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10億kW·h電量所產生的溫室氣體(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，或是如何產生影響，這一問題已受到越來越多的關注。對水庫溫室氣體排放的計量也越來越與以下兩者有關，即充分比較產能方式，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區，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、渦度協方差塔、浮箱和自動化系統。文中同時采用了浮箱和自動化系統，首次對水庫溫室氣體凈排量進行了研究和評估，并展示了北部水庫溫室氣體總排放的計量結果。

1 自動化系統

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。其中一個系統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，其中一個系統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為基礎，采用通行的商用元件，建造了該自動化系統。通過采用3種不同類型的感應器，對水中和空氣中的二氧化碳、甲烷和氧氣進行了局部壓力計量。

使用時將傳感器安裝在一個“干箱子”內，泵、閥門和管道安裝在一個“濕箱子”內，處于監控模式時，設備每3 h啟動1次，操作運轉周期為22 min:其中水中為一個20 min工作循環，進行2次計量(第10 min時1次、第20 min時1次)，接著是在空氣中進行為期2 min一個循環的測量。空氣和水的溫度采用坎貝爾科學院的熱敏溫度分析儀進行量測。一個程序化的電子數據記錄器(坎貝爾科學院制造)控制所有的電子設備及數據采集和存儲。配有詳細的質量保證、質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力渦輪機，為自動化系統提供能量。

2 浮箱

在水體溫室氣體量測時，浮箱技術得到廣泛應用。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據需要10 min左右，在每個測點量測3個流量數據，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%。浮游系統連續讀數，數據記錄儀在5～10 min的時段內每20 s存儲1個值。將所有的取樣數據繪制成表，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行計算。浮箱的操作細節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，對水庫中水體二氧化碳濃度的變化進行了量測。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計量二氧化碳、甲烷和一氧化二氮的平均流量，比照其結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年的恢復值與自然水生生態系統沒有太大變化，二氧化碳(CO2)在蓄水后的第3年達到同等效果。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。

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

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、農業用地等)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(達到最大流量)和持續時間都有影響。通常，北部生態系統在蓄水后的1 a內二氧化碳流量達到最大，并在第1個10 a恢復到自然值。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。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相聯系。在這個轉化期(低于10 a)后，二氧化碳的排放量與自然水體的排放量相當，與流域中作為徑流進入水庫的二氧化碳流量相關。

經采用自動化系統和浮箱觀測，計算出了溫室氣體的年綜合流量(稱之為質量平衡分析)，這2種技術的量測結果間僅有12%的差異。采用自動化技術量測水庫中溫室氣體排放量，是一項非常有意義的技術，與傳統采用浮箱的技術相比較，它僅需要1個人進行維護，并可以遠程進入，減少了利用小船進行水體取樣時發生的相關安全措施費用，大大降低了總體成本。事實上，相對于浮箱觀測，自動化系統以1/10～1/20的花費產生了10倍或更多的數據信息。

4 結語

通過對自然水生生態系統和新近受淹的伊斯特梅恩-1水庫的監控，得出如下結論:

(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到自然生態系統的同等范圍;

(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到自然水生生態系統的同等水平，與北部水庫10 a的觀察結果完全相符;

(4)從年度質量平衡情況來看，自動化系統和浮箱技術得出的結果類似。

伊斯特梅恩-1水庫具有相對較小的區域表面(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。天然氣體混合循環的火電站發電效率最高，但其發電每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)分流設施正在施工中。在北部興建水電站應作為降低氣候變化影響的一種解決方式予以考慮。