韓濤，張闊，王方，石海崗

（1.山東核電有限公司，山東 煙臺 265100；2.核工業(yè)航測遙感中心，河北 石家莊 050002）

相較于火電，核電不產(chǎn)生氮氧化物、二氧化硫、煙塵等大氣污染物質(zhì)，屬于低碳清潔能源，越來越受國家重視。國家“十四五”規(guī)劃明確要求安全穩(wěn)妥推動沿海核電建設(shè)。截至2020年底，我國總裝機容量居全球第三，在建機組裝機容量居全球首位。受制于物理規(guī)律和現(xiàn)有技術(shù)，核裂變能量僅有不到40%轉(zhuǎn)化為電能，其余熱量需通過循環(huán)冷卻水排放到周邊海域環(huán)境。當溫排水導致其受納水體溫度過高時，可能會威脅到核電冷卻取水，影響核電的正常運行。同時，水體溫度也是影響水質(zhì)和水域生態(tài)環(huán)境的重要指標，將影響水的物理、化學、生物化學性質(zhì)，進而間接影響各類水生物的生長和繁殖活動。因此，核電廠周邊海域水溫監(jiān)測對于保障核電正常運行和保護受納水域環(huán)境具有重要意義[1-3]。

目前海域水溫監(jiān)測方法主要包括海面溫度測量、熱紅外遙感監(jiān)測等[4]，海面溫度測量能快速獲取水體溫度，但受時間、空間的限制較大，同步性較差；而熱紅外遙感監(jiān)測因同步性好、周期重復觀測和成本相對較低等優(yōu)勢成為海溫監(jiān)測的重要方法[5-6]。國內(nèi)外學者針對不同特點的熱紅外數(shù)據(jù)提出了系列溫度反演算法，如針對TM、ETM等具有一個熱紅外波段的數(shù)據(jù)提出了單通道法[7]、單窗法[8]；針對MODIS、Aster等具有多個熱紅外波段的數(shù)據(jù)提出了劈窗算法和多通道法等[9]，并將這些算法應(yīng)用于核電廠周邊海域溫排水分布調(diào)查研究領(lǐng)域[10-15]。本文選用Landsat8熱紅外遙感數(shù)據(jù)對海陽核電廠運行前后周邊海域的海表溫度開展溫度反演，分析了不同時相海陽核電廠周邊海域溫度的空間分布，以評估核電運行后對其周邊海域的熱影響，為核電安全運行和附近海域水體環(huán)境影響評價提供數(shù)據(jù)資料。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 海陽核電廠概況

海陽核電廠位于山東省煙臺海陽市留格莊鎮(zhèn)以南，地處東、西、南三面環(huán)海的半島東側(cè)（圖1）。廠址規(guī)劃建設(shè)6臺百萬千瓦核電機組，目前一期工程已建成的兩臺125萬千瓦核電機組分別于2018年10月和2019年1月投入商運。廠址屬暖溫帶大陸季風氣候，根據(jù)氣象鐵塔多年觀測數(shù)據(jù)，周邊平均氣溫最高值為24.8℃，最低值為-2.0℃，年均氣溫為11.8℃。廠址所在海域?qū)冱S海北部，潮汐運動形式主要為往復流，漲潮時潮流從東南方向涌入，自東南向西北順岸形成沿岸漲潮流態(tài)；落潮時海水自西北向東南瀉出，沿岸會出現(xiàn)灘涂干出。排水口向西南開放，導流堤壩向西延伸至海域約1.0 km處，西側(cè)5.5 km為離岸距離約3.7 km的海陽港東港防波堤。

圖1 海陽核電廠地理位置

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本文采用的數(shù)據(jù)均為Landsat8數(shù)據(jù)，時相分別為2015-05-03、2018-01-06、2019-05-01、2019-12-27。為保證對比的客觀性，核電運行后選取的數(shù)據(jù)均與運行前數(shù)據(jù)氣象條件類似。Landsat8衛(wèi)星上攜帶有OLI和TIRS兩個主要載荷，相關(guān)參數(shù)和波段特征參見參考文獻[16]，此處不再贅述。數(shù)據(jù)準備完成后，利用數(shù)據(jù)處理軟件對遙感影像進行輻射定標、濾波、裁剪、海陸分離等預(yù)處理。

