國際淡水水庫溫室氣體研究現狀——水庫溫室氣體研究國際研討會后記

吳炳方 趙 炎 曾 源

（中國科學院遙感應用研究所）

2012年6月25日，為期7天的水庫溫室氣體研究國際研討會在北京落下帷幕。會上，來自國際水電協會（IH A）、加拿大魁北克水電（Hydro Quebec）、澳大利亞聯邦科工組織（CSIRO）、挪威科技工業研究院（SINTEF）、瑞士聯邦水質科學技術研究所（Eawag）、印度技術研究院（IIT）的專家展示了目前國際上開展水庫溫室氣體研究最新的儀器設備，以技術培訓的形式在宜昌三峽水庫現場向國內中國科學院遙感應用研究所、水生生物研究所、測量與地球物理研究所、長江流域水環境監測中心以及三峽大學等參加單位介紹了設備的工作原理、方式以及具體操作，并與遙感應用研究所開展了多套設備的同步觀測實驗。隨后在25日于北京舉行的座談會上，IHA淡水水庫溫室氣體研究項目組專家、Hydro Quebec以及其它研究機構專家分別介紹了目前國際上水庫溫室氣體研究現狀，并對該研究領域的發展前景進行了展望。

水庫溫室氣體排放研究始于上世紀90年代末，從早期對熱帶地區水庫開展研究引發“水電溫室氣體排放水平高于火電”的熱論，逐漸發展成為利用不同方法開展對水庫溫室氣體的產生、排放等過程的機理研究。隨著這一話題在國際社會不同群體間的擴散，近年來，各個國際研究機構對建立可比、一致性研究方法呼聲越來越高，也推動了各國在水庫溫室氣體研究這一領域的發展。縱觀此次國際研討會，不同研究機構對水庫溫室氣體排放這一議題的研究已產生了新的變化，主要體現在：方法學上，不同研究團隊之間求同存異，促使各國學者開始探討不同觀測系統在存在細微差別情況下觀測結果的差異及其之間的聯系，針對具體問題的新方法開始出現；關注重點上，不再局限于水庫水體水氣界面的排放速率，轉而開始在流域尺度上探討水庫中產生溫室氣體的碳物質來源；不再局限于水庫現階段的溫室氣體排放毛排放量，轉而通過各種方式探討水庫建設對溫室氣體排放的凈影響。

1 國際上水庫溫室氣體核心研究方法已趨于一致，新方法、新技術逐漸引入

此次會議期間，國外參加單位均采用了類似的“靜態箱+Picarro溫室氣體分析儀”的在線分析系統。其中Picarro設備代表了目前溫室氣體分析領域較為前沿的技術手段，而通量箱觀測方法，雖屬傳統的觀測手段，但經歷了各個團隊長期的實踐，對箱體的幾何形態進行了優化設計，并根據關注的不同科學問題，給箱體增加了不同的附屬設備開展專題監測。其中典型的是澳大利亞CSIRO在箱體下端安裝了三維流速觀測設備，用以獲取通量觀測時刻箱體下部水體擾動對通量的影響。通過這一研究，CSIRO也得出結論稱在流動水體中，箱體沉入水下部分深度產生的水體擾動，將會在箱體覆蓋水域距離箱體邊緣10倍于入水深度的范圍內產生影響，因此在進行箱體設計時，盡量使箱體覆蓋較大的水面面積，同時在加大箱體在水流方向上的長度，以此盡量減小水體振動對觀測結果的影響；挪威SINTEF設計了三個箱體的同步觀測模式，可以實現在均一條件下觀測結果間的相互驗證以及在較大觀測區域內不同水環境條件下通量水平的差異。

