水庫溫室氣體排放及其影響因素研究

張巍偉

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，沈陽 110000)

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水庫溫室氣體排放及其影響因素研究

張巍偉

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，沈陽 110000)

在全球氣候不斷變暖的背景下，世界范圍內的平均氣溫逐漸升高，導致大量的冰川、積雪融化，這在很大程度上影響到自然生態系統的平衡與人類正常生產生活。而造成這一現象的主要原因為溫室氣體濃度提升，水庫作為淡水生態系統中的重要組成部分，受到多種內外部因素的共同作用，水庫中溫室氣體的排放量過大，為科學控制水庫產生的溫室氣體，降低溫室氣體對于大氣環境的影響，文章在簡要分析水庫溫室氣體排放途徑的基礎上，闡述其監測途徑，并重點從物理、化學等方面探討影響水庫溫室氣體排放的因素，以期為相關部門提供參考依據。

水庫；溫室氣體；影響因素；排放途徑

水庫在蓄水過程中會產生大量溫室氣體并排放，在氣候變暖的環境下，其已經逐步影響到區域生態平衡。根據相關調查報告顯示，水庫溫室氣體排放的影響因素可分為2種：①水庫中沉淀物開始產生有機碳；②水庫中本身產生的溫室氣體，其中提供有機碳的影響因素可細分為地表中輸入有機物質、區域中植物、土壤中的有機質等，影響水庫本身溫室氣體排放可細分為溫度、水體含有的有機質等。在建設水庫之前，工作人員應結合區域實際情況，綜合考慮水庫溫室氣體排放途徑、產生因素，合理了解水庫溫室氣體的排放布局、排放水平，盡可能減少溫室氣體對于自然環境的影響，實現人與自然和諧發展。

1 研究水庫區域概況

本研究以大伙房水庫為例，其位于撫順市東洲區，屬于渾河干流，其總庫容22.68億m3，相應庫容為14.30億m3，正常高水位約131.50m，興利庫容約12.96億m3，是我國建國后第一座自行設計、自行施工的大型水利樞紐，承擔撫順、沈陽兩市的工業、生活用水及遼寧中、南部地區農業生產的供水任務，具備防洪、供水、養魚、發電等多種功能。因此，研究該水庫的溫室氣體排放具有較大意義，不僅能夠進一步優化區域中資源配置，還可改善水庫水資源循環，保護區域自然環境[1]。

2 水庫溫室氣體主要排放的途徑

水庫溫室氣體的主要排放系統為沉淀物、水體(植物)和大氣環境，受到內外部因素的影響，每種系統中溫室氣體的排放存在一定的差異，具體如圖1所示：

圖1 水庫溫室氣體排放途徑

2.1 植物傳輸的排放途徑

水庫含水區域生長著大量水生植物，植物為保持根部呼吸的“順暢性”，通常根部會生長著輸導組織，以確保氧氣的正常輸送，該類組織也為二氧化碳和甲烷等溫室氣體的排放創造了條件，相關調查數據顯示，在水生植物生長茂盛的水庫區域，約有70%的甲烷能夠通過輸導組織進入到大氣環境中[2]。

植物傳輸溫室氣體排放途徑分為對流傳輸、分子擴散等機制，通常而言，對流傳輸排放途徑的速度比分子擴散方式快，其中傳輸規律與擴散規律如式(1)、式(2)所示：

傳輸規律：E5=FA-1△P-1

其中濕度誘導：△Pt=Pwi-Pwa

熱力學誘導：

△Pt=Pa(T0.5Ta-0.5-1)

(1)

式中：E5為氣體對流效率，cm3min-1cm-2Pa-1；F為氣流速率，cm3/min；A為葉片面積，cm2；△P為壓強差；△Pt為熱力學壓強差；△Pw為濕度壓強差；Pwi為葉片維管內濕度壓強；Pwa為大氣環境濕度壓強；Ti為葉片內部溫度；Ta為大氣溫度。

擴散規律：

Q=KAJ

(2)

