基于Landsat8的海阳核电厂周边海域水温监测

韩涛，张阔，王方，石海岗

（1.山东核电有限公司，山东 烟台 265100；2.核工业航测遥感中心，河北 石家庄 050002）

相较于火电，核电不产生氮氧化物、二氧化硫、烟尘等大气污染物质，属于低碳清洁能源，越来越受国家重视。国家“十四五”规划明确要求安全稳妥推动沿海核电建设。截至2020年底，我国总装机容量居全球第三，在建机组装机容量居全球首位。受制于物理规律和现有技术，核裂变能量仅有不到40%转化为电能，其余热量需通过循环冷却水排放到周边海域环境。当温排水导致其受纳水体温度过高时，可能会威胁到核电冷却取水，影响核电的正常运行。同时，水体温度也是影响水质和水域生态环境的重要指标，将影响水的物理、化学、生物化学性质，进而间接影响各类水生物的生长和繁殖活动。因此，核电厂周边海域水温监测对于保障核电正常运行和保护受纳水域环境具有重要意义[1-3]。

目前海域水温监测方法主要包括海面温度测量、热红外遥感监测等[4]，海面温度测量能快速获取水体温度，但受时间、空间的限制较大，同步性较差；而热红外遥感监测因同步性好、周期重复观测和成本相对较低等优势成为海温监测的重要方法[5-6]。国内外学者针对不同特点的热红外数据提出了系列温度反演算法，如针对TM、ETM等具有一个热红外波段的数据提出了单通道法[7]、单窗法[8]；针对MODIS、Aster等具有多个热红外波段的数据提出了劈窗算法和多通道法等[9]，并将这些算法应用于核电厂周边海域温排水分布调查研究领域[10-15]。本文选用Landsat8热红外遥感数据对海阳核电厂运行前后周边海域的海表温度开展温度反演，分析了不同时相海阳核电厂周边海域温度的空间分布，以评估核电运行后对其周边海域的热影响，为核电安全运行和附近海域水体环境影响评价提供数据资料。

1 研究区概况与数据源

1.1 海阳核电厂概况

海阳核电厂位于山东省烟台海阳市留格庄镇以南，地处东、西、南三面环海的半岛东侧（图1）。厂址规划建设6台百万千瓦核电机组，目前一期工程已建成的两台125万千瓦核电机组分别于2018年10月和2019年1月投入商运。厂址属暖温带大陆季风气候，根据气象铁塔多年观测数据，周边平均气温最高值为24.8℃，最低值为-2.0℃，年均气温为11.8℃。厂址所在海域属黄海北部，潮汐运动形式主要为往复流，涨潮时潮流从东南方向涌入，自东南向西北顺岸形成沿岸涨潮流态；落潮时海水自西北向东南泻出，沿岸会出现滩涂干出。排水口向西南开放，导流堤坝向西延伸至海域约1.0 km处，西侧5.5 km为离岸距离约3.7 km的海阳港东港防波堤。

图1 海阳核电厂地理位置

1.2 数据来源与预处理

本文采用的数据均为Landsat8数据，时相分别为2015-05-03、2018-01-06、2019-05-01、2019-12-27。为保证对比的客观性，核电运行后选取的数据均与运行前数据气象条件类似。Landsat8卫星上携带有OLI和TIRS两个主要载荷，相关参数和波段特征参见参考文献[16]，此处不再赘述。数据准备完成后，利用数据处理软件对遥感影像进行辐射定标、滤波、裁剪、海陆分离等预处理。

2 温度反演

陈瀚阅[17]、Rozenstein O[18]等针对Landsat8的B10和B11波段，开展了劈窗算法研究，但根据美国地质调查局网站（https://glovis.usgs.gov/）发布的测试结果，Landsat8的B11波段存在较严重的条带噪声，将产生较大误差。因此，本文采用辐射传输方程算法对Landsat8的B10波段开展温度反演。

卫星传感器接收到的辐射能量Lλ可用辐射传输方程表示，即

式中，Lλ为传感器接收到的大气顶层辐射；ελ为地物比辐射率；TS为地表温度；Lλ(TS)为温度为TS时的黑体辐射能量；Lλatm↑和Lλatm↓分别为大气上行辐射高度和大气下行辐射亮度；τ为地表与传感器之间的大气透射率。

