兩處濱海核電擬選址站歷史水溫特征分析及全球變暖背景下水溫預估

譚晶，陳幸榮，張志華

(國家海洋環境預報中心，北京100081)

1 引言

人類賴以生存的地球正在超負荷運行。不僅人口在增長，而且社會發展對能源的需求正以驚人的速度增長。而靠大量燃燒石化燃料獲得能源的同時，也給現代社會帶來了許多難以解決的災難性問題。例如能量資源短缺，大量燃燒化石燃料、森林過度砍伐等給生態環境造成嚴重的損害，大氣、水系、土壤污染日益嚴重，二氧化碳增多導致的溫室效應使極端氣候事件頻發。在保護和改善環境的前提下開發利用新興能源，是人類生存和社會發展的必然趨勢。20 世紀30年代，隨著對原子核研究的深入，人類發現了原子核內蘊藏著巨大的可開發的能量，并開始和平利用原子能的研究。經過半個多世紀的努力，迄今世界上已有30 多個國家建造核電站440 多座，發電量占全球的18%[1-4]。與火電相比，核電是廉價、潔凈、安全的能源。隨著將來受控熱核聚變的成功，核能必然成為未來的能源支柱。

最終熱阱主要指接受核電廠所排出余熱的水體[5]。由于核電廠的熱效率比火電廠低，因此核電廠冷卻水量應比同樣容量的火電廠大，通常是火電廠冷卻用水的6倍。一般核電廠均建在有充分水源的江、河、湖、海邊。但是，由于全球變暖，使得全球水溫進一步升高，必將增大核電站運營的安全風險，同時降低核電站的效率，據報道，2003—2009年的夏季，歐洲和美國的多個內陸核電廠均出現了因為缺少冷卻水而被迫停運的狀況。據預測，因為冷卻水的缺乏，2030—2060年核電和火力發電能力將在美國下降4%—16%、在歐洲下降6%—19%[6]。由于海洋的巨大熱容量，核電站選址放在海邊是應對氣候變暖有效的、重要的策略[7]。隨著我國核電站建設步伐的加快，為適應眾多核電廠址不同水源和氣象條件下建廠，解決重要廠用水系統設計條件的問題，針對電廠所在區域水體歷史溫度進行統計分析以及對電廠服役的未來幾十年間水體溫度可能的變化范圍進行預估是建設核電廠前期一項重要的調研和論證環節，通過這些分析為核電站最終熱阱設計提供重要的參數。

本文通過對濱海擬選核電選站廠址歷史水溫的累積頻率和頻率分析，得到過去幾十年選址站的水溫變化情況，并通過CCSM3氣候模式預估電站服役期間由于全球變暖所引起的廠址處的水體溫度可能的變化值，為核電站最終熱阱設計提供依據。

2 核電站最終熱阱水源水溫特征分析

2.1 核電站最終熱阱水源地的選取

本研究擬選兩處濱海核電廠址，分別為廣東烏嶼和廣西防城港，其中廣東烏嶼的最終熱阱水源地為廣東省揭陽市惠來縣南海海門灣，因為該處沒有常規的水溫觀測，但是距離該廠址最近的國家級測站是云澳海洋站，兩處相距很近，且處在相近的氣候環境條件之中，因此可用云澳海洋站水溫代表海門灣處水溫。另一處濱海核電廠址廣西防城港的最終熱阱水源地為廣西防城港光坡鎮南海北部灣，距離該廠址最近的海洋觀測站是防城港海洋站，也同樣因為兩處處于相似的氣候環境條件之中，因此可用防城港海洋站水溫代表核電廠址處水溫。

2.2 核電選址站水溫累積頻率的計算

某氣象要素值小于或大于某一數值的可靠程度，也稱保證率，通常以某氣象要素在長時期內小于或大于某一數值的累積頻率來表示[8]。常用分組法計算保證率，首先將氣象要素值分為幾組，統計各組出現的次數，計算各組出現的頻率，然后將各組的頻率依次累加，其累積頻率就是保證率。隨機變量各個不同的值x1，x2，…，xi，…，xp的頻率，按隨機變量取值大小順序累加起來所得到的頻率和，即它可以綜合反映隨機變量小于（或大于）某一個數值時的出現頻率。

