三峡库区干流及库湾支流（朱衣河）夏季CO2分压及扩散通量

魏浩斌，吴学谦，操满，傅家楠，贾晓斌，邓兵，汪福顺

（1.上海大学环境与化学工程学院，上海 200444；

2.华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200062）

三峡库区干流及库湾支流（朱衣河）夏季CO2分压及扩散通量

魏浩斌1，吴学谦1，操满1，傅家楠1，贾晓斌1，邓兵2，汪福顺1

（1.上海大学环境与化学工程学院，上海 200444；

2.华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200062）

以三峡库区中长江干流及其支流朱衣河作为主要研究对象,于2013年5—7月对该研究区域干支流的CO2分压进行了研究,并计算出CO2的扩散通量.研究结果表明,在水体剖面上表层水体CO2分压最小；随着水深增加,CO2分压急剧增大,到达10 m后才保持稳定.干支流表层水体CO2分压的分布和扩散通量差异显著.5—7月,干流水体表层CO2分压为220.8～268.0 Pa,CO2扩散通量为51.05 mmol·m-2·d-1；支流水体表层CO2分压为14.9～190.3 Pa,3个月的CO2扩散通量分别为0.42,-0.12和20.83 mmol·m-2·d-1.研究结果表明,支流释放的CO2远小于干流.

三峡库区；CO2分压；CO2扩散通量；朱衣河

CO2是重要的温室气体（greenhouse gas，GHG）之一.据欧洲环境协会和美国环境协会统计，大气中CO2占温室气体总量的80%～85%［1-2］.化石燃料燃烧产生的CO2一直是温室气体的重要来源，为减少化石燃料的使用，水电被认为是一种清洁能源而得到了大规模推广［3-4］.但是，近期有研究表明水库也会向大气排放大量的CO2.就生产单位电力而言，某些水库所释放的温室气体总量甚至会大于火力发电站所释放的总量［5-9］.

水库建成后，淹没区植被和流域输入的有机质降解产生了CO2、CH4等温室气体，并通过水-气界面释放到大气中.水库释放温室气体主要通过以下3种途径：①从水库较浅的区域以气泡形式溢出（化学成分主要为CH4）；②从水库水-气界面扩散溢出；③河流下游排放［10］.寒带和热带的水库被淹没地区的土壤有机碳密度较高，如果蓄水后在缺氧的环境下就会被矿化成CO2和CH4.此外，热带地区的高生物量也向水库输送大量有机碳，其降解过程造成了温室气体的大量释放，相关的研究较多［11-12］.相比之下，关于亚热带水库CO2的释放情况的研究则较少.中国是水库大国，仅长江流域内修建的水库就超过48 000个，因此对于水库的富营养化［13-14］、生态影响评估和治理方面［15-16］的研究较多，而对于水库水-气界面GHG扩散通量的研究则较少.

三峡作为世界级工程一直备受关注.三峡水库在正常蓄水时（175 m水位），水域面积可达1.084×103km2，总库容3.93×1010m3，控制流域面积3.8×105km2.本研究从三峡库区干、支流转换过程中溶解CO2分压及其水-气扩散通量的变化特征入手，分析夏季（5—7月）三峡库区长江干流及支流（朱衣河）对大气CO2的“源/汇”关系.

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

三峡水库东起湖北省宜昌市，西迄重庆巴县（东经106◦000～111◦580，北纬28◦010～31◦450），三峡库区干流水面宽度通常为0.7～1.7 km.朱衣河位于重庆市奉节县境内，距三峡大坝约165 km，属于三峡库区中部区域，其全长为31.4 km，流域面积153.6 km2，年均流量2.92 m3/s.另外，朱衣河位于长江左岸，与干流成60◦角汇入长江，其左岸为在建公路大桥，右岸种植了大量脐橙，低水位运行期两岸河滩裸露，水面宽为300～500 m.

1.2 样品的采集与分析

2013年5 —7 月对三峡库区中部的长江干流和支流（朱衣河）进行了按月走航观测.如图1所示，在距河口0.5 km处取点记为ZY01（109◦460E，31◦010N），距河口3 km处取点记为ZY02（109◦430E，31◦020N），在长江干流取点CJ01（109◦450E，31◦N）.从CJ01到ZY02进行走航监测，在走航过程中利用自吸泵抽取水面下0.3 m左右水体进行CO2分压水质参数分析.在定点站位，按5或10 m的间隔，利用潜水泵抽取不同深度的水体.用德国产的CO2传感器Hydro CTM/CO2对水体进行CO2分压分析；同时利用YSI水质参数仪（美国哈希公司生产）测定pH值、水温、溶解氧（dissolved oxygen，DO）、叶绿素a（Chl-a），用浊度仪（OBS）测定水体浊度，分析水体剖面水质参数变化.

