基于Landsat遥感数据的田湾核电站温排水时空特征研究

邢梦玲,王迪峰,何贤强,白 雁,成印河

(1.江苏海洋大学 测绘与海洋信息学院，江苏 连云港 222005；2.卫星海洋环境动力学国家重点实验室， 浙江 杭州 310012；3.自然资源部 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012)

0 引言

核电是一种新型的能源利用方式[1]，然而滨海核电站在发电过程中近2/3能量以温排水的形式进入海洋成为废热[2]，造成局部海域海水温度升高，海水理化性质改变[3]。一些研究表明，温排水的长期排放对海域中浮游生物的生长、繁殖以及种类组成[4]，底栖生物群落的分布及演替[5]，鱼类的生长、发育和繁殖等都有一定影响[6]。因此，开展核电站温排水的长期监测对保护海区生态环境、防止热污染具有重要意义。

海表温度遥感反演技术是目前海洋温排水监测的重要手段。周颖 等[7]利用减灾环境卫星B星(HJ-1B)和风云三号卫星(FY-3)反演了田湾核电厂附近海域海表面温度；朱利[8]基于环境1号红外相机对田湾核电站温排水开展了监测；WANG et al[9]利用水面浮标数据并简化Landsat 8的区域性算法，实现了秦山核电站多年温排水监测。

长时间序列的高精度遥感结果不仅可用于温排水范围的动态监测，还可用于厘清温排水的变化规律及其影响因素。本文以Landsat系列遥感资料为数据源，反演得到连云港田湾核电站周边海域2007—2018年温排水的变化，分析温排水的季节与年际时空分布特征，研究潮汐与风场等因素对温排水扩散的影响，为滨海核电站周边海域生态环境保护提供重要参考。

1 研究区概况

田湾核电站位于江苏省连云港市，温排水研究区(34°36′N—34°46′N,119°25′E—119°32′E)位于南黄海的最西面——海州湾海域(图1)。排水口附近海域的水深约为2 m，取水口水深约为7 m①，位置见图1。田湾核电站一期工程的1号和2号机组，于2007年投入使用，单机容量为106万kW。二期工程3号和4号机组分别于2018年2月、12月投入使用，单机容量为100万kW。

图1 研究区位置示意图Fig.1 Study area location diagram

研究海域的年主导风向为北偏东(NNE)，气候属温带半湿润季风气候，潮汐为正规浅海半日潮(1)江苏核电有限公司.田湾核电站3、4号机组工程项目环境影响报告书(运行阶段).2016.。

2 数据与方法

2.1 卫星数据及其预处理

选取2007—2018年Landsat 5、7、8的遥感图像，卫星波段原始分辨率分别为120、60和100 m，卫星过境时刻均为格林尼治时间02:30左右，由美国地质勘探局(United States Geological Survey，USGS)提供下载，能够满足小尺度区域的研究[10-11]。选取云覆盖率均小于15%的卫星影像，共50幅，数据信息见表1。

表1 Landsat数据信息Tab.1 Information of Landsat data

对影像进行辐射定标[12]和水陆分离等预处理。辐射定标的目的是获取传感器接收到的大气顶辐射值L(λ)，计算方法为

Lλ=DN×Gain+h

(1)

式中：DN为传感器记录原始值；Gain为绝对定标系数，单位：W·m-2·sr-1·μm-1；h为偏移量，单位：W·m-2·sr-1·μm-1。

采用改进归一化差异水体指数设定阈值[13]以提取水体信息，实现水陆分离，公式如下

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

(2)

式中：MNDWI为改进的归一化差异水体指数；Green代表绿波段的辐射值，Landsat 5、7对应波段2(0.52～0.60 μm)，Landsat 8对应波段3(0.53～0.59 μm)；MIR代表中红外波段的辐射值，Landsat 5、7对应波段5(1.55～1.75 μm)，Landsat 8对应波段6(1.55～1.65 μm)。

2.2 海表温度反演

Landsat 5与Landsat 7数据采用辐射传输方程算法[14]进行海表温度反演，Landsat 8运用改进后的劈窗算法进行温度反演[15]。

2.2.1 辐射传输方程算法

根据热红外辐射传输方程，计算出海表辐亮度的值L(Ts)，再推导出海表温度Ts：

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

(3)

式中：模型系数K1、K2为卫星发射前预设常量。对于Landsat 5，K1= 607.76 W·m-2·sr-1·μm-1，K2=1 260.56 K；对于Landsat 7，K1= 666.09 W·m-2·sr-1·μm-1，K2=1 282.71 K。

