三峽庫區(qū)干流及庫灣支流（朱衣河）夏季CO2分壓及擴(kuò)散通量

魏浩斌，吳學(xué)謙，操滿，傅家楠，賈曉斌，鄧兵，汪福順

（1.上海大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，上海 200444；

2.華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點實驗室，上海 200062）

三峽庫區(qū)干流及庫灣支流（朱衣河）夏季CO2分壓及擴(kuò)散通量

魏浩斌1，吳學(xué)謙1，操滿1，傅家楠1，賈曉斌1，鄧兵2，汪福順1

（1.上海大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，上海 200444；

2.華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點實驗室，上海 200062）

以三峽庫區(qū)中長江干流及其支流朱衣河作為主要研究對象,于2013年5—7月對該研究區(qū)域干支流的CO2分壓進(jìn)行了研究,并計算出CO2的擴(kuò)散通量.研究結(jié)果表明,在水體剖面上表層水體CO2分壓最小；隨著水深增加,CO2分壓急劇增大,到達(dá)10 m后才保持穩(wěn)定.干支流表層水體CO2分壓的分布和擴(kuò)散通量差異顯著.5—7月,干流水體表層CO2分壓為220.8～268.0 Pa,CO2擴(kuò)散通量為51.05 mmol·m-2·d-1；支流水體表層CO2分壓為14.9～190.3 Pa,3個月的CO2擴(kuò)散通量分別為0.42,-0.12和20.83 mmol·m-2·d-1.研究結(jié)果表明,支流釋放的CO2遠(yuǎn)小于干流.

三峽庫區(qū)；CO2分壓；CO2擴(kuò)散通量；朱衣河

CO2是重要的溫室氣體（greenhouse gas，GHG）之一.據(jù)歐洲環(huán)境協(xié)會和美國環(huán)境協(xié)會統(tǒng)計，大氣中CO2占溫室氣體總量的80%～85%［1-2］.化石燃料燃燒產(chǎn)生的CO2一直是溫室氣體的重要來源，為減少化石燃料的使用，水電被認(rèn)為是一種清潔能源而得到了大規(guī)模推廣［3-4］.但是，近期有研究表明水庫也會向大氣排放大量的CO2.就生產(chǎn)單位電力而言，某些水庫所釋放的溫室氣體總量甚至?xí)笥诨鹆Πl(fā)電站所釋放的總量［5-9］.

水庫建成后，淹沒區(qū)植被和流域輸入的有機(jī)質(zhì)降解產(chǎn)生了CO2、CH4等溫室氣體，并通過水-氣界面釋放到大氣中.水庫釋放溫室氣體主要通過以下3種途徑：①從水庫較淺的區(qū)域以氣泡形式溢出（化學(xué)成分主要為CH4）；②從水庫水-氣界面擴(kuò)散溢出；③河流下游排放［10］.寒帶和熱帶的水庫被淹沒地區(qū)的土壤有機(jī)碳密度較高，如果蓄水后在缺氧的環(huán)境下就會被礦化成CO2和CH4.此外，熱帶地區(qū)的高生物量也向水庫輸送大量有機(jī)碳，其降解過程造成了溫室氣體的大量釋放，相關(guān)的研究較多［11-12］.相比之下，關(guān)于亞熱帶水庫CO2的釋放情況的研究則較少.中國是水庫大國，僅長江流域內(nèi)修建的水庫就超過48 000個，因此對于水庫的富營養(yǎng)化［13-14］、生態(tài)影響評估和治理方面［15-16］的研究較多，而對于水庫水-氣界面GHG擴(kuò)散通量的研究則較少.