图1 研究区域和采样点位Fig.1 Study area and sampling sites

1.3 数据处理

水气界面的CO2扩散通量主要受以下因素影响：水体和大气中CO2分压的差值、温度、风速和河流流速等.通常，水-气界面的CO2通量可以通过式（1）计算得到［17］：

式中，F为水-气界面的扩散通量，F＞0表示水体向大气中释放CO2，F＜0表示水体吸收CO2；k为气体交换系数；pCO2为水体CO2分压；gassat为大气CO2分压（38 Pa）；kH为亨利系数.kH受温度和盐度影响，可根据式（2）计算得到

式中，TK为开尔文温度.

由于气体交换系数k会受温度、风速、水体浊度等影响，故可采用式（3）来计算得到［18-20］

式中，Sc为CO2的施密特数，k600表示温度为20◦C、施密特数为600时CO2的标准气体交换系数，U1为水面上的风速，U10为水面上方10 m处的风速，t为表层水的温度.

2 结果与讨论

2.1 研究区域水体表层CO2分压及各项水质参数的变化

观测结果显示，在观测期间朱衣河表层水温为22.1～28.4◦C，由ZY01向ZY02逐渐升高；干流表层水温为24.7～24.9◦C.干流和支流水样pH值均为8左右，呈碱性；DO浓度为4.9～18.8 mg/L，且均在6月份达到最大值.支流Chl-a浓度大多集中在8～13µg/L，而干流Chl-a浓度则在2.2～4.2µg/L，这主要是由于长江干流水流速度较快，水体滞留时间较短，藻类并未大量繁殖的缘故［21］.朱衣河CO2分压的变化范围为17.6～190.3 Pa.7月份，ZY01点的CO2分压达到190.3 Pa，而ZY02点的CO2分压只有17.6 Pa.这主要是由于水体CO2受水中生物的光合和呼吸作用共同影响，当水体表面藻类较多时，光合作用消耗了水中的CO2；当水体表面藻类较少时，生物的呼吸作用占了主导［2,22］.这与7月份ZY01、ZY02水体表面Chl-a的浓度相吻合.长江干流CO2分压集中在220.8～234.6 Pa.如图2所示，通过分析走航观测库区干流和支流表层水体的CO2分压情况，发现干流水体的CO2分压远大于支流.

图2 库区干支流表层水体CO2分压分布Fig.2 Distribution of partial pressure of carbon dioxide in mainstream and tributary surface

2.2 水体参数剖面变化

三峡水库进入夏季防洪泄水后，会产生水库水位及干支流水体密度差等变化情况，这将对库湾支流产生显著影响.由于库区支流受到干流水体回水顶托作用，流速减缓，故水体透明度较高，有利于浮游植物等的生长，使其在深度方向上产生典型的分层现象［23］.根据在ZY01、ZY02进行的水体剖面监测结果显示，pCO2的最小值均出现在水体表面，然后随着深度增加而迅速增大.在水面5 m以下的位置，pCO2则变得相对稳定，整个水体剖面呈现明显的分层现象（见图3）.相应地，pH值、DO和叶绿素浓度则是在0～5 m范围处于较高的数值，5 m以下则迅速下降，10 m以下时变化不大，其趋势与pCO2的变化趋势相反，呈负相关关系.在上层水体中，占主导作用的是光合作用，水中的悬浮藻类通过光合作用大量消耗水体中的CO2，并释放O2，使得DO浓度值增加，pCO2值降低.随着水体深度的增加，透光度下降，呼吸作用占主导，使得DO浓度值逐渐降低而pCO2浓度值逐渐增大（见图4），pCO2和DO存在显著负相关关系.

图3 水体剖面pCO2分布Fig.3 Distribution of pCO2in water sectional

2.3 水体CO2的扩散通量

库区受地形、气候等因素的影响，风力较小，以无风及微风天气为主，根据2008—2013年长江三峡工程生态与环境监测公报可知，奉节县年平均风速在1.5 m/s左右，因此本研究采用1.5 m/s计算CO2的扩散通量FCO2.

