水電站水庫(kù)溫室氣體排放綜合分析

［巴西］ M.A.多斯桑托斯等

與其他自然水體一樣，水電站水庫(kù)也擁有密集的生物區(qū)，即從微生物到水生脊椎動(dòng)物。

水庫(kù)蓄水對(duì)河流最大的影響是使河水流速變慢。緩慢的水流有利于浮游植物生長(zhǎng)及養(yǎng)分增加，在這種情況下，甲烷生成，置換氧化水，產(chǎn)生厭氧條件。

微生物(細(xì)菌)分解有機(jī)質(zhì)并在水下產(chǎn)生副產(chǎn)品，即生物氣體。有些生物氣體，如甲烷、二氧化碳及一氧化氮具有非常高的全球變暖潛值。

1 水電站與溫室氣體

過去20 a的研究已具有一定深度，結(jié)果表明，像大多數(shù)人造工程一樣，水電工程會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生多重影響。水庫(kù)緩慢的流速有利于浮游植物生長(zhǎng)(由于養(yǎng)分增加)，水中氧氣逐漸消耗而產(chǎn)生厭氧條件。

盡管20世紀(jì)90年代末的研究工作重視水庫(kù)溫室氣體排放問題，然而對(duì)許多因素尚未加以研究。

有些生物氣體導(dǎo)致全球變暖，包括甲烷、二氧化碳及一氧化氮。為了對(duì)水電工程引起的溫室氣體凈排放作出精確的評(píng)估，必須進(jìn)一步完善碳預(yù)算，并加強(qiáng)對(duì)典型水電工程研究(尤其是位于熱帶、北方、干旱、半干旱及溫帶氣候的水電站)。

比較水電站水庫(kù)與火電站溫室氣體排放，應(yīng)當(dāng)以單位發(fā)電量來計(jì)算和表征。同時(shí)還要考慮各種發(fā)電站之間燃料類型的不同及發(fā)電效率的差異，諸如蒸汽渦輪機(jī)，燃煤、燃油、天然氣渦輪機(jī)以及聯(lián)合循環(huán)電廠的效率差異。

2 水庫(kù)溫室氣體排放概念模型

水電站水庫(kù)溫室氣體排放有3個(gè)明顯不同的重要階段。

(1)第1階段為大壩施工及水庫(kù)形成之前(圖1)。這一階段的特點(diǎn)是水流湍急(湍流)，溶解氧含量高，水流中出現(xiàn)固體懸浮物質(zhì)及粗沙，本地懸浮物生產(chǎn)量低，氣體流動(dòng)主要靠紊動(dòng)擴(kuò)散作用來實(shí)現(xiàn)。

圖1 水庫(kù)蓄水前溫室氣體排放

(2)第2階段為水庫(kù)蓄水后(見圖2)。其特點(diǎn)表現(xiàn)為化學(xué)、物理及生物過程發(fā)生顯著變化。此時(shí)流速要比蓄水前低得多，浮游植物呼吸速率與總初級(jí)生產(chǎn)量達(dá)到平衡，產(chǎn)生大量活性有機(jī)質(zhì)。在這一階段，水庫(kù)開始形成深層缺氧層。由于存在被淹沒的陸地植物生物區(qū)，因此有機(jī)物質(zhì)降解過程開始，導(dǎo)致水柱中耗氧加大。該階段溫室氣體排放達(dá)到高峰，水柱中產(chǎn)生大量有機(jī)質(zhì)。氣體流動(dòng)主要靠擴(kuò)散作用和起泡實(shí)現(xiàn)。

圖2 水庫(kù)蓄水后溫室氣體排放

(3)第3階段為水庫(kù)穩(wěn)定蓄水期(見圖3)。此階段較為成熟，各種反應(yīng)過程更加平衡。被水淹沒的大多數(shù)陸地生物開始腐爛，僅剩下主干、枝干及根系等木本部分。由于活性生物質(zhì)最終會(huì)發(fā)生分解，故有機(jī)質(zhì)以外部來源為主。水庫(kù)底部有大量細(xì)泥沙及經(jīng)過水柱沉積的有機(jī)物。水柱仍處于相對(duì)缺氧狀態(tài)，且其深度的變化取決于占優(yōu)勢(shì)的水動(dòng)力條件。這一階段水庫(kù)中總初級(jí)生產(chǎn)力遠(yuǎn)高于呼吸速率。雖然水中產(chǎn)生大量自養(yǎng)，但來自該流域物資的異養(yǎng)仍占主導(dǎo)地位。

