我國(guó)濱海核電站防護(hù)工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)研究

劉德輔，史宏達(dá)，劉桂林，王風(fēng)清

(中國(guó)海洋大學(xué)，山東 青島 266003)

我國(guó)濱海核電站防護(hù)工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)研究

劉德輔，史宏達(dá)，劉桂林，王風(fēng)清

(中國(guó)海洋大學(xué)，山東 青島 266003)

面對(duì)全球極端氣候頻發(fā)的趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)外核電站海岸防護(hù)工程普遍采用“可能最大臺(tái)風(fēng)暴潮”、“設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水”等具有含混性的規(guī)定作為確定防災(zāi)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)，其內(nèi)涵的各種不確定性因素必然會(huì)對(duì)防災(zāi)決策帶來(lái)重大的致災(zāi)隱患。按照國(guó)務(wù)院核電站安全規(guī)劃(2011-2020)提出的“必須按照全球最高安全要求”，全面開(kāi)展濱海核電站防護(hù)工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)研究己勢(shì)在必行。使用多維復(fù)合極值分布理論及雙層嵌套多目標(biāo)聯(lián)合概率模式，將核電站水文與氣象的研究標(biāo)準(zhǔn)合二為一，對(duì)IAEA及我國(guó)濱海核電站防護(hù)工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，供有關(guān)部門(mén)參考。

濱海核電站；防護(hù)工程；設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水；多維復(fù)合極值分布；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

Abstract: With the tendency of increasing extreme natural hazards, the typhoon, hurricane, and tropical cyclone induced surges, waves and rainstorms menace Nuclear Power Plants (NPP) in coastal areas. National Nuclear Safety Administration of China and International Atomic Energy Agency (IAEA) have recommended safety regulations for NPP site evaluation installation and coastal defence infrastructures. These standards include Probable Maximum Hurricane /Typhoon (PMH/T), Probable Maximum Storm Surge (PMSS), Probable Maximum Flood (PMF) as well as Design Basis Flood (DBF). According to the 2011-2020 safety planning of China State Council for nuclear power plants, it is necessary to do a comprehensive research on design standards for protective engineering and structural technology of the NPP based on the world’s highest safety requirements. This paper discusses the joint probability analysis of meteorological and oceanographic factors based on our proposed Compound Extreme Value Distribution (CEVD), Multivariate Compound Extreme Value Distribution (MCEVD), and Double Layer Nested Multi-Objective Probability Model (DLNMOPM), and ours are compared with IAEA recommended safety regulation design criteria for NPP coastal defence infrastructures in China.

Keywords: nuclear power plants; protection engineering; design standard; design basic floods; multivariate compound extreme value distribution; risk assessment

隨著全球氣候變暖和海平面上升等因素加劇的趨勢(shì)，臺(tái)風(fēng)、巨浪、風(fēng)暴潮、暴雨和洪災(zāi)等已成為影響濱海核電站防護(hù)工程安全的重大問(wèn)題。日本核電災(zāi)害發(fā)生后，許多學(xué)者對(duì)地震-海嘯的研究表明：當(dāng)Manila和Rykyu海溝發(fā)生9級(jí)地震時(shí)，對(duì)我國(guó)東南沿海誘發(fā)的海嘯巨浪不超過(guò)6 m[1]。世界氣象組織指出：百分之九十的自然災(zāi)害為極端氣象災(zāi)害，例如臺(tái)風(fēng)、颶風(fēng)和熱帶風(fēng)暴災(zāi)害。臺(tái)風(fēng)是威脅我國(guó)濱海核電站的最重要致災(zāi)因素。研究臺(tái)風(fēng)、巨浪、風(fēng)暴增水、暴雨、洪水及其與天文大潮組合的小概率極端事件發(fā)生的可能性非常必要。2006年桑美臺(tái)風(fēng)誘發(fā)的7 m巨浪和3.8 m風(fēng)暴增水造成沙埕港千艘船只毀壞和多人死亡。如果臺(tái)風(fēng)延后兩小時(shí)登陸，則恰逢天文大潮，這種“三碰頭”的組合，可完全淹沒(méi)包括核電站在內(nèi)的福建和浙江大部分土地，其災(zāi)難性后果難以估量。雖然這屬于小概率極端事件，但是這類事件的發(fā)生是完全可能的。因此，按照國(guó)務(wù)院核電站安全規(guī)劃(2011-2020)提出的“必須按照全球最高安全要求”，全面開(kāi)展濱海核電站防護(hù)工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)研究己勢(shì)在必行。必須重新檢驗(yàn)核電站防護(hù)工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)對(duì)各種極端自然災(zāi)害的可靠性。目前我國(guó)濱海核電站設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水位的計(jì)算分析以確定論方法為主，以“10%超過(guò)概率天文高潮位+可能最大風(fēng)暴潮增水及百年一遇波高”的組合作為防護(hù)工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。但是，在計(jì)算防護(hù)工程標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，我國(guó)核電站有關(guān)規(guī)范的“可能最大風(fēng)暴潮增水”、“設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水”(DBF)、IAEA2006-2009和U.S.NRC 2011在新的安全規(guī)程中提出的“風(fēng)暴潮、天文潮和巨浪的組合”[2-8]內(nèi)涵各種不確定性因素，這些不確定性因素必然會(huì)對(duì)防災(zāi)措施的決策帶來(lái)重大的致災(zāi)隱患。因此，在港口、海岸、近海及河口城市防護(hù)工程的設(shè)計(jì)中，由于概率統(tǒng)計(jì)理論和方法上的限制，無(wú)法考慮惡劣環(huán)境條件下多種荷載共同作用的問(wèn)題必須得到妥善解決。