將兩個濱海核電站的1999—2008年夏季6、7、8月的逐日最高水溫進行頻率和累積頻率計算（鑒于核電站安全性的考慮，采用從高溫到低溫的向下累積），每個測站可能有幾天缺測資料，實際計算時就按已有資料來統計（如表1，云澳站總共為918天，缺測2 天）。以0.5℃為間隔進行樣本的分組，如云澳站的逐日最高水溫分布范圍為22.0℃—31.5℃，以0.5℃為間隔，可以把所有的樣本分為19組，這樣可以算出每一組樣本占總樣本的頻率百分比，進而可以統計出累積頻率的百分比（見表1）。

根據表1 統計的結果，可以畫出云澳站1999—2008年6、7、8月逐日最高水溫的累積頻率曲線，如圖1 所示，根據曲線就可以得出根據具體工程需要的任意累積頻率所對應的最高水溫范圍。

表1 云澳站1999—2008年6、7、8月逐日最高水溫分組統計及每一組占總樣本的頻率和累積頻率

圖1 云澳站1999—2008年6、7、8月逐日最高水溫累積頻率曲線

圖2 防城港站1999—2008年6、7、8月逐日最高水溫累積頻率曲線

按照同樣的統計方法，可以得到防城港站的1999—2008年6、7、8月逐日最高水溫的分組統計及每一組占總樣本的頻率和累積頻率，見表2，根據表2可以畫出防城港站的累積頻率曲線圖（見圖2）。

按照核電站工程建設的要求，一般統計累積頻率1%、2%和10%所對應的水溫范圍，根據圖1 和圖2，可以得出兩站1%、2%、10%累積頻率的水溫范圍（見表3）。

表2 防城港站1999—2008年6、7、8月逐日最高水溫分組統計及每一組占總樣本的頻率和累積頻率

表3 云澳站和防城港站1%、2%、10%累積頻率的水溫范圍

2.3 頻率1%、2%及10%的水溫計算

以上是對擬選的兩處濱海核電站1999—2008年最熱季節（6、7、8月）逐日最高水溫進行累積頻率分析的結果。實際工程中，出于安全性的考慮，還常常需要對選址站水源地歷史上出現的比較極端的高水溫進行考察，此分析常采用頻率（重現期）分析法[9-10]，本研究采用皮爾遜Ⅲ型方法[11-13]，對歷史觀測資料進行頻率分析，計算頻率為1%、2%和10%的水溫（即百年一遇、五十年一遇和十年一遇水溫）。

2.3.1 皮爾遜Ⅲ型方法簡介

皮爾遜Ⅲ型密度函數為：

式（1）中，Г（α）是α的伽瑪函數，α、β、v0是參數；,

式（2-3）中，s為均方差（或稱標準差），n為資料序列的長度，為平均溫度，vi為序列中第i年的最高溫度。

根據Cv、Cs計算出各種概率下的最大溫度計算值，點繪在概率格紙上，依次連接各點，劃出一條光滑的曲線，就可以由曲線得到頻率分別為1%、2%及10%（即百年一遇、五十年一遇和十年一遇）的水溫值。

2.3.2 計算結果

由于進行頻率分析要求資料的長度足夠長，防城港站只有10年的資料，用來做頻率分析不符合規范要求，而目前只有云澳站有30年水溫資料，因此這里只對云澳站做頻率（重現期）分析。取該站的最熱季節（6、7、8月）日平均水溫數據，得到1979—2008年每年的水溫極大值，見表4。然后依據已經建立的極大值序列，采用皮爾遜Ⅲ型方法計算頻率分別為1%、2%及10%（即百年一遇、50年一遇及10年一遇）時的溫度值，為合理選定設計值提供參考。