圖3 水庫(kù)穩(wěn)定蓄水期溫室氣體排放

3 前期研究與建議

水電站水庫(kù)溫室氣體排放問題相對(duì)來說是近期才引起人們關(guān)注的。20世紀(jì)90年代初期，研究人員確認(rèn)有顯著的CO2，CH4及N2O從空氣-水界面流出。

蒙特利爾魁北克水電公司會(huì)議報(bào)告、世界大壩委員會(huì)報(bào)告，以及里約GHG工作小組報(bào)告都有過對(duì)溫室氣體與水電工程的研究報(bào)道。

最近，國(guó)際水力發(fā)電協(xié)會(huì)(IHA)與聯(lián)合國(guó)教科文組織(UNESCO)組織召開了若干次會(huì)議。IHA與“國(guó)際水文規(guī)劃”組織聯(lián)合主持制定了GHG研究計(jì)劃，旨在提高對(duì)水電站水庫(kù)溫室氣體排放影響的認(rèn)識(shí)，得到對(duì)現(xiàn)行方法更詳細(xì)的綜述，并填補(bǔ)當(dāng)前知識(shí)的空白。

IHA公布的《淡水水庫(kù)溫室氣體排放測(cè)量指南》是該領(lǐng)域探索知識(shí)的重要里程碑，其意圖是規(guī)范某些程序。

最近，國(guó)際能源機(jī)構(gòu)根據(jù)《水電規(guī)劃與技術(shù)實(shí)施協(xié)定》制定了一份新附件，即《淡水水庫(kù)碳平衡管理辦法》。該倡議旨在制定水電站水庫(kù)溫室氣體排放公認(rèn)的測(cè)量程序和議定書，以及盡量減少這種溫室氣體排放的最佳措施。

目前，巴西與日本、挪威、芬蘭及美國(guó)的一些大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)共同引導(dǎo)這一重要倡議的實(shí)施。加拿大積極響應(yīng)，葡萄牙與法國(guó)也有望對(duì)實(shí)施這項(xiàng)倡議作出貢獻(xiàn)。該倡議目的如下:

(1)增進(jìn)有關(guān)程序知識(shí);

(2)制定水庫(kù)碳平衡規(guī)劃研究的指導(dǎo)方針;

(3)規(guī)范溫室氣體通量評(píng)估方法。

4 水電與火電排放總量對(duì)比

目前世界上僅有幾個(gè)地區(qū)開展了排放總量的研究，而對(duì)凈排放研究經(jīng)驗(yàn)則相當(dāng)匱乏。

值得注意的是在陸地淹沒前，河流、湖泊、草原及森林等地區(qū)就發(fā)生大量自然排放。計(jì)算排放總量沒有從現(xiàn)有排放中減去自然排放。

CO2排放可歸因于大氣與水庫(kù)之間的自然碳循環(huán)。

目前對(duì)水庫(kù)CO2循環(huán)的討論尚未得出結(jié)論。

必須要考慮洪水前生態(tài)系統(tǒng)凈交換量(生態(tài)系統(tǒng)凈交換量通常被稱為NEE，用以測(cè)量進(jìn)入或離開該生態(tài)系統(tǒng)的碳的數(shù)量)。

2006年，國(guó)際氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)指出當(dāng)前水電站水庫(kù)溫室氣體排放數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，據(jù)此推斷一些國(guó)家相當(dāng)多的水電站排放數(shù)據(jù)不可靠。

數(shù)據(jù)取樣未考慮來自人工水庫(kù)的凈排放通量，因?yàn)閮襞欧磐繘]有計(jì)及可能來自大氣的氣體自然排放通量(主要為CO2)。這將使人為排放與沒有水壩情況下已經(jīng)發(fā)生的自然排放更加難以分開計(jì)算。

PICC的這份報(bào)告同時(shí)指出，溫帶、潮濕地區(qū)、熱帶潮濕及熱帶干燥地區(qū)的水庫(kù)溫室氣體排放量更高。

最近，巴西對(duì)10座水利樞紐電站(總裝機(jī)容量為28537 MW)的排放與同等發(fā)電功率的天然氣電站的排放進(jìn)行了比較。

通過抽樣，對(duì)選擇的每座水庫(kù)的溫室氣體排放總量進(jìn)行評(píng)估，接著對(duì)結(jié)果進(jìn)行外推求值，以得出該水庫(kù)整個(gè)地區(qū)的排放值。此方法是為了能求得有代表性的排放平均值，同時(shí)考慮空間與時(shí)間變化。

溫室氣體排放強(qiáng)度變化范圍較大，表明受許多因素影響，包括土壤沖刷產(chǎn)生的并沿流域坡度下流的外來有機(jī)質(zhì)。

對(duì)亞馬遜平原中部的巴爾比那水利樞紐電站溫室氣體排放進(jìn)行測(cè)量后得出，下游甲烷排放量與水庫(kù)水面排放量具有相同數(shù)量級(jí)。

