國(guó)際淡水水庫(kù)溫室氣體研究現(xiàn)狀——水庫(kù)溫室氣體研究國(guó)際研討會(huì)后記

吳炳方 趙 炎 曾 源

（中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所）

2012年6月25日，為期7天的水庫(kù)溫室氣體研究國(guó)際研討會(huì)在北京落下帷幕。會(huì)上，來(lái)自國(guó)際水電協(xié)會(huì)（IH A）、加拿大魁北克水電（Hydro Quebec）、澳大利亞聯(lián)邦科工組織（CSIRO）、挪威科技工業(yè)研究院（SINTEF）、瑞士聯(lián)邦水質(zhì)科學(xué)技術(shù)研究所（Eawag）、印度技術(shù)研究院（IIT）的專家展示了目前國(guó)際上開(kāi)展水庫(kù)溫室氣體研究最新的儀器設(shè)備，以技術(shù)培訓(xùn)的形式在宜昌三峽水庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)向國(guó)內(nèi)中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所、水生生物研究所、測(cè)量與地球物理研究所、長(zhǎng)江流域水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心以及三峽大學(xué)等參加單位介紹了設(shè)備的工作原理、方式以及具體操作，并與遙感應(yīng)用研究所開(kāi)展了多套設(shè)備的同步觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。隨后在25日于北京舉行的座談會(huì)上，IHA淡水水庫(kù)溫室氣體研究項(xiàng)目組專家、Hydro Quebec以及其它研究機(jī)構(gòu)專家分別介紹了目前國(guó)際上水庫(kù)溫室氣體研究現(xiàn)狀，并對(duì)該研究領(lǐng)域的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

水庫(kù)溫室氣體排放研究始于上世紀(jì)90年代末，從早期對(duì)熱帶地區(qū)水庫(kù)開(kāi)展研究引發(fā)“水電溫室氣體排放水平高于火電”的熱論，逐漸發(fā)展成為利用不同方法開(kāi)展對(duì)水庫(kù)溫室氣體的產(chǎn)生、排放等過(guò)程的機(jī)理研究。隨著這一話題在國(guó)際社會(huì)不同群體間的擴(kuò)散，近年來(lái)，各個(gè)國(guó)際研究機(jī)構(gòu)對(duì)建立可比、一致性研究方法呼聲越來(lái)越高，也推動(dòng)了各國(guó)在水庫(kù)溫室氣體研究這一領(lǐng)域的發(fā)展。縱觀此次國(guó)際研討會(huì)，不同研究機(jī)構(gòu)對(duì)水庫(kù)溫室氣體排放這一議題的研究已產(chǎn)生了新的變化，主要體現(xiàn)在：方法學(xué)上，不同研究團(tuán)隊(duì)之間求同存異，促使各國(guó)學(xué)者開(kāi)始探討不同觀測(cè)系統(tǒng)在存在細(xì)微差別情況下觀測(cè)結(jié)果的差異及其之間的聯(lián)系，針對(duì)具體問(wèn)題的新方法開(kāi)始出現(xiàn)；關(guān)注重點(diǎn)上，不再局限于水庫(kù)水體水氣界面的排放速率，轉(zhuǎn)而開(kāi)始在流域尺度上探討水庫(kù)中產(chǎn)生溫室氣體的碳物質(zhì)來(lái)源；不再局限于水庫(kù)現(xiàn)階段的溫室氣體排放毛排放量，轉(zhuǎn)而通過(guò)各種方式探討水庫(kù)建設(shè)對(duì)溫室氣體排放的凈影響。

