資料缺乏地區設計水溫分析方法探討

謝 勇

（四川電力設計咨詢有限責任公司，四川 成都 610095）

1 概述

水溫在火電廠供水設計與發電運行中影響到煤耗與發電效率，在水溫排水冷卻散熱計算中是一個重要的基本參數。然而在國外濱海火電廠投標、設計過程中，特別是非洲、東南亞等發展中國家或地區，工程點附近常常沒有海洋水溫觀測站，無法精確獲得滿足設計要求的水溫特征值。面對這一問題，本研究初步探討了如何獲取設計海水溫度數據的分析方法。

2 海水溫度數據獲取方法

2.1 實測資料統計法

當工程點有水溫觀測站且水溫資料系列在5年以上時，可直接統計計算有關設計水溫特征值：如累年逐月水溫、平均水溫、最近5 年水溫最高3個月累計頻率10%的日平均水溫，水溫垂向分布的變化規律等。此種情況較理想，實際工程中，工程點水溫觀測系列一般不足5 年，甚至完全沒有水溫觀測資料。

2.2 相關分析法

當水溫資料系列不足5 年時，可與鄰近站的長期水溫系列建立相關關系，還可按濱海、河口漲落潮流特征建立觀測站水溫與氣溫等影響因素間的相關關系，從而對觀測站水溫系列進行插補延長。

當工程點或鄰近地區無水溫資料時，應設站進行一年或三個熱季以上的水溫觀測，并同時觀測有關輔助氣象參數；分析水溫空間變化規律時，還需完成不同潮型漲落潮流的多點全潮逐時連續水溫觀測。并收集鄰近氣象站的長期氣溫資料系列，建立相關關系進行水溫系列的插補延長。最高水溫滯后于最高氣溫的特征在海域中最明顯，可按其具體情況分別建立年值或月值相關，資料較少時可建立年月值混合相關。一般情況下，在天氣晴朗之時，表層水溫的日變化與氣溫的日變化趨勢一致；但如果天氣突然變化時，氣溫變化往往較大，而水溫卻變化較小，如圖1 所示。

圖1 某海灣地區一日表層水溫、氣溫、潮位變化過程線

由于地理氣候差異較大，有些鄰近氣象觀測站長系列氣溫資料或鄰近海洋觀測站長系列水溫資料與工程點短期水溫資料系列的相關性較差時，對水溫系列的插補延長精度不能滿足工程設計要求。而運用遙感影像解譯，獲取海水溫度資料，作為一種新手段，已經廣泛應用于海洋表面水溫分布研究、電站溫排水監測、海洋環境研究等。

2.3 遙感影像解譯法

國外遙感事業發展較早，20 世紀60 年代美國已開始了航空遙感的發展，自70 年代以來的熱紅外探測技術也得到了飛速發展，至今熱紅外傳感器發展已相對成熟，NOAA-AVHRR、MODIS 等遙感數據應用廣泛，并已形成了相應的遙感水溫產品。我國從20 世紀70 年代開始遙感技術與應用方面的研究，成功研制航空熱紅外遙感儀器后，將其裝載在我國發射的氣象衛星、海洋衛星和資源衛星等系列衛星上，使我國的遙感技術得到廣泛的應用和快速發展，也在海水溫度監測應用上發揮了重要作用。

海水溫度的反演，就是指從衛星傳感器量化的圖像數據中獲得定量海水溫度的數學物理方法，其主要問題在于通過消除信息傳輸過程中大氣輻射的影響，建立從圖像灰度值到海水溫度值的反演計算模型。用于海水溫度反演的方法，主要有單通道法、多通道法、多時相法等。使用遙感數據作為研究海水溫度反演的數據，主要包括MODIS 數據、HJ-1A/1B CCD/IRS 數據、Landsat ETM+數據等[1]。

表1 研究海水溫度常用遙感數據

3 工程應用

3.1 實例分析

某濱海電廠位于印度洋西海岸，工程點附近無水溫觀測站，前期設計階段開展了工程海域全潮水文觀測工作、取排水口海域一年期水溫觀測資料，同時收集了工程點附近岸上氣象站的同期氣溫資料。但進行同期水溫與氣溫相關性分析時發現，日平均溫度、最高溫度、最低溫度的相關系數均小于0.75，且實測系列較短，不宜進行月值、年值相關分析。從一個大潮和一個小潮的逐時連續分層水溫觀測結果來看，水溫垂向變化較小，水深20m 范圍內，表層、中層和底層水溫變化不超過0.2℃，平均差值小于0.1℃。該擬建電廠取水口布置水深小于10m，故認為表層水溫可以代表垂線平均水溫。如圖2 所示。

圖2 某海灣地區日平均水溫與氣溫線性相關圖

由于工程點無長系列水溫觀測資料，也不宜根據氣溫相關分析對短期水溫資料進行展延，嘗試應用MODIS 遙感數據解譯獲取工程海域的海水表面溫度SST。而且，國內已有相關研究，鄭嘉涂等[2]用分裂窗算法進行MODIS 熱紅外數據的海表溫度反演，將之與實測海表溫度進行對比，得到反演精度的相對誤差約為1.0%。本研究選取了實測水溫期間的MODIS 遙感SST，通過分析比較，MODIS 數據與同期實測資料統計的月平均水溫差值在0～0.4℃，均差-0.1℃，平均相對誤差小于1%。以上對比分析表明，衛星遙感數據作為輔助手段，對于分析該濱海電廠工程海域的平均水溫有一定的參考價值，見表2。

表2 工程海域modis 數據與實測數據SST 比較

3.2 各種方法比較

綜合以上各種設計海水溫度的分析方法，可以概述為，實測資料統計法是根本，相關分析法是補充，遙感影像解譯法是輔助，但所有的技術手段和方法都需要實測資料來驗證，判斷誤差是否在工程設計允許誤差范圍內，見表3。

表3 設計水溫的分析方法比較

由于濱海火電廠取排水口海域面積小，設計水溫需根據長期連續觀測資料分析統計，需高或者超高時空分辨率的遙感數據方可滿足要求。而目前常用的衛星遙感數據重訪時間多在1d 以上，熱紅外波段的空間分辨率可達到60m；航空遙感監測可人工設置飛行方案，空間分辨率較高，但成本高。并且遙感數據的收集、后期處理、水溫解譯等工作量巨大，能否僅依靠有限的時空分辨率衛星遙感資料和產品，及當地長系列氣溫、短期實測水溫等資料，比較準確的推求設計水溫特征值的方法還有待進一步研究[3-4]。

4 結論

本文初步探討了獲取濱海火電廠設計水溫數據的3 種方法，實測資料統計法是根本，相關分析法是補充，遙感影像解譯法是輔助。實際工程應用中，建議采用多種方法來分析設計水溫。衛星遙感數據作為輔助手段，對濱海火電廠設計水溫取值有一定的參考價值。