基于Landsat遙感數(shù)據(jù)的田灣核電站溫排水時(shí)空特征研究

邢夢玲,王迪峰,何賢強(qiáng),白 雁,成印河

(1.江蘇海洋大學(xué) 測繪與海洋信息學(xué)院，江蘇 連云港 222005；2.衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州 310012；3.自然資源部 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012)

0 引言

核電是一種新型的能源利用方式[1]，然而濱海核電站在發(fā)電過程中近2/3能量以溫排水的形式進(jìn)入海洋成為廢熱[2]，造成局部海域海水溫度升高，海水理化性質(zhì)改變[3]。一些研究表明，溫排水的長期排放對海域中浮游生物的生長、繁殖以及種類組成[4]，底棲生物群落的分布及演替[5]，魚類的生長、發(fā)育和繁殖等都有一定影響[6]。因此，開展核電站溫排水的長期監(jiān)測對保護(hù)海區(qū)生態(tài)環(huán)境、防止熱污染具有重要意義。

海表溫度遙感反演技術(shù)是目前海洋溫排水監(jiān)測的重要手段。周穎 等[7]利用減災(zāi)環(huán)境衛(wèi)星B星(HJ-1B)和風(fēng)云三號衛(wèi)星(FY-3)反演了田灣核電廠附近海域海表面溫度；朱利[8]基于環(huán)境1號紅外相機(jī)對田灣核電站溫排水開展了監(jiān)測；WANG et al[9]利用水面浮標(biāo)數(shù)據(jù)并簡化Landsat 8的區(qū)域性算法，實(shí)現(xiàn)了秦山核電站多年溫排水監(jiān)測。

長時(shí)間序列的高精度遙感結(jié)果不僅可用于溫排水范圍的動態(tài)監(jiān)測，還可用于厘清溫排水的變化規(guī)律及其影響因素。本文以Landsat系列遙感資料為數(shù)據(jù)源，反演得到連云港田灣核電站周邊海域2007—2018年溫排水的變化，分析溫排水的季節(jié)與年際時(shí)空分布特征，研究潮汐與風(fēng)場等因素對溫排水?dāng)U散的影響，為濱海核電站周邊海域生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供重要參考。

1 研究區(qū)概況

田灣核電站位于江蘇省連云港市，溫排水研究區(qū)(34°36′N—34°46′N,119°25′E—119°32′E)位于南黃海的最西面——海州灣海域(圖1)。排水口附近海域的水深約為2 m，取水口水深約為7 m①，位置見圖1。田灣核電站一期工程的1號和2號機(jī)組，于2007年投入使用，單機(jī)容量為106萬kW。二期工程3號和4號機(jī)組分別于2018年2月、12月投入使用，單機(jī)容量為100萬kW。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Study area location diagram

研究海域的年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸逼珫|(NNE)，氣候?qū)贉貛О霛駶櫦撅L(fēng)氣候，潮汐為正規(guī)淺海半日潮(1)江蘇核電有限公司.田灣核電站3、4號機(jī)組工程項(xiàng)目環(huán)境影響報(bào)告書(運(yùn)行階段).2016.。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)及其預(yù)處理

選取2007—2018年Landsat 5、7、8的遙感圖像，衛(wèi)星波段原始分辨率分別為120、60和100 m，衛(wèi)星過境時(shí)刻均為格林尼治時(shí)間02:30左右，由美國地質(zhì)勘探局(United States Geological Survey，USGS)提供下載，能夠滿足小尺度區(qū)域的研究[10-11]。選取云覆蓋率均小于15%的衛(wèi)星影像，共50幅，數(shù)據(jù)信息見表1。

表1 Landsat數(shù)據(jù)信息Tab.1 Information of Landsat data

對影像進(jìn)行輻射定標(biāo)[12]和水陸分離等預(yù)處理。輻射定標(biāo)的目的是獲取傳感器接收到的大氣頂輻射值L(λ)，計(jì)算方法為

Lλ=DN×Gain+h

(1)

式中：DN為傳感器記錄原始值；Gain為絕對定標(biāo)系數(shù)，單位：W·m-2·sr-1·μm-1；h為偏移量，單位：W·m-2·sr-1·μm-1。

采用改進(jìn)歸一化差異水體指數(shù)設(shè)定閾值[13]以提取水體信息，實(shí)現(xiàn)水陸分離，公式如下

MNDWI=(Green-MIR)/(Green+MIR)

(2)

式中：MNDWI為改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)；Green代表綠波段的輻射值，Landsat 5、7對應(yīng)波段2(0.52～0.60 μm)，Landsat 8對應(yīng)波段3(0.53～0.59 μm)；MIR代表中紅外波段的輻射值，Landsat 5、7對應(yīng)波段5(1.55～1.75 μm)，Landsat 8對應(yīng)波段6(1.55～1.65 μm)。

