基于Landsat-8 TIRS的防城港核电站温排水分布规律研究.pdf

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.Ecological 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 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 Laboratory 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 equation 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 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 protection 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(NASA)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 Landsat-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。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 1.1 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 (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为地表真实温度;为大气透射率;Ld为大气下行辐射亮度,Lu为大气上下辐射度;为地表比辐射率,在热红外波谱相对较高,一般取为0.99519。可通过NASA官网获取大气上、下行辐射进行下列公式计算表面温度下的黑体辐射值,公式如下:d(1)SuB TLLL (3)根据普朗克辐射理论公式,获得温度ST公式如下:21/ln(/()1)SSTKKB T (4)其中,TS为地表真实温度,单位为 K;K1,K2为校正常数,Landsat-8卫星第10波段的K1,K2值分别为 774.8853,1321.0789。最后,将反演计算所得的地表真实温度ST通过如下公式可转换成摄氏度:273.13CSTT (5)式中:TC为地表真实温度,单位为。1.2.4 基准温度计算 因核电站温排水温度要高于自然水域,则将海面基准温度定义为没有受到外来温度影响水域的平均温度20。确定防城港核电站附近海域基准温度的原理为:计算没有受到温排水影响海域的温度平均值,并将该海域内高于1 平均值的数据剔除,再一次计算平均值得到的平均温度作为温排水的基准温度。经过计算,2019年06月28日防城港核电站附近海域的基准温度为31.7,2020年12月07日防城港核电站附近海域的基准温度为16.4。2 结果与分析 2.1 卫星遥感温度反演结果 根据上述算法对2019年06月28日和2020年12月07日的卫星遥感数据进行数据处理,可得到防城港核电站附近海域的温度反演结果(图2)所示,2019年06月28日,0 1、1 2 的升温区主要分布在距离排水口的5 km7 km的范围内,溢出后均向东北方向扩散,其中0 1 的升温区面积约为5.4 km2,扩散长度约1.8 km;1 2 的升温区面积约为3.4 km2,扩散长度约1.2 km。2 3 升温区面积约为2.9 km2,在溢出的温排水中仅有少量(面积不足0.07 km2)的温排水温度高于2。3 4 的温升区面积约为1.0 km2、高于4 的升温区面积约为0.54 km2,在溢出的温排水中未发现温度高于3。2020年12月07日,0 1、1 2 的升温区主要分布在距离排水口的5 km7 km的范围内,溢出后均向西南方向扩散,其中0 1 升温区面积约为4.9 km2,扩散长度约2.1 km;1 2 升温区面积约为3.2 km2,扩散长度约0.7 km。2 3、3 4 及高于4 的升温区面积分别约为1.6 km2、1.1 km2、0.09 km2,在溢出的温排水中未发现温度高于3。通过比较温度反演所得到的不同温升区面积,可知在这两日的核电站温排水中,位于0 2 的温度区间面积均占总面积的60%以上。28 生 态 科 学 42 卷 图 2 研究区海表温度反演结果 Figure 2 The results of temperature retrieval 2.2 季节变化对温升范围的影响 2019年06月28日代表夏季温排水状况,2020年12月07日代表冬季温排水状况。