水庫水氣界面溫室氣體通量監(jiān)測技術(shù)探討

佟艷輝

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，沈陽 110000)

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水庫水氣界面溫室氣體通量監(jiān)測技術(shù)探討

佟艷輝

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，沈陽 110000)

水庫水氣界面溫室氣體的排放通量，受諸多因素影響，常用監(jiān)測技術(shù)有TDLAS法、靜態(tài)箱法、渦度相關(guān)法等，這些方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，因而使用范圍也存在較大差別。文章以大伙房水庫為例，分析了水庫的基本概況，并對水庫溫室氣體通量監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了分析，了解了影響水庫氣體排放通量的主要因素，并對遙感技術(shù)在水庫氣體通量監(jiān)測中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

水氣界面；水庫；監(jiān)測技術(shù)；溫室氣體

水電是重要的清潔能源，受到人們的極大推崇，水電生產(chǎn)會產(chǎn)生一定的溫室氣體，因而人們對水庫溫室氣體的排放也越來越關(guān)注。水庫所產(chǎn)生的溫室氣體主要為甲烷和二氧化碳等，會通過水氣界面最終排向大氣。目前，對于水庫水氣界面溫室氣體通量的監(jiān)測已經(jīng)成為各國關(guān)注的重點(diǎn)。文章以大伙房水庫為例，對其水氣界面溫室氣體通量監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了探討。

1 水庫概況

大伙房水庫在撫順市東洲區(qū)，位于渾河干流，該水庫根據(jù)1000a一遇洪水設(shè)計(jì)，是“十一五”重點(diǎn)水利工程，是我國第一座自行設(shè)計(jì)和施工的大型水利樞紐，具有防洪、發(fā)電、供水等多重作用[1]。該水庫總庫容22.68億m3，相應(yīng)庫容14.30億m3，壩頂長度1366.72m，壩頂高程139.80m，壩頂寬度8m，最大壩高49.8m，死庫容1.34億m3，死水位108.00m，屬于多年調(diào)節(jié)水庫。該水庫自投入運(yùn)行之日起，共應(yīng)對了26次較大洪水，尤其是在抵御“95.7”洪災(zāi)時(shí)，發(fā)揮了巨大作用，減災(zāi)效益達(dá)到75億元。大伙房水庫的供水、供電等作用，極大地推動了遼寧的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，因而有“渾河明珠”之稱。

2 水氣界面溫室氣體通量監(jiān)測技術(shù)

要有效了解大伙房水庫在全球變化中的作用，首先需要對其溫室氣體通量進(jìn)行科學(xué)監(jiān)測和分析，常用的溫室氣體通量監(jiān)測技術(shù)主要有以下幾種：

2.1 基于TDLAS的監(jiān)測技術(shù)

TDLAS技術(shù)，全稱為可調(diào)諧二極管激光吸收廣譜技術(shù)，該技術(shù)具有較高的精度，能夠同時(shí)觀測大區(qū)域內(nèi)的多種氣體，尤其是在甲烷以及工業(yè)氣體監(jiān)測等大氣痕量監(jiān)測中應(yīng)用較為廣泛。TDLAS技術(shù)主要是通過二極管激光器的波長調(diào)諧特性，獲取被測氣體的吸收光譜，從而達(dá)到對被測氣體進(jìn)行定量和定性分析的目的。TDLAS技術(shù)為水庫溫室氣體通量的監(jiān)測帶來了新的思路，有研究學(xué)者通過研究發(fā)現(xiàn)，使用TDLAS技術(shù)觀測水庫表面0.5m和1.5m高處的氣體濃度梯度，并根據(jù)所得數(shù)據(jù)計(jì)算水庫水氣界面甲烷和二氧化碳的排放通量，通過分析發(fā)現(xiàn)，該結(jié)果與同時(shí)期同地區(qū)靜態(tài)箱法獲得的通量值相比，具有可比性。說明TDLAS技術(shù)在水庫溫室氣體通量監(jiān)測中具有較高的效果。

