基于遙感技術的田灣核電溫排水分布研究

石海崗，章新益，張恩，董雙發(fā)，張建永，張春雷

1.核工業(yè)航測遙感中心，河北 石家莊050002

2.河北省航空探測與遙感技術重點實驗室，河北 石家莊050002

0 引言

隨著公眾環(huán)保意識增強及國家產(chǎn)業(yè)結構和能源結構優(yōu)化，我國將持續(xù)穩(wěn)步推進核電建設。核電作為清潔能源，運行過程中不產(chǎn)生有害氣體（如SOx、NOx等）和溫室氣體CO2，但會形成大量的溫排水，造成周邊海域升溫[1]，當溫度過高且擴散到核電取水口附近時，會影響核電的正常運行。此外，溫升較高時還會改變水體的質量，影響到水生生物的繁殖和分布情況[2]。海岸線的變遷與海域使用、海岸保護等活動密切相關，對于海灣型的海域，岸線的變化影響到海域的納潮量和流場[3]，間接影響到核電溫排水的分布情況。因此，核電站周邊海域環(huán)境監(jiān)測，尤其是岸線、溫度場信息變化對核電的安全運行和研究水域生態(tài)平衡有著重要意義[4]。遙感作為對地觀測綜合性技術，在核電周邊海域環(huán)境監(jiān)測方面具有其它技術手段無法比擬的特點[5-6]。

連云港作為歐亞大陸的東橋頭堡，沿海經(jīng)濟快速發(fā)展，核電周邊海域涉海工程逐年增加。田灣核電因自身機組擴建也開展了系列工程建設，導致了海域岸線形態(tài)和溫排水排水量變化顯著。海域岸線形態(tài)的改變和核電排水量的增加給水動力和水環(huán)境帶來連鎖反應[7]，導致核電周邊海域環(huán)境發(fā)生顯著變化。以往海域環(huán)境變化研究多集中于分析岸線變遷驅動力，為加強岸線管理提供依據(jù)。本次研究基于Landsat-5 存檔數(shù)據(jù)和Landsat-8 現(xiàn)勢數(shù)據(jù)，利用遙感和地理信息技術提取田灣核電周邊海域海岸線數(shù)據(jù)和溫度場分布數(shù)據(jù)，研究田灣核電周邊海域岸線變遷、核電擴建對海域環(huán)境溫度場的影響。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

田灣核電廠址位于江蘇省連云港市高公島鄉(xiāng)，廠區(qū)規(guī)劃建設8臺百萬千瓦級核電機組，一期1、2號機組和二期3、4號機組分別在2007年和2018年投入商運，三期5、6號機組分別在2020年9月和2021年5月投入商運，6臺機組單機容量均超過100萬千瓦。核電周邊海域向東開放，近岸區(qū)域屬淤泥分布區(qū)，南北兩側現(xiàn)均已被港口工程包圍（圖1，見中間彩頁，下同）。核電站周邊為規(guī)則淺海半日潮型，一日經(jīng)歷2 次漲落潮，海域流場運動形式以往復流或接近往復流為主，歷時略有不同。落潮時，海水自核電排水口沿導流堤向南流動，然后受潮汐影響向東北方向瀉出，分別流經(jīng)排水口導流堤，取水明渠，連云港防波堤，至連島鎮(zhèn)北側。漲潮流大致與落潮流相反。

1.2 遙感數(shù)據(jù)源

本文數(shù)據(jù)源為2003 年12 月22 日、2005 年9 月6日和2008年2月19日的Landsat-5數(shù)據(jù)，2013年11月15日、2017年2月27日和2020年3月23日的Land‐sat-8數(shù)據(jù)。為驗證反演結果，獲取了2008年2月19日過境的MODIS 1KM-Level1B Calibrated Radi‐ances 數(shù)據(jù)和2013 年11 月15 日據(jù)海面測量數(shù)據(jù)。衛(wèi)星熱紅外波段參數(shù)，衛(wèi)星過境時間、機組運行工況，所處季節(jié)和潮態(tài)見表1。Landsat-5 衛(wèi)星攜帶的專題制圖儀（TM）、Landsat-8 的OLI 和TIRS 傳感器具體參數(shù)特征見文獻[8]。

