兩處濱海核電擬選址站歷史水溫特征分析及全球變暖背景下水溫預(yù)估

譚晶，陳幸榮，張志華

(國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京100081)

1 引言

人類(lèi)賴(lài)以生存的地球正在超負(fù)荷運(yùn)行。不僅人口在增長(zhǎng)，而且社會(huì)發(fā)展對(duì)能源的需求正以驚人的速度增長(zhǎng)。而靠大量燃燒石化燃料獲得能源的同時(shí)，也給現(xiàn)代社會(huì)帶來(lái)了許多難以解決的災(zāi)難性問(wèn)題。例如能量資源短缺，大量燃燒化石燃料、森林過(guò)度砍伐等給生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的損害，大氣、水系、土壤污染日益嚴(yán)重，二氧化碳增多導(dǎo)致的溫室效應(yīng)使極端氣候事件頻發(fā)。在保護(hù)和改善環(huán)境的前提下開(kāi)發(fā)利用新興能源，是人類(lèi)生存和社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。20 世紀(jì)30年代，隨著對(duì)原子核研究的深入，人類(lèi)發(fā)現(xiàn)了原子核內(nèi)蘊(yùn)藏著巨大的可開(kāi)發(fā)的能量，并開(kāi)始和平利用原子能的研究。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的努力，迄今世界上已有30 多個(gè)國(guó)家建造核電站440 多座，發(fā)電量占全球的18%[1-4]。與火電相比，核電是廉價(jià)、潔凈、安全的能源。隨著將來(lái)受控?zé)岷司圩兊某晒?，核能必然成為未?lái)的能源支柱。

最終熱阱主要指接受核電廠所排出余熱的水體[5]。由于核電廠的熱效率比火電廠低，因此核電廠冷卻水量應(yīng)比同樣容量的火電廠大，通常是火電廠冷卻用水的6倍。一般核電廠均建在有充分水源的江、河、湖、海邊。但是，由于全球變暖，使得全球水溫進(jìn)一步升高，必將增大核電站運(yùn)營(yíng)的安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)降低核電站的效率，據(jù)報(bào)道，2003—2009年的夏季，歐洲和美國(guó)的多個(gè)內(nèi)陸核電廠均出現(xiàn)了因?yàn)槿鄙倮鋮s水而被迫停運(yùn)的狀況。據(jù)預(yù)測(cè)，因?yàn)槔鋮s水的缺乏，2030—2060年核電和火力發(fā)電能力將在美國(guó)下降4%—16%、在歐洲下降6%—19%[6]。由于海洋的巨大熱容量，核電站選址放在海邊是應(yīng)對(duì)氣候變暖有效的、重要的策略[7]。隨著我國(guó)核電站建設(shè)步伐的加快，為適應(yīng)眾多核電廠址不同水源和氣象條件下建廠，解決重要廠用水系統(tǒng)設(shè)計(jì)條件的問(wèn)題，針對(duì)電廠所在區(qū)域水體歷史溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析以及對(duì)電廠服役的未來(lái)幾十年間水體溫度可能的變化范圍進(jìn)行預(yù)估是建設(shè)核電廠前期一項(xiàng)重要的調(diào)研和論證環(huán)節(jié)，通過(guò)這些分析為核電站最終熱阱設(shè)計(jì)提供重要的參數(shù)。

本文通過(guò)對(duì)濱海擬選核電選站廠址歷史水溫的累積頻率和頻率分析，得到過(guò)去幾十年選址站的水溫變化情況，并通過(guò)CCSM3氣候模式預(yù)估電站服役期間由于全球變暖所引起的廠址處的水體溫度可能的變化值，為核電站最終熱阱設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 核電站最終熱阱水源水溫特征分析

2.1 核電站最終熱阱水源地的選取

本研究擬選兩處濱海核電廠址，分別為廣東烏嶼和廣西防城港，其中廣東烏嶼的最終熱阱水源地為廣東省揭陽(yáng)市惠來(lái)縣南海海門(mén)灣，因?yàn)樵撎帥](méi)有常規(guī)的水溫觀測(cè)，但是距離該廠址最近的國(guó)家級(jí)測(cè)站是云澳海洋站，兩處相距很近，且處在相近的氣候環(huán)境條件之中，因此可用云澳海洋站水溫代表海門(mén)灣處水溫。另一處濱海核電廠址廣西防城港的最終熱阱水源地為廣西防城港光坡鎮(zhèn)南海北部灣，距離該廠址最近的海洋觀測(cè)站是防城港海洋站，也同樣因?yàn)閮商幪幱谙嗨频臍夂颦h(huán)境條件之中，因此可用防城港海洋站水溫代表核電廠址處水溫。