2.2 梯度法

梯度法是從水庫水氣界面溫室氣體通量的特性出發(fā)，水庫水氣界面的甲烷和二氧化碳通量，主要取決于大氣和水體中對應(yīng)氣體的濃度及交換系數(shù)，所以梯度法根據(jù)這一特征，同時(shí)測量大氣和表層水中的溫室氣體濃度，然后計(jì)算這兩者之間的濃度差，利用氣體交換系數(shù)得出溫室氣體通量，其具體的計(jì)算公式為：

F=k(Cw-Cn)

(1)

式中：k為氣體交換系數(shù)；Cw為水體表層溶解的氣體濃度；Cn為大氣中對應(yīng)氣體的濃度。

梯度法是水庫水氣界面溫室氣體通量常用觀測方法，通過采用不同的氣體濃度分析方法，可以對大氣溫室氣體濃度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，獲得水庫溫室氣體通量觀測的時(shí)間序列。該方法是一種半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头椒ǎ饕谒畮焖畾饨缑鏆怏w擴(kuò)散過程，但是對其擴(kuò)散過程的驅(qū)動機(jī)制和原理并沒有充分體現(xiàn)，因而該方法的結(jié)果存在較大的不確定性，降雨、風(fēng)速等環(huán)境因素是造成這種不確定性的主要原因[2]。

2.3 渦度相關(guān)法

該方法是目前用于二氧化碳和水熱通量測量的主要方法，能夠?qū)Υ髿馀c群落間二氧化碳的交換通量直接進(jìn)行測定。渦度相關(guān)法主要是對大氣湍流運(yùn)動產(chǎn)生的物理量脈動以及風(fēng)速脈動進(jìn)行測定，然后對物質(zhì)通量進(jìn)行計(jì)算。渦度相關(guān)法在水庫氣體通量測量中的應(yīng)用，需要滿足3個(gè)基本條件：①被測下墊面應(yīng)大尺度宏觀均勻；②應(yīng)在熱力中性大氣條件下應(yīng)用；③在測點(diǎn)上風(fēng)方向相當(dāng)大的區(qū)域內(nèi)，其氣體通量須排放均勻。與靜態(tài)箱法相比，渦度相關(guān)法能夠?qū)Ω髤^(qū)域內(nèi)的氣體通量進(jìn)行監(jiān)測，而且可以在長時(shí)間無人值守的情況下實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測，但是這種方法也存在一定的不足，對環(huán)境的要求相對較高，而且監(jiān)測成本高，操作技術(shù)較為復(fù)雜，因而渦度相關(guān)法通常用于陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳通量測量[3]。

2.4 靜態(tài)箱法

與其他監(jiān)測技術(shù)相比，靜態(tài)箱法的操作相對更為方便和簡單，該方法需要將一個(gè)頂部密封的箱體置于水體表面，并使箱體的底部保持中通，然后收集水體表面擴(kuò)散的甲烷、二氧化碳等氣體，對收集的待測氣體每隔一段時(shí)間測量其濃度，根據(jù)待測氣體濃度隨時(shí)間的變化情況，測定水庫的溫室氣體排放通量。

對于箱內(nèi)待測氣體的濃度，主要通過氣相色譜儀進(jìn)行測定，氣象色譜儀測定溫室氣體通量F的基本計(jì)算公式為：

(2)

式中：S為待測氣體濃度隨時(shí)間變化的速率，即不同時(shí)間段內(nèi)氣體濃度回歸分析所得曲線的斜率；A為靜態(tài)箱覆蓋水面的面積；F1、F2為轉(zhuǎn)換系數(shù)；V為靜態(tài)箱水面以上部分的體積。

靜態(tài)箱法氣相色譜法既具有其獨(dú)特的優(yōu)勢，也存在一定的不足。它能夠?qū)怏w樣本中的多種成分同時(shí)進(jìn)行分析，具有較高的精度，且靜態(tài)箱法成本較低，便于攜帶和拆卸，通過與在線分析儀進(jìn)行連接，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測。其不足主要表現(xiàn)在：①勞動強(qiáng)度較大，通常只能獲得點(diǎn)上的通量數(shù)據(jù)，不適宜長期或大區(qū)域的監(jiān)測。②箱體沒有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，會對監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性造成一定影響。因此，靜態(tài)箱法比較適合于靜態(tài)水體的觀測，不宜大區(qū)域的溫室氣體通量監(jiān)測。

