基于遥感技术的田湾核电温排水分布研究

石海岗，章新益，张恩，董双发，张建永，张春雷

1.核工业航测遥感中心，河北 石家庄050002

2.河北省航空探测与遥感技术重点实验室，河北 石家庄050002

0 引言

随着公众环保意识增强及国家产业结构和能源结构优化，我国将持续稳步推进核电建设。核电作为清洁能源，运行过程中不产生有害气体（如SOx、NOx等）和温室气体CO2，但会形成大量的温排水，造成周边海域升温[1]，当温度过高且扩散到核电取水口附近时，会影响核电的正常运行。此外，温升较高时还会改变水体的质量，影响到水生生物的繁殖和分布情况[2]。海岸线的变迁与海域使用、海岸保护等活动密切相关，对于海湾型的海域，岸线的变化影响到海域的纳潮量和流场[3]，间接影响到核电温排水的分布情况。因此，核电站周边海域环境监测，尤其是岸线、温度场信息变化对核电的安全运行和研究水域生态平衡有着重要意义[4]。遥感作为对地观测综合性技术，在核电周边海域环境监测方面具有其它技术手段无法比拟的特点[5-6]。

连云港作为欧亚大陆的东桥头堡，沿海经济快速发展，核电周边海域涉海工程逐年增加。田湾核电因自身机组扩建也开展了系列工程建设，导致了海域岸线形态和温排水排水量变化显著。海域岸线形态的改变和核电排水量的增加给水动力和水环境带来连锁反应[7]，导致核电周边海域环境发生显著变化。以往海域环境变化研究多集中于分析岸线变迁驱动力，为加强岸线管理提供依据。本次研究基于Landsat-5 存档数据和Landsat-8 现势数据，利用遥感和地理信息技术提取田湾核电周边海域海岸线数据和温度场分布数据，研究田湾核电周边海域岸线变迁、核电扩建对海域环境温度场的影响。

1 研究区与数据源

1.1 研究区概况

田湾核电厂址位于江苏省连云港市高公岛乡，厂区规划建设8台百万千瓦级核电机组，一期1、2号机组和二期3、4号机组分别在2007年和2018年投入商运，三期5、6号机组分别在2020年9月和2021年5月投入商运，6台机组单机容量均超过100万千瓦。核电周边海域向东开放，近岸区域属淤泥分布区，南北两侧现均已被港口工程包围（图1，见中间彩页，下同）。核电站周边为规则浅海半日潮型，一日经历2 次涨落潮，海域流场运动形式以往复流或接近往复流为主，历时略有不同。落潮时，海水自核电排水口沿导流堤向南流动，然后受潮汐影响向东北方向泻出，分别流经排水口导流堤，取水明渠，连云港防波堤，至连岛镇北侧。涨潮流大致与落潮流相反。

1.2 遥感数据源

本文数据源为2003 年12 月22 日、2005 年9 月6日和2008年2月19日的Landsat-5数据，2013年11月15日、2017年2月27日和2020年3月23日的Land‐sat-8数据。为验证反演结果，获取了2008年2月19日过境的MODIS 1KM-Level1B Calibrated Radi‐ances 数据和2013 年11 月15 日据海面测量数据。卫星热红外波段参数，卫星过境时间、机组运行工况，所处季节和潮态见表1。Landsat-5 卫星携带的专题制图仪（TM）、Landsat-8 的OLI 和TIRS 传感器具体参数特征见文献[8]。

表1 田湾核电不同时相热红外数据概况表Table 1 Overview of thermal infrared data of Tianwan nuclear power plant in different time

2 研究方法

2.1 遥感数据预处理

遥感影像预处理，主要是对Landsat-8 OLI 和TIRS、Landsat-5 TM 和MODIS 数据进行辐射定标、大气校正、几何精校正、海陆分离以及影像的裁剪和重采样。几何精校正通过5 万地形图数据为基准进行，使校正后的误差控制在5m 之内；大气校正通过ENVI 软件的FLAASH 模块进行；海陆分离利用Landsat-8 OLI 和Landsat-5 TM 短波红外波段来区分。对于MODIS 产品，几何校正后，重采样成120m。各影像按照研究区矢量进行裁剪（图1）。

