劉志遠(yuǎn)，蘇昕，李澤

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.中國交建海岸工程水動力重點實驗室，天津 300222）

HHT方法在核電廠泵房前池水面波動數(shù)據(jù)分析中的應(yīng)用

劉志遠(yuǎn)1，2，蘇昕1，李澤1，2

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.中國交建海岸工程水動力重點實驗室，天津 300222）

結(jié)合工程實際，在國內(nèi)首次采用希爾伯特-黃（HHT）變換方法，對疊加短周期波動的取水泵房前池長周期水面波動過程線進(jìn)行解析?；诤穗娙∨潘髑贾梅桨?，按照HHT變換方法對工程全部建成后各泵房前池的水面過程線進(jìn)行分析。對于最終工程平面布置方案，在DBF水位及其對應(yīng)可能最大臺風(fēng)浪工況下以及在設(shè)計高水位、100 a一遇波浪作用下，均滿足泵房取水對水面波動的要求。HHT變換方法為今后更準(zhǔn)確可靠地對核電廠址取水泵房前池水面波動過程線進(jìn)行數(shù)據(jù)分析提供了重要參考作用。

核電廠；HHT變換；數(shù)據(jù)分析；泵房前池；水面波動；物理模型試驗

1 研究目的和內(nèi)容

隨著國際能源供應(yīng)形勢日趨緊張和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，全世界都在加快對清潔能源的開發(fā)和利用，以滿足電力需求的快速增長和更好地保護(hù)環(huán)境。核電因其資源消耗少、環(huán)境影響小和供應(yīng)穩(wěn)定、技術(shù)成熟等優(yōu)點備受各國青睞，成為越來越重要的電力供應(yīng)來源。大力發(fā)展核電，已經(jīng)成為我國滿足電力需求快速增長，促進(jìn)節(jié)能減排，實現(xiàn)能源節(jié)約型，資源友好型社會目標(biāo)的必然戰(zhàn)略選擇。與此同時，國內(nèi)針對核電廠址取排水工程的物理模型試驗研究也正在大量開展[1-3]。

本次試驗研究依托工程為國內(nèi)某核電廠址，電廠各種堆型核電機(jī)組冷卻水系統(tǒng)采用以海水為水源的直流冷卻供水系統(tǒng)。為配合核電廠址海工工程設(shè)計，開展本次波浪整體物理模型試驗研究工作。

通過波浪整體物理模型試驗，為海工構(gòu)筑物布置及斷面設(shè)計提供依據(jù)和方向。要求在給定水位、波浪作用下，測定各特征點處海工構(gòu)筑物前波浪要素；在工程全部建成后，分別測定了在所要求水位、波浪作用時，機(jī)組各運行條件下明渠內(nèi)不同特征點位置處的波高分布情況、泵房前池水面波動情況以及相關(guān)海工建筑物的越浪和次生波情況，并根據(jù)泵房前池和港池波高控制要求，對平面布置和堤頂標(biāo)高提出優(yōu)化建議；測定正常運行條件下，取水明渠內(nèi)長周期波波高和周期，對消減長周期波提出建議。

2 研究方法

2.1 試驗研究方法

模型按重力相似律及JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗規(guī)程》[4]的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行模擬，綜合考慮試驗水池和建筑物結(jié)構(gòu)的尺度[5]、模型應(yīng)包括的范圍、波浪要素與試驗儀器測量精度等因素，確定本次整體物理模型的幾何比尺λ為140，進(jìn)行正態(tài)比尺模型試驗。物理模型試驗中在每一取水泵房前池布置波高傳感器，模擬取水流量的同時進(jìn)行造波，同步測定其水面波動是否滿足取水對泵房前池水面波動的要求。

本次試驗在國內(nèi)首次采用希爾伯特-黃（HHT）變換方法，對疊加短周期波動的取水泵房前池長周期水面波動過程線進(jìn)行解析。首先，將水面波動過程線進(jìn)行分離，得出9組不同周期成分且周期逐漸增大的子波列；再以平均周期30 s為分界，將拆分出的9組子波列進(jìn)行重新疊加組合，分別得到長周期波動和短周期波動的過程線；最后，使用“跨零點分析法”分別統(tǒng)計出長周期波動的H1/3值和短周期波動的H1/3值。

2.2 HHT方法簡介

1998年，Norden E.Huang等人提出了經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法，并引入了Hilbert譜的概念和Hilbert譜分析的方法，美國國家航空和宇航局（NASA）將這一方法命名希爾伯特-黃變換[6]。

