,,,,(.中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,廣東 廣州 50275;2.汕頭市康逸環(huán)??萍加邢薰?,廣東 汕頭 50275;.世界銀行,美國(guó) 華盛頓 2054)
濱海電廠溫排水監(jiān)測(cè)及模擬方法探討
湯德福1,2,吳群河1,劉廣立1,徐綺陽(yáng)3,呂莉梅1,2
(1.中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,廣東 廣州 510275;2.汕頭市康逸環(huán)保科技有限公司,廣東 汕頭 510275;3.世界銀行,美國(guó) 華盛頓 20541)
系統(tǒng)地介紹了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、遙感觀測(cè)和數(shù)值模擬等三種海水溫度獲得方法的原理及適用情況,并對(duì)比了其優(yōu)缺點(diǎn)。數(shù)值模擬應(yīng)用于電廠選址論證較為成熟,遙感觀測(cè)較為適用于獲取大尺度的海水表面溫度資料,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量則多用于對(duì)以上兩種方法結(jié)果的比對(duì)和印證。對(duì)已建電廠的后續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià),建議設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)觀測(cè)系統(tǒng)。
溫排水;濱海電廠;水溫監(jiān)測(cè);遙感;數(shù)值模擬;現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量
海水表面溫度(Sea Surface Temperature,SST)是海洋研究中一項(xiàng)重要的物理指標(biāo),在其它有關(guān)海洋學(xué)科的研究中占有十分重要的地位。濱海電廠的溫排水會(huì)造成局部水域SST升高,改變自然海水的水質(zhì)特性,從而對(duì)海洋生物如魚類、浮游動(dòng)植物、底棲動(dòng)物等造成影響,改變其生存、生長(zhǎng)和繁殖的自然環(huán)境,損害海洋生物的多樣性[1-4]。
溫排水對(duì)海洋生態(tài)造成的影響正引起越來(lái)越多的關(guān)注,其隨海水運(yùn)動(dòng)形成的溫度分布,則是研究其海洋生態(tài)影響的基礎(chǔ)。如何準(zhǔn)確、合理地觀測(cè)溫排水造成的海水溫升程度及范圍,既是海洋監(jiān)測(cè)重要的研究方向,也是濱海電廠在選址及運(yùn)行期間環(huán)境跟蹤評(píng)價(jià)要解決的實(shí)際問(wèn)題[5]。20世紀(jì)90年代以來(lái),我國(guó)逐步建立海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)制度,制定《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》,為海洋水質(zhì)要素的管控提供了監(jiān)測(cè)方法保障。但現(xiàn)場(chǎng)采樣監(jiān)測(cè)難以適用于大尺度水溫監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè),于是借助遙感影像解譯反演水溫,或利用數(shù)值模擬來(lái)計(jì)算水溫分布,也成為監(jiān)測(cè)溫排水海域水溫的重要方法。
國(guó)內(nèi)外通用的溫排水熱影響監(jiān)測(cè)方法可概括為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、遙感觀測(cè)和數(shù)值模擬三大類,本文介紹這三種常用溫排水監(jiān)測(cè)方法的原理及其研究進(jìn)展,歸納比較優(yōu)缺點(diǎn),為準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)海水溫度場(chǎng),應(yīng)將三種監(jiān)測(cè)方法有效地結(jié)合, 彼此補(bǔ)充并充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。而基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)的海洋水質(zhì)浮標(biāo)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),適用于濱海電廠溫排水后續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)。
海水溫度是海洋學(xué)研究的一個(gè)重要參數(shù),在海洋生態(tài)、海洋漁業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)、大氣與海洋研究方面有著極其重要地位。國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)積極地創(chuàng)新海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)和手段,以精確測(cè)量海水溫度?,F(xiàn)有的海水溫度測(cè)量方法中,根據(jù)觀測(cè)儀器的設(shè)置可分為衛(wèi)星遙感測(cè)量和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),根據(jù)測(cè)量原理可分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量。而數(shù)值模擬不是一種直接測(cè)量SST的方法,它是計(jì)算溫排水排放后,經(jīng)對(duì)流、擴(kuò)散而形成的溫度場(chǎng)分布的技術(shù)手段。
