岸线变迁对田湾核电温排水影响遥感调查

石海岗 梁春利★ 张建永 张春雷 程旭

（1.核工业航测遥感中心，河北石家庄 050002；2.东华理工大学，江西南昌 330013）

0 引言

随着我国核电事业的飞速发展和社会环境保护意识的不断增强，核电站温排水对其受纳水域环境造成的热影响越来越受到人们的关注[1-2]。温排水一方面改变了排水口附近海域的流场，另一方面则会引起局部水域的温度快速升高。作为重要的水质和水域生态环境要素，水体温度几乎影响水的各种物理、化学和生物化学性质，影响水体的质量，从而间接影响到各类水生物的生长和繁殖活动，甚至产生明显的危害效应。因此，核电站温排水的监测评价对研究水环境生态平衡有着重要意义[3]。对于核电站温排水的监测，以往所采用的方法主要包括数值模拟计算、物理模拟实验、现场测量等方法[4]。数值模拟计算、物理模拟实验主要用于核电运行前阶段。海面实测是传统人工测量方法，受时间、空间的限制较大，同步性较差。随着科技进步，热红外遥感技术因其同步性、周期性和经济性已成为海温监测有效的调查手段[5-6]。

田湾核电站厂址所在海域属黄海北部，涨潮时，潮流从东北方向涌入，自北向南分别进入连岛镇南部水域、核电站取水明渠、核电周边排水区域，顺岸向南东方向形成沿岸涨潮流态；落潮流态大致与涨潮流相反。排水口附近区域呈半圆形向东开放，半径1km 范围内，海拔从3米缓慢降低到-2米，属淤泥分布区，北岸为海水封闭区域（图1）。（见中间彩页，下同。）

近年来，随着江苏省沿海开发国家战略实施及其他工程活动，田湾核电周边海域岸线发生了显著的变化：2013-2017 年间，田湾核电站南部的徐圩港建设初步完工，徐圩港区工程建设深入海域；田湾核电排水口导流堤，取水明渠的建设，使核电站周边海洋环境发生持续变化。国内海域岸线变迁关注的焦点多集中在气象、渔业资源、生态环境等宏观方面，海岸线的变化对核电温排水研究罕有报道。

Landsat-8 数据既具有信息丰富的多光谱波段，又具有信噪比较高的热红外波段，本次研究基于Landsat-8 数据，利用其多光谱数据定量获取了2013、2017 年间2 期田湾核电周边海域海岸线的数据，利用其热红外数据反演获取了周边海域的温度场情况，对田湾核电周边海域海岸线的时空变化特征及对温排水的影响进行分析，以查明岸线变化对核电温排水带来的影响。因为每次遥感资料对应的潮流强度不一样，只有在相同或相似潮态的情况下，才能比较不同岸线造成的流速、流向的变化，为保障对比的客观性，选取的数据为同潮态下两台机组满功率运行条件下的数据。

1 遥感数据源及预处理

本文数据源为：2013年11月15日、2017年2月27 日Lndsat-8 数据。为验证反演结果，获取了2013年11 月15 日的海面测量数据和同日过境的MODIS 数据。卫星过境时，田湾核电两台机组在满功率运行、且均处在冬季落潮状态。

Landsat-8是由美国地质调查局及太空署第八个陆地卫星计划，卫星上携带有OLI 和TIRS 两个主要载荷[7]，相关参数见表1。数据准备完成后，对Landsat-8遥感影像进行预处理，包括辐射定标、几何裁剪、几何精校正、滤波、水陆分离及去云等处理。

表1 Landsat-8技术参数信息Table 1 Information on technical parameters of Landsat-8

2 岸线变迁解译及温度反演

2.1 岸线变迁解译

利用ENVI 软件进行预处理后，为了更准确进行解译，分别对两期Landsat-8数据进行大气校正，采用Gram-Schmidt Pan Sharpening方法将影像融合为15m，为了突出地物特征波段组合采用6，5，2组合。

经过以上处理，将图像进行假彩色合成，制作两期1∶5万的影像图用来解译分析。

利用Arcgis 制图软件，结合两期遥感影像，采用遥感动态监测中的常用的目视解译方法对两期遥感影像进行单独解译，然后通过对各解译结果进行比较，直接提取变化信息。

解译结果见图3 所示，在2013-2017 年四年间，田湾核电周边岸线发生了显著的变化，进水口处的取水明渠由原来的1.9km 增加到4.5km，排水口处导流堤向南扩建了1.5km，南侧徐圩港防波堤，则从2.6km，增加到了6.9km，核电排水口处于两侧防波堤环抱的人工海湾的湾底（图2）。