HHT主要內(nèi)容包含兩部分，第一部分為經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解，第二部分為Hilbert譜分析。HHT處理非平穩(wěn)信號的基本過程是：首先利用EMD方法將給定的信號分解為若干固有模態(tài)函數(shù)；然后，對每一個分量進(jìn)行Hilbert變換，得到相應(yīng)的Hilbert譜；最后，匯總所有分量的Hilbert譜就會得到原始信號的Hilbert譜。HHT能分析非線性非平穩(wěn)信號，并具有完全自適應(yīng)性[7]。

傅立葉變換及小波變化也可用于水面過程的分析及處理，HHT變換方法與傅立葉變換及小波變化相比，能夠更好地處理非線性非平穩(wěn)信號，同時對非線性非平穩(wěn)信號也能夠進(jìn)行分析，這一點是傅立葉變換及小波變化無法做到的。HHT與傳統(tǒng)傅里葉變換相比，HHT具有完全自適應(yīng)性，不受Heisenberg測不準(zhǔn)原理制約，瞬時頻率采用求導(dǎo)得到[7]。

3 HHT方法在泵房前池數(shù)據(jù)分析中的應(yīng)用

3.1 試驗數(shù)據(jù)的采集及處理

試驗前在取水明渠、排水明渠及取水泵房前池位置處共設(shè)置了28個測點，分別進(jìn)行了5個浪向的試驗，測定在不同水位、可能最大臺風(fēng)浪及重現(xiàn)期100 a一遇波浪作用下明渠內(nèi)及泵房前池各測點的波高。

在波浪平穩(wěn)條件下，試驗中采集130個以上的波進(jìn)行各項試驗內(nèi)容的統(tǒng)計分析。每組試驗至少采集3次，取其平均值作為試驗的結(jié)果。

3.2 泵房前池水面波動數(shù)據(jù)分析

根據(jù)以往核電項目的研究經(jīng)驗[8]，由于泵房前池近似封閉水域，波浪從取水明渠口門進(jìn)入該水域，造成水體震蕩，導(dǎo)致泵房前池處產(chǎn)生長周期水面波動，長周期水面波動的周期一般在幾十到100多s，水面升降幅度依進(jìn)入取水明渠內(nèi)的波浪能量而變化，一般而言，從口門進(jìn)入的波能越多，水面升降幅度越大，波動周期也越長。水面波動過程呈現(xiàn)長周期波動的同時，又載有短周期波浪波動現(xiàn)象，長周期水面波動線上的小波動的波高才是真正的波浪波高，其周期大體上相當(dāng)于從口門傳入的波浪的周期。

取水明渠內(nèi)泵房前池處的水面波動對取水設(shè)施有較大影響，受到工程建設(shè)和設(shè)計人員的關(guān)注，因此需要對泵房前池處的水面波動進(jìn)行詳細(xì)分析。現(xiàn)以E向、DBF水位（設(shè)計基準(zhǔn)洪水位）、100 a一遇波浪組合工況條件下，南取水明渠內(nèi)部1、2號機(jī)組循環(huán)泵房前池處F測點的水面波動過程為例，介紹本次試驗中對泵房前池水面波動數(shù)據(jù)的分析方法。

3.2.1 泵房前池水面波動過程線

圖1中為南取水明渠內(nèi)部1、2號機(jī)組泵房前池處F測點的水面波動過程線。

圖1 泵房前池F測點處水面過程線Fig.1 Water-level fluctuation at point F of the pump-station's distributing pool

由圖1可知：

1）泵房前池處存在長周期水面波動；

2）在水面長周期波動中，夾雜著許多短周期波動，且波高相對較小。

3.2.2 水面波動過程線的濾波分析

泵房前池內(nèi)的短周期波動對取水設(shè)施的正常工作影響很大，因此短周期波動的波高是設(shè)計中的重要參數(shù)。但泵房前池內(nèi)的水面過程中，短周期波動是疊加在長周期波動上的，因而難以用常規(guī)的“跨零點分析法”分析得到。同時，由于短周期波動的存在，導(dǎo)致在使用“跨零點分析法”分析長周期波動時，會將部分跨零的短周期波動考慮在內(nèi)，從而低估了長周期波動的波高，使得試驗結(jié)果偏危險。所以，有必要采用適當(dāng)?shù)臑V波方法對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，從而分別得到短周期波動和長周期波動的統(tǒng)計特征。