表1 田灣核電不同時相熱紅外數(shù)據(jù)概況表Table 1 Overview of thermal infrared data of Tianwan nuclear power plant in different time

2 研究方法

2.1 遙感數(shù)據(jù)預處理

遙感影像預處理，主要是對Landsat-8 OLI 和TIRS、Landsat-5 TM 和MODIS 數(shù)據(jù)進行輻射定標、大氣校正、幾何精校正、海陸分離以及影像的裁剪和重采樣。幾何精校正通過5 萬地形圖數(shù)據(jù)為基準進行，使校正后的誤差控制在5m 之內；大氣校正通過ENVI 軟件的FLAASH 模塊進行；海陸分離利用Landsat-8 OLI 和Landsat-5 TM 短波紅外波段來區(qū)分。對于MODIS 產(chǎn)品，幾何校正后，重采樣成120m。各影像按照研究區(qū)矢量進行裁剪（圖1）。

2.2 溫度場信息提取

溫度場信息提取的基礎是對熱紅外波段開展溫度反演。中外學者均針對Landsat-8的2個熱紅外通道，開展了劈窗算法研究，并進行了精度估算[9-10]，但因Landsat-8 的B11 波段受條帶干擾嚴重，數(shù)據(jù)分發(fā)單位（https：//glovis.usgs.gov/）經(jīng)過測試顯示，利用B11 波段的劈窗算法會帶來較大的誤差。針對Landat-5 熱紅外數(shù)據(jù)，國內外學者提出不同的反演算法，主要有單窗算法[11]、普適性單通道算法[12]和輻射傳輸方程法[13-14]。前兩種算法是通過對輻射傳輸方程算法中大氣相關參數(shù)近似簡化，獲取地表溫度。為保證結果的一致性，對Landsat-8 和Landsat-5 均使用輻射傳輸方程算法開展溫度反演，并對反演結果開展驗證。

在無云情況下，不考慮大氣對電磁波的散射，水平大氣各種組分混合均勻，對于溫度Ts的條件下，地表的黑體輻射為∶

式中，Ts是地物溫度，Lλ（Ts）是溫度為Ts時的黑體輻射，Lλ是傳感器接收到的大氣頂層輻射，可由傳感器輻射定標獲取，ελ是地物的比輻射率，因海水接近黑體，比輻射率可以取0.995[11]；Lλatm↓和Lλatm↑分別是大氣下行輻射和大氣上行輻射，τλ是波長為λ時地表和傳感器之間的大氣透射率。

（1）式經(jīng)變形，可以得到衛(wèi)星傳感器接收到的大氣頂層輻射Lλ：

由（2）式可知，要求算地表溫度Ts，除海表比輻射率ελ外，還需計算5個參數(shù)：大氣頂層輻射Lλ、溫度為Ts時的黑體輻射Lλ（Ts）、大氣透射率τλ、大氣上行輻射亮度Lλatm↑、大氣下行輻射亮度Lλatm↓。

1.Lλ的計算

大氣頂層輻射Lλ的計算是熱紅外傳感器輻射定標的過程，即將傳感器觀測到的數(shù)據(jù)灰度（DN）值轉換成輻射亮度值的過程。公式如下：

其中，a和b為定標系數(shù)，分別為圖像的增益和偏移，可以直接從各自元數(shù)據(jù)中獲取。

2.大氣參數(shù)Lλatm↓，Lλatm↑和τλ的獲取

根據(jù)衛(wèi)星過境時刻核電地面的平均溫度，氣壓，濕度及影像中心經(jīng)緯度，結合MODTRAN模塊，進行在線（http∶//atmcorr.gsfc.nasa.gov/）大氣校正[11-12]，獲取Lλatm↓，Lλatm↑和τλ參數(shù)。