图5表示朱衣河及长江干流在5—7月的CO2扩散通量.图5中，风速以1.5 m/s作为基准，以0.5和2.5 m/s作为最小和最大风速来计算误差线.从图5可以发现，5—7月长江干流（库区）的扩散通量是正值，为45.86～57.89 mmol·m-2·d-1，远大于大气水平，向大气释放CO2；而朱衣河CO2的扩散通量则呈无规律变化，其中5月及7月FCO2＞0，向大气释放CO2，6月FCO2＜0，则向大气吸收CO2.可以看出，支流的扩散通量远小于干流.这主要是由于干流作为向外部输送的通道，携带了大量的有机物，在运输过程中被降解；另一方面，干流流速快，保持了河流的一维流动特性，而且浊度较大，光合作用较弱，有机物的降解作用较强.

图4 pCO2和DO的回归分析Fig.4 Regression analysis between pCO2and DO

根据图5进一步分析计算得出，5—7月朱衣河向大气释放CO2约1.90×106mol；长江干流月扩散通量变化不大，其平均值为51.05 mmol·m-2·d-1，经计算向大气释放的CO2约3 632.76×106mol（见表1）.

图5 干支流水体表面FCO2通量Fig.5 FCO2of surface water from mainstream and tributary

表1 研究区域干支流CO2释放量Table 1 Emission of CO2from tributary and mainstream of reservoir

3 结论

通过研究夏季5—7月长江干流及支流朱衣河的CO2分压、部分水质参数和水面CO2通量，得到如下结论.

（1）夏季，支流与大气的CO2分压相差不多，这主要是因为三峡水库调度的影响，水位维持在最低的防洪界限，流速缓慢，藻类大量繁殖，植物的光合作用消耗了水中的部分CO2，使水体的CO2分压甚至低于大气水平.

（2）长江干流携带的有机物被降解后，产生了大量的CO2，使水体的CO2分压远大于大气中的CO2分压，同时干流往往有着较高的流速，加快了CO2的扩散速度，因此表现为“源”.

（3）通过研究发现，水体中CO2分压与DO存在显著的负相关关系，表层光合作用强烈，光合作用强于呼吸作用，使得水体DO浓度较高.库区中底层以呼吸作用为主，有机物分解消耗DO，并释放CO2，增加了CO2分压.

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Partial pressure and diffusion flux of dissolved carbon dioxide in mainstream and tributary（Zhuyi River）of the Three Gorges Reservoir in summer

WEI Haobin1，WU Xueqian1，CAO Man1，FU Jianan1，JIA Xiaobin1，DENG Bing2，WANG Fushun1
（1.School of Environmental and Chemical Engineering，Shanghai University，Shanghai 200444，China；
2.State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research，East China Normal University，Shanghai 200062，China）

The mainstream and tributary of the Three Gorges Reservoir were investigated from May 2013 to July 2013 to understand the distribution of the partial pressure of carbon dioxide.The results show that,along the water column of the tributary（Zhuyi River）,the lowest value of the partial pressure of carbon dioxide appears in surface water,and increases rapidly with depth.Below 10 meters in depth,the partial pressure of carbon dioxide becomes stable.There are significant differences of the partial pressure of carbon dioxide in surface water between mainstream and tributaries.During the period of investigation, the partial pressure of carbon dioxide in the surface water of the mainstream is 220.8～268.0 Pa,with an average CO2emission fluxes of 51.05 mmol·m-2·d-1.The partial pressureof carbon dioxide in the surface water of tributary（Zhuyi River）is 14.9～190.3 Pa.Emission flux of CO2in the three months are 0.42,-0.12 and 20.83 mmol·m-2·d-1.The result indicates that the tributary Zhuyi River emits less CO2than the mainstream.

Three Gorges Reservoir；partial pressure of carbon dioxide；diffusion flux of carbon dioxide；Zhuyi River

X 14

A

1007-2861（2016）04-0497-08

10.3969/j.issn.1007-2861.2015.01.011

2015-05-21

国家水体污染控制与治理科技重大专项（2012ZX07104-001）；国家自然科学基金资助项目（41273128，41473082）

汪福顺（1976—），男，教授，博士，研究方向为地球化学.E-mail：fswang@shu.edu.cn