由辐射传输方程可知，求解地表温度，需知道大气顶层辐射、温度为TS时的黑体辐射能量、大气透射率、大气上行辐射亮度、大气下行辐射亮度和比辐射率6个参数。

1）大气顶层辐射。大气顶层辐射计算是将传感器观测到的图像量化后的DN值转换为辐射能量值的过程。其计算公式为：

式中，Qcal为图像量化厚度的DN值；ML、AL分别为数据的增益和偏移，可直接从元数据文件（._MTL.txt）中获取，对 于Landsat8的B10波 段，分 别为0.000 334 2和0.10。

2）海表比辐射率。本次反演主要针对海面进行，接近于黑体（比辐射率为1），根据学者研究[19]，比辐射率可取定值0.995。

3）其他参数的获取。Lλatm↑、Lλatm↓和τ等重要参数与大气吸收物质（水汽、CO2等）、压力、温度、湿度密切相关。本文根据NEPC提供的标准大气剖面，结合MODTRAN4.0模块建立的辐射传输模型，开展大气校正[20-21]。该模型的压力、温度、湿度等初始计算参数收集于逐时记录的核电气象铁塔。

完成上述计算后，根据普朗克公式的反函数，求得地表实际温度，即

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

3 研究结果与分析

3.1 反演结果与实测数据拟合

本文利用上述算法进行温度反演，获得4期海面温度场分布数据，如图2所示。为了保证反演结果的准确性，本文在2019-12-27进行了同步海面温度测量，标定后仪器测量精度为0.1℃。为获取尽可能多的测温点，卫星过境前后，在核电附近区域进行反复测量（图3）。由于Landsat8的B10波段的空间分辨率为100 m，因此设置测量步长为50～100 m，采取走航式测温。

图2 热红外温度场分布图

图3 2019-12-27的海面实测点位图

根据最小二乘法，针对Landsat8卫星的过境时间，选取卫星过境前后30 min内60组实测值与影像值进行线性回归拟合，利用标准误差、残差、标准残差衡量实际值与理论预测值的偏离程度，结果如图4所示，可以看出，二者同步变化，反演获得的拟合关系式为y=0.902 9x+1.033 4，拟合后回归系数的平方值R2达到0.985 6，标准误差为0.283 5，SST值残差主要集中在(-0.5,0.5)的范围内，标准残差的绝对值也集中在(0.008,1.028)区间内，多数都小于0.4；从线性关系的程度和误差大小上可反映热红外遥感反演结果是准确可靠的。

图4 2019-12-27的海上实测值与反演值线性拟合图和残差投点图

3.2 核电周边温度场分布特征

2015-05-03和2018-01-06海阳核电厂无机组运行，排水口周边海水温度与邻近区域海水温度差异较小，不同季节温度差别较大（图2a、2b），温度分别在15.0～17.0℃和2.5℃～4.0℃之间，从排水口到邻近区域海水温度缓慢过渡。2019年后获取的两期数据均处于两台机组满功率运行期间，核电温排水海域温度场呈现水温分异与温升现象，温度梯度与空间分布特征相似：核电附近海域的温度分布受到外来热源温排水的干扰，影响强度较高的水体位于排水口附近，远离排水口后，温度逐渐降低，变化趋缓并逐渐稳定。

与2015-05-03相比，2019-05-01的热红外温度场（图2c）显示，核电周边海域温度范围为14.7～22.2℃。由于卫星过境期间处于涨潮期，温排水主要沿潮水向西展布，高温冷却水出排水口后，迅速降温，遇西侧防波堤阻挡后，具有向南折转的趋势。核电厂南侧和东侧温度分异不明显，主要集中在15.5～17.5℃。与2018-01-06相比，2019-12-27的热红外温度场（图2d）显示，核电周边海域温度场范围为6.5～13.5℃。由于卫星过境期间处于落潮期，高温冷却水明显受到落潮潮水控制，出排水口后随潮态向南展布，远离排水口温度迅速降低，降温冷却水随潮水向东、东南方向偏转。核电厂西侧和东侧温度分异不明显，温度主要集中在6.5～8.5℃。

3.3 热影响分析

背景温度是指在无其他热源干扰时，海域水体环境的平均温度。为获取核电温排水的热影响，首先需剔除海域环境的背景温度。对于海阳核电厂周边海域，由于远近海区域存在一定的温度梯度，无法选取远海的温度作为背景温度。根据《核电厂温排水卫星遥感监测应用技术标准（征求意见稿）》，背景温度采用核电厂西侧不受温排水影响的核心区的平均温度。

