加拿大某水庫溫室氣體排放計量

［加拿大］ A.特倫布萊等

與火電站相比，水電站每生產(chǎn)10億kW·h電量所產(chǎn)生的溫室氣體(GHG)要少得多，約為火電站的1/35～1/70。然而，淡水水庫對大氣中不斷增加的溫室氣體有無影響，或是如何產(chǎn)生影響，這一問題已受到越來越多的關(guān)注。對水庫溫室氣體排放的計量也越來越與以下兩者有關(guān)，即充分比較產(chǎn)能方式，及評估二氧化碳信用額度。水庫的形成與帶有水庫的電站的運行通常會生成3種溫室氣體:二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和一氧化二氮(N2O)。

裝機480 MW的伊斯特梅恩-1(Eastmain-1)電站于2006年投運，由主壩和33個堤壩形成了一個面積603 km2的水庫。水庫位于魁北克的北部生態(tài)區(qū)，北距蒙特利爾北大約1000 km。

在該項目中，采用了多種方式計量水庫的溫室氣體排放量，包括氣體局部壓力、渦度協(xié)方差塔、浮箱和自動化系統(tǒng)。文中同時采用了浮箱和自動化系統(tǒng)，首次對水庫溫室氣體凈排量進(jìn)行了研究和評估，并展示了北部水庫溫室氣體總排放的計量結(jié)果。

1 自動化系統(tǒng)

2006年，針對伊斯特梅恩-1溫室氣體項目安裝了5個自動化系統(tǒng)。其中一個系統(tǒng)安裝在電站的兩臺機組上，與收集蝸殼水流的配水管相連，對溫室氣體展開為期1 a的測量。此外，在無冰期(7月中旬～10月底)用于采集表面水(水表面下30 cm)的筏上安裝有4個自動化系統(tǒng)，其中一個系統(tǒng)安裝于伊斯特梅恩河的河口處(水庫的入口)，一個在受淹的腐殖土處，第3個在受水淹的森林里，第4個則安裝在供參照的米蘇米斯(Mitsumis)湖上。

電站安裝有可連續(xù)觀測的溫室氣體檢測儀。魁北克水電公司的人員以溫室氣體局部壓力技術(shù)為基礎(chǔ)，采用通行的商用元件，建造了該自動化系統(tǒng)。通過采用3種不同類型的感應(yīng)器，對水中和空氣中的二氧化碳、甲烷和氧氣進(jìn)行了局部壓力計量。

使用時將傳感器安裝在一個“干箱子”內(nèi)，泵、閥門和管道安裝在一個“濕箱子”內(nèi)，處于監(jiān)控模式時，設(shè)備每3 h啟動1次，操作運轉(zhuǎn)周期為22 min:其中水中為一個20 min工作循環(huán)，進(jìn)行2次計量(第10 min時1次、第20 min時1次)，接著是在空氣中進(jìn)行為期2 min一個循環(huán)的測量。空氣和水的溫度采用坎貝爾科學(xué)院的熱敏溫度分析儀進(jìn)行量測。一個程序化的電子數(shù)據(jù)記錄器(坎貝爾科學(xué)院制造)控制所有的電子設(shè)備及數(shù)據(jù)采集和存儲。配有詳細(xì)的質(zhì)量保證、質(zhì)量控制方法和局部壓力下的流量方程計算。在筏上或岸上安裝有太陽能電池板或小型風(fēng)力渦輪機，為自動化系統(tǒng)提供能量。

2 浮箱

在水體溫室氣體量測時，浮箱技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。通過箱子頂部一個僅0.2 m2的小孔對空氣取樣，空氣在箱體的對面端折回。這種形狀的箱體使得截留的氣體持續(xù)混合，量測的空氣密度更具有代表性。獲取1個可靠的流量計量數(shù)據(jù)需要10 min左右，在每個測點量測3個流量數(shù)據(jù)，然后將浮箱移動到水體的另1個測點，最少需要10個測點，這取決于水體或壩體的大小，以得到溫室氣體流量的代表性平均值。

二氧化碳由1個非紅外儀測量，甲烷和一氧化二氮由傅里葉轉(zhuǎn)換紅外儀測量，這些儀器對氣體計量的精確度分別為0.1%和1%。浮游系統(tǒng)連續(xù)讀數(shù)，數(shù)據(jù)記錄儀在5～10 min的時段內(nèi)每20 s存儲1個值。將所有的取樣數(shù)據(jù)繪制成表，得到一個斜率圖，對每平米范圍的二氧化碳、甲烷和一氧化二氮流量進(jìn)行計算。浮箱的操作細(xì)節(jié)及方程和計算方法可提供。

3 成果

使用安裝在伊斯特梅恩-1電站中的自動化系統(tǒng)，對水庫中水體二氧化碳濃度的變化進(jìn)行了量測。二氧化碳濃度在晚秋由于冰雪覆蓋開始增加，而在春季由于冰體消融開始降低。