2.2 温度反演

因Landsat-8 TIRS 数据与MODIS 热红外波段类似，有学者对其热红外波段开展了劈窗算法研究[8-9]，但根据美国地质调查局网站（https：//glovis.usgs.gov/#）公布的测试结果，TIRS 的11 波段由于条带太突出，反演结果干扰太大，无法应用。本文采用辐射传输方程算法，对Landsat-8 TIRS 温度反演10波段进行反演。

卫星传感器TIRS（热红外传感器）接收到的热红外辐射值由大气向上辐射亮度、地面的真实辐射亮度经过大气层之后到达卫星传感器的能量组成。公式如下：

式中，Lλ由传感器接受到的大气顶层辐射，ελ是地表的比辐射率，TS是地表温度，Lλ(TS)是温度为TS时的黑体辐射，通过普朗克（Planck）定律求得，Lλatm↓是大气下行辐射，Lλatm↑是大气上行辐射，τ是地表和传感器之间的大气透射率。

由辐射传输方程可知，要求算地表温度，需要知道4个参数的值：大气透射率τ、大气上行辐射亮度Lλatm↑、大气下行辐射亮度Lλatm↓，和地表比辐射率ελ。

（1）Lλ的计算

Lλ的计算主要是指将传感器观测到的图像灰度值转换成辐射值的过程。公式如下：

其中，Qcal为像元灰度值；ML和AL分别为图像的增益和偏移。定标系数可以直接从元数据中获取。

（2）比辐射率ελ

物体的比辐射率是物体向外辐射电磁波的能力表征，受很多因素制约，与物体的表面状态及物理性质有关。本次反演主要针对海面进行，接近于黑体（比辐射率为1），比辐射率取定值0.995。

（3）其他参数的获取

大气下行辐射Lλatm↓，大气上行辐射Lλatm↑，地表和传感器之间的大气透射率τ，与大气作用有关。本次研究根据美国国家环境预测中心（NEPC）提供的标准大气剖面，结合MODTRAN4.0 模块建立的大气校正模型，进行大气校正[10-11]，通过辐射传输法，消除大气的影响。根据田湾核电站提供的卫星过境时刻的气压，地表温度，相对湿度，影像时间以及中心经纬度获取以上参数。

在获取大气下行辐射Lλatm ↓，大气上行辐射Lλatm ↑，地表和传感器之间的大气透射率τ 参数后，计算出海表真实的辐射亮度值Lλ（TS），根据普朗克公式的反函数，求得地表真实温度Ts：Ts=K2/ln(K1/LT+1)。

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

基于以上的算法，进行波段运算，获得两期数据海面的温度场如图3、图4所示。

3 结果分析

3.1 实测数据与反演结果拟合

为了验证温度反演结果的可靠性，在2013 年11月15 日卫星过境前后一段时间内进行了海面温度测量。测量仪器为JENCO 牌6010 定制版水质测量仪，标定后仪器测量精度0.1℃。测量时使用平面定位精度为5～10米的Garmin 60 CSx（GPS）对现场观测和测量的精确地理位置进行定位，以保证测量数据和遥感数据的位置相对应。卫星过境前后，在核电温排水区域至本底温度值海域内进行反复测量（图3）。因Landsat-8 热红外波段分辨率为100m，测量时每50～100m间距进行一次测温，共获取到156个测温数据。

利用最小二乘法将反演温度值（SST，sea surface temperature）与实测值进行拟合，验证Landsat-8反演值与海面实测值之间的关系。无论是否有相关，都可以用最小二乘法求出最佳的a和b，通过相关系数r（通常以其平方值进行衡量，0＜|r|≤1）衡量线性相关程度，r 越接近1，线性相关程度越高，为0时，则不相关；同时，为了衡量实际值与理论预测值的偏离程度引进了标准误差σy、残差（R），和标准残差R*，这些值偏离越大，相关性越差，反之，相关性越好。相关计算公式如下：

根据最小二乘法的计算方法，将2013年11月15日得到的156 组实测值分别与Landsat-8 和HJ-1B 数据反演的SST值进行线性回归拟合，并对SST值残差进行投点，得到了图4 的拟合结果。2013 年11 月15日Landsat-8反演获得的SST值与实测数据拟合关系式为y=0.7191x+4.9077，拟合后回归系数的平方值0.9601，标准误差为0.37，SST值残差集中在（-0.8，0.8）的范围内，大部分集中在（-0.4，0.4），标准残差的绝对值也集中在（0.0027，3.3361）区间内，大多数都小于1。从线性关系的程度和误差大小上可以反映出温度反演方法获得的温度场数据是准确可信的，海面温度监测结果是可靠的。