2.2 温度场信息提取

温度场信息提取的基础是对热红外波段开展温度反演。中外学者均针对Landsat-8的2个热红外通道，开展了劈窗算法研究，并进行了精度估算[9-10]，但因Landsat-8 的B11 波段受条带干扰严重，数据分发单位（https：//glovis.usgs.gov/）经过测试显示，利用B11 波段的劈窗算法会带来较大的误差。针对Landat-5 热红外数据，国内外学者提出不同的反演算法，主要有单窗算法[11]、普适性单通道算法[12]和辐射传输方程法[13-14]。前两种算法是通过对辐射传输方程算法中大气相关参数近似简化，获取地表温度。为保证结果的一致性，对Landsat-8 和Landsat-5 均使用辐射传输方程算法开展温度反演，并对反演结果开展验证。

在无云情况下，不考虑大气对电磁波的散射，水平大气各种组分混合均匀，对于温度Ts的条件下，地表的黑体辐射为∶

式中，Ts是地物温度，Lλ（Ts）是温度为Ts时的黑体辐射，Lλ是传感器接收到的大气顶层辐射，可由传感器辐射定标获取，ελ是地物的比辐射率，因海水接近黑体，比辐射率可以取0.995[11]；Lλatm↓和Lλatm↑分别是大气下行辐射和大气上行辐射，τλ是波长为λ时地表和传感器之间的大气透射率。

（1）式经变形，可以得到卫星传感器接收到的大气顶层辐射Lλ：

由（2）式可知，要求算地表温度Ts，除海表比辐射率ελ外，还需计算5个参数：大气顶层辐射Lλ、温度为Ts时的黑体辐射Lλ（Ts）、大气透射率τλ、大气上行辐射亮度Lλatm↑、大气下行辐射亮度Lλatm↓。

1.Lλ的计算

大气顶层辐射Lλ的计算是热红外传感器辐射定标的过程，即将传感器观测到的数据灰度（DN）值转换成辐射亮度值的过程。公式如下：

其中，a和b为定标系数，分别为图像的增益和偏移，可以直接从各自元数据中获取。

2.大气参数Lλatm↓，Lλatm↑和τλ的获取

根据卫星过境时刻核电地面的平均温度，气压，湿度及影像中心经纬度，结合MODTRAN模块，进行在线（http∶//atmcorr.gsfc.nasa.gov/）大气校正[11-12]，获取Lλatm↓，Lλatm↑和τλ参数。

3.Lλ（Ts）和Ts的计算

在获取Lλatm↓，Lλatm↑和τλ后，获取海域表层真实的Lλ（Ts），根据普朗克公式的反函数，获取海表真实温度Ts，即

式中，对于

基于以上的算法和元数据中相关参数，进行波段运算，获得6 期数据海面的温度场分布如图2、表2所示。

表2 田湾核电周边海域不同时期温度概况表Table 2 Temperature of sea region near Tianwan nuclear power plant at different periods

2.3 岸线信息提取

基于地理信息软件Arcgis，对大气校正后的Landsat-5、8多光谱数据进行图像融合（Landsat-8数据）、波段组合和图像增强，采用目视解译方法对6期遥感影像进行解译，提取核电周边海域岸线情况（图1、表3）。

表3 田湾核电周边海域不同时期岸线概况表Table3 Overview of coastline around Tianwan nucle‐ar power plant at different periods

解译结果显示，在核电运行前，2003～2008 年田湾核电周边岸线未发生变化，2008～2017 年间，核电周边发生了显著变化：

1.连岛南侧、进水口北侧的旗台防波堤，从无到有，最终长度达4.81km；

2.取水明渠逐年扩展，最终增加到4.54km；

3.排水口导流堤向南扩建约1.50km；

4.南侧徐圩港防波堤，从无到有，最终离岸距离达6.86km；

5.核电排水口由原来相对开放，逐渐处于两侧防波堤环抱的人工海湾的湾底。

2017-2020年岸线稳定，未发生变化。

3 结果与分析

2013 年11 月15 日Landsat-8 卫星过境期间开展了近同步海面温度测量，海温测量方式和温度反演精度的分析研究，作者在文献[15-16]中已有报道，本次研究不再赘述。

