水庫溫室氣體排放研究

吳 蕾，吳 曉 玲，李 超，2，王 志 偉，3

(1.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2.杭州市水文水資源監(jiān)測中心，浙江 杭州 310016； 3.江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司 南京分院，江蘇 南京 210029)

0 引 言

人類通過建壩修庫來調(diào)控洪水與開發(fā)利用水能資源，水庫建設(shè)運行對生態(tài)環(huán)境的影響已經(jīng)引起了國際社會的共同關(guān)注[1]。相比較于河流，相對封閉的深水環(huán)境和靜水特征使得水庫水體中的物質(zhì)更容易匯集、沉積，微生物生產(chǎn)、分解過程比較活躍，有利于溫室氣體的生產(chǎn)[2]；相對于湖泊，水庫的泄水方式增加了水體深處水流的擾動，有利于溫室氣體排放[3]。如今水庫溫室氣體通量變化在水電能源碳足跡評估與碳交易中的作用日益重要[4]。國際上對水庫修建、水力發(fā)電潛在溫室氣體效應(yīng)的研究起始于1993年，Rudd等[5]發(fā)現(xiàn)水庫建設(shè)可能引起CH4、CO2釋放通量增加；Keller等[6]和Kelly等[7]在當?shù)剡M行了大量的監(jiān)測研究，發(fā)現(xiàn)了加拿大北溫帶地區(qū)的水庫存在顯著的溫室氣體排放；Louis等[8]在巴西亞馬遜地區(qū)Tucuruf水庫的研究中指出，其CO2年排放總量相當于全年圣保羅市的化石燃料釋放的CO2量；Giles等[9]回顧了10 a來巴西熱帶水庫溫室氣體效應(yīng)的爭議，認為缺乏大量可靠的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)仍是剖析水庫溫室氣體效應(yīng)的重要障礙。此外，為了彌補監(jiān)測法測量溫室氣體排放通量的設(shè)備稀缺與采樣困難等問題，聯(lián)合國教科文組織與國際水電協(xié)會在收集了世界范圍內(nèi)223個水庫的實際案例后，于2014年12月啟動了水庫溫室氣體凈通量模型開發(fā)項目，構(gòu)建水庫溫室氣體凈通量評估模型(G-res Tool，www.hydropower.org/gres-tool)以評估水庫溫室氣體凈通量強度，科學(xué)評價筑壩蓄水對全球溫室效應(yīng)的影響。

本文以珠江上游率先興建的大化水庫為研究對象，運用G-res Tool模型計算分析水庫的溫室氣體(文中僅指二氧化碳CO2和甲烷CH4，下同)排放通量，評價大化水庫的溫室效應(yīng)，拓展珠江上游梯級水電站的溫室氣體排放評價應(yīng)用。

1 模型方法

G-res Tool模型認為水庫溫室氣體凈通量包含水庫蓄水后溫室氣體通量(Post)、蓄水前溫室氣體通量(Pre)和其他非相關(guān)人類活動產(chǎn)生的貢獻量(UAS)，四者之間關(guān)系如圖1所示。

按照圖1所示，等式右側(cè)的3個計算部分，分別結(jié)合其各自不同的影響要素，構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)值模型。

1.1 蓄水后水庫溫室氣體總通量(Post)

G-res Tool中，蓄水后水庫溫室氣體總通量包括水-氣界面擴散通量、氣泡釋放通量和過壩下泄消氣釋放通量3個不同途徑。

在水-氣界面CH4、CO2擴散通量計算環(huán)節(jié)主要考慮：CH4擴散通量主要受近岸帶比例、年均溫度和庫齡等影響；而CO2主要受流域平均坡度、磷含量、年均溫度與庫齡等影響[10]。由此，水庫生命周期內(nèi)通過水-氣界面的CO2擴散通量、CH4擴散通量計算公式為

FCO2，Di=5.93×10(0.04×TCO2+0.07×lgA+0.02×S+0.15×lgTP)×

(1)

(2)

式中：FCO2，Di，F(xiàn)CH4，Di分別表示水庫在運行100 a內(nèi)通過水-氣界面向大氣中釋放的CO2，CH4的通量，gCO2e/(m2·a)；TCO2，TCH4分別表示CO2，CH4的有效溫度，℃；A表示水庫面積，km2；S表示淹沒區(qū)碳含量，kgC/m2；TP表示總磷，μg/L；b表示蓄水前河流面積占比，%；α表示近岸帶比例，%。式(2)中的34是100 a的全球變暖潛能值換算系數(shù)，即每分子CH4的輻射效率約為每分子CO2的34倍[11]，用于FCH4，Di的單位換算。