圖2 HHT濾波分析圖Fig.2 HHT filtering analysis diagram

本次試驗采用已應(yīng)用廣泛的希爾伯特-黃（HHT）變換方法對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，該方法具有自適應(yīng)性，而且是對非線性非平穩(wěn)數(shù)據(jù)分析的有效工具，在非線性系統(tǒng)、水波分析、風(fēng)速分析、潮汐和海嘯分析、地震分析等領(lǐng)域中已有廣泛的應(yīng)用[9]。

采用HHT變換方法，將南取水明渠內(nèi)部1號、2號機(jī)組循環(huán)泵房前池F測點處水面波動過程進(jìn)行解析（采用的組合工況為：E向、DBF水位、100 a一遇波浪），分離得出9組子波列，這9組子波列的組合疊加即為原始水面波動過程，至此已將原始波列解析為不同周期成分的子波列。9組子波列的周期逐漸增大，圖2中列出4組典型子波列。

3.2.3 對各子波列進(jìn)行統(tǒng)計分析

分別對9個子波列進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到各子波列的特征波高H1/3以及平均周期，圖3中，以子波列的平均周期為橫坐標(biāo)，以子波列的H1/3波高為縱坐標(biāo)，得出9組子波列的波高隨波周期的分布。從分布圖中可知，該測點的原始水面波動過程中，平均周期在30 s以下的子波列的波高較?。ň∮?.1 m），而平均周期在30 s以上的子波列的波高相對較大，其中，平均周期在200 s左右的子波列的波高最大，但仍然小于0.5 m。

圖3 F測點各子波列的波高-周期分布圖Fig.3 Distribution of wave height-wave period at the wave train of point F

3.2.4 長周期與短周期波動的波高值統(tǒng)計

通過分析原始水面波動中各子波動的統(tǒng)計特征，對不同周期的子波動波高有了清楚的認(rèn)識，為了提供長周期波動波高和短周期波動波高這兩個參數(shù)，仍需通過設(shè)定界限來區(qū)分長周期波動和短周期波動。依據(jù)相關(guān)規(guī)定并結(jié)合工程實際，本次試驗中認(rèn)定在子波列中平均周期≥30 s的波動屬于長周期波，平均周期<30 s的波動屬于短周期波，并重新將原始波列進(jìn)行解析，分別得到長周期波動和短周期波動的過程線，見圖4和圖5。最后使用“跨零點分析法”分別統(tǒng)計出長周期波動的H1/3值以及短周期波動的H1/3值。

圖4 長周期波動過程線Fig.4 Water-level fluctuation caused by long-period wave

圖5 短周期波動過程線Fig.5 Water-level fluctuation caused by short-period wave

4 研究成果

工程全部建成后，各取水泵房距離口門較遠(yuǎn)，且明渠的布置較為曲折，在不同方向波浪作用下，導(dǎo)流堤雖有越浪，但次生波對泵房前池水面波動影響較小，并且進(jìn)入取水明渠的波浪在傳至泵房前池的過程中有顯著的衰減，到達(dá)各泵房前池處的波動幅度都較小。針對試驗結(jié)果，基于最終核電取排水明渠布置方案，按照HHT變換方法對工程全部建成后各泵房前池的水面過程線進(jìn)行分析，DBF水位及其對應(yīng)可能最大臺風(fēng)浪工況下，泵房前池測點處的綜合波高和短周期小波動波高均滿足H1/3≤1.5 m的控制標(biāo)準(zhǔn)；在設(shè)計高水位、100 a一遇波浪作用下，各泵房前池內(nèi)的綜合波高和短周期波波高均滿足H1/3≤0.5 m的控制標(biāo)準(zhǔn)。最終海工平面布置及堤頂標(biāo)高條件滿足泵房安全取水的要求。

在各方向波浪作用時，DBF水位下3座泵房前的波峰面高程均不超過泵房廠坪標(biāo)高（9.0 m），并沒有水體漫過取水泵房廠坪，不會對核電廠區(qū)的安全造成威脅。

相關(guān)試驗研究成果通過了全國港口水運行業(yè)知名專家組成的專家組的審查和驗收，并受到建設(shè)單位、設(shè)計單位的一致好評?！秾＜以u審意見》認(rèn)為：本次波浪整體物理模型試驗中，采用的希爾伯特-黃（HHT）變換方法對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，對泵房前池處的長周期與短周期波動進(jìn)行了分離和統(tǒng)計分析，試驗手段先進(jìn)，并具有創(chuàng)新點。

