濱海電廠溫排水監測及模擬方法探討

，，，，(.中山大學環境科學與工程學院，廣東 廣州 50275；2.汕頭市康逸環保科技有限公司，廣東 汕頭 50275；.世界銀行，美國 華盛頓 2054)

濱海電廠溫排水監測及模擬方法探討

湯德福1,2，吳群河1，劉廣立1，徐綺陽3，呂莉梅1,2
(1.中山大學環境科學與工程學院，廣東 廣州 510275；2.汕頭市康逸環保科技有限公司，廣東 汕頭 510275；3.世界銀行，美國 華盛頓 20541)

系統地介紹了現場測量、遙感觀測和數值模擬等三種海水溫度獲得方法的原理及適用情況，并對比了其優缺點。數值模擬應用于電廠選址論證較為成熟，遙感觀測較為適用于獲取大尺度的海水表面溫度資料，現場測量則多用于對以上兩種方法結果的比對和印證。對已建電廠的后續跟蹤監測評價，建議設計現場連續觀測系統。

溫排水；濱海電廠；水溫監測；遙感；數值模擬；現場測量

海水表面溫度(Sea Surface Temperature，SST)是海洋研究中一項重要的物理指標，在其它有關海洋學科的研究中占有十分重要的地位。濱海電廠的溫排水會造成局部水域SST升高，改變自然海水的水質特性，從而對海洋生物如魚類、浮游動植物、底棲動物等造成影響，改變其生存、生長和繁殖的自然環境，損害海洋生物的多樣性[1-4]。

溫排水對海洋生態造成的影響正引起越來越多的關注，其隨海水運動形成的溫度分布，則是研究其海洋生態影響的基礎。如何準確、合理地觀測溫排水造成的海水溫升程度及范圍，既是海洋監測重要的研究方向，也是濱海電廠在選址及運行期間環境跟蹤評價要解決的實際問題[5]。20世紀90年代以來，我國逐步建立海洋環境監測制度，制定《海洋監測規范》，為海洋水質要素的管控提供了監測方法保障。但現場采樣監測難以適用于大尺度水溫監測及預測，于是借助遙感影像解譯反演水溫，或利用數值模擬來計算水溫分布，也成為監測溫排水海域水溫的重要方法。

國內外通用的溫排水熱影響監測方法可概括為現場測量、遙感觀測和數值模擬三大類，本文介紹這三種常用溫排水監測方法的原理及其研究進展，歸納比較優缺點，為準確監測海水溫度場，應將三種監測方法有效地結合, 彼此補充并充分發揮各自的優勢。而基于現場監測設計的海洋水質浮標在線監測系統，適用于濱海電廠溫排水后續跟蹤監測評價。

1 研究方法

海水溫度是海洋學研究的一個重要參數，在海洋生態、海洋漁業與養殖業、大氣與海洋研究方面有著極其重要地位。國內外研究機構積極地創新海洋環境監測技術和手段，以精確測量海水溫度。現有的海水溫度測量方法中，根據觀測儀器的設置可分為衛星遙感測量和現場觀測，根據測量原理可分為接觸式測量和非接觸式測量。而數值模擬不是一種直接測量SST的方法，它是計算溫排水排放后，經對流、擴散而形成的溫度場分布的技術手段。

1.1 現場測量

現場測量是最為原始的方法，精準度高，原理及操作均十分簡單，只需將水溫計投入水中至待測深度，感溫一定時間后迅速上提并立即計數即可。《GB17378.4- 2007海洋監測規范》第4 部分：海水分析，載明的表層水溫表法和顛倒溫度表法即屬此類。目前智能溫度傳感器早已取代普通水溫計，美國HOBO公司生產的TidbiT v2(UTBI-001)溫度記錄儀即為常用的水溫采集器[6]，常被用于現場檢驗式監測。現場測量只能用于局部海域或有限站點，難以反映大范圍的溫度空間分布。

