加拿大某水库温室气体排放计量

［加拿大］ A.特伦布莱等

与火电站相比，水电站每生产10亿kW·h电量所产生的温室气体(GHG)要少得多，约为火电站的1/35～1/70。然而，淡水水库对大气中不断增加的温室气体有无影响，或是如何产生影响，这一问题已受到越来越多的关注。对水库温室气体排放的计量也越来越与以下两者有关，即充分比较产能方式，及评估二氧化碳信用额度。水库的形成与带有水库的电站的运行通常会生成3种温室气体:二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和一氧化二氮(N2O)。

装机480 MW的伊斯特梅恩-1(Eastmain-1)电站于2006年投运，由主坝和33个堤坝形成了一个面积603 km2的水库。水库位于魁北克的北部生态区，北距蒙特利尔北大约1000 km。

在该项目中，采用了多种方式计量水库的温室气体排放量，包括气体局部压力、涡度协方差塔、浮箱和自动化系统。文中同时采用了浮箱和自动化系统，首次对水库温室气体净排量进行了研究和评估，并展示了北部水库温室气体总排放的计量结果。

1 自动化系统

2006年，针对伊斯特梅恩-1温室气体项目安装了5个自动化系统。其中一个系统安装在电站的两台机组上，与收集蜗壳水流的配水管相连，对温室气体展开为期1 a的测量。此外，在无冰期(7月中旬～10月底)用于采集表面水(水表面下30 cm)的筏上安装有4个自动化系统，其中一个系统安装于伊斯特梅恩河的河口处(水库的入口)，一个在受淹的腐殖土处，第3个在受水淹的森林里，第4个则安装在供参照的米苏米斯(Mitsumis)湖上。

电站安装有可连续观测的温室气体检测仪。魁北克水电公司的人员以温室气体局部压力技术为基础，采用通行的商用元件，建造了该自动化系统。通过采用3种不同类型的感应器，对水中和空气中的二氧化碳、甲烷和氧气进行了局部压力计量。

使用时将传感器安装在一个“干箱子”内，泵、阀门和管道安装在一个“湿箱子”内，处于监控模式时，设备每3 h启动1次，操作运转周期为22 min:其中水中为一个20 min工作循环，进行2次计量(第10 min时1次、第20 min时1次)，接着是在空气中进行为期2 min一个循环的测量。空气和水的温度采用坎贝尔科学院的热敏温度分析仪进行量测。一个程序化的电子数据记录器(坎贝尔科学院制造)控制所有的电子设备及数据采集和存储。配有详细的质量保证、质量控制方法和局部压力下的流量方程计算。在筏上或岸上安装有太阳能电池板或小型风力涡轮机，为自动化系统提供能量。

2 浮箱

在水体温室气体量测时，浮箱技术得到广泛应用。通过箱子顶部一个仅0.2 m2的小孔对空气取样，空气在箱体的对面端折回。这种形状的箱体使得截留的气体持续混合，量测的空气密度更具有代表性。获取1个可靠的流量计量数据需要10 min左右，在每个测点量测3个流量数据，然后将浮箱移动到水体的另1个测点，最少需要10个测点，这取决于水体或坝体的大小，以得到温室气体流量的代表性平均值。

二氧化碳由1个非红外仪测量，甲烷和一氧化二氮由傅里叶转换红外仪测量，这些仪器对气体计量的精确度分别为0.1%和1%。浮游系统连续读数，数据记录仪在5～10 min的时段内每20 s存储1个值。将所有的取样数据绘制成表，得到一个斜率图，对每平米范围的二氧化碳、甲烷和一氧化二氮流量进行计算。浮箱的操作细节及方程和计算方法可提供。