3.2 反演结果与MODIS温度数据对比分析

MODIS是美国Terra和Aquar卫星的主要传感器，每天可获取全球任意地点的影像数据，含有16 个热红外波段，其中的第31波段和32波段由于对水汽的吸收作用不同，受太阳光反射的影响较微弱，可以用来消除水汽吸收的影响。针对MODIS 数据地表温度的算法，国内外很多学者开展了很多相关研究，尤以分裂窗算法最为成熟[12]，本文不再赘述。经过长期的验证，美国NASA 网站针对MODIS 海表温度二级产品免费对外分发[13]，其精度为0.053℃～0.66℃[12-13]。为验证Landsat-8 数据反演结果，以MODIS 数据的海表温度（图7）为基础，与Landsat-8热红外数据反演结果对比分析，进行交叉验证[14]。

两组数据过境时间有一定的时间间隔（MODIS过境时间为2013 年11 月15 日13:20，Landsat-8 卫星为2013 年11 月15 日10:38），这段时间主要为落潮末期到涨潮初期，且落潮末期占时间比例较大（图8），因为落末阶段海水比较稳定，涨潮时间较短，大量外海海水还未涌入该海域，海表温度变化不大。

在两景温度场数据上随机选取30 个点，利用最小二乘法研究两者之间的关系。因为MODIS 数据空间分辨率为1km，海陆像元混合比Landsat-8 要大，点位选取时优先选取远离近岸海域点位。从表中可以看出，偏差最大为1.13℃，最小小于0.1℃。利用最小二乘法进行拟合探讨两组数据之间的回归关系，拟合结果如图8 所示。两组数据拟合关系式为y=0.8447x+2.2576，拟合后回归系数的平方为0.8266，标准误差为0.3918。数据拟合结果表明两组数据之间线性特征非常明显，具有很好的线性相关性和一致性，同样可以反映出Landsat-8 热红外波段温度反演方法获得的温度场数据是准确可信的。

3.3 核电周边温度场分布特征

2013 年11 月15 日热红外温度场分布图（图3、图4）显示，核电附近海域温度分布层次分明，温度场范围13.0℃～23.0℃，主要集中在14.5～18.9℃。连岛北部海域温度主要集中在13.7℃～14.5℃。核电南部徐圩港正在建设过程中，周边海域温度主要集中在13.4℃～14.1℃。

2013 年11 月15 日温度场分布图（图3）显示，核电周边海域的温度场明显受到了温排水的影响，热影响强度较高的水体离排水口近，由排水口向外延伸，温度逐渐降低，到达环境本底温度区后，变化趋缓。由于两颗卫星过境时处于落潮潮态，温排水沿海水落潮方向东北方向扩散，取水口处于略高于本底温度的温度范围内，对核电的冷却水取水造成了一定的影响，不利于海水置换。

2017 年2 月27 日温度场分布图（图4）显示，核电周边海域岸线发生了显著的变化，与2013 年11月15 日相比（图3），取水口处的取水明渠由原来的1.9km 增加到4.5km，排水口处导流堤向南扩建了1.5km，南侧徐圩港防波堤，则从2.6km，增加到了6.9km。由于潮汐状态相似，2017 年2 月27 日温度场梯度及空间分布特征与2013 年11 月15 日温度场相似。由于气象条件不同，整体温度较低。核电周边温度场范围6.1℃～14.7℃，主要集中在6.5～13.2℃。徐圩港的半封闭海域温度主要集中在5.5℃～6.6℃，连岛北部海域温度主要集中在6.6℃～7.2℃。由于卫星过境时，获取的数据同样处于落潮潮态，温度场明显受到了潮态的影响：高温热水（12.4℃）漫过排水口导流坝后向东北方向展布，随着距离增加，海水混合，温度逐渐降低。因为岸线的阻挡，温排水被限制在取水明渠南侧，此时温排水温度已降至6.8℃；南侧同样受到了防波堤的影响，温排水的羽迹被阻断。高温海水虽然被阻隔在取水口之外，保护了取水安全，但岸线的变化，使田湾核电站排水口处于一个由两侧海工建筑环抱下的人工海湾的湾底，改变了海域流场情况，影响了温排水的展布形态和规模。

3.4 热影响统计与讨论

温排水影响区域为核电站排水口处高于本底温度0.1℃以上区域。综合考虑周边海域（剔除温排水影响区域后海域）平均海面温度作为本底温度。在确定了本底温度之后，将遥感反演的温度场数据整体扣除本底温度，以获取核电温排水形成的温度场的热影响数据。提取核电站热影响区，分别划分出9、10 个等级，并分别进行编码（见图9、10），分类统计各个等级的面积，采用0.1℃、0.5℃、1.0℃（高于本底水温温度）等提取核电站温排水的热影响分布信息。根据各级水温水体所占的像元数，计算不同级别水温分布面积（图11）。