三峽作為世界級工程一直備受關(guān)注.三峽水庫在正常蓄水時（175 m水位），水域面積可達(dá)1.084×103km2，總庫容3.93×1010m3，控制流域面積3.8×105km2.本研究從三峽庫區(qū)干、支流轉(zhuǎn)換過程中溶解CO2分壓及其水-氣擴(kuò)散通量的變化特征入手，分析夏季（5—7月）三峽庫區(qū)長江干流及支流（朱衣河）對大氣CO2的“源/匯”關(guān)系.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

三峽水庫東起湖北省宜昌市，西迄重慶巴縣（東經(jīng)106?000～111?580，北緯28?010～31?450），三峽庫區(qū)干流水面寬度通常為0.7～1.7 km.朱衣河位于重慶市奉節(jié)縣境內(nèi)，距三峽大壩約165 km，屬于三峽庫區(qū)中部區(qū)域，其全長為31.4 km，流域面積153.6 km2，年均流量2.92 m3/s.另外，朱衣河位于長江左岸，與干流成60?角匯入長江，其左岸為在建公路大橋，右岸種植了大量臍橙，低水位運行期兩岸河灘裸露，水面寬為300～500 m.

1.2 樣品的采集與分析

2013年5 —7 月對三峽庫區(qū)中部的長江干流和支流（朱衣河）進(jìn)行了按月走航觀測.如圖1所示，在距河口0.5 km處取點記為ZY01（109?460E，31?010N），距河口3 km處取點記為ZY02（109?430E，31?020N），在長江干流取點CJ01（109?450E，31?N）.從CJ01到ZY02進(jìn)行走航監(jiān)測，在走航過程中利用自吸泵抽取水面下0.3 m左右水體進(jìn)行CO2分壓水質(zhì)參數(shù)分析.在定點站位，按5或10 m的間隔，利用潛水泵抽取不同深度的水體.用德國產(chǎn)的CO2傳感器Hydro CTM/CO2對水體進(jìn)行CO2分壓分析；同時利用YSI水質(zhì)參數(shù)儀（美國哈希公司生產(chǎn)）測定pH值、水溫、溶解氧（dissolved oxygen，DO）、葉綠素a（Chl-a），用濁度儀（OBS）測定水體濁度，分析水體剖面水質(zhì)參數(shù)變化.

圖1 研究區(qū)域和采樣點位Fig.1 Study area and sampling sites

1.3 數(shù)據(jù)處理

水氣界面的CO2擴(kuò)散通量主要受以下因素影響：水體和大氣中CO2分壓的差值、溫度、風(fēng)速和河流流速等.通常，水-氣界面的CO2通量可以通過式（1）計算得到［17］：

式中，F(xiàn)為水-氣界面的擴(kuò)散通量，F(xiàn)＞0表示水體向大氣中釋放CO2，F(xiàn)＜0表示水體吸收CO2；k為氣體交換系數(shù)；pCO2為水體CO2分壓；gassat為大氣CO2分壓（38 Pa）；kH為亨利系數(shù).kH受溫度和鹽度影響，可根據(jù)式（2）計算得到

式中，TK為開爾文溫度.

由于氣體交換系數(shù)k會受溫度、風(fēng)速、水體濁度等影響，故可采用式（3）來計算得到［18-20］

式中，Sc為CO2的施密特數(shù)，k600表示溫度為20?C、施密特數(shù)為600時CO2的標(biāo)準(zhǔn)氣體交換系數(shù)，U1為水面上的風(fēng)速，U10為水面上方10 m處的風(fēng)速，t為表層水的溫度.

2 結(jié)果與討論

2.1 研究區(qū)域水體表層CO2分壓及各項水質(zhì)參數(shù)的變化

觀測結(jié)果顯示，在觀測期間朱衣河表層水溫為22.1～28.4?C，由ZY01向ZY02逐漸升高；干流表層水溫為24.7～24.9?C.干流和支流水樣pH值均為8左右，呈堿性；DO濃度為4.9～18.8 mg/L，且均在6月份達(dá)到最大值.支流Chl-a濃度大多集中在8～13μg/L，而干流Chl-a濃度則在2.2～4.2μg/L，這主要是由于長江干流水流速度較快，水體滯留時間較短，藻類并未大量繁殖的緣故［21］.朱衣河CO2分壓的變化范圍為17.6～190.3 Pa.7月份，ZY01點的CO2分壓達(dá)到190.3 Pa，而ZY02點的CO2分壓只有17.6 Pa.這主要是由于水體CO2受水中生物的光合和呼吸作用共同影響，當(dāng)水體表面藻類較多時，光合作用消耗了水中的CO2；當(dāng)水體表面藻類較少時，生物的呼吸作用占了主導(dǎo)［2,22］.這與7月份ZY01、ZY02水體表面Chl-a的濃度相吻合.長江干流CO2分壓集中在220.8～234.6 Pa.如圖2所示，通過分析走航觀測庫區(qū)干流和支流表層水體的CO2分壓情況，發(fā)現(xiàn)干流水體的CO2分壓遠(yuǎn)大于支流.

