田灣海域溫排水分布及變化規(guī)律分析＊

王冠琳，熊學軍

（1.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島266061；2.海洋環(huán)境科學與數(shù)值模擬國家海洋局重點實驗室，山東 青島266061）

核電溫排水是在營核電站附近海域最突出的現(xiàn)象，其對海洋水文和生態(tài)環(huán)境影響極大，受到了海洋管理部門和廣大民眾的高度關切。目前，對核電站溫排水分布規(guī)律及1℃溫升范圍的獲取主要通過數(shù)值模擬的方法進行［1－3］，但因其缺乏后期觀測驗證，其結(jié)論一直存有爭議。業(yè)界也有利用航空遙感進行表層水溫觀測的嘗試，但由于核電溫排水分布是動態(tài)變化過程，利用此方法對其進行連續(xù)跟蹤觀測尚存在一定困難。

田灣核電站位于連云港市東北方向田灣的扒山頭處，規(guī)劃建設8臺百萬千瓦級核電機組，其中一期工程2×1 000MW核電機組已投產(chǎn)發(fā)電。核電站每臺機組的溫排水量約為50m3/s，兩臺機組共計約100m3/s。田灣核電站廠址鄰近海域月平均最低水溫為－0.1℃，出現(xiàn)在2月；月平均最高水溫為29.5℃，出現(xiàn)在8月。海域水溫受氣溫影響，季節(jié)變化顯著。1966－08實測最高表層水溫為31.5℃。累計頻率10%的水溫為28.0℃。

本文選取田灣核電站周邊海域，采用定點連續(xù)、多點同步的水溫分層現(xiàn)場觀測方式，輔以連續(xù)高分辨率的氣象、水位和海流等觀測，分析研究田灣核電溫排水的分布及變化規(guī)律，繪制逐時的1℃溫升曲線，經(jīng)計算得到與之相對應的溫升在1℃以上的海域面積，據(jù)此討論影響溫排水的主要因子。

1 資料獲取及處理

本研究選定受田灣核電站直接影響的沿岸海域，其范圍為以電廠排水口為中心，經(jīng)向距離為8 000m，緯向距離為7 500m的扇形區(qū)域，于2010－10－09對其進行了定點連續(xù)、多點同步的水溫、氣象、水位和海流的現(xiàn)場觀測實驗，以揭示田灣核電溫排水的分布及變化規(guī)律。

在水溫觀測實驗站位選定時，充分考慮了田灣地形對溫排水的可能影響，以3條斷面計18個定點連續(xù)觀測站位，加之循環(huán)冷卻水進口、排口共計20個觀測站，全面覆蓋田灣海域。測站布置及現(xiàn)場水深見圖1。其中B斷面因現(xiàn)場養(yǎng)殖區(qū)原因，在站位設計時斷面有所傾斜，但并不會對觀測結(jié)果造成較大影響；在C斷面設置過程中，因排水口附近水深過淺，故其最左側(cè)站位C1離排水口尚有一段距離。水溫觀測使用高精度溫度測量儀進行，觀測層次為表、中、底層。

同時，在核電站排水口西側(cè)設立岸基自動天氣站，對風向、風速、溫度、濕度、氣壓等氣象要素進行連續(xù)觀測；在高公島漁港碼頭設置一個固定水位觀測點，進行覆蓋水溫觀測時間的水位現(xiàn)場觀測；選取在觀測海域具有代表性的觀測點B5進行海流連續(xù)觀測，采用座底安裝聲學多普勒海流剖面儀的方式進行觀測，觀測層次為表、中、底。

上述要素的觀測均持續(xù)26h，采樣間隔為1h。

在現(xiàn)場觀測完畢后，對所有觀測數(shù)據(jù)按照海洋調(diào)查規(guī)范要求進行了嚴格的質(zhì)量控制，并將分層觀測的溫度和海流數(shù)據(jù)進行了垂向平均處理，以用于后續(xù)分析。

圖1 觀測站位圖Fig.1 Locations of the observation station

2 溫排水分布及變化規(guī)律分析

觀測實驗結(jié)束后，對經(jīng)過質(zhì)量控制的各要素觀測數(shù)據(jù)進行了綜合分析。以氣象、水位、海流數(shù)據(jù)為輔，重點分析了水溫變化特征及受核電溫排水影響溫升在1℃以上的海域面積，得到溫排水分布及變化規(guī)律。

