紀(jì)忠華，潘 蓉，路 雨，王 璐，楊 宇

（環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100082）

淺談美國核電廠設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水災(zāi)害評(píng)價(jià)方法

紀(jì)忠華，潘 蓉，路 雨，王 璐，楊 宇

（環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100082）

本文通過針對(duì)美國核管會(huì)相關(guān)導(dǎo)則和技術(shù)文件的分析，梳理了美國核管會(huì)洪水評(píng)價(jià)依據(jù)、計(jì)算方法、審評(píng)者的審查策略以及福島后的最新經(jīng)驗(yàn)總結(jié)等方面內(nèi)容。通過示例重點(diǎn)敘述了層次分析方法評(píng)價(jià)方法在洪水評(píng)價(jià)中的應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上闡述了美國核管會(huì)未來對(duì)美國核電廠防洪安全評(píng)價(jià)的改進(jìn)和對(duì)今后工作的展望，文章最后對(duì)上述內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)。

美國核電廠；設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水；洪水評(píng)價(jià)方法；福島事故

洪水與地質(zhì)、地震、氣象災(zāi)害一樣，是危害核電廠安全的外部自然災(zāi)害事件，也是核電廠從選址到運(yùn)行階段都須關(guān)注的重要安全問題。近年來洪水對(duì)核電廠的安全威脅逐漸加大，特別是日本福島事故使世人眼光的重點(diǎn)聚焦到核電廠的防洪安全上來。國內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)針對(duì)洪水風(fēng)險(xiǎn)源開展了多種分析和探討。日本福島事故發(fā)生后，常向東等［1］從我國沿海與日本地震海域的構(gòu)造背景差異和我國核電廠開展的復(fù)核研究結(jié)論出發(fā)，對(duì)我國的核電廠廠址所受海嘯的影響進(jìn)行了分析。張愛玲等［2］結(jié)合我國擬建的某幾個(gè)內(nèi)陸核電廠址工程實(shí)例，對(duì)在內(nèi)陸核電廠選址過程中所遵循相關(guān)的防洪法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)行了梳理和闡述。李丹等［3］篩選并研究了多起國外核電廠遭受的外部水淹事件，分析了水淹特點(diǎn)，并對(duì)我國核電廠應(yīng)對(duì)水淹能力提出了具體的建議。榮峰［4］等對(duì)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)條文的理解以及對(duì)現(xiàn)有水文計(jì)算方法的總結(jié)及濱河研究堆的防洪設(shè)計(jì)基準(zhǔn)進(jìn)行了探討。這些研究和討論從不同方面闡述了防洪對(duì)核電廠運(yùn)行安全的重要性，也從反面說明了核電廠設(shè)計(jì)和運(yùn)行對(duì)洪水評(píng)價(jià)的要求。

核電廠防洪評(píng)價(jià)主要是依據(jù)廠址的水文特征，辨別和分析可能發(fā)生的洪水災(zāi)害，確定具體廠址設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水（DBF），并在滿足核電廠建設(shè)、運(yùn)行和退役在技術(shù)、安全、環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)等方面的要求下，根據(jù)實(shí)際廠坪高度和廠房布置來建造永久性的防洪構(gòu)筑物或選用適當(dāng)?shù)脑O(shè)備以確保核電廠不受外部水淹，美國核管會(huì)（簡(jiǎn)稱NRC）在其核安全導(dǎo)則中將設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水定義為：由于一種或多種極端自然事件組合（如：氣象、地震、滑坡等）所引起的，并能給核電廠安全重要構(gòu)筑物、系統(tǒng)和設(shè)備帶來嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)的洪水現(xiàn)象。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水是核電廠防洪設(shè)計(jì)中較為通用的概念，他將核電廠可能遭受的各項(xiàng)洪水災(zāi)害（如：暴雨、風(fēng)暴潮、海嘯、潰壩、假潮、風(fēng)浪、江河中的洪水、泥沙、冰災(zāi)等）進(jìn)行篩選組合，綜合表征核電廠址的洪水特征，給出了廠址位置與洪水致災(zāi)因子之間的相互關(guān)系，見表1。規(guī)范、合理的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水不僅能夠給核電廠防洪提供較為清晰的量化標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也能優(yōu)化取水方案、廠址布置。目前除了美國核管會(huì)之外，美國還有眾多聯(lián)邦政府機(jī)構(gòu)要求使用設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水來定義各項(xiàng)水利工程的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。

表1 外部洪水組合事件Table1 Combinationofexternalfloodevents

1 防洪評(píng)價(jià)

1.1 評(píng)價(jià)依據(jù)