另外，其它技術的跨領域應用，也促使學者對水庫的溫室氣體排放有了更全面的了解。加拿大EI公司設計的水氣分離裝置，通過水泵抽取不同水深處水體，通過水氣分離分析溶解在水體中的二氧化碳和甲烷濃度，進而通過與大氣中氣體濃度的比較計算水氣界面的擴散通量；瑞士Eawag利用Simrad回聲探測儀開展了對通過以氣泡方式排放氣體的觀測，Simarad通過固定在水面緩慢前行船只上的傳感器向水底發出電磁波，通過電磁波在遇到水下物體或沉積物所反射回來的回波信號分析水下物體，通常應用于魚類種群發現、魚類生物量估算等。在水庫溫室氣體冒泡排放的研究中，Eawag利用了魚類和氣泡在水體中完全不同的運行軌跡的特征：魚類多為靜止或水平游動，在捕捉到的回波信號中表現為一條橫向的軌跡，而氣泡為垂直向上，與船體橫向的速度疊加后表現為一傾斜向上的軌跡（圖1）。根據這一差別，可對產生氣泡的數量、氣泡體積等進行估算，結合在水氣界面獲得的氣泡中甲烷氣體所占的百分比，可對通過冒泡方式排放的甲烷進行總量估算。Eawag在贊比亞的Kariba大壩開展的研究表明，氣泡排放可發生在不同的水深條件下，但氣泡排放通量會隨著水深的降低而減小，但是當區域內有富含有機物質的河流注入時，水體將產生持續的氣泡排放。

圖1 Simard系統獲得的回波信號示意圖（圖片源自瑞士Eawag Tonya DelSontro博士的報告）

2 水庫的溫室氣體排放是區域碳循環的一部分

新的技術手段和研究方法的應用，促使各國科學家在更大的空間與時間尺度上開展對水庫溫室氣體排放的研究，研究重點從僅關注水氣界面的排放通量，到考慮整個流域內不同生態系統間的碳物質的流動與平衡過程。

生態系統各個成分之間二氧化碳循環，是地球生態系統中生命現象的重要特征，各種方式的人類活動都將產生一定量的碳足跡。水庫作為人類對天然水資源合理應用的一種方式也不例外。各國科學家已達成共識，水庫產生的溫室氣體排放主要產生于水庫蓄水淹沒的植物與土壤中有機碳物質的分解，但在探討水庫溫室氣體排放強度的問題時，僅考慮這部分分解導致水氣界面產生的氣體排放是不完整的。從水庫建設對流域所產生的影響而言，除淹沒大量有機物質以外，還改變了水庫內物質的沉積動態、改變了天然河道向下游水體輸送物質的能力等。這些方面的改變都將導致水庫以外更大區域內的溫室氣體排放動態，如原來可能將在下游水域通過溫室氣體排放的碳物質經大壩攔截后沉積下來等。因此科學對待水庫建設對溫室氣體排放的影響，首先就需要對水庫建成后對這幾個方面的變化有全面的了解，這也是目前IHA/UNESCO淡水水庫溫室氣體項目試圖解決的一個重要問題。

而在水庫溫室氣體問題研究的時間尺度上，無論是IPCC提出的方法學標準，還是各國學者通過觀測所積累的對這一問題的認識，都提到了開展長期監測和分析的必要性。水庫產生較多溫室氣體排放往往在蓄水前期，隨著水庫運行年限的增加，庫區水體的排放通量將產生相應變化。加拿大HYDROQUEBEC和EI對EM-1水庫的研究表明，水庫蓄水所導致的較高溫室氣體排放主要集中于蓄水初期幾年，在若干年后，隨著蓄水淹沒的植物體等分解殆盡，溫室氣體的排放水平將相應降低直至到達一個穩定水平（圖2）。

圖2 加拿大EM-1水庫長時間序列分析結果（圖片源自魁北克水電集Alain Tremblay博士的報告）

挪威SINTEF在老撾Nam Ngum-Nam Leuk梯級水庫開展觀測研究結果表明，位于下游的Nam Ngum水庫在運行30年后，水庫每年可吸收大氣中的二氧化碳，吸收強度約為53Gg碳每年，而位處上游的Nam Leuk水庫蓄水運行10年，其排放強度約為2.2Gg碳每年。SINTEF也根據觀測結果匯總了兩個水庫的碳物質收支狀況及其平衡關系（圖3）。