現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量是最為原始的方法,精準(zhǔn)度高,原理及操作均十分簡(jiǎn)單,只需將水溫計(jì)投入水中至待測(cè)深度,感溫一定時(shí)間后迅速上提并立即計(jì)數(shù)即可。《GB17378.4- 2007海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》第4 部分:海水分析,載明的表層水溫表法和顛倒溫度表法即屬此類。目前智能溫度傳感器早已取代普通水溫計(jì),美國(guó)HOBO公司生產(chǎn)的TidbiT v2(UTBI-001)溫度記錄儀即為常用的水溫采集器[6],常被用于現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)式監(jiān)測(cè)?,F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量只能用于局部海域或有限站點(diǎn),難以反映大范圍的溫度空間分布。
無(wú)線通訊技術(shù)的應(yīng)用,使現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量由人工定點(diǎn)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)為智能化連續(xù)觀測(cè)。將智能溫度傳感器、數(shù)據(jù)發(fā)送傳輸模塊、數(shù)據(jù)接收終端設(shè)計(jì)成一套自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng),可用于定點(diǎn)連續(xù)監(jiān)測(cè)SST。楊君德等采用以MSC1210 作為核心器件的多通道、高精度、快速溫度數(shù)據(jù)采集終端,結(jié)合GPRS通訊技術(shù)設(shè)計(jì)了海水溫度自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng),并在獐子島海珍品養(yǎng)殖中得到成功應(yīng)用[7],國(guó)內(nèi)其它學(xué)者也進(jìn)行了類似的系統(tǒng)設(shè)計(jì),應(yīng)用于養(yǎng)殖場(chǎng)海水溫度在線監(jiān)控或?qū)崟r(shí)采集[8, 9],但這些研究往往只監(jiān)測(cè)了單層水溫。為研究水溫在不同深度的差異,張曉芳等通過(guò)增加剖面鏈子系統(tǒng),研制了垂直剖面水溫浮標(biāo)系統(tǒng)[10]。
無(wú)論是單層還是考慮不同深度的多層水溫在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),其差異在于水溫傳感器的數(shù)量,而系統(tǒng)原理及構(gòu)成是相同的。水溫在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理框圖示意見圖1。
由于海洋環(huán)境多變,水溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的固定及維護(hù)存在困難,現(xiàn)有研究一般應(yīng)用于水庫(kù)(壩)、飲用水源地、湖泊等附有大壩或構(gòu)筑物的小型水體,以及小規(guī)模的海水養(yǎng)殖場(chǎng),國(guó)內(nèi)外尚未見到用于溫排水觀測(cè)的實(shí)例報(bào)導(dǎo)。
水溫在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要在茫茫大海應(yīng)用于溫排水溫度觀測(cè),需解決三方面的問(wèn)題:一是觀測(cè)系統(tǒng)的固定,要設(shè)計(jì)專用浮標(biāo);二是電源續(xù)航及防水設(shè)計(jì);三是實(shí)現(xiàn)海水垂向同步測(cè)量。浙江省構(gòu)建的海洋水質(zhì)浮標(biāo)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可作為借鑒[11],但其在海水垂向同步測(cè)量方面需進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),若僅應(yīng)用于電廠溫排水溫度監(jiān)測(cè),系統(tǒng)構(gòu)建的成本也應(yīng)考慮。
衛(wèi)星遙感探測(cè)地表溫度有紅外和微波兩種方式,以紅外輻射的研究最為常見。自然界任何溫度大于絕對(duì)零度的物體都會(huì)輻射紅外線,通過(guò)探測(cè)目標(biāo)和背景之間的紅外輻射,便可得到目標(biāo)表面溫度的分布圖像。熱輻射的這個(gè)特點(diǎn),為利用熱紅外遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)溫排水的水溫提供了科學(xué)理論基礎(chǔ)。輻射信息通過(guò)從電磁場(chǎng)到物質(zhì)性質(zhì)或地球物理性質(zhì)的逆運(yùn)算,對(duì)傳感器進(jìn)行輻射定標(biāo)或與地面絕對(duì)溫度建立聯(lián)系,通過(guò)對(duì)熱輻射傳導(dǎo)方程的求解,可實(shí)現(xiàn)地表或海洋表面溫度的反演。