2.5 倒置漏斗法

與其他監(jiān)測方法不同，倒置漏斗法主要是通過采集和分析冒泡方式排放的溫室氣體，來實(shí)現(xiàn)對水庫溫室氣體通量的監(jiān)測。該方法將氣體收集裝置與倒置的漏斗連接，然后將該裝置放入到水體表層以下位置，使其能夠收集到水下產(chǎn)生的氣泡，并對裝置中收集到的氣體濃度進(jìn)行分析，從而得出溫室氣體排放通量。該方法測得氣體通量的計(jì)算公式為：

(3)

式中：Fb為待測氣體的冒泡排放通量；T為觀測時(shí)間段；C為待測氣體的濃度，由于甲烷在水中的溶解度相對較小，所以在水庫的一定深度內(nèi)，主要通過冒泡的方式排放，因而倒置漏斗法常用于甲烷排放通量的監(jiān)測。

倒置漏斗法主要適合于氣泡排放氣體的定點(diǎn)監(jiān)測，無法進(jìn)行區(qū)域連續(xù)監(jiān)測，受冒泡排放的空間和時(shí)間變異特性影響，很難捕捉到較為全面的排放信息。為了有效彌補(bǔ)倒置漏斗法的這些不足，國外目前已經(jīng)研發(fā)出了超聲探測技術(shù)和開放式動態(tài)箱等方法，以提高對氣泡方式排放氣體通量的監(jiān)測質(zhì)量[4]。

3 水庫水氣界面溫室氣體通量的主要影響因素

水庫溫室氣體的產(chǎn)生、排放等是一個(gè)動態(tài)的生物化學(xué)過程，具有非常強(qiáng)烈的時(shí)間和空間變化特性，在這個(gè)過程中，任何一個(gè)影響因素都有可能對溫室氣體的排放通量造成影響。因此，對大伙房水庫的溫室氣體通量影響因素分析，可以主要從以下3個(gè)方面展開。

3.1 水環(huán)境影響

水庫溫室氣體的產(chǎn)生和運(yùn)移離不開水體這一重要載體，所以水環(huán)境變化情況會直接影響溫室氣體的排放通量。導(dǎo)致水環(huán)境發(fā)生變化的因素主要有水溫、有機(jī)碳、PH以及初級生產(chǎn)力等，這些因素會在一定程度上影響水庫的水環(huán)境，從而影響氣體排放通量。

首先從水溫來看，水溫會直接影響水庫中細(xì)菌的活性，而甲烷和二氧化碳主要是通過細(xì)菌分解有機(jī)碳所產(chǎn)生，所以水溫會對溫室氣體的產(chǎn)生過程造成影響。另外，水溫還會影響氣體在水中的溶解度，溫度越高，氣體的溶解度反而會越小，從而增加進(jìn)入到大氣中的氣體。有機(jī)碳是甲烷和二氧化碳產(chǎn)生的直接來源，水庫的有機(jī)碳含量與溫室氣體通量具有比例關(guān)系。pH值是反映水庫水質(zhì)的重要因素，當(dāng)PH值處于較高水平時(shí)，水中的二氧化碳會溶于水，由于水中二氧化碳的減少，會使得大氣中的二氧化碳進(jìn)入水體。相反，PH值處于較低水平時(shí)，會使得水體中的二氧化碳進(jìn)入到大氣中。初級生產(chǎn)力即水庫中水生生物的生物泵作用，會對水庫水氣界面的氣體通量造成影響[5]。

3.2 陸地環(huán)境影響

陸地是水庫中碳的主要來源，所以其氣體通量自然會受到陸地環(huán)境的影響，水庫淹沒區(qū)植被與土壤類型的差別，會影響水庫產(chǎn)生溫室氣體的能力。其次不同水庫管理模式下，所形成的消落區(qū)也會存在碳含量的差異，從而影響溫室氣體排放通量[6]。

