滨海电厂温排水监测及模拟方法探讨

，，，，(.中山大学环境科学与工程学院，广东 广州 50275；2.汕头市康逸环保科技有限公司，广东 汕头 50275；.世界银行，美国 华盛顿 2054)

滨海电厂温排水监测及模拟方法探讨

汤德福1,2，吴群河1，刘广立1，徐绮阳3，吕莉梅1,2
(1.中山大学环境科学与工程学院，广东 广州 510275；2.汕头市康逸环保科技有限公司，广东 汕头 510275；3.世界银行，美国 华盛顿 20541)

系统地介绍了现场测量、遥感观测和数值模拟等三种海水温度获得方法的原理及适用情况，并对比了其优缺点。数值模拟应用于电厂选址论证较为成熟，遥感观测较为适用于获取大尺度的海水表面温度资料，现场测量则多用于对以上两种方法结果的比对和印证。对已建电厂的后续跟踪监测评价，建议设计现场连续观测系统。

温排水；滨海电厂；水温监测；遥感；数值模拟；现场测量

海水表面温度(Sea Surface Temperature，SST)是海洋研究中一项重要的物理指标，在其它有关海洋学科的研究中占有十分重要的地位。滨海电厂的温排水会造成局部水域SST升高，改变自然海水的水质特性，从而对海洋生物如鱼类、浮游动植物、底栖动物等造成影响，改变其生存、生长和繁殖的自然环境，损害海洋生物的多样性[1-4]。

温排水对海洋生态造成的影响正引起越来越多的关注，其随海水运动形成的温度分布，则是研究其海洋生态影响的基础。如何准确、合理地观测温排水造成的海水温升程度及范围，既是海洋监测重要的研究方向，也是滨海电厂在选址及运行期间环境跟踪评价要解决的实际问题[5]。20世纪90年代以来，我国逐步建立海洋环境监测制度，制定《海洋监测规范》，为海洋水质要素的管控提供了监测方法保障。但现场采样监测难以适用于大尺度水温监测及预测，于是借助遥感影像解译反演水温，或利用数值模拟来计算水温分布，也成为监测温排水海域水温的重要方法。

国内外通用的温排水热影响监测方法可概括为现场测量、遥感观测和数值模拟三大类，本文介绍这三种常用温排水监测方法的原理及其研究进展，归纳比较优缺点，为准确监测海水温度场，应将三种监测方法有效地结合, 彼此补充并充分发挥各自的优势。而基于现场监测设计的海洋水质浮标在线监测系统，适用于滨海电厂温排水后续跟踪监测评价。

1 研究方法

海水温度是海洋学研究的一个重要参数，在海洋生态、海洋渔业与养殖业、大气与海洋研究方面有着极其重要地位。国内外研究机构积极地创新海洋环境监测技术和手段，以精确测量海水温度。现有的海水温度测量方法中，根据观测仪器的设置可分为卫星遥感测量和现场观测，根据测量原理可分为接触式测量和非接触式测量。而数值模拟不是一种直接测量SST的方法，它是计算温排水排放后，经对流、扩散而形成的温度场分布的技术手段。

1.1 现场测量

现场测量是最为原始的方法，精准度高，原理及操作均十分简单，只需将水温计投入水中至待测深度，感温一定时间后迅速上提并立即计数即可。《GB17378.4- 2007海洋监测规范》第4 部分：海水分析，载明的表层水温表法和颠倒温度表法即属此类。目前智能温度传感器早已取代普通水温计，美国HOBO公司生产的TidbiT v2(UTBI-001)温度记录仪即为常用的水温采集器[6]，常被用于现场检验式监测。现场测量只能用于局部海域或有限站点，难以反映大范围的温度空间分布。

无线通讯技术的应用，使现场测量由人工定点监测转为智能化连续观测。将智能温度传感器、数据发送传输模块、数据接收终端设计成一套自动观测系统，可用于定点连续监测SST。杨君德等采用以MSC1210 作为核心器件的多通道、高精度、快速温度数据采集终端，结合GPRS通讯技术设计了海水温度自动观测系统，并在獐子岛海珍品养殖中得到成功应用[7]，国内其它学者也进行了类似的系统设计，应用于养殖场海水温度在线监控或实时采集[8, 9]，但这些研究往往只监测了单层水温。为研究水温在不同深度的差异，张晓芳等通过增加剖面链子系统，研制了垂直剖面水温浮标系统[10]。

无论是单层还是考虑不同深度的多层水温在线监测系统，其差异在于水温传感器的数量，而系统原理及构成是相同的。水温在线监测系统的原理框图示意见图1。

由于海洋环境多变，水温监测系统的固定及维护存在困难，现有研究一般应用于水库(坝)、饮用水源地、湖泊等附有大坝或构筑物的小型水体，以及小规模的海水养殖场，国内外尚未见到用于温排水观测的实例报导。