1 國(guó)際上水庫(kù)溫室氣體核心研究方法已趨于一致，新方法、新技術(shù)逐漸引入

此次會(huì)議期間，國(guó)外參加單位均采用了類(lèi)似的“靜態(tài)箱+Picarro溫室氣體分析儀”的在線分析系統(tǒng)。其中Picarro設(shè)備代表了目前溫室氣體分析領(lǐng)域較為前沿的技術(shù)手段，而通量箱觀測(cè)方法，雖屬傳統(tǒng)的觀測(cè)手段，但經(jīng)歷了各個(gè)團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期的實(shí)踐，對(duì)箱體的幾何形態(tài)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并根據(jù)關(guān)注的不同科學(xué)問(wèn)題，給箱體增加了不同的附屬設(shè)備開(kāi)展專題監(jiān)測(cè)。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(cè)設(shè)備，用以獲取通量觀測(cè)時(shí)刻箱體下部水體擾動(dòng)對(duì)通量的影響。通過(guò)這一研究，CSIRO也得出結(jié)論稱在流動(dòng)水體中，箱體沉入水下部分深度產(chǎn)生的水體擾動(dòng)，將會(huì)在箱體覆蓋水域距離箱體邊緣10倍于入水深度的范圍內(nèi)產(chǎn)生影響，因此在進(jìn)行箱體設(shè)計(jì)時(shí)，盡量使箱體覆蓋較大的水面面積，同時(shí)在加大箱體在水流方向上的長(zhǎng)度，以此盡量減小水體振動(dòng)對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響；挪威SINTEF設(shè)計(jì)了三個(gè)箱體的同步觀測(cè)模式，可以實(shí)現(xiàn)在均一條件下觀測(cè)結(jié)果間的相互驗(yàn)證以及在較大觀測(cè)區(qū)域內(nèi)不同水環(huán)境條件下通量水平的差異。

另外，其它技術(shù)的跨領(lǐng)域應(yīng)用，也促使學(xué)者對(duì)水庫(kù)的溫室氣體排放有了更全面的了解。加拿大EI公司設(shè)計(jì)的水氣分離裝置，通過(guò)水泵抽取不同水深處水體，通過(guò)水氣分離分析溶解在水體中的二氧化碳和甲烷濃度，進(jìn)而通過(guò)與大氣中氣體濃度的比較計(jì)算水氣界面的擴(kuò)散通量；瑞士Eawag利用Simrad回聲探測(cè)儀開(kāi)展了對(duì)通過(guò)以氣泡方式排放氣體的觀測(cè)，Simarad通過(guò)固定在水面緩慢前行船只上的傳感器向水底發(fā)出電磁波，通過(guò)電磁波在遇到水下物體或沉積物所反射回來(lái)的回波信號(hào)分析水下物體，通常應(yīng)用于魚(yú)類(lèi)種群發(fā)現(xiàn)、魚(yú)類(lèi)生物量估算等。在水庫(kù)溫室氣體冒泡排放的研究中，Eawag利用了魚(yú)類(lèi)和氣泡在水體中完全不同的運(yùn)行軌跡的特征：魚(yú)類(lèi)多為靜止或水平游動(dòng)，在捕捉到的回波信號(hào)中表現(xiàn)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(xiàn)為一傾斜向上的軌跡（圖1）。根據(jù)這一差別，可對(duì)產(chǎn)生氣泡的數(shù)量、氣泡體積等進(jìn)行估算，結(jié)合在水氣界面獲得的氣泡中甲烷氣體所占的百分比，可對(duì)通過(guò)冒泡方式排放的甲烷進(jìn)行總量估算。Eawag在贊比亞的Kariba大壩開(kāi)展的研究表明，氣泡排放可發(fā)生在不同的水深條件下，但氣泡排放通量會(huì)隨著水深的降低而減小，但是當(dāng)區(qū)域內(nèi)有富含有機(jī)物質(zhì)的河流注入時(shí)，水體將產(chǎn)生持續(xù)的氣泡排放。

圖1 Simard系統(tǒng)獲得的回波信號(hào)示意圖（圖片源自瑞士Eawag Tonya DelSontro博士的報(bào)告）

2 水庫(kù)的溫室氣體排放是區(qū)域碳循環(huán)的一部分

新的技術(shù)手段和研究方法的應(yīng)用，促使各國(guó)科學(xué)家在更大的空間與時(shí)間尺度上開(kāi)展對(duì)水庫(kù)溫室氣體排放的研究，研究重點(diǎn)從僅關(guān)注水氣界面的排放通量，到考慮整個(gè)流域內(nèi)不同生態(tài)系統(tǒng)間的碳物質(zhì)的流動(dòng)與平衡過(guò)程。