目前美國核管會(huì)在核電廠廠址防洪審評(píng)中的審評(píng)技術(shù)依據(jù)，除了有關(guān)的聯(lián)邦法規(guī)外，主要有：美國核管會(huì)發(fā)布的《標(biāo)準(zhǔn)審查大綱》（NUREG0800）［5］、《美國核電廠廠址特征設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水評(píng)估》（NUREG/CR-7076）［6］、《核電廠最終熱阱》（RG1.27）［7］，《核電廠設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水》（RG1.59）［8］、《核電廠洪水防護(hù)》（RG1.102）［9］以及美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)和美國能源協(xié)會(huì)聯(lián)合發(fā)布的《確定核反應(yīng)堆廠址設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水國家標(biāo)準(zhǔn)》（ANSI/ANS-2.8-1992）［10］等，其中對(duì)核電廠防洪審評(píng)中具有直接指導(dǎo)意義的有《核電廠設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水》、《核電廠洪水防護(hù)》及《確定核反應(yīng)堆廠址設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水國家標(biāo)準(zhǔn)》。對(duì)核電廠址設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水給出了明確的定義，提供了針對(duì)影響廠址的不同洪水事件具體的分析及計(jì)算方法，以指導(dǎo)有關(guān)機(jī)構(gòu)的執(zhí)照行為活動(dòng)?！逗穗姀S設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水》不僅說明了陸域洪水及風(fēng)暴潮增水可接受的計(jì)算方法，同時(shí)還提供了美國大小河流中的流量及美國東海岸不同位置的可能最大風(fēng)暴潮水位?！逗穗姀S洪水防護(hù)》則對(duì)核電廠各種水工構(gòu)筑物所承擔(dān)的功能及相應(yīng)的設(shè)防要求作了具體的規(guī)定。但由于種種原因，特別是美國在過去相當(dāng)一段時(shí)間沒有出現(xiàn)新廠址的申請(qǐng)，很多發(fā)布日期較為久遠(yuǎn)的導(dǎo)則沒有得到及時(shí)的更新替換，其中的內(nèi)容隨著水文研究的不斷發(fā)展已不能滿足當(dāng)前核電廠防洪評(píng)價(jià)的最新要求，如《確定核反應(yīng)堆廠址設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水國家標(biāo)準(zhǔn)》已被美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)廢除，但新版遲遲沒有推出，因此出現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)的缺失。為應(yīng)對(duì)新堆廠址的申請(qǐng)，美國核管會(huì)在總結(jié)福島事故后的經(jīng)驗(yàn)反饋和梳理水文業(yè)內(nèi)有關(guān)最新研究成果的基礎(chǔ)上，發(fā)布了《防洪綜合評(píng)估指導(dǎo)》等一系列臨時(shí)導(dǎo)則，這些發(fā)布的導(dǎo)則重點(diǎn)關(guān)注了風(fēng)暴潮、湖震、潰壩和海嘯這類能夠產(chǎn)生較高量級(jí)的洪水災(zāi)害上，導(dǎo)則分別從災(zāi)害原理、計(jì)算方法、洪水影響、審評(píng)流程等多個(gè)角度出發(fā)，對(duì)核電廠防洪審評(píng)做了詳細(xì)的規(guī)定和說明。這些導(dǎo)則是福島事故后美國核管會(huì)的最新經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的成果，也是美國核電廠防洪設(shè)計(jì)或復(fù)核審查的重要技術(shù)依據(jù)，具有重要的參考價(jià)值。

1.2 洪水分析計(jì)算方法及不確定性分析

核電廠洪水計(jì)算分析方法從廣義上可歸納為概率論方法和確定論方法兩類。

概率論方法主要利用概率理論計(jì)算洪水大小。概率論方法使用的前提是將極端洪水的發(fā)生考慮為一種隨機(jī)事件并符合某一概率分布。但由于概率論方法的使用主要受數(shù)據(jù)數(shù)量的制約，與確定論方法相比，概率論方法在計(jì)算設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水高危險(xiǎn)等級(jí)時(shí)（如計(jì)算萬年一遇重現(xiàn)期及更低概率）存在較大的不確定性，因此須根據(jù)所掌握的資料情況獲得一定的置信度。目前常用的洪水概率計(jì)算方法包括：Pearson-Ⅲ型分布模型、Bulletin分布模型，Monte-Carlo方法以及用于核電廠系統(tǒng)的概率安全分析（PSA）方法等。值得說明的是，美國核管會(huì)認(rèn)為在為核電廠進(jìn)行洪水概率分析時(shí)，應(yīng)將廠址處核電廠運(yùn)行壽命這一因素考慮進(jìn)去。

