岸線變遷對田灣核電溫排水影響遙感調查

石海崗 梁春利★ 張建永 張春雷 程旭

（1.核工業航測遙感中心，河北石家莊 050002；2.東華理工大學，江西南昌 330013）

0 引言

隨著我國核電事業的飛速發展和社會環境保護意識的不斷增強，核電站溫排水對其受納水域環境造成的熱影響越來越受到人們的關注[1-2]。溫排水一方面改變了排水口附近海域的流場，另一方面則會引起局部水域的溫度快速升高。作為重要的水質和水域生態環境要素，水體溫度幾乎影響水的各種物理、化學和生物化學性質，影響水體的質量，從而間接影響到各類水生物的生長和繁殖活動，甚至產生明顯的危害效應。因此，核電站溫排水的監測評價對研究水環境生態平衡有著重要意義[3]。對于核電站溫排水的監測，以往所采用的方法主要包括數值模擬計算、物理模擬實驗、現場測量等方法[4]。數值模擬計算、物理模擬實驗主要用于核電運行前階段。海面實測是傳統人工測量方法，受時間、空間的限制較大，同步性較差。隨著科技進步，熱紅外遙感技術因其同步性、周期性和經濟性已成為海溫監測有效的調查手段[5-6]。

田灣核電站廠址所在海域屬黃海北部，漲潮時，潮流從東北方向涌入，自北向南分別進入連島鎮南部水域、核電站取水明渠、核電周邊排水區域，順岸向南東方向形成沿岸漲潮流態；落潮流態大致與漲潮流相反。排水口附近區域呈半圓形向東開放，半徑1km 范圍內，海拔從3米緩慢降低到-2米，屬淤泥分布區，北岸為海水封閉區域（圖1）。（見中間彩頁，下同。）

近年來，隨著江蘇省沿海開發國家戰略實施及其他工程活動，田灣核電周邊海域岸線發生了顯著的變化：2013-2017 年間，田灣核電站南部的徐圩港建設初步完工，徐圩港區工程建設深入海域；田灣核電排水口導流堤，取水明渠的建設，使核電站周邊海洋環境發生持續變化。國內海域岸線變遷關注的焦點多集中在氣象、漁業資源、生態環境等宏觀方面，海岸線的變化對核電溫排水研究罕有報道。

Landsat-8 數據既具有信息豐富的多光譜波段，又具有信噪比較高的熱紅外波段，本次研究基于Landsat-8 數據，利用其多光譜數據定量獲取了2013、2017 年間2 期田灣核電周邊海域海岸線的數據，利用其熱紅外數據反演獲取了周邊海域的溫度場情況，對田灣核電周邊海域海岸線的時空變化特征及對溫排水的影響進行分析，以查明岸線變化對核電溫排水帶來的影響。因為每次遙感資料對應的潮流強度不一樣，只有在相同或相似潮態的情況下，才能比較不同岸線造成的流速、流向的變化，為保障對比的客觀性，選取的數據為同潮態下兩臺機組滿功率運行條件下的數據。

1 遙感數據源及預處理

本文數據源為：2013年11月15日、2017年2月27 日Lndsat-8 數據。為驗證反演結果，獲取了2013年11 月15 日的海面測量數據和同日過境的MODIS 數據。衛星過境時，田灣核電兩臺機組在滿功率運行、且均處在冬季落潮狀態。

Landsat-8是由美國地質調查局及太空署第八個陸地衛星計劃，衛星上攜帶有OLI 和TIRS 兩個主要載荷[7]，相關參數見表1。數據準備完成后，對Landsat-8遙感影像進行預處理，包括輻射定標、幾何裁剪、幾何精校正、濾波、水陸分離及去云等處理。

表1 Landsat-8技術參數信息Table 1 Information on technical parameters of Landsat-8

2 岸線變遷解譯及溫度反演

2.1 岸線變遷解譯

利用ENVI 軟件進行預處理后，為了更準確進行解譯，分別對兩期Landsat-8數據進行大氣校正，采用Gram-Schmidt Pan Sharpening方法將影像融合為15m，為了突出地物特征波段組合采用6，5，2組合。

