田灣海域溫排水分布及變化規(guī)律分析

田灣海域溫排水分布及變化規(guī)律分析王冠琳;熊學(xué)軍【摘要】ThedistributionandvariationofwarmwaterdischargeinthecoastalareaofTianwanarestudiedandhourly1°CtemperaturerisecurvesareplottedthroughtheobservationsofwatertemperaturestratificationcarriedoutintheseaareaneartheTianwannuclearpowerstationbymeansoffixed-pointcontinuousandmulti-pointsynchronousobservationsandbycombiningwithcontinuoushighresolutionobservationsofmeteorology,water-levelandcurrentsaswell.Basedontheseinvestigations,theareaofwaterswithtemperatureincrementgreaterthan1°Ciscalculatedandthemajorfactorsaffectingthewarmwaterdischargearediscussed.Theresultsshowthatduringthein-situobservations,theareaofthewarmwaterdischargetendstocorrelatedirectlytothetidalcurrents.Whenebbcurrentreachesitsmaximum,theareaofthewarmwaterdischargereachesamaximumvalueof32.33km2,andwhenfloodcurrentgoesdowntoitsminimum,theareaofthewarmwaterdischargedecreasestoaminimumvalueof7.93km2.%選取田灣核電站附近海域,采用定點連續(xù)、多點同步的水溫分層現(xiàn)場觀測方式,輔以連續(xù)高分辨率的氣象、水位和海流等觀測，分析研究了田灣核電溫排水的分布及變化規(guī)律,繪制出逐時的1°C溫升曲線,從而經(jīng)計算得到與之相對應(yīng)的溫升在UC以上的海域面積，并據(jù)此討論了影響溫排水的主要因子結(jié)果表明，在現(xiàn)場觀測期間,溫排水面積變化趨勢與潮汐潮流直接相關(guān).在落急時刻，溫排水面積達(dá)到最大值，為32.33km2.在漲憩時刻，溫排水面積最小，僅為7.93km2.【期刊名稱】《海洋科學(xué)進(jìn)展》【年(卷)，期】2013(031)001【總頁數(shù)】6頁(P69-74)【關(guān)鍵詞】田灣;核電溫排水;水溫;分布規(guī)律【作者】王冠琳;熊學(xué)軍【作者單位】國家海洋局第一海洋研究所仙東青島266061;海洋環(huán)境科學(xué)與數(shù)值模擬國家海洋局重點實驗室,山東青島266061【正文語種】中文【中圖分類】X834核電溫排水是在營核電站附近海域最突出的現(xiàn)象，其對海洋水文和生態(tài)環(huán)境影響極大，受到了海洋管理部門和廣大民眾的高度關(guān)切。目前，對核電站溫排水分布規(guī)律及1°C溫升范圍的獲取主要通過數(shù)值模擬的方法進(jìn)行［1-3］，但因其缺乏后期觀測驗證，其結(jié)論一直存有爭議。業(yè)界也有利用航空遙感進(jìn)行表層水溫觀測的嘗試，但由于核電溫排水分布是動態(tài)變化過程，利用此方法對其進(jìn)行連續(xù)跟蹤觀測尚存在一定困難。田灣核電站位于連云港市東北方向田灣的扒山頭處，規(guī)劃建設(shè)8臺百萬千瓦級核電機(jī)組，其中一期工程2x1000MW核電機(jī)組已投產(chǎn)發(fā)電。核電站每臺機(jī)組的溫排水量約為50m3/s，兩臺機(jī)組共計約100m3/s。