無線通訊技術的應用，使現場測量由人工定點監測轉為智能化連續觀測。將智能溫度傳感器、數據發送傳輸模塊、數據接收終端設計成一套自動觀測系統，可用于定點連續監測SST。楊君德等采用以MSC1210 作為核心器件的多通道、高精度、快速溫度數據采集終端，結合GPRS通訊技術設計了海水溫度自動觀測系統，并在獐子島海珍品養殖中得到成功應用[7]，國內其它學者也進行了類似的系統設計，應用于養殖場海水溫度在線監控或實時采集[8, 9]，但這些研究往往只監測了單層水溫。為研究水溫在不同深度的差異，張曉芳等通過增加剖面鏈子系統，研制了垂直剖面水溫浮標系統[10]。

無論是單層還是考慮不同深度的多層水溫在線監測系統，其差異在于水溫傳感器的數量，而系統原理及構成是相同的。水溫在線監測系統的原理框圖示意見圖1。

由于海洋環境多變，水溫監測系統的固定及維護存在困難，現有研究一般應用于水庫(壩)、飲用水源地、湖泊等附有大壩或構筑物的小型水體，以及小規模的海水養殖場，國內外尚未見到用于溫排水觀測的實例報導。

水溫在線監測系統要在茫茫大海應用于溫排水溫度觀測，需解決三方面的問題：一是觀測系統的固定，要設計專用浮標；二是電源續航及防水設計；三是實現海水垂向同步測量。浙江省構建的海洋水質浮標在線監測系統可作為借鑒[11]，但其在海水垂向同步測量方面需進行優化改進，若僅應用于電廠溫排水溫度監測，系統構建的成本也應考慮。

1.2 遙感測量

衛星遙感探測地表溫度有紅外和微波兩種方式，以紅外輻射的研究最為常見。自然界任何溫度大于絕對零度的物體都會輻射紅外線，通過探測目標和背景之間的紅外輻射，便可得到目標表面溫度的分布圖像。熱輻射的這個特點，為利用熱紅外遙感技術監測溫排水的水溫提供了科學理論基礎。輻射信息通過從電磁場到物質性質或地球物理性質的逆運算，對傳感器進行輻射定標或與地面絕對溫度建立聯系，通過對熱輻射傳導方程的求解，可實現地表或海洋表面溫度的反演。

應用紅外遙感對濱海電廠排水口附近溫度場進行航天監測的做法已經較為成熟，該方法具有觀測范圍大、精度和空間分辨率高的特點。1978年美國發射了海洋衛星SEASAT-A，在高空全方位、多角度觀測全球海域的溫度、海色等的變化，開創了海洋衛星遙感技術的先河。此后，國際上諸多國家發射了多顆極軌氣象衛星，如美國的NOAA系列衛星和LANDSAT系列衛星、歐空局MOP系列衛星和歐洲遙感衛星ERS-1、中國FY-l(A-B)極軌氣象衛星等。其中Landsat熱紅外波段具有較高的空間分辨率(TM為120m，ETM+為60m)和溫度分辨率，許多研究者利用Landsat TM數據進行地表、海面溫度反演[12-14]及電站溫排水監測[15]。我國環境一號衛星紅外相機的熱紅外波段數據，也被用于核電站溫排水的遙感監測，解譯出電站附近海域的表面溫升分布圖。

熱紅外遙感海面溫度反演方法主要有輻射傳輸方程法、單通道法、分裂窗法和多通道法(多角度法)，其中以 “單窗算法”最為簡單易行[16, 17]。單窗算法合理假設大氣平均作用溫度與大氣向下平均作用溫度的差異<5℃，且大氣平均作用溫度、地表輻射率和大氣透射率已知，反演的地表溫度平均誤差一般為1.1℃，最小達0.2℃。基于此方法，May以1995年和1996年GOES(Geostationary Operational Environmental Satellites)-8/GOES-9資料反演海水溫度，結果顯示GOES-8的均方根誤差晝間為0.79K，夜間為0.81K；GOES-9的均方根誤差晝間為0.65K，夜間為0.59K[18]。Mesiasa對NOAA的衛星數據進行大西洋西北部海水表面溫度反演，分析了海水溫度的年度和月度變化狀況，并將其與浮標實測數據對比驗證，反演得到的溫度誤差為1.15℃[19]。