2.2 海表溫度反演

Landsat 5與Landsat 7數(shù)據(jù)采用輻射傳輸方程算法[14]進(jìn)行海表溫度反演，Landsat 8運(yùn)用改進(jìn)后的劈窗算法進(jìn)行溫度反演[15]。

2.2.1 輻射傳輸方程算法

根據(jù)熱紅外輻射傳輸方程，計(jì)算出海表輻亮度的值L(Ts)，再推導(dǎo)出海表溫度Ts：

Ts=K2/ln[K1/L(Ts)+1]

(3)

式中：模型系數(shù)K1、K2為衛(wèi)星發(fā)射前預(yù)設(shè)常量。對于Landsat 5，K1= 607.76 W·m-2·sr-1·μm-1，K2=1 260.56 K；對于Landsat 7，K1= 666.09 W·m-2·sr-1·μm-1，K2=1 282.71 K。

2.2.2 劈窗算法

改進(jìn)后的劈窗算法只需要兩個(gè)參數(shù)(大氣透過率τ和地表輻射率ε)即可對海表溫度進(jìn)行反演[15]：

Ts=A0+A1T10+A2T11

(4)

式中：Ts為海表溫度，T10和T11分別為Landsat 8波段第10和第11的亮溫，A0、A1與A2分別為中間變量，其表達(dá)式分別如下

(5)

(6)

(7)

C10=ε10τ10;C11=ε11τ11

(8)

D10=(1-τ10)[1+(1-ε10)τ10]

(9)

D11=(1-τ11)[1+(1-ε11)τ11]

(10)

其中：ε10、ε11為第10和第11波段的地表比輻射率(波段10的水體取值為0.995)；對于Landsat 8，大氣透過率τ10、τ11與水汽含量直接相關(guān)，系數(shù)a10、b10、a11、b11為常數(shù)。

2.3 精度驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)長時(shí)間序列海表溫度反演的準(zhǔn)確性與一致性，將反演結(jié)果與MODIS的海表溫度產(chǎn)品進(jìn)行對比。每個(gè)年份選取一幅影像的反演結(jié)果，進(jìn)行降分辨率處理，與同一天分辨率為1 km的MODIS二級海表溫度產(chǎn)品進(jìn)行線性擬合，Landsat系列數(shù)據(jù)與MODIS數(shù)據(jù)的匹配清單見表2。搭載MODIS傳感器的有兩顆衛(wèi)星，其中上午星Terra過境時(shí)間與Landsat系列影像過境時(shí)間幾乎一致；下午星Aqua過境時(shí)間與Landsat系列影像過境時(shí)間相差約3 h。LI et al[16]對全球海表溫度日變化分析，發(fā)現(xiàn)黃海的日變化僅為0.2～0.4 ℃，因此可近似認(rèn)為3 h內(nèi)海表溫度不變。

表2 Landsat系列數(shù)據(jù)與MODIS數(shù)據(jù)匹配清單Tab.2 Match files between Landsat data and MODIS data

為確保不同遙感衛(wèi)星反演結(jié)果的連續(xù)性，本文將Landsat系列的反演結(jié)果重采樣成與MODIS相同分辨率的影像，選取田灣核電站周圍海區(qū)(34°39′N-34°45′N,119°30′E-119°36′E)進(jìn)行星星驗(yàn)證[17]。

2.4 溫升強(qiáng)度分級

為了定量評價(jià)溫排水對周圍環(huán)境的影響程度，本文采用區(qū)域替代法來確立該海域的基準(zhǔn)溫度[8]。如圖2所示，A區(qū)域?yàn)闇厣齾^(qū)，預(yù)估為核電站周圍半徑15 km的圓形區(qū)域。B區(qū)域?yàn)榛鶞?zhǔn)溫度區(qū)，位于A區(qū)域外的邊長為10 km的正方形區(qū)域，將區(qū)域內(nèi)的平均溫度作為海區(qū)基準(zhǔn)溫度。根據(jù)該基準(zhǔn)溫度對溫排水進(jìn)行等級劃分[18](表3)，設(shè)m為海表溫度與基準(zhǔn)溫度的差值，當(dāng)m大于等于2 ℃且小于3 ℃時(shí)，定義該區(qū)域?yàn)?2 ℃的溫升區(qū)，其他等級依此類推。

圖2 參考區(qū)域選取Fig.2 Selection of reference area (A:溫升區(qū)；B:基準(zhǔn)溫度區(qū)) (A: zone of temperature-rising; B: zone of reference temperature)

表3 溫升分級的標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Standards of temperature rising classification