3.1 Landsat-5 反演结果与MODIS 温度数据对比分析

因Landsat-5数据时相较早，未开展同步海面实测工作。为验证Landsat-5热红外波段温度反演结果，以精度较高的MODIS数据的海表温度二级产品[17]（图3）为基础，与Landsa-5反演温度开展交叉验证[18]。

因处于落潮末期，近岸滩涂出露面积较大，由于比热容的差异，滩涂的温度明显高于海水温度。MODIS 热红外数据空间分辨率为1km，海陆像元混合比Landsat-5要大，为减小误差，30个随机点位选取时多远离近岸滩涂。此外，2008年2月19日MODIS数据过境时南侧闸口放水，选点时避开放水影响区域。将选取的数据拟合（表4、图3），进行交叉验证。Landsat-5偏差最大为3.61℃，最小小于0.1℃，平均偏差为0.64℃，两组数据拟合关系式为y=0.7266x+1.2104，拟合后回归系数的平方为0.8856，标准误差为0.6663。

表4 Landsat-5 反演结果与MODIS 反演结果对比表Table 4 Comparison of Landsat-5 retrieval results with MODIS temperature

图4 Landsat-5 反演结果与MODIS 温度数据拟合图Fig.4 Linear fitting of Landsat-5 retrieval results and MODIS temperature values

数据拟合结果表明Landsat-5 反演结果与MODIS温度数据之间线性特征明显，具有很好的线性相关性和一致性，可以反映出Landsat-5 热红外波段温度反演方法获得的温度场数据准确可信。

3.2 核电周边温度场分布特征

2003年12月22日、2005年9月6日田湾核电站未运行，附近海域温度较为均匀（图2a，2b），温度分别在4.0～6.0℃和23.0℃～24.0℃之间，温度较为均匀，排水口周边海域无明显温度分异与温升现象。

2008年后获取的4景数据，核电已投入运行，排水口周边温排水海域温度层次分明，存在明显的水温分异现象，且距离排水口越近温度越高，随着距离增大，温度逐步降低，到达一定距离后，温度趋于稳定。

运行后的4 期卫星数据，获取时核电周边海域均处在落潮时刻，温排水形成的温度场均具有沿海水落潮方向扩散特征。2008 年2 月19 日周边工程还未开始修建（图2（c）），温排水扩散较快，影响范围相对较小。因无工程阻挡，进水口处于明显受到温排水影响（4.9℃），处于高于周边海水温度（3.2℃）的范围内。2013年11月15日海域温度场显示（图2（d）），由于旗台防波堤和取水明渠向外海延伸，阻挡温排水落潮扩散通道，相较于2008 年2月19 日，温度场整体向东偏移，进水口平均温度为15.4℃，略高于周边海水温度（15.0℃），温排水影响的温度场整体规模略有增大。

2017 年2 月27 日温度场结果（图2（e））显示，高温热水受排水口导流堤阻挡向南扩散，过南侧堤头后，受潮汐拖曳作用，以约1.0km 宽度向东延伸2km，温度降低2.0℃，继续向东扩散，因与外海海水混合，温度迅速降低，2km 范围内降低4.0℃。因取水明渠阻挡，温排水被限制在进水口处南侧；向东南扩散的温排水羽迹，被徐圩港防波堤阻断。温排水展布进一步向东、东南偏移，范围增大明显。

2020 年3 月23 日核电周边岸线未发生变化，核电二期3、4号机组投入商运，4 台机组满功率运行，一期排水口西南侧800m 处第二个排水口开始启用，2 个排水口同时向外排放温排水。因热水混合较快，新排水口未形成独立温度场（图2（f）），展布形态与2017年2月27日相似，但温度场规模明显扩大。