1 復(fù)合極值分布理論(CEVD)及多維復(fù)合極值分布理論(MCEVD)的建立

國(guó)內(nèi)外慣用年極值系列按照某種概率模式(如P-Ⅲ型、Gumbel，Weibull分布)外延推求不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)值。但這種作法存在的弊端——遺漏了每年各次臺(tái)風(fēng)致災(zāi)因素提供的重要信息，影響到概率預(yù)測(cè)結(jié)果的置信度。考慮到臺(tái)風(fēng)影響不同海區(qū)每年出現(xiàn)的頻次各不相同，可用離散型隨機(jī)變量及相應(yīng)的離散型概率分布表示；而臺(tái)風(fēng)誘發(fā)的致災(zāi)因素(風(fēng)速、增水、波高等)，則可用連續(xù)型極值分布表示。二者的組合在順序統(tǒng)計(jì)學(xué)和測(cè)度論的理論基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可構(gòu)成一種新的極值分布模式——復(fù)合極值分布(compound extreme value distribution，簡(jiǎn)稱CEVD)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果，臺(tái)風(fēng)(颶風(fēng))影響各海區(qū)的頻次符合Poisson分布，臺(tái)風(fēng)(颶風(fēng))波浪的不同特征，可分別采用Gumbel和Weibull分布，則可構(gòu)成Poisson-Gumbel CEVD分布(用于我國(guó)臺(tái)風(fēng)影響海域)[9]和Poisson-Weibull CEVD分布(用于美國(guó)墨西哥灣和大西洋沿岸)[10]。

