Ανίχνευση της θερμικής ρύπανσης από σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής στην ανατολική ακτή της Κίνας με τη χρήση δεδομένων τηλεπισκόπησης

'''Ανίχνευση της θερμικής ρύπανσης από σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής στην ανατολική ακτή της Κίνας με τη χρήση δεδομένων τηλεπισκόπησης'''

'''Συγγραφείς : Pin Ma • Xiaoyan Dai • Zhongyang Guo • Chao Wei • Weichun Ma'''

'''Τίτλος: Detection of thermal pollution from power plants on China’s eastern coast using remote sensing data'''

'''Πρωτότυπος τίτλος: Detection of thermal pollution from power plants on China’s eastern coast using remote sensing data '''

[https://link.springer.com/article/10.1007/s00477-016-1293-8  Πηγή]

'''Εισαγωγή'''


Η επιτάχυνση της διαδικασίας εκβιομηχάνισης στην Κίνα αύξησε τη ζήτηση για ηλεκτρική ενέργεια. Αποτέλεσμα αυτού ήταν η κατασκευή πολλών εργοστασίων ηλεκτροπαραγωγής, ειδικά κατά μήκος της Κίνας ανατολική ακτή. 
Τα συστήματα συνεχούς ρεύματος είναι από τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα σε αυτές τις μονάδες παραγωγής ενέργειας. Σε αυτά το φυσικό νερό από τις λίμνες ή τους ωκεανούς λειτουργούν ως νερό ψύξης. Στη συνέχεια παράγεται θερμικό αέριο υψηλής θερμοκρασίας το οποίο εκκενώνεται απευθείας στα υδάτινα συστήματα αυξάνοντας την φυσική τους θερμοκρασίας. Θερμικοί θύσανοι, υπολείμματα χλωρίου, νουκλιδίων και άλλοι ρύποι εκβάλλονται στα υδάτινα οικοσυστήματα και  έχουν επιπτώσεις στο παράκτιο περιβάλλον. Η αύξηση της θερμοκρασίας θα οδηγήσει στην μείωση του διαλυμένου οξυγόνου στο νερό, σε πτώση της ικανότητας αυτο-καθαρισμού του νερού, στην επέκταση της ανάπτυξης των φυκιών και στην απελευθέρωση του αζώτου και του φωσφόρου στα ιζήματα. 
Αποτέλεσμα αυτών είναι ο εμπλουτισμός των υδάτων με φώσφορο και των νιτρικών προάγοντας την πρωτογενή παραγωγή και οδηγώντας το σύστημα σε ευτροφικές  καταστάσεις καθώς και  η αύξηση της θερμοκρασίας των υδάτων  επηρεάζει την ανάπτυξη των υπόγειων οργανισμών, οι οποίοι θα αλλάξουν τις συνθήκες διαβίωσης των πλαγκτονικών ζώων και φυτών, των ψαριών και άλλων ειδών, κατά συνέπεια θα επηρεάσει την επιβίωσή τους, την ανάπτυξη, την αναπαραγωγή, αλλά και να αλλάξουν την ποιότητά τους ή να προκαλέσουν θάνατο.

'''Δεδομένα, προεπεξεργασία  και μέθοδος'''


Σε αυτή την έρευνα πραγματοποιήθηκε η παρακολούθηση της θερμικής ρύπανσης από τις μονάδες ηλεκτροπαραγωγής στον κόλπο Yueqing στην ανατολική ακτή και μετρήθηκε η κατανομή της θερμοκρασίας της επιφάνειας της θάλασσας (SST) για τις περιβάλλουσες μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Χρησιμοποιήθηκαν οι μέθοδοι ανάκτησης SST για εικόνες Landsat Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM),  HJ-1B infrared sensor (IRS) και Terra moderate resolution imaging spectroradiometer (MODIS).

