三峽水庫夏季干流、支流（草堂河）水體的二氧化碳分壓及擴散通量

吳學謙，操　滿，傅家楠，魏浩斌，賈曉斌，鄧　兵，汪福順

（1.上海大學環境與化學工程學院，上海　200444；

2.華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室，上海　200062）

三峽水庫夏季干流、支流（草堂河）水體的二氧化碳分壓及擴散通量

吳學謙1，操滿1，傅家楠1，魏浩斌1，賈曉斌1，鄧兵2，汪福順1

（1.上海大學環境與化學工程學院，上海200444；

2.華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室，上海200062）

2013年5—7月對三峽水庫庫區干流及支流草堂河水體CO2分壓（pCO2）進行走航觀測.結果表明：夏季草堂河表層pCO2為15.8～226.4 Pa，三峽水庫庫區干流表層pCO2為198.8～261.1 Pa.對支流草堂河剖面監測發現，表層pCO2最低為15.8 Pa，隨著深度增加，pCO2快速增加，在水深5 m后逐漸穩定，最大值為294.2 Pa.通過計算，支流草堂河在5，6，7月的CO2通量分別為16.46，-4.91和30.85 mmol·m-2·d-1，庫區干流CO2通量為45.83 mmol·m-2·d-1.因此，三峽庫區干流表現為CO2的“源”，支流草堂河CO2釋放遠小于庫區干流，6月份表現為“匯”.

溫室氣體；二氧化碳分壓；二氧化碳通量；草堂河；三峽庫區

工業革命以來，土地利用的變化和化石燃料的大量使用使得大氣溫室氣體的濃度不斷增加，全球變暖成為公認事實［1］.全球變暖引發的一系列問題，對人類生存環境與國民經濟的可持續發展造成了不利影響.為減少溫室氣體排放，近年來水電、風電清潔能源以及核電新能源得到迅速發展，其中水電能夠提供大量清潔能源，在促進經濟發展的同時減少了大量溫室氣體的排放，因此已成為多數國家能源發展戰略的重要方向［2-4］.1993年，Rud等［5］發表評論，稱水庫生產單位能量產生的溫室氣體不為零.Duchemin等［6］首次對水庫水氣界面上的溫室氣體通量進行了測量，這引發了各國學者對水庫溫室氣體排放的研究.

現有研究表明：水庫所處的氣候帶、地理位置以及其運用階段、庫齡等，都對其溫室氣體的源匯關系產生了重要影響，表現出個案特征［7］.目前相關研究主要集中在巴西［8］、巴拿馬［9］、法屬圭亞那［10］、北美［11］、加拿大［12］、芬蘭［13］等地的水庫淹沒區的溫室氣體源匯關系，獲得的結論在一定程度上更新了人們對水庫溫室氣體排放的認知，即水庫在運行過程中釋放一定的溫室氣體，并且在極端的情況下，其排放系數甚至會高于火電.我國科學家在這方面的研究更偏重于自然湖泊與富營養化水庫監測及分析研究［14-15］.人工水庫的溫室氣體產生、釋放以及通量關系的研究相對較少，但逐漸引起了人們的重視.

三峽水庫是三峽水電站建成后蓄水形成的人工湖泊，成庫后正常蓄水位為175 m，水域面積達1 085 km2.作為世界著名的水電工程，三峽水庫的溫室氣體排放一直受到各方面的關注.本研究通過夏季對三峽庫區干流、支流草堂河水體CO2分壓及其擴散通量的測量，試圖了解CO2濃度變化的時空特征與其影響因素，從而為研究水庫溫室氣體的排放提供參考資料.

1　研究地區與方法

1.1研究地區概況

三峽水庫東起湖北省宜昌市，西迄重慶巴縣（東經106?～111?58＇，北緯28?01＇～31?45＇）.三峽庫區干流水面寬度一般為0.7～1.7 km，支流的河面寬約0.3～0.6 km.草堂河（東經108?14＇～109?25＇，北緯30?35＇～31?26＇）位于奉節縣東部，是長江的一級支流，河長33.3 km，流域面積210.0 km2，平均流量7.51 m3/s，流域內森林植被稀疏，水土流失嚴重.與汾河、石馬河2條支流在白帝城匯合后注入長江.

1.2樣品采集與分析

2013年5—7月，對三峽庫區干流、支流草堂河進行按月走航監測，選取長江干流（CJ）、草堂河上游（CT01）、草堂河中游（CT02）和草堂河下游（CT03）4個采樣點，走航距離約為3.5 km，如圖1所示.水樣采集使用深井泵間隔抽取不同深度水體，水下0～5 m，每隔1 m取樣，水深5 m以下，每隔5 m取樣分析.現場用二氧化碳傳感器Hydro CTM/CO2對其進行CO2分壓（pCO2）分析，同時用YSI水質參數儀測定酸堿度（pH）、水溫（T）、溶解氧（dissolved oxygen，DO）、葉綠素a（Chl-a），用濁度儀測定水體濁度.