確定性方法一般是指利用數(shù)學(xué)模型或經(jīng)驗(yàn)公式方法計(jì)算和預(yù)測(cè)洪水風(fēng)險(xiǎn)。使用確定論方法的前提是水文事件有較為清晰的物理規(guī)律，或可以通過數(shù)學(xué)公式進(jìn)行描述和表達(dá)。目前美國數(shù)值模型的開發(fā)單位主要為聯(lián)邦相關(guān)的管理和科研機(jī)構(gòu)，包括美國陸軍工程兵團(tuán)（USACE），美國農(nóng)墾局（Reclamation），美國地調(diào)局（USGS）、美國國家海洋和大氣局（NOAA）等。這些單位屬于各自領(lǐng)域的權(quán)威，其開發(fā)的模型可靠性較高，能夠滿足美國核安全法規(guī)、導(dǎo)則對(duì)核電廠外部洪水災(zāi)害的計(jì)算需求。隨著水文研究的不斷進(jìn)步和發(fā)展，目前流行著多種水文模型，美國核管會(huì)認(rèn)為在水文計(jì)算和分析時(shí)，須根據(jù)所掌握的資料情況和模擬洪水的復(fù)雜程度要求選用恰當(dāng)?shù)哪Ｐ秃拖鄳?yīng)額度參數(shù)。

由于概率論方法和確定論方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，完全使用確定論和概率論的方法計(jì)算設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水的情況并不多，更多的是組合了概率統(tǒng)計(jì)內(nèi)容的數(shù)學(xué)模型方法（Joint Probabilistic Method）。這種方法結(jié)合了以上兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，在洪水前端分析時(shí)采用概率論方法統(tǒng)計(jì)分析廠址及周邊水文特征規(guī)律并作為數(shù)學(xué)模型的輸入?yún)?shù)，而在洪水后端計(jì)算時(shí)則以數(shù)學(xué)模型計(jì)算為主，從而使計(jì)算結(jié)果在滿足一定的保守性水平的條件下達(dá)到足夠的精度和可信度，保證廠址設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水能夠經(jīng)受住（預(yù)測(cè)）未來運(yùn)行壽期內(nèi)所能遇到的極端洪水作用。當(dāng)前這類計(jì)算方法較多，如美國陸軍工程兵團(tuán)開發(fā)的用于計(jì)算流域的洪水計(jì)算模型HEC-HMS，美國國家海洋和大氣局開發(fā)的風(fēng)暴潮計(jì)算模型SOLSH等。

除此之外，在利用數(shù)值模型進(jìn)行洪水計(jì)算時(shí)，為保證分析的質(zhì)量，驗(yàn)證成果是否合理可靠，美國核管會(huì)還要求對(duì)計(jì)算結(jié)果評(píng)估其不確定性。這些不確定性主要來自：計(jì)算輸入的不確定性、模型參數(shù)的不確定性、氣候變化等長周期效應(yīng)的影響等，在分析報(bào)告中應(yīng)對(duì)如下方面進(jìn)行說明。

（1）模型本身的不確定性：模型的好壞直接關(guān)系到計(jì)算的可靠性，美國核管會(huì)認(rèn)為需詳細(xì)審查模型的結(jié)構(gòu)、控制方程、數(shù)據(jù)輸入要求、參數(shù)說明、輸出信息，模型的完整信息（例如，簡(jiǎn)化假設(shè)、空間或時(shí)間的離散方案、插值方法、時(shí)間步長求解程序等）。當(dāng)然，最重要的是要考慮模型的適用性，應(yīng)根據(jù)所模擬廠址的洪水情景和水動(dòng)力條件選取模型。如在模擬河流洪水漫灘計(jì)算時(shí)，灘涂的植被會(huì)對(duì)水流底部摩擦產(chǎn)生影響，因此模型須能夠考慮這一因素。表2給出了美國霍爾頓［11］編制的天然河道糙率表，可以依據(jù)研究區(qū)域流域?qū)嶋H情況選用相關(guān)糙率系數(shù)用于水力模型計(jì)算。

表2 天然河道糙率表Table2 Roughnessof natural river

（2）確定模型參數(shù)和輸入數(shù)據(jù)的不確定性：通常情況下，洪水模擬模型的參數(shù)和輸入的水文數(shù)據(jù)都存在著不確定性，前者是由于模型對(duì)客觀條件進(jìn)行概化的局限性，后者主要受數(shù)據(jù)觀測(cè)精度的影響。這兩類都體現(xiàn)了人類認(rèn)知的局限，因此需在計(jì)算結(jié)果中反映出來。

（3）模型驗(yàn)證：由于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水是根據(jù)一系列假定的極端洪水情景確定，為保證計(jì)算結(jié)果充分反映不利水文氣象條件的危險(xiǎn)水平，須將洪水模擬結(jié)果與具體廠址數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證，從而確定模型方法的適用性。驗(yàn)證時(shí)，一般選取與假定情景相近的嚴(yán)重的廠址歷史洪水?dāng)?shù)據(jù)作為模型輸入，以檢驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M極端洪水的性能。