近年來(lái)，CEVD完成了從一維拓寬到多維復(fù)合極值分布(multivariate compound extreme value distribution，簡(jiǎn)稱MCEVD)的理論推導(dǎo)和相應(yīng)工程應(yīng)用。2005年美國(guó)Katrina颶風(fēng)對(duì)新奧爾良的毀滅性破壞，進(jìn)一步驗(yàn)證了CEVD模式應(yīng)用于颶風(fēng)概率預(yù)測(cè)結(jié)果的正確性[11-17]。2006年有關(guān)文獻(xiàn)[18-19]在重要國(guó)際會(huì)議和刊物公開(kāi)發(fā)表后，得到了國(guó)際學(xué)術(shù)界的高度評(píng)價(jià)。2008年交通部在國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“海港水文規(guī)范”(JTJ213-98)修訂稿中，正式采用了“復(fù)合極值分布理論”作為設(shè)計(jì)波高概率預(yù)測(cè)的理論和方法，首次取代了該國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中持續(xù)使用近四十年的P-Ⅲ型曲線。2008年美國(guó)佛羅里達(dá)國(guó)際颶風(fēng)研究中心在海岸防護(hù)颶風(fēng)災(zāi)害工程設(shè)計(jì)中，引用文獻(xiàn)[9-10,19-20]作為防護(hù)颶風(fēng)災(zāi)害設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)[21]。多年來(lái)MCEVD用于城市防災(zāi)、三峽防洪、防災(zāi)區(qū)劃、奧帆工程、海洋平臺(tái)和濱海核電站防護(hù)工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)險(xiǎn)分析以及暴雨，洪水誘發(fā)滑坡、泥石流等致災(zāi)因素概率預(yù)測(cè)研究成果[22-34]；有關(guān)內(nèi)容被美國(guó)NOVA科學(xué)出版社收錄在《Natural Disasters: Prevention, Risk Factors and Mitigation》一書(shū)的第一章“Typhoon/Hurricane/Tropical Cyclone Disasters: Prediction, Prevention and Mitigation”中[35]；2015年美國(guó)NOVA科學(xué)出版社再次將有關(guān)內(nèi)容收錄在學(xué)術(shù)專著《Risk Assessment for Nuclear Power Plants against Natural Disasters: Probability Prediction and Disaster Prevention Infrastructures》中[36]。

2 預(yù)測(cè)結(jié)果比較

2005年美國(guó)發(fā)生的Katrina颶風(fēng)重災(zāi)，導(dǎo)致新奧爾良市毀滅性破壞，1 800人死亡，800億美元經(jīng)濟(jì)損失。這次颶風(fēng)的強(qiáng)度和特征，符合1982年使用復(fù)合極值分布理論模式預(yù)測(cè)結(jié)果[10](表1)，顯示2005災(zāi)后使用MCEVD復(fù)核結(jié)果的合理性[20,37]；同時(shí)也表明美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)制訂的上述海區(qū)防災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)的可能最大颶風(fēng)(PMH)和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)颶風(fēng)(SPH)過(guò)低，相關(guān)文獻(xiàn)[38-39]也得到相同的結(jié)果。

2012年10月30-31日桑迪颶風(fēng)造成堤壩沖毀，特拉華州、新澤西州及紐約周邊大面積淹沒(méi)，大量人員傷亡，數(shù)百億美元經(jīng)濟(jì)損失，再次表明傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和工程結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)過(guò)低，我們對(duì)上述海區(qū)颶風(fēng)強(qiáng)度預(yù)測(cè)成果再次得到證實(shí)[10]。

使用2002年以來(lái)新開(kāi)發(fā)的 MCEVD分析颶風(fēng)及其誘發(fā)的極端風(fēng)速的預(yù)測(cè)值明顯高于2005年以前美國(guó)不同學(xué)者公開(kāi)發(fā)表對(duì)上述海域預(yù)測(cè)成果(圖1)。同時(shí)，MCEVD的預(yù)測(cè)結(jié)果還顯示，重現(xiàn)期100年一遇的風(fēng)速在3區(qū)(新奧爾良區(qū))的預(yù)測(cè)值與2005卡特里娜颶風(fēng)狀況相近，明顯高于設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)；8-9區(qū)(新澤西，紐約沿岸)的預(yù)測(cè)值則與2012年桑迪颶風(fēng)最大風(fēng)速相近(表2)。

表1 墨西哥灣A區(qū)卡特里娜颶風(fēng)強(qiáng)度概率分析Tab. 1 Probability analysis for hurricane Katrina in Gulf of Mexico area A

表2 不同方法預(yù)測(cè)結(jié)果比較Tab. 2 Predicted results by different models

圖1 100年一遇的極端風(fēng)速概率預(yù)測(cè)Fig. 1 Predicted 100 a return value of extreme wind velocities

圖2 美國(guó)大西洋沿岸各區(qū)不同重現(xiàn)期風(fēng)暴潮增水預(yù)測(cè)結(jié)果Fig. 2 1982 predicted storm surges with different return periods in US Atlantic areas

如圖2所示，1982年預(yù)測(cè)的費(fèi)城周邊(圖中虛線)100年一遇風(fēng)暴潮增水為3.048 m，與2012年10月30日8時(shí)06分桑迪颶風(fēng)造成的費(fèi)城周邊3.237 m的實(shí)測(cè)水位相當(dāng)，而美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)對(duì)該區(qū)的預(yù)測(cè)值僅為2.292 m。

