長江上游大中型水庫碳排放量估算與分析：以IPCC國家溫室氣體清單指南為基礎*

李雨晨，秦 宇，楊 柳，李 哲，魯倫慧

(1：重慶交通大學水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074) (2：中國科學院重慶綠色智能技術研究院，重慶 400714) (3：中國科學院大學重慶學院，重慶 400714)

全球氣候變化已被確認為當前人類世界面臨的最大挑戰(zhàn)，并將在未來幾十年繼續(xù)影響人類生存與社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展[1]。改變能源結構、大力推廣低碳的可再生能源并徹底取代傳統(tǒng)化石燃料，是實現(xiàn)《巴黎協(xié)議》預期目標的重要途徑。在可再生能源中，水力發(fā)電占據(jù)重要的地位。截至2020年底，全球水電總裝機容量達到1308 GW，水力發(fā)電量約占世界總發(fā)電量的16%[2]，水電在全球可再生能源中占比約62.11%[3]。作為技術成熟可靠、經(jīng)濟低廉且安全性較高的可再生能源形式，發(fā)展水電已成為廣大發(fā)展中國家在優(yōu)化能源結構方面的首要選擇，為減少各國碳排放提供了巨大的潛力[4-5]。

盡管水電生產過程并未發(fā)生如煤炭、石油、天然氣等化石能源發(fā)電系統(tǒng)中的劇烈氧化反應，但水庫型水電項目因筑壩蓄水等導致土地利用類型發(fā)生變化，導致了淹沒區(qū)域大量有機質降解，產生CO2、CH4等溫室氣體，對全球氣候變化產生潛在貢獻[6-9]。自1993年，Gagnon和Vate[10]較早開展水庫水-氣界面溫室氣體通量監(jiān)測分析以來，國際學界對水電產生的溫室效應具有不同的看法，就水電是否為清潔能源展開了激烈討論[7,11-14]。1995年，F(xiàn)earnside[11]研究發(fā)現(xiàn)，在發(fā)電量相等的條件下，位于熱帶雨林地區(qū)的水庫的溫室氣體排放量相當于一座化石燃料發(fā)電廠的溫室氣體排放量；2009年，Qiu[12]在Nature發(fā)表題為“Chinese dam maybe a methane menace”的文章，認為三峽工程產生了嚴重的CH4威脅；Bertassoli等[13]認為盡管通過減少淹沒面積有效減少水電碳足跡，但即使是徑流式水電，它們的溫室氣體排總量也是很大的，因此作者提出在亞馬遜地區(qū)應避免所有類型水電的擴張。但Li等[7]對溪洛渡和向家壩兩個水電工程進行生命周期碳足跡評估，發(fā)現(xiàn)其生命周期碳排放量具有顯著的低碳優(yōu)勢；Suman[14]強調水電等可再生能源有效減少了溫室氣體排放，微型水電工程僅在2018年就減少了溫室氣體排放量3342 t CO2eq。傳統(tǒng)觀點認為，因淹沒土地導致有機質降解，水庫蓄水初期單位面積排放的溫室氣體一般高于湖泊、河流等自然水體，同時水沙情勢改變也給水庫提供了有利于CH4產生的環(huán)境條件[15]。因此，量化水庫生命周期內的碳排放對探究水電低碳清潔屬性具有至關重要的作用。

水庫碳排放與水電碳足跡在概念上存在本質性的區(qū)別[16]。水庫的生命周期指的是水庫由首次蓄水至設計運行水位或正常水位開始，直至水庫完全失去其使用功能或至拆壩的時間范圍[17]。水電工程的生命周期則包括了工程建設前期、施工建設、運行維護和拆壩恢復4個階段。作為開發(fā)利用水資源的基礎設施，一方面，大壩修建與水庫蓄水運行的目的不僅在于水電能源生產，還提供了包括防洪抗旱、供水灌溉、旅游航運等多種服務功能。另一方面，一些水利水電工程項目并不需要通過筑壩蓄水、淹沒陸地而實現(xiàn)發(fā)電，如徑流式電站。因此，水庫碳排放僅是蓄水式水利水電工程生命周期碳足跡的一部分。

目前，對于水庫碳排放量的監(jiān)測和模型估算，在全球范圍內已開展了不少研究工作。但是，由于各研究監(jiān)測方法及數(shù)據(jù)處理方式存在差異，導致結果存在不確定性。而原位監(jiān)測對人員、設備和時間周期的限制因素較多，相比之下模型研究有助于指導水庫規(guī)劃與建設，是該領域值得拓展與深化的研究手段[18]。2017年，國際水電協(xié)會(International Hydropower Association，IHA)頒布了其牽頭組織開發(fā)的水庫溫室氣體凈排放量模型(G-res Tool)，該模型可以對全球水電案例溫室氣體排放的估算[9,18]。但由于使用該模型時需具備較完善的水庫及流域相關的參數(shù)(如：水庫增溫層深度、磷濃度、淹沒土壤碳含量、近岸帶比及年均凈流量等)，在一定程度上限制了大部分無較詳細信息記錄或未建成水庫的溫室氣體排放量的核算工作。另一方面，政府間氣候變化專門委員會(IPCC)于2017年啟動了對《國家溫室氣體清單指南》(以下簡稱為《指南》)的精細化修編工作，2019年正式頒布該清單指南[19]?！吨改稀诽峁┝?種不同層級、由簡漸繁的方法學，對人類活動導致的水淹地溫室氣體排放進行估算。為我國大規(guī)模地開展水庫溫室氣體排放的評估提供了重要參考。