生態(tài)系統(tǒng)各個(gè)成分之間二氧化碳循環(huán)，是地球生態(tài)系統(tǒng)中生命現(xiàn)象的重要特征，各種方式的人類(lèi)活動(dòng)都將產(chǎn)生一定量的碳足跡。水庫(kù)作為人類(lèi)對(duì)天然水資源合理應(yīng)用的一種方式也不例外。各國(guó)科學(xué)家已達(dá)成共識(shí)，水庫(kù)產(chǎn)生的溫室氣體排放主要產(chǎn)生于水庫(kù)蓄水淹沒(méi)的植物與土壤中有機(jī)碳物質(zhì)的分解，但在探討水庫(kù)溫室氣體排放強(qiáng)度的問(wèn)題時(shí)，僅考慮這部分分解導(dǎo)致水氣界面產(chǎn)生的氣體排放是不完整的。從水庫(kù)建設(shè)對(duì)流域所產(chǎn)生的影響而言，除淹沒(méi)大量有機(jī)物質(zhì)以外，還改變了水庫(kù)內(nèi)物質(zhì)的沉積動(dòng)態(tài)、改變了天然河道向下游水體輸送物質(zhì)的能力等。這些方面的改變都將導(dǎo)致水庫(kù)以外更大區(qū)域內(nèi)的溫室氣體排放動(dòng)態(tài)，如原來(lái)可能將在下游水域通過(guò)溫室氣體排放的碳物質(zhì)經(jīng)大壩攔截后沉積下來(lái)等。因此科學(xué)對(duì)待水庫(kù)建設(shè)對(duì)溫室氣體排放的影響，首先就需要對(duì)水庫(kù)建成后對(duì)這幾個(gè)方面的變化有全面的了解，這也是目前IHA/UNESCO淡水水庫(kù)溫室氣體項(xiàng)目試圖解決的一個(gè)重要問(wèn)題。

而在水庫(kù)溫室氣體問(wèn)題研究的時(shí)間尺度上，無(wú)論是IPCC提出的方法學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，還是各國(guó)學(xué)者通過(guò)觀測(cè)所積累的對(duì)這一問(wèn)題的認(rèn)識(shí)，都提到了開(kāi)展長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和分析的必要性。水庫(kù)產(chǎn)生較多溫室氣體排放往往在蓄水前期，隨著水庫(kù)運(yùn)行年限的增加，庫(kù)區(qū)水體的排放通量將產(chǎn)生相應(yīng)變化。加拿大HYDROQUEBEC和EI對(duì)EM-1水庫(kù)的研究表明，水庫(kù)蓄水所導(dǎo)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(méi)的植物體等分解殆盡，溫室氣體的排放水平將相應(yīng)降低直至到達(dá)一個(gè)穩(wěn)定水平（圖2）。

圖2 加拿大EM-1水庫(kù)長(zhǎng)時(shí)間序列分析結(jié)果（圖片源自魁北克水電集Alain Tremblay博士的報(bào)告）

挪威SINTEF在老撾Nam Ngum-Nam Leuk梯級(jí)水庫(kù)開(kāi)展觀測(cè)研究結(jié)果表明，位于下游的Nam Ngum水庫(kù)在運(yùn)行30年后，水庫(kù)每年可吸收大氣中的二氧化碳，吸收強(qiáng)度約為53Gg碳每年，而位處上游的Nam Leuk水庫(kù)蓄水運(yùn)行10年，其排放強(qiáng)度約為2.2Gg碳每年。SINTEF也根據(jù)觀測(cè)結(jié)果匯總了兩個(gè)水庫(kù)的碳物質(zhì)收支狀況及其平衡關(guān)系（圖3）。

圖3 老撾兩個(gè)梯級(jí)水庫(kù)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(bào)告）

值得引起注意的是，目前多數(shù)研究中通過(guò)觀測(cè)所獲得的都是在水庫(kù)運(yùn)行現(xiàn)狀下的總排放水平，以這樣一個(gè)結(jié)果分析和評(píng)價(jià)水庫(kù)建設(shè)所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)是片面的。研究表明，在水庫(kù)建設(shè)前，庫(kù)區(qū)的天然河道也是二氧化碳和甲烷等物質(zhì)的載體，在天然條件下，也會(huì)存在兩種氣體的自然釋放.水庫(kù)建設(shè)對(duì)溫室氣體排放影響的直接變化，應(yīng)該是水庫(kù)排放總量扣除天然河道排放水平后凈排放量。另外，水庫(kù)建設(shè)所導(dǎo)致的庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)等人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生對(duì)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(guò)對(duì)EM-1水庫(kù)自建成前6年至今的研究結(jié)果表明，在考慮庫(kù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)整體的情況下，水庫(kù)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(kù)建設(shè)前后庫(kù)區(qū)的二氧化碳排放總量情況（圖片源自魁北克水電集團(tuán)Alain Tremblay博士的報(bào)告）

