基于Landsat8的海陽核電廠周邊海域水溫監測

韓濤，張闊，王方，石海崗

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

相較于火電，核電不產生氮氧化物、二氧化硫、煙塵等大氣污染物質，屬于低碳清潔能源，越來越受國家重視。國家“十四五”規劃明確要求安全穩妥推動沿海核電建設。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。受制于物理規律和現有技術，核裂變能量僅有不到40%轉化為電能，其余熱量需通過循環冷卻水排放到周邊海域環境。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和水域生態環境的重要指標，將影響水的物理、化學、生物化學性質，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測對于保障核電正常運行和保護受納水域環境具有重要意義[1-3]。

目前海域水溫監測方法主要包括海面溫度測量、熱紅外遙感監測等[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；而熱紅外遙感監測因同步性好、周期重復觀測和成本相對較低等優勢成為海溫監測的重要方法[5-6]。國內外學者針對不同特點的熱紅外數據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據提出了單通道法[7]、單窗法[8]；針對MODIS、Aster等具有多個熱紅外波段的數據提出了劈窗算法和多通道法等[9]，并將這些算法應用于核電廠周邊海域溫排水分布調查研究領域[10-15]。本文選用Landsat8熱紅外遙感數據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境影響評價提供數據資料。

1 研究區概況與數據源

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以南，地處東、西、南三面環海的半島東側（圖1）。廠址規劃建設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，根據氣象鐵塔多年觀測數據，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℃。廠址所在海域屬黃海北部，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；落潮時海水自西北向東南瀉出，沿岸會出現灘涂干出。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 數據來源與預處理

本文采用的數據均為Landsat8數據，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據均與運行前數據氣象條件類似。Landsat8衛星上攜帶有OLI和TIRS兩個主要載荷，相關參數和波段特征參見參考文獻[16]，此處不再贅述。數據準備完成后，利用數據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，但根據美國地質調查局網站（https://glovis.usgs.gov/）發布的測試結果，Landsat8的B11波段存在較嚴重的條帶噪聲，將產生較大誤差。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。

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分別為數據的增益和偏移，可直接從元數據文件（._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），根據學者研究[19]，比輻射率可取定值0.995。

3）其他參數的獲取。Lλatm↑、Lλatm↓和τ等重要參數與大氣吸收物質（水汽、CO2等）、壓力、溫度、濕度密切相關。本文根據NEPC提供的標準大氣剖面，結合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收集于逐時記錄的核電氣象鐵塔。

完成上述計算后，根據普朗克公式的反函數，求得地表實際溫度，即

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

3 研究結果與分析

3.1 反演結果與實測數據擬合

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據，如圖2所示。為了保證反演結果的準確性，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，衛星過境前后，在核電附近區域進行反復測量（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

根據最小二乘法，針對Landsat8衛星的過境時間，選取衛星過境前后30 min內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測值的偏離程度，結果如圖4所示，可以看出，二者同步變化，反演獲得的擬合關系式為y=0.902 9x+1.033 4，擬合后回歸系數的平方值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，標準殘差的絕對值也集中在(0.008,1.028)區間內，多數都小于0.4；從線性關系的程度和誤差大小上可反映熱紅外遙感反演結果是準確可靠的。

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域海水溫度差異較小，不同季節溫度差別較大（圖2a、2b），溫度分別在15.0～17.0℃和2.5℃～4.0℃之間，從排水口到鄰近區域海水溫度緩慢過渡。2019年后獲取的兩期數據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水溫分異與溫升現象，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，遇西側防波堤阻擋后，具有向南折轉的趨勢。核電廠南側和東側溫度分異不明顯，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。核電廠西側和東側溫度分異不明顯，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，首先需剔除海域環境的背景溫度。對于海陽核電廠周邊海域，由于遠近海區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《核電廠溫排水衛星遙感監測應用技術標準（征求意見稿）》，背景溫度采用核電廠西側不受溫排水影響的核心區的平均溫度。

在確定背景溫度后，將海域溫度場數據整體扣除背景溫度，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，并根據實際情況劃分為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。根據各級水溫所占的像元數，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 熱影響區分布圖

圖7 熱影響區面積柱狀圖

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，溫度穩定；漲、落潮潮態下溫升分布特征、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的熱影響區分布具有明顯的漲潮特征，溫排水高值熱影響區位于排水口西側，隨著距離的增加，熱影響降低，低值熱影響區繼續向西側展布，分布狀態受到防波堤的影響，有向南折轉的趨勢。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的熱影響區分布具有明顯的落潮特征，溫排水高值熱影響區出排水口總體向南、東南方向展布，隨著距離的增加，溫度迅速降低，低值熱影響區隨潮態向東延伸。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，根據本次監測結果，海陽核電廠熱影響區主要集中在核電廠周邊海域5.0 km以內，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、海浪狀況等條件發生改變。相關研究表明，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生的誤差除與測量設備、測量操作相關外，還與測量時間相對較長和衛星數據瞬時獲取之間的矛盾有關。測量數據在衛星過境前后30 min內獲取，而衛星數據是在不足1 min的時間內獲取，雖然潮汐相對穩定，但經過一定時間，海域溫度必然會發生輕微變化，造成誤差。

4 結語

本文基于海陽核電廠運行前后的4期Landsat8數據，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）通過對反演結果與海上測量數據進行回歸分析，證明了Landsat8數據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，兩種數據之間存在一定誤差。

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

3）海陽核電廠溫排水在各方向的分布、熱影響范圍受潮態控制。漲潮時，高值熱影響區主要集中在排水口西側，分布狀態受防波堤影響，具有向南折轉的趨勢；落潮時，溫排水高值熱影響區總體向南、東南方向展布，低值熱影響區隨潮態向東延伸；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數據能滿足核電廠周邊海域水溫監測需求。核電廠應根據實際運行情況，關注周邊溫度變化情況，必要時進行溫排水影響分析，進而提出相應的對策。