田灣核電站廠址鄰近海域月平均最低水溫為-0.1C,出現(xiàn)在2月；月平均最高水溫為29.5C,出現(xiàn)在8月。海域水溫受氣溫影響，季節(jié)變化顯著。1966-08實測最高表層水溫為31.5C。累計頻率10%的水溫為28.0°C。本文選取田灣核電站周邊海域，采用定點連續(xù)、多點同步的水溫分層現(xiàn)場觀測方式，輔以連續(xù)高分辨率的氣象、水位和海流等觀測，分析研究田灣核電溫排水的分布及變化規(guī)律，繪制逐時的1C溫升曲線，經(jīng)計算得到與之相對應(yīng)的溫升在1C以上的海域面積，據(jù)此討論影響溫排水的主要因子。1資料獲取及處理本研究選定受田灣核電站直接影響的沿岸海域，其范圍為以電廠排水口為中心，經(jīng)向距離為8000m,緯向距離為7500m的扇形區(qū)域，于2010-10-09對其進(jìn)行了定點連續(xù)、多點同步的水溫、氣象、水位和海流的現(xiàn)場觀測實驗，以揭示田灣核電溫排水的分布及變化規(guī)律。在水溫觀測實驗站位選定時，充分考慮了田灣地形對溫排水的可能影響，以3條斷面計18個定點連續(xù)觀測站位，加之循環(huán)冷卻水進(jìn)口、排口共計20個觀測站，全面覆蓋田灣海域。測站布置及現(xiàn)場水深見圖1。其中B斷面因現(xiàn)場養(yǎng)殖區(qū)原因，在站位設(shè)計時斷面有所傾斜，但并不會對觀測結(jié)果造成較大影響；在C斷面設(shè)置過程中，因排水口附近水深過淺，故其最左側(cè)站位C1離排水口尚有一段距離。水溫觀測使用高精度溫度測量儀進(jìn)行，觀測層次為表、中、底層。同時，在核電站排水口西側(cè)設(shè)立岸基自動天氣站，對風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、氣壓等氣象要素進(jìn)行連續(xù)觀測；在高公島漁港碼頭設(shè)置一個固定水位觀測點，進(jìn)行覆蓋水溫觀測時間的水位現(xiàn)場觀測；選取在觀測海域具有代表性的觀測點B5進(jìn)行海流連續(xù)觀測，采用座底安裝聲學(xué)多普勒海流剖面儀的方式進(jìn)行觀測，觀測層次為表、中、底。上述要素的觀測均持續(xù)26h，采樣間隔為1h。在現(xiàn)場觀測完畢后，對所有觀測數(shù)據(jù)按照海洋調(diào)查規(guī)范要求進(jìn)行了嚴(yán)格的質(zhì)量控制，并將分層觀測的溫度和海流數(shù)據(jù)進(jìn)行了垂向平均處理，以用于后續(xù)分析。圖1觀測站位圖Fig.1Locationsoftheobservationstation2溫排水分布及變化規(guī)律分析觀測實驗結(jié)束后，對經(jīng)過質(zhì)量控制的各要素觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了綜合分析。以氣象、水位、海流數(shù)據(jù)為輔，重點分析了水溫變化特征及受核電溫排水影響溫升在1°C以上的海域面積，得到溫排水分布及變化規(guī)律?，F(xiàn)場調(diào)查期間，岸基自動氣象站測得的最大風(fēng)速3.34m/s，最小風(fēng)速0.68m/s,平均風(fēng)速2.13m/s；觀測期間現(xiàn)場平均氣溫19.80C,平均相對濕度77%，現(xiàn)場天氣情況良好，海面風(fēng)速較小。高公島水位站測得的最高水位3.36m，最低水位0.23m。實測潮高數(shù)值是相對值（即水位計記錄零點的高度值）。觀測期間水位數(shù)據(jù)見表1,曲線見圖2。可以看出，觀測海域在一天內(nèi)共存有兩個明顯的潮周期過程。根據(jù)B5觀測站的海流連續(xù)觀測結(jié)果，觀測平均流速為0.29m/s。漲潮時，外海潮流進(jìn)入灣口，漲潮流流向偏向SW，且存在一定的逆時針旋轉(zhuǎn)特征。落潮時，海水涌入外海，海流方向偏NE?，F(xiàn)場漲、落潮歷時均為6h左右。