研究結(jié)果目前看來仍相當(dāng)敏感，需要仔細(xì)分析與說明。然而，假定這10座水利樞紐電站下游溫室氣體排放上限與水庫(kù)水面排放大致相等似乎比較恰當(dāng)。

致力于測(cè)量技術(shù)改進(jìn)的研究工作還在繼續(xù)進(jìn)行，對(duì)所調(diào)查的10座水利樞紐電站中的7座進(jìn)行了研究，目前結(jié)果顯示，在已經(jīng)研究的10座水利樞紐電站中，其中7座(總裝機(jī)容量27675 MW)電站的水庫(kù)每MW·h平均溫室氣體排放低于天然氣電站。

即使將水庫(kù)表面排放量增加一倍，假定達(dá)到下游排放的上限，從結(jié)果來看，10座水電站產(chǎn)生的電站的平均排放量(用每MW·h碳等效質(zhì)量表示)也低于那些單循環(huán)及復(fù)合循環(huán)天然氣電站的排放量。

研究結(jié)果顯示，可以保守地說，到目前為止，水電站每MW·h溫室氣體排放量仍比天然氣電站低。

綜上所述，在最壞情況下，水電站溫室氣體排放僅為以天燃?xì)鉃槿剂系膯窝h(huán)電站的10.9%，聯(lián)合循環(huán)電站的18.2%。與燃煤電站比較，結(jié)果將更為令人振奮。

5 結(jié)論

水電是超低碳的可再生能源資源，具有顯著開發(fā)潛力。此外，許多發(fā)展中國(guó)家具有豐富的可開發(fā)利用同時(shí)又可以避免對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重影響的水電潛能。

盡管像其他能源資源一樣，水力發(fā)電也有其局限性且會(huì)面臨一些障礙，但就其極低的運(yùn)營(yíng)費(fèi)及微不足道的燃料成本來說，其效益無疑具有壓倒性的優(yōu)勢(shì)。人類在尋找清潔、低碳并且經(jīng)濟(jì)上能負(fù)擔(dān)的能源時(shí)，豐富、清潔、可再生的水電資源不容小覷。

過去沒有考慮大壩及水庫(kù)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響，今天，政府及決策者必須吸取過去盲目開發(fā)帶來的慘痛教訓(xùn)，以期未來能更好地開發(fā)與管理好水電資源。

目前全球許多地區(qū)對(duì)水庫(kù)溫室氣體排放還缺乏長(zhǎng)期、協(xié)調(diào)一致的研究，這是邁向全球精確評(píng)估溫室氣體排放道路上的一大障礙。

盡管許多研究以溫帶及近北極地區(qū)為主，但也有人開始對(duì)巴西及法屬圭亞那的熱帶水庫(kù)展開研究。

水電站水庫(kù)排放的CH4因其全球變暖潛力很高而總是對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不利影響。

CO2排放一部分可能歸因于水-氣界面的天然碳循環(huán)，另一部分可能由于筑壩引起的有機(jī)質(zhì)分解。

下列問題尚需進(jìn)一步研究:

(1)有些排放不全是人為因素造成的。如何單獨(dú)計(jì)算水電站水庫(kù)排放?有些國(guó)家，未經(jīng)處理的污水與農(nóng)業(yè)活動(dòng)引起的水土流失及濫伐均會(huì)引起排放。

(2)如何才能獲取完備的季節(jié)性統(tǒng)計(jì)資料?獲取典型數(shù)據(jù)的最小抽樣頻率是多少?

(3)對(duì)梯級(jí)水電站項(xiàng)目該如何評(píng)估?

(4)諸如概率密度函數(shù)分析及統(tǒng)計(jì)模型這樣的探索性數(shù)據(jù)分析可用作評(píng)估溫室氣體排放的外推數(shù)據(jù)。采取何種最佳方法來獲取可靠的數(shù)據(jù)?

下列建議可供進(jìn)一步研究。

(1)針對(duì)分布范圍及差異程度更廣的水庫(kù)進(jìn)行更多觀測(cè)。

(2)在正在修建大壩的國(guó)家中，對(duì)分布范圍及差異程度更廣的各種自然環(huán)境進(jìn)行更多的觀測(cè)。

(3)提高對(duì)水庫(kù)及天然湖泊中的瞬態(tài)碳作用的認(rèn)識(shí)。

(4)鼓勵(lì)對(duì)抽樣和分析的各種方法與技術(shù)在代表性與準(zhǔn)確性方面進(jìn)行相互比較。

(5)將未筑壩流域與筑壩流域的碳循環(huán)進(jìn)行對(duì)比。