2013年臺(tái)風(fēng)菲特帶來(lái)重大經(jīng)濟(jì)損失，浙江、上海多處出現(xiàn)超警戒水位洪水，多處防護(hù)工程倒塌。以臺(tái)風(fēng)菲特對(duì)上海影響為例(如表3所示)，考慮臺(tái)風(fēng)暴潮、暴雨洪水與天文大潮的組合，2006年使用MCEVD計(jì)算的100年一遇預(yù)測(cè)結(jié)果，已大大超過(guò)上海防護(hù)工程500年一遇超警戒水位設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。2013年10月8日，受天文大潮頂托、上游洪水下泄、本地大暴雨和臺(tái)風(fēng)暴潮的共同影響，黃浦江沿線水位迅速上漲，下午2時(shí)05分，吳淞口實(shí)測(cè)水位達(dá)5.15 m，超過(guò)警戒水位0.35 m，僅達(dá)到MCEVD計(jì)算的60年一遇預(yù)測(cè)值[36-37，40-42]。

表3 考慮臺(tái)風(fēng)暴潮，暴雨洪水與天文大潮使用MCEVD和傳統(tǒng)外延法預(yù)測(cè)結(jié)果比較Tab. 3 Comparison between MCEVD predicted combined storm surge, flood and spring tide with traditional method

注：*代表傳統(tǒng)規(guī)范外延法預(yù)測(cè)結(jié)果。

3 使用CEVD進(jìn)行濱海核電站防洪裕度分析

為了彌補(bǔ)用年極值系列按照某種概率模式外延推求不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)值作法存在的遺漏每年各次臺(tái)風(fēng)波浪提供的重要信息的弊端，CEVD模式將臺(tái)風(fēng)每年影響不同海區(qū)的頻次作為一組離散型隨機(jī)變量引入模型，增加了可利用的資料信息；同時(shí)研究P-III、Gumbel及其與CEVD 對(duì)超低概率極值的擬合能力以及置信度水平的對(duì)比，以保證濱海核電站防洪安全裕度評(píng)估的正確性。

圖3 三種分布的擬合平均差v對(duì)比圖Fig. 3 Comparison between three models calculated v

為驗(yàn)證CEVD理論預(yù)測(cè)結(jié)果的正確性和可靠性，我們使用濱海核電站周邊長(zhǎng)期實(shí)測(cè)資料，對(duì)Gumbel，P-Ⅲ和CEVD分布的擬合最大偏差Dn，平均差v，標(biāo)準(zhǔn)差d，不同重現(xiàn)期概率預(yù)測(cè)值置信區(qū)間ΔH進(jìn)行了比較。將中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所提供的大鵬灣1951-2002實(shí)測(cè)(缺測(cè)部分為后報(bào))近岸風(fēng)、浪資料，分別按各20年為一組進(jìn)行滑動(dòng)取樣，對(duì)Gumbel，P-Ⅲ和CEVD分布的擬合優(yōu)度，按擬合最大偏差Dn，擬合平均差v和擬合標(biāo)準(zhǔn)差d進(jìn)行比較，比較結(jié)果如圖3及表4所示。有關(guān)統(tǒng)計(jì)特征及擬合優(yōu)度說(shuō)明，詳見(jiàn)文獻(xiàn)[35,43]。

表4 三種分布擬合優(yōu)度參數(shù)及其變化范圍Tab. 4 Relative differences of predicted returns value between three models

由表4和圖3所示，無(wú)論是擬合最大偏差Dn，還是擬合平均差v和擬合標(biāo)準(zhǔn)差d，CEVD的擬合偏差數(shù)均小于P-III分布和Gumbel分布。

表5 大鵬灣不同重現(xiàn)期概率預(yù)測(cè)值及置信區(qū)間ΔH對(duì)比計(jì)算結(jié)果Tab. 5 Comparison between predicted return values with confidence intervals by three models

表5所示P-III、Gumbel以及其與CEVD對(duì)超低概率極值的擬合能力以及置信度水平的對(duì)比表明：CEVD是迄今為止可保證濱海核電站防洪安全裕度評(píng)估正確性的模式。

