基于遙感技術(shù)的田灣核電周邊海域環(huán)境監(jiān)測

石海崗，王 虎，章新益，牛海威，張 恩，張建永，張春雷，程 旭

（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(shù)重點實驗室，河北 石家莊 050002；3.江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222000）

隨著公眾環(huán)保意識的增強(qiáng)以及國家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，我國將持續(xù)穩(wěn)步推進(jìn)核電建設(shè)。核電作為清潔能源，運行過程中不會產(chǎn)生有害氣體（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]，而當(dāng)溫度過高且擴(kuò)散到核電取水口附近時，將影響核電的正常運行。此外，溫升較高時還會改變水體質(zhì)量，影響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(hù)等活動密切相關(guān)，對于海灣型的海域，岸線變化將影響海域的納潮量和流場[3]，從而間接影響核電溫排水的分布情況。因此，監(jiān)測核電站周邊海域環(huán)境，尤其是岸線、溫度場信息變化對于核電的安全運行和研究水域生態(tài)平衡具有重要意義[4]。遙感作為對地觀測綜合技術(shù)，在核電周邊海域環(huán)境監(jiān)測方面具有其他技術(shù)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(jì)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(jī)組擴(kuò)建也開展了系列工程建設(shè)，導(dǎo)致海域岸線形態(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(yīng)[7]，導(dǎo)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(qū)動力，為加強(qiáng)岸線管理提供依據(jù)，本文基于Landsat5存檔數(shù)據(jù)和Landsat8現(xiàn)勢數(shù)據(jù)，利用遙感和地理信息技術(shù)提取田灣核電周邊海域的海岸線數(shù)據(jù)和溫度場分布數(shù)據(jù)，進(jìn)而研究田灣核電周邊海域岸線變遷、核電擴(kuò)建對海域環(huán)境溫度場的影響。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

田灣核電位于江蘇省連云港市高公島鄉(xiāng)，規(guī)劃建設(shè)8臺百萬千瓦級核電機(jī)組，一期1、2號機(jī)組和二期3、4號機(jī)組分別于2007年和2018年投入商運，三期5、6號機(jī)組分別于2020年9月和2021年5月投入商運，6臺機(jī)組單機(jī)容量均超過100萬千瓦。核電周邊海域向東開放，近岸區(qū)域?qū)儆倌喾植紖^(qū)，南北兩側(cè)現(xiàn)已被港口工程包圍（圖1）。核電周邊為規(guī)則淺海半日潮型，一日經(jīng)歷兩次漲落潮，海域流場運動形式以往復(fù)流或接近往復(fù)流為主，歷時略有不同。落潮時，海水自核電排水口沿導(dǎo)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(dǎo)流堤、取水明渠、連云港防波堤至連島鎮(zhèn)北側(cè)；漲潮流大致與落潮流相反。

圖1 田灣核電周邊海域岸線解譯結(jié)果圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文采用的數(shù)據(jù)源為2003-12-22、2005-09-06和2008-02-19的Landsat5數(shù)據(jù)以及2013-11-15、2017-02-27和2020-03-23的Landsat8數(shù)據(jù)。為驗證反演結(jié)果，本文獲取了2008-02-19過境的MODIS 1 km-Level1B Calibrated Radiances數(shù)據(jù)和2013-11-15海面測量數(shù)據(jù)。衛(wèi)星熱紅外波段參數(shù)、過境時間、機(jī)組運行工況、所處季節(jié)和潮態(tài)如表1所示。Landsat5衛(wèi)星攜帶的專題制圖儀（TM）、Landsat8的OLI和TIRS傳感器具體參數(shù)特征見參考文獻(xiàn)[8]。

表1 田灣核電不同時相熱紅外數(shù)據(jù)概況表

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

遙感影像預(yù)處理主要是對Landsat8 OLI/TIRS、Landsat5 TM和MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何精校正、海陸分離、影像裁剪和重采樣。幾何精校正以1∶5萬地形圖數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)進(jìn)行，校正后的誤差控制在5 m之內(nèi)；大氣校正通過ENVI軟件進(jìn)行；海陸分離利用Landsat8 OLI和Landsat5 TM的短波紅外波段來區(qū)分。對于MODIS產(chǎn)品，幾何校正后，重采樣為120 m。各影像按照研究區(qū)矢量進(jìn)行裁剪。