式中：Q為氣體的通量；K為擴散的系數；A為整個通道面積；J為濃度梯度差。

2.2 排放氣泡的途徑

通過氣泡的方式排放溫室其他主要針對水庫區域的沉積物與甲烷等水庫微溶氣體，氣泡排放溫室氣體的強度一般與氣候、水體深度有關，但何種因素影響強度更大，則還沒有形成確定的定律，兩者具備變化性、復雜性等多種特點[3]，因此，在水庫中產生的氣泡也擁有同種特點，具體分為以下三方面：一是水庫水體環境中氣體濃度的較高；二是水庫區域的沉積物產生甲烷等氣體的速度快；三沉積物本身溶液張力小于水體壓力，其中最重要的因素為第二個，從理論的角度分析，如果沉積物區域產生甲烷的速度較為緩慢時，通常只有較少的氣泡，但速度變快時，甲烷氣體會逐步達到飽和，多余的氣體分子則會合并成氣泡。釋放甲烷氣體到大氣環境中也是一個較為復雜、系統的動力學過程，不僅與水體分壓差有關，還包括風速、水體溶解氧、氣體上升流的變動等因素，但就我國當前的研究現狀而言，仍沒有關注到其他因素，在一定程度上影響著水庫建設的合理性。

2.3 擴散氣體的排放途徑

擴散氣體的排放途徑主要是指溫室氣體的自由揮散，具體的氣體分子包括二氧化碳、甲烷氣體、一氧化二氮，氣體分子在濃度梯度的作用下，由高向低的進行運動，其具體的排放計算方式如式(3)所示：

F=akg,T△P

(3)

式中：F為排放通量；a為氣體溶解系數；Kg,T為氣體傳質系數；△P為氣體在大氣、水體之間的濃度差。

水庫與其他淡水系統相比，存在一定的特殊性，其包含大量人工機械設備，為排放溫室氣體提供了多種途徑，其中最重要的是水庫大壩的下游位置、溢洪道與水輪機設備等[4]。部分水庫為保障水輪機等機械設備的順利運行，通常會在離水庫表面較低位置設計進出水口，導致含有大量二氧化碳等氣體的水體進入水輪機，造成靜水壓力急劇變化，進而排放出溫室氣體。

3 水庫溫室氣體的主要監測方式

水庫溫室氣體的監測方式主要根據排放途徑而研究，因此針對植物傳輸、氣泡排放、擴散氣體排放等途徑的監測方式如表1所示：

表1 溫室氣體監測方式及監測機制與原理

4 水庫溫室氣體的排放影響因素

水庫溫室氣體的排放總量由傳輸過程、產生原因兩個模塊決定，而這兩個模塊主要受到物理、化學等方面因素的影響[5]，具體而言，分為以下幾方面：

4.1 物理影響因素

4.1.1 光合作用

光合作用直接決定著植物的生長過程，在進行光合作用的過程中會產生光合有效輻射，即通過改變植物或者微生物的活性、生長環境的溫度，影響到水體中溫室氣體的化學過程，該種因素受到植被的覆蓋情況而出現一定差異。光合有效輻射影響水庫溫室氣體的排放主要表現在以下2個方面：①改變植物本身光合作用的強度、微生物本身活性，間接影響到甲烷等溫室氣體的排放；②促使水體溶解氧發生變化，進而影響到一氧化二氮的排放[6]。

4.1.2 水庫平均風速

風速可借助風應力，破碎水體的表面，擴大空氣與水體整體的接觸面積，進而轉變空氣與表層水體中二氧化碳濃度梯度，提升氣體擴散的強度。同時，風力還可以擾動水體，促使沉積物產生更多氣泡，增加水庫溫室氣體的排放量。

4.1.3 區域溫度

溫度是水體的物理參數之一，主要受二氧化碳含量的影響，對于水庫而言，因水體區域具備垂向混合、縱向輸移的生境特征，所以，水庫與湖泊河流等自然水域相比，其二氧化碳的吸收量更多，水體中pH值極大程度上提高，使得水體吸收大量二氧化碳[7]。