3.Lλ（Ts）和Ts的計算

在獲取Lλatm↓，Lλatm↑和τλ后，獲取海域表層真實的Lλ（Ts），根據(jù)普朗克公式的反函數(shù)，獲取海表真實溫度Ts，即

式中，對于

基于以上的算法和元數(shù)據(jù)中相關參數(shù)，進行波段運算，獲得6 期數(shù)據(jù)海面的溫度場分布如圖2、表2所示。

表2 田灣核電周邊海域不同時期溫度概況表Table 2 Temperature of sea region near Tianwan nuclear power plant at different periods

2.3 岸線信息提取

基于地理信息軟件Arcgis，對大氣校正后的Landsat-5、8多光譜數(shù)據(jù)進行圖像融合（Landsat-8數(shù)據(jù)）、波段組合和圖像增強，采用目視解譯方法對6期遙感影像進行解譯，提取核電周邊海域岸線情況（圖1、表3）。

表3 田灣核電周邊海域不同時期岸線概況表Table3 Overview of coastline around Tianwan nucle‐ar power plant at different periods

解譯結果顯示，在核電運行前，2003～2008 年田灣核電周邊岸線未發(fā)生變化，2008～2017 年間，核電周邊發(fā)生了顯著變化：

1.連島南側、進水口北側的旗臺防波堤，從無到有，最終長度達4.81km；

2.取水明渠逐年擴展，最終增加到4.54km；

3.排水口導流堤向南擴建約1.50km；

4.南側徐圩港防波堤，從無到有，最終離岸距離達6.86km；

5.核電排水口由原來相對開放，逐漸處于兩側防波堤環(huán)抱的人工海灣的灣底。

2017-2020年岸線穩(wěn)定，未發(fā)生變化。

3 結果與分析

2013 年11 月15 日Landsat-8 衛(wèi)星過境期間開展了近同步海面溫度測量，海溫測量方式和溫度反演精度的分析研究，作者在文獻[15-16]中已有報道，本次研究不再贅述。

3.1 Landsat-5 反演結果與MODIS 溫度數(shù)據(jù)對比分析

因Landsat-5數(shù)據(jù)時相較早，未開展同步海面實測工作。為驗證Landsat-5熱紅外波段溫度反演結果，以精度較高的MODIS數(shù)據(jù)的海表溫度二級產(chǎn)品[17]（圖3）為基礎，與Landsa-5反演溫度開展交叉驗證[18]。

因處于落潮末期，近岸灘涂出露面積較大，由于比熱容的差異，灘涂的溫度明顯高于海水溫度。MODIS 熱紅外數(shù)據(jù)空間分辨率為1km，海陸像元混合比Landsat-5要大，為減小誤差，30個隨機點位選取時多遠離近岸灘涂。此外，2008年2月19日MODIS數(shù)據(jù)過境時南側閘口放水，選點時避開放水影響區(qū)域。將選取的數(shù)據(jù)擬合（表4、圖3），進行交叉驗證。Landsat-5偏差最大為3.61℃，最小小于0.1℃，平均偏差為0.64℃，兩組數(shù)據(jù)擬合關系式為y=0.7266x+1.2104，擬合后回歸系數(shù)的平方為0.8856，標準誤差為0.6663。

表4 Landsat-5 反演結果與MODIS 反演結果對比表Table 4 Comparison of Landsat-5 retrieval results with MODIS temperature

圖4 Landsat-5 反演結果與MODIS 溫度數(shù)據(jù)擬合圖Fig.4 Linear fitting of Landsat-5 retrieval results and MODIS temperature values

數(shù)據(jù)擬合結果表明Landsat-5 反演結果與MODIS溫度數(shù)據(jù)之間線性特征明顯，具有很好的線性相關性和一致性，可以反映出Landsat-5 熱紅外波段溫度反演方法獲得的溫度場數(shù)據(jù)準確可信。