与冬季相比,夏季高于4 温升面积更大(约为0.54 km2),几乎是冬季(高于4 温升面积约为0.09 km2)的6倍,而在小于4 的温排水范围中,冬季与夏季相差较小。为进一步探究夏季与冬季温升范围的变化、以及温排水的温升变化范围,沿排水区域东南方向做一条约6000 m的剖面,剖面位置如图2所示,将夏季与冬季两条排水剖面相比较,研究季节变化对温排水范围影响。根据夏季与冬季6000 m范围内温度变化剖面(图3)所示,夏季高于4 的范围约在离岸0 m至600 m处,高于3 的范围约在离岸3200 m处结束,随后3000 m至6000 m主要属于2 3 温升区。冬季高于4的范围约在离岸0 m至190 m处,高于3的范围约在离岸3400 m处结束,随后3400m至6000 m主要属于23升温区。可见,在高于4 温排水范围夏季显著高于冬季,夏季与冬季小于4 的温排水范围相差较小。2.3 潮汐运动对温排水扩散的影响 夏季的温升向东北方向扩散,冬季温升范围向西南方向扩散,这可能与卫星过境时海洋的潮汐运动有关。本次研究所选取的数据卫星成像的北京时间分别为2019年06月28日11时,2020年12月07日11时。经查询,2019年06月28日防城港的潮汐时间1时和16时为高潮,9时和23时为低潮,因此,11时为潮涨时间;2020年12月07日防城港的潮汐时间10时和23时为高潮,0时和20时为低潮,因此11时为潮落时间。2019年06月28日可代表潮涨,2020年12月07日可代表潮落,从温升分布图(图2)来看,潮涨期间温排水排出后向东北方向扩散,潮落期间温排水排出后向西南方向扩散。3 讨论 3.1 温排水对附近养殖区的影响 滨海核电站与海水养殖区都位于离岸较近的海域,核电站温排水是否对附近海域的养殖区产生有害影响是人们一直关注的问题。根据政府文件,海 图 3 夏季与冬季 6000 m 范围内温升变化剖面 Figure 3 Temperature rise profile within 6000 m distances in summer and winter 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 29 水经济鱼类养殖是防城港市海水养殖业的一种主要类型。如图2所示,位于防城港核电站附近的一个养殖区,不论是夏季或冬季,其温度大致位于当时基准温度,且根据温排水的温升范围,可认为核电站的温排水造成的局部海域温度升高,并未给该养殖区造成明显影响。3.2 关于反演精度的讨论 卫星遥感,可以获得瞬时的大范围温度变化场,是进行核电站温排水连续、动态监测的重要手段。利用热红外数据进行地表温度反演的算法包括单通道的辐射传输方程法、分裂窗法、单窗算法等21。针对TIRS数据,已经有学者验证辐射传输方程的反演精度要高于单窗算法、分裂窗法22。本文采用辐射传输方程法,需要提前获取地表发射率,但高精度的地表发射率在现实工作中难以获取23,对反演温度造成偏差。且遥感监测的是海面温度而不是海面下的水体的温度,海面温度易受风力、大气、潮汐等影响,需要进行现场同步观测加以辅助验证24,这方面工作是未来研究的重点方向。3.3 温排水监测对水资源管理与保护的意义 我国一直以来十分重视水资源保护,随着高空间分辨率的遥感卫星的逐渐推广应用,热红外遥感在水资源管理与保护中发挥着越来越重要的作用。张红艳等25利用热红外遥感数据进行温排水监测并分析温排水对附近水产养殖紫菜、贝类等养殖区造成的影响;成丰等26通过定义温排水的基准温度,研究季节变化对温排水的温升范围的影响;陈瀚阅等27利用海面实地温排水温度与不同算法的遥感温排水监测进行精度比较。基于遥感热红外数据对核电站热污染已经广泛应用到水环境评价中28,广西北部湾三娘湾分布许多珍惜的动植物资源,例如白海豚、中华鲎以及文昌鱼等,对海洋珍惜物种的生境环境进行温度反演和监测,可为当地政府进行生物多样性保护提供决策意见。4 结论 本文通过辐射传输方程法对2019年06月28日和2020年12月07日的两幅Landsat-8 TIRS数据进行温度反演,通过对比夏季、冬季温排水温升变化面积和温升变化剖面,研究潮涨潮落对温排水扩散方向后得到以下结论:(1)利用Landsat-8 TIRS数据对核电站邻近海域进行温度反演,可以较好反映不同时期的温排水对周围水域的温度变化影响范围及影响程度。(2)根据夏季与冬季温度反演的结果,在冬季与夏季排出的温排水均会导致局部海域温度上升,且高4 的温升区多出现在排水口。