觀測期間垂向平均的流速流向數(shù)據(jù)見表1,曲線見圖2。由表1可看出，漲潮流最大流速（漲急）出現(xiàn)在低潮到高潮的中間時刻，漲潮流最小流速（漲憩）出現(xiàn)在高平潮時刻，落潮流最大流速（落急）出現(xiàn)在高潮到低潮的中間時刻，落潮流最小流速（落憩）出現(xiàn)在低平潮時刻。漲、落潮流的轉(zhuǎn)流時刻發(fā)生在高、低平潮時刻，由此看出實驗海域的潮波屬前進(jìn)波。由于在溫度觀測中，觀測布點情況為3個斷面共18個觀測點，加之循環(huán)冷卻水排口和循環(huán)冷卻水進(jìn)口，共設(shè)計有20個觀測點。因此，根據(jù)現(xiàn)場觀測所得到的逐時溫度數(shù)據(jù)，可繪制出每整點時刻的溫度水平分布圖。在繪制前，首先對測點數(shù)據(jù)采用了比較通用的克里金插值方法進(jìn)行處理。該方法是一種很有用的格網(wǎng)化方法。它首先考慮的是空間屬性在空間位置上的變異分布，確定對一個待插點值有影響的距離范圍，然后用此范圍內(nèi)的采樣點來估計待插點的屬性值。該方法在數(shù)學(xué)上可對所研究的對象提供一種最佳線性無偏估計(某點處的確定值)的方法。因此，經(jīng)此方法處理過的數(shù)據(jù)在反映溫排水?dāng)U散變化規(guī)律上具有一定的代表性。因逐時圖像較多，在此我們僅給出第一潮周期的落急、落憩、漲急、漲憩四個時刻的溫度水平分布情況(圖3)，并由此分析觀測海區(qū)水溫分布特征。表1流速、流向、水位及溫排水面積數(shù)據(jù)Table1Dataofoceancurrent,waterlevelandareaenclosedbytheheat-diffusionisallothermstV/m-s-10/°水位/mS/km2tV/m-s-10/°水位/mS/km208:000.2050.67.988.1221:000.2245.27.7915.8509:000.2532.37.1115.9622:000.3030.26.8520.9410:000.3427.46.0827.7423:000.3426.65.8032.7611:000.3729.75.0532.3300:000.3328.44.8430.4912:000.3030.14.2130.9501:000.2421.24.2017.5413:000.1610.13.7220.2502:000.17344.24.0015.2614:000.15305.53.7012.6403:000.23257.04.3414.0715:000.36237.34.3111.1104:000.42224.55.3912.6916:000.50218.65.7310.0305:000.43206.36.9510.1217:000.46204.47.439.0006:000.31189.28.217.5818:000.28189.38.678.5007:000.23135.68.847.5919:000.15127.49.027.9308:000.1982.18.438.8920:000.1869.38.549.7609:000.2555.37.6612.72圖2溫排水面積(a)、海流(b)及水位(c)逐時變化曲線Fig.2Hourlyvariationcurvesofwarmwaterdischargearea(a),tidalcurrents(b)andwaterlevel(c)由圖3可以看出，在落潮時段，核電溫排水在觀測海域主要呈SW-NE向舌狀突起分布，其中落憩時刻影響范圍較落急時刻要大。在漲潮時刻，核電溫排水主要呈NE-SW向分布，其影響范圍較落潮時刻明顯減小，其中漲急時刻影響范圍略大于漲憩時刻。如縱觀所有逐時溫度水平分布圖，可發(fā)現(xiàn)溫排水水平分布范圍呈現(xiàn)與潮周期類似的兩個周期震蕩情況，即在落潮過程中溫排水影響范圍不斷增大，至落憩(低平潮)時最大。并在接下來的漲潮過程中逐漸減小，至漲憩(高平潮)時最小。這是因為在落潮過程中海流方向遠(yuǎn)離位于田灣最西側(cè)的核電站溫排水出口，從而將其排除的溫水帶向夕卜海，而在漲潮過程中剛好相反。