5 結(jié)語

1）本次試驗是國內(nèi)首次采用希爾伯特-黃（HHT）變換方法對泵房前池水面波動試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，將泵房前池測點處水面波動過程線解析、分離，得出9組不同周期成分且周期逐漸增大的子波列，通過分析各子波動的統(tǒng)計特征，對不同周期的子波動波高有了更清晰和深入的認(rèn)識。采用HHT方法對水面過程進(jìn)行濾波后的濾波效果較好，可對子波列繼續(xù)進(jìn)行濾波，結(jié)果表明該方法能夠準(zhǔn)確的對原始波列進(jìn)行濾波。

2）以平均周期30 s作為長短周期波動的分界點，將拆分出的9組子波列進(jìn)行重新組合，分別得到長周期波動和短周期波動的過程線。再對得到的2組過程線分別進(jìn)行統(tǒng)計。為提高疊加短周期波動的長周期水面波動過程線的數(shù)據(jù)分析精確度和可靠性探索出了一條行之有效的新途徑。

[1]中交天津港灣工程研究院有限公司.石島灣核電廠址海工工程波浪整體物理模型試驗研究報告[R].天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2012. CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.the test report of wave physical model test for Shidao bay nuclear power station engineering[R].Tianjin:CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.，2012.

[2]中交天津港灣工程研究院有限公司.廣東陸豐核電廠海工工程波浪整體物理模型試驗研究報告[R].天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2011. CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.the test report of wave physical model test for Guangdong Lufeng nuclear power station engineering[R].Tianjin:CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.，2011.

[3]中交天津港灣工程研究院有限公司.山東海陽核電廠海工工程整體物理模型試驗報告[R].天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2008. CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.the test report of wave physical model test for Shandong Haiyang nuclear power station engineering[R].Tianjin:CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,2008.

[4] JTJ/T 234—2001，波浪模型試驗規(guī)程[S]. JTJ/T 234—2001,Wave model test regulatian[S].

[5] JTS 154-1—2011，防波堤設(shè)計與施工規(guī)范[S]. JTS 154-1—2011,Code of design and construction of breakwater [S].

[6] HUANG N E,SHEN Z,LONG S R,et al.The empirical mode decomposition and the Hilbert spectrum for nonlinear and nonstationary time series analysis[J].Proceedings:Mathematical,Physical and Engineering Science,1998,454:903-995.

[7] HUANG W,YUAN C F.Use of intrinsic modes in biology:examples of indicial response of pulmonary blood pressure to±step hypoxia[J].Proceedings of the National Academy of Science of the USA,1998,95(22):12 766-12 771.

[8] 侯樹強(qiáng)，王彥龍，劉詩華.濱海核電廠取水泵房前池水位波動控制標(biāo)準(zhǔn)的探討[J].中國港灣建設(shè)，2014（11）：4-7. HOU Shu-qiang,WANG Yan-long,LIU Shi-hua.Control standards for water-level fluctuation on pump-station's distributing pool of coastal nuclear power station[J].China Harbour Engineering, 2014(11):4-7.

[9] HUANG N E，SHEN Z，LONG S R.A new view of nonlinear water waves：the Hilbert spectrum[J].Annual Review of Fluid Mechanics, 2003,31（1）：417-507.

Application of Hilbert Huang Transform (HHT)method in the data analysis of water-level fluctuation in pump-station's distributing pool of nuclear power station

LIU Zhi-yuan1，2,SU Xin1,Li Ze1，2
（1.CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China; 2.Key Laboratory of Coastal Engineering Hydrodynamics,CCCC,Tianjin 300222,China）

Combined with practical engineering,we superimposed short period wave in pump-station's distributing pool and resolved long-period surface wave process line by Hilbert Huang Transform (HHT)method for the first time in China.Based on the intake and drainage channel layout of nuclear power,we analyzed water-level process line in pump-station's distributing pool according to HHT method.Under the condition of Design Basis Flood level and its corresponding to the possible maximum typhoon wave,as well as in the action of the design of high water level and 100 years recurrence high tide level,the final project layout scheme meets the requirements of water-level fluctuation on pump-station's distributing pool.The HHT method will play an important role to make the data analysis of water-level fluctuation process line in pump-station's distributing pool of nuclear power station more accurate and reliable.

nuclear power station;Hilbert Huang Transform(HHT)method;data analysis;distributing pool of the pumpstation;fluctuation;physical model test

U652.73

A

2095-7874（2016）12-0045-05

10.7640/zggwjs201612009

2016-07-13

2016-09-04

劉志遠(yuǎn)（1987— ），男，遼寧撫順人，工程師，碩士研究生，港口航道與海岸工程專業(yè)。E-mail：526593838@qq.com