應(yīng)用紅外遙感對(duì)濱海電廠排水口附近溫度場(chǎng)進(jìn)行航天監(jiān)測(cè)的做法已經(jīng)較為成熟,該方法具有觀測(cè)范圍大、精度和空間分辨率高的特點(diǎn)。1978年美國(guó)發(fā)射了海洋衛(wèi)星SEASAT-A,在高空全方位、多角度觀測(cè)全球海域的溫度、海色等的變化,開創(chuàng)了海洋衛(wèi)星遙感技術(shù)的先河。此后,國(guó)際上諸多國(guó)家發(fā)射了多顆極軌氣象衛(wèi)星,如美國(guó)的NOAA系列衛(wèi)星和LANDSAT系列衛(wèi)星、歐空局MOP系列衛(wèi)星和歐洲遙感衛(wèi)星ERS-1、中國(guó)FY-l(A-B)極軌氣象衛(wèi)星等。其中Landsat熱紅外波段具有較高的空間分辨率(TM為120m,ETM+為60m)和溫度分辨率,許多研究者利用Landsat TM數(shù)據(jù)進(jìn)行地表、海面溫度反演[12-14]及電站溫排水監(jiān)測(cè)[15]。我國(guó)環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星紅外相機(jī)的熱紅外波段數(shù)據(jù),也被用于核電站溫排水的遙感監(jiān)測(cè),解譯出電站附近海域的表面溫升分布圖。
熱紅外遙感海面溫度反演方法主要有輻射傳輸方程法、單通道法、分裂窗法和多通道法(多角度法),其中以 “單窗算法”最為簡(jiǎn)單易行[16, 17]。單窗算法合理假設(shè)大氣平均作用溫度與大氣向下平均作用溫度的差異<5℃,且大氣平均作用溫度、地表輻射率和大氣透射率已知,反演的地表溫度平均誤差一般為1.1℃,最小達(dá)0.2℃?;诖朔椒ǎ琈ay以1995年和1996年GOES(Geostationary Operational Environmental Satellites)-8/GOES-9資料反演海水溫度,結(jié)果顯示GOES-8的均方根誤差晝間為0.79K,夜間為0.81K;GOES-9的均方根誤差晝間為0.65K,夜間為0.59K[18]。Mesiasa對(duì)NOAA的衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行大西洋西北部海水表面溫度反演,分析了海水溫度的年度和月度變化狀況,并將其與浮標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證,反演得到的溫度誤差為1.15℃[19]。
從熱量平衡機(jī)理分析,熱紅外遙感涉及輻射通量、大氣湍流通量和水汽蒸發(fā)通量等,理論基礎(chǔ)較為復(fù)雜[17]。遙感反演的深入研究,主要基于某一算法對(duì)參數(shù)和求導(dǎo)過(guò)程進(jìn)行修正,以期提高反演精度。如基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)修訂大氣透射率和大氣平均作用溫度估算方程[20],考慮NCEP(National Centers for Environmental Prediction)大氣廓線數(shù)據(jù)[14],運(yùn)用高時(shí)空分辨率及短重訪周期的IRS4進(jìn)行大氣校正[21]。此外,遙感測(cè)量常被用于大尺度的溫排水溫升程度和范圍研究,以描述排水口周邊的溫升區(qū)并分析高溫水團(tuán)的變動(dòng)動(dòng)向[22, 23]。
即采用數(shù)學(xué)或物理模型對(duì)排放區(qū)的海水溫度進(jìn)行模擬計(jì)算。英國(guó)學(xué)者早在1968年就對(duì)穩(wěn)定流態(tài)和非穩(wěn)定液態(tài)下的溫排水熱擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了探討[24],而McGuirk等采用k-ε紊流模型,計(jì)算溫排水岸邊排放區(qū)的溫度分布,則是發(fā)現(xiàn)最早的模型計(jì)算方法[25]。國(guó)內(nèi)對(duì)于溫排水模型預(yù)測(cè)的研究始于20世紀(jì)80年代,李燕初等采用二維淺水方程和對(duì)流擴(kuò)散方程模擬了溫排水的稀釋擴(kuò)散過(guò)程[26]。2000年后,關(guān)于溫排水模型的研究增多,積累了大量的研究案例和方法,并有了關(guān)于溫排水預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)的總結(jié)[27]。
該方法首先要選取模型,然后對(duì)連續(xù)微分方程進(jìn)行離散,再設(shè)計(jì)計(jì)算網(wǎng)格,確定重要參數(shù)并對(duì)邊界進(jìn)行處理,有些河口海岸區(qū)會(huì)考慮波浪影響[28]。目前數(shù)值模擬方法廣泛地應(yīng)用于電廠建設(shè)前的模擬計(jì)算,為相關(guān)電廠工程的設(shè)計(jì)、排水口的選址等提供決策參考,也為電廠環(huán)境影響評(píng)價(jià)和管理提供依據(jù),但針對(duì)電廠運(yùn)行后溫排水影響的研究并不多見[29]。
一般的水電工程多采用二維模型,定量反映溫度的物理擴(kuò)散行為。陳丕翔等通過(guò)建立平面二維潮流和溫排水?dāng)?shù)學(xué)模型,對(duì)華潤(rùn)電力海豐電廠三種不同取排水工程方案的溫排水輸運(yùn)、擴(kuò)散進(jìn)行計(jì)算,預(yù)測(cè)溫升分布和電廠取水溫升[30]。孫艷濤等采用Delft-3D軟件平面二維水流溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型對(duì)長(zhǎng)江水域電廠溫排水進(jìn)行數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)冬季小潮條件比大潮條件下的溫升影響面積更大,向下游和離岸方向擴(kuò)散的距離更遠(yuǎn),但兩種條件下取水口處的溫升均較小[31]。
