路　雨，赵　雷，纪忠华，王　璐，胡勐乾（环境保护部核与辐射安全中心，北京　100082）



基于PCSWMM双排水系统计算方法在某核设施厂址防洪能力评估分析中的应用

路雨，赵雷，纪忠华，王璐，胡勐乾
（环境保护部核与辐射安全中心，北京100082）

摘要：本文应用商用雨排水分析计算软件PCSWMM，建立双排水系统分析模型，模拟了某核设施厂址在极端降雨工况下的地下排水和地表径流过程。模拟结果显示，该核设施厂址在500年一遇降雨下的地表最大积水深度为0.13 m，与推理公式法计算结果0.10 m较吻合，较真实地反映出了实际防水淹能力，采用PCSWMM的双排水系统计算方法能较好地模拟最大积水深度结果。

关键词：PCSWMM；双排水系统；积水深度；核设施；防水淹

福岛核事故发生以后，核电厂及核设施的防水淹问题逐渐得到关注。李丹等对国外核电厂外部水淹事件进行了分析［1］，表明核设施防水淹问题的重要性。目前，核设施的防水淹计算过程一般采用推理公式法进行计算［2］，表明了核设施防水淹问题的重要性。推理公式法虽然应用广泛，但是由于其是通过手算方法，在大尺度的汇水面积计算上，存在着计算繁琐、工作量大、易出错等缺陷［3，4］。随着计算能力的提高，数学模型法正在被推广应用。当汇水面积超过2 km2时，宜考虑降雨在时空分布上的不均匀性和管网汇流过程，采用数学模型法计算雨水设计流量［5］。武汉大学已尝试开展使用数学模型法SWMM方法进行核电基地厂区暴雨积水过程的计算［6］。SWMM方法可以模拟单一的地下管网情况［7-11］，但是对于地下排水和地表漫流的耦合分析，则不能直接计算得到。本文选用目前国际上成熟的商用雨排水软件PCSWMM软件进行研究，其双排水系统可以良好解决地下排水和地表漫流耦合分析的问题。本文选取某核设施厂址作为研究区域，通过建立地下排水和地表漫流耦合的双排水系统，直接模拟核设施厂址在极端降雨下的地下排水和地表径流过程。

1　研究内容

某核设施厂址地处北亚热带向暖湿带的过渡气候区，属大陆性季风气候，年平均降水量为806 mm，最大年降水量为1 376 mm，研究区域汇水面积4.312 ha，厂址西北高，东南低，最大坡度0.061，最小坡度0.003，厂房道路为环形，道路由混凝土组成，四周有草地，中部为混凝土厂房，东侧有4个排水口，参见图1。本文厂区排水设计重现期为500年一遇设计；并参照核电厂标准进行防洪裕度评估，选取1000年一遇设计，可能最大降雨（Probable Maximum Precipitation，简称PMP）校核。本文根据该核设施厂址排水系统特点将排水系统划分为4条排水干道，4个排水出口，根据PCSWMM模型，选用在我国排水管渠设计中常用的芝加哥雨型［12］计算了500年一遇及10000年一遇降雨下的积水深度，为该核设施厂址的防水淹能力提供技术支持。

本文的排水系统选取4条排水干道，排水干道总长度643.37m，具体划分见图1及表1。

汇水区域分为混凝土路面、草地和屋顶散水三部分，依据《给水排水设计手册》［13］和《排水工程》［14］上的描述，混凝土路面径流系数取0.9，草地径流系数取0.15，屋顶散水按照混凝土路面径流系数取0.9。

图1　某核设施厂址的排水系统划分Fig.1 Partition drainage systems of a nuclear facility site

表1　某核设施厂址的排水系统划分Table 1 Partition drainage systems of a nuclear facility site

2　输入参数

2.1雨量计

PCSWMM软件的雨量计为研究区域内的一个或者多个子汇水面积提供降水数据［15］，本研究区域暴雨强度公式为重现期采用500年一遇及10000年一遇，雨型选取芝加哥雨型。