經過以上處理，將圖像進行假彩色合成，制作兩期1∶5萬的影像圖用來解譯分析。

利用Arcgis 制圖軟件，結合兩期遙感影像，采用遙感動態監測中的常用的目視解譯方法對兩期遙感影像進行單獨解譯，然后通過對各解譯結果進行比較，直接提取變化信息。

解譯結果見圖3 所示，在2013-2017 年四年間，田灣核電周邊岸線發生了顯著的變化，進水口處的取水明渠由原來的1.9km 增加到4.5km，排水口處導流堤向南擴建了1.5km，南側徐圩港防波堤，則從2.6km，增加到了6.9km，核電排水口處于兩側防波堤環抱的人工海灣的灣底（圖2）。

2.2 溫度反演

因Landsat-8 TIRS 數據與MODIS 熱紅外波段類似，有學者對其熱紅外波段開展了劈窗算法研究[8-9]，但根據美國地質調查局網站（https：//glovis.usgs.gov/#）公布的測試結果，TIRS 的11 波段由于條帶太突出，反演結果干擾太大，無法應用。本文采用輻射傳輸方程算法，對Landsat-8 TIRS 溫度反演10波段進行反演。

衛星傳感器TIRS（熱紅外傳感器）接收到的熱紅外輻射值由大氣向上輻射亮度、地面的真實輻射亮度經過大氣層之后到達衛星傳感器的能量組成。公式如下：

式中，Lλ由傳感器接受到的大氣頂層輻射，ελ是地表的比輻射率，TS是地表溫度，Lλ(TS)是溫度為TS時的黑體輻射，通過普朗克（Planck）定律求得，Lλatm↓是大氣下行輻射，Lλatm↑是大氣上行輻射，τ是地表和傳感器之間的大氣透射率。

由輻射傳輸方程可知，要求算地表溫度，需要知道4個參數的值：大氣透射率τ、大氣上行輻射亮度Lλatm↑、大氣下行輻射亮度Lλatm↓，和地表比輻射率ελ。

（1）Lλ的計算

Lλ的計算主要是指將傳感器觀測到的圖像灰度值轉換成輻射值的過程。公式如下：

其中，Qcal為像元灰度值；ML和AL分別為圖像的增益和偏移。定標系數可以直接從元數據中獲取。

（2）比輻射率ελ

物體的比輻射率是物體向外輻射電磁波的能力表征，受很多因素制約，與物體的表面狀態及物理性質有關。本次反演主要針對海面進行，接近于黑體（比輻射率為1），比輻射率取定值0.995。

（3）其他參數的獲取

大氣下行輻射Lλatm↓，大氣上行輻射Lλatm↑，地表和傳感器之間的大氣透射率τ，與大氣作用有關。本次研究根據美國國家環境預測中心（NEPC）提供的標準大氣剖面，結合MODTRAN4.0 模塊建立的大氣校正模型，進行大氣校正[10-11]，通過輻射傳輸法，消除大氣的影響。根據田灣核電站提供的衛星過境時刻的氣壓，地表溫度，相對濕度，影像時間以及中心經緯度獲取以上參數。

在獲取大氣下行輻射Lλatm ↓，大氣上行輻射Lλatm ↑，地表和傳感器之間的大氣透射率τ 參數后，計算出海表真實的輻射亮度值Lλ（TS），根據普朗克公式的反函數，求得地表真實溫度Ts：Ts=K2/ln(K1/LT+1)。

對于Band10，K1=774.89W/(m2·sr·μ m)，K2=1321.08K。

基于以上的算法，進行波段運算，獲得兩期數據海面的溫度場如圖3、圖4所示。

3 結果分析

3.1 實測數據與反演結果擬合

為了驗證溫度反演結果的可靠性，在2013 年11月15 日衛星過境前后一段時間內進行了海面溫度測量。測量儀器為JENCO 牌6010 定制版水質測量儀，標定后儀器測量精度0.1℃。測量時使用平面定位精度為5～10米的Garmin 60 CSx（GPS）對現場觀測和測量的精確地理位置進行定位，以保證測量數據和遙感數據的位置相對應。衛星過境前后，在核電溫排水區域至本底溫度值海域內進行反復測量（圖3）。因Landsat-8 熱紅外波段分辨率為100m，測量時每50～100m間距進行一次測溫，共獲取到156個測溫數據。