圖2 庫區(qū)干支流表層水體CO2分壓分布Fig.2 Distribution of partial pressure of carbon dioxide in mainstream and tributary surface

2.2 水體參數(shù)剖面變化

三峽水庫進(jìn)入夏季防洪泄水后，會產(chǎn)生水庫水位及干支流水體密度差等變化情況，這將對庫灣支流產(chǎn)生顯著影響.由于庫區(qū)支流受到干流水體回水頂托作用，流速減緩，故水體透明度較高，有利于浮游植物等的生長，使其在深度方向上產(chǎn)生典型的分層現(xiàn)象［23］.根據(jù)在ZY01、ZY02進(jìn)行的水體剖面監(jiān)測結(jié)果顯示，pCO2的最小值均出現(xiàn)在水體表面，然后隨著深度增加而迅速增大.在水面5 m以下的位置，pCO2則變得相對穩(wěn)定，整個水體剖面呈現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象（見圖3）.相應(yīng)地，pH值、DO和葉綠素濃度則是在0～5 m范圍處于較高的數(shù)值，5 m以下則迅速下降，10 m以下時變化不大，其趨勢與pCO2的變化趨勢相反，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系.在上層水體中，占主導(dǎo)作用的是光合作用，水中的懸浮藻類通過光合作用大量消耗水體中的CO2，并釋放O2，使得DO濃度值增加，pCO2值降低.隨著水體深度的增加，透光度下降，呼吸作用占主導(dǎo)，使得DO濃度值逐漸降低而pCO2濃度值逐漸增大（見圖4），pCO2和DO存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系.

圖3 水體剖面pCO2分布Fig.3 Distribution of pCO2in water sectional

2.3 水體CO2的擴(kuò)散通量

庫區(qū)受地形、氣候等因素的影響，風(fēng)力較小，以無風(fēng)及微風(fēng)天氣為主，根據(jù)2008—2013年長江三峽工程生態(tài)與環(huán)境監(jiān)測公報可知，奉節(jié)縣年平均風(fēng)速在1.5 m/s左右，因此本研究采用1.5 m/s計算CO2的擴(kuò)散通量FCO2.

圖5表示朱衣河及長江干流在5—7月的CO2擴(kuò)散通量.圖5中，風(fēng)速以1.5 m/s作為基準(zhǔn)，以0.5和2.5 m/s作為最小和最大風(fēng)速來計算誤差線.從圖5可以發(fā)現(xiàn)，5—7月長江干流（庫區(qū)）的擴(kuò)散通量是正值，為45.86～57.89 mmol·m-2·d-1，遠(yuǎn)大于大氣水平，向大氣釋放CO2；而朱衣河CO2的擴(kuò)散通量則呈無規(guī)律變化，其中5月及7月FCO2＞0，向大氣釋放CO2，6月FCO2＜0，則向大氣吸收CO2.可以看出，支流的擴(kuò)散通量遠(yuǎn)小于干流.這主要是由于干流作為向外部輸送的通道，攜帶了大量的有機(jī)物，在運輸過程中被降解；另一方面，干流流速快，保持了河流的一維流動特性，而且濁度較大，光合作用較弱，有機(jī)物的降解作用較強(qiáng).

圖4 pCO2和DO的回歸分析Fig.4 Regression analysis between pCO2and DO

根據(jù)圖5進(jìn)一步分析計算得出，5—7月朱衣河向大氣釋放CO2約1.90×106mol；長江干流月擴(kuò)散通量變化不大，其平均值為51.05 mmol·m-2·d-1，經(jīng)計算向大氣釋放的CO2約3 632.76×106mol（見表1）.

