资料缺乏地区设计水温分析方法探讨

2022-01-14谢勇

甘肃科技 2021年20期

谢勇

（四川电力设计咨询有限责任公司，四川成都 610095）

1 概述

水温在火电厂供水设计与发电运行中影响到煤耗与发电效率，在水温排水冷却散热计算中是一个重要的基本参数。然而在国外滨海火电厂投标、设计过程中，特别是非洲、东南亚等发展中国家或地区，工程点附近常常没有海洋水温观测站，无法精确获得满足设计要求的水温特征值。面对这一问题，本研究初步探讨了如何获取设计海水温度数据的分析方法。

2 海水温度数据获取方法

2.1 实测资料统计法

当工程点有水温观测站且水温资料系列在5年以上时，可直接统计计算有关设计水温特征值：如累年逐月水温、平均水温、最近5 年水温最高3个月累计频率10%的日平均水温，水温垂向分布的变化规律等。此种情况较理想，实际工程中，工程点水温观测系列一般不足5 年，甚至完全没有水温观测资料。

2.2 相关分析法

当水温资料系列不足5 年时，可与邻近站的长期水温系列建立相关关系，还可按滨海、河口涨落潮流特征建立观测站水温与气温等影响因素间的相关关系，从而对观测站水温系列进行插补延长。

当工程点或邻近地区无水温资料时，应设站进行一年或三个热季以上的水温观测，并同时观测有关辅助气象参数；分析水温空间变化规律时，还需完成不同潮型涨落潮流的多点全潮逐时连续水温观测。并收集邻近气象站的长期气温资料系列，建立相关关系进行水温系列的插补延长。最高水温滞后于最高气温的特征在海域中最明显，可按其具体情况分别建立年值或月值相关，资料较少时可建立年月值混合相关。一般情况下，在天气晴朗之时，表层水温的日变化与气温的日变化趋势一致；但如果天气突然变化时，气温变化往往较大，而水温却变化较小，如图1 所示。

图1 某海湾地区一日表层水温、气温、潮位变化过程线

由于地理气候差异较大，有些邻近气象观测站长系列气温资料或邻近海洋观测站长系列水温资料与工程点短期水温资料系列的相关性较差时，对水温系列的插补延长精度不能满足工程设计要求。而运用遥感影像解译，获取海水温度资料，作为一种新手段，已经广泛应用于海洋表面水温分布研究、电站温排水监测、海洋环境研究等。

2.3 遥感影像解译法

国外遥感事业发展较早，20 世纪60 年代美国已开始了航空遥感的发展，自70 年代以来的热红外探测技术也得到了飞速发展，至今热红外传感器发展已相对成熟，NOAA-AVHRR、MODIS 等遥感数据应用广泛，并已形成了相应的遥感水温产品。我国从20 世纪70 年代开始遥感技术与应用方面的研究，成功研制航空热红外遥感仪器后，将其装载在我国发射的气象卫星、海洋卫星和资源卫星等系列卫星上，使我国的遥感技术得到广泛的应用和快速发展，也在海水温度监测应用上发挥了重要作用。

海水温度的反演，就是指从卫星传感器量化的图像数据中获得定量海水温度的数学物理方法，其主要问题在于通过消除信息传输过程中大气辐射的影响，建立从图像灰度值到海水温度值的反演计算模型。用于海水温度反演的方法，主要有单通道法、多通道法、多时相法等。使用遥感数据作为研究海水温度反演的数据，主要包括MODIS 数据、HJ-1A/1B CCD/IRS 数据、Landsat ETM+数据等[1]。

表1 研究海水温度常用遥感数据

3 工程应用

3.1 实例分析

某滨海电厂位于印度洋西海岸，工程点附近无水温观测站，前期设计阶段开展了工程海域全潮水文观测工作、取排水口海域一年期水温观测资料，同时收集了工程点附近岸上气象站的同期气温资料。但进行同期水温与气温相关性分析时发现，日平均温度、最高温度、最低温度的相关系数均小于0.75，且实测系列较短，不宜进行月值、年值相关分析。从一个大潮和一个小潮的逐时连续分层水温观测结果来看，水温垂向变化较小，水深20m 范围内，表层、中层和底层水温变化不超过0.2℃，平均差值小于0.1℃。该拟建电厂取水口布置水深小于10m，故认为表层水温可以代表垂线平均水温。如图2 所示。

图2 某海湾地区日平均水温与气温线性相关图

由于工程点无长系列水温观测资料，也不宜根据气温相关分析对短期水温资料进行展延，尝试应用MODIS 遥感数据解译获取工程海域的海水表面温度SST。而且，国内已有相关研究，郑嘉涂等[2]用分裂窗算法进行MODIS 热红外数据的海表温度反演，将之与实测海表温度进行对比，得到反演精度的相对误差约为1.0%。本研究选取了实测水温期间的MODIS 遥感SST，通过分析比较，MODIS 数据与同期实测资料统计的月平均水温差值在0～0.4℃，均差-0.1℃，平均相对误差小于1%。以上对比分析表明，卫星遥感数据作为辅助手段，对于分析该滨海电厂工程海域的平均水温有一定的参考价值，见表2。

表2 工程海域modis 数据与实测数据SST 比较

3.2 各种方法比较

综合以上各种设计海水温度的分析方法，可以概述为，实测资料统计法是根本，相关分析法是补充，遥感影像解译法是辅助，但所有的技术手段和方法都需要实测资料来验证，判断误差是否在工程设计允许误差范围内，见表3。

表3 设计水温的分析方法比较

由于滨海火电厂取排水口海域面积小，设计水温需根据长期连续观测资料分析统计，需高或者超高时空分辨率的遥感数据方可满足要求。而目前常用的卫星遥感数据重访时间多在1d 以上，热红外波段的空间分辨率可达到60m；航空遥感监测可人工设置飞行方案，空间分辨率较高，但成本高。并且遥感数据的收集、后期处理、水温解译等工作量巨大，能否仅依靠有限的时空分辨率卫星遥感资料和产品，及当地长系列气温、短期实测水温等资料，比较准确的推求设计水温特征值的方法还有待进一步研究[3-4]。