針對CH4的排放，G-res Tool中還考慮水庫過壩下泄消氣釋放和近岸氣泡釋放。在描述CH4過壩下泄消氣釋放時，模型依據(jù)緊鄰大壩上、下游的CH4濃度差異，計算過壩下泄的消氣釋放量，其主要受泄水口深度、CH4擴散通量和水力停留時間等影響。近岸帶氣泡釋放計算時，模型假定水庫生命周期下的氣泡釋放通量具有對數(shù)方程的一般形式，同近岸帶比例、全球平均水平面輻射強度和庫齡等變量相關(guān)。水庫CH4的消氣釋放和氣泡釋放通量的計算分別為

FCH4，De=10(-5.5+2.29×lgFCH4，Di+0.99×lgTWRT)×

(3)

(4)

式中：FCH4，De表示CH4的消氣釋放通量，gCO2e/(m2·a)；FCH4，B表示CH4的氣泡釋放通量，gCO2e/(m2·a)；TWRT表示水分子在水庫中停留的平均時間，a；R表示年徑流量，mm/a；Ab表示流域面積，km2；A表示水庫面積，km2；G表示庫區(qū)全球平均水平面輻射強度，kgC/(m2·d)。

1.2 蓄水前溫室氣體通量(Pre)

G-res Tool中，采用兩種方法計算蓄水前溫室氣體通量。用戶可通過IPCC國家溫室氣體清單編制方法查找不同土地利用類型的CO2和CH4的排放因子，對于未建或擬建水庫，模型將不同土地利用類型面積乘以排放因子，以評估水庫蓄水前溫室氣體平衡；對已建水庫，因缺少歷史土地數(shù)據(jù)資料﹐模型假定水庫周邊的緩沖帶[4]同蓄水前土地利用類型等背景信息具有高度相似性，利用蓄水后“緩沖帶”的土地利用情況，反演淹沒區(qū)范圍[12]，再按待建水庫方法進行計算。其中緩沖區(qū)寬度W(m)表達式為

(5)

式中：A表示水庫表面積，m2。

1.3 其他非相關(guān)人類活動貢獻估算(UAS)

UAS表征了其他與水庫修建無關(guān)的人類活動所增加的溫室氣體排放量。在計算這一部分“增量”時，主要依據(jù)水體中磷含量與CH4轉(zhuǎn)化量之間的對應(yīng)關(guān)系[13-16]，通過收集人口與土地利用類型、水庫上游工業(yè)污染磷負荷和水庫水體磷濃度等數(shù)據(jù)，構(gòu)建水庫磷濃度增加“潛勢”同CH4釋放通量之間的關(guān)系。針對不同的土地利用類型，運用加權(quán)的求和模型來估算UAS通量：

(6)

式中：FUAS表示非相關(guān)人類活動溫室氣體排放通量，gCO2e/(m2·a)；k表示不同土地利用類型個數(shù)；β表示面積比；I表示強度，為用戶根據(jù)實際情況輸入值，較高的強度百分比意味著較多的與水庫修建無關(guān)的人類活動；f表示評估的風險指標，gCO2e/(m2·a)，它由磷負荷因子決定，不同土地利用類型在不同強度下的磷負荷因子可在G-res Tool的技術(shù)手冊中查詢計算[11]。

2 研究區(qū)域概況

大化水庫位于廣西紅水河中游(見圖2)，當?shù)囟嗄昶骄鶜鉁?8.2～21.7 ℃，年均降雨總量為1 249～1 673 mm。水庫始建于1975年，自1983年開始蓄水，是珠江上游率先修建的蓄水發(fā)電工程之一，對上游梯級水電站修建的碳足跡研究具有示范和指導(dǎo)作用。壩址以上集雨面積11.2萬km2[17]，多年平均徑流深558.8 mm，水庫壩高78.5 m，正常蓄水位155.00 m，平均水深44.0 m，庫容9.64億m3，年均泄水流量1 990 m3/s[18]，電站裝機容量600 MW，年發(fā)電量3 319 GW·h。