3.2 核電周邊溫度場分布特征

2003年12月22日、2005年9月6日田灣核電站未運行，附近海域溫度較為均勻（圖2a，2b），溫度分別在4.0～6.0℃和23.0℃～24.0℃之間，溫度較為均勻，排水口周邊海域無明顯溫度分異與溫升現(xiàn)象。

2008年后獲取的4景數(shù)據(jù)，核電已投入運行，排水口周邊溫排水海域溫度層次分明，存在明顯的水溫分異現(xiàn)象，且距離排水口越近溫度越高，隨著距離增大，溫度逐步降低，到達一定距離后，溫度趨于穩(wěn)定。

運行后的4 期衛(wèi)星數(shù)據(jù)，獲取時核電周邊海域均處在落潮時刻，溫排水形成的溫度場均具有沿海水落潮方向擴散特征。2008 年2 月19 日周邊工程還未開始修建（圖2（c）），溫排水擴散較快，影響范圍相對較小。因無工程阻擋，進水口處于明顯受到溫排水影響（4.9℃），處于高于周邊海水溫度（3.2℃）的范圍內。2013年11月15日海域溫度場顯示（圖2（d）），由于旗臺防波堤和取水明渠向外海延伸，阻擋溫排水落潮擴散通道，相較于2008 年2月19 日，溫度場整體向東偏移，進水口平均溫度為15.4℃，略高于周邊海水溫度（15.0℃），溫排水影響的溫度場整體規(guī)模略有增大。

2017 年2 月27 日溫度場結果（圖2（e））顯示，高溫熱水受排水口導流堤阻擋向南擴散，過南側堤頭后，受潮汐拖曳作用，以約1.0km 寬度向東延伸2km，溫度降低2.0℃，繼續(xù)向東擴散，因與外海海水混合，溫度迅速降低，2km 范圍內降低4.0℃。因取水明渠阻擋，溫排水被限制在進水口處南側；向東南擴散的溫排水羽跡，被徐圩港防波堤阻斷。溫排水展布進一步向東、東南偏移，范圍增大明顯。

2020 年3 月23 日核電周邊岸線未發(fā)生變化，核電二期3、4號機組投入商運，4 臺機組滿功率運行，一期排水口西南側800m 處第二個排水口開始啟用，2 個排水口同時向外排放溫排水。因熱水混合較快，新排水口未形成獨立溫度場（圖2（f）），展布形態(tài)與2017年2月27日相似，但溫度場規(guī)模明顯擴大。

4 溫升統(tǒng)計與討論

4.1 基準溫度選取與溫升統(tǒng)計

遙感監(jiān)測反映的是核電周邊海域實際水溫分布，是溫排水和自然因素綜合影響的結果。核電運行后溫排水溫升信息提取，應將自然水溫從遙感監(jiān)測的溫度場扣除，從而獲取核電站溫排水的影響范圍。但實際情況是核電周邊海域隨著季節(jié)、潮汐、核電運行工況不同，絕對溫度不斷變化，基準溫度不是一個固定值。如果沒有準確的基準溫度作為參考，就無法確定溫升分布范圍的大小及位置，無法進行環(huán)境影響評價。目前技術條件下，無法把精確的本底溫度場從附近水體中完全剔除，但可根據(jù)一定的方法如臨近區(qū)域替代法、海灣平均溫度法或取水口法等選取基準溫度[6]。

經(jīng)運行前溫度場對比分析，連島北側的溫度與溫排水區(qū)域溫度基本一致（圖2a、圖2b，表2），因此，本次研究的基準溫度以連島北側的海水溫度作為參考，綜合考慮剔除溫排水影響區(qū)域后的核電附近海域平均溫度。將熱紅外反演的海域溫度場剔除基準溫度，劃分溫升等級進行編碼（圖5），統(tǒng)計各級溫升象元個數(shù)，獲取核電溫排水形成的溫升分布結果（圖6）。