[[Αρχείο:Thesi.jpg|thumb|Εικόνα 1: Η Θέση της περιοχής μελέτης. HYPP και ZYPP αντιπροσωπεύουν σταθμό ηλεκτροπαραγωγής Huaneng Yuhuan και σταθμό ηλεκτροπαραγωγής Zheneng Yueqing]]

Η χωροχρονική διακύμανση του SST γύρω από τους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής αναλύεται και συγκρίνεται. Όλες οι τηλεπισκοπικές εικόνες που χρησιμοποιήθηκαν στην έρευνα πράχθηκαν σε σύντομες ημερομηνίες το Νοέμβριο και - ο χρόνος υπέρβασης των δορυφόρων ήταν παρόμοιος με διαφορά όχι μεγαλύτερη από 1 ώρα-, αρα τα αποτελέσματα ανάκτησης είναι συγκρίσιμα σε έναν υψηλό βαθμό. Οι λεπτομέρειες των δεδομένων παρουσιάζονται στον Πίνακα 1.

[[Αρχείο:Pinakas1_ar8ro2_tmm.jpg| center | Εικόνα 2: Δεδομένα τηλεχειρισμού που χρησιμοποιούνται στην έρευνα αυτή. ]]

Οι εικόνες διορθώνονται γεωμετρικά με τοπογραφικό χάρτη κλίμακας 1:10.000 μέσω προβολής Gauss-Krueger, και με την μέθοδο του πλησιέστερου γείτονα όπου τα μεγέθη των εικονοστοιχείων είναι ίσα με τα αρχικά μεγέθη των εικονοστοιχείων κάθε band. Το προκύπτον μέσο τετραγωνικό σφάλμα ρίζας βρέθηκε να είναι λιγότερο από μισό εικονοστοιχείο. Επιπλέον, οι απομακρυσμένες έγχρωμες αεροφωτογραφίες κλίμακας 1: 50.000 και άλλοι θεματικοί χάρτες διανύσματος χρησιμοποιήθηκαν για βοηθητική ανάλυση, κι διορθώθηκαν στο τοπικό σύστημα συντεταγμένων της περιοχής Zhejiang.

Η θερμική ρύπανση από τις μονάδες ηλεκτροπαραγωγής στο Κόλπο Yueqing στην ανατολική ακτή της Κίνας ανιχνεύεται με την ανάλυση της μεταβολής της κλίσης του SST και κατανομή πριν και μετά από την κατασκευή των σταθμών ηλεκτροπαραγωγής. Η παραγωγή SST από δορυφορικά δεδομένα TIR περιλαμβάνει τις ακόλουθες διαδικασίες: (α) εκτίμηση της φασματικής ακτινοβολίας από το DN της ζώνης TIR, το οποίο μπορεί να επιτευχθεί μέσω της ατμοσφαιρικής διόρθωσης. β) μετατροπή της φασματικής ακτινοβολίας σε θερμοκρασία δορυφορικής φωτεινότητας και (γ) υπολογισμός του SST από τη θερμοκρασία φωτεινότητας.
Χρησιμοποιώντας το SST που ανακτάται από διαφορετικές δορυφορικές εικόνες που ελήφθησαν σε σύντομες ημερομηνίες πριν και μετά από την κατασκευή των μονάδων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, την ανίχνευση και την εκτίμηση κ της θερμικής ρύπανσης.

Πρώτον, στα δεδομένα τηλεπισκόπησης πραγματοποιήθηκε ραδιομετρική διόρθωσης. Η ραδιομετρική διόρθωση για τις εικόνες Landstat 7+ έγινε με τον τύπο :

[[Αρχείο:Typos1_ar8ro2_tmm.jpg| center | Εικόνα 3: Εξίσωση 1 ]]

Όπου Lλ είναι ηφασματική ακτινοβολία που λαμβάνει ο αισθητήρας (W m-2 sr-1 lm-1 ), 
          Qcal είναι DNs της εικόνας , και τα Grescale και Brescale είναι οι αναπροσαρμοσμένες τιμές οι οποίες παρέχονται για το Level 1G Landsat 7 ETM.