4 濱海核電站防護(hù)工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)地構(gòu)建

目前國(guó)際上多要素聯(lián)合概率理論研究(如Copula理論等)都建立在年極值取樣或過(guò)閾取樣(POT)的基礎(chǔ)上，但年極值取樣遺漏了每年臺(tái)風(fēng)誘發(fā)的暴潮、波浪等要素的大量信息；POT取樣聯(lián)合概率則無(wú)理論依據(jù)[25,44-45]。多維復(fù)合極值分布理論(MCEVD)將極值過(guò)程取樣與聯(lián)合概率結(jié)合起來(lái)，增加了資料信息，縮小了概率預(yù)測(cè)的誤差范圍。既可滿足特大值的概率預(yù)測(cè)，又可進(jìn)行多種致災(zāi)因素聯(lián)合出現(xiàn)的概率預(yù)測(cè)。美國(guó)學(xué)者在《美國(guó)洪水概率分析總結(jié)》中引用了復(fù)合極值分布理論并指出“把事件取樣(過(guò)程取樣)和聯(lián)合概率結(jié)合起來(lái)，將大大推動(dòng)特大洪水概率預(yù)測(cè)的發(fā)展”[11]。MCEVD正是迄今為止能滿足這種期待的唯一理論模式，現(xiàn)已在多種工程應(yīng)用中得到證實(shí)。MCEVD模式簡(jiǎn)介如下：

每年的臺(tái)風(fēng)頻次λ符合泊松分布：

MCEVD可表示為：

相應(yīng)的概率密度函數(shù)為：

為解決MCEVD的理論解法，引入三元嵌套Logistic模型[46]，其一般表達(dá)式為

由此可得應(yīng)用于實(shí)際計(jì)算的“泊松嵌套邏輯三維復(fù)合極值分布”(poisson nested logistic tri-variant compound extreme value distribution，簡(jiǎn)稱PNLTCEVD)：

其中，ξj，μj，σj分別為xj(j=1,2,3)的邊緣分布的形狀參數(shù)、位置參數(shù)和尺度參數(shù)。通過(guò)矩估計(jì)法，得到相關(guān)參數(shù)α,β的顯式表達(dá)式：

式中：ri,j為一般的線性相關(guān)系數(shù)，i

PNLTCEVD成為顯式形式，通過(guò)對(duì)邊緣分布參數(shù)和相關(guān)參數(shù)的分別估計(jì)，可確定該模型的具體表達(dá)式。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用方便，考慮了三種環(huán)境荷載下的最不利遭遇組合，同時(shí)涉及兩個(gè)相關(guān)參數(shù)，含概了變量之間相關(guān)的不對(duì)稱性。三個(gè)變量的分層結(jié)構(gòu)(α為外層，β為內(nèi)層)表明x1，x2之間比x1，x3和x2，x3之間有著更強(qiáng)的相關(guān)性。

上述理論解法及相應(yīng)的隨機(jī)模擬計(jì)算軟件，在國(guó)內(nèi)外尚無(wú)先例。只需輸入臺(tái)風(fēng)特征、各種致災(zāi)因素，進(jìn)行邊緣分布分析，統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，即可使用相應(yīng)軟件進(jìn)行臺(tái)風(fēng)災(zāi)害概率預(yù)測(cè)[20,37]。

4.1臺(tái)風(fēng)特征的長(zhǎng)期聯(lián)合概率預(yù)測(cè)