表4 云澳站歷年水溫極大值（單位/℃）

圖3 云澳海洋站水溫皮爾遜Ⅲ型方法頻率（重現期）圖（圖中圓圈為實測值）

再使用前述的皮爾遜Ⅲ型方法計算出相應的頻率曲線（見圖3），由該頻率曲線可以讀出1 %、2 %以及10 %（即百年一遇、五十年一遇和十年一遇）各頻率對應的水溫值。

根據皮爾遜Ⅲ型方法計算結果：云澳海洋站頻率1 %、2 %和10 %水溫分別為30.8℃、30.6℃和30.0℃，見表5。

表5 云澳海洋站水溫皮爾遜Ⅲ型方法計算結果

3 未來60年擬選核電廠址地水源水溫變化情況預估

3.1 CCSM3模式模擬性能驗證

使用CCSM3 模式進行核電站廠址地水源水溫未來變化情況預估之前，需要對該模式的模擬性能進行驗證。本研究使用CCSM3 模式來做不同CO2排放情形下1870—2000年間的后報試驗。一種假設情形是CO2保持1870年排放水平不變，另一種是CO2按照觀測的排放水平來進行模擬，最后將模擬的全球海溫平均和觀測海溫數據進行對比。圖4中黑線為CO2保持1870年水平強迫模式的結果，可以看到，在CO2保持相對低水平的情況下，全球海溫130年來基本沒有明顯變暖；紅線為以觀測CO2濃度強迫模式模擬結果，對比觀測數據（圖中綠線，數據來自英國HadISST 中心）可以發現，130年模擬海溫增長趨勢與觀測結果是一致的，增長幅度約0.5 ℃，也與觀測相符。模擬平均海溫比觀測值略低0.3—0.4 ℃，這是目前海氣耦合模式普遍存在的問題，并不影響對溫度變化趨勢的研究。

圖4 不同CO2排放情形下模擬和實測全球平均海溫對比

圖5 廣東烏嶼海表溫度距平隨時間變化

表6 2001—2070年，RP01，RP02情形下廣東烏嶼夏季（6、7、8月）海表溫度的增幅（單位/℃)

在模擬試驗的基礎上，從2001年1月開始，進行CO2濃度分別以每年1%、2%的增長速度進行70年的預估試驗。CO2濃度以每年1%速度增長（下文將該試驗以RP01 代表），意味著2070年CO2濃度將比2000年的水平翻一番，這是一種比較可能實現的情況；每年2%增長率情形下（下文以RP02 代表），則將會在2070年比2000年CO2濃度翻兩番，這是一種比較極端的情況。

最后統計2001年1月—2070年12月間最熱季節（6、7、8月）水溫在1999—2008年氣候平均基礎上增暖幅度。

CCSM3模式計算結果為規則網格數據格式，需要插值到各廠址地所在經緯度上。插值所需的格點范圍如下：

廣西防城港：110°—115°E，19°—23°N；

廣東烏嶼：112°—117°E，19°—23°N；

3.2 濱海核電廠址地水源溫度變化預估

CCSM3模式中的海洋模塊可以輸出海表溫度，將模式計算結果插值到濱海廠址經緯坐標上，即可直接分析不同CO2濃度增加情形下海溫變化趨勢。

3.2.1 濱海核電廠址——廣東烏嶼

圖5 為廣東烏嶼2001年1月—2070年12月海表溫度距平變化曲線。RP01和RP02試驗結果分別以黑線和紅線代表。

可以看出，隨著二氧化碳排放的不斷增加，未來幾十年海溫呈振蕩增加的趨勢，而且，CO2排放增加的越快，海溫變暖的趨勢也越明顯。因此，CCSM3 氣候系統模式的模擬結果與國際上氣候變化領域關于溫室氣體導致全球變暖的主流觀點是完全一致的。

以1999—2008年10年海溫氣候平均為基準，可以求出2001—2070年間海溫的增長幅度。經計算在RP01 情形下，廣東烏嶼最熱季節（6、7、8月），海溫平均增長1.4℃，而在RP02情形下，海溫將平均增長2.5℃。6、7、8各月具體情況見表6。

3.2.2 濱海核電廠址——廣西防城港

廣西防城港與廣東烏嶼的模擬結果比較接近，見圖6。

同前述方法，經計算在RP01情形下，廣西防城港最熱季節（6、7、8月），海溫平均增長1.4℃，而在RP02情形下，海溫將平均增長2.4℃。6、7、8各月具體情況見表7。

圖6 廣西防城港海表溫度距平隨時間變化

表7 2001—2070年，RP01，RP02情形下廣西防城港夏季（6、7、8月）海表溫度的增幅（單位/℃）

4 結語

當前，水資源調查評價、建設項目水資源論證以及工程防洪影響評價工作日漸重要，通過對廣東烏嶼和廣西防城港兩處濱海擬選核電站的最終熱阱水源歷史水溫的統計分析和未來水溫預估，可以為核電站工程建設提供重要的輸入依據，本研究結果已經提供給中國廣東核電集團公司，為實際工程建設提供參考。

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