水温在线监测系统要在茫茫大海应用于温排水温度观测，需解决三方面的问题：一是观测系统的固定，要设计专用浮标；二是电源续航及防水设计；三是实现海水垂向同步测量。浙江省构建的海洋水质浮标在线监测系统可作为借鉴[11]，但其在海水垂向同步测量方面需进行优化改进，若仅应用于电厂温排水温度监测，系统构建的成本也应考虑。

1.2 遥感测量

卫星遥感探测地表温度有红外和微波两种方式，以红外辐射的研究最为常见。自然界任何温度大于绝对零度的物体都会辐射红外线，通过探测目标和背景之间的红外辐射，便可得到目标表面温度的分布图像。热辐射的这个特点，为利用热红外遥感技术监测温排水的水温提供了科学理论基础。辐射信息通过从电磁场到物质性质或地球物理性质的逆运算，对传感器进行辐射定标或与地面绝对温度建立联系，通过对热辐射传导方程的求解，可实现地表或海洋表面温度的反演。

应用红外遥感对滨海电厂排水口附近温度场进行航天监测的做法已经较为成熟，该方法具有观测范围大、精度和空间分辨率高的特点。1978年美国发射了海洋卫星SEASAT-A，在高空全方位、多角度观测全球海域的温度、海色等的变化，开创了海洋卫星遥感技术的先河。此后，国际上诸多国家发射了多颗极轨气象卫星，如美国的NOAA系列卫星和LANDSAT系列卫星、欧空局MOP系列卫星和欧洲遥感卫星ERS-1、中国FY-l(A-B)极轨气象卫星等。其中Landsat热红外波段具有较高的空间分辨率(TM为120m，ETM+为60m)和温度分辨率，许多研究者利用Landsat TM数据进行地表、海面温度反演[12-14]及电站温排水监测[15]。我国环境一号卫星红外相机的热红外波段数据，也被用于核电站温排水的遥感监测，解译出电站附近海域的表面温升分布图。

热红外遥感海面温度反演方法主要有辐射传输方程法、单通道法、分裂窗法和多通道法(多角度法)，其中以 “单窗算法”最为简单易行[16, 17]。单窗算法合理假设大气平均作用温度与大气向下平均作用温度的差异<5℃，且大气平均作用温度、地表辐射率和大气透射率已知，反演的地表温度平均误差一般为1.1℃，最小达0.2℃。基于此方法，May以1995年和1996年GOES(Geostationary Operational Environmental Satellites)-8/GOES-9资料反演海水温度，结果显示GOES-8的均方根误差昼间为0.79K，夜间为0.81K；GOES-9的均方根误差昼间为0.65K，夜间为0.59K[18]。Mesiasa对NOAA的卫星数据进行大西洋西北部海水表面温度反演，分析了海水温度的年度和月度变化状况，并将其与浮标实测数据对比验证，反演得到的温度误差为1.15℃[19]。

从热量平衡机理分析，热红外遥感涉及辐射通量、大气湍流通量和水汽蒸发通量等，理论基础较为复杂[17]。遥感反演的深入研究，主要基于某一算法对参数和求导过程进行修正，以期提高反演精度。如基于实测数据修订大气透射率和大气平均作用温度估算方程[20]，考虑NCEP(National Centers for Environmental Prediction)大气廓线数据[14]，运用高时空分辨率及短重访周期的IRS4进行大气校正[21]。此外，遥感测量常被用于大尺度的温排水温升程度和范围研究，以描述排水口周边的温升区并分析高温水团的变动动向[22, 23]。

1.3 数值模拟

即采用数学或物理模型对排放区的海水温度进行模拟计算。英国学者早在1968年就对稳定流态和非稳定液态下的温排水热扩散规律进行了探讨[24]，而McGuirk等采用k-ε紊流模型，计算温排水岸边排放区的温度分布，则是发现最早的模型计算方法[25]。国内对于温排水模型预测的研究始于20世纪80年代，李燕初等采用二维浅水方程和对流扩散方程模拟了温排水的稀释扩散过程[26]。2000年后，关于温排水模型的研究增多，积累了大量的研究案例和方法，并有了关于温排水预测的数学模型系统的总结[27]。

该方法首先要选取模型，然后对连续微分方程进行离散，再设计计算网格，确定重要参数并对边界进行处理，有些河口海岸区会考虑波浪影响[28]。目前数值模拟方法广泛地应用于电厂建设前的模拟计算，为相关电厂工程的设计、排水口的选址等提供决策参考，也为电厂环境影响评价和管理提供依据，但针对电厂运行后温排水影响的研究并不多见[29]。