由于每年臺(tái)風(fēng)頻次、路徑各不相同，在其形成、發(fā)展、登陸和消亡過(guò)程中，臺(tái)風(fēng)各種特征也不斷變化，以致在我國(guó)沿海和內(nèi)陸不同區(qū)域的臺(tái)風(fēng)特征組合也差異甚大。這些特征與致災(zāi)強(qiáng)度和后果都有直接關(guān)系。因此，研究不同區(qū)域臺(tái)風(fēng)特征組合及其相應(yīng)后果分析，是臺(tái)風(fēng)災(zāi)害區(qū)劃的重要組成部分。臺(tái)風(fēng)特征大多采用中心氣壓差(ΔP)、最大風(fēng)速半徑(Rmax)、臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度(s)、臺(tái)風(fēng)中心與影響區(qū)域最小距離(δ)和臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向角(θ)五種變量表示。復(fù)合極值分布理論的特點(diǎn)，在于將臺(tái)風(fēng)影響各區(qū)域的頻次(λ)作為一種離散型隨機(jī)量考慮。鑒于1975年尼娜臺(tái)風(fēng)在福建登陸，經(jīng)歷108個(gè)小時(shí)北上至河南省，導(dǎo)致暴雨—洪水巨災(zāi)，造成大量人員傷亡的悲劇，以及2006年碧利斯臺(tái)風(fēng)登陸后持續(xù)在內(nèi)陸各省造成的傷亡，本模式將臺(tái)風(fēng)登陸至消亡的歷時(shí)(t)也作為一種臺(tái)風(fēng)特征進(jìn)行研究。對(duì)一種離散型分布(λ)和六種連續(xù)型分布的多維聯(lián)合概率研究，用多維復(fù)合極值分布理論的隨機(jī)模擬求解法，是可行的[35]。

4.2臺(tái)風(fēng)誘發(fā)不同致災(zāi)因素組合的聯(lián)合概率預(yù)測(cè)

核電站防護(hù)設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估程序如圖4所示。圖4中(b)、(c)分別為以隨機(jī)-數(shù)值模型計(jì)算建立的資料系列及觀測(cè)資料系列，對(duì)不同臺(tái)風(fēng)特征組合以及不同的核電站地理位置，分別對(duì)不同致災(zāi)控制因素(第一位)進(jìn)行聯(lián)合概率預(yù)測(cè)[20]。在臺(tái)風(fēng)誘發(fā)風(fēng)暴潮、巨浪及相應(yīng)天文大潮以及暴雨、大風(fēng)等致災(zāi)因素的聯(lián)合概率預(yù)測(cè)中，引入整體不確定性，整體敏感性分析(GUA,GUA)[47]，在輸入-輸出過(guò)程中，反復(fù)調(diào)整輸入值，計(jì)算其對(duì)輸出的敏感程度，選擇最不利的組合，進(jìn)行聯(lián)合概率預(yù)測(cè)，作為設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)(圖5)。

圖4 核電站防護(hù)設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估Fig. 4 Safety analysis of disaster prevention infrastructures for nuclear power plants

4.3海岸帶防護(hù)工程結(jié)構(gòu)的可靠度分析

按可接受風(fēng)險(xiǎn)分析原則(ALARP)進(jìn)行防護(hù)工程結(jié)構(gòu)可靠度分析(圖4(d))。

按照國(guó)際上廣泛采用的ALARP準(zhǔn)則(as low as reasonable practice)[48]，結(jié)構(gòu)失效概率高于10-3為不可接受風(fēng)險(xiǎn)，低于10-7為可接受風(fēng)險(xiǎn)。使用多維復(fù)合極值分布理論的隨機(jī)模擬求解法；針對(duì)防護(hù)工程結(jié)構(gòu)特征，對(duì)防護(hù)工程結(jié)構(gòu)抗力因素及風(fēng)、浪、潮、流等外荷，使用多維復(fù)合極值分布理論的隨機(jī)模擬求解法，對(duì)海洋平臺(tái)，核電站進(jìn)行防護(hù)工程結(jié)構(gòu)失效概率分析[30-32]。同樣也可用于越浪程度的分析，以保證其它工程結(jié)構(gòu)的安全[27-29]。

圖5 引入整體不確定性，整體敏感性分析(GUA,GUA)的聯(lián)合概率分析Fig. 5 Joint probability prediction with Global Uncertainty Analysis (GUA) and Global Sensitivity Analysis (GSA)

5 南海嶺澳核電站防護(hù)工程設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)險(xiǎn)分析

嶺澳核電站位于南海濱。海岸帶臺(tái)風(fēng)誘發(fā)風(fēng)暴潮、巨浪與伴生的天文大潮“三碰頭”為主要致災(zāi)因素，在模型計(jì)算中對(duì)輸入—輸出體系引入整體不確定性(GUA)、整體敏感性(GSA)反復(fù)分析表明，臺(tái)風(fēng)誘發(fā)巨浪為致災(zāi)控制因素。按圖4所示程序計(jì)算如下。