3 成果

使用安装在伊斯特梅恩-1电站中的自动化系统，对水库中水体二氧化碳浓度的变化进行了量测。二氧化碳浓度在晚秋由于冰雪覆盖开始增加，而在春季由于冰体消融开始降低。

在拉格朗德(La Granda)水电枢纽和伊斯特梅恩-1水库分别采用浮箱技术计量二氧化碳、甲烷和一氧化二氮的平均流量，比照其结果可以得到非常有价值的信息。在伊斯特梅恩-1水库，二氧化碳、甲烷的平均排放量快速增长，受淹的第1年为蓄水前自然生态排放量的5倍。2003～2005年，二氧化碳的平均排放量为1.352±1.431 mg/m2·d，甲烷平均为1.7±1.8 mg/m2·d。在2006年，二氧化碳(CO2)平均排放量为6.580±3.567 mg/m2·d，甲烷为7.8±9.5 mg/m2·d。在受水浸没后的第2年，气体的排放量迅速降低。甲烷(CH4)在蓄水后第2年的恢复值与自然水生生态系统没有太大变化，二氧化碳(CO2)在蓄水后的第3年达到同等效果。2007年，甲烷(CH4)平均值为3.2±3.1 mg/m2·d，在2008年，二氧化碳的平均排放量为1.942±1.175 mg/m2·d。

观测发现，在洪水浸没前后，一氧化二氮的流量没有任何不同。在水生生态系统中，量测的二氧化碳、甲烷和一氧化二氮流量与文献中记载的关于北部自然水体及寇特-诺德(Cote-Nord)、魁北克詹姆斯(James)湾区域和拉布拉多(Labrador)水库的数据大体相同。

许多因素能够影响到温室气体流量，例如水体滞留时间、受淹的植物类型(腐殖土、森林土、农业用地等)及受淹表面积和水量的比率。这些因素对温室气体排放的强度(达到最大流量)和持续时间都有影响。通常，北部生态系统在蓄水后的1 a内二氧化碳流量达到最大，并在第1个10 a恢复到自然值。新形成的水库中，温室气体排放量增加，与生物群(鱼类群落、无脊椎动物群、浮游生物群等)总量提高有关。由于树木分解速度非常缓慢，二氧化碳排放量与受淹土壤中易于自然分解的有机质相联系。在这个转化期(低于10 a)后，二氧化碳的排放量与自然水体的排放量相当，与流域中作为径流进入水库的二氧化碳流量相关。

经采用自动化系统和浮箱观测，计算出了温室气体的年综合流量(称之为质量平衡分析)，这2种技术的量测结果间仅有12%的差异。采用自动化技术量测水库中温室气体排放量，是一项非常有意义的技术，与传统采用浮箱的技术相比较，它仅需要1个人进行维护，并可以远程进入，减少了利用小船进行水体取样时发生的相关安全措施费用，大大降低了总体成本。事实上，相对于浮箱观测，自动化系统以1/10～1/20的花费产生了10倍或更多的数据信息。

4 结语

通过对自然水生生态系统和新近受淹的伊斯特梅恩-1水库的监控，得出如下结论:

(1)在受淹后的第1年，二氧化碳和甲烷的总流量迅速增加;

(2)在受淹后第2年，伊斯特梅恩-1水库甲烷的总流量恢复到自然生态系统的同等范围;

(3)在受淹后第3年，伊斯特梅恩-1水库的二氧化碳总流量恢复到自然水生生态系统的同等水平，与北部水库10 a的观察结果完全相符;

(4)从年度质量平衡情况来看，自动化系统和浮箱技术得出的结果类似。

伊斯特梅恩-1水库具有相对较小的区域表面(603 km2)和较短的水体蓄留时间(3～6个月)，是一个较成功的少量排放温室气体的案例。天然气体混合循环的火电站发电效率最高，但其发电每10亿kW·h排放二氧化碳38万t，是伊斯特梅恩-1水库的23倍多。为进一步提高伊斯特梅恩-1水库的运行能力，正在修建另一座装机780 MW的电站，伊斯特梅恩-1 A-鲁伯特(Rupert)分流设施正在施工中。在北部兴建水电站应作为降低气候变化影响的一种解决方式予以考虑。