2.2.2 劈窗算法

改进后的劈窗算法只需要两个参数(大气透过率τ和地表辐射率ε)即可对海表温度进行反演[15]：

Ts=A0+A1T10+A2T11

(4)

式中：Ts为海表温度，T10和T11分别为Landsat 8波段第10和第11的亮温，A0、A1与A2分别为中间变量，其表达式分别如下

(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为第10和第11波段的地表比辐射率(波段10的水体取值为0.995)；对于Landsat 8，大气透过率τ10、τ11与水汽含量直接相关，系数a10、b10、a11、b11为常数。

2.3 精度验证

为了检验长时间序列海表温度反演的准确性与一致性，将反演结果与MODIS的海表温度产品进行对比。每个年份选取一幅影像的反演结果，进行降分辨率处理，与同一天分辨率为1 km的MODIS二级海表温度产品进行线性拟合，Landsat系列数据与MODIS数据的匹配清单见表2。搭载MODIS传感器的有两颗卫星，其中上午星Terra过境时间与Landsat系列影像过境时间几乎一致；下午星Aqua过境时间与Landsat系列影像过境时间相差约3 h。LI et al[16]对全球海表温度日变化分析，发现黄海的日变化仅为0.2～0.4 ℃，因此可近似认为3 h内海表温度不变。

表2 Landsat系列数据与MODIS数据匹配清单Tab.2 Match files between Landsat data and MODIS data

为确保不同遥感卫星反演结果的连续性，本文将Landsat系列的反演结果重采样成与MODIS相同分辨率的影像，选取田湾核电站周围海区(34°39′N-34°45′N,119°30′E-119°36′E)进行星星验证[17]。

2.4 温升强度分级

为了定量评价温排水对周围环境的影响程度，本文采用区域替代法来确立该海域的基准温度[8]。如图2所示，A区域为温升区，预估为核电站周围半径15 km的圆形区域。B区域为基准温度区，位于A区域外的边长为10 km的正方形区域，将区域内的平均温度作为海区基准温度。根据该基准温度对温排水进行等级划分[18](表3)，设m为海表温度与基准温度的差值，当m大于等于2 ℃且小于3 ℃时，定义该区域为+2 ℃的温升区，其他等级依此类推。

图2 参考区域选取Fig.2 Selection of reference area (A:温升区；B:基准温度区) (A: zone of temperature-rising; B: zone of reference temperature)

表3 温升分级的标准Tab.3 Standards of temperature rising classification

2.5 温升变化分析方法

将每年的3—5月划分为春季，6—8月划分为夏季，9—11月划分为秋季，12月—次年2月划分为冬季，运用张惠荣 等[19]的方法绘制各季节的温升区包络线图，即将各季节温升遥感监测结果叠加、合并而成的实际温升最大范围图。计算各季节的温升包络线范围和不同温升等级区的平均面积(各季节不同温升等级区的面积平均值)。

运用同样的方法绘制2007、2010、2014和2018年的年温升区包络线图，用以分析温排水的年际变化特征。除2007年由于数据量有限仅包含春季外，其余各年份数据均覆盖4个季节。

2.6 潮流数据及处理

本文的潮流数据为连云港气象站(34°45′N，119°27′E)2007—2018年的日潮位表数据。将各时刻的潮高制成潮汐表，判断卫星过境时刻该海区的潮流状态，并在不同的潮流状态下，比较各温升等级区的平均面积以分析潮汐对温排水扩散的影响。

2.7 风场数据及处理

取离岸15 km区域范围(34°33′N—34°49′N，119°26′E—119°37′E)风场数据的平均值作为研究海域的风向及风速，数据来源于CCMP(Cross-Calibrated Multi-Platform，下载自www.remss.com/measurements/ccmp)的三级海面风场产品。该产品为海面风(海洋上空10 m的风场数据)，空间分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为6 h。本文将有助于温排水扩散的西风(包括西南风与西北风)定义为有利风，将不利于温排水扩散的东风(包括东北风与东南风)划分为不利风。鉴于Landsat系列的数据量有限，对夏季仅统计了东风作用下的各等级温升区面积，秋季仅统计了西风作用下的各等级温升区面积。比较各季节不同方向风作用下的各温升等级区平均面积，根据有利风对温排水扩散的贡献率[(有利风作用下温升区平均总面积—温升区平均总面积)/温升区平均总面积×100%]来分析有利风对温排水扩散的影响。

3 结果与分析

3.1 精度验证

将反演的结果与MODIS的海表温度产品进行星星验证显示两者的相关性显著，决定系数R2达0.91(图3)，表明Landsat卫星数据反演的海表温度具有较高精度，与MODIS海温产品具有良好的一致性，能用于田湾核电站周边海域长期温升变化分析。