2.2 溫度場信息提取

溫度場信息提取的基礎(chǔ)是對熱紅外波段開展溫度反演。中外學(xué)者均針對Landsat8的兩個熱紅外通道開展了劈窗算法研究，并進(jìn)行了精度估算[9-10]，但因Landsat8的B11波段受條帶干擾嚴(yán)重，數(shù)據(jù)分發(fā)單位（https：//glovis.usgs.gov/）經(jīng)過測試顯示，利用B11波段的劈窗算法將帶來較大的誤差。針對Landat5熱紅外數(shù)據(jù)，國內(nèi)外學(xué)者提出了不同的反演算法，主要包括單窗算法[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(guān)參數(shù)進(jìn)行近似簡化獲取地表溫度。為保證結(jié)果的一致性，本文采用輻射傳輸方程算法對Landsat8和Landsat5數(shù)據(jù)開展溫度反演，并對反演結(jié)果進(jìn)行驗證。

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，則地表的黑體輻射為：

式中，T S為地物溫度；Lλ為傳感器接收到的大氣頂層輻射，可由傳感器輻射定標(biāo)獲??；ελ為地物的比輻射率，因海水接近黑體，比輻射率可取0.995[11]；Lλatm↓和Lλatm↑分別為大氣下行和上行輻射；τλ為波長為λ時，地表和傳感器之間的大氣透射率。

式（1）經(jīng)變形，可得到衛(wèi)星傳感器接收到的Lλ，即

由式（2）可知，求取T S除需ελ外，還需計算Lλ、Lλ(TS)、τλ、Lλatm↑和Lλatm↓五個參數(shù)。

1）Lλ的計算。Lλ的計算是熱紅外傳感器輻射定標(biāo)的過程，即將傳感器觀測到的數(shù)據(jù)灰度（DN）值轉(zhuǎn)換為輻射亮度值的過程。其計算公式為：

式中，a、b為定標(biāo)系數(shù)，分別為圖像的增益和偏移，可直接從各自元數(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、濕度和影像中心經(jīng)緯度，結(jié)合MODTRAN模塊，進(jìn)行在線（http://atmcorr.gsfc.nasa.gov/）大氣校正[11-12]，獲取Lλatm↓、Lλatm↑和τλ。

3）Lλ(T S)和T S的計算。在獲取Lλatm↓、Lλatm↑和τλ后，即可得到海域表層真實的Lλ(T S)，再根據(jù)普朗克公式的反函數(shù)，獲取海表真實溫度T S，即

式中，對于Landsat8 B10，K1=774.89 W/(m2·sr·μm)，K2=1321.08K；對于Landsat5B6，K1=60.776W/(m2·sr·μm)，K2=1 260.56 K。

本文基于上述算法和元數(shù)據(jù)中相關(guān)參數(shù)進(jìn)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

圖2 田灣核電周邊海域不同時期熱紅外溫度場圖

2.3 岸線信息提取

本文對大氣校正后的Landsat5、Landsat8多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像融合、波段組合和圖像增強(qiáng)；基于Arc-GIS軟件，采用目視解譯法對6期遙感影像進(jìn)行解譯，并提取核電周邊海域的岸線情況，如圖1、表3所示。

表3 田灣核電周邊海域不同時期岸線概況表

解譯結(jié)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年核電周邊發(fā)生了顯著變化：①連島南側(cè)、進(jìn)水口北側(cè)的旗臺防波堤從無到有，最終長度達(dá)4.81 km；②取水明渠逐年擴(kuò)展，最終增加到4.54 km；③排水口導(dǎo)流堤向南擴(kuò)建約1.50 km；④南側(cè)徐圩港防波堤從無到有，最終離岸距離達(dá)6.86 km；⑤核電排水口由原來的相對開放，逐漸處于兩側(cè)防波堤環(huán)抱的人工海灣灣底。2017—2020年岸線穩(wěn)定，未發(fā)生變化。

3 研究結(jié)果與分析

本文于2013-11-15Landsat8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在參考文獻(xiàn)[15]、[16]中已有論述，不再贅述。