2.5 溫升變化分析方法

將每年的3—5月劃分為春季，6—8月劃分為夏季，9—11月劃分為秋季，12月—次年2月劃分為冬季，運(yùn)用張惠榮 等[19]的方法繪制各季節(jié)的溫升區(qū)包絡(luò)線圖，即將各季節(jié)溫升遙感監(jiān)測結(jié)果疊加、合并而成的實(shí)際溫升最大范圍圖。計(jì)算各季節(jié)的溫升包絡(luò)線范圍和不同溫升等級區(qū)的平均面積(各季節(jié)不同溫升等級區(qū)的面積平均值)。

運(yùn)用同樣的方法繪制2007、2010、2014和2018年的年溫升區(qū)包絡(luò)線圖，用以分析溫排水的年際變化特征。除2007年由于數(shù)據(jù)量有限僅包含春季外，其余各年份數(shù)據(jù)均覆蓋4個(gè)季節(jié)。

2.6 潮流數(shù)據(jù)及處理

本文的潮流數(shù)據(jù)為連云港氣象站(34°45′N，119°27′E)2007—2018年的日潮位表數(shù)據(jù)。將各時(shí)刻的潮高制成潮汐表，判斷衛(wèi)星過境時(shí)刻該海區(qū)的潮流狀態(tài)，并在不同的潮流狀態(tài)下，比較各溫升等級區(qū)的平均面積以分析潮汐對溫排水?dāng)U散的影響。

2.7 風(fēng)場數(shù)據(jù)及處理

取離岸15 km區(qū)域范圍(34°33′N—34°49′N，119°26′E—119°37′E)風(fēng)場數(shù)據(jù)的平均值作為研究海域的風(fēng)向及風(fēng)速，數(shù)據(jù)來源于CCMP(Cross-Calibrated Multi-Platform，下載自www.remss.com/measurements/ccmp)的三級海面風(fēng)場產(chǎn)品。該產(chǎn)品為海面風(fēng)(海洋上空10 m的風(fēng)場數(shù)據(jù))，空間分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率為6 h。本文將有助于溫排水?dāng)U散的西風(fēng)(包括西南風(fēng)與西北風(fēng))定義為有利風(fēng)，將不利于溫排水?dāng)U散的東風(fēng)(包括東北風(fēng)與東南風(fēng))劃分為不利風(fēng)。鑒于Landsat系列的數(shù)據(jù)量有限，對夏季僅統(tǒng)計(jì)了東風(fēng)作用下的各等級溫升區(qū)面積，秋季僅統(tǒng)計(jì)了西風(fēng)作用下的各等級溫升區(qū)面積。比較各季節(jié)不同方向風(fēng)作用下的各溫升等級區(qū)平均面積，根據(jù)有利風(fēng)對溫排水?dāng)U散的貢獻(xiàn)率[(有利風(fēng)作用下溫升區(qū)平均總面積—溫升區(qū)平均總面積)/溫升區(qū)平均總面積×100%]來分析有利風(fēng)對溫排水?dāng)U散的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 精度驗(yàn)證

將反演的結(jié)果與MODIS的海表溫度產(chǎn)品進(jìn)行星星驗(yàn)證顯示兩者的相關(guān)性顯著，決定系數(shù)R2達(dá)0.91(圖3)，表明Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演的海表溫度具有較高精度，與MODIS海溫產(chǎn)品具有良好的一致性，能用于田灣核電站周邊海域長期溫升變化分析。

圖3 Landsat反演結(jié)果與MODIS產(chǎn)品對比Fig.3 Comparison between Landsat-SST and MODIS-SST

3.2 溫排水分布的季節(jié)變化

從各季節(jié)各溫升包絡(luò)線圖(圖4)可見，低溫升區(qū)(+2 ℃和+3 ℃)面積在各季節(jié)均較大，呈扇形向外海擴(kuò)散；高溫升區(qū)(+6 ℃和+7 ℃)面積在各季節(jié)均較小，呈團(tuán)狀分布，主要集中于田灣核電站排水口附近。包絡(luò)線總面積在春季最大(120.7 km2)，溫排水?dāng)U散的范圍最大；在秋季最小(16.3 km2)，溫排水?dāng)U散的范圍最小(表4)。比較各季節(jié)溫升區(qū)平均面積，春季總面積是秋季的7倍，夏季大于冬季(表5)。