從熱量平衡機理分析，熱紅外遙感涉及輻射通量、大氣湍流通量和水汽蒸發通量等，理論基礎較為復雜[17]。遙感反演的深入研究，主要基于某一算法對參數和求導過程進行修正，以期提高反演精度。如基于實測數據修訂大氣透射率和大氣平均作用溫度估算方程[20]，考慮NCEP(National Centers for Environmental Prediction)大氣廓線數據[14]，運用高時空分辨率及短重訪周期的IRS4進行大氣校正[21]。此外，遙感測量常被用于大尺度的溫排水溫升程度和范圍研究，以描述排水口周邊的溫升區并分析高溫水團的變動動向[22, 23]。

1.3 數值模擬

即采用數學或物理模型對排放區的海水溫度進行模擬計算。英國學者早在1968年就對穩定流態和非穩定液態下的溫排水熱擴散規律進行了探討[24]，而McGuirk等采用k-ε紊流模型，計算溫排水岸邊排放區的溫度分布，則是發現最早的模型計算方法[25]。國內對于溫排水模型預測的研究始于20世紀80年代，李燕初等采用二維淺水方程和對流擴散方程模擬了溫排水的稀釋擴散過程[26]。2000年后，關于溫排水模型的研究增多，積累了大量的研究案例和方法，并有了關于溫排水預測的數學模型系統的總結[27]。

該方法首先要選取模型，然后對連續微分方程進行離散，再設計計算網格，確定重要參數并對邊界進行處理，有些河口海岸區會考慮波浪影響[28]。目前數值模擬方法廣泛地應用于電廠建設前的模擬計算，為相關電廠工程的設計、排水口的選址等提供決策參考，也為電廠環境影響評價和管理提供依據，但針對電廠運行后溫排水影響的研究并不多見[29]。

一般的水電工程多采用二維模型，定量反映溫度的物理擴散行為。陳丕翔等通過建立平面二維潮流和溫排水數學模型，對華潤電力海豐電廠三種不同取排水工程方案的溫排水輸運、擴散進行計算，預測溫升分布和電廠取水溫升[30]。孫艷濤等采用Delft-3D軟件平面二維水流溫度場數學模型對長江水域電廠溫排水進行數值模擬，發現冬季小潮條件比大潮條件下的溫升影響面積更大，向下游和離岸方向擴散的距離更遠，但兩種條件下取水口處的溫升均較小[31]。

二維模型沒有考慮浮力效應及海岸地形，無法模擬垂向溫度變化及溫排水與周圍水體的斜壓效應。早在2010年3D數值模擬就被認為是未來發展的趨勢[32]，而在此之前，曹穎等基于三維非結構有限體積海岸和海洋模型(FVCOM2004版)建立了三維潮流數值模型，采用有限體積法開發了一個三維溫排水對流擴散模型，模擬近岸海域溫排水的擴散輸運過程，發現溫差產生的浮力效應使溫排水向海水上層運輸，使海水溫度存在垂向差異[33]。CHENG You-liang選擇k-ε紊流模型對溫排水的分布進行三維數值模擬，發現海岸地形斜率越大，溫排水在水平方向擴散越大，而斜率越小，溫排水在垂直方向的擴散越大。

近年來，越來越多學者使用三維數值模擬溫度場[6, 34, 35]，結果一般是排水口附近的溫升較為明顯[36]。但海水受流速、紊動特性、潮汐、近岸地形等諸多因素的影響，模型修正及參數取值還需深入探索，且需以現場測量佐證模擬結果。

2 適用性比較

溫排水影響的海域范圍廣、氣象條件復雜，現場測量方法精準度雖高，但難以滿足大尺度的研究需求。目前很少單獨采用此方法監測溫排水溫度，現有研究常將此方法作為遙感測量及數值模擬結果的驗證手段。

遙感紅外測量的觀測范圍大。由于電廠溫排水與海水接觸后會劇烈摻混，其流速、濃度、紊動特性變化很大，同時受到陸地邊界條件及潮汐等因素的影響，其在排水口附近會形成來回震蕩的熱污染帶。遙感影像反演的溫度為瞬時、靜態的，受水氣熱量交換影響，也不能同時得出多層垂向水溫。