3.1 Landsat5反演結(jié)果與MODIS溫度數(shù)據(jù)的對比分析

由于Landsat5數(shù)據(jù)時相較早，未開展同步海面實測工作。為驗證Landsat5熱紅外波段溫度反演結(jié)果，本文以精度較高的MODIS數(shù)據(jù)的海表溫度二級產(chǎn)品[17]（圖3）為基礎(chǔ)，與Landsat5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，灘涂溫度明顯高于海水溫度。MODIS熱紅外數(shù)據(jù)空間分辨率為1 km，海陸像元混合比Landsat5大，為減小誤差，選取30個隨機(jī)點位時應(yīng)遠(yuǎn)離近岸灘涂；此外，2008-02-19的MODIS數(shù)據(jù)過境時南側(cè)閘口放水，選點時應(yīng)避開放水影響區(qū)域。本文對選取的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合（表4、圖3），并進(jìn)行交叉驗證。Landsat5偏差最大為3.61℃，最小為0.02℃，平均偏差為0.64℃。兩組數(shù)據(jù)的擬合關(guān)系式為y=0.726 6x+1.210 4，擬合后R2為0.885 6，標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.666 3。

表4 Landsat5反演結(jié)果與MODIS反演結(jié)果對比表

圖3 2008-02-19的MODIS熱紅外溫度場分布圖

Landsat5反演結(jié)果與MODIS溫度數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果如圖4所示，可以看出，Landsat5反演結(jié)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(guān)性和一致性，說明Landsat5熱紅外波段溫度反演方法獲得的溫度場數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可信。

圖4 Landsat5反演結(jié)果與MODIS溫度數(shù)據(jù)擬合圖/℃

3.2 核電周邊溫度場分布特征

2003-12-22、2005-09-06田灣核電未運行，附近海域溫度較均勻（圖2a、2b），溫度分別在4.0～6.0℃和23.0～24.0℃之間，溫度變化較小，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期數(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，距離排水口越近溫度越高，反之越低，到達(dá)一定距離后，溫度趨于穩(wěn)定。因處于落潮狀態(tài)，核電東南部至徐圩港防波堤底部和核電北部均有不同面積的灘涂干出，由于泥沙比熱容僅為海水比熱容的1/5，受太陽輻射的影響，灘涂在圖像上顯示出明顯的增溫區(qū)域。核電運行后的4期數(shù)據(jù)，由于所處潮態(tài)相似，溫排水形成的溫度場均具有沿海水落潮方向擴(kuò)散的特征。2008-02-19周邊工程還未開始修建（圖2c），溫排水?dāng)U散較快，影響范圍相對較小，因無工程阻擋，進(jìn)水口處于明顯受溫排水影響（4.9℃）、高于周邊海水溫度（3.2℃）的范圍內(nèi)；2013-11-15的海域溫度場顯示（圖2d），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(kuò)散通道，溫度場整體向東偏移，進(jìn)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；2017-02-27的溫度場結(jié)果顯示（圖2e），高溫?zé)崴芘潘趯?dǎo)流堤阻擋向南擴(kuò)散，過南側(cè)堤頭后，受潮汐拖曳作用，以約1.0 km的寬度向東延伸2 km，溫度降低2.0℃，繼續(xù)向東擴(kuò)散，因與外海海水混合，溫度迅速降低，2 km范圍內(nèi)降低4.0℃，因取水明渠阻擋，溫排水被限制在進(jìn)水口處南側(cè)，向東南擴(kuò)散的溫排水羽跡，被徐圩港防波堤阻斷，溫排水展布進(jìn)一步向東、東南偏移，范圍增大明顯；2020-03-23的核電周邊岸線未發(fā)生變化，核電二期3、4號機(jī)組投入商運，4臺機(jī)組滿功率運行，一期排水口西南側(cè)800 m處第二個排水口開始啟用，兩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2f），展布形態(tài)與2017-02-27相似，但溫度場規(guī)模明顯擴(kuò)大。

4 溫升統(tǒng)計與討論

4.1 基準(zhǔn)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?qū)嶋H水溫分布，是溫排水和自然因素綜合影響的結(jié)果。核電運行后溫排水溫升信息提取，應(yīng)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。然而，實際情況是核電周邊海域根據(jù)季節(jié)、潮汐、核電運行工況的不同，絕對溫度不斷變化，基準(zhǔn)溫度不是一個固定值，若沒有準(zhǔn)確的基準(zhǔn)溫度作參考，就無法確定溫升分布范圍的大小與位置，無法進(jìn)行環(huán)境影響評價。目前技術(shù)條件下，無法把精確的本底溫度場從附近水體中完全剔除，但可利用臨近區(qū)域替代法、海灣平均溫度法或取水口法等選取基準(zhǔn)溫度[6]。