1.3 評(píng)價(jià)策略

美國核管會(huì)在評(píng)價(jià)廠址的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水時(shí)一般采用層次分析方法 （Hierarchical Hazard Assessment，簡(jiǎn)稱HHA）。層次分析方法是根據(jù)假設(shè)的洪水危險(xiǎn)情景以及所掌握水文數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量情況，對(duì)核電廠址及廠區(qū)內(nèi)安全重要物項(xiàng)提供的一種漸進(jìn)的層次評(píng)價(jià)方法。這種方法提倡從簡(jiǎn)化但保守的方法出發(fā)來計(jì)算發(fā)生在廠址附近的可能最大洪水，隨著計(jì)算結(jié)果所提示的風(fēng)險(xiǎn)程度逐步更換采用更為精細(xì)的算法來對(duì)有關(guān)洪水災(zāi)害進(jìn)行分析計(jì)算。此外，由于不同構(gòu)筑物、系統(tǒng)和設(shè)備所需提供的防洪安全水平可能并不一致，因此在使用層次分析方法時(shí)除了需要考慮可能最大洪水風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)還要根據(jù)核電廠內(nèi)各種構(gòu)筑物、系統(tǒng)和設(shè)備在廠區(qū)所處的不同位置區(qū)別對(duì)待。例如，核島區(qū)的構(gòu)筑物所受風(fēng)險(xiǎn)主要來自強(qiáng)降雨，而冷卻水取水構(gòu)筑物的主要風(fēng)險(xiǎn)可能來自可能最大海嘯或可能最大風(fēng)暴潮。因此，構(gòu)筑物的防洪設(shè)計(jì)基準(zhǔn)主要取自暴雨所致洪水，而取水構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)則應(yīng)選取可能最大海嘯或可能最大風(fēng)暴潮的計(jì)算結(jié)果。

層次分析方法在評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水的主要步驟如下。

（1）在審查廠址附近的歷史數(shù)據(jù)和評(píng)估水文、氣象、地震等自然現(xiàn)象的基礎(chǔ)上明確洪水的起因事件和物理機(jī)制，逐一選擇某種洪水類型進(jìn)行評(píng)價(jià)；

（2）對(duì)于所有可能的洪水起因事件，根據(jù)導(dǎo)則、規(guī)范規(guī)定的洪水組合，合理利用較少的數(shù)據(jù)資料，采用保守、簡(jiǎn)化的方法來估計(jì)相應(yīng)的可能最大洪水。如，對(duì)于分析強(qiáng)降雨導(dǎo)致的洪水過程，可以采用單位線方法保守計(jì)算，另外，在開始階段也可以忽略降雨入滲、渠道行洪及植被阻滯等作用；

（3）如果任何安全相關(guān)構(gòu)筑物、系統(tǒng)和設(shè)備可能會(huì)受到洪水的影響，則應(yīng)采用廠址周邊具體水文、氣象、高程數(shù)據(jù)作為實(shí)際條件，選用恰當(dāng)?shù)暮樗?jì)算方法，并可參考其他相關(guān)機(jī)構(gòu)在類似計(jì)算中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行更為細(xì)化的分析，然后重復(fù)前一步驟，直到已使用了最為先進(jìn)的計(jì)算方法（模型）及最大程度地考慮了廠址周邊實(shí)際水文條件；

（4）如果結(jié)果顯示廠區(qū)所有安全相關(guān)構(gòu)筑物、系統(tǒng)和設(shè)備都不受洪水靜、動(dòng)態(tài)的影響則評(píng)價(jià)結(jié)束。若所有廠址數(shù)據(jù)都已經(jīng)被使用，但計(jì)算得出的洪水水位超過廠坪標(biāo)高或安全相關(guān)構(gòu)筑物、系統(tǒng)和設(shè)備，并且仍受到洪水的影響，則要求廠址提供構(gòu)筑物、設(shè)施作為防洪屏障，并將其定義為安全相關(guān)項(xiàng)進(jìn)行可靠性和有效性的評(píng)估。

圖1給出了層次分析方法在評(píng)價(jià)某核電廠陸域洪水風(fēng)險(xiǎn)的技術(shù)路線圖。

圖1 層次分析方法評(píng)價(jià)陸域洪水風(fēng)險(xiǎn)的技術(shù)路線圖Fig.1 Technology flow chart of the flood assessm entw ith HHA m ethod

1.4 示例

以某濱河核電廠址設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水分析過程為例闡述層次分析方法的洪水評(píng)價(jià)思路。假設(shè)廠址位于流域出口處，如圖2所示，核電廠主要受電廠上游陸域洪水的影響，廠址所在流域主要洪水特征參數(shù)見表3。

圖2 核電廠位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the location of NPP

圖3 流域平均可能最大降雨過程Fig.3 Thehydrograph of basin of PM P rain off depths in 1-hour increm ent

