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，張建永，張春雷

1.核工業航測遙感中心，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

隨著公眾環保意識增強及國家產業結構和能源結構優化，我國將持續穩步推進核電建設。核電作為清潔能源，運行過程中不產生有害氣體（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，核電站周邊海域環境監測，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，在核電周邊海域環境監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，沿海經濟快速發展，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和溫排水排水量變化顯著。海域岸線形態的改變和核電排水量的增加給水動力和水環境帶來連鎖反應[7]，導致核電周邊海域環境發生顯著變化。以往海域環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。本次研究基于Landsat-5 存檔數據和Landsat-8 現勢數據，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據和溫度場分布數據，研究田灣核電周邊海域岸線變遷、核電擴建對海域環境溫度場的影響。

1 研究區與數據源

1.1 研究區概況

田灣核電廠址位于江蘇省連云港市高公島鄉，廠區規劃建設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，近岸區域屬淤泥分布區，南北兩側現均已被港口工程包圍（圖1，見中間彩頁，下同）。核電站周邊為規則淺海半日潮型，一日經歷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，分別流經排水口導流堤，取水明渠，連云港防波堤，至連島鎮北側。漲潮流大致與落潮流相反。

1.2 遙感數據源

本文數據源為2003 年12 月22 日、2005 年9 月6日和2008年2月19日的Landsat-5數據，2013年11月15日、2017年2月27日和2020年3月23日的Land‐sat-8數據。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 數據和2013 年11 月15 日據海面測量數據。衛星熱紅外波段參數，衛星過境時間、機組運行工況，所處季節和潮態見表1。Landsat-5 衛星攜帶的專題制圖儀（TM）、Landsat-8 的OLI 和TIRS 傳感器具體參數特征見文獻[8]。

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

2 研究方法

2.1 遙感數據預處理

遙感影像預處理，主要是對Landsat-8 OLI 和TIRS、Landsat-5 TM 和MODIS 數據進行輻射定標、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 萬地形圖數據為基準進行，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 短波紅外波段來區分。對于MODIS 產品，幾何校正后，重采樣成120m。各影像按照研究區矢量進行裁剪（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，數據分發單位（https：//glovis.usgs.gov/）經過測試顯示，利用B11 波段的劈窗算法會帶來較大的誤差。針對Landat-5 熱紅外數據，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）式經變形，可以得到衛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：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據灰度（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，分別為圖像的增益和偏移，可以直接從各自元數據中獲取。

2.大氣參數Lλatm↓，Lλatm↑和τλ的獲取

根據衛星過境時刻核電地面的平均溫度，氣壓，濕度及影像中心經緯度，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。

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），根據普朗克公式的反函數，獲取海表真實溫度Ts，即

式中，對于

基于以上的算法和元數據中相關參數，進行波段運算，獲得6 期數據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多光譜數據進行圖像融合（Landsat-8數據）、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生變化，2008～2017 年間，核電周邊發生了顯著變化：

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抱的人工海灣的灣底。

2017-2020年岸線穩定，未發生變化。

3 結果與分析

2013 年11 月15 日Landsat-8 衛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 溫度數據對比分析

因Landsat-5數據時相較早，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數據的海表溫度二級產品[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 熱紅外數據空間分辨率為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數據過境時南側閘口放水，選點時避開放水影響區域。將選取的數據擬合（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℃，兩組數據擬合關系式為y=0.7266x+1.2104，擬合后回歸系數的平方為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 溫度數據擬合圖Fig.4 Linear fitting of Landsat-5 retrieval results and MODIS temperature values

數據擬合結果表明Landsat-5 反演結果與MODIS溫度數據之間線性特征明顯，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據準確可信。

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象。

2008年后獲取的4景數據，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，溫度趨于穩定。

運行后的4 期衛星數據，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）），展布形態與2017年2月27日相似，但溫度場規模明顯擴大。

4 溫升統計與討論

4.1 基準溫度選取與溫升統計

遙感監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、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，但可根據一定的方法如臨近區域替代法、海灣平均溫度法或取水口法等選取基準溫度[6]。

經運行前溫度場對比分析，連島北側的溫度與溫排水區域溫度基本一致（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），統計各級溫升象元個數，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，監測季節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 號機組商運后數據（圖6d），核電周邊工程建設穩定，與2017 年相比，岸線無變化，溫升影響規模顯著增加，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，核電站周邊海域環境發生了顯著的變化。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，現有技術很難把自然溫度場完全分離出來，現有的基準溫度扣除，會導致遙感監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、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據對比、Landsat-5 與同日過境的MODIS 數據進行交叉驗證，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象。核電運行后，海域溫升現象明顯。

2.Landsat-5、8 數據岸線和溫度場信息提取結果顯示，田灣核電周邊海域環境變化明顯，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境變化，必要時進行周邊海域環境信息提取、溫排水影響分析。

3.Landsat-5、Landsat-8 數據能滿足田灣核電周邊海域環境監測需求，為評估核電站周邊海域環境提供了存檔、現勢遙感數據。