5.1輸入因素不確定性分析

1) 天文大潮不確定性分析。通過(guò)調(diào)和分析和統(tǒng)計(jì)分析表明，每年的調(diào)和常數(shù)和平均水位都是不同，25年的調(diào)和常數(shù)和年平均水位進(jìn)行不確定性和敏感性分析表明，調(diào)和常數(shù)和年平均海平面的變化每年不同，分別計(jì)算其平均值μ，均方差σ及變異系數(shù)COV[49]。

調(diào)和常數(shù)不確定性：

μ=166.65；σ=0.88；COV1=σ/μ=0.005 3

平均海平面不確定性：

μ=4.80；σ=3.96；COV2=σ/μ=0.825 6

天文大潮不確定性：

COV=(COV12+COV22)1/2=0.825

2)極值波高概率預(yù)測(cè)不確定性分析[44]

概率預(yù)測(cè)模式不確定性：COV1=0.08

取樣不確定性：COV2=0.09

統(tǒng)計(jì)不確定性：COV3=0.10

極值波高概率預(yù)測(cè)總體不確定性：COV=(COV12+COV22+COV32)1/2=0.156

3)置信區(qū)間估計(jì)公式[50]

Hp=b+eβ=φ(β)

而

故

ΔHp即為相應(yīng)某種重現(xiàn)值Hp的置信區(qū)間半長(zhǎng)公式，置信區(qū)間(置信概率68.27%)為：

HT+ΔHT,HT-ΔHT

5.2南海海區(qū)臺(tái)風(fēng)概率特征分析

南海海區(qū)臺(tái)風(fēng)各參數(shù)符合的概率分布和概率特征參數(shù)、分布參數(shù)如表6所示。

表6 南海海岸帶臺(tái)風(fēng)概率特征Tab. 6 Marginal distribution of typhoon characters for South China Sea

5.3臺(tái)風(fēng)特征統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)

臺(tái)風(fēng)特征統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)圖如圖6(a)～圖6(e)所示。

圖6 臺(tái)風(fēng)特征統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)圖Fig. 6 Statistical test chart of typhoon characteristics

5.4臺(tái)風(fēng)誘發(fā)暴潮、巨浪與伴生的天文大潮統(tǒng)計(jì)分布診斷檢驗(yàn)

臺(tái)風(fēng)誘發(fā)暴潮、巨浪與伴生的天文大潮統(tǒng)計(jì)分布診斷檢驗(yàn)，如圖7～圖9所示。各圖中圓點(diǎn)為實(shí)測(cè)資料點(diǎn)，實(shí)線為模型曲線；圖(c)中外圍兩條曲線為模型95%置信區(qū)間。

按照表5及圖6、圖7中的臺(tái)風(fēng)特征概率統(tǒng)計(jì)分析，可使用基于MCEVD的隨機(jī)模擬技術(shù)求解不同海區(qū)臺(tái)風(fēng)致災(zāi)因素的各種組合。經(jīng)過(guò)圖7～圖9的臺(tái)風(fēng)誘發(fā)巨浪、暴潮及相應(yīng)天文大潮的統(tǒng)計(jì)分布診斷檢驗(yàn)，使用PNLTCEVD相應(yīng)的公式和軟件，即可獲得表7所示嶺澳核電站海區(qū)以巨浪為致災(zāi)控制因素的極端荷載組合，從而可對(duì)核安全規(guī)范制定的防護(hù)工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

圖7 臺(tái)風(fēng)暴潮診斷檢驗(yàn)圖Fig. 7 Distribution diagnostic testing of storm surge

圖8 天文大潮診斷檢驗(yàn)圖Fig. 8 Distribution diagnostic testing of spring tide

圖9 波高診斷檢驗(yàn)圖Fig. 9 Distribution diagnostic testing of wave height

特征值重現(xiàn)期/a1005001000風(fēng)暴增水/m2．79+0．513．49+0．713．85+0．80天文大潮/m2．14+0．302．19+0．352．75+0．46波高/m6．6+0．37．3+0．67．9+0．8

該核電站按HAF0100規(guī)范的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為[51]：

1)“設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水”(DBF)=可能最大臺(tái)風(fēng)暴潮+天文大潮=6.35 m；