圖5 干支流水體表面FCO2通量Fig.5 FCO2of surface water from mainstream and tributary

表1 研究區(qū)域干支流CO2釋放量Table 1 Emission of CO2from tributary and mainstream of reservoir

3 結(jié)論

通過研究夏季5—7月長江干流及支流朱衣河的CO2分壓、部分水質(zhì)參數(shù)和水面CO2通量，得到如下結(jié)論.

（1）夏季，支流與大氣的CO2分壓相差不多，這主要是因為三峽水庫調(diào)度的影響，水位維持在最低的防洪界限，流速緩慢，藻類大量繁殖，植物的光合作用消耗了水中的部分CO2，使水體的CO2分壓甚至低于大氣水平.

（2）長江干流攜帶的有機(jī)物被降解后，產(chǎn)生了大量的CO2，使水體的CO2分壓遠(yuǎn)大于大氣中的CO2分壓，同時干流往往有著較高的流速，加快了CO2的擴(kuò)散速度，因此表現(xiàn)為“源”.

（3）通過研究發(fā)現(xiàn)，水體中CO2分壓與DO存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，表層光合作用強(qiáng)烈，光合作用強(qiáng)于呼吸作用，使得水體DO濃度較高.庫區(qū)中底層以呼吸作用為主，有機(jī)物分解消耗DO，并釋放CO2，增加了CO2分壓.

［1］TREMBLAY A,VARFALVY L,ROEHM C,et al.Greenhouse gas emissions-fluxes and processes：hydroelectric reservoirs and natural environments［M］.New York：Springer,2005.

［2］李雙,王雨春,操滿,等.三峽庫區(qū)庫中干流及支流水體夏季二氧化碳分壓及擴(kuò)散通量［J］.環(huán)境科學(xué), 2014,35（1）：885-891.

［3］CHAMBERLAND A,LEVESQUE S.Hydroelectricity,an option to reduce greenhouse gas emissions from thermal power plants［J］.Energy Conversion and Management,1996,37（6/7/8）：885-890.

［4］VICTOR D G.Global warming：strategies for cutting carbon［J］.Nature,1998,395：837-838.

［5］XING Y P,XIE P,YANG H,et al.Methane and carbon dioxide fluxes from a shallow hypereutrophic subtropical lake in China［J］.Atmospheric Environment,2005,39：5532-5540.

［6］DOS S M A,ROSA L P,SIKAR B,et al.Gross greenhouse gas fluxes from hydro-power reservoir compared to thermo-power plants［J］.Energy Policy,2006,34（4）：481-488.

［7］HUTTUNEN J T,VAISANEN T S,HELLSTEN S K,et al.Fluxes of CH4,CO2and N2O in hydroelectric reservoirs Lokka and Porttipahta in the northern boreal zone in Finland［J］.Global Biogeochemical Cycles,2002,16：1-17.

［8］RAYMOND P A,HARTMANN J,LAUERWALD R,et al.Global carbon dioxide emissions from inland waters［J］.Nature,2013,503：355-359.

［9］姚臣諶,張靖,吳以贏,等.三峽壩區(qū)干流及香溪河庫灣水體秋季二氧化碳分壓［J］.生態(tài)學(xué)雜志, 2012,31（1）：152-157.

［10］DEMARTY M,BASTIEN J,TREMBLAY A.Annual follow-up of gross diffusive carbon dioxide and methane emissions from a boreal reservoir and two nearby lakes in Qu′ebec,Canada［J］. Biogeosciences,2011（8）：41-53.

［11］KELLY V.Influence of reserviors on solute transport：a regionalscale approach［J］.Hydrological Processes,2001,15（7）：1227-1249.

［12］HUTTUNEN J,AIM J,LIIKANEN A,et al.Fluxes of methane,carbon dioxide and nitrous oxide in boreal lakes and potential anthropogenic effects on the aquatic greenhouse gas emissions［J］. Chemisphere,2003,52（3）：609-621.

［13］SHEN Z,CHEN L,HONG Q,et al.Assessment of nitrogen and phosphorus loads and causal factors from different land use and soil types in the Three Gorges Reservoir Area［J］.Science of the Total Environment,2013,454：383-392.

