水電站水庫溫室氣體排放綜合分析

［巴西］ M.A.多斯桑托斯等

與其他自然水體一樣，水電站水庫也擁有密集的生物區(qū)，即從微生物到水生脊椎動物。

水庫蓄水對河流最大的影響是使河水流速變慢。緩慢的水流有利于浮游植物生長及養(yǎng)分增加，在這種情況下，甲烷生成，置換氧化水，產(chǎn)生厭氧條件。

微生物(細菌)分解有機質(zhì)并在水下產(chǎn)生副產(chǎn)品，即生物氣體。有些生物氣體，如甲烷、二氧化碳及一氧化氮具有非常高的全球變暖潛值。

1 水電站與溫室氣體

過去20 a的研究已具有一定深度，結(jié)果表明，像大多數(shù)人造工程一樣，水電工程會對環(huán)境產(chǎn)生多重影響。水庫緩慢的流速有利于浮游植物生長(由于養(yǎng)分增加)，水中氧氣逐漸消耗而產(chǎn)生厭氧條件。

盡管20世紀90年代末的研究工作重視水庫溫室氣體排放問題，然而對許多因素尚未加以研究。

有些生物氣體導致全球變暖，包括甲烷、二氧化碳及一氧化氮。為了對水電工程引起的溫室氣體凈排放作出精確的評估，必須進一步完善碳預算，并加強對典型水電工程研究(尤其是位于熱帶、北方、干旱、半干旱及溫帶氣候的水電站)。

比較水電站水庫與火電站溫室氣體排放，應(yīng)當以單位發(fā)電量來計算和表征。同時還要考慮各種發(fā)電站之間燃料類型的不同及發(fā)電效率的差異，諸如蒸汽渦輪機，燃煤、燃油、天然氣渦輪機以及聯(lián)合循環(huán)電廠的效率差異。

2 水庫溫室氣體排放概念模型

水電站水庫溫室氣體排放有3個明顯不同的重要階段。

(1)第1階段為大壩施工及水庫形成之前(圖1)。這一階段的特點是水流湍急(湍流)，溶解氧含量高，水流中出現(xiàn)固體懸浮物質(zhì)及粗沙，本地懸浮物生產(chǎn)量低，氣體流動主要靠紊動擴散作用來實現(xiàn)。

圖1 水庫蓄水前溫室氣體排放

(2)第2階段為水庫蓄水后(見圖2)。其特點表現(xiàn)為化學、物理及生物過程發(fā)生顯著變化。此時流速要比蓄水前低得多，浮游植物呼吸速率與總初級生產(chǎn)量達到平衡，產(chǎn)生大量活性有機質(zhì)。在這一階段，水庫開始形成深層缺氧層。由于存在被淹沒的陸地植物生物區(qū)，因此有機物質(zhì)降解過程開始，導致水柱中耗氧加大。該階段溫室氣體排放達到高峰，水柱中產(chǎn)生大量有機質(zhì)。氣體流動主要靠擴散作用和起泡實現(xiàn)。

圖2 水庫蓄水后溫室氣體排放

(3)第3階段為水庫穩(wěn)定蓄水期(見圖3)。此階段較為成熟，各種反應(yīng)過程更加平衡。被水淹沒的大多數(shù)陸地生物開始腐爛，僅剩下主干、枝干及根系等木本部分。由于活性生物質(zhì)最終會發(fā)生分解，故有機質(zhì)以外部來源為主。水庫底部有大量細泥沙及經(jīng)過水柱沉積的有機物。水柱仍處于相對缺氧狀態(tài)，且其深度的變化取決于占優(yōu)勢的水動力條件。這一階段水庫中總初級生產(chǎn)力遠高于呼吸速率。雖然水中產(chǎn)生大量自養(yǎng)，但來自該流域物資的異養(yǎng)仍占主導地位。