二維模型沒有考慮浮力效應(yīng)及海岸地形,無(wú)法模擬垂向溫度變化及溫排水與周圍水體的斜壓效應(yīng)。早在2010年3D數(shù)值模擬就被認(rèn)為是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)[32],而在此之前,曹穎等基于三維非結(jié)構(gòu)有限體積海岸和海洋模型(FVCOM2004版)建立了三維潮流數(shù)值模型,采用有限體積法開發(fā)了一個(gè)三維溫排水對(duì)流擴(kuò)散模型,模擬近岸海域溫排水的擴(kuò)散輸運(yùn)過(guò)程,發(fā)現(xiàn)溫差產(chǎn)生的浮力效應(yīng)使溫排水向海水上層運(yùn)輸,使海水溫度存在垂向差異[33]。CHENG You-liang選擇k-ε紊流模型對(duì)溫排水的分布進(jìn)行三維數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)海岸地形斜率越大,溫排水在水平方向擴(kuò)散越大,而斜率越小,溫排水在垂直方向的擴(kuò)散越大。
近年來(lái),越來(lái)越多學(xué)者使用三維數(shù)值模擬溫度場(chǎng)[6, 34, 35],結(jié)果一般是排水口附近的溫升較為明顯[36]。但海水受流速、紊動(dòng)特性、潮汐、近岸地形等諸多因素的影響,模型修正及參數(shù)取值還需深入探索,且需以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量佐證模擬結(jié)果。
溫排水影響的海域范圍廣、氣象條件復(fù)雜,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方法精準(zhǔn)度雖高,但難以滿足大尺度的研究需求。目前很少單獨(dú)采用此方法監(jiān)測(cè)溫排水溫度,現(xiàn)有研究常將此方法作為遙感測(cè)量及數(shù)值模擬結(jié)果的驗(yàn)證手段。
遙感紅外測(cè)量的觀測(cè)范圍大。由于電廠溫排水與海水接觸后會(huì)劇烈摻混,其流速、濃度、紊動(dòng)特性變化很大,同時(shí)受到陸地邊界條件及潮汐等因素的影響,其在排水口附近會(huì)形成來(lái)回震蕩的熱污染帶。遙感影像反演的溫度為瞬時(shí)、靜態(tài)的,受水氣熱量交換影響,也不能同時(shí)得出多層垂向水溫。
數(shù)值模擬應(yīng)用范圍廣,投資小,周期短。對(duì)于水深較淺的區(qū)域,一般采用深度平均二維數(shù)據(jù)模型,而對(duì)于水動(dòng)力因素復(fù)雜的排污口附近區(qū)域,常采用三維數(shù)學(xué)模型。但模型的選取、參數(shù)取值及邊界控制對(duì)模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的影響頗大。
表1 溫排水溫度場(chǎng)觀測(cè)方法比較
遙感觀測(cè)可以獲取某海域大尺度的海水表面溫度資料,通常用于分析電廠建設(shè)前后影響海域海水表面溫度分布的變化[23],得出溫排水在特定時(shí)刻的溫升范圍。通過(guò)實(shí)地觀測(cè)或收集研究區(qū)域多年的海溫資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,輔以調(diào)查電廠排水前后周圍水域海洋生物如浮游生物的變化情況[3],可進(jìn)一步研究溫排水的生態(tài)影響。數(shù)值模擬應(yīng)用于電廠選址論證和環(huán)境影響評(píng)價(jià)則較為成熟,但由于參數(shù)及邊界條件的復(fù)雜性,常需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果加以比對(duì)和印證,對(duì)數(shù)值模擬的深入研究,應(yīng)考慮岸線、海底地形和斜壓效應(yīng)[32]。
目前國(guó)內(nèi)對(duì)于已建電廠的溫排水后續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià),還沒有成熟且便于管理的方法?,F(xiàn)有研究以遙感觀測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方式最為普遍,但對(duì)于濱海電廠而言,此法難以形成長(zhǎng)久有效的監(jiān)控機(jī)制和監(jiān)測(cè)檔案。結(jié)合各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)分析,可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方法加以改進(jìn),參考海洋水質(zhì)浮標(biāo)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),克服觀測(cè)系統(tǒng)的固定、電源續(xù)航及防水設(shè)計(jì)、垂向同步測(cè)量等難點(diǎn),設(shè)計(jì)一套適應(yīng)于電廠溫排水溫度在線觀測(cè)的系統(tǒng)。這既是海水溫度場(chǎng)測(cè)量技術(shù)方法的發(fā)展方向,也是已建電廠加強(qiáng)溫排水跟蹤監(jiān)測(cè)的管理需要。