2 溫度反演

陳瀚閱[17]、Rozenstein O[18]等針對Landsat8的B10和B11波段，開展了劈窗算法研究，但根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站（https://glovis.usgs.gov/）發(fā)布的測試結(jié)果，Landsat8的B11波段存在較嚴重的條帶噪聲，將產(chǎn)生較大誤差。因此，本文采用輻射傳輸方程算法對Landsat8的B10波段開展溫度反演。

衛(wèi)星傳感器接收到的輻射能量Lλ可用輻射傳輸方程表示，即

式中，Lλ為傳感器接收到的大氣頂層輻射；ελ為地物比輻射率；TS為地表溫度；Lλ(TS)為溫度為TS時的黑體輻射能量；Lλatm↑和Lλatm↓分別為大氣上行輻射高度和大氣下行輻射亮度；τ為地表與傳感器之間的大氣透射率。

由輻射傳輸方程可知，求解地表溫度，需知道大氣頂層輻射、溫度為TS時的黑體輻射能量、大氣透射率、大氣上行輻射亮度、大氣下行輻射亮度和比輻射率6個參數(shù)。

1）大氣頂層輻射。大氣頂層輻射計算是將傳感器觀測到的圖像量化后的DN值轉(zhuǎn)換為輻射能量值的過程。其計算公式為：

式中，Qcal為圖像量化厚度的DN值；ML、AL分別為數(shù)據(jù)的增益和偏移，可直接從元數(shù)據(jù)文件（._MTL.txt）中獲取，對 于Landsat8的B10波 段，分 別為0.000 334 2和0.10。

2）海表比輻射率。本次反演主要針對海面進行，接近于黑體（比輻射率為1），根據(jù)學者研究[19]，比輻射率可取定值0.995。

3）其他參數(shù)的獲取。Lλatm↑、Lλatm↓和τ等重要參數(shù)與大氣吸收物質(zhì)（水汽、CO2等）、壓力、溫度、濕度密切相關(guān)。本文根據(jù)NEPC提供的標準大氣剖面，結(jié)合MODTRAN4.0模塊建立的輻射傳輸模型，開展大氣校正[20-21]。該模型的壓力、溫度、濕度等初始計算參數(shù)收集于逐時記錄的核電氣象鐵塔。

完成上述計算后，根據(jù)普朗克公式的反函數(shù)，求得地表實際溫度，即

式中，對于Landsat8的B10，K1=774.8853W/(m2·sr·μm)，

3 研究結(jié)果與分析

3.1 反演結(jié)果與實測數(shù)據(jù)擬合

本文利用上述算法進行溫度反演，獲得4期海面溫度場分布數(shù)據(jù)，如圖2所示。為了保證反演結(jié)果的準確性，本文在2019-12-27進行了同步海面溫度測量，標定后儀器測量精度為0.1℃。為獲取盡可能多的測溫點，衛(wèi)星過境前后，在核電附近區(qū)域進行反復測量（圖3）。由于Landsat8的B10波段的空間分辨率為100 m，因此設(shè)置測量步長為50～100 m，采取走航式測溫。

圖2 熱紅外溫度場分布圖

圖3 2019-12-27的海面實測點位圖

根據(jù)最小二乘法，針對Landsat8衛(wèi)星的過境時間，選取衛(wèi)星過境前后30 min內(nèi)60組實測值與影像值進行線性回歸擬合，利用標準誤差、殘差、標準殘差衡量實際值與理論預(yù)測值的偏離程度，結(jié)果如圖4所示，可以看出，二者同步變化，反演獲得的擬合關(guān)系式為y=0.902 9x+1.033 4，擬合后回歸系數(shù)的平方值R2達到0.985 6，標準誤差為0.283 5，SST值殘差主要集中在(-0.5,0.5)的范圍內(nèi)，標準殘差的絕對值也集中在(0.008,1.028)區(qū)間內(nèi)，多數(shù)都小于0.4；從線性關(guān)系的程度和誤差大小上可反映熱紅外遙感反演結(jié)果是準確可靠的。