2.2子汇水面积

PCSWMM软件可以利用三种不同的模型描述从子汇水面积的渗透面积到不饱和上层土壤区域的降雨渗入，分别为Horton渗入、Green-Ampt渗入、SCS曲线数渗入。本研究中将混凝土路面和屋顶散水设置为不透水区域，草地设置为透水区域，渗入模型选用Horton渗入，曼宁系数混凝土路面为0.012，屋顶散水为0.013，草地为0.15。

2.3管道数据

PCSWMM软件的管道为导管或渠道，可以在运移系统中将水从一个节点移动到另一个节点。可以从各种标准的开放和闭合几何形状中选择其横截面形状。

PCSWMM使用曼宁公式表示所有管道的流速Q、横截面积A、水力半径R和坡度S之间的关系。其中n为曼宁粗糙系数。

对于圆形有压管道，使用哈森—威廉姆斯或达西公式替代曼宁公式用于充分有压流。哈森—威廉姆斯公式为Q=1.318CAR0.63S0.54。其中C为哈森—威廉姆斯因子，与表面粗糙系数成反比，且作为横截面参数之一。对于混凝土管道，C值取110。

模型采用双排水系统，即地下管道排水和地表漫流排水。地下管道为环形压力干管道，最大深度分别根据管径确定，具体划分见表2。

表2　地下排水管道各管径分布Table 2 Partition pipe diameters of underground drainage pipes

2.4地表横截面

PCSWMM软件的横截面是描述底部高程如何随着天然渠道或形状不规则管道横截面上的水平距离改变而变化的几何图形数据。对于模型地表漫流排水选择不规则横截面，本研究区域根据实际地表路面断面情况进行设定，其具体参数设定见表3。

表3　地表漫流排水参数设定Table 3 Enactment parameters of surface runoff drainage

3　数值模拟分析结果

3.1排水干道峰值剖面分析结果

PCSWMM数值模拟的500年一遇和10000年一遇排水干道1的峰值剖面结果如图2、图3所示，排水干道2的峰值剖面结果如图4所示，排水干道3的峰值剖面结果如图5所示，排水干道4的峰值剖面结果如图6所示。

图2　排水干道1峰值剖面结果Fig.2 Peak value profile result of drain arteries 1

依据图2～图4，500年一遇降雨下，排水干道1和排水干道2的峰值剖面结果均为地下管网满流且有地表漫流的情况，地表最大积水深度出现在排水干道2中的排水入口节点（7）附近，约为0.13 m左右，核设施厂房防水挡板高度一般为0.2～0.3 m，在500年一遇降雨下，未超过防水挡板高度，在发生极端降雨情况下不会影响核设施的安全。10000年一遇降雨下，约为0.15 m左右，未超过防水挡板高度，在发生核电厂级极端降雨情况下不会影响核设施的安全。