4 温升统计与讨论

4.1 基准温度选取与温升统计

遥感监测反映的是核电周边海域实际水温分布，是温排水和自然因素综合影响的结果。核电运行后温排水温升信息提取，应将自然水温从遥感监测的温度场扣除，从而获取核电站温排水的影响范围。但实际情况是核电周边海域随着季节、潮汐、核电运行工况不同，绝对温度不断变化，基准温度不是一个固定值。如果没有准确的基准温度作为参考，就无法确定温升分布范围的大小及位置，无法进行环境影响评价。目前技术条件下，无法把精确的本底温度场从附近水体中完全剔除，但可根据一定的方法如临近区域替代法、海湾平均温度法或取水口法等选取基准温度[6]。

经运行前温度场对比分析，连岛北侧的温度与温排水区域温度基本一致（图2a、图2b，表2），因此，本次研究的基准温度以连岛北侧的海水温度作为参考，综合考虑剔除温排水影响区域后的核电附近海域平均温度。将热红外反演的海域温度场剔除基准温度，划分温升等级进行编码（图5），统计各级温升象元个数，获取核电温排水形成的温升分布结果（图6）。

温升编码图（图5a、b、c）显示，随着周边岸线变化，取水口处温升影响逐年降低，但排水口周边温排水海域各级温升面积总体上均有增大（图6）。因核电机组运行功率相同，监测季节及所处潮汐基本相同，可以认为温升面积增大，主要因为核电周边岸线环境改变导致。2020 年3 月23 日为核电二期3、4 号机组商运后数据（图6d），核电周边工程建设稳定，与2017 年相比，岸线无变化，温升影响规模显著增加，1℃以上温升增加约12.11%，4℃以上温升增加约6.98%（图6）。排除其他影响因素，可推断温升面积增加为新增机组温排水量增加引起的变化。

4.2 讨论

随着周边工程的变化和核电的扩建，核电站周边海域环境发生了显著的变化。核电周边工程未建成时，涨潮时刻，潮水从外海沿东北方向流进排水区域，遇岸线阻挡，向东南方向流动，落潮时刻，潮水基本沿相反方向流出；工程建成后，取水明渠在涨潮时使潮水发生挑流，落潮时阻碍了潮水向东北方向的流动，而徐圩港防波堤阻挡了潮水向南扩散。受此影响，温排水海域涨落潮流速都有不同程度的减小，并且流向发生了偏转，不利于温排水的扩散，造成了温排水影响的面积增大。2020 年3、4号机组投入运行后，温排水量增加明显，进一步改变了周边海域环境，温升也有了明显的变化，但温排水向外海扩散到达一定距离后，海水流速，海水深度都明显高于近岸，有利于热量扩散，因此，核电扩建后温排水影响面积并未按照机组增加幅度增加。

如前所述，现有技术很难把自然温度场完全分离出来，现有的基准温度扣除，会导致遥感监测得到的温升范围可能与实际温排水造成的温升范围不符，加之海陆混合像元的影响，也会导致遥感监测得到的温升范围略大于实际温排水造成的温升范围。为了扣除准确的本底温度场，还需要开展季节、潮汐及近岸浅滩的影响因素研究。

5 结论

1.通过Landsat-8 反演温度与近同步测量的测温数据对比、Landsat-5 与同日过境的MODIS 数据进行交叉验证，显示利用辐射传输方程算法对Land‐sat-8 和Landsat-5 的温度反演结果可靠。田湾核电运行前，排水口周边海域温度无明显升温现象。核电运行后，海域温升现象明显。

2.Landsat-5、8 数据岸线和温度场信息提取结果显示，田湾核电周边海域环境变化明显，周边工程建设，尤其是取水明渠的建设有效保护了核电冷却水不受温排水影响，阻碍了温排水的扩散速度、影响了温排水扩散方向，造成温排水温升面积增大。核电二期扩建后，因温排水量增加，温升面积进一步扩大，因外海流速、深度增大，有利于温排水热量扩散，温升幅度未按机组增加幅度增加。核电站需要时刻关注周边海域环境变化，必要时进行周边海域环境信息提取、温排水影响分析。

3.Landsat-5、Landsat-8 数据能满足田湾核电周边海域环境监测需求，为评估核电站周边海域环境提供了存档、现势遥感数据。