一种滨海核电厂厂区积水深度计算方法.pdf

本发明涉及一种滨海核电厂厂区积水深度计算方法，包括：(Ⅰ)根据核电厂厂区降雨情况、外海越浪、地面坡度和厂区地表固化情况,建立可表征地表水深与雨水管网下泄量的关系的地表径流模型；(Ⅱ)针对雨水管网排水过程，考虑雨水受外海海水的顶托作用，建立雨水管网水动力模型；(Ⅲ)对厂区进行计算网格划分，通过使雨水管网下泄量和雨水在管网系统中的排出量相等，实现地表径流模型和管网水动力学模型的耦合计算，确定厂区不同区域的积水深度。本发明通过对厂区降雨和厂区外围海水越浪造成的影响进行组合计算，所得到的积水深度的数值更加科学合理，据此可有针对性地对核电厂重要构筑物提出防洪预案和防洪措施，以提高厂区的防洪能力。

1.  一种滨海核电厂厂区积水深度计算方法，包括以下步骤：
(Ⅰ)根据核电厂厂区降雨情况、外海越浪、地面坡度和厂区地表固化情况,建立地表径流模型，所述地表径流模型用于表征地表水深与雨水管网下泄量的关系；
(Ⅱ)针对雨水在管网的排出过程，同时考虑雨水受外海海水的顶托作用，建立雨水管网水动力模型，所述雨水管网水动力模型用于表征地表水深与雨水在管网系统中的排出量的关系；
(Ⅲ)对厂区进行计算网格划分，通过使雨水管网下泄量和雨水在管网系统中的排出量相等，实现步骤(Ⅰ)的地表径流模型和步骤(Ⅱ)的管网水动力学模型在每个时间步长内的耦合计算，确定出厂区不同区域的积水深度，即地表水深。

2.  根据权利要求1所述的一种滨海核电厂厂区积水深度计算方法，其特征在于，
步骤(Ⅰ)中，所述地表径流模型包括地表水流连续性方程(1)和地表水流动力学方程，地表水流动力学方程包括X方向的动量方程(2)和Y方向的动量方程(3)：
∂h∂t+∂hu∂x+∂hv∂y=p-qg---(1);]]>
∂hu∂t+∂huu∂x+∂hvu∂y+gh∂z∂x+gn2hu2+v2uh4/3=∂∂x(hγt∂u∂x)+∂∂y(hγt∂u∂y)---(2);]]>
∂hv∂t+∂huv∂x+∂hvv∂y+gh∂z∂y+gn2hu2+v2vh4/3=∂∂x(hγt∂v∂x)+∂∂y(hγt∂v∂y)---(3);]]>
其中，
h表示地表水深；p表示降雨量；q_g表示雨水井下泄量；u、v分别表示 空间变量x、y方向的垂向平均速度；t表示时间变量；z表示越浪海水在厂区地面引起水面高程；γ_t表示紊动粘性系数；n表示地表糙率；
步骤(Ⅱ)中，所述雨水管网水动力模型包括雨水管网中水流连续性方程(4)和雨水管网中水流动量方程(5)以及管道中水流连续性方程方程(6)和管道中水流动量方程(7)：
ΣQi+Qj=AnjdYjdt---(4);]]>
AnjdYjdt=ΣQi(vi22g+Piγ+Zi)+QjHj-ΣQiKivi22g---(5);]]>
∂A∂t+∂Q∂x=q---(6);]]>
1gA∂Q∂t+1gA∂∂x(βAQ2)+cosθ∂∂x(Kh1)+(K-K′)h1cosθ1A∂A∂x=(s0-sf)+1γA∂T∂x+qUxgA---(7);]]>
其中：
Q_i表示第i个连接管道出入该节点的流量；
Q_j表示直接进入节点的变化的入流量或节点的抽水量或溢流量或渗漏量；
A_nj表示节点的水平断面面积；
t表示时间变量；
Y_j表示节点水深；
Z_i、P_i、v_i分别表示第i个管道出口的底高、大气压和速度；
H_j表示每单位容积入流的净能量输入，以水头的形式表示；
K_i表示第i个管道入口或出口的损失系数；
γ表示液体的容重；g表示重力加速度；