中國是世界上水電資源儲量最大的國家之一，潛在儲量達到694 GW，技術可開發(fā)容量542 GW[20]。截至2020年底，我國水電年發(fā)電量為1355.20 TW·h，水電裝機總量為370.160 GW[21]，占我國全部裝機容量的16.82%[22]。當前，我國長江上游水電已逐步從投資建設階段逐步過渡到運營管理階段，生態(tài)環(huán)境約束對長江上游流域大中型水電項目長期運營管理提出了新的要求。特別是在“雙碳”目標下，厘清水電項目碳排放情況，對水利水電行業(yè)在“雙碳”工作中找準定位至關重要。綜上，在《指南》(2019年修編)第一層級(Tier 1)方法基礎上，本研究選取了長江上游24個中、大型水電項目，對其水庫生命周期內的碳排放量進行估算，并開展參數(shù)敏感性分析與不確定性分析以獲得長江上游24個大中型水電項目水庫碳排放的估值范圍。研究結果將進一步服務于上述24個水電項目全生命周期的碳排放評估，為更準確地核定我國水電碳排放因子提供基礎。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域概述

長江上游流域指的是從長江源頭到湖北宜昌的流域范圍，即三峽大壩上游流域，流域面積約100×104km2。長江上游流域是我國水電能源“富礦區(qū)”，包括了我國13大水電基地規(guī)劃中的5個(長江上游、金沙江、烏江、雅礱江、大渡河)。

本研究遴選了分布于上述5個水電基地中的24座大中型水電站，經(jīng)緯度在26.210°～30.823°N，99.034°～111.004°E范圍內(圖1)，水庫影響區(qū)涉及我國5個省級行政區(qū)劃，分別為西藏自治區(qū)、四川省、云南省、重慶市、湖北省。庫區(qū)及庫區(qū)周圍多處于亞熱帶季風氣候，熱量較為充足且濕度較大。均鑲嵌于河谷中，地形陡峭、河谷狹窄，附近河谷多呈“V”型，部分河谷呈略寬緩的“U”型。水庫蓄水導致淹沒農村及縣城，其中包括房屋、交通用地及林地、園地、耕地等土地。此外，所選電站中，包括已投產和未投產的水電站。其中，最早開始滿蓄發(fā)電的水電站為彭水水電站，于2007年投產，尚未投產的水電站有旭龍、拉哇、巴塘等。所選的24個水庫基本覆蓋了長江上游流域，且具有裝機容量、正常蓄水時水面面積及庫容等工程特性差距較為懸殊的特點，在長江上游的大、中型水電工程對應的水庫中具有一定的代表性。

圖1 長江上游典型大中型水電站的分布Fig.1 Distribution of typical large and medium hydropower stations in the upper reaches of the Yangtze River

1.2 IPCC水淹地章節(jié)方法概述

IPCC把水淹地(flooded land)定義為由于人類活動(通常是通過水位調節(jié))導致土地被覆蓋面積發(fā)生變化的水體，具體包括水庫、運河、溝渠及池塘等[19]。作為一個人類改變土地利用“泛化”的概念，水淹地改變土地利用變化可細分為以下情形：1)自然水體的表面面積增加10%；2)水體容積、流量或停留時間發(fā)生顯著變化(水體停留時間增加超過10%)。水庫修建是水淹地最重要的案例。被淹沒的土地會排放CO2、CH4和N2O等溫室氣體，排放量取決于淹沒地的被淹沒時長、淹沒前土地利用情況、氣候、上游匯水特征和管理調控等多種特征，且排放會隨空間和時間發(fā)生變化。按照IPCC清單指南，以淹沒年限20年為界把水庫劃分為2個時期：庫齡小于20年為蓄水初期，對應“土地轉化而成的淹沒地(land converted to flooded land)”；淹沒超過20年的水淹地對應“一直被淹沒的淹沒地(flooded land remaining flooded land)”，分別對CO2排放總量和非CO2排放總量進行計算，非CO2僅考慮CH4。關于N2O排放問題，IPCC國家溫室氣體清單指南的觀點認為[19]，水系統(tǒng)中N2O的排放主要來自于陸地人類活動所產生的N輸入(人工固氮、廢水排放、化肥使用與面源污染等)，故在2006年國家溫室氣體清單方法學中將N2O排放的估算納入了農業(yè)面源版塊，避免在水系統(tǒng)中重復計算。上述觀點延續(xù)至2019年方法學修編中。因此，本研究暫不涉及水庫N2O排放。