現(xiàn)場調(diào)查期間，岸基自動氣象站測得的最大風速3.34m/s，最小風速0.68m/s，平均風速2.13m/s；觀測期間現(xiàn)場平均氣溫19.80℃，平均相對濕度77%，現(xiàn)場天氣情況良好，海面風速較小。

高公島水位站測得的最高水位3.36m，最低水位0.23m。實測潮高數(shù)值是相對值（即水位計記錄零點的高度值）。觀測期間水位數(shù)據(jù)見表1，曲線見圖2?？梢钥闯?，觀測海域在一天內(nèi)共存有兩個明顯的潮周期過程。

根據(jù)B5觀測站的海流連續(xù)觀測結(jié)果，觀測平均流速為0.29m/s。漲潮時，外海潮流進入灣口，漲潮流流向偏向SW，且存在一定的逆時針旋轉(zhuǎn)特征。落潮時，海水涌入外海，海流方向偏NE?，F(xiàn)場漲、落潮歷時均為6h左右。觀測期間垂向平均的流速流向數(shù)據(jù)見表1，曲線見圖2。由表1可看出，漲潮流最大流速（漲急）出現(xiàn)在低潮到高潮的中間時刻，漲潮流最小流速（漲憩）出現(xiàn)在高平潮時刻，落潮流最大流速（落急）出現(xiàn)在高潮到低潮的中間時刻，落潮流最小流速（落憩）出現(xiàn)在低平潮時刻。漲、落潮流的轉(zhuǎn)流時刻發(fā)生在高、低平潮時刻，由此看出實驗海域的潮波屬前進波。

由于在溫度觀測中，觀測布點情況為3個斷面共18個觀測點，加之循環(huán)冷卻水排口和循環(huán)冷卻水進口，共設計有20個觀測點。因此，根據(jù)現(xiàn)場觀測所得到的逐時溫度數(shù)據(jù)，可繪制出每整點時刻的溫度水平分布圖。在繪制前，首先對測點數(shù)據(jù)采用了比較通用的克里金插值方法進行處理。該方法是一種很有用的格網(wǎng)化方法。它首先考慮的是空間屬性在空間位置上的變異分布，確定對一個待插點值有影響的距離范圍，然后用此范圍內(nèi)的采樣點來估計待插點的屬性值。該方法在數(shù)學上可對所研究的對象提供一種最佳線性無偏估計（某點處的確定值）的方法。因此，經(jīng)此方法處理過的數(shù)據(jù)在反映溫排水擴散變化規(guī)律上具有一定的代表性。

因逐時圖像較多，在此我們僅給出第一潮周期的落急、落憩、漲急、漲憩四個時刻的溫度水平分布情況（圖3），并由此分析觀測海區(qū)水溫分布特征。

表1 流速、流向、水位及溫排水面積數(shù)據(jù)Table 1 Data of ocean current，water level and area enclosed by the heat－diffusion isallotherms

圖2 溫排水面積（a）、海流（b）及水位（c）逐時變化曲線Fig.2 Hourly variation curves of warm water discharge area（a），tidal currents（b）and water level（c）

由圖3可以看出，在落潮時段，核電溫排水在觀測海域主要呈SW－NE向舌狀突起分布，其中落憩時刻影響范圍較落急時刻要大。

在漲潮時刻，核電溫排水主要呈NE－SW向分布，其影響范圍較落潮時刻明顯減小，其中漲急時刻影響范圍略大于漲憩時刻。

如縱觀所有逐時溫度水平分布圖，可發(fā)現(xiàn)溫排水水平分布范圍呈現(xiàn)與潮周期類似的兩個周期震蕩情況，即在落潮過程中溫排水影響范圍不斷增大，至落憩（低平潮）時最大。并在接下來的漲潮過程中逐漸減小，至漲憩（高平潮）時最小。這是因為在落潮過程中海流方向遠離位于田灣最西側(cè)的核電站溫排水出口，從而將其排除的溫水帶向外海，而在漲潮過程中剛好相反。

圖3 落急（a）、落憩（b）、漲急（c）和漲憩（d）時刻溫度水平分布情況（粗線為1℃溫升線）Fig.3 Distributions of water temperature at ebb maximum（a），ebb minimum（b），flood maximum（c）and flood minimum（d）