2.2 核電選址站水溫累積頻率的計(jì)算

某氣象要素值小于或大于某一數(shù)值的可靠程度，也稱(chēng)保證率，通常以某氣象要素在長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)小于或大于某一數(shù)值的累積頻率來(lái)表示[8]。常用分組法計(jì)算保證率，首先將氣象要素值分為幾組，統(tǒng)計(jì)各組出現(xiàn)的次數(shù)，計(jì)算各組出現(xiàn)的頻率，然后將各組的頻率依次累加，其累積頻率就是保證率。隨機(jī)變量各個(gè)不同的值x1，x2，…，xi，…，xp的頻率，按隨機(jī)變量取值大小順序累加起來(lái)所得到的頻率和，即它可以綜合反映隨機(jī)變量小于（或大于）某一個(gè)數(shù)值時(shí)的出現(xiàn)頻率。

將兩個(gè)濱海核電站的1999—2008年夏季6、7、8月的逐日最高水溫進(jìn)行頻率和累積頻率計(jì)算（鑒于核電站安全性的考慮，采用從高溫到低溫的向下累積），每個(gè)測(cè)站可能有幾天缺測(cè)資料，實(shí)際計(jì)算時(shí)就按已有資料來(lái)統(tǒng)計(jì)（如表1，云澳站總共為918天，缺測(cè)2 天）。以0.5℃為間隔進(jìn)行樣本的分組，如云澳站的逐日最高水溫分布范圍為22.0℃—31.5℃，以0.5℃為間隔，可以把所有的樣本分為19組，這樣可以算出每一組樣本占總樣本的頻率百分比，進(jìn)而可以統(tǒng)計(jì)出累積頻率的百分比（見(jiàn)表1）。

根據(jù)表1 統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，可以畫(huà)出云澳站1999—2008年6、7、8月逐日最高水溫的累積頻率曲線，如圖1 所示，根據(jù)曲線就可以得出根據(jù)具體工程需要的任意累積頻率所對(duì)應(yīng)的最高水溫范圍。

表1 云澳站1999—2008年6、7、8月逐日最高水溫分組統(tǒng)計(jì)及每一組占總樣本的頻率和累積頻率

圖1 云澳站1999—2008年6、7、8月逐日最高水溫累積頻率曲線

圖2 防城港站1999—2008年6、7、8月逐日最高水溫累積頻率曲線

按照同樣的統(tǒng)計(jì)方法，可以得到防城港站的1999—2008年6、7、8月逐日最高水溫的分組統(tǒng)計(jì)及每一組占總樣本的頻率和累積頻率，見(jiàn)表2，根據(jù)表2可以畫(huà)出防城港站的累積頻率曲線圖（見(jiàn)圖2）。

按照核電站工程建設(shè)的要求，一般統(tǒng)計(jì)累積頻率1%、2%和10%所對(duì)應(yīng)的水溫范圍，根據(jù)圖1 和圖2，可以得出兩站1%、2%、10%累積頻率的水溫范圍（見(jiàn)表3）。

表2 防城港站1999—2008年6、7、8月逐日最高水溫分組統(tǒng)計(jì)及每一組占總樣本的頻率和累積頻率

表3 云澳站和防城港站1%、2%、10%累積頻率的水溫范圍

2.3 頻率1%、2%及10%的水溫計(jì)算

以上是對(duì)擬選的兩處濱海核電站1999—2008年最熱季節(jié)（6、7、8月）逐日最高水溫進(jìn)行累積頻率分析的結(jié)果。實(shí)際工程中，出于安全性的考慮，還常常需要對(duì)選址站水源地歷史上出現(xiàn)的比較極端的高水溫進(jìn)行考察，此分析常采用頻率（重現(xiàn)期）分析法[9-10]，本研究采用皮爾遜Ⅲ型方法[11-13]，對(duì)歷史觀測(cè)資料進(jìn)行頻率分析，計(jì)算頻率為1%、2%和10%的水溫（即百年一遇、五十年一遇和十年一遇水溫）。