Q表示雨水在管网系统中的排出量；
x表示水流沿着管道长度方向移动的距离；
q表示单位长度管道的旁侧入流量；
A表示过水断面的面积；
h₁表示管道断面平均水深；
θ为管道与水平面的夹角；s_o为管道坡度，且s_o＝sinθ；
β表示动量变动改正系数；K和K'为非水力静态分布的改正系数；
T表示作用于过水断面的内部压力产生的作用力；
U_x表示x方向的旁侧入流流速；
s_f表示摩阻比降。

3.  根据权利要求2所述的一种滨海核电厂厂区积水深度计算方法，其特征在于，式(7)中，s_f采用下述式(8)计算：
sf=gn2Q2h14/3---(8);]]>
其中，g表示重力加速度，n表示地表糙率，Q表示雨水在管网系统中的排出量，h₁表示管道断面平均水深。

一种滨海核电厂厂区积水深度计算方法
技术领域
本发明属于积水深度计算技术领域，具体涉及一种滨海核电厂厂区积水深度计算方法。
背景技术
滨海核电厂根据厂区内构筑物的重要性不同，针对不同区域的雨水管网系统采用不同设计标准。核岛所在的主厂区采用千年一遇暴雨强度设计，可能最大暴雨强度进行校核。厂前区雨水管网系统按照一般大型工矿企业的设计标准设计。厂区构筑物屋顶设有屋面排水系统，来收集、输送和排泄雨水，厂区地面通过设置不同坡度引导雨水地面径流，最终厂区雨水通过地面设置的雨水口进入地下雨水管网系统，并最终排入大海。
由于恶劣的天气系统，如风暴或台风，除带来大量的降雨外，同时还可能会引起外海潮位的增长，外海在台风的影响下，波浪会巨大，台风会导致部分海水越过厂区的防护堤进入厂区，这部分越浪海水会在厂区地面产生漫流。由于厂区的雨水系统设计仅考虑降雨产生的地面雨水的排出，而未考虑到越浪海水的排出，同时也未考虑此时外海潮位很大，雨水管网出口位于海面以下，雨水的排水受到外海潮位的顶托，造成厂区雨水的排水不畅，从而可能导致厂区雨水以及越浪海水的滞留，引起厂区局部水淹。
发明内容
本发明的目的是提供一种同时考虑降雨(含雨水管网排放)以及越浪海水漫流情况的滨海核电厂厂区积水深度计算方法，为厂区防水淹提供基础数 据。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种滨海核电厂厂区积水深度计算方法，包括以下步骤：
(Ⅰ)根据核电厂厂区降雨情况、外海越浪、地面坡度和厂区地表固化情况,建立地表径流模型，所述地表径流模型用于表征地表水深与雨水管网下泄量的关系；
(Ⅱ)针对雨水管网排水过程，考虑雨水受外海海水的顶托作用，建立雨水管网水动力模型，所述雨水管网水动力模型用于表征地表水深与雨水在管网系统中的排出量的关系；
(Ⅲ)对厂区进行计算网格划分，通过使雨水管网下泄量和雨水在管网系统中的排出量相等，实现步骤(Ⅰ)的地表径流模型和步骤(Ⅱ)的管网水动力学模型在每个时间步长内的耦合计算，确定出厂区不同区域的积水深度，即地表水深。
进一步，步骤(Ⅰ)中，所述地表径流模型包括地表水流连续性方程(1)和地表水流动力学方程，地表水流动力学方程包括X方向的动量方程(2)和Y方向的动量方程(3)：
∂h∂t+∂hu∂x+∂hv∂y=p-qg---(1);]]>
∂hu∂t+∂huu∂x+∂hvu∂y+gh∂z∂x+gn2hu2+v2uh4/3=∂∂x(hγt∂u∂x)+∂∂y(hγt∂u∂y)---(2);]]>
∂hv∂t+∂huv∂x+∂hvv∂y+gh∂z∂y+gn2hu2+v2vh4/3=∂∂x(hγt∂v∂x)+∂∂y(hγt∂v∂y)---(3);]]>