热影响编码图显示，核电温排水明显影响了核电附近海域的温度场，由排水口向外延伸，热影响温度逐渐降低，到达本底温度后，温度稳定。相较于2013 年11 月15 日反演的结果，2017 年2 月27 日的获取的结果，总体上，各级别的面积均有扩大，具有温升级别越高，面积变化越大的趋势，0.1℃以上的温升面积增加了18.68%，1℃以上温升面积增加了约51.21%，并且出现了8℃以上的温升。因为两组数据获取时核电的运行工况，所处的季节及潮汐状态类似，推断面积增大的原因为工程建设阻碍温排水扩散造成的。

周边海域岸线的变化，改变了海域的流场情况。工程未建成时，涨潮海水从东北方向涌入，沿岸向南东方向流动，落潮时，海水从东北方向流出；工程建成后，徐圩港防波堤阻隔了排水口向南的顺岸水流，涨落潮时形成了向岸、离岸的往复流，流速减慢，取水明渠延伸，在另一面限制了海水的流动。受此影响，温排水海域涨落潮流速都有不同程度的减小，流向发生了偏转，不利于温排水的扩散，造成了温排水影响的面积增大。

4 结论

本文基于2013年、2017年两景Landsat-8数据，完成了田湾核电周边海域岸线变迁调查，对其热红外波段进行了温度反演，获取了相似潮汐、气候条件下核电周边海域温度场分布情况，并对2013 年11 月15 日数据过境前后进行了海温测量。通过解译、对比分析得出：

1.在2013-2017年期间，田湾核电周边岸线发生了显著的变化，进水口处的取水明渠由原来的1.9km增加到4.5km，排水口处导流堤向南扩建了1.5km，南侧徐圩港防波堤，则从2.6km，增加到了6.9km，核电排水口处于两侧防波堤环抱的人工海湾的湾底。

2.通过对2013年11月15日Landsat-8热红外波段温度反演结果与卫星过境前后的海上测温数据进行拟合、与同日过境的MODIS 数据进行交叉验证，显示温度反演的结果与海上测温数据和MODIS 数据具有很强的相关性，证明温度反演结果是可靠的，但由于测量不是完全同步，数据之间存在着误差。误差存在的原因除与仪器的精度、人为操作、温度反演的方法有关外，还与测量的连续性和卫星数据的瞬时性有很大的关系。

3.不同时相遥感数据显示，工程建设虽然保护了温排水的取水安全，但是却影响了温排水展布形态和规模。核电站需要时刻关注，根据建设进度变化，必要时进行温排水影响分析，做出相应的对策。

4.Landsat-8 数据能满足核电温排水的监测需求，为评估核电站温排水对其周边海域温度环境的影响提供了迅速便捷的手段。

5.本文仅对冬季落潮落急时刻的温度场进行了分析，不同季节、不同潮态下的核电附近海域的遥感监测还有待进一步研究。

致谢：文中Landsat-8 数据美国USGS网站提供，在此表示诚挚的谢意。

图1 田湾核电站周边海域遥感影像图（时相：2017-02-27，波段组合：6 5 2）Fig.1 Remote sensing image of the sea area around Tianwan Nuclear Power Station(Time:2017-02-27，band combination:652)

图2 田湾核电周边岸线解译结果图Fig.2 Interpretation results of the coastline around Tianwan Nuclear Power Station

图3 2013年11月15日热红外温度场图Fig.3 Distribution of Thermal Infrared Temperature on Nov.15，2013

图4 2017年2月27日热红外温度场图Fig.4 Temperature Distribution of Thermal Infrared on Feb.27，2017

图5 2013年11月15日海面实测点位图Fig.5 Distribution of Sea Surface Temperature on November 15，2013

图6 2013年11月15日海上实测值与反演SST值线性拟合图和残差投点图Fig.6 Linear Fitting and Residual Point Map of Measured values and Inverted SST Values at Sea on Nov.15，2013

图7 2013年11月15日MODIS热红外温度场图Fig.7 Temperature Distribution Map of MODIS Thermal Infrared on November 15，2013

图8 2013年11月15日潮汐状态变化示意图（为Landsat-8过境时潮汐状态，为Aquar过境时潮汐状态）Fig.8 Diagram of tidal state changes on November 15，2013(Tidal state of Landsat-8，Tidal state of Aquar)

图8 2013年11月15日Landsat-8与MODIS反演结果数据拟合图Fig.8 Fitting of Landsat-8 and MODIS Inversion Results on November 15，2013

图9 2013年11月15日热影响编码图Fig.9 Heat Impact Coding Chart，15 November 2013

图10 2017年2月27日热影响编码图Fig.10 Heat Impact Coding Chart，27 February 2017

图11 不同时相热影响面积对比图（单位：km2）Fig.11 Contrast chart of heat affected area at different time phases