3 計算與分析

針對大化水庫的溫室氣體凈通量評估建模，收集流域信息(包括流域下墊面情況、水文氣候特點、人口數(shù)量等)[17-19]、水庫信息(包括水庫位置、水位、庫容、淹沒區(qū)面積以及裝機容量等)[17-20]和其他信息(包括水庫服務(wù)功能劃分等)[18]。資料多來自相關(guān)文獻、水文年鑒，此外還有一些來自相關(guān)網(wǎng)站，如氣溫、風速信息來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http：∥data.cma.cn)，水庫蓄水前后的土地利用信息來自地理國情監(jiān)測云平臺(http：∥www.dsac.cn/)，平均水平面輻射強度數(shù)據(jù)來自NASAPOWER(https：∥power.larc.nasa.gov/)等。

建模后，計算大化水庫蓄水前、后的溫室氣體排放情況，溫室氣體排放因子以及其碳足跡發(fā)展，并與世界上其他水庫以及火電廠進行比較，分析中國西南部喀斯特地區(qū)水庫的碳排放情況。

3.1 蓄水前后的溫室氣體排放情況

依據(jù)公式(1)～(5)得到大化水庫建庫前后以及由非相關(guān)人類活動貢獻的溫室氣體(CH4和CO2)排放估算總量如圖3所示。此處甲烷的排放量已經(jīng)按照100 a增溫效應(yīng)折算成產(chǎn)生相同增溫效應(yīng)的二氧化碳質(zhì)量，記作CO2e。

建庫后庫區(qū)溫室氣體(這里指CO2和CH4)年均排放通量為216 g CO2e/m2/a，年均排放總量為4 737 t CO2e/a，較蓄水前(1 348 t CO2e/a)增加了約2.5倍，其中，二氧化碳年均排放總量為2 848 t CO2e/a，甲烷年均排放總量為1 888 t CO2e/a。由圖3可見，蓄水后凈排放通量在CO2排放中占主導(dǎo)作用，其排放比例達到59.53%，是因為大化水庫水深且流速較緩，使水中的有機物和生物碎屑更容易聚集和分解，增加了溫室氣體的排放。水庫中甲烷排放可分為擴散釋放、氣泡釋放和消氣釋放，其中擴散釋放占主導(dǎo)作用(約占甲烷排放總量的59%)。此外，人類生產(chǎn)生活所帶來的水體磷濃度增加，是導(dǎo)致甲烷排放增加的主要因素(占蓄水后甲烷排放通量的73%)，由此可見，流域內(nèi)人類活動增加了水庫中溫室氣體的排放。

由圖3可見，蓄水前后CO2排放量都顯著高于CH4排放通量，這一現(xiàn)象也呼應(yīng)了現(xiàn)有的研究成果，即亞熱帶地區(qū)、寒帶及溫帶地區(qū)水庫的溫室氣體排放多以CO2為主[21]，而熱帶地區(qū)水庫的CH4排放量較其他氣候帶則更多(參見表1)。

表1 世界水庫溫室氣體排放量Tab.1 Greenhouse gas emissions from reservoirs in worldwide

3.2 溫室氣體排放因子

大化電站現(xiàn)有600 MW裝機容量，年均發(fā)電量3 319 GW·h/a，與溫室氣體(CO2和CH4)的二氧化碳排放當量4 737 tCO2e/a比較，得到蓄水發(fā)電型水庫——大化水庫的溫室氣體排放因子僅為0.5 gCO2e/(kW·h)，明顯低于世界平均水平(23.85 gCO2e/(kW·h))[28]。

據(jù)測算，中國大中型水電站能量密度中位值約為64 W/m2，分布范圍為24～235 W/m2，如三峽電站能量密度為35.6 W/m2，溪洛渡水電站能量密度為100.0 W/m2[25]。大化水電站的能量密度為27.4 W/m2。據(jù)2006年聯(lián)合國氣候變化框架公約(UNFCCC)清潔發(fā)展機制(CDM)劃定的閾值[29]：能量密度超過10 W/m2的水電項目，其溫室氣體排放可以忽略；能量密度介于4 W/m2和10 W/m2之間的水電項目，其溫室氣體排放因子被判定為90 gCO2e/(kW·h)；能量密度低于4 W/m2的項目被排除在CDM之外。由此可見，大化水庫的能量密度大于10 W/m2，且溫室氣體排放因子僅為0.5 gCO2e/(kW·h)，故大化水庫具有突出的溫室氣體低碳屬性。