圖3 老撾兩個梯級水庫的碳收支狀況（圖片源自IHA水電專家、挪威SINTEF的Atle Harby教授的報告）

值得引起注意的是，目前多數研究中通過觀測所獲得的都是在水庫運行現狀下的總排放水平，以這樣一個結果分析和評價水庫建設所產生的溫室效應是片面的。研究表明，在水庫建設前，庫區的天然河道也是二氧化碳和甲烷等物質的載體，在天然條件下，也會存在兩種氣體的自然釋放.水庫建設對溫室氣體排放影響的直接變化，應該是水庫排放總量扣除天然河道排放水平后凈排放量。另外，水庫建設所導致的庫區生態環境建設等人類活動產生對溫室氣體排放間接影響，也需要在分析中予以考慮。Hydro Quebec通過對EM-1水庫自建成前6年至今的研究結果表明，在考慮庫區生態系統整體的情況下，水庫溫室氣體排放的變化量是很小的（圖4）。

圖4 加拿大EM-1水庫建設前后庫區的二氧化碳排放總量情況（圖片源自魁北克水電集團Alain Tremblay博士的報告）

3 水電作為一種可再生能源，其清潔屬性已為各國研究所認可

水庫的溫室氣體排放之所以引起廣泛關注，很重要的一個原因就在于它與人們對水資源或水電清潔的認識相悖。各國學者多以此為出發點，通過觀測研究最終也得到了相似的結論：水庫的建設會導致溫室氣體排放的變化，但這種影響是很小的。除以上研究結果可印證這一結論外，澳大利亞CSIRO對昆士蘭地區水庫開展的研究也表明，區域內64%以上的溫室氣體排放主要集中于6%的水庫區域，這部分區域多為庫區流域有機物質聚集的地方，而這排放的總量與昆士蘭地區其它水資源利用形式，如雨水收集、水資源循環利用、海水脫鹽甚至日常供水相比，水庫所產生的甲烷排放仍然是最低的。Hydro Quebec根據EM-1水庫10余年的研究結果估算，該水庫單位發電量所產生的二氧化碳排放僅為10-50g/kW·h，遠低于其國內火電900-1300g/kW·h以及天然氣能源360-380g/kW·h的排放標準，該結果也與我國在三峽開展初步研究所獲得的17g/kW·h的結論相似。

圖5 澳大利亞昆士蘭地區不同水資源利用方式的二氧化碳排放強度（圖片源自CSIRO Bradford Sherman博士的報告）

圖6 加拿大不同能源形式的二氧化碳排放強度（圖片源自魁北克水電集團Alain Tremblay博士的報告）

4 國內研究需與國際通行方法接軌，并結合我國水電開發的特點開展重點研究

國內開展對水庫溫室氣體排放問題的系統研究相對較晚，但通過國家項目支持、集團公司與科學院合作開展專項，我國在這一領域內與國際先進水平的差距正在逐漸縮小，尤其在硬件條件上，科研院所的大量經費投入，已基本確保國內研究技術與國際先進保持了同步，但在深入研究方法、開展綜合分析等方面，仍存在一定的差距，具體表現在兩個方面：其一是在觀測設備的設計細節上，如何通過合適的箱體設計，盡量減小環境擾動對觀測結果的影響，同時標準化設備的控制模塊；其二是在開展研究的角度上，不應再局限于對水庫水體的研究，而應該在流域尺度上開展基于生態系統的凈排放研究。

25日在北京舉行的座談會上，中國長江三峽集團公司林初學副總經理出席并發表講話，道出了我國開展水庫溫室氣體研究中需要引起關注的幾個問題。我國是水電開發大國，且全國水力資源70%集中于西南地區，已建和在建的大型水電工程也多聚集于此。這也決定了我國多數水電水庫具有一個相似的氣候、地質和生態環境背景，在這樣一個大背景下，于西南地區選擇典型水庫開展深入研究，獲得通用的規律和結果后應用于指導我國其它已建水庫的治理以及在建和擬建水庫的規劃和建設，這應該成為我國在考慮水庫溫室氣體排放問題的前提下開發水電的一個重要思路。

另外，考慮到水庫流域內物質的輸入對水庫溫室氣體排放產生的影響，而庫區開發、生態環境建設等一系列人類活動可能導致大量物質的人為輸入。如何分析人類活動對水庫溫室氣體排放問題的影響并采取相應的對策，也需要學者在研究中加以關注。