數值模擬應用范圍廣，投資小，周期短。對于水深較淺的區域，一般采用深度平均二維數據模型，而對于水動力因素復雜的排污口附近區域，常采用三維數學模型。但模型的選取、參數取值及邊界控制對模擬結果準確性的影響頗大。

表1 溫排水溫度場觀測方法比較

遙感觀測可以獲取某海域大尺度的海水表面溫度資料，通常用于分析電廠建設前后影響海域海水表面溫度分布的變化[23]，得出溫排水在特定時刻的溫升范圍。通過實地觀測或收集研究區域多年的海溫資料進行統計分析，輔以調查電廠排水前后周圍水域海洋生物如浮游生物的變化情況[3]，可進一步研究溫排水的生態影響。數值模擬應用于電廠選址論證和環境影響評價則較為成熟，但由于參數及邊界條件的復雜性，常需要對現場監測結果加以比對和印證，對數值模擬的深入研究，應考慮岸線、海底地形和斜壓效應[32]。

目前國內對于已建電廠的溫排水后續跟蹤監測評價，還沒有成熟且便于管理的方法。現有研究以遙感觀測和現場監測相結合的方式最為普遍，但對于濱海電廠而言，此法難以形成長久有效的監控機制和監測檔案。結合各種方法的優缺點分析，可對現場測量方法加以改進，參考海洋水質浮標在線監測系統，克服觀測系統的固定、電源續航及防水設計、垂向同步測量等難點，設計一套適應于電廠溫排水溫度在線觀測的系統。這既是海水溫度場測量技術方法的發展方向，也是已建電廠加強溫排水跟蹤監測的管理需要。

3 結語

溫排水對附近海域的溫升影響是濱海電廠從選址到運行都要關注的環境問題，獲取溫排水海域溫度場常用現場(在線)監測、遙感測量和數值模擬三種方法。

現場監測可以實時連續獲取精準的水溫數值，根據研究需要靈活布點，但其覆蓋范圍有限，且設備維護成本相對較高，常用于比對和印證數值模擬或遙感測量的結果；遙感測量具有觀測范圍大、精度和空間分辨率高的特點，用于獲取某海域大尺度的海水表面溫度資料，調查溫排水生態影響；數值模擬可預測電廠運行后溫排水影響范圍，常應用于電廠選址論證和環境影響評價。

對于已建電廠的溫排水后續跟蹤監測評價，建議以現場監測為主，可參考海洋水質浮標在線監測系統，設計一套適應于電廠溫排水的溫度在線觀測系統。同時，現場監測、遙感測量和數值模擬三種監測方法應有效地結合起來, 彼此補充并充分發揮各自的優勢, 以獲得更為準確的溫度場。

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TheInvestigationofMonitoringandSimulationMethodsofThermalDischargefromCoastalPowerPlant

TANG De-fu1,2, WU Qun-he1,LIU Guang-li1, XU Qi-yang3，LV Li-mei1,2
(1.School of Environmental Science and Engineering,Sun Yat-sen University,Guangzhou Guangdong 510275,China)

Sea Surface Temperature (SST) is a critical parameter in oceanographic research. To analyze the temperature rise attributed to thermal discharge and its impact was the first step in site selection of a coastal power plant and throughout its operational period.Temperature of thermal discharge in coastal area needed to be monitored and collected. This paper presented the principles, application, and the comparative advantages of three types of temperature monitoring methods: on-site measurement, remote sensing observation, and numerical simulation. However, the application of numerical simulation in site selection is mature. Remote sensing observation is more suitable for obtaining large-scale sea surface temperature data. On-site measurement is usually used for comparing and confirming the results that are derived from the other two methods. Existing power plants were suggested to employ on-site successive observing systems for continuous monitoring and evaluation.

thermal discharge; power plant; water temperature monitor; remote sensing; numerical simulation; on-site monitoring

2017-05-10

中央高校基本業務費 (16lgjc65)。

湯德福(1988-)，男，碩士，環評工程師。研究方向：環境規劃與評價。

吳群河(1958-)，男，教授。研究方向：水環境化學、水污染以及水環境管理。

X87

A

1673-9655(2017)06-0084-06