3.3 水庫的碳足跡

大化水庫位于中國西南部巖溶地區(qū)，屬于山區(qū)峽谷型水庫[30]，河谷下切深，消落帶較少，淹沒區(qū)土壤有機質(zhì)和植物等生物體較少；受亞熱帶季風氣候影響，夏季降水豐富，豐沛的雨水帶來大量巖溶水，使得水庫水體pH升高，從而增加CO2的化學(xué)吸收量[31]。此外，流域內(nèi)人類活動以及生活排放量有限，溫室氣體排放通量在水庫蓄水2～3 a后達到最大，之后逐漸降低[26]。截至2021年，大化水庫庫齡為37 a，不穩(wěn)定的有機物早已被分解，溫室氣體的排放處于穩(wěn)定階段，隨著庫齡的增長，可以預(yù)測其溫室氣體排放量將穩(wěn)步衰減。通過100 a為生命周期計算預(yù)計，大化水庫將共計排放溫室氣體(CO2和CH4)4.7×105tCO2e，遠低于世界平均排放水平(3.06×109tCO2e)[25]。

3.4 珠江上游水庫群的溫室氣體排放評估

根據(jù)大化水庫的計算模式，收集其上游其他水庫的相關(guān)信息，包括流域信息、水庫信息以及其他相關(guān)信息，建立從魯布格、天生橋(一、二級)、平班、龍灘、巖灘至大化水庫的溫室氣體排放通量估算模型。由于各水庫的水下成分、微生物條件、營養(yǎng)物質(zhì)分解等情況基本相當，因此通過計算發(fā)現(xiàn)水庫群CH4綜合排放通量基本在60～360 gCO2e/(m2·a)之間。流域內(nèi)水庫群的溫室氣體排放通量在166～423 gCO2e/(m2·a)之間變化，其數(shù)據(jù)小于全球水庫的溫室氣體排放的平均水平602.25 gCO2e/(m2·a)，更進一步確認了珠江上游西南喀斯特地區(qū)梯級水庫的低碳屬性。

3.5 相對“清潔”的水電能源

煤電鏈的溫室氣體排放為1 303 gCO2e/(kW·h)[32]，是本文研究對象大化水庫的約兩千多倍。如果建造相同規(guī)模的火力發(fā)電廠代替大化水庫，以年均發(fā)電量3 319 GW·h/a計，則火電1 a會多排放3.83×106tCO2e的溫室氣體，約相當于1 532～3 064 km2森林吸收的CO2[32]。所需森林面積約為100個大化水庫的庫區(qū)面積，顯然這是一筆不小的溫室氣體排放量。綜上所述，水庫蓄水縱使會釋放一定量的溫室氣體，但與火電相比依然具有顯著的低碳屬性，是相對“清潔”的能源，為中國的減排工作做出了突出的貢獻。

此外，較之其他發(fā)電形式，如風電會誤傷飛鳥影響生態(tài)，太陽能會出現(xiàn)多晶硅的廢棄物污染，核電則具有核污染的安全隱患等，在其他能源還存在難以解決的技術(shù)與安全問題時，大力發(fā)展水電是減少中國環(huán)境污染的必要措施。在水利水電工程的規(guī)劃設(shè)計和運行調(diào)度管理時，應(yīng)把生態(tài)效益放在首位，使開發(fā)利用水能資源和保護環(huán)境與生態(tài)有機地結(jié)合，促進人和自然和諧共處，推動流域經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié) 語

目前，G-res Tool在溫室氣體凈通量評估中廣泛應(yīng)用，為全球水電能源溫室氣體排放研究提供了科學(xué)方法和理論框架。本文應(yīng)用G-res Tool模型，評估了大化水庫建庫前后碳排放情況，并估算了其100 a總排放量，確定了其低碳屬性，并拓展其應(yīng)用至珠江上游的其他梯級水庫，為中國水電站工程溫室氣體碳屬性的科學(xué)評估提供有效的技術(shù)支持。

通過上述研究發(fā)現(xiàn)G-res Tool對大化水庫乃至其上游梯級水庫的溫室氣體排放量估算有較好的適用性。然而，本次研究仍存在一些明顯不足，如缺乏連續(xù)的庫區(qū)內(nèi)實測水樣資料，無法清晰描述大化水庫溫室氣體排放的發(fā)展歷程。長期大量的現(xiàn)場跟蹤觀測與碳排放機理研究仍是未來認清水庫溫室氣體凈通量關(guān)鍵性影響因素的重點。