圖4 2019-12-27的海上實測值與反演值線性擬合圖和殘差投點圖

3.2 核電周邊溫度場分布特征

2015-05-03和2018-01-06海陽核電廠無機組運行，排水口周邊海水溫度與鄰近區(qū)域海水溫度差異較小，不同季節(jié)溫度差別較大（圖2a、2b），溫度分別在15.0～17.0℃和2.5℃～4.0℃之間，從排水口到鄰近區(qū)域海水溫度緩慢過渡。2019年后獲取的兩期數(shù)據(jù)均處于兩臺機組滿功率運行期間，核電溫排水海域溫度場呈現(xiàn)水溫分異與溫升現(xiàn)象，溫度梯度與空間分布特征相似：核電附近海域的溫度分布受到外來熱源溫排水的干擾，影響強度較高的水體位于排水口附近，遠離排水口后，溫度逐漸降低，變化趨緩并逐漸穩(wěn)定。

與2015-05-03相比，2019-05-01的熱紅外溫度場（圖2c）顯示，核電周邊海域溫度范圍為14.7～22.2℃。由于衛(wèi)星過境期間處于漲潮期，溫排水主要沿潮水向西展布，高溫冷卻水出排水口后，迅速降溫，遇西側(cè)防波堤阻擋后，具有向南折轉(zhuǎn)的趨勢。核電廠南側(cè)和東側(cè)溫度分異不明顯，主要集中在15.5～17.5℃。與2018-01-06相比，2019-12-27的熱紅外溫度場（圖2d）顯示，核電周邊海域溫度場范圍為6.5～13.5℃。由于衛(wèi)星過境期間處于落潮期，高溫冷卻水明顯受到落潮潮水控制，出排水口后隨潮態(tài)向南展布，遠離排水口溫度迅速降低，降溫冷卻水隨潮水向東、東南方向偏轉(zhuǎn)。核電廠西側(cè)和東側(cè)溫度分異不明顯，溫度主要集中在6.5～8.5℃。

3.3 熱影響分析

背景溫度是指在無其他熱源干擾時，海域水體環(huán)境的平均溫度。為獲取核電溫排水的熱影響，首先需剔除海域環(huán)境的背景溫度。對于海陽核電廠周邊海域，由于遠近海區(qū)域存在一定的溫度梯度，無法選取遠海的溫度作為背景溫度。根據(jù)《核電廠溫排水衛(wèi)星遙感監(jiān)測應(yīng)用技術(shù)標準（征求意見稿）》，背景溫度采用核電廠西側(cè)不受溫排水影響的核心區(qū)的平均溫度。

在確定背景溫度后，將海域溫度場數(shù)據(jù)整體扣除背景溫度，得到核電溫排水形成的溫度場熱影響分布范圍；再提取核電廠熱影響區(qū)，并根據(jù)實際情況劃分為6個等級，分別進行編碼（圖5）；最后采用高于背景溫度的0.1℃、0.5℃、1.0℃、2.0℃、3.0℃、4.0℃溫度等級提取核電廠溫排水的熱影響分布信息。根據(jù)各級水溫水體的分布，計算得到溫排水在各方向的熱影響展布，如圖6所示。根據(jù)各級水溫所占的像元數(shù)，計算得到不同級別的水溫面積（圖7）。

圖5 熱影響編碼圖

圖6 熱影響區(qū)分布圖

圖7 熱影響區(qū)面積柱狀圖

由熱影響編碼圖可知，核電溫排水影響了核電廠周邊海域的溫度場，由排水口向外延伸，熱影響溫度逐漸降低，到達本底溫度后，溫度穩(wěn)定；漲、落潮潮態(tài)下溫升分布特征、分布范圍不同，總體來說，落潮時刻的溫升范圍和展布距離比漲潮時刻大，尤其是低值溫升更加明顯。