2.3.1 皮爾遜Ⅲ型方法簡(jiǎn)介

皮爾遜Ⅲ型密度函數(shù)為：

式（1）中，Г（α）是α的伽瑪函數(shù)，α、β、v0是參數(shù)；,

式（2-3）中，s為均方差（或稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn)差），n為資料序列的長(zhǎng)度，為平均溫度，vi為序列中第i年的最高溫度。

根據(jù)Cv、Cs計(jì)算出各種概率下的最大溫度計(jì)算值，點(diǎn)繪在概率格紙上，依次連接各點(diǎn)，劃出一條光滑的曲線，就可以由曲線得到頻率分別為1%、2%及10%（即百年一遇、五十年一遇和十年一遇）的水溫值。

2.3.2 計(jì)算結(jié)果

由于進(jìn)行頻率分析要求資料的長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)，防城港站只有10年的資料，用來(lái)做頻率分析不符合規(guī)范要求，而目前只有云澳站有30年水溫資料，因此這里只對(duì)云澳站做頻率（重現(xiàn)期）分析。取該站的最熱季節(jié)（6、7、8月）日平均水溫?cái)?shù)據(jù)，得到1979—2008年每年的水溫極大值，見(jiàn)表4。然后依據(jù)已經(jīng)建立的極大值序列，采用皮爾遜Ⅲ型方法計(jì)算頻率分別為1%、2%及10%（即百年一遇、50年一遇及10年一遇）時(shí)的溫度值，為合理選定設(shè)計(jì)值提供參考。

表4 云澳站歷年水溫極大值（單位/℃）

圖3 云澳海洋站水溫皮爾遜Ⅲ型方法頻率（重現(xiàn)期）圖（圖中圓圈為實(shí)測(cè)值）

再使用前述的皮爾遜Ⅲ型方法計(jì)算出相應(yīng)的頻率曲線（見(jiàn)圖3），由該頻率曲線可以讀出1 %、2 %以及10 %（即百年一遇、五十年一遇和十年一遇）各頻率對(duì)應(yīng)的水溫值。

根據(jù)皮爾遜Ⅲ型方法計(jì)算結(jié)果：云澳海洋站頻率1 %、2 %和10 %水溫分別為30.8℃、30.6℃和30.0℃，見(jiàn)表5。

表5 云澳海洋站水溫皮爾遜Ⅲ型方法計(jì)算結(jié)果

3 未來(lái)60年擬選核電廠址地水源水溫變化情況預(yù)估

3.1 CCSM3模式模擬性能驗(yàn)證

使用CCSM3 模式進(jìn)行核電站廠址地水源水溫未來(lái)變化情況預(yù)估之前，需要對(duì)該模式的模擬性能進(jìn)行驗(yàn)證。本研究使用CCSM3 模式來(lái)做不同CO2排放情形下1870—2000年間的后報(bào)試驗(yàn)。一種假設(shè)情形是CO2保持1870年排放水平不變，另一種是CO2按照觀測(cè)的排放水平來(lái)進(jìn)行模擬，最后將模擬的全球海溫平均和觀測(cè)海溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。圖4中黑線為CO2保持1870年水平強(qiáng)迫模式的結(jié)果，可以看到，在CO2保持相對(duì)低水平的情況下，全球海溫130年來(lái)基本沒(méi)有明顯變暖；紅線為以觀測(cè)CO2濃度強(qiáng)迫模式模擬結(jié)果，對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)（圖中綠線，數(shù)據(jù)來(lái)自英國(guó)HadISST 中心）可以發(fā)現(xiàn)，130年模擬海溫增長(zhǎng)趨勢(shì)與觀測(cè)結(jié)果是一致的，增長(zhǎng)幅度約0.5 ℃，也與觀測(cè)相符。模擬平均海溫比觀測(cè)值略低0.3—0.4 ℃，這是目前海氣耦合模式普遍存在的問(wèn)題，并不影響對(duì)溫度變化趨勢(shì)的研究。

