基于Landsat-8 TIRS的防城港核电站温排水分布规律研究.pdf
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1、第 42 卷 第 5 期 生 态 科 学 42(5):2530 2023 年 9 月 Ecological Science Sep.2023 收稿日期:2021-03-07;修订日期:2021-04-24 基金项目:国家自然科学基金项目(42261024);广西基地和人才项目(2019AC20088);广西自然科学基金联合资助培育项目(2018JJA150135);广西创新驱动发展专项(AA18118038);北部湾大学高层次人才引进项目(2019KYQD28);广西自治区大学生创新创业训练项目(1607416243),(1707402429)作者简介:朱欧娜(2000),女,广西来宾人,从事
2、遥感信息应用相关研究,E-mail:*通信作者:田义超(1986),男,陕西西安人,教授,中科院博士,主要从事资源环境遥感及海岸带生态环境监测的相关研究,E-mail: 朱欧娜,田义超.基于 Landsat-8 TIRS 的防城港核电站温排水分布规律研究J.生态科学,2023,42(5):2530.ZHU Ouna,TIAN Yichao.Study on distribution and change law of temperature and drainage in Fangchenggang nuclear power plant based on Landsat-8 TIRSJ.Ec
3、ological Science,2023,42(5):2530.基于Landsat-8 TIRS的防城港核电站温排水分布规律研究 朱欧娜1,田义超1,2,3,*1.北部湾大学资源与环境学院,钦州 535000 2.北部湾大学海洋地理信息资源开发利用重点实验室,钦州 535000 3.桂林理工大学广西空间信息与测绘重点实验室,桂林 541004 【摘要】利用夏季和冬季两幅 Landsat-8 TIRS 数据,通过辐射传输方程法对防城港核电站附近海域温度反演,结合潮汐数据分析防城港核电站温排水造成附近海域温度变化的影响规律。结果表明:冬季与夏季对低于 4 的温升变化范围影响不大,高于 4 的温升
4、变化范围影响显著;潮汐运动对温排水扩散方向有明显影响,潮涨时温排水向东北方向扩散,潮落时向西南方向扩散。探索核电站温排水的分布状况及分布规律,对保护海洋生态环境具有重要意义。关键词:关键词:温排水;海表温度;海洋环境;Landsat-8 TIRS;防城港核电站 doi:10.14108/ki.1008-8873.2023.05.004 中图分类号:Q149 文献标识码:A 文章编号:1008-8873(2023)05-025-06 Study on distribution and change law of temperature and drainage in Fangchenggang
5、nuclear power plant based on Landsat-8 TIRS ZHU Ouna1,TIAN Yichao1,2,3,*1.Collage of Resources and Environment,Beibu Gulf University,Qinzhou 535000,China 2.Key Laboratory of Marine Geographic Information Resources Development and Utilization,Beibu Gulf University,Qinzhou 535000,China 3.Guangxi Key L
6、aboratory for Geospatial Informatics and Geomatics Engineering,Guilin University of Technology,Guilin 541004,China Abstract:Based on the two Landsat-8 TIRS data in summer and winter,the temperature of the sea area near the Fangchenggang nuclear power station was retrieved by radiative transfer equat
7、ion method.Combined with the tidal data,the influence law of the temperature change of the sea area near the Fangchenggang nuclear power station caused by the warm drainage was analyzed.The results showed that winter and summer had little influence on the range of temperature rise below 4,while the
8、range of temperature rise above 4 had significant influence;and tidal movement had obvious influence on the diffusion direction of warm drainage,when the tide rose,warm drainage diffused to the northeast,and when the tide fell,it diffused to the southwest.It is of great significance to the protectio