在IPCC的國家溫室氣體清單方法學中，每一項方法學均提供了3個不同復雜程度的層級(Tier 1～Tier 3)。層級1到層級3隨著復雜性增加、參數(shù)增多而評估結果的不確定性逐漸減少，不確定性的減少基于更加有針對性且可靠的排放因子或溫室氣體估算模型。其中，層級3要求淹沒水體所在國家具備其特定排放因子、模型或基于測量提出的估算方法，否則應具備足夠的數(shù)據(jù)和資源來獲取上述信息并進行驗證。層級2建議根據(jù)各個水庫的實際溫室氣體通量監(jiān)測值及葉綠素濃度來估算排放因子，大壩下游排放量應根據(jù)實測上、下游氣體通量進行估算。而層級1為基礎計算模型，它的提出是為了滿足所有國家的溫室氣體清單核算需求，包括缺乏專業(yè)知識或缺乏相應數(shù)據(jù)的國家。本研究將主要采用層級1的方法對水庫進行生命周期碳排放估算，同時以層級2作為參數(shù)選擇的補充依據(jù)。

1.3 方法

1.3.1 水庫生命周期內碳排放估算 IPCC認為，對蓄水初期的水庫(庫齡≤20年時)，由于其淹沒區(qū)域淹沒了大量土壤和植被等，水庫處于土地利用快速轉化期，需同時計算CO2和CH4的排放量。蓄水初期過后(庫齡>20年)，水庫排放的CO2主要來自流域范圍內其他土地類別的外源碳輸入，此時的CO2排放在其他土地利用類型中考慮，即歸結于林地、耕地和草地等其他面源污染。因此，對于蓄水超過20年的水庫僅估算CH4排放量。針對上述計算規(guī)則，IPCC形成了以下學術共識：在水庫全生命周期中，水文情勢與泥沙過程發(fā)生改變，CH4排放量反映該變化過程產生的永久且不可逆的影響[19]。而水庫的CO2排放量在短期內反映其淹沒土地導致的有機碳降解；長期情景中則表征碳排放的“空間轉移”，即并非因人為筑壩蓄水而增加的排放，因此在長期情景中，CO2排放量可不予考慮[8,19]。水庫CH4排放量估算為水庫表面的排放量和水庫內產生但遷移到大壩下游的排放量這兩個部分的總和，兩個部分的排放均由擴散和冒泡兩種方式產生(詳見附表Ⅰ)。

1.3.2 不確定性和敏感性分析 碳排放量估算模型的不確定分析方法通常包括：誤差傳遞法和蒙特卡洛(Monte Carlo)分析法。其中，誤差傳遞法較為簡單，但需要滿足較為嚴格的假設條件(例如數(shù)據(jù)類別間無顯著相關性、不確定性小于數(shù)值的±30%或呈正態(tài)分布)[23]，這在一定程度上制約了誤差傳遞法的準確使用。蒙特卡洛分析法需要更多計算所涉及得數(shù)據(jù)的概率分布信息，它的應用取決于是否能夠獲取概率分布信息，且此方法可以為預測值的不確定性提供一個更有代表性的置信區(qū)間。當不確定性很大、分布呈現(xiàn)非高斯分布，且算法是復雜函數(shù)時，蒙特卡洛法將較為適用[23]。敏感性分析可確定各參數(shù)的不確定性如何影響評估結果的不確定性[24]。本研究中估算結果的不確定性主要來源于各參數(shù)取值的不確定性。IPCC為確保其估算公式的準確性，每個參數(shù)均給出推薦值及概率分布范圍。其中，αi、Rd,i及GWP均為非高斯分布且不確定性大于±30%。綜上，本研究選用蒙特拉洛法進行不確定性及敏感性分析，設置試驗次數(shù)為10000次并執(zhí)行計算機仿真。不確定性分析與敏感性分析中，把參數(shù)EF、Rd,i設定為Beta Pert分布，αi、非化石燃料燃燒CH4全球增溫潛勢(100年)定義為均勻分布(表1)。

表1 參數(shù)取值及其不確定性分布情況[19]*Tab.1 The value of each parameter and its uncertainty distribution [19]

1.4 數(shù)據(jù)來源

水利水電工程的合理使用年限參照《水力水電工程合理使用年限及耐久性設計規(guī)范》(SL 654-2014)[25]并結合所涉及項目的工程類別確定。排放因子(EF)根據(jù)水庫所處氣候帶結合劃分的氣候區(qū)域進行選擇，本研究涉及的水庫均屬溫暖濕潤區(qū)。營養(yǎng)程度綜合考慮國家地表水水質數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)(http://106.37.208.244:10001/)發(fā)布的觀測點位N、P濃度以及已公開發(fā)表的實測葉綠素a(Chl.a)濃度進行營養(yǎng)狀態(tài)等級劃分。目前，針對過壩消氣釋放的研究相對較少，目前尚未有針對所研究水庫的長時間序列的實測值、統(tǒng)計值以支撐大壩上下游甲烷排放通量比值Rd,i的取值，因此暫時以默認值進行估計(表1)。此外，本研究涉及的各水電站裝機容量、年均發(fā)電量、正常蓄水時庫區(qū)平均水深等工程及水庫特性數(shù)據(jù)主要來源于各水電站環(huán)評報告，并以《21世紀中國水電工程》[26]作為補充。各水庫使用年限、營養(yǎng)狀態(tài)調整因子等參數(shù)見表2。

表2 24個水庫的基礎信息和參數(shù)取值Tab.2 Basic information and parameter values of the 24 reservoirs