2.1 1℃溫升范圍變化分析

采用上述方法對數(shù)據(jù)進行處理后，同時可繪制出每小時一次的1℃溫升曲線（圖3中粗線），其定義為比循環(huán)冷卻水進水口溫度高1℃的等溫線。

結(jié)合高分辨率的岸線數(shù)據(jù)，可根據(jù)1℃溫升曲線計算得出受核電溫排水影響溫升在1℃以上的海域面積（以下簡稱溫排水面積），具體計算方法為將田灣岸線與1℃溫升曲線所圍起的封閉海域進行高分辨率等比例格點化，再根據(jù)每個相同大小網(wǎng)格的實際面積及區(qū)域內(nèi)所包含網(wǎng)格的個數(shù)進行累加計算。

由此得到面積數(shù)據(jù)及與之對應的輔助觀測數(shù)據(jù)見表1，各要素隨時間變化的曲線見圖2。由圖3結(jié)合表1數(shù)據(jù)可以總結(jié)得出如下規(guī)律：

1）在11：00時，落潮流速達到最大，為落急時刻，與之對應的溫排水面積為32.33km2。

2）在14：00時，落潮流速達到最小，為落憩時刻，與之對應的溫排水面積為12.64km2。

3）在16：00時，漲潮流速達到最大，為漲急時刻，與之對應的溫排水面積為10.03km2。

4）在19：00時，漲潮流速達到最小，為漲憩時刻，與之對應的溫排水面積為7.93km2。

以上為針對第一個潮周期的分析，第二個潮周期與之類似，在此不再贅述。

可見，本研究中溫排水面積變化趨勢與潮汐、潮流直接相關，具體表現(xiàn)為

1）在落潮開始時，海流流向離岸方向，造成溫排水面積增加，特別是在落急時刻，由于落潮流速達到最大，將溫水向遠離岸邊的方向快速輸送，使溫排水面積達到最大值32.33km2。在此之后，雖然海流方向仍為離岸方向，但流速逐漸較小，對溫水的離岸推動變小，使其離岸運動速度減慢，因此造成溫排水面積也隨之減小，并在落憩轉(zhuǎn)流時達到落潮階段的最小值12.64km2。

2）在漲潮開始時，海流流向近岸方向，造成溫排水面積繼續(xù)減小，在漲急時刻，漲潮流速達到最大，此時溫排水面積為10.03km2。在此之后出現(xiàn)的情況與落潮時有所區(qū)別。雖然漲潮流速開始變小，但因流向繼續(xù)保持近岸方向，始終與溫排水留出方向相反，因而溫排水面積繼續(xù)減小，并在漲憩轉(zhuǎn)流時達到漲潮階段的最小值為7.93km2。

3 結(jié)論

通過采用定點連續(xù)、多點同步的水溫分層現(xiàn)場觀測方式，輔以連續(xù)高分辨率的氣象、水位和海流等現(xiàn)場數(shù)據(jù)，經(jīng)連續(xù)26h的現(xiàn)場觀測研究實驗，獲取了每小時一次的高分辨率數(shù)據(jù)，繪制出逐時的1℃溫升曲線，經(jīng)計算得到與之相對應的溫升在1℃以上的海域面積，并據(jù)此討論了影響溫排水的主要因子，得到的主要結(jié)論如下：

1）溫排水擴散與潮流運動方向密切相關，水平方向溫度等值線明顯朝向漲、落潮流方向（漲潮流由NE－SW方向，落潮流由SW－NE方向）傾斜呈舌狀突起，由此說明溫排水擴散受潮流影響。具體表現(xiàn)為在落潮過程中溫排水影響范圍不斷增大，至落憩（低平潮）時最大；但在接下來的漲潮過程中逐漸減小，至漲憩（高平潮）時最小。

2）溫排水面積變化趨勢與漲、落潮流速呈現(xiàn)明顯相關關系，其數(shù)值大小也與漲落潮過程密切相關。在落急（低平潮）時刻，溫排水影響面積達到最大值。在漲憩（高平潮）時刻，溫排水影響面積最小。

3）現(xiàn)場觀測期間，田灣海域受核電溫排水影響溫升在1℃以上的海域面積最大為32.33km2，最小為7.93km2，其平均值為15.73km2。

（References）：

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