9、n of marine ecological environment to 26 生 态 科 学 42 卷 explore the distribution and law of the thermal drainage of nuclear power plants.Key words:warm water discharge;sea surface temperature;marine environment;Landsat-8 TIRS;Fangchenggang nuclear power plant 0 前言 近年来,在保障区域供电方面,核能作为不会排放温室气体的清洁能源愈受重视,截
10、至2019年12月底,我国在运核电机组47 台,在建核电机组 12 台,且未来将会建设更多核电站以满足生产生活需求1。多数滨海核电站依靠海水作为冷却水将热量排出,排水所载的热量使局部海水水温升高2。高于自然水体的温排水,会破坏原来海域的水质、水体含氧量减少,影响海洋生物的生存和繁衍35。随着建设的滨海核电站数量不断增加,核电站对邻近海域造成的影响将是一个不可避免的问题。因此,进行核电站温排水监测对邻近海洋环境和生物保护有十分重大的意义。目前进行核电站温排水监测的方法主要有数学模拟,物理模拟,海面实地测量和遥感观测6。数学模拟和海洋模拟因受参数和资料验证的约束,目前无法满足对温排水进行的实时监测
11、7;海面实地测量工作难度大,同步性差且大多是点状数据,难以反映温排水的空间分布8。目前的卫星遥感技术有大面积同步观测、成本低、获取资料方便等优势。起初,学者们利用空间分辨率为1.1 km的 NOAA卫星 AVHRR 数据研究季节性变化对大亚湾核电站温排水的影响9,但空间分辨率较低未能准确的体现核电站温排水的温升细节。之后,有不少学者1012利用 Landsat TM/ETM+热红外波段空间分辨率为120 m,60 m 和 HJ-1B 所搭载 IRS 红外相机数据(空间分辨率为 300 m)进行温排水监测,均具有较高精度,能突显温排水温升细节。2013 年 02 月 11 日,美国航空航天局(N
12、ASA)成功发射 Landsat-8 卫星,搭载 Landsat-8 TIRS 传感器(空间分辨率为 100 m),与AVHRR、IRS 热红外数据相比空间分辨率更高,且其信噪比与温升分辨率方面,与之前的Landsat系列相比均有提高,是进行温排水遥感监测的理想数据源。已经有不少学者1315使用 Landsat-8 TIRS 数据探究核电站温排水的空间分布规律。防城港核电站是一个滨海的压水反应堆式核电站,使用海水作为冷却水带走凝汽器中的热量,而这些热量会使局部海水温度升高。核电站产生的温排水会对水体的生态环境产生影响,对沿海地区的底栖生物、浮游生物、鱼类等都有不同程度的影响。本文将利用 Lan
13、dsat-8 TIRS 数据,通过辐射传输方程法对防城港核电站邻近水域进行水温反演,探索潮汐运动以及季节性变化对防城港核电站温排水分布的影响,旨在为遥感监测核电站温排水以及生态环境部门提供依据。1 材料与技术方法 1.1 研究区域 防城港核电站及其邻近海域见图 1,地理坐标位于1083000E1083900E,213300N214200N范围内。防城港核电站位于广西壮族自治区防城港市港口区光坡镇红沙村,一期工程的首台机组于2010年7月 30 日正式开工建设,2016 年 1 月 1 日投入商业运行。一期工程的完成,可每年为广西提供约 150 亿千瓦的电力,是首个少数名族地区建设的核电站16。
14、1.2 研究方法 1.2.1 数据获取 Landsat-8 卫星所搭载的 TIRS 传感器具有两个热红外通道,即第 10 波段(波段范围 10.611.9 m)图 1 防城港核电站及其周边海域 Figure 1 The location of Fangchenggang nuclear power plant 5 期 朱欧娜,等.基于 Landsat-8 TIRS 的防城港核电站温排水分布规律研究 27 和第 11 波段(波段范围 11.512.5 m),空间分辨率为 0.1 km。数据均下载自美国地质调查局的地球资源观测与科学中心(USGS/EROS)。较于 AVHRR数据(空间分辨率为 1
15、.1 km)和 MODIS 数据(空间分辨率为 1.0 km),TIRS 数据拥有更高的分辨率,在对核电站的温排水进行遥感监测方面表现出优势。受限于卫星过境时的天气状况与潮汐运动的态势,本文所下载的两幅 Landsat-8 影像(行列号为 125045)获取日期为 2019 年 06 月 28 日和 2020 年 12 月 07日,可供研究夏季、冬季变化与潮涨、潮落对核电站温排水的影响。1.2.2 数据预处理 对所获得的 Landsat-8 TIRS 影像预处理的内容主要包括辐射定标,和大气校正。1、辐射定标,即热红外波段的 DN 值转化成该波段的辐射亮度,公式如下:LGAINDNBIAS (
16、1)式中:L为第10波段的辐射亮度;GAIN、BIAS 分别为第10波段的增益参数及偏移量,可通过影像的文件获取;DN 为第10波段的像元值。2、大气校正,可减少大气和光照等因素对地物反射的影响,使温度反演结果精度更有保障17。本文利用ENVI软件的FLAASH功能对所获得的影像进行大气校正。1.2.3 海表温度反演 热红外传感器接收到的辐射主要由 3 部分构成:大气上行辐射亮度、反射后经大气层滤除后的辐射亮度及大气下行辐射到达地表反射的能量18。上述过程可用如下公式描述:u()(1-)SdLB TLL (2)式中,L为传感器所接收到的辐射值;B(TS)为表面温度下的黑体辐射值;TS为地表真实
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