溫排水對(duì)附近海域的溫升影響是濱海電廠從選址到運(yùn)行都要關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題,獲取溫排水海域溫度場(chǎng)常用現(xiàn)場(chǎng)(在線)監(jiān)測(cè)、遙感測(cè)量和數(shù)值模擬三種方法。
現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)可以實(shí)時(shí)連續(xù)獲取精準(zhǔn)的水溫?cái)?shù)值,根據(jù)研究需要靈活布點(diǎn),但其覆蓋范圍有限,且設(shè)備維護(hù)成本相對(duì)較高,常用于比對(duì)和印證數(shù)值模擬或遙感測(cè)量的結(jié)果;遙感測(cè)量具有觀測(cè)范圍大、精度和空間分辨率高的特點(diǎn),用于獲取某海域大尺度的海水表面溫度資料,調(diào)查溫排水生態(tài)影響;數(shù)值模擬可預(yù)測(cè)電廠運(yùn)行后溫排水影響范圍,常應(yīng)用于電廠選址論證和環(huán)境影響評(píng)價(jià)。
對(duì)于已建電廠的溫排水后續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià),建議以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)為主,可參考海洋水質(zhì)浮標(biāo)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),設(shè)計(jì)一套適應(yīng)于電廠溫排水的溫度在線觀測(cè)系統(tǒng)。同時(shí),現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、遙感測(cè)量和數(shù)值模擬三種監(jiān)測(cè)方法應(yīng)有效地結(jié)合起來(lái), 彼此補(bǔ)充并充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì), 以獲得更為準(zhǔn)確的溫度場(chǎng)。
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TheInvestigationofMonitoringandSimulationMethodsofThermalDischargefromCoastalPowerPlant
TANG De-fu1,2, WU Qun-he1,LIU Guang-li1, XU Qi-yang3,LV Li-mei1,2
(1.School of Environmental Science and Engineering,Sun Yat-sen University,Guangzhou Guangdong 510275,China)
Sea Surface Temperature (SST) is a critical parameter in oceanographic research. To analyze the temperature rise attributed to thermal discharge and its impact was the first step in site selection of a coastal power plant and throughout its operational period.Temperature of thermal discharge in coastal area needed to be monitored and collected. This paper presented the principles, application, and the comparative advantages of three types of temperature monitoring methods: on-site measurement, remote sensing observation, and numerical simulation. However, the application of numerical simulation in site selection is mature. Remote sensing observation is more suitable for obtaining large-scale sea surface temperature data. On-site measurement is usually used for comparing and confirming the results that are derived from the other two methods. Existing power plants were suggested to employ on-site successive observing systems for continuous monitoring and evaluation.
thermal discharge; power plant; water temperature monitor; remote sensing; numerical simulation; on-site monitoring
2017-05-10
中央高?;緲I(yè)務(wù)費(fèi) (16lgjc65)。
湯德福(1988-),男,碩士,環(huán)評(píng)工程師。研究方向:環(huán)境規(guī)劃與評(píng)價(jià)。
吳群河(1958-),男,教授。研究方向:水環(huán)境化學(xué)、水污染以及水環(huán)境管理。
X87
A
1673-9655(2017)06-0084-06