表3 流域主要洪水特征參數(shù)Table 3 Flood parametersofbasin

從圖3可知，廠址所在流域中未建有水壩或水電站等水利工程設(shè)施，在可能最大洪水計(jì)算時(shí)無需考慮潰壩的影響，廠址的防洪安全主要受流域中降雨產(chǎn)生的可能最大洪水的影響，可以將其確定為廠址的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水。如果廠址位于東經(jīng)103度以東，可以參照導(dǎo)則《核電設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水》所給出的不同流域面積條件下可能最大洪水洪峰流量等值線圖。此等值線圖是美國核管會(huì)聯(lián)合美國陸軍兵團(tuán)等單位，依據(jù)美國各個(gè)大區(qū)的水文氣象報(bào)告［12］給出的可能最大降雨計(jì)算得出。具體做法是：首先根據(jù)廠址所在流域的面積，選出適用于此流域面積的可能最大洪水流量的等值線圖。根據(jù)廠址地理坐標(biāo)將廠址位置在等值線圖上點(diǎn)出，從而得到可能最大降雨的指數(shù)（等值線之間的點(diǎn)可以取點(diǎn)兩邊等值線的較大值），最后將指數(shù)乘以實(shí)際流域面積從而得出流域出口干流中的可能最大洪水峰值。對(duì)于東經(jīng)103度以西地區(qū)，本方法并不適用。導(dǎo)則同時(shí)也將全國主要流域河流的可能最大洪水列出，必要時(shí)可以查表得出。

上述方法較為簡(jiǎn)單易用，但計(jì)算結(jié)果較為粗糙，在以下情況下可采用更加精細(xì)的方法來計(jì)算可能流域上的可能最大洪水。

當(dāng)廠址的防洪條件無法滿足上述方法給出的值；

按照上述方法得出的洪水流量使防洪建設(shè)成本過高；

廠址流域洪水形成條件并不單一，如河流上游有水庫，或有冰川融雪的影響。

美國陸軍工程兵團(tuán)開發(fā)了分布式水文模型HMS。在此模型中可以根據(jù)廠址位置和流域?qū)嶋H水文條件輸入具體實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，如：可能最大降雨過程、流域數(shù)字地形圖（DEM）等。模型在計(jì)算時(shí)，可從最保守的洪水情景出發(fā)，對(duì)模型的輸入條件逐步深入和細(xì)化，現(xiàn)對(duì)洪水情景作如下4種情景的假設(shè)。

（1）不考慮降雨入滲和雨洪之間的轉(zhuǎn)化，河道瞬時(shí)匯流；

（2）不考慮入滲，采用線性單位線法考慮降雨產(chǎn)流變化，河道瞬時(shí)匯流；

（3）不考慮入滲，采用非線性單位線法考慮降雨產(chǎn)流變化，河道瞬時(shí)匯流；

（4）考慮降雨入滲，采用非線性單位線法考慮降雨產(chǎn)流變化，河道瞬時(shí)匯流。

圖4顯示了4種情景條件下計(jì)算得到流域出口處的洪水過程線。

圖4 河流洪水流量過程示意圖Fig.4 Schem atic diagram of river flood hydrograph

從圖4中可以看出，隨著模型輸入條件的逐步細(xì)化，計(jì)算得到的洪水過程逐漸坦化，洪水主峰靠后，滯時(shí)增大，峰值隨之減小。在4種洪水情景中，情景1洪峰流量最大，情景3次之，情景2最小。主要原因是情景1完全不考慮入滲和流域下墊面調(diào)蓄作用的影響，流域出口洪峰流量一般只受暴雨時(shí)空分布和流域形狀的影響。情景2和3都考慮了下墊面雨洪過程的影響，但考慮非線性產(chǎn)流方式增加了洪峰流量，并使洪峰過程提前。情景4考慮了入滲的因素，導(dǎo)致降雨前期洪水過程較其他情景略小。

從上述分析可以看出，流域情景變化會(huì)對(duì)計(jì)算得到的可能最大洪水計(jì)算結(jié)果造成很大影響，根據(jù)層次分析方法的計(jì)算思路，由簡(jiǎn)化方法開始過渡到復(fù)雜模型。為保證核電廠的防洪安全，在使用模型計(jì)算核電廠設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮設(shè)計(jì)洪水的保守性，并在有條件的情況下應(yīng)盡可能的使用保守的洪水情景參數(shù)。