Η ραδιομετρική διόρθωση για τις εικόνες HJ-1A/1B έγινε με τον τύπο :

[[Αρχείο:Typos2_ar8ro2_tmm.jpg| center | Εικόνα 4: Εξίσωση 2 ]]

όπου Lk είναι η φασματική ακτινοβολία που λαμβάνεται από τον αισθητήρα (W m-2 sr-1 lm-1), και τα g και b είναι τα κέρδη με αναπροσαρμογή και τιμή πόλωσης τόσο σε W m-2 sr-1 lm-1.
Λόγω έλλειψης μετατόπισης για τα δεδομένα υπέρυθρης  ακτινοβολίας των band 5 και 6 του HJ-1B IRS, ο απόλυτος τύπος βαθμονόμησης για αυτά εκφράζονται ως εξής:

[[Αρχείο:Typos3_ar8ro2_tmm.jpg| center | Εικόνα 5: Εξίσωση 3 ]]

Σύμφωνα με τον τύπο της αντανάκλασης επιφανείας Lambert, η ανακλαστικότητα της επιφάνειας της  ατμόσφαιρας σε ιδανική κατάσταση μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας την εξίσωση :

[[Αρχείο:Typos4_ar8ro2_tmm.jpg| center | Εικόνα 6: Εξίσωση 4 ]]

όπου ρλ είναι η ανακλαστικότητα επιφάνειας στην κορυφή της ατμόσφαιρας, Lλ είναι η φασματική ακτινοβολία, d είναι η απόσταση μεταξύ τη Γη και τον ήλιο στην αστρονομική μονάδα, το ESUNλ είναι η μέση ηλιακή ακτινοβολία στην κορυφή της ατμόσφαιρας και θs είναι η ηλιακή ζενίθ γωνία.


Σφάλματα που προέκυψαν από τις επιδράσεις της ατμόσφαιρας που επηρεάζουν την ποιότητα των πληροφοριών που λαμβάνονται από τηλεπισκοπικές εικόνες. H ατμοσφαιρική διόρθωση, έχει στόχο την αφαίρεση των επιδράσεων της ατμόσφαιρας. Είναι αναμφισβήτητα ένα από τα πλέον σημαντικά τμήματα της προεπεξεργασίας των δορυφορικών εικόνων από απόσταση και μια τέτοια διόρθωση είναι ιδιαίτερα σημαντική σε περιπτώσεις που πρέπει να συγκριθούν πολυ-χρονικές εικόνες. Για την ατμοσφαιρική διόρθωση χρησιμοποιήθηκαν τα μοντέλα MODTRAN και FLAASH.

[[Αρχείο:Reflectivity_ar8ro2_tmm.jpg| center | Εικόνα 7: Reflectivity of different land cover types through atmospheric correction ]]

Η περιοχή μελέτης βρίσκεται σε κόλπο. Το νερό και η οριοθετημένη έκταση γης είναι λασπώδεις. Ως εκ τούτου, τα χερσαία και θαλάσσια σύνορα δεν είναι  ίδια σε διαφορετικές περιόδους κι απαιτούν το την διευκρίνηση των χερσαίων και θαλάσσιων συνόρων. Η επιφανειακή θερμοκρασία μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τύπους ανάκτησης με τη διαθεσιμότητα και την εκτίμηση μόνο ενός μικρού αριθμού παραμέτρων και η ακρίβεια ανάκτησης εξακολουθεί να είναι εγγυημένη. 
Σε αυτή τη μελέτη, ο αλγόριθμος split-window εφαρμόζεται για την εκτίμηση του SST με τα δεδομένα TIR  με βάση το MODIS. Αυτή η μέθοδος παράγει τους τύπους για τον υπολογισμό των  θερμοκρασιών δύο γειτονικών θερμικών καναλιών.