利用最小二乘法將反演溫度值（SST，sea surface temperature）與實測值進行擬合，驗證Landsat-8反演值與海面實測值之間的關系。無論是否有相關，都可以用最小二乘法求出最佳的a和b，通過相關系數r（通常以其平方值進行衡量，0＜|r|≤1）衡量線性相關程度，r 越接近1，線性相關程度越高，為0時，則不相關；同時，為了衡量實際值與理論預測值的偏離程度引進了標準誤差σy、殘差（R），和標準殘差R*，這些值偏離越大，相關性越差，反之，相關性越好。相關計算公式如下：

根據最小二乘法的計算方法，將2013年11月15日得到的156 組實測值分別與Landsat-8 和HJ-1B 數據反演的SST值進行線性回歸擬合，并對SST值殘差進行投點，得到了圖4 的擬合結果。2013 年11 月15日Landsat-8反演獲得的SST值與實測數據擬合關系式為y=0.7191x+4.9077，擬合后回歸系數的平方值0.9601，標準誤差為0.37，SST值殘差集中在（-0.8，0.8）的范圍內，大部分集中在（-0.4，0.4），標準殘差的絕對值也集中在（0.0027，3.3361）區間內，大多數都小于1。從線性關系的程度和誤差大小上可以反映出溫度反演方法獲得的溫度場數據是準確可信的，海面溫度監測結果是可靠的。

3.2 反演結果與MODIS溫度數據對比分析

MODIS是美國Terra和Aquar衛星的主要傳感器，每天可獲取全球任意地點的影像數據，含有16 個熱紅外波段，其中的第31波段和32波段由于對水汽的吸收作用不同，受太陽光反射的影響較微弱，可以用來消除水汽吸收的影響。針對MODIS 數據地表溫度的算法，國內外很多學者開展了很多相關研究，尤以分裂窗算法最為成熟[12]，本文不再贅述。經過長期的驗證，美國NASA 網站針對MODIS 海表溫度二級產品免費對外分發[13]，其精度為0.053℃～0.66℃[12-13]。為驗證Landsat-8 數據反演結果，以MODIS 數據的海表溫度（圖7）為基礎，與Landsat-8熱紅外數據反演結果對比分析，進行交叉驗證[14]。

兩組數據過境時間有一定的時間間隔（MODIS過境時間為2013 年11 月15 日13:20，Landsat-8 衛星為2013 年11 月15 日10:38），這段時間主要為落潮末期到漲潮初期，且落潮末期占時間比例較大（圖8），因為落末階段海水比較穩定，漲潮時間較短，大量外海海水還未涌入該海域，海表溫度變化不大。

在兩景溫度場數據上隨機選取30 個點，利用最小二乘法研究兩者之間的關系。因為MODIS 數據空間分辨率為1km，海陸像元混合比Landsat-8 要大，點位選取時優先選取遠離近岸海域點位。從表中可以看出，偏差最大為1.13℃，最小小于0.1℃。利用最小二乘法進行擬合探討兩組數據之間的回歸關系，擬合結果如圖8 所示。兩組數據擬合關系式為y=0.8447x+2.2576，擬合后回歸系數的平方為0.8266，標準誤差為0.3918。數據擬合結果表明兩組數據之間線性特征非常明顯，具有很好的線性相關性和一致性，同樣可以反映出Landsat-8 熱紅外波段溫度反演方法獲得的溫度場數據是準確可信的。