3.3 氣候影響

氣候因素對水庫溫室氣體通量的影響較大，首先從氣溫來看，隨著季節(jié)的變換，氣溫也會發(fā)生較大變化，水庫的水環(huán)境和陸地環(huán)境也會隨之發(fā)生相應(yīng)改變，從而對水庫溫室氣體的產(chǎn)生條件造成影響，形成不同強(qiáng)度的溫室氣體排放。有研究證實(shí)，水庫溫室氣體排放受不同季節(jié)氣溫條件的影響，具有較為明顯的季節(jié)變化特性。其次，降雨會使得大氣中的二氧化碳發(fā)生沉降，從而增加水體中二氧化碳的溶解量。另外，降雨會對地表造成沖刷，使得地下滲透或地表徑流進(jìn)入到水庫中的雨水，含有較多的有機(jī)碳，從而促進(jìn)甲烷和二氧化碳的生成，增加水庫溫室氣體的排放通量。最后，水庫表層水體和大氣中氣體的濃度梯度都會受到水體表面風(fēng)場的影響，例如，在淺水區(qū)，由于風(fēng)場的擾動，會使得氣泡產(chǎn)生量增加，從而增加水庫溫室氣體通量。

4 水庫溫室氣體通量監(jiān)測中遙感技術(shù)的應(yīng)用

由于水庫溫室氣體排放通量受諸多因素影響，而靜態(tài)箱法、倒置漏斗法、梯度法等監(jiān)測方法雖然具有一定的監(jiān)測效果，但是都是基于小區(qū)域數(shù)據(jù)建立的“點(diǎn)”模型，很難實(shí)現(xiàn)對整個(gè)水庫氣體排放通量的監(jiān)測。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，遙感技術(shù)在水庫氣體通量監(jiān)測中的應(yīng)用也越來越普遍，能夠有效實(shí)現(xiàn)對水庫的長期、持續(xù)監(jiān)測。

通過遙感技術(shù)，能夠?qū)靺^(qū)的土地利用類型進(jìn)行調(diào)查，從源頭分析不同區(qū)域溫室氣體通量差異產(chǎn)生的原因，通過庫區(qū)遙感歷史數(shù)據(jù)，能夠?qū)靺^(qū)淹沒土壤和植被的有機(jī)碳含量進(jìn)行估算，從而分析水庫溫室氣體排放特征。遙感技術(shù)，結(jié)合GIS空間分析方法、物理模型反演、植被指數(shù)法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等方法，能夠?qū)λ畮斓臏厥覛怏w排放通量進(jìn)行更為準(zhǔn)確的分析和計(jì)算。

5 結(jié) 語

總而言之，水庫水氣界面氣體通量的監(jiān)測方法較多，但目前還沒有比較統(tǒng)一的觀測標(biāo)準(zhǔn)，各種監(jiān)測方法都有自身的優(yōu)勢和劣勢，遙感技術(shù)在水氣界面氣體排放通量監(jiān)測中的應(yīng)用，能夠?qū)靺^(qū)環(huán)境實(shí)施時(shí)空連續(xù)觀測，通過對遙感數(shù)據(jù)的分析處理，能夠?qū)λ畮鞖怏w排放通量進(jìn)行更準(zhǔn)確的估算，可嘗試推廣應(yīng)用。

[1]趙小杰，趙同謙，鄭華，等.水庫溫室氣體排放及其影響因素[J].環(huán)境科學(xué),2008(08):2377-2384.

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[4]陸軍.盤山縣水資源供需平衡分析及主要問題[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2015(03)：18-20.

[5]黎昱,蔡淵蛟.小塔山水庫主壩溢洪閘基礎(chǔ)防滲帷幕灌漿施工要點(diǎn)[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì),2013(09):59-61.

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1007-7596(2017)01-0102-03

2016-12-14

佟艷輝(1981-)，男，遼寧朝陽人，工程師，研究方向?yàn)樗姟?/p>

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