溫升編碼圖（圖5a、b、c）顯示，隨著周邊岸線變化，取水口處溫升影響逐年降低，但排水口周邊溫排水海域各級溫升面積總體上均有增大（圖6）。因核電機組運行功率相同，監(jiān)測季節(jié)及所處潮汐基本相同，可以認為溫升面積增大，主要因為核電周邊岸線環(huán)境改變導致。2020 年3 月23 日為核電二期3、4 號機組商運后數(shù)據(jù)（圖6d），核電周邊工程建設穩(wěn)定，與2017 年相比，岸線無變化，溫升影響規(guī)模顯著增加，1℃以上溫升增加約12.11%，4℃以上溫升增加約6.98%（圖6）。排除其他影響因素，可推斷溫升面積增加為新增機組溫排水量增加引起的變化。

4.2 討論

隨著周邊工程的變化和核電的擴建，核電站周邊海域環(huán)境發(fā)生了顯著的變化。核電周邊工程未建成時，漲潮時刻，潮水從外海沿東北方向流進排水區(qū)域，遇岸線阻擋，向東南方向流動，落潮時刻，潮水基本沿相反方向流出；工程建成后，取水明渠在漲潮時使潮水發(fā)生挑流，落潮時阻礙了潮水向東北方向的流動，而徐圩港防波堤阻擋了潮水向南擴散。受此影響，溫排水海域漲落潮流速都有不同程度的減小，并且流向發(fā)生了偏轉，不利于溫排水的擴散，造成了溫排水影響的面積增大。2020 年3、4號機組投入運行后，溫排水量增加明顯，進一步改變了周邊海域環(huán)境，溫升也有了明顯的變化，但溫排水向外海擴散到達一定距離后，海水流速，海水深度都明顯高于近岸，有利于熱量擴散，因此，核電擴建后溫排水影響面積并未按照機組增加幅度增加。

如前所述，現(xiàn)有技術很難把自然溫度場完全分離出來，現(xiàn)有的基準溫度扣除，會導致遙感監(jiān)測得到的溫升范圍可能與實際溫排水造成的溫升范圍不符，加之海陸混合像元的影響，也會導致遙感監(jiān)測得到的溫升范圍略大于實際溫排水造成的溫升范圍。為了扣除準確的本底溫度場，還需要開展季節(jié)、潮汐及近岸淺灘的影響因素研究。

5 結論

1.通過Landsat-8 反演溫度與近同步測量的測溫數(shù)據(jù)對比、Landsat-5 與同日過境的MODIS 數(shù)據(jù)進行交叉驗證，顯示利用輻射傳輸方程算法對Land‐sat-8 和Landsat-5 的溫度反演結果可靠。田灣核電運行前，排水口周邊海域溫度無明顯升溫現(xiàn)象。核電運行后，海域溫升現(xiàn)象明顯。

2.Landsat-5、8 數(shù)據(jù)岸線和溫度場信息提取結果顯示，田灣核電周邊海域環(huán)境變化明顯，周邊工程建設，尤其是取水明渠的建設有效保護了核電冷卻水不受溫排水影響，阻礙了溫排水的擴散速度、影響了溫排水擴散方向，造成溫排水溫升面積增大。核電二期擴建后，因溫排水量增加，溫升面積進一步擴大，因外海流速、深度增大，有利于溫排水熱量擴散，溫升幅度未按機組增加幅度增加。核電站需要時刻關注周邊海域環(huán)境變化，必要時進行周邊海域環(huán)境信息提取、溫排水影響分析。

3.Landsat-5、Landsat-8 數(shù)據(jù)能滿足田灣核電周邊海域環(huán)境監(jiān)測需求，為評估核電站周邊海域環(huán)境提供了存檔、現(xiàn)勢遙感數(shù)據(jù)。