［14］ZHENG B H,XIONG C J,LIU D F,et al.The influence of hydrodynamic conditions on algal bloom in the Three Gorges Reservoir tributaries［J］.Applied Mechanics and Materials,2013, 295：1981-1990.

［15］ZHANG Z,WAN C,ZHENG Z,et al.Plant community characteristics and their responses to environmental factors in the water level fluctuation zone of the three gorges reservoir in China［J］.Environmental Science and Pollution Research,2013,20（10）：7080-7091.

［16］YANG Z J,LIU D F,JI D B,et al.An eco-environmental friendly operation：an effective method to mitigate the harmful blooms in the tributary bays of Three Gorges Reservoir［J］.Science China Technological Sciences,2013,56（6）：1458-1470.

［17］WANG F S,CAO M,WANG B L,et al.Seasonal variation of CO2diffusion flux from a large subtropical reservoir in East China［J］.Atmospheric Environment,2015,103：129-137.

［18］COLE J,NINA J,CARACO F.Atmospheric exchange of carbon dioxide in a low-wind oligotrophic lake measured by the addition of SF6［J］.Limnology and Oceanography,1998,43（4）：647-656.［19］CRUSIUS J,WANNINKHOF R.Gas transfer velocities measured at low wind speed over a lake［J］. Limnology and Oceanography,2003,48（3）：1010-1017.

［20］WANNINKHOF R.Relationship between wind speed and gas exchange over the ocean［J］.Journal of Geophysical Research：Oceans（1978—2012）,2014,12（C5）：351-362.

［21］梅航遠(yuǎn),汪福順,姚臣諶,等.萬安水庫春季二氧化碳分壓的分布規(guī)律研究［J］.環(huán)境科學(xué),2011, 32（1）：58-63.

［22］張永領(lǐng),楊小林,張東.小浪底水庫影響下的黃河花園口站和小浪底站pCO2特征及擴(kuò)散通量［J］.環(huán)境科學(xué),2015,36：40-48.

［23］ZHANG G L,ZHANG J,REN J L,et al.Distributions and sea-to-air fluxes of methane and nitrous oxide in the North East China Sea in summer［J］.Marine Chemistry,2008,110（35）：42-45.

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Partial pressure and diffusion flux of dissolved carbon dioxide in mainstream and tributary（Zhuyi River）of the Three Gorges Reservoir in summer

WEI Haobin1，WU Xueqian1，CAO Man1，F(xiàn)U Jianan1，JIA Xiaobin1，DENG Bing2，WANG Fushun1
（1.School of Environmental and Chemical Engineering，Shanghai University，Shanghai 200444，China；
2.State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research，East China Normal University，Shanghai 200062，China）

The mainstream and tributary of the Three Gorges Reservoir were investigated from May 2013 to July 2013 to understand the distribution of the partial pressure of carbon dioxide.The results show that,along the water column of the tributary（Zhuyi River）,the lowest value of the partial pressure of carbon dioxide appears in surface water,and increases rapidly with depth.Below 10 meters in depth,the partial pressure of carbon dioxide becomes stable.There are significant differences of the partial pressure of carbon dioxide in surface water between mainstream and tributaries.During the period of investigation, the partial pressure of carbon dioxide in the surface water of the mainstream is 220.8～268.0 Pa,with an average CO2emission fluxes of 51.05 mmol·m-2·d-1.The partial pressureof carbon dioxide in the surface water of tributary（Zhuyi River）is 14.9～190.3 Pa.Emission flux of CO2in the three months are 0.42,-0.12 and 20.83 mmol·m-2·d-1.The result indicates that the tributary Zhuyi River emits less CO2than the mainstream.

Three Gorges Reservoir；partial pressure of carbon dioxide；diffusion flux of carbon dioxide；Zhuyi River

X 14

A

1007-2861（2016）04-0497-08

10.3969/j.issn.1007-2861.2015.01.011

2015-05-21

國家水體污染控制與治理科技重大專項（2012ZX07104-001）；國家自然科學(xué)基金資助項目（41273128，41473082）

汪福順（1976—），男，教授，博士，研究方向為地球化學(xué).E-mail：fswang@shu.edu.cn