依据图5和图6，排水干道3和排水干道4的峰值剖面结果为地下满流情况，峰值积水高度为地下管网满流0.5m。

3.2排水入口节点图表分析结果

PCSWMM模拟的500年一遇及10000年一遇各排水入口节点图表结果分别如图7～图15。

图3　排水干道1峰值剖面结果Fig.3 Peak value profile result of drain arteries 1

图4　排水干道2峰值剖面结果Fig.4 Peak value profile result of drain arteries 2

图5　排水干道3峰值剖面结果Fig.5 Peak value profile result of drain arteries 3

图6　排水干道4峰值剖面结果Fig.6 Peak value profile result of drain arteries 4

图7　排水入口节点（1）图表结果Fig.7 Chart result of drainage inlet node（1）

图8　排水入口节点（2）图表结果Fig.8 Chart result of drainage inlet node（2）

图9　排水入口节点（3）图表结果Fig.9 Chart result of drainage inlet node（3）

图10　排水入口节点（4）图表结果Fig.10 Chart result of drainage inlet node（4）

图11　排水入口节点（5）图表结果Fig.11 Chart result of drainage inlet node（5）

图12　排水入口节点（6）图表结果Fig.12 Chart result of drainage inlet node（6）

图13　排水入口节点（7）图表结果Fig.13 Chart result of drainage inlet node（7）

图14　排水入口节点（8）图表结果Fig.14 Chart result of drainage inlet node（8）

图15　排水入口节点（9）图表结果Fig.15 Chart result of drainage inlet node（9）

依据图7、图8、图12，排水入口节点（1）、（2）为排水干道1的起点，排水入口节点（6）为排水干道2的起点，刚降雨即达到管道满流，这是由于其管径较小（0.2 m到0.3 m）导致的。依据图9～图13，排水入口节点（3）、（4）、（5）、（7）由于处在各排水干道的中后部，一开始仅有降雨形成的积水深度，随着时间的推移，排水干道上部降雨形成的管道内排水，使此三处排水入口节点的积水深度达到峰值，再随着时间的推移，峰值随着管道内排水而逐渐消失。依据图14、图15，排水入口节点（8）、（9）与芝加哥雨型基本一致，这是由于其管径较大（0.5 m），刚降雨不能达到管道满流，可保持与降雨雨型的一致性。

4　结论

通过使用PCSWMM软件模拟该核设施厂址处在极端降雨情况下的防水淹情况，结果表明：

本文采用的PCSWMM中的双排水系统解决了SWMM无法同时模拟地下管网满流与地表漫流的最大积水高度的问题，使地下一维管网与地表漫流得以良好耦合；

不同地下管道位置处的积水深度过程基本符合实际情况，能够满足实际要求；

地表漫流峰值符合实际漫流过程，随着上游坡度的降低，地表最大积水深度均出现在各排水管道的下游地段，与实际漫流过程相符合；

地表最大积水深度出现在排水干道2中的排水入口节点（7）附近，500年一遇降雨下约为0.13m左右，10000年一遇降雨下约为0.15 m左右，核设施厂房防水挡板高度一般为0.2～0.3 m，在极端降雨情况下，未超过防水挡板高度，不会影响核设施的安全。

5　讨论

本文基于PCSWMM双排水系统计算方法，研究了在某核设施厂址校核分析中进行的应用，在应用过程中还存在一些问题，推理公式法与数学建模法对结果的比较等方面还需要进一步分析，基础数据的完善也影响更复杂模型的建立，在接下来的工作中还需要深入探讨。

参考文献

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［14］孙慧修，郝以琼，龙腾锐.排水工程［M］.北京：中国建筑工业出版社，2014.

［15］龙网科技. USER'S GUIDE TO PCSWMM［M］.天津市龙网科技发展有限公司，2015.

The Application of Double Drainage System of Rainwater Drainage Computing Method base on PCSWMM in the Flood Defending
Ability Assessment Analysis of a Nuclear Facility Site

LU Yu，ZHAO Lei，JI Zhonghua，Wang Lu，HU Mengqian
（Nuclear and Radiation Safety Center，MEP，Beijing 100082，China）

Abstract：The research applies PCSWMM，a commercial rainwater analysis calculation software in the assessment of flood defending ability of a nuclear facility site. The double drainage systems analysis model was built up to simulate the process of under ground drainage and surface runoff in extreme rainfall in a nuclear facility site. The simulating result displays，the surface maximum water depth of the nuclear facility site 500 years at once is 0.13 meters. The calculating result is identical with the calculating result 0.10 meters of inference formula method. It can reflect the actual flood defense ability. The double-drainage-systems calculation method in PCSWMM could simulate the maximum flooding water depth result very well.

Key words：PCSWMM；double- drainage- systems；flooding water depth；nuclear facility；flood defending

中图分类号：TV121+.2

文章标志码：A

文章编号：1672-5360（2016）01-0030-08

收稿日期：2016-01-28修回日期：2016-02-13

基金项目：核电厂外部事件安全裕量评估，项目编号201309056

作者简介：路雨（1974—），男，北京人，工程师，地下水科学与工程专业，现主要从事核电厂工程水文审评工作