圖4 不同CO2排放情形下模擬和實(shí)測(cè)全球平均海溫對(duì)比

圖5 廣東烏嶼海表溫度距平隨時(shí)間變化

表6 2001—2070年，RP01，RP02情形下廣東烏嶼夏季（6、7、8月）海表溫度的增幅（單位/℃)

在模擬試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，從2001年1月開(kāi)始，進(jìn)行CO2濃度分別以每年1%、2%的增長(zhǎng)速度進(jìn)行70年的預(yù)估試驗(yàn)。CO2濃度以每年1%速度增長(zhǎng)（下文將該試驗(yàn)以RP01 代表），意味著2070年CO2濃度將比2000年的水平翻一番，這是一種比較可能實(shí)現(xiàn)的情況；每年2%增長(zhǎng)率情形下（下文以RP02 代表），則將會(huì)在2070年比2000年CO2濃度翻兩番，這是一種比較極端的情況。

最后統(tǒng)計(jì)2001年1月—2070年12月間最熱季節(jié)（6、7、8月）水溫在1999—2008年氣候平均基礎(chǔ)上增暖幅度。

CCSM3模式計(jì)算結(jié)果為規(guī)則網(wǎng)格數(shù)據(jù)格式，需要插值到各廠址地所在經(jīng)緯度上。插值所需的格點(diǎn)范圍如下：

廣西防城港：110°—115°E，19°—23°N；

廣東烏嶼：112°—117°E，19°—23°N；

3.2 濱海核電廠址地水源溫度變化預(yù)估

CCSM3模式中的海洋模塊可以輸出海表溫度，將模式計(jì)算結(jié)果插值到濱海廠址經(jīng)緯坐標(biāo)上，即可直接分析不同CO2濃度增加情形下海溫變化趨勢(shì)。

3.2.1 濱海核電廠址——廣東烏嶼

圖5 為廣東烏嶼2001年1月—2070年12月海表溫度距平變化曲線。RP01和RP02試驗(yàn)結(jié)果分別以黑線和紅線代表。

可以看出，隨著二氧化碳排放的不斷增加，未來(lái)幾十年海溫呈振蕩增加的趨勢(shì)，而且，CO2排放增加的越快，海溫變暖的趨勢(shì)也越明顯。因此，CCSM3 氣候系統(tǒng)模式的模擬結(jié)果與國(guó)際上氣候變化領(lǐng)域關(guān)于溫室氣體導(dǎo)致全球變暖的主流觀點(diǎn)是完全一致的。

以1999—2008年10年海溫氣候平均為基準(zhǔn)，可以求出2001—2070年間海溫的增長(zhǎng)幅度。經(jīng)計(jì)算在RP01 情形下，廣東烏嶼最熱季節(jié)（6、7、8月），海溫平均增長(zhǎng)1.4℃，而在RP02情形下，海溫將平均增長(zhǎng)2.5℃。6、7、8各月具體情況見(jiàn)表6。

3.2.2 濱海核電廠址——廣西防城港

廣西防城港與廣東烏嶼的模擬結(jié)果比較接近，見(jiàn)圖6。

同前述方法，經(jīng)計(jì)算在RP01情形下，廣西防城港最熱季節(jié)（6、7、8月），海溫平均增長(zhǎng)1.4℃，而在RP02情形下，海溫將平均增長(zhǎng)2.4℃。6、7、8各月具體情況見(jiàn)表7。

圖6 廣西防城港海表溫度距平隨時(shí)間變化

表7 2001—2070年，RP01，RP02情形下廣西防城港夏季（6、7、8月）海表溫度的增幅（單位/℃）

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，水資源調(diào)查評(píng)價(jià)、建設(shè)項(xiàng)目水資源論證以及工程防洪影響評(píng)價(jià)工作日漸重要，通過(guò)對(duì)廣東烏嶼和廣西防城港兩處濱海擬選核電站的最終熱阱水源歷史水溫的統(tǒng)計(jì)分析和未來(lái)水溫預(yù)估，可以為核電站工程建設(shè)提供重要的輸入依據(jù)，本研究結(jié)果已經(jīng)提供給中國(guó)廣東核電集團(tuán)公司，為實(shí)際工程建設(shè)提供參考。

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