2)相應(yīng)最大波高=6.6 m。

雙層嵌套多目標(biāo)聯(lián)合概率模式計(jì)算結(jié)果為：

1)500年聯(lián)合重現(xiàn)期最大臺(tái)風(fēng)暴潮，天文大潮為4.20+2.54=6.74 m；

2)相應(yīng)最大波高為7.9 m。

圖10 天文大潮和風(fēng)暴增水聯(lián)合概率密度分布 Fig. 10 Probability density distribution of spring tide and storm surge

實(shí)例計(jì)算表明：使用MCEVD理論，計(jì)算取得500年一遇聯(lián)合出現(xiàn)的波高、暴潮和天文大潮的組合，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于核嶺澳電站按相應(yīng)“可能最大”組合的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。

6 秦山核電站防護(hù)工程設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)險(xiǎn)分析

據(jù)1952-2000年統(tǒng)計(jì)資料，秦山核電站附近乍浦、澉浦、鹽官等地最大潮差達(dá) 7.26～9.00 m。針對(duì)秦山核電站海岸防波堤9.76 m高程，進(jìn)行以天文大潮為控制因素的臺(tái)風(fēng)誘發(fā)極端外荷作用下核電站海岸防護(hù)工程設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合概率風(fēng)險(xiǎn)分析，結(jié)果如圖10～圖12以及表8所示。

圖11 天文大潮和風(fēng)暴潮累積頻率分布Fig. 11 Cumulative probability distribution of spring tide and storm surge

圖12 1 000年一遇天文大潮、風(fēng)暴潮和波高聯(lián)合概率分布Fig. 12 Joint probability distribution of spring tide, storm surge and extreme wave height with 1 000 years joint return period

聯(lián)合概率/a天文潮/m風(fēng)暴潮/m波高/m1004．23．02．55005．03．53．010005．54．03．5

秦山核電站海岸防波堤高度9.76 m，低于100年一遇以天文大潮為控制因素的臺(tái)風(fēng)誘發(fā)風(fēng)暴潮，波高極端外荷。

7 結(jié) 語(yǔ)

我國(guó)沿海多個(gè)核電站的防護(hù)工程設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)仍然是采用仿照美國(guó)(NOAA) 的SPH、PMH的模式，使用“可能最大風(fēng)暴潮”(PMSS)”、“設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水(DBF)”以及國(guó)際原子能工程機(jī)構(gòu)(IAEA)規(guī)定的“可能最大洪水(PMF)”等方法確定，忽略了這些定義和計(jì)算中存在的各種不確定性因素以及各種極端海況聯(lián)合出現(xiàn)的概率。以南海嶺澳核電站和秦山核電站防護(hù)工程為例，使用MCEVD理論，計(jì)算得出的500年一遇聯(lián)合出現(xiàn)的波高、風(fēng)暴潮和天文大潮的組合，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于兩個(gè)核電站按相應(yīng)“可能最大”組合的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。按照我國(guó)水利工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，重要工程都需采用2 000年至3 000年一遇校核值，國(guó)際核電組織IAEA新建議采用萬(wàn)年一遇的風(fēng)暴增水、天文大潮和波高組合作為防災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)，而上述核電站的“可能最大”組合，連采用MCEVD計(jì)算得出的五百年一遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)都達(dá)不到。面對(duì)全球極端氣候頻發(fā)的趨勢(shì)，建議對(duì)核電防護(hù)工程設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行全面風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以達(dá)到國(guó)務(wù)院核電站安全規(guī)劃(2011-2020)提出的“必須按照全球最高安全要求”的規(guī)定。

致謝：衷心感謝謝世楞院士對(duì)本項(xiàng)研究的支持。

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Discussion on safety regulations for NPP coastal defense

LIU Defu, SHI Hongda, LIU Guilin, WANG Fengqing

(Ocean University of China, Qingdao 266003, China)

P753

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.04.017

1005-9865(2017)04-0135-12

2016-11-14

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51379195)

劉德輔(1936-)，男，四川成都人，教授，主要從事海洋工程防災(zāi)減災(zāi)研究。E-mail：liu@ouc.edu.cn