4.2 生物影響因素

生物主要影響著二氧化碳氣體的排放，一是水庫處于自養狀態時，浮游植物的生產力會超過生物本身的呼吸作用，使得碳被固定，降低水體中的p(CO2)值，促使水體大量吸收二氧化碳；二是水庫處于異養狀態下，生物本身呼吸作用強于光合作用，水體中的p(CO2)值會增加，生物會向水體中直接釋放二氧化碳。

4.3 化學影響因素

化學因素分為氧化還原電位與pH值、溶解性有機碳與溶解氧、營養鹽等方面，每種化學因素的影響具備一定的差異性，在實際研究過程中，應結合水庫實際情況，合理的檢測水庫溫室氣體排放情況[8]。

4.4 人類生產生活的影響

水庫屬于大型水利工程建設，在很大程度上改變了土地的利用方式，改變了水庫區域本身的水生系統的變化過程，即影響到氮、碳等元素的含量，同時，水庫大壩下游區域工業化生產發達，部分污染物直接排入水庫，致使出現富營養化的問題，極大程度上增加了溫室氣體的產生，也提升溫室氣體整體的檢測難度[9]。

5 結 語

綜上所述，水庫是排放溫室氣體的主要場所之一，在全球變暖的時代背景下，其更應引起相關研究人員的重視程度，從水庫實際情況出發，綜合考慮溫室氣體排放途徑、監測方式與影響因素，制定科學應對溫室氣體排放的策略，保障水庫能夠充分發揮自身調節水資源的作用。在實際工作過程中，研究人員可借鑒國外先進成功經驗，將水庫減排工作與節能工作有機統一，不斷優化我國工業生產結構，減少對化石燃料的使用，最大程度上降低溫室氣體的產生量。同時，政府部門應加大對水庫建設的監督力度，推出統一的、連續的政策，借助市場經濟調節作用，提升水庫建設的有效性。

[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].環境科學,2008(08):2377-2384.

[2]鄧雪,李家銘,曾浩健,等.層次分析法權重計算方法分析及其應用研究[J].數學的實踐與認識,2012(07):93-100.

[3]高宏.喀左縣水資源開發利用分析[J].水利規劃與設計，2015(03)：34-35，45.

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

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

[6]李福仲，劉力真.郭家村水庫洪水預報調度系統研究[J].水利技術監督，2008(02)：46-48.

[7]張紹軍.實踐最嚴格水資源管理制度的探索[J].水利技術監督，2013(05)：23-26.

[8]高素麗.遼河流域河道生態工程建設方案[J].水土保持應用技術，2011(06)：35-38.

[9]李學森.凌河流域水資源現狀及保護措施[J].水土保持應用技術，2015(03)：36-37.

Study on Greenhouse Gas Emission and Its Influencing Factors in Reservoir

ZHANG Wei-wei

(Liaoning water conservancy and Civil Engineering Consulting Co., Ltd.,Shenyang 110000, China)

In the context of global climate warming, the average temperature in the world gradually increased, resulting in a large number of glaciers, snow melt, which affects the balance of natural ecosystems and human normal life in a great extent. The major reason for this phenomenon is caused by the concentration of greenhouse gases increase, the reservoir is an important part in freshwater ecosystem, influenced by a variety of internal and external factors, greenhouse gas emissions in the reservoir is too large, greenhouse gases for the scientific control of reservoir, reduce greenhouse gas impact on the atmospheric environment, In this paper, based on a brief analysis of the greenhouse gas emission pathways, expounds the monitoring way, and mainly from the aspects of physical and chemical factors on greenhouse gas emission in order to provide reference for the relevant departments.

reservoir; greenhouse gas;influencing factors;emission way

1007-7596(2017)01-0034-03

2016-12-22

張巍偉(1982-)，女，遼寧丹東人，工程師，研究方向為水利水電。

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