2 結果與分析

2.1 長江上游主要水庫的基本特征

本研究所選水利水電工程規(guī)?？缍容^大(圖2)，裝機容量的觀測值范圍(即1.5個IQR范圍內的值)為390～6000 MW，25%～75%置信區(qū)間內裝機容量為1625～4050 MW，50%對應2350 MW，平均裝機容量為4400.42 MW，標準偏差(SD)達到5496.51 MW，統(tǒng)計學意義上的異常值分別是我國裝機容量最大的4個水電站——三峽、白鶴灘、溪洛渡及烏東德。

圖2 24個水庫的裝機容量(a)、控制流域面積(b)、正常水位下的水面面積(c)及庫容(d)的分布情況Fig.2 The distribution of installed capacity (a), control basin area (b), water surface area under normal water level (c), and storage capacity (d) of the 24 reservoirs

各水庫控制流域面積的25%～75%置信區(qū)間為14.77×104～27.94×104km2，最小觀測值和最大觀測值分別為6.6×104和43.08×104km2，對應兩河口水庫和白鶴灘水庫。所研究的水庫在正常蓄水時水庫面積在1.5 IQR內的范圍為0.89～133.65 km2，此處下邊緣值即最小值，對應較大型水電站——錦屏二級水電站(裝機容量=4800 MW)的水庫。各水庫水面面積的中位數(shù)為27.65 km2，均值達到95.81 km2，略大于上四分位數(shù)的94.30 km2，下四分位數(shù)為15.45 km2。裝機容量最大的三峽水庫和白鶴灘水庫，正常蓄水時水面面積分別達到1084.00和216.49 km2，約為中位數(shù)的40和8倍。而水庫正常蓄水時庫容的1.5 IQR范圍為0.1401×108～115.7×108km3，25%～75%置信區(qū)間內庫容范圍為4.814×108～50.205×108km3，均值接近于上四分位數(shù)，為45.117×108km3，50%位數(shù)接近于下四分位數(shù)，為9.635×108km3。三峽水庫和白鶴灘水庫的正常庫容超出上邊緣值，達到393×108和179.24×108km3。

2.2 長江上游主要水庫碳排放估算結果

水利水電工程使用年限內水庫碳排放量預測結果如圖3所示，誤差線為不確定性分析中95%置信區(qū)間的取值范圍。根據(jù)IPCC水淹地國家溫室氣體清單Tier 1方法估算結果，所研究的24個水庫中，長江上游各水庫生命周期內的平均碳排放量分布區(qū)間為0.0342～140.59 Tg CO2eq，均值為11.13 Tg CO2eq，總排放量達到264.05 Tg CO2eq。其中，CO2排放量占9.12%，CH4排放量占90.88%。

本研究案例水庫所屬的水電工程中，裝機容量最大的是三峽、白鶴灘及溪洛渡水電工程，其中三峽水庫和白鶴灘水庫也是生命周期內碳排放量最高的兩座水庫，排放量分別達到140.59 Tg CO2eq(42.76～286.37 Tg CO2eq)和27.78 Tg CO2eq(8.5～56.33 Tg CO2eq)。而由于溪洛渡水庫正常蓄水時水面面積相對較小且營養(yǎng)程度較低，因此其碳排放量低于所研究水庫中29.17%的水庫，壽命期內的碳排放量為5.14 Tg CO2eq(3.69～6.68 Tg CO2eq)，僅為三峽水庫碳排放量的3.66%。所屬水利水電工程裝機容量最小的為銀江、金沙及銀盤水電工程，對應的水庫壽命期內碳排放量分別為0.39(0.13～0.76)、0.55(0.18～1.10)及3.17(1.44～5.61)Tg CO2eq。錦屏二級水電項目總裝機容量為4800 MW，在所研究的水利水電項目中排在前30%，但其生命周期內的碳排放量卻是最小的，僅為0.0342 Tg CO2eq(0.0244～0.0446 Tg CO2eq)。這是因為錦屏二級水庫屬于貧營養(yǎng)型水庫，且根據(jù)其環(huán)境影響評價報告可知，該水庫正常蓄水時水面面積僅為0.89 km2，是所研究的所有水庫中水面面積最小的水庫。在單位發(fā)電量的碳排放研究中(圖3)，24個水庫的均值為3.30 g CO2eq/(kW·h)，在0.01～17.64 g CO2eq/(kW·h)的區(qū)間內波動，最小值出現(xiàn)在錦屏二級水庫，最大值出現(xiàn)在彭水水庫。錦屏二級水庫碳排放量遠小于其他水庫，但多年平均發(fā)電量較大(24.37 TW·h)，僅次于向家壩水電站(37.57 TW·h)，因此，錦屏二級水庫單位發(fā)電量的碳排放最小。相反地，彭水水庫水面面積和水體營養(yǎng)程度均呈較大值，而多年平均發(fā)電量較小(6.35 TW·h)，較高的生命周期碳排放量水平分配到發(fā)電量上，導致其單位發(fā)電量的碳排放量極大。銀盤水庫單位發(fā)電量的碳排放量僅次于彭水水庫，為11.69 g CO2eq/(kW·h)。而三峽水庫單位發(fā)電量的碳排放量較銀盤水庫小，為10.63 g CO2eq/(kW·h)。