2 福島事故后洪水評(píng)價(jià)方法改進(jìn)及展望

2.1 福島經(jīng)驗(yàn)反饋與洪水復(fù)核

日本福島核事故以后，美國核管會(huì)啟動(dòng)了針對(duì)福島核事故的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，要求各核電運(yùn)營商重新篩查包括洪水在內(nèi)的能對(duì)核電廠安全造成影響的廠址外部極端事件，在此基礎(chǔ)上對(duì)原有的廠址洪水風(fēng)險(xiǎn)及防洪設(shè)施的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)進(jìn)行復(fù)核評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)范圍主要圍繞以下幾個(gè)方面。

（1）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水復(fù)核：美國核管會(huì)要求核電廠重新識(shí)別當(dāng)前所服役廠址的洪水特征，確定所有可能的洪水風(fēng)險(xiǎn)來源（如強(qiáng)降雨、海嘯、潰壩［13-15］等），如果當(dāng)前的某些水文特征或防洪措施與申請(qǐng)時(shí)相比已經(jīng)發(fā)生變化，則應(yīng)詳細(xì)地列出并遞交給美國核管會(huì)審查。調(diào)查并收集最新的洪水?dāng)?shù)據(jù)，特別是對(duì)廠址有現(xiàn)實(shí)風(fēng)險(xiǎn)的洪水類型及關(guān)鍵參數(shù)，利用最先進(jìn)的計(jì)算方法復(fù)核廠址的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水。在此過程中應(yīng)說明不同類型洪水的發(fā)生機(jī)制以及發(fā)生過程中的附加效應(yīng)，對(duì)于面臨多種洪水風(fēng)險(xiǎn)的廠址，可假設(shè)不同類型洪水組合進(jìn)行分析，選取計(jì)算結(jié)果中最不利的洪水情景作為設(shè)計(jì)采用結(jié)果，洪水評(píng)估的最終目的是得到能夠包絡(luò)所有類型洪水風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水；

（2）防洪裕度評(píng)估：在對(duì)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水復(fù)核的基礎(chǔ)上還需針對(duì)核電廠安全重要物項(xiàng)確定廠區(qū)外部各項(xiàng)防洪設(shè)施的防洪裕度。收集場(chǎng)坪高度及防洪措施資料，通過對(duì)安全相關(guān)構(gòu)筑物、系統(tǒng)和設(shè)備所要求的最低洪水設(shè)防要求與廠址各項(xiàng)防洪設(shè)施的防洪能力（如堤壩的高度、水密門的承壓能力等）對(duì)比綜合確定防洪裕度；

（3）防洪設(shè)施評(píng)估：當(dāng)核電廠設(shè)置有堤壩、排水管溝等外部防排洪設(shè)施時(shí)，需要根據(jù)相關(guān)工程技術(shù)規(guī)范評(píng)估這些設(shè)施，分析其在極端洪水條件下是否存在有潰損的可能。在此過程中需要考慮洪水水淹高度及相應(yīng)的附加作用（如：水動(dòng)力效應(yīng)，泥沙的淤積、侵蝕等）對(duì)這些設(shè)施的影響；

（4）減災(zāi)能力評(píng)估：當(dāng)洪水評(píng)價(jià)結(jié)果表明目前核電廠的防洪設(shè)計(jì)基準(zhǔn)不能包絡(luò)目前的洪水風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，或某些防洪設(shè)施會(huì)在所假設(shè)的洪水情景中失效時(shí)，則必須在評(píng)價(jià)中進(jìn)一步說明廠址的排澇能力。在此評(píng)估中，需分析防洪設(shè)施失效模式以及受此影響廠區(qū)的水淹范圍、深度及相應(yīng)的附加動(dòng)力作用等，從而確定受影響的安全重要物項(xiàng)，在此基礎(chǔ)上說明在某些極端洪水條件下廠區(qū)水淹緩解措施和排澇能力（如：防水臨時(shí)擋板的高度、移動(dòng)水泵的揚(yáng)程、工作人員操作手冊(cè)等）是否有效，并在此基礎(chǔ)上說明水淹對(duì)廠區(qū)重要安全物項(xiàng)的影響。

2.2 未來工作的改進(jìn)及展望

美國核管會(huì)在《標(biāo)準(zhǔn)審查大綱》等防洪導(dǎo)則中一般要求采用“可能最大”洪水這一術(shù)語定義核電廠設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水，但福島事故使人們對(duì)“可能最大”這一概念有了不同的認(rèn)識(shí)，很多之前認(rèn)為極端不可能的洪水在特定的條件下也有可能發(fā)生。根據(jù)近年來美國相關(guān)機(jī)構(gòu)在防洪方面的工程實(shí)踐，特別是經(jīng)過對(duì)2005年Karina颶風(fēng)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和反饋，美國陸軍工程兵團(tuán)、美國海洋和大氣局以及聯(lián)邦應(yīng)急管理局在有關(guān)文獻(xiàn)表述中已經(jīng)不再使用“可能最大”這一術(shù)語，美國核管會(huì)雖然還未對(duì)此進(jìn)行修正，但試圖與這些機(jī)構(gòu)的定義保持一致，盡量采用“設(shè)計(jì)基準(zhǔn)”這一術(shù)語來避免歧義。核電廠的原始場(chǎng)坪高度及核電廠設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水評(píng)價(jià)不同于其他核電廠其他設(shè)施對(duì)所評(píng)價(jià)內(nèi)容精度的要求，在滿足保守性要求下更加側(cè)重于結(jié)果的可靠性和合理性，為此美國核管會(huì)認(rèn)為需在以下方面做出改進(jìn)和突破。