圖3落急(a)、落憩(b)、漲急(c)和漲憩(d)時刻溫度水平分布情況(粗線為1°＜溫升線)Fig.3Distributionsofwatertemperatureatebbmaximum(a),ebbminimum(b),floodmaximum(c)andfloodminimum(d)2.11°C溫升范圍變化分析采用上述方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，同時可繪制出每小時一次的1C溫升曲線(圖3中粗線)，其定義為比循環(huán)冷卻水進(jìn)水口溫度高1C的等溫線。結(jié)合高分辨率的岸線數(shù)據(jù)，可根據(jù)1C溫升曲線計算得出受核電溫排水影響溫升在1C以上的海域面積(以下簡稱溫排水面積)，具體計算方法為將田灣岸線與1C溫升曲線所圍起的封閉海域進(jìn)行高分辨率等比例格點化，再根據(jù)每個相同大小網(wǎng)格的實際面積及區(qū)域內(nèi)所包含網(wǎng)格的個數(shù)進(jìn)行累加計算。由此得到面積數(shù)據(jù)及與之對應(yīng)的輔助觀測數(shù)據(jù)見表1,各要素隨時間變化的曲線見圖2。由圖3結(jié)合表1數(shù)據(jù)可以總結(jié)得出如下規(guī)律：在11:00時，落潮流速達(dá)到最大，為落急時刻，與之對應(yīng)的溫排水面積為32.33km2。在14:00時，落潮流速達(dá)到最小，為落憩時刻，與之對應(yīng)的溫排水面積為12.64km2。在16:00時，漲潮流速達(dá)到最大，為漲急時刻，與之對應(yīng)的溫排水面積為10.03km2。在19:00時，漲潮流速達(dá)到最小，為漲憩時刻，與之對應(yīng)的溫排水面積為7.93km2。以上為針對第一個潮周期的分析，第二個潮周期與之類似，在此不再螯述?？梢?，本研究中溫排水面積變化趨勢與潮汐、潮流直接相關(guān)，具體表現(xiàn)為1）在落潮開始時，海流流向離岸方向，造成溫排水面積增加，特別是在落急時刻，由于落潮流速達(dá)到最大，將溫水向遠(yuǎn)離岸邊的方向快速輸送，使溫排水面積達(dá)到最大值32.33km2。在此之后，雖然海流方向仍為離岸方向，但流速逐漸較小，對溫水的離岸推動變小，使其離岸運(yùn)動速度減慢，因此造成溫排水面積也隨之減小，并在落憩轉(zhuǎn)流時達(dá)到落潮階段的最小值12.64km2。2）在漲潮開始時，海流流向近岸方向，造成溫排水面積繼續(xù)減小，在漲急時刻，漲潮流速達(dá)到最大，此時溫排水面積為10.03km2。在此之后出現(xiàn)的情況與落潮時有所區(qū)別。雖然漲潮流速開始變小，但因流向繼續(xù)保持近岸方向，始終與溫排水留出方向相反，因而溫排水面積繼續(xù)減小，并在漲憩轉(zhuǎn)流時達(dá)到漲潮階段的最小值為7.93km2。3結(jié)論通過采用定點連續(xù)、多點同步的水溫分層現(xiàn)場觀測方式，輔以連續(xù)高分辨率的氣象、水位和海流等現(xiàn)場數(shù)據(jù)，經(jīng)連續(xù)26h的現(xiàn)場觀測研究實驗，獲取了每小時一次的高分辨率數(shù)據(jù)，繪制出逐時的1°C溫升曲線，經(jīng)計算得到與之相對應(yīng)的溫升在1°C以上的海域面積，并據(jù)此討論了影響溫排水的主要因子，得到的主要結(jié)論如下：1）溫排水?dāng)U散與潮流運(yùn)動方向密切相關(guān)，水平方向溫度等值線明顯朝向漲、落潮流方向（漲潮流由NE-SW方向，落潮流由SW-NE方向）傾斜呈舌狀突起，由此說明溫排水?dāng)U散受潮流影響。具體表現(xiàn)為在落潮過程中溫排水影響范圍不斷增大，至落憩（低平潮）時最大；但在接下來的漲潮過程中逐漸減小，至漲憩（高平潮）時最小。2）溫排水面積變化趨勢與漲、落潮流速呈現(xiàn)明顯相關(guān)關(guān)系，其數(shù)值大小也與漲落潮過程密切相關(guān)。在落急（低平潮）時刻，溫排水影響面積達(dá)到最大值。在漲憩（