在确定背景温度后，将海域温度场数据整体扣除背景温度，得到核电温排水形成的温度场热影响分布范围；再提取核电厂热影响区，并根据实际情况划分为6个等级，分别进行编码（图5）；最后采用高于背景温度的0.1℃、0.5℃、1.0℃、2.0℃、3.0℃、4.0℃温度等级提取核电厂温排水的热影响分布信息。根据各级水温水体的分布，计算得到温排水在各方向的热影响展布，如图6所示。根据各级水温所占的像元数，计算得到不同级别的水温面积（图7）。

图5 热影响编码图

图6 热影响区分布图

图7 热影响区面积柱状图

由热影响编码图可知，核电温排水影响了核电厂周边海域的温度场，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；涨、落潮潮态下温升分布特征、分布范围不同，总体来说，落潮时刻的温升范围和展布距离比涨潮时刻大，尤其是低值温升更加明显。

2019-05-01的热影响区分布具有明显的涨潮特征，温排水高值热影响区位于排水口西侧，随着距离的增加，热影响降低，低值热影响区继续向西侧展布，分布状态受到防波堤的影响，有向南折转的趋势。1.0℃温升东向展布0.34 km、南向展布0.26 km、西向展布2.16 km、最远延伸2.16 km；2.0℃温升东向展布0.25 km、南向展布0.22 km、西向展布0.98 km、最远延伸0.99 km；4.0℃温升南向展布0.13 km、西向展布0.29 km、最远延伸0.31 km。2019-12-27的热影响区分布具有明显的落潮特征，温排水高值热影响区出排水口总体向南、东南方向展布，随着距离的增加，温度迅速降低，低值热影响区随潮态向东延伸。1.0℃温升南向展布2.91 km、西向展布0.99 km、最远延伸2.91 km；2.0℃温升南向展布2.75 km、西向展布0.92 km、最远延伸2.76 km；4.0℃温升南向展布1.24 km、西向展布0.79 km、最远延伸1.39 km。综上所述，根据本次监测结果，海阳核电厂热影响区主要集中在核电厂周边海域5.0 km以内，0.5℃以上的温升面积小于6.0 km2，对周边海域影响不大。

3.4 误差分析

本文在温度反演计算过程中，根据水体近似黑体的特性，将海水比辐射率取定值0.995，但海水比辐射率会随泥沙含量、海浪状况等条件发生改变。相关研究表明，平静海面的比辐射率可能会有所下降，最低可达0.95[18]。因此，比辐射率的取值在一定程度上将影响反演温度的精度。

反演值与测量值拟合产生的误差除与测量设备、测量操作相关外，还与测量时间相对较长和卫星数据瞬时获取之间的矛盾有关。测量数据在卫星过境前后30 min内获取，而卫星数据是在不足1 min的时间内获取，虽然潮汐相对稳定，但经过一定时间，海域温度必然会发生轻微变化，造成误差。

4 结语

本文基于海阳核电厂运行前后的4期Landsat8数据，对其热红外波段进行了温度反演和实测验证，获取了相似气象条件下核电厂周边海域温度场的分布情况，分析了海阳核电厂周边海域的水温变化情况。

1）通过对反演结果与海上测量数据进行回归分析，证明了Landsat8数据利用辐射传输方程算法进行温度反演的可靠性。由于测量不完全同步，两种数据之间存在一定误差。

2）不同时相遥感数据显示，海阳核电厂运行前，周边海域温度较均匀，除自然增温外，无明显温度分异现象；运行后，受核电温排水影响，周边海域呈现水温分异现象，但温升变化满足法规标准的要求。

3）海阳核电厂温排水在各方向的分布、热影响范围受潮态控制。涨潮时，高值热影响区主要集中在排水口西侧，分布状态受防波堤影响，具有向南折转的趋势；落潮时，温排水高值热影响区总体向南、东南方向展布，低值热影响区随潮态向东延伸；落潮时刻的温升范围和展布距离比涨潮时刻大，尤其是低值温升更加明显。

4）Landsat8数据能满足核电厂周边海域水温监测需求。核电厂应根据实际运行情况，关注周边温度变化情况，必要时进行温排水影响分析，进而提出相应的对策。