圖3 水庫穩(wěn)定蓄水期溫室氣體排放

3 前期研究與建議

水電站水庫溫室氣體排放問題相對來說是近期才引起人們關(guān)注的。20世紀90年代初期，研究人員確認有顯著的CO2，CH4及N2O從空氣-水界面流出。

蒙特利爾魁北克水電公司會議報告、世界大壩委員會報告，以及里約GHG工作小組報告都有過對溫室氣體與水電工程的研究報道。

最近，國際水力發(fā)電協(xié)會(IHA)與聯(lián)合國教科文組織(UNESCO)組織召開了若干次會議。IHA與“國際水文規(guī)劃”組織聯(lián)合主持制定了GHG研究計劃，旨在提高對水電站水庫溫室氣體排放影響的認識，得到對現(xiàn)行方法更詳細的綜述，并填補當前知識的空白。

IHA公布的《淡水水庫溫室氣體排放測量指南》是該領(lǐng)域探索知識的重要里程碑，其意圖是規(guī)范某些程序。

最近，國際能源機構(gòu)根據(jù)《水電規(guī)劃與技術(shù)實施協(xié)定》制定了一份新附件，即《淡水水庫碳平衡管理辦法》。該倡議旨在制定水電站水庫溫室氣體排放公認的測量程序和議定書，以及盡量減少這種溫室氣體排放的最佳措施。

目前，巴西與日本、挪威、芬蘭及美國的一些大學和研究機構(gòu)共同引導這一重要倡議的實施。加拿大積極響應(yīng)，葡萄牙與法國也有望對實施這項倡議作出貢獻。該倡議目的如下:

(1)增進有關(guān)程序知識;

(2)制定水庫碳平衡規(guī)劃研究的指導方針;

(3)規(guī)范溫室氣體通量評估方法。

4 水電與火電排放總量對比

目前世界上僅有幾個地區(qū)開展了排放總量的研究，而對凈排放研究經(jīng)驗則相當匱乏。

值得注意的是在陸地淹沒前，河流、湖泊、草原及森林等地區(qū)就發(fā)生大量自然排放。計算排放總量沒有從現(xiàn)有排放中減去自然排放。

CO2排放可歸因于大氣與水庫之間的自然碳循環(huán)。

目前對水庫CO2循環(huán)的討論尚未得出結(jié)論。

必須要考慮洪水前生態(tài)系統(tǒng)凈交換量(生態(tài)系統(tǒng)凈交換量通常被稱為NEE，用以測量進入或離開該生態(tài)系統(tǒng)的碳的數(shù)量)。

2006年，國際氣候變化專門委員會(IPCC)指出當前水電站水庫溫室氣體排放數(shù)據(jù)不夠準確，據(jù)此推斷一些國家相當多的水電站排放數(shù)據(jù)不可靠。

數(shù)據(jù)取樣未考慮來自人工水庫的凈排放通量，因為凈排放通量沒有計及可能來自大氣的氣體自然排放通量(主要為CO2)。這將使人為排放與沒有水壩情況下已經(jīng)發(fā)生的自然排放更加難以分開計算。

PICC的這份報告同時指出，溫帶、潮濕地區(qū)、熱帶潮濕及熱帶干燥地區(qū)的水庫溫室氣體排放量更高。

最近，巴西對10座水利樞紐電站(總裝機容量為28537 MW)的排放與同等發(fā)電功率的天然氣電站的排放進行了比較。

通過抽樣，對選擇的每座水庫的溫室氣體排放總量進行評估，接著對結(jié)果進行外推求值，以得出該水庫整個地區(qū)的排放值。此方法是為了能求得有代表性的排放平均值，同時考慮空間與時間變化。