3.3 核電周邊溫度場分布特征

2013 年11 月15 日熱紅外溫度場分布圖（圖3、圖4）顯示，核電附近海域溫度分布層次分明，溫度場范圍13.0℃～23.0℃，主要集中在14.5～18.9℃。連島北部海域溫度主要集中在13.7℃～14.5℃。核電南部徐圩港正在建設過程中，周邊海域溫度主要集中在13.4℃～14.1℃。

2013 年11 月15 日溫度場分布圖（圖3）顯示，核電周邊海域的溫度場明顯受到了溫排水的影響，熱影響強度較高的水體離排水口近，由排水口向外延伸，溫度逐漸降低，到達環境本底溫度區后，變化趨緩。由于兩顆衛星過境時處于落潮潮態，溫排水沿海水落潮方向東北方向擴散，取水口處于略高于本底溫度的溫度范圍內，對核電的冷卻水取水造成了一定的影響，不利于海水置換。

2017 年2 月27 日溫度場分布圖（圖4）顯示，核電周邊海域岸線發生了顯著的變化，與2013 年11月15 日相比（圖3），取水口處的取水明渠由原來的1.9km 增加到4.5km，排水口處導流堤向南擴建了1.5km，南側徐圩港防波堤，則從2.6km，增加到了6.9km。由于潮汐狀態相似，2017 年2 月27 日溫度場梯度及空間分布特征與2013 年11 月15 日溫度場相似。由于氣象條件不同，整體溫度較低。核電周邊溫度場范圍6.1℃～14.7℃，主要集中在6.5～13.2℃。徐圩港的半封閉海域溫度主要集中在5.5℃～6.6℃，連島北部海域溫度主要集中在6.6℃～7.2℃。由于衛星過境時，獲取的數據同樣處于落潮潮態，溫度場明顯受到了潮態的影響：高溫熱水（12.4℃）漫過排水口導流壩后向東北方向展布，隨著距離增加，海水混合，溫度逐漸降低。因為岸線的阻擋，溫排水被限制在取水明渠南側，此時溫排水溫度已降至6.8℃；南側同樣受到了防波堤的影響，溫排水的羽跡被阻斷。高溫海水雖然被阻隔在取水口之外，保護了取水安全，但岸線的變化，使田灣核電站排水口處于一個由兩側海工建筑環抱下的人工海灣的灣底，改變了海域流場情況，影響了溫排水的展布形態和規模。

3.4 熱影響統計與討論

溫排水影響區域為核電站排水口處高于本底溫度0.1℃以上區域。綜合考慮周邊海域（剔除溫排水影響區域后海域）平均海面溫度作為本底溫度。在確定了本底溫度之后，將遙感反演的溫度場數據整體扣除本底溫度，以獲取核電溫排水形成的溫度場的熱影響數據。提取核電站熱影響區，分別劃分出9、10 個等級，并分別進行編碼（見圖9、10），分類統計各個等級的面積，采用0.1℃、0.5℃、1.0℃（高于本底水溫溫度）等提取核電站溫排水的熱影響分布信息。根據各級水溫水體所占的像元數，計算不同級別水溫分布面積（圖11）。

熱影響編碼圖顯示，核電溫排水明顯影響了核電附近海域的溫度場，由排水口向外延伸，熱影響溫度逐漸降低，到達本底溫度后，溫度穩定。相較于2013 年11 月15 日反演的結果，2017 年2 月27 日的獲取的結果，總體上，各級別的面積均有擴大，具有溫升級別越高，面積變化越大的趨勢，0.1℃以上的溫升面積增加了18.68%，1℃以上溫升面積增加了約51.21%，并且出現了8℃以上的溫升。因為兩組數據獲取時核電的運行工況，所處的季節及潮汐狀態類似，推斷面積增大的原因為工程建設阻礙溫排水擴散造成的。

周邊海域岸線的變化，改變了海域的流場情況。工程未建成時，漲潮海水從東北方向涌入，沿岸向南東方向流動，落潮時，海水從東北方向流出；工程建成后，徐圩港防波堤阻隔了排水口向南的順岸水流，漲落潮時形成了向岸、離岸的往復流，流速減慢，取水明渠延伸，在另一面限制了海水的流動。受此影響，溫排水海域漲落潮流速都有不同程度的減小，流向發生了偏轉，不利于溫排水的擴散，造成了溫排水影響的面積增大。