圖3 水庫碳排放估算結果Fig.3 Estimation results of carbon emissions from reservoirs

2.3 評估結果的敏感性分析

通過上述不確定性分析發(fā)現(xiàn)，各個輸入?yún)?shù)不確定性對最終結果的累積效應導致各水庫碳排放量波動范圍較大，全局敏感性分析可幫助識別估算模型的主要控制因素。對于特定水庫而言，其所處氣候區(qū)是可以確定的，則由氣候區(qū)確定的排放因子及其分布情況一定，以此為背景進行全局敏感性分析。

從敏感性分析結果(圖4a)可以看出，水庫營養(yǎng)狀態(tài)調整因子(αi)是碳排放量估計結果產生不確定性的主要控制因素，平均方差貢獻達到了86.22%(81.6%～87.9%)，其次是非化石源CH4100年全球變暖潛勢(GWP100,CH4)。而在所有氣候區(qū)中，大壩下、上游CH4通量的比值Rd,i對結果不確定性貢獻均很小，方差貢獻僅為0.3%～0.6%。這是因為《指南》提供的αi的取值及IPCC第6次評估報告中更新的GWP100,CH4的取值均呈均勻分布，且在水庫營養(yǎng)狀態(tài)未知的情況下，αi不確定性分布范圍更為寬泛(均值=20.05，SD=11.17)，因此對評估結果造成了較大的影響。而對于參數(shù)Rd,i，目前對大壩下游脫氣釋放的CH4和在大壩出水口進入河流后釋放的CH4的研究較少，已發(fā)表的研究也顯示出Rd,i數(shù)值較為集中的特點，《指南》(2019年修訂版)的編撰者通過嚴謹?shù)慕y(tǒng)計與驗證，對Rd,i給出了較準確且精確的值(SD=0.05)。因此參數(shù)Rd,i敏感性最小。排放因子EF對北方氣候帶(boreal)的水庫生命周期碳排放量評估結果貢獻率達到7%，顯著高于其它氣候區(qū)。

在上述全局敏感性分析的基礎上，對本研究水庫所處的氣候區(qū)——溫暖濕潤氣候區(qū)進行敏感性分析，以等級相關系數(shù)來表征各參數(shù)敏感性。根據(jù)《指南》(2019年修訂版)把營養(yǎng)狀態(tài)歸為4個等級——貧營養(yǎng)、中營養(yǎng)、富營養(yǎng)和超富營養(yǎng)，分別對應不同的αi取值和分布情況(圖4b)，并進一步把中營養(yǎng)型水庫各不確定性參數(shù)分別與水庫單位面積排放量做相關性分析(圖4c)。由于EF和Rd,i不受水庫營養(yǎng)程度影響，且呈Beta PERT分布(即存在最可能值)，因此在不同營養(yǎng)程度等級的水庫中均與估算結果的相關系數(shù)較小。各參數(shù)不確定性在富營養(yǎng)和超富營養(yǎng)型水庫中與碳排放量的相關性基本一致。對于貧營養(yǎng)型水庫而言，αi為確定數(shù)值，因此對碳排放量估算結果的不確定性幾乎沒有影響，最終碳排放量不確定性產生的主導因素為GWP100,CH4。中營養(yǎng)、富營養(yǎng)和超富營養(yǎng)型水庫生命周期碳排放量不確定產生的主導因素均為αi，其次為GWP100,CH4。其中，αi與中營養(yǎng)性水庫的碳排放相關性最大。此外，這些因素中，GWP100,CH4表示在100年內非化石源(non-fossil)CH4在大氣中保持綜合影響及其吸收外逸熱紅外輻射的相對作用，其數(shù)值由IPCC計算并發(fā)布，可信度較高。因此，盡管其較大程度地影響了水庫碳排放量，但在獲得更加精確且可信的數(shù)值前可暫時不考慮通過優(yōu)化該參數(shù)來降低不確定性。

圖4 參數(shù)敏感性分析結果Fig.4 Sensitivity analysis results of each parameter

由上述結果可知，在使用此模型計算水庫碳排放量時，須謹慎考慮αi的賦值以降低結果的不確定性，尤其對營養(yǎng)程度較高的水庫進行估算時，宜對水庫具有代表性的采樣點位系統(tǒng)進行長時間尺度的Chl.a濃度觀測來獲得更精確的αi。相反，在條件有限時，EF和Rd,i可暫時選用默認值。

2.4 長江上游水庫碳排放量的主要影響因素

本研究選擇淹沒區(qū)遷移人口、壩高、平均水深、控制流域面積等外部因素，探討其對長江上游主要水庫碳排放量的影響(圖5)。水庫淹沒區(qū)遷移人口與水庫淹沒面積、淹沒前人類活動強度、自然土地以及受管理土地占比情況等復雜特性相關，在此引入淹沒區(qū)遷移人口是以此作為各水庫的背景信息。研究發(fā)現(xiàn)，水庫生命周期碳排放與淹沒區(qū)遷移人口呈極顯著正相關關系(R2=0.74，P<0.001)，與正常蓄水時平均水深未發(fā)現(xiàn)顯著相關性。水文特性中，水庫生命周期碳排放與控制流域面積(R2=0.26，P<0.05)和正常蓄水庫容(R2=0.73，P<0.001)均呈現(xiàn)顯著正相關關系，而與正常蓄水淹沒面積無統(tǒng)計學意義上的相關性(R2=0.16，P<0.1)。其中，正常蓄水庫容對生命周期碳排放的決定性最大。此外，與產出量做相關性分析發(fā)現(xiàn)，水庫生命周期碳排放與裝機容量(R2=0.32，P<0.005)和能量密度(R2=0.57，P<0.001)均呈現(xiàn)顯著正相關關系。