[[Αρχείο:Boundary_ar8ro2_tmm.jpg| center | Εικόνα 8 ]]

'''Αποτελέσματα'''

Η ανάπτυξη της TIR τηλεπισκόπησης παρέχει μία νέα και αποτελεσματική τεχνική για τη δυναμική παρακολούθηση των θερμικών απορροών από τους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής. Με βάση τους αλγορίθμους monoStoch και split-window, η μέθοδος ανάκτησης SST είναι κατάλληλη για εικόνες Landsat ETM ;, HJ-1B IRS και Terra MODIS οι οποίες διερευνούνται και βελτιώνονται σε αυτή τη μελέτη.

Συγκρίνοντας τα αποτελέσματα της διαδικασίας του SST που εκτιμήθηκε από τα δεδομένα του HJ-1B IRS στις 7 Νοεμβρίου 2010 με τα δεδομένα του IRS της 11ης Νοεμβρίου 2010, μπορεί να βρεθεί ότι η χρονική μεταβολή του SST γύρω από τις εξόδους ήταν μεταξύ -0,5 και 0,5 ° C κατά τη λειτουργία των σταθμών ηλεκτροπαραγωγής. Η πιο εμφανής άνοδος του SST συνέβη στην ανοιχτή θάλασσα. Ωστόσο, λόγω του σχετικού κλεισίματος του περιβάλλοντος κόλπων, βραχυπρόθεσμα, το SST στον κόλπο παρέμεινε σε σχετικά σταθερό επίπεδο, χωρίς σημαντικές αλλαγές.

[[Αρχείο:Profiles_ar8ro2_tmm.jpg‎| Εικόνα 9: Profiles of atmospheric transmittance obtained after atmospheric correction ]]

Η σύγκριση των αποτελεσμάτων των θερμοκρασιών της επιφάνειας της θάλασσας πριν και μετά τη λειτουργία των ηλεκτρικών σταθμών δείχνει ότι η συνολική επιφάνεια των θαλάσσιων υδάτων η οποία επηρεάζεται από τη θερμική απόρριψη από τις δύο μονάδες είναι περίπου 17,95 km2. Η υψηλότερη άνοδος της θερμοκρασίας της επιφάνειας της θάλασσας φαίνεται να είναι 4,50C και εμφανίζεται στα ύδατα γύρω από την έξοδο του εργοστασίου παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας Huaneng Yuhuan στην ανατολική ακτή. Η μεγαλύτερη θερμοκρασία που σημειώθηκε κοντά στο εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας της Zheneng Yueqing της δυτικής ακτής φαίνεται να είναι 3.80 C.

[[Αρχείο:Spatial_ar8ro2_tmm.jpg‎| Εικόνα 9: Profiles of atmospheric transmittance obtained after atmospheric correction ]]

Η ένταση και το πεδίο επιρροής της θερμικής απόρριψης εξαρτάται κυρίως από την εγκατεστημένη ισχύ των σταθμών ενέργειας, το παράκτιο έδαφος και την παλίρροια. Αν και η αύξηση της επιφανειακής θερμοκρασίας πάνω από 30 C δεν καταλαμβάνει μεγάλη έκταση, η θερμική εκφόρτωση εξακολουθεί να έχει αντίκτυπο στα οικοσυστήματα του κόλπου λόγω της σχετικά κλειστής φύσης του περιβάλλοντος του. 
Λόγω της μακροπρόθεσμης επιρροής των αυξανόμενων θερμοκρασιών του νερού στην αναπαραγωγή και στην εξέλιξη των ψαριών, των γαρίδων, των καβουριών, των οστρακοειδών και άλλων υδρόβιων οργανισμών, η θερμική ρύπανση από τις παράκτιες μονάδες ηλεκτροπαραγωγής θα επηρεάσει την αλιεία και τους βιολογικούς πόρους σε όλα τα ύδατα.

[[Αρχείο:Variation_ar8ro2_tmm.jpg‎| Εικόνα 10 ]]


[[Αρχείο:Change_ar8ro2_tmm.jpg‎| Εικόνα 11: Change of SST distribution around Yueqing Bay from 2002 to 2010 (a) and that near the two power plants (b). Isolines of SST rise near ZYPP and HYPP shown on (c) and (d) ]]