能力進行校核。如有必要，須及時升級應(yīng)急預(yù)案，并采取相應(yīng)改進措施，以保證核電廠運行安全。對于該廠址的新建機組，則應(yīng)采用新的、更為保守的設(shè)計基準進行設(shè)計。

［1］國家核安全局．HAF101核電廠廠址選擇安全規(guī)定［S］．北京：國家核安全局，1991．

［2］國家核安全局．HAF102核動力廠設(shè)計安全規(guī)定［S］．北京：國家核安全局，2004．

［3］張?zhí)熳＃穗姀S設(shè)計基準風(fēng)速若干問題的探討［J］．核安全，2004（3）：32-34．

［4］國家能源局．NB/T 20105核電廠廠房設(shè)計荷載規(guī)范［S］．北京：國家能源局，2012．

［5］國家能源局．NB/T 20012壓水堆核電廠核安全有關(guān)的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計要求［S］．2010．

［6］國家核安全局．HAD101/10核電廠廠址選擇的極端氣象事件（不包括熱帶氣旋）［S］．北京：中國法制出版社，1991．

［7］US NRC．Standard Review Plan（NUREG-0800）［S］．Washington DC：U．S．Nuclear Regulatory Commission，2007．

［8］中國電力企業(yè)聯(lián)合會．GB/T 50674-2013核電廠工程氣象技術(shù)規(guī)范［S］．北京：中國計劃出版社，2013．

［9］姜海梅，劉新建，邱林，等．極值分布函數(shù)在核電廠設(shè)計基準氣象參數(shù)中的應(yīng)用［J］．輻射防護，2014，34（4）：224 -233．

［10］胡毅，李萍，楊建功，等．應(yīng)用氣象學(xué)（第二版）［M］．北京：氣象出版社，2005．

［11］高梓淇，張秀芝，孫即霖．五十年一遇最大風(fēng)速計算方法比較［J］．風(fēng)能，2014（4）：70-75．

［12］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．GB50009-2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012．

［13］李興凱，王堯，丘海珊．國際電力工程中不同標準的設(shè)計風(fēng)速計算方法［J］．電力建設(shè)，2012，33（8）：44-48．

［14］潘蓉，孫鋒，張慶華．核安全監(jiān)管中關(guān)于構(gòu)筑物安全的3個問題討論［J］．核安全，2013，12（A01）：81-87．

［15］IPCC．Climate Change 2013-the Physical Science Basis［M］．Cambridge，United Kingdom：Cambridge University Press，2013：124．

The Discussion of Several Problems in Evaluation of Design Basis Wind Speeds of Nuclear Power Plants

Wang Lu1，Zhu Hao2，Yang Yu1，Lu Yu1，Ji Zhonghua1
（1．Nuclear and Radiation Safety Center，Beijing，China；2．China Nuclear Power Engineering Co．，Ltd．，Beijing，China）

By the example of the design basis value of wind speeds for a nuclear power plant in Guangdong Province，through the uncertainties analysisand calculation verification，several problems deserving attention during the evaluationprocess of design basis wind speed value are discussed．In accordance with the regulatory requirements ofthe evaluationof nuclear power plant design basis，suggestion of uncertainty handlingduring the evaluation of nuclear power plant design basis wind speedsare made，and the principles during this processare discussed．

Nuclear Power Plants；Design Basis Wind Speeds；Extraordinary Value；uncertain factor

P49

：A

：1672-5360（2016）04-0089-06

2016-09-02

2016-10-13

科技部國家軟科學(xué)研究計劃，項目編號2013GXS4B075；環(huán)保部公益性行業(yè)科研專項，項目編號201309056；環(huán)保部核與輻射安全中心青年科技工作者基金

王 璐 （1982—），女，山東青島人，高級工程師／博士，現(xiàn)主要從事核設(shè)施廠址氣象特征及危險性評價研究工作

?通訊作者：紀忠華，E-mail：jizhonghua＠chinansc．cn