水庫生命周期內的碳排放是水電工程項目生命周期碳足跡核算的一個重要單元過程。與水庫碳排放相關的主要因素涵蓋各種外部變量。由于水庫碳排放與水庫面積直接相關，因此，與水庫正常蓄水時水面面積相關的水庫淹沒區(qū)遷移人口和正常蓄水庫容這兩個變量對水庫碳排放量均有較高的解釋度且呈極顯著正相關關系(圖5)，其次是裝機容量和能量密度。此外，所研究的24個水庫的規(guī)模呈現(xiàn)出延程增大的趨勢，即水庫控制流域面積與其水面面積存在一定的正相關關系，該趨勢在位于長江干流上的水庫中表現(xiàn)得尤為明顯。因此，控制流域面積與水庫碳排放量亦呈顯著正相關關系。而長江上游流域多位于狹長型河谷，淹沒面積受庫區(qū)庫底地形影響，淹沒面積對碳排放量的解釋度及相關性較小，水深與碳排放量甚至未呈現(xiàn)顯著相關性。

圖5 水庫碳排放與工程特性和水文環(huán)境的線性擬合Fig.5 Linear fitting of reservoir carbon emissions with engineering characteristics and hydrological environment

3 討論

3.1 碳排放估算結果分析

筆者所在研究團隊分別在2010-2011年對三峽水庫干支流的19個點位和2015-2017年的22個點位進行逐月監(jiān)測，對水-氣界面CO2和CH4擴散通量采用靜態(tài)箱法測量，并把點狀瞬時數(shù)據(jù)在時間和空間上進行外延(具體做法參考文獻[27-28])。在時間上，將每月的瞬時監(jiān)測值外延至全天日通量，并以全天日通量為代表反映采樣當月通量水平，進而求出全年總通量值；在空間上，是確定采樣點所能代表的回水區(qū)水域面積，并賦予其權重以加權計算整個回水區(qū)(水庫邊界范圍內)的總通量值。結果顯示，三峽水庫庫齡為1、5和6年時，凈排放量分別約為1.06、1.25和0.81 Tg CO2eq。按照IPCC《指南》，三峽水庫滿蓄前20年年均碳排放量估算的結果為1.84 Tg CO2eq(0.88～3.21 Tg CO2eq)。將模型估算結果與基于實測數(shù)據(jù)的估算結果對比發(fā)現(xiàn)，估算結果整體變大，基于實測值的估算結果接近模型估算值95%置信區(qū)間的下邊緣值(圖6)。三峽水庫單位發(fā)電量的碳排放量為10.63 g CO2eq/(kW·h)，與由實測值外推的估算結果8.31～14.401 g CO2eq/(kW·h)[29]接近。孫志禹等[29]計算2010年三峽水庫因發(fā)電產生的碳排放量為13.2 g CO2eq/(kW·h)。兩河口水庫和銀盤水庫單位發(fā)電碳排放量僅次于三峽水庫，分別為8.59和7.79 g CO2eq/(kW·h)，均超過平均值2倍以上。除錦屏二級水庫外，楊房溝、巴塘、梨園等9座水庫均小于均值的30%，維持在較小水平。Zhang等[30]使用IPCC《指南》估算中國兩個水電工程的碳排放為25.05 g CO2eq/(kW·h)，大于本研究的水庫。

圖6 三峽水庫基于IPCC《國家溫室氣體清單指南》的年均碳排放量估算值與基于實測數(shù)據(jù)的碳排放量 估算值的比較(實測數(shù)據(jù)為三峽水庫庫齡分別為1、5、6年時的長時間序列監(jiān)測數(shù)據(jù))Fig.6 Comparison of the estimated annual carbon emissions of the Three Gorges Reservoir based on the IPCC Inventory Guidelines and the estimated carbon emissions based on the measured data (the measured data are the long-term monitoring data of the Three Gorges Reservoir when the reservoir ages are 1, 5 and 6 years)

為進一步比較國際大型水電站的碳排放情況，本研究選擇了Itaipu、Belo Monte、Guri、Tucuruí、Grand Coulee五座電站的水庫進行碳排放情況的估算，以g CO2eq/(kW·h)作為功能單位，同本研究24個水電站進行對比分析(圖7)。上述5座水電站是除三峽、白鶴灘、溪洛渡、烏東德和向家壩水電站以外，在世界上排名前10的水電站。同樣基于IPCC國家溫室氣體清單指南的層級1進行估算，各水庫基礎信息和參數(shù)取值表參見表3。所屬氣候類型由水電站地理位置對應柯本(Koppen)氣候分類法確定，并進一步按照IPCC氣候分區(qū)進行劃分；水質情況參照公開發(fā)表的文獻[31-33]；使用年限假設為100年[34-36]。研究發(fā)現(xiàn)，Tucuruí和Guri是所有水庫中碳排放量最大的兩個水庫，分別達到225.84 g CO2eq/(kW·h)(74.81～448.18 g CO2eq/(kW·h))和153.26 g CO2eq/(kW·h)(50.32～306.17 g CO2eq/(kW·h))。其次是Belo Monte、Itaipu和Grand Coulee水庫。同本文中長江上游案例水庫相比，所選的國外案例水庫所呈現(xiàn)的相對較高排放強度主要與同期所處的熱帶區(qū)域有關。