溫室氣體排放強度變化范圍較大，表明受許多因素影響，包括土壤沖刷產(chǎn)生的并沿流域坡度下流的外來有機質(zhì)。

對亞馬遜平原中部的巴爾比那水利樞紐電站溫室氣體排放進行測量后得出，下游甲烷排放量與水庫水面排放量具有相同數(shù)量級。

研究結(jié)果目前看來仍相當敏感，需要仔細分析與說明。然而，假定這10座水利樞紐電站下游溫室氣體排放上限與水庫水面排放大致相等似乎比較恰當。

致力于測量技術(shù)改進的研究工作還在繼續(xù)進行，對所調(diào)查的10座水利樞紐電站中的7座進行了研究，目前結(jié)果顯示，在已經(jīng)研究的10座水利樞紐電站中，其中7座(總裝機容量27675 MW)電站的水庫每MW·h平均溫室氣體排放低于天然氣電站。

即使將水庫表面排放量增加一倍，假定達到下游排放的上限，從結(jié)果來看，10座水電站產(chǎn)生的電站的平均排放量(用每MW·h碳等效質(zhì)量表示)也低于那些單循環(huán)及復合循環(huán)天然氣電站的排放量。

研究結(jié)果顯示，可以保守地說，到目前為止，水電站每MW·h溫室氣體排放量仍比天然氣電站低。

綜上所述，在最壞情況下，水電站溫室氣體排放僅為以天燃氣為燃料的單循環(huán)電站的10.9%，聯(lián)合循環(huán)電站的18.2%。與燃煤電站比較，結(jié)果將更為令人振奮。

5 結(jié)論

水電是超低碳的可再生能源資源，具有顯著開發(fā)潛力。此外，許多發(fā)展中國家具有豐富的可開發(fā)利用同時又可以避免對環(huán)境造成嚴重影響的水電潛能。

盡管像其他能源資源一樣，水力發(fā)電也有其局限性且會面臨一些障礙，但就其極低的運營費及微不足道的燃料成本來說，其效益無疑具有壓倒性的優(yōu)勢。人類在尋找清潔、低碳并且經(jīng)濟上能負擔的能源時，豐富、清潔、可再生的水電資源不容小覷。

過去沒有考慮大壩及水庫對環(huán)境產(chǎn)生的影響，今天，政府及決策者必須吸取過去盲目開發(fā)帶來的慘痛教訓，以期未來能更好地開發(fā)與管理好水電資源。

目前全球許多地區(qū)對水庫溫室氣體排放還缺乏長期、協(xié)調(diào)一致的研究，這是邁向全球精確評估溫室氣體排放道路上的一大障礙。

盡管許多研究以溫帶及近北極地區(qū)為主，但也有人開始對巴西及法屬圭亞那的熱帶水庫展開研究。

水電站水庫排放的CH4因其全球變暖潛力很高而總是對環(huán)境產(chǎn)生不利影響。

CO2排放一部分可能歸因于水-氣界面的天然碳循環(huán)，另一部分可能由于筑壩引起的有機質(zhì)分解。

下列問題尚需進一步研究:

(1)有些排放不全是人為因素造成的。如何單獨計算水電站水庫排放?有些國家，未經(jīng)處理的污水與農(nóng)業(yè)活動引起的水土流失及濫伐均會引起排放。

(2)如何才能獲取完備的季節(jié)性統(tǒng)計資料?獲取典型數(shù)據(jù)的最小抽樣頻率是多少?

(3)對梯級水電站項目該如何評估?

(4)諸如概率密度函數(shù)分析及統(tǒng)計模型這樣的探索性數(shù)據(jù)分析可用作評估溫室氣體排放的外推數(shù)據(jù)。采取何種最佳方法來獲取可靠的數(shù)據(jù)?

下列建議可供進一步研究。

(1)針對分布范圍及差異程度更廣的水庫進行更多觀測。

(2)在正在修建大壩的國家中，對分布范圍及差異程度更廣的各種自然環(huán)境進行更多的觀測。

(3)提高對水庫及天然湖泊中的瞬態(tài)碳作用的認識。

(4)鼓勵對抽樣和分析的各種方法與技術(shù)在代表性與準確性方面進行相互比較。

(5)將未筑壩流域與筑壩流域的碳循環(huán)進行對比。