一般的水电工程多采用二维模型，定量反映温度的物理扩散行为。陈丕翔等通过建立平面二维潮流和温排水数学模型，对华润电力海丰电厂三种不同取排水工程方案的温排水输运、扩散进行计算，预测温升分布和电厂取水温升[30]。孙艳涛等采用Delft-3D软件平面二维水流温度场数学模型对长江水域电厂温排水进行数值模拟，发现冬季小潮条件比大潮条件下的温升影响面积更大，向下游和离岸方向扩散的距离更远，但两种条件下取水口处的温升均较小[31]。

二维模型没有考虑浮力效应及海岸地形，无法模拟垂向温度变化及温排水与周围水体的斜压效应。早在2010年3D数值模拟就被认为是未来发展的趋势[32]，而在此之前，曹颖等基于三维非结构有限体积海岸和海洋模型(FVCOM2004版)建立了三维潮流数值模型，采用有限体积法开发了一个三维温排水对流扩散模型，模拟近岸海域温排水的扩散输运过程，发现温差产生的浮力效应使温排水向海水上层运输，使海水温度存在垂向差异[33]。CHENG You-liang选择k-ε紊流模型对温排水的分布进行三维数值模拟，发现海岸地形斜率越大，温排水在水平方向扩散越大，而斜率越小，温排水在垂直方向的扩散越大。

近年来，越来越多学者使用三维数值模拟温度场[6, 34, 35]，结果一般是排水口附近的温升较为明显[36]。但海水受流速、紊动特性、潮汐、近岸地形等诸多因素的影响，模型修正及参数取值还需深入探索，且需以现场测量佐证模拟结果。

2 适用性比较

温排水影响的海域范围广、气象条件复杂，现场测量方法精准度虽高，但难以满足大尺度的研究需求。目前很少单独采用此方法监测温排水温度，现有研究常将此方法作为遥感测量及数值模拟结果的验证手段。

遥感红外测量的观测范围大。由于电厂温排水与海水接触后会剧烈掺混，其流速、浓度、紊动特性变化很大，同时受到陆地边界条件及潮汐等因素的影响，其在排水口附近会形成来回震荡的热污染带。遥感影像反演的温度为瞬时、静态的，受水气热量交换影响，也不能同时得出多层垂向水温。

数值模拟应用范围广，投资小，周期短。对于水深较浅的区域，一般采用深度平均二维数据模型，而对于水动力因素复杂的排污口附近区域，常采用三维数学模型。但模型的选取、参数取值及边界控制对模拟结果准确性的影响颇大。

表1 温排水温度场观测方法比较

遥感观测可以获取某海域大尺度的海水表面温度资料，通常用于分析电厂建设前后影响海域海水表面温度分布的变化[23]，得出温排水在特定时刻的温升范围。通过实地观测或收集研究区域多年的海温资料进行统计分析，辅以调查电厂排水前后周围水域海洋生物如浮游生物的变化情况[3]，可进一步研究温排水的生态影响。数值模拟应用于电厂选址论证和环境影响评价则较为成熟，但由于参数及边界条件的复杂性，常需要对现场监测结果加以比对和印证，对数值模拟的深入研究，应考虑岸线、海底地形和斜压效应[32]。

目前国内对于已建电厂的温排水后续跟踪监测评价，还没有成熟且便于管理的方法。现有研究以遥感观测和现场监测相结合的方式最为普遍，但对于滨海电厂而言，此法难以形成长久有效的监控机制和监测档案。结合各种方法的优缺点分析，可对现场测量方法加以改进，参考海洋水质浮标在线监测系统，克服观测系统的固定、电源续航及防水设计、垂向同步测量等难点，设计一套适应于电厂温排水温度在线观测的系统。这既是海水温度场测量技术方法的发展方向，也是已建电厂加强温排水跟踪监测的管理需要。

3 结语

温排水对附近海域的温升影响是滨海电厂从选址到运行都要关注的环境问题，获取温排水海域温度场常用现场(在线)监测、遥感测量和数值模拟三种方法。

现场监测可以实时连续获取精准的水温数值，根据研究需要灵活布点，但其覆盖范围有限，且设备维护成本相对较高，常用于比对和印证数值模拟或遥感测量的结果；遥感测量具有观测范围大、精度和空间分辨率高的特点，用于获取某海域大尺度的海水表面温度资料，调查温排水生态影响；数值模拟可预测电厂运行后温排水影响范围，常应用于电厂选址论证和环境影响评价。

对于已建电厂的温排水后续跟踪监测评价，建议以现场监测为主，可参考海洋水质浮标在线监测系统，设计一套适应于电厂温排水的温度在线观测系统。同时，现场监测、遥感测量和数值模拟三种监测方法应有效地结合起来, 彼此补充并充分发挥各自的优势, 以获得更为准确的温度场。

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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

中央高校基本业务费 (16lgjc65)。

汤德福(1988-)，男，硕士，环评工程师。研究方向：环境规划与评价。

吴群河(1958-)，男，教授。研究方向：水环境化学、水污染以及水环境管理。

X87

A

1673-9655(2017)06-0084-06