3 水電作為一種可再生能源，其清潔屬性已為各國(guó)研究所認(rèn)可

水庫(kù)的溫室氣體排放之所以引起廣泛關(guān)注，很重要的一個(gè)原因就在于它與人們對(duì)水資源或水電清潔的認(rèn)識(shí)相悖。各國(guó)學(xué)者多以此為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)觀測(cè)研究最終也得到了相似的結(jié)論：水庫(kù)的建設(shè)會(huì)導(dǎo)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(jié)果可印證這一結(jié)論外，澳大利亞CSIRO對(duì)昆士蘭地區(qū)水庫(kù)開(kāi)展的研究也表明，區(qū)域內(nèi)64%以上的溫室氣體排放主要集中于6%的水庫(kù)區(qū)域，這部分區(qū)域多為庫(kù)區(qū)流域有機(jī)物質(zhì)聚集的地方，而這排放的總量與昆士蘭地區(qū)其它水資源利用形式，如雨水收集、水資源循環(huán)利用、海水脫鹽甚至日常供水相比，水庫(kù)所產(chǎn)生的甲烷排放仍然是最低的。Hydro Quebec根據(jù)EM-1水庫(kù)10余年的研究結(jié)果估算，該水庫(kù)單位發(fā)電量所產(chǎn)生的二氧化碳排放僅為10-50g/kW·h，遠(yuǎn)低于其國(guó)內(nèi)火電900-1300g/kW·h以及天然氣能源360-380g/kW·h的排放標(biāo)準(zhǔn)，該結(jié)果也與我國(guó)在三峽開(kāi)展初步研究所獲得的17g/kW·h的結(jié)論相似。

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

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

4 國(guó)內(nèi)研究需與國(guó)際通行方法接軌，并結(jié)合我國(guó)水電開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)開(kāi)展重點(diǎn)研究

國(guó)內(nèi)開(kāi)展對(duì)水庫(kù)溫室氣體排放問(wèn)題的系統(tǒng)研究相對(duì)較晚，但通過(guò)國(guó)家項(xiàng)目支持、集團(tuán)公司與科學(xué)院合作開(kāi)展專項(xiàng)，我國(guó)在這一領(lǐng)域內(nèi)與國(guó)際先進(jìn)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(jīng)費(fèi)投入，已基本確保國(guó)內(nèi)研究技術(shù)與國(guó)際先進(jìn)保持了同步，但在深入研究方法、開(kāi)展綜合分析等方面，仍存在一定的差距，具體表現(xiàn)在兩個(gè)方面：其一是在觀測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)上，如何通過(guò)合適的箱體設(shè)計(jì)，盡量減小環(huán)境擾動(dòng)對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備的控制模塊；其二是在開(kāi)展研究的角度上，不應(yīng)再局限于對(duì)水庫(kù)水體的研究，而應(yīng)該在流域尺度上開(kāi)展基于生態(tài)系統(tǒng)的凈排放研究。

25日在北京舉行的座談會(huì)上，中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司林初學(xué)副總經(jīng)理出席并發(fā)表講話，道出了我國(guó)開(kāi)展水庫(kù)溫室氣體研究中需要引起關(guān)注的幾個(gè)問(wèn)題。我國(guó)是水電開(kāi)發(fā)大國(guó)，且全國(guó)水力資源70%集中于西南地區(qū)，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(guó)多數(shù)水電水庫(kù)具有一個(gè)相似的氣候、地質(zhì)和生態(tài)環(huán)境背景，在這樣一個(gè)大背景下，于西南地區(qū)選擇典型水庫(kù)開(kāi)展深入研究，獲得通用的規(guī)律和結(jié)果后應(yīng)用于指導(dǎo)我國(guó)其它已建水庫(kù)的治理以及在建和擬建水庫(kù)的規(guī)劃和建設(shè)，這應(yīng)該成為我國(guó)在考慮水庫(kù)溫室氣體排放問(wèn)題的前提下開(kāi)發(fā)水電的一個(gè)重要思路。

另外，考慮到水庫(kù)流域內(nèi)物質(zhì)的輸入對(duì)水庫(kù)溫室氣體排放產(chǎn)生的影響，而庫(kù)區(qū)開(kāi)發(fā)、生態(tài)環(huán)境建設(shè)等一系列人類(lèi)活動(dòng)可能導(dǎo)致大量物質(zhì)的人為輸入。如何分析人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水庫(kù)溫室氣體排放問(wèn)題的影響并采取相應(yīng)的對(duì)策，也需要學(xué)者在研究中加以關(guān)注。