圖7 國內外水庫生命周期碳排放量與能量密度的回歸結果Fig.7 Regression results of life cycle GHGs emissions and energy density of reservoirs at home and abroad

表3 國外案例水庫的基礎信息和參數(shù)取值*Tab.3 Basic information and parameter values of the foreign cace reservoirs

3.2 IPCC國家溫室氣體清單水淹地章節(jié)特點、局限性與建議

水淹地排放的CO2主要來源于水體內被淹沒的土壤有機質和其他有機物的分解、影響區(qū)其他土地類型匯入以及生物群落(如細菌、大型無脊椎動物、植物、魚類和其他水生物種)的呼吸作用[37]?！吨改稀?2019年修訂版)第4卷第7章節(jié)僅考慮將土地轉換成淹沒土地時被淹沒的有機質分解產生的CO2排放，因為這一部分為筑壩蓄水人類活動直接影響的結果。其他類型土地匯入帶來的CO2排放歸結于其對應的源頭排放，生物群落呼吸作用產生的與分解有機質有關的排放反映生物群落的短期碳循環(huán)，因此均不予考慮[19]。水淹地的CH4排放主要產生于缺氧條件下的沉積物[34]。CH4通過擴散、冒泡的方式排放出水-氣界面，大部分排放發(fā)生在水體表面，而有一部分CH4隨水流傳輸?shù)较掠斡擅摎饣驍U散排放[38]。

針對水淹地溫室氣體的估算方法，《指南》(2019年修訂版)提供了3個層級的指導，并提供了決策樹用于判斷使用哪一方法層級來估算水體中的CO2和CH4排放量[19]。層級1到層級3的不確定性逐漸減少，但不確定性的減少基于更加有針對性(如針對特定國家、特定水體)且可靠的排放因子或溫室氣體估算模型。決策樹顯示，在具備具體國家的排放因素、模型、基于測量提出的方法，或有足夠的數(shù)據(jù)和資源來開發(fā)特定國家的排放因子、測試一個模型或基于測量的監(jiān)測方法時，可以選擇層級3的方法。在層級2中，應根據(jù)各個水庫的實際測量值估算排放因子，下游排放量應根據(jù)實測上、下游氣體通量進行水庫碳排放量估算。此外，當特定水庫的營養(yǎng)狀態(tài)已知，但缺乏年均Chl.a濃度的記錄時，可以對營養(yǎng)狀態(tài)調整因子進行數(shù)值的選擇。而在具備水庫年均Chl.a濃度時，可以使用公式(αi=0.26·Chl.ai)計算出更準確的數(shù)值。式中，Chl.a表示i水庫年均Chl.a濃度，單位為μg/L。

層級3建議通過監(jiān)測具有代表性的水體溫室氣體濃度和通量，或在精細的空間和時間尺度上測量碳排放來評估估算排放的動態(tài)模型。采用第3層級時，通常需要通過更多的技術途徑(包括遙感圖像，對于排水溝可能包括高分辨率航空攝影)來獲取水體分布信息、水體類型、營養(yǎng)狀況、流速、植被等其他更多信息。在有足夠數(shù)據(jù)支撐時，還應考慮沉積物中的碳埋藏影響。由于以上兩個層級的方法對數(shù)據(jù)量及質量要求較高，而絕大多數(shù)水庫沒有足夠的實測數(shù)據(jù)支持使用層級2和層次3，為配合IPCC擬定全球統(tǒng)一協(xié)定，磋商適用于所有締約方的“議定書”“具有法律效力的成果”，需要有綜合且適用于所有締約方的“統(tǒng)一的”方法，以滿足締約方在沒有足夠的數(shù)據(jù)時完成水淹地碳排放量估算的需求，在此背景下，指南提供了層級1的方法指南。對于本研究而言，我國暫時不具備具體的國家排放因子、模型或基于測量提出的水庫生命周期碳排放估算方法，且無足夠的數(shù)據(jù)和資源來開發(fā)特定國家的排放因子以及驗證一個模型或基于測量的監(jiān)測方法，本研究主要采用層級1的方法，以層級2作為參數(shù)選擇的補充依據(jù)。

盡管層級1模型的提出為水利水電工程應對氣候變化提供了強有力的支撐，但是該模型也存在一些不足。首先是其估算結果不確定性范圍大。由于αi波動范圍大，不管是對不同氣候區(qū)域的全局敏感性分析還是同一氣候區(qū)不同營養(yǎng)程度水庫碳排放估算的敏感性分析，該參數(shù)均是結果不確定的主要控制因素，全局敏感性分析中其平均方差貢獻甚至達到了86.22%(81.6%～87.9%)。因此，本研究確定參數(shù)αi時參考層級2的建議，綜合考慮國家地表水水質數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)發(fā)布的觀測點位N、P濃度及部分水庫的實測Chl.a濃度以盡可能降低αi取值引起的不確定性。其二，《指南》提供的方法為經(jīng)驗模型，依賴于對現(xiàn)有科研成果的整理、歸納和分析。受到現(xiàn)有科學認知、研究手段等科研進展的限制，當前的工作忽視了水庫對碳的埋藏。其三，模型為保證所有締約國溫室氣體清單核算的進行，僅要求輸入少數(shù)參數(shù)，使用調整因子或比值關系來簡化水庫碳排放的驅動過程，忽視了水庫碳排放量與其工程、水文特性的相關關系及物料守恒驗證。其四，無法考慮在不同水庫間水位波動的條件引起碳排放估算的特殊性。這些工作僅能在層級3的水平上針對特定水庫進行研究。