通过比较夏季、冬季温升变化面积及温升变化剖面,夏季对高于4 的温升变化范围影响较大,对低于4 的温升范围夏季与冬季相差不大。(3)结合潮汐数据,探索不同潮势对防城港核电站温排水扩散趋势的影响。潮涨时该核电站温排水向东北方向扩散,潮落时向西南方向扩散,潮汐运动可影响该核电站的温排水扩散趋势。参考文献 1 白云生.核电“十四五”及中长期发展建议J.电力设备管理,2020,8:2022.2 赵新春,张会敏,谢萍.广西防城港核电厂运行的辐射环境影响预测及对策J.中国辐射卫生,2014,23(2):164167.3 金琼贝,盛连喜,张然.温度对浮游动物群落的影响J.东北师大学自然科学版,1991(4):103111.4 於凡,张永兴.滨海核电站温排水对海洋生态系统影响的研究J.辐射防护通讯,2008,28(1):17.5 刘永叶,刘森林,陈晓秋.核电站温排水的热污染控制对策J.原子能科学技术,2009,43:191196.6 许静,朱利,姜建,等.基于HJ1B与TM热红外数据的大亚湾核电基地温排水遥感监测J.中国环境科学,2014,34(5):11811186.7 张永红,李家国,朱利,等.温排水海面监测采样与空间插值方法优化研究J.海洋环境科学,2017,36(5):765773.8 徐进,王海霞,曲颖丽,等.核电站温排水遥感定量检测方法研究J.地理信息世界,2019,26(1):8286.9 TANG D L,KESTER D R,WANG Z D,et al.AVHRR satellite remote sensing and shipboard measurements of the thermal plume from the Daya Bay,nuclear power station,ChinaJ.Remote Sensing of Environment,2003,84(4):506515.10 吴传庆,王桥,王文杰,等.利用 TM 影像监测和评价大亚湾温排水热污染J.中国环境监测,2006,22(3):8084.11 袁蕾.IRS和TM影像监测大亚湾温排水热污染的比较研究D.北京:中国地质大学(北京),2013.12 陆衍,阚芃芃.基于 ETM+影像的田湾核电站温排水影响分析J.上海国土资源,2012,33(4):4447.30 生 态 科 学 42 卷 13 王祥,苏岫,王新新,等.基于 Landsat8 卫星数据的红沿河核电站温排水监测J.红外,2015,36(8):2227.14 张春雷,梁春利,张建永,等.基于 Landsat8 TIRS 数据的田湾核电站温排水遥感监测J.地理空间信息,2019,17(8):7072.15 张晓峰,徐京平,张曼祺,等.Landsat8 热红外数据监测田湾核电站温排水分布J.海洋科学进展,2019,37(3):518525.16 郑帅.预防“核邻避冲突”的风险传播策略D.南宁:广西大学,2018.17 周旋,杨晓峰,吕学珠,等.基于大气辐射传输模型的单通道海表温度反演算法研究J.热带气象学报,2012,(5):137142.18 王春磊,唐伯惠.海洋表面下大气下行遥感辐射估算J.海洋通报,2018,37(2):219224.19 覃志豪,李文娟,徐斌,等.陆地卫星 TM6 波段范围内地表比辐射率的估计J.国土资源遥感,2004(3):2832.20 杨槐.从 Landsat 8 影像反演地表温度的劈窗算法研究J.测绘地理信息,2014,39(4):7377 21 姜晟,李俊龙,李旭文,等.核电站温排水遥感监测方法研究J.中国环境监测,2013,(12):212216.22 张永红,陈瀚阅,陈宜金,等.基于 Landsat8 TIRS 的红沿河核电基地海表温度反演算法比对J.航天返回与遥感,2015,36(5):96104.23 李召良,段四波,唐伯惠,等.热红外地表温度遥感反演方法研究进展J.遥感学报,2016,20(5):889920.24 朱晓阳,刘建琳,王凤英.核电站温排水环境影响研究方法调查评价J.电力科技与环保,2010,26(1):810.25 杨红艳,朱利,吴传庆,等.核电厂温排水遥感监测及环境影响分析J.环境保护,2018(21):1822.26 成丰,朱利,吴传庆,等.基于遥感数据的核电站温排水季节性分布监测分析一以阳江核电站为例J.环境保护,2017(4):4852.27 张瀚阅,朱利,李家国,等.基于 Landsat8 数据的 2 种海表温度反演单窗算法对比以红沿河核电基地海域为例J.国土资源遥感,2018,30(1):4553.28 朱利,李家国,李凯云,等.遥感技术在水生态环境管理的应用与前景J.环境监控与预警,2019,11(5):2227.