其中：
h表示地表水深；p表示降雨量；q_g表示雨水井下泄量；u、v分别表示空间变量x、y方向的垂向平均速度；t表示时间变量；z表示越浪海水在厂 区地面引起水面高程；γ_t表示紊动粘性系数；n表示地表糙率；
步骤(Ⅱ)中，所述雨水管网水动力模型包括雨水管网中水流连续性方程(4)和雨水管网中水流动量方程(5)以及管道中水流连续性方程方程(6)和管道中水流动量方程(7)：
ΣQi+Qj=AnjdYjdt---(4);]]>
AnjdYjdt=ΣQi(vi22g+Piγ+Zi)+QjHj-ΣQiKivi22g---(5);]]>
∂A∂t+∂Q∂x=q---(6);]]>
1gA∂Q∂t+1gA∂∂x(βAQ2)+cosθ∂∂x(Kh1)+(K-K′)h1cosθ1A∂A∂x=(s0-sf)+1γA∂T∂x+qUxgA---(7);]]>
其中：
Q_i表示第i个连接管道出入该节点的流量；
Q_j表示直接进入节点的变化的入流量或节点的抽水量或溢流量或渗漏量；
A_nj表示节点的水平断面面积；
t表示时间变量；
Y_j表示节点水深；
Z_i、P_i、v_i分别表示第i个管道出口的底高、大气压和速度；
H_j表示每单位容积入流的净能量输入，以水头的形式表示；
K_i表示第i个管道入口或出口的损失系数；
γ表示液体的容重；g表示重力加速度；
Q表示雨水在管网系统中的排出量；
x表示水流沿着管道长度方向移动的距离；
q表示单位长度管道的旁侧入流量；
A表示过水断面的面积；
h₁表示管道断面平均水深；
θ为管道与水平面的夹角；s_o为管道坡度，且s_o＝sinθ；
β表示动量变动改正系数；K和K'为非水力静态分布的改正系数；
T表示作用于过水断面的内部压力产生的作用力；
U_x表示x方向的旁侧入流流速；
s_f表示摩阻比降。
再进一步，式(7)中，s_f采用下述式(8)计算：
sf=gn2Q2h4/3---(8);]]>
其中，g表示重力加速度，n表示地表糙率，Q表示雨水在管网系统中的排出量，h₁表示管道断面平均水深。
本发明通过对厂区降雨和厂区外围海水越浪造成的影响进行组合计算，得到同时考虑了外海洪水影响的不同降雨强度下厂区的不同区域的积水深度，所得到的积水深度的数值更加科学合理，能够有针对性地对核电厂重要构筑物提出防洪预案和防洪措施，可大大提高厂区的防洪能力。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述。
本发明所提供的一种滨海核电厂厂区积水深度计算方法，包括以下步骤：
第一步，根据核电厂厂区降雨、外海越浪、地面坡度和厂区地表固化情况(是指与地表径流系数有关的因素，如硬化比例，绿化情况，反映了降雨在地表汇流和下渗的特征),建立用于表征地表水深与雨水管网下泄量的关系的地表径流模型。
本发明中，所建立的地表径流模型包括地表水流连续性方程(1)和地表 水流动力学方程，地表水流动力学方程包括X方向的动量方程(2)和Y方向的动量方程(3)：
∂h∂t+∂hu∂x+∂hv∂y=p-qg---(1);]]>
∂hu∂t+∂huu∂x+∂hvu∂y+gh∂z∂x+gn2hu2+v2uh4/3=∂∂x(hγt∂u∂x)+∂∂y(hγt∂u∂y)---(2);]]>
∂hv∂t+∂huv∂x+∂hvv∂y+gh∂z∂y+gn2hu2+v2vh4/3=∂∂x(hγt∂v∂x)+∂∂y(hγt∂v∂y)---(3);]]>