3.3 對長江上游水電生命周期碳排放因子核算的啟示

《指南》層級1提出的排放因子在不同氣候區(qū)域之間取值不同，但使用任一默認排放因子都會導致較高的不確定性。為提高估算結果的準確性和精確性，各國、各流域應核算出統(tǒng)計學上有效的碳排放因子。排放因子的核算應包括監(jiān)測量化及數(shù)據(jù)年化兩個過程，以下分別就上述兩個過程對長江上游水庫生命周期碳排放因子的核算提出建議：

1)對水庫溫室氣體進行監(jiān)測是獲取排放因子的基礎。其一，應調查水庫蓄水前碳排放情況。可通過環(huán)評報告、蓄水前的森林調查或遙感土地覆蓋評估建立被淹沒土地蓄水前的土地利用特征管理系統(tǒng)[19]。其二，應制定在統(tǒng)計學上有效的采樣方法，考慮生態(tài)系統(tǒng)的多樣性與時空異質性[19]，保證時間尺度足夠大且采樣選取的點位系統(tǒng)具有代表性。CO2和CH4排放動態(tài)變化對溫度較為敏感，因此在整個季節(jié)周期進行測量可有效提高精度。采樣點的位置選取應根據(jù)水動力特征確定，數(shù)量應依據(jù)公認的統(tǒng)計學方法確定[39]。其三，采樣不應局限于單一水庫[29,40]。長江上游水電站多為梯級電站，僅關注單一水庫碳排放則無法獲取普遍適用于長江上游的排放因子，則無法進一步指導現(xiàn)有水庫的運營或幫助新壩的選址和設計。此外，在流域尺度上，大壩的建設和運行使河流碳循環(huán)變得復雜[40]，梯級水庫加劇了對泥沙的攔截效應，從而減緩了氣候變化[41]。據(jù)Mendon?a等[42]估計，0.15 Pg C(范圍為0.06～0.25)的有機碳埋藏在內陸水體，其中約有40%儲存在水庫中，埋藏的一部分碳可以解釋為水庫的匯[43]，但目前國內關于水庫碳埋藏的研究有限[44-46]，可視為碳匯的這部分碳埋藏暫時難以被正確量化[9]。其四，對河道水質參數(shù)進行監(jiān)測。擾動效應是水庫碳排放的人為因素，應識別其他受管理土地污染源匯入水庫造成的干擾，其中包括工業(yè)、采礦、耕地、養(yǎng)殖等帶來的點、面源污廢水排放[19]。

2)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行時空上的積分和科學外延，通過機理模型、統(tǒng)計模型或監(jiān)測結果計算排放因子。確定溫室氣體通量與環(huán)境變量之間的關系，通過監(jiān)測或地理信息系統(tǒng)、遙感等技術手段獲取包括氣象、水文、土壤及植物等相關參數(shù)信息。當監(jiān)測數(shù)據(jù)未覆蓋年度周期時，由年度溫度循環(huán)及水庫中CO2和CH4產生過程的溫度依賴性、與環(huán)境因子的數(shù)值關系對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行年尺度上的平均[47]。

4 結論

本研究基于《指南》(2019年修訂版)提出的估算模型，探究長江上游24個中、大型水庫壽命期內碳排放量，并通過蒙特卡洛模擬對估算結果進行不確定性分析及模型參數(shù)的敏感性分析。各水庫壽命期內的平均碳排放量分布在0.0342～140.59 Tg CO2eq的區(qū)間內，均值為11.13 Tg CO2eq，最大值和最小值分別為三峽水庫和錦屏二級水庫。單位發(fā)電量的碳排放均值為3.30 g CO2eq/(kW·h)，在0.01～17.64 g CO2eq/(kW·h)的區(qū)間內波動，最小值同出現(xiàn)在錦屏二級水庫，最大值出現(xiàn)在彭水水庫。同國際案例水庫相比，中國長江上游大中型水電站的清潔屬性是突出的。

αi對最終估算結果不確定性起主導作用，Rd,i的敏感性最小。須謹慎考慮αi的賦值以降低結果的不確定性，宜對水庫具有代表性的采樣點位系統(tǒng)進行長時間尺度的Chl.a濃度觀測來獲得更精確的αi。而在條件有限時，EF和Rd,i可暫時選用默認值。須投入更多系統(tǒng)性的采樣監(jiān)測，為模型估算提供有針對性(對特定國家或特定水體)且可靠的參數(shù)取值，為建立國家/流域的溫室氣體估算模型提供更有效的數(shù)據(jù)支撐。

5 附錄

附表Ⅰ見電子版(DOI: 10.18307/2023.0108)。