對比分析核電運行前溫度場發(fā)現(xiàn)，連島北側(cè)的溫度與溫排水區(qū)域溫度基本一致（圖2a、2b和表2），因此本文的基準(zhǔn)溫度以連島北側(cè)的海水溫度為參考，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。首先將熱紅外反演的海域溫度場扣除基準(zhǔn)溫度，劃分溫升等級并進(jìn)行編碼（圖5）；再通過多光譜影像剔除灘涂增溫占據(jù)的像元；然后統(tǒng)計核電周邊海水各級溫升像元的個數(shù)；最后獲取核電溫排水形成的溫升分布結(jié)果（圖6）。

由溫升編碼圖（圖5a、b、c）可知，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均有增大趨勢（圖6）。由于核電機(jī)組運行功率相同，監(jiān)測季節(jié)和所處潮汐相似，可認(rèn)為溫升面積增大主要是由核電周邊岸線環(huán)境改變所致。2020-03-23的數(shù)據(jù)為核電二期3、4號機(jī)組商運后數(shù)據(jù)（圖5d），核電周邊工程建設(shè)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(jī)組溫排水量增加引起的變化。

圖5 田灣核電周邊海域不同時期溫升編碼圖

圖6 田灣核電周邊海域不同時期溫升面積對比圖

4.2 結(jié)果討論

隨著周邊工程的變化和核電的擴(kuò)建，核電周邊海域環(huán)境發(fā)生了顯著變化。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(jìn)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(kuò)散；受此影響，溫排水海域漲落潮流速都有不同程度的減小，且流向發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，不利于溫排水的擴(kuò)散，造成了溫排水影響面積的增大。2020年3、4號機(jī)組投入運行后，溫排水量增加近一倍，進(jìn)一步改變了周邊海域環(huán)境，溫升分布在近岸區(qū)域也有較明顯的變化，各級別溫升面積均有擴(kuò)大，但并未按照溫排水排放量成相應(yīng)比例增加，而是小于該比例，主要原因在于溫排水向外海擴(kuò)散到一定距離后，海水流速、海水深度都明顯高于近岸，有利于溫排水與低溫海水的快速摻混，導(dǎo)致熱量迅速擴(kuò)散、溫度劇烈下降。因此，核電擴(kuò)建后溫排水影響面積并未按照機(jī)組增加幅度增加。

如前所述，現(xiàn)有技術(shù)很難把自然溫度場完全分離出來，現(xiàn)有的基準(zhǔn)溫度扣除可能會導(dǎo)致遙感監(jiān)測得到的溫升范圍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(dǎo)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(zhǔn)確的本底溫度場，還需開展季節(jié)、潮汐和近岸淺灘的影響因素研究。

5 結(jié)語

1）由Landsat8反演溫度與近同步測量的測溫數(shù)據(jù)的對比以及Landsat5與同日過境的MODIS數(shù)據(jù)的交叉驗證可知，利用輻射傳輸方程算法反演Landsat8和Landsat5的溫度結(jié)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）Landsat5、Landsat8數(shù)據(jù)岸線和溫度場信息提取結(jié)果顯示，田灣核電周邊海域環(huán)境變化明顯，周邊工程建設(shè)，尤其是取水明渠的建設(shè)有效保護(hù)了核電冷卻水不受溫排水影響，但阻礙了溫排水的擴(kuò)散速度，影響了溫排水的擴(kuò)散方向，造成溫排水溫升面積的增加。核電二期擴(kuò)建后，溫排水量增加，溫升面積進(jìn)一步擴(kuò)大；但由于外海流速、深度的增大，有利于溫排水熱量的擴(kuò)散，溫升幅度未按機(jī)組增加幅度增加。核電站需要時刻關(guān)注周邊海域的環(huán)境變化，必要時應(yīng)進(jìn)行周邊海域環(huán)境信息提取、溫排水的影響分析。

3）Landsat5、Landsat8數(shù)據(jù)能滿足田灣核電周邊海域環(huán)境的監(jiān)測需求，可為評估核電站周邊海域環(huán)境提供存檔、現(xiàn)勢的遙感數(shù)據(jù)。