（1）開發(fā)高精度的水文氣象數(shù)據(jù)庫。美國當(dāng)前使用的一些高精度數(shù)據(jù)（如：地形高程數(shù)據(jù)、流域劃分、水系、更加可靠和密集的氣象數(shù)據(jù)、遙感資料以及代表土壤和植被的空間數(shù)據(jù)等，極大地改善了模型輸入?yún)?shù)的質(zhì)量。未來的監(jiān)管導(dǎo)則應(yīng)注重?cái)?shù)據(jù)的可用性和可靠性，特別要增強(qiáng)數(shù)據(jù)在收集、核實(shí)、歸檔和傳播方面的管理，從而來提高模型的可靠性以及提高模型預(yù)測(cè)的精度；

（2）進(jìn)一步發(fā)展洪水概率評(píng)價(jià)方法。盡管概率理論發(fā)展歷史較長，也在被運(yùn)用到美國數(shù)個(gè)核電廠的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水計(jì)算中，但目前美國仍沒有一部導(dǎo)則或規(guī)范專門為概率論方法計(jì)算設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水提供指導(dǎo)。概率論災(zāi)害分析方法在確定設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水時(shí)可以依托數(shù)值仿真方法和洪水災(zāi)害樣本資料確定來消除計(jì)算洪水的不確定性。此外，美國核管會(huì)認(rèn)為應(yīng)該開發(fā)能夠表示出具體安全重要構(gòu)筑物、系統(tǒng)和設(shè)備防洪水平的概率安全方法；

（3）關(guān)注氣候變化。對(duì)于廠址洪水的計(jì)算依據(jù)都是基于分析總結(jié)歷史水文數(shù)據(jù)所得出的規(guī)律和認(rèn)識(shí)，即使采用概率統(tǒng)計(jì)方法分析洪水，重要的前提條件也是假設(shè)未來的極端洪水發(fā)生規(guī)律滿足過去數(shù)據(jù)的分布規(guī)律。在全球氣候變化大背景下，廠址設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水受此影響的程度雖然還不得而知，但某些極端洪水的尺度特征已經(jīng)發(fā)生了變化，如：廠址尺度意義上局部強(qiáng)降雨、流域上尺度意義上的極端洪水、海陸尺度意義上的超強(qiáng)熱帶氣旋等。為保證核電廠防洪安全，應(yīng)積極關(guān)注全球氣候變化方面的研究進(jìn)展，在廠址洪水分析中加入氣候變化對(duì)流域和廠址水文特征影響的分析。

3 總結(jié)

美國核管會(huì)作為美國核安全監(jiān)管部門，在核電廠防洪安全評(píng)價(jià)方面具有較高的水平和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。本文通過梳理美國核管會(huì)洪水評(píng)價(jià)依據(jù)、計(jì)算方法、審評(píng)者的審查策略以及福島后的最新經(jīng)驗(yàn)總結(jié)等方面內(nèi)容，探尋其在洪水評(píng)價(jià)方面的經(jīng)驗(yàn)，為我國核電廠防洪安全審評(píng)工作提供借鑒。

從監(jiān)管依據(jù)來看，美國核管會(huì)核安全防洪導(dǎo)則和規(guī)范緊貼美國國內(nèi)具體的水文氣象條件，導(dǎo)則與相關(guān)工程研究機(jī)構(gòu)的工程實(shí)踐結(jié)合度較高，充分反映了美國政府機(jī)構(gòu)對(duì)于核電廠防洪監(jiān)管的具體實(shí)踐。導(dǎo)則的制定往往是審評(píng)人員與科研機(jī)構(gòu)合作的研究成果，其中很多內(nèi)容都引用或參考了其他專業(yè)機(jī)構(gòu)的研究成果，并且還提供明確的計(jì)算程序、經(jīng)驗(yàn)公式等，使得導(dǎo)則在審評(píng)過程中具有很強(qiáng)的針對(duì)性和可操作性。