在拉格朗德(La Granda)水電樞紐和伊斯特梅恩-1水庫分別采用浮箱技術(shù)計量二氧化碳、甲烷和一氧化二氮的平均流量，比照其結(jié)果可以得到非常有價值的信息。在伊斯特梅恩-1水庫，二氧化碳、甲烷的平均排放量快速增長，受淹的第1年為蓄水前自然生態(tài)排放量的5倍。2003～2005年，二氧化碳的平均排放量為1.352±1.431 mg/m2·d，甲烷平均為1.7±1.8 mg/m2·d。在2006年，二氧化碳(CO2)平均排放量為6.580±3.567 mg/m2·d，甲烷為7.8±9.5 mg/m2·d。在受水浸沒后的第2年，氣體的排放量迅速降低。甲烷(CH4)在蓄水后第2年的恢復(fù)值與自然水生生態(tài)系統(tǒng)沒有太大變化，二氧化碳(CO2)在蓄水后的第3年達(dá)到同等效果。2007年，甲烷(CH4)平均值為3.2±3.1 mg/m2·d，在2008年，二氧化碳的平均排放量為1.942±1.175 mg/m2·d。

觀測發(fā)現(xiàn)，在洪水浸沒前后，一氧化二氮的流量沒有任何不同。在水生生態(tài)系統(tǒng)中，量測的二氧化碳、甲烷和一氧化二氮流量與文獻(xiàn)中記載的關(guān)于北部自然水體及寇特-諾德(Cote-Nord)、魁北克詹姆斯(James)灣區(qū)域和拉布拉多(Labrador)水庫的數(shù)據(jù)大體相同。

許多因素能夠影響到溫室氣體流量，例如水體滯留時間、受淹的植物類型(腐殖土、森林土、農(nóng)業(yè)用地等)及受淹表面積和水量的比率。這些因素對溫室氣體排放的強度(達(dá)到最大流量)和持續(xù)時間都有影響。通常，北部生態(tài)系統(tǒng)在蓄水后的1 a內(nèi)二氧化碳流量達(dá)到最大，并在第1個10 a恢復(fù)到自然值。新形成的水庫中，溫室氣體排放量增加，與生物群(魚類群落、無脊椎動物群、浮游生物群等)總量提高有關(guān)。由于樹木分解速度非常緩慢，二氧化碳排放量與受淹土壤中易于自然分解的有機質(zhì)相聯(lián)系。在這個轉(zhuǎn)化期(低于10 a)后，二氧化碳的排放量與自然水體的排放量相當(dāng)，與流域中作為徑流進(jìn)入水庫的二氧化碳流量相關(guān)。

經(jīng)采用自動化系統(tǒng)和浮箱觀測，計算出了溫室氣體的年綜合流量(稱之為質(zhì)量平衡分析)，這2種技術(shù)的量測結(jié)果間僅有12%的差異。采用自動化技術(shù)量測水庫中溫室氣體排放量，是一項非常有意義的技術(shù)，與傳統(tǒng)采用浮箱的技術(shù)相比較，它僅需要1個人進(jìn)行維護(hù)，并可以遠(yuǎn)程進(jìn)入，減少了利用小船進(jìn)行水體取樣時發(fā)生的相關(guān)安全措施費用，大大降低了總體成本。事實上，相對于浮箱觀測，自動化系統(tǒng)以1/10～1/20的花費產(chǎn)生了10倍或更多的數(shù)據(jù)信息。

4 結(jié)語

通過對自然水生生態(tài)系統(tǒng)和新近受淹的伊斯特梅恩-1水庫的監(jiān)控，得出如下結(jié)論:

(1)在受淹后的第1年，二氧化碳和甲烷的總流量迅速增加;

(2)在受淹后第2年，伊斯特梅恩-1水庫甲烷的總流量恢復(fù)到自然生態(tài)系統(tǒng)的同等范圍;

(3)在受淹后第3年，伊斯特梅恩-1水庫的二氧化碳總流量恢復(fù)到自然水生生態(tài)系統(tǒng)的同等水平，與北部水庫10 a的觀察結(jié)果完全相符;

(4)從年度質(zhì)量平衡情況來看，自動化系統(tǒng)和浮箱技術(shù)得出的結(jié)果類似。

伊斯特梅恩-1水庫具有相對較小的區(qū)域表面(603 km2)和較短的水體蓄留時間(3～6個月)，是一個較成功的少量排放溫室氣體的案例。天然氣體混合循環(huán)的火電站發(fā)電效率最高，但其發(fā)電每10億kW·h排放二氧化碳38萬t，是伊斯特梅恩-1水庫的23倍多。為進(jìn)一步提高伊斯特梅恩-1水庫的運行能力，正在修建另一座裝機780 MW的電站，伊斯特梅恩-1 A-魯伯特(Rupert)分流設(shè)施正在施工中。在北部興建水電站應(yīng)作為降低氣候變化影響的一種解決方式予以考慮。