2019-05-01的熱影響區(qū)分布具有明顯的漲潮特征，溫排水高值熱影響區(qū)位于排水口西側(cè)，隨著距離的增加，熱影響降低，低值熱影響區(qū)繼續(xù)向西側(cè)展布，分布狀態(tài)受到防波堤的影響，有向南折轉(zhuǎn)的趨勢。1.0℃溫升東向展布0.34 km、南向展布0.26 km、西向展布2.16 km、最遠延伸2.16 km；2.0℃溫升東向展布0.25 km、南向展布0.22 km、西向展布0.98 km、最遠延伸0.99 km；4.0℃溫升南向展布0.13 km、西向展布0.29 km、最遠延伸0.31 km。2019-12-27的熱影響區(qū)分布具有明顯的落潮特征，溫排水高值熱影響區(qū)出排水口總體向南、東南方向展布，隨著距離的增加，溫度迅速降低，低值熱影響區(qū)隨潮態(tài)向東延伸。1.0℃溫升南向展布2.91 km、西向展布0.99 km、最遠延伸2.91 km；2.0℃溫升南向展布2.75 km、西向展布0.92 km、最遠延伸2.76 km；4.0℃溫升南向展布1.24 km、西向展布0.79 km、最遠延伸1.39 km。綜上所述，根據(jù)本次監(jiān)測結(jié)果，海陽核電廠熱影響區(qū)主要集中在核電廠周邊海域5.0 km以內(nèi)，0.5℃以上的溫升面積小于6.0 km2，對周邊海域影響不大。

3.4 誤差分析

本文在溫度反演計算過程中，根據(jù)水體近似黑體的特性，將海水比輻射率取定值0.995，但海水比輻射率會隨泥沙含量、海浪狀況等條件發(fā)生改變。相關(guān)研究表明，平靜海面的比輻射率可能會有所下降，最低可達0.95[18]。因此，比輻射率的取值在一定程度上將影響反演溫度的精度。

反演值與測量值擬合產(chǎn)生的誤差除與測量設(shè)備、測量操作相關(guān)外，還與測量時間相對較長和衛(wèi)星數(shù)據(jù)瞬時獲取之間的矛盾有關(guān)。測量數(shù)據(jù)在衛(wèi)星過境前后30 min內(nèi)獲取，而衛(wèi)星數(shù)據(jù)是在不足1 min的時間內(nèi)獲取，雖然潮汐相對穩(wěn)定，但經(jīng)過一定時間，海域溫度必然會發(fā)生輕微變化，造成誤差。

4 結(jié)語

本文基于海陽核電廠運行前后的4期Landsat8數(shù)據(jù)，對其熱紅外波段進行了溫度反演和實測驗證，獲取了相似氣象條件下核電廠周邊海域溫度場的分布情況，分析了海陽核電廠周邊海域的水溫變化情況。

1）通過對反演結(jié)果與海上測量數(shù)據(jù)進行回歸分析，證明了Landsat8數(shù)據(jù)利用輻射傳輸方程算法進行溫度反演的可靠性。由于測量不完全同步，兩種數(shù)據(jù)之間存在一定誤差。

2）不同時相遙感數(shù)據(jù)顯示，海陽核電廠運行前，周邊海域溫度較均勻，除自然增溫外，無明顯溫度分異現(xiàn)象；運行后，受核電溫排水影響，周邊海域呈現(xiàn)水溫分異現(xiàn)象，但溫升變化滿足法規(guī)標準的要求。

3）海陽核電廠溫排水在各方向的分布、熱影響范圍受潮態(tài)控制。漲潮時，高值熱影響區(qū)主要集中在排水口西側(cè)，分布狀態(tài)受防波堤影響，具有向南折轉(zhuǎn)的趨勢；落潮時，溫排水高值熱影響區(qū)總體向南、東南方向展布，低值熱影響區(qū)隨潮態(tài)向東延伸；落潮時刻的溫升范圍和展布距離比漲潮時刻大，尤其是低值溫升更加明顯。

4）Landsat8數(shù)據(jù)能滿足核電廠周邊海域水溫監(jiān)測需求。核電廠應(yīng)根據(jù)實際運行情況，關(guān)注周邊溫度變化情況，必要時進行溫排水影響分析，進而提出相應(yīng)的對策。