從審評(píng)策略上來看，無論在核電廠址洪水分析上還是在福島后防洪符合評(píng)估上，美國核管會(huì)都采用層次分析方法。層次分析方法可以在一定條件下簡(jiǎn)化廠址洪水分析過程，對(duì)洪水的分析逐步細(xì)化和優(yōu)化，分析結(jié)果也將從保守性向精確性轉(zhuǎn)變。對(duì)于沒有充足水文資料作數(shù)據(jù)支撐的廠址，這種方法可以提供較高保守性的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水成果并能使之能夠滿足相關(guān)法規(guī)、導(dǎo)則的規(guī)定。

從美國核管會(huì)今后工作的展望來看，美國核安全機(jī)構(gòu)并沒有因?yàn)槿毡靖u事故對(duì)核電廠防洪安全乃至核電安全采取懷疑態(tài)度，而是通過進(jìn)一步同有關(guān)機(jī)構(gòu)密切合作，廣泛收集更多當(dāng)前廠址具體的水文、氣象資料等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來作為模型的輸入，改進(jìn)洪水分析計(jì)算方法等方式，提高廠址設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水計(jì)算分析的可靠性，這也有利于明確現(xiàn)有廠址的防洪裕度，以上這些做法很值得我國核安全審評(píng)監(jiān)管人員的思考。

［1］常向東，周本剛.我國沿海核電廠地地震海嘯影響分析［J］.核安全，2011，34（4）：45-49.

［2］張愛玲，汪萍，朱京興.我國內(nèi)陸核電廠防洪設(shè)計(jì)要求及評(píng)價(jià)方法［J］.核安全，2011，34（4）：55-61.

［3］李丹，肖志，安洪振，等.國外核電廠外部水淹事件分析［J］.核安全，2013，12（4）：74-77.

［4］榮峰，趙建軍，杜巧敏，等.對(duì)濱河研究堆堆址設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水的探討［J］.核動(dòng)力工程，2006，27（6）：70-73.

［5］NRC.Standard Review Plan，NEREG 0800［R］.Washington DC：NRC，2007.

［6］NRC.NUREG/CR-7076，Design-Basis Flood Estimation for Site Characte rization at Nuclear Power Plant in the United Statesof America［S］.W ashington DC：NRC，2011.

［7］NRC.UltimateHeatSink forNuclearPowerPlants.Regulatory Guide1.27［S］.Washington DC：NRC，1976.

［8］NRC.Design Basis Floods for Nuclear Power Plants.Regulatory Guide 1.59［S］.W ashington DC：NRC，1980.

［9］NRC.Flood Protection for Nuclear Power Plants.Regulatory Guide1.102［S］.W ashington DC：NRC，1976.

［10］American National Standards Institute，American Nuclear Society.Determining Design Basis Flooding at Power Reactor Sites.ANSI/ANS 2.8［S］.New York：ANSI，ANS，1992.

［11］Mahmoodk.yevjevichV.ed.Unsteady Flow in Open Channel［J］.W aterResources Publications，vol.2，1975.

［12］NOAA.HydrometeorologicalReportNo.52，Application of Probable Maximum Precipitation Estimates-United States East of the 105th Meridian［R］.Washington DC：NOAA，1982.

［13］NRCGuidance for Performing the Integrated Assessment for External Flooding［S］.Washington DC：NRC，2012.

［14］NRC.Guidance forPerforminga Tsunami，Surge，or Seiche Hazard Assessment［S］.Washington DC：NRC，2012.

［15］NRC.Guidance for Assessment of Flooding Hazards due to Dam Failure［S］.W ashington DC：NRC，2013.

［16］張琳，李文宏，楊紅義.福島核事故后核電廠改進(jìn)行動(dòng)分析［J］.原子能科學(xué)技術(shù)，2014，48（3）：486-491.

On the U.S.Nuclear Power Plant Design Basis Flood Risk AssessmentM ethod

JIZhonghua，PANRong，LUYu，WANG Lu，YANGYu
（Nuclearand Radiation SafetyCenter，MEPBeijing100082，China）

Through summarizing relevant guides and technical documents of U.S.NRC，this paper described theevaluation basis，computationalmethods，review strategy and experience feedback from the Fukushimanuclearaccident.The processofHHA evaluationmethodwaspresented by an example.Based on theabovecontent，thispaper focused on improving the flood analysismethod and looking to the futurework by NRC.Finally，the flood evolutionmethodswereanalyzed and discussed.

U.S.nuclearpowerplant；designbasis flood；HHAmethod；Fukushimanuclearaccident

TV122+.5

：A

：1672-5360（2015）03-0017-07

2014-03-19

2014-08-26

科技部國家軟科學(xué)研究計(jì)劃，項(xiàng)目編號(hào)2013GXS4B075；環(huán)保部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)，項(xiàng)目編號(hào)1441300000325

紀(jì)忠華（1985—），男，江蘇揚(yáng)州人，工程師/工學(xué)碩士，水文水資源專業(yè)，現(xiàn)主要從事核電廠防洪安全審評(píng)工作