其中：p表示降雨量；q_g表示雨水井下泄量(即雨水管网下泄量)；u、v分别表示空间变量x、y方向的垂向平均速度；t表示时间变量；z表示越浪海水在厂区地面引起水面高程；h表示地表水深；γ_t表示紊动粘性系数；n表示地表糙率(可直接根据室外给排水规范选取)。
可根据计算区域情况确定厂区地表边界类型、边界越浪海水和降雨强度p，通过建筑物的产汇流计算及海水在地面漫流情况确定雨水在地面引起地表水深h、越浪海水在地面引起水面高程z h和雨水井下泄量q_g。
上述偏微分方程组是一个抛物型偏微分方程，可以用六点差分格式求解。
第二步，针对雨水管网排水过程，考虑雨水受外海海水的顶托作用，建立用于表征地表水深与雨水在管网系统中的排出量的关系的雨水管网水动力模型。
本发明中，所建立的雨水管网水动力模型包括雨水管网中水流连续性方程(4)和雨水管网中水流动量方程(5)以及管道中水流连续性方程方程(6)和管道中水流动量方程(7)：
ΣQi+Qj=AnjdYjdt---(4);]]>
AnjdYjdt=ΣQi(vi22g+Piγ+Zi)+QjHj-ΣQiKivi22g---(5);]]>
∂A∂t+∂Q∂x=q---(6);]]>
1gA∂Q∂t+1gA∂∂x(βAQ2)+cosθ∂∂x(Kh1)+(K-K′)h1cosθ1A∂A∂x=(s0-sf)+1γA∂T∂x+qUxgA---(7);]]>
其中：
Q_i表示第i个连接管道出入该节点的流量；Q_j表示直接进入节点的变化的入流量或节点的抽水量或溢流量或渗漏量；A_nj表示节点的水平断面面积；t表示时间变量；Y_j表示节点水深；Z_i、P_i、v_i分别表示第i个连接管道出口的底高、大气压和速度；H_j表示每单位容积入流的净能量输入，以水头的形式表示；K_i表示第i个连接管道入口或出口的损失系数；γ表示液体的容重；g表示重力加速度；Q表示雨水在管网系统中的排出量；x表示水流沿着管道长度方向移动的距离；q表示单位长度管道的旁侧入流量；A表示过水断面的面积；h₁表示管道断面平均水深；θ为管道与水平面的夹角；s_o为管道坡度，且s_o＝sinθ；β表示动量变动改正系数；K和K'为非水力静态分布的改正系数；T表示作用于过水断面的内部压力产生的作用力；U_x表示x方向的旁侧入流流速；s_f表示摩阻比降。
其中，式(7)中的s_f采用下述式(8)计算：
sf=gn2Q2h14/3---(8);]]>
其中，g表示重力加速度，n表示地表糙率，Q表示雨水在管网系统中的排出量，h₁表示管道断面平均水深。
在这一步中，可根据雨水管网设计图纸资料，确定雨水管网计算节点的深度Y_j、节点的水平断面面积A_nj、连接管道出口的底高Z_i、大气压P_i和速度v_i，雨水在管网系统中的排出量Q等，计算雨水在管网中的流动情况。
第三步，对厂区进行计算网格划分，通过使雨水管网下泄量q_g和雨水在 管网系统中的排出量Q相等，实现第一步的地表径流模型和第二步的管网水动力学模型在每个时间步长内的耦合计算，确定出厂区不同区域的积水深度数值。
根据滨海核电厂海域地理环境，厂区可分为多个区段，由厂区各个区段所处的位置分别确定防洪护堤设计标准。厂区护堤护面结构在不同的堤段采用不同的结构形式，以节省工程投资。
厂区内不同区段的积水深度跟各个区段所处的位置有关，因此计算积水深度时要对厂区进行计算网格划分，对不同的区段，使用不同的初始条件和边界条件求解。
上述实施例只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。