4 結論

本文基于2013年、2017年兩景Landsat-8數據，完成了田灣核電周邊海域岸線變遷調查，對其熱紅外波段進行了溫度反演，獲取了相似潮汐、氣候條件下核電周邊海域溫度場分布情況，并對2013 年11 月15 日數據過境前后進行了海溫測量。通過解譯、對比分析得出：

1.在2013-2017年期間，田灣核電周邊岸線發生了顯著的變化，進水口處的取水明渠由原來的1.9km增加到4.5km，排水口處導流堤向南擴建了1.5km，南側徐圩港防波堤，則從2.6km，增加到了6.9km，核電排水口處于兩側防波堤環抱的人工海灣的灣底。

2.通過對2013年11月15日Landsat-8熱紅外波段溫度反演結果與衛星過境前后的海上測溫數據進行擬合、與同日過境的MODIS 數據進行交叉驗證，顯示溫度反演的結果與海上測溫數據和MODIS 數據具有很強的相關性，證明溫度反演結果是可靠的，但由于測量不是完全同步，數據之間存在著誤差。誤差存在的原因除與儀器的精度、人為操作、溫度反演的方法有關外，還與測量的連續性和衛星數據的瞬時性有很大的關系。

3.不同時相遙感數據顯示，工程建設雖然保護了溫排水的取水安全，但是卻影響了溫排水展布形態和規模。核電站需要時刻關注，根據建設進度變化，必要時進行溫排水影響分析，做出相應的對策。

4.Landsat-8 數據能滿足核電溫排水的監測需求，為評估核電站溫排水對其周邊海域溫度環境的影響提供了迅速便捷的手段。

5.本文僅對冬季落潮落急時刻的溫度場進行了分析，不同季節、不同潮態下的核電附近海域的遙感監測還有待進一步研究。

致謝：文中Landsat-8 數據美國USGS網站提供，在此表示誠摯的謝意。

圖1 田灣核電站周邊海域遙感影像圖（時相：2017-02-27，波段組合：6 5 2）Fig.1 Remote sensing image of the sea area around Tianwan Nuclear Power Station(Time:2017-02-27，band combination:652)

圖2 田灣核電周邊岸線解譯結果圖Fig.2 Interpretation results of the coastline around Tianwan Nuclear Power Station

圖3 2013年11月15日熱紅外溫度場圖Fig.3 Distribution of Thermal Infrared Temperature on Nov.15，2013

圖4 2017年2月27日熱紅外溫度場圖Fig.4 Temperature Distribution of Thermal Infrared on Feb.27，2017

圖5 2013年11月15日海面實測點位圖Fig.5 Distribution of Sea Surface Temperature on November 15，2013

圖6 2013年11月15日海上實測值與反演SST值線性擬合圖和殘差投點圖Fig.6 Linear Fitting and Residual Point Map of Measured values and Inverted SST Values at Sea on Nov.15，2013

圖7 2013年11月15日MODIS熱紅外溫度場圖Fig.7 Temperature Distribution Map of MODIS Thermal Infrared on November 15，2013

圖8 2013年11月15日潮汐狀態變化示意圖（為Landsat-8過境時潮汐狀態，為Aquar過境時潮汐狀態）Fig.8 Diagram of tidal state changes on November 15，2013(Tidal state of Landsat-8，Tidal state of Aquar)

圖8 2013年11月15日Landsat-8與MODIS反演結果數據擬合圖Fig.8 Fitting of Landsat-8 and MODIS Inversion Results on November 15，2013

圖9 2013年11月15日熱影響編碼圖Fig.9 Heat Impact Coding Chart，15 November 2013

圖10 2017年2月27日熱影響編碼圖Fig.10 Heat Impact Coding Chart，27 February 2017

圖11 不同時相熱影響面積對比圖（單位：km2）Fig.11 Contrast chart of heat affected area at different time phases