图3 Landsat反演结果与MODIS产品对比Fig.3 Comparison between Landsat-SST and MODIS-SST

3.2 温排水分布的季节变化

从各季节各温升包络线图(图4)可见，低温升区(+2 ℃和+3 ℃)面积在各季节均较大，呈扇形向外海扩散；高温升区(+6 ℃和+7 ℃)面积在各季节均较小，呈团状分布，主要集中于田湾核电站排水口附近。包络线总面积在春季最大(120.7 km2)，温排水扩散的范围最大；在秋季最小(16.3 km2)，温排水扩散的范围最小(表4)。比较各季节温升区平均面积，春季总面积是秋季的7倍，夏季大于冬季(表5)。

图4 各季节温升包络线Fig.4 Thermal discharge envelop of each season

表4 各季节温升包络线范围Tab.4 Range of seasonal thermal discharge envelop

表5 各季节温升区平均面积Tab.5 Average area of seasonal temperature rising area

3.3 温排水的年际变化

2007年5月1日机组已投入运行，从年际温升包络线图(图5)可见，核电站周围海域已出现极小范围温排水(2.7 km2)。2010年的温排水范围较小(约32.8 km2)，温升主要集中于+2～+4 ℃。随着工况以及装机容量的扩大，2014年温排水的范围随之扩大(约95.8 km2)，2018年温排水的范围达到峰值(约101.7 km2)，温升集中于+2～+4 ℃。根据我国《海水水质标准》中对于温升的规定[20]，田湾核电站周边大部分海域的温升符合第三类水质要求。

图5 年温升包络线Fig.5 Interannual thermal discharge envelop

3.4 潮汐对温排水分布的影响

通过对不同潮况下温升区面积均值的比较可知，各等级温升区面积在涨憩时刻普遍大于落憩时刻。涨憩时刻各等级温升区面积在大潮时期最大，中潮时期次之，小潮时期最小；落憩时刻各等级温升区面积在中潮时期最大，大潮时期次之，小潮时期最小。低温升区(+2 ℃)，大潮和小潮时期，涨、落憩时刻温升区面积的相差较大，均大于15 km2；中潮时期差距最小，仅为5 km2。高温升区(+7 ℃)，大潮时期，涨、落憩时刻温升区面积差距最大，为3.1 km2；小潮次之，为1.5 km2；中潮时差距最小(表6)。

表6 不同潮况下各温升区面积均值Tab.6 The average area of temperature rising area under various tidal conditions

落憩时刻，温排水集中于排水口附近，呈小扇形分布；涨憩时刻，温排水向岸基两侧扩散，呈带状分布(图6)。上述现象与该地潮流特征有关。连云港近岸的海流为旋转流[21]，海州湾的潮波属驻波性质。受海岸廓线与水下地形的影响，落潮时流速较涨潮时大，因此热量的垂直耗散大于涨潮时，表现为落憩时刻的温升区面积小于涨憩时刻。并且，由于大、小潮时期的涨、落潮潮差和潮流流速相差较大，中潮时期差异较小，因此表现为中潮时涨、落憩时刻温升区的面积差异较小，而大、小潮时差异较大。

图6 不同潮况下温排水分布Fig.6 Thermal discharge distribution under different tidal conditions

3.5 风场对季节性温排水的影响

风动力会影响潮流特征以及水体紊动特性，进一步会引起风生流和风生浪，影响温排水的扩散分布[22]。通过比较在不同风作用下各等级温升区平均面积(表7)，可以发现：春季与冬季在有利风的作用下，各等级区温升的平均面积普遍大于不利风作用下的平均面积。春季在两种风作用下温升总面积的差值为8.4 km2，冬季的差值为1.6 km2。

综合表5与表7可知有利风对春季温排水的影响仅为5.5%，而对冬季的温排水影响为6.2%，可见风对温排水扩散的影响有限。

表7 不同风场下温升区面积均值Tab.7 The average area of temperature rising area under various wind conditions

4 结论

本文基于2007—2018年Landsat系列遥感卫星数据，反演了田湾核电站周围海域海表温度，并在此基础上分析温排水分布的季节变化、年际变化，同时分析了潮汐与风场对温排水扩散的影响。结果表明：(1)季节分布上，春季温升区面积最大，约为秋季温升区面积的7倍；(2)2007—2018年，温排水范围随装机容量扩大而不断增大，2018年达到峰值，为101.7 km2；(3)潮汐会影响温升区的面积，涨憩时刻各温升区面积较落憩时刻大；(4)有利风(西风)有利于温排水的扩散，但影响有限。