圖4 各季節(jié)溫升包絡(luò)線Fig.4 Thermal discharge envelop of each season

表4 各季節(jié)溫升包絡(luò)線范圍Tab.4 Range of seasonal thermal discharge envelop

表5 各季節(jié)溫升區(qū)平均面積Tab.5 Average area of seasonal temperature rising area

3.3 溫排水的年際變化

2007年5月1日機(jī)組已投入運(yùn)行，從年際溫升包絡(luò)線圖(圖5)可見，核電站周圍海域已出現(xiàn)極小范圍溫排水(2.7 km2)。2010年的溫排水范圍較小(約32.8 km2)，溫升主要集中于+2～+4 ℃。隨著工況以及裝機(jī)容量的擴(kuò)大，2014年溫排水的范圍隨之?dāng)U大(約95.8 km2)，2018年溫排水的范圍達(dá)到峰值(約101.7 km2)，溫升集中于+2～+4 ℃。根據(jù)我國《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》中對于溫升的規(guī)定[20]，田灣核電站周邊大部分海域的溫升符合第三類水質(zhì)要求。

圖5 年溫升包絡(luò)線Fig.5 Interannual thermal discharge envelop

3.4 潮汐對溫排水分布的影響

通過對不同潮況下溫升區(qū)面積均值的比較可知，各等級溫升區(qū)面積在漲憩時(shí)刻普遍大于落憩時(shí)刻。漲憩時(shí)刻各等級溫升區(qū)面積在大潮時(shí)期最大，中潮時(shí)期次之，小潮時(shí)期最小；落憩時(shí)刻各等級溫升區(qū)面積在中潮時(shí)期最大，大潮時(shí)期次之，小潮時(shí)期最小。低溫升區(qū)(+2 ℃)，大潮和小潮時(shí)期，漲、落憩時(shí)刻溫升區(qū)面積的相差較大，均大于15 km2；中潮時(shí)期差距最小，僅為5 km2。高溫升區(qū)(+7 ℃)，大潮時(shí)期，漲、落憩時(shí)刻溫升區(qū)面積差距最大，為3.1 km2；小潮次之，為1.5 km2；中潮時(shí)差距最小(表6)。

表6 不同潮況下各溫升區(qū)面積均值Tab.6 The average area of temperature rising area under various tidal conditions

落憩時(shí)刻，溫排水集中于排水口附近，呈小扇形分布；漲憩時(shí)刻，溫排水向岸基兩側(cè)擴(kuò)散，呈帶狀分布(圖6)。上述現(xiàn)象與該地潮流特征有關(guān)。連云港近岸的海流為旋轉(zhuǎn)流[21]，海州灣的潮波屬駐波性質(zhì)。受海岸廓線與水下地形的影響，落潮時(shí)流速較漲潮時(shí)大，因此熱量的垂直耗散大于漲潮時(shí)，表現(xiàn)為落憩時(shí)刻的溫升區(qū)面積小于漲憩時(shí)刻。并且，由于大、小潮時(shí)期的漲、落潮潮差和潮流流速相差較大，中潮時(shí)期差異較小，因此表現(xiàn)為中潮時(shí)漲、落憩時(shí)刻溫升區(qū)的面積差異較小，而大、小潮時(shí)差異較大。

圖6 不同潮況下溫排水分布Fig.6 Thermal discharge distribution under different tidal conditions

3.5 風(fēng)場對季節(jié)性溫排水的影響

風(fēng)動力會影響潮流特征以及水體紊動特性，進(jìn)一步會引起風(fēng)生流和風(fēng)生浪，影響溫排水的擴(kuò)散分布[22]。通過比較在不同風(fēng)作用下各等級溫升區(qū)平均面積(表7)，可以發(fā)現(xiàn)：春季與冬季在有利風(fēng)的作用下，各等級區(qū)溫升的平均面積普遍大于不利風(fēng)作用下的平均面積。春季在兩種風(fēng)作用下溫升總面積的差值為8.4 km2，冬季的差值為1.6 km2。

綜合表5與表7可知有利風(fēng)對春季溫排水的影響僅為5.5%，而對冬季的溫排水影響為6.2%，可見風(fēng)對溫排水?dāng)U散的影響有限。

表7 不同風(fēng)場下溫升區(qū)面積均值Tab.7 The average area of temperature rising area under various wind conditions

4 結(jié)論

本文基于2007—2018年Landsat系列遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，反演了田灣核電站周圍海域海表溫度，并在此基礎(chǔ)上分析溫排水分布的季節(jié)變化、年際變化，同時(shí)分析了潮汐與風(fēng)場對溫排水?dāng)U散的影響。結(jié)果表明：(1)季節(jié)分布上，春季溫升區(qū)面積最大，約為秋季溫升區(qū)面積的7倍；(2)2007—2018年，溫排水范圍隨裝機(jī)容量擴(kuò)大而不斷增大，2018年達(dá)到峰值，為101.7 km2；(3)潮汐會影響溫升區(qū)的面積，漲憩時(shí)刻各溫升區(qū)面積較落憩時(shí)刻大；(4)有利風(fēng)(西風(fēng))有利于溫排水的擴(kuò)散，但影響有限。