圖1　研究區域與研究點位Fig.1 Studied area and sampling sites

1.3數據處理

水-氣界面的CO2擴散主要受大氣和水體中二氧化碳分壓差、流速、風速和溫度等因素影響.通常情況下，二氧化碳在水-氣界面的擴散通量采用下式計算［16-18］：

式中，F表示水-氣界面CO2的擴散通量（F＞0表示水體向大氣中釋放CO2，F＜0表示水體吸收CO2）［19］，k為氣體交換系數，pCO2為水體CO2分壓，gsat為大氣CO2分壓（38 Pa），kH為亨利系數.受溫度和鹽度的影響，kH根據下式計算［20］：

式中，TK表示開爾文溫度.

氣體交換系數k會受溫度、風速、水體濁度等影響，采用下式計算［17-18，21］：

式中，Sc為CO2的施密特數，k600表示20℃、施密特數為600時CO2的標準氣體交換系數，U1表示水面上的風速，U10表示水面上方10 m處的風速，t為水溫.

2　結果與討論

2.1研究區水體表層參數變化

監測結果顯示，觀測期間干流表層水體溫度為24.2～25.1℃，支流草堂河表層水溫為22.1～27.3℃.庫區干流表層水體中pCO2變化為198.8～261.1 Pa，月際波動較小，支流草堂河表層水體pCO2變化為15.8～226.4 Pa，波動范圍大.從河口（CT01）到支流上游（CT03），pCO2逐漸減小，并且顯著低于干流（見圖2）.此外，從干流到支流，pH，DO，Chl-a逐漸增大，其中6月份pH值平均為8.44、Chl-a平均值為20.7μg/L，pCO2平均值為18.8 Pa（見圖2）.夏季水體溫度較高時，太陽輻射增強有利于藻類大量繁殖，光合作用的增強.水體中CO2含量由生物光合作用與有氧呼吸共同決定，光合作用占主導作用時［22］，水體CO2分壓下降.

圖2　表層水體CO2分壓走航監測結果Fig.2 Result of the cruise monitoring of pCO2in the surface water

2.2研究區干、支流剖面參數分析

三峽干、支流水體在水庫蓄水后由于水位的變動處于頻繁交換狀態，這使得支流庫灣水體的理化特性受到一定影響.作為典型的“河道型”水庫，庫區干流一維流動特征顯著，而對于支流草堂河，水動力特征受到上流來水及蓄水帶來的影響，不能簡單概化為一維特征，在水體剖面上會形成明顯的分層現象［23］.

夏季草堂河水體剖面上呈現明顯的垂向分層現象.以庫區干、支流的交匯點CT01為起點，繪制庫區支流草堂河3個斷面水體參數的剖面變化（見圖3和4）.監測結果表明，pH值在表層水體中最大并隨著水體深度的增加快速下降，在水下5 m處趨于穩定.與pH參數變化規律相反，pCO2在各表層水體中最小，隨著水體深度增加而變大，從表層到水下5 m處，pCO2迅速增加，水體表面5 m以下趨于平衡，為199.9～294.1 Pa.

圖3　草堂河水體剖面的pHFig.3 Result of pH of vertical section montioring in the Caotang River

圖4　草堂河水體剖面的CO2分壓Fig.4 Result of pCO2of vertical section montioring in the Caotang River

圖5為剖面水體pCO2與PH的相關性.可以看出，在垂直剖面上水體pCO2與pH呈負相關.在夏季溫度較高、陽光充足的情況下，上層水體中由光合作用占據主導作用，浮游植物等生長狀況良好，通過光合作用大量消耗水體中CO2，釋放O2，從而使pH升高；隨著水體深度的增加，水體中無機碳平衡逐漸由呼吸作用占主導，水體中pCO2升高，pH下降.

圖5　剖面水體pCO2與pH的相關性Fig.5 Regression analysis between pCO2and pH

2.3水體CO2釋放通量與分析

庫區受地形影響，風力普遍偏小，靜風頻率偏大，年平均風速一般為0.5～2.0 m/s［24］.根據式（3）計算得到草堂河5，6，7月k的平均值分別為2.892，3.251，3.196 cm/h，而三峽干流較穩定，k的平均值為2.924cm/h.通過式（1）計算得到草堂河區域在5，6，7月上游、中游和下游的CO2通量（見圖6）.可以看出，5，6，7月CO2通量的平均值為16.46，-4.91和30.85 mmol·m-2·d-1.另外，干流5，6，7月的CO2通量分別為40.48，42.52與54.48 mmol·m-2·d-1（以上數據以1.25 m/s風速計算獲得，誤差線數據是基于0.5和2.0 m/s風速計算獲得）.上述結果表明，草堂河5，7月的CO2通量與干流的CO2釋放通量F均大于0，表現為大氣CO2的“源”，草堂河6月的CO2釋放通量F小于0，表現為大氣CO2的“匯”.

圖6　干、支流水體表面的CO2通量Fig.6 F of surface water from the main stream and tributary

草堂河研究區域的面積約為3.6 km2，夏季5—7月的CO2釋放總量約為4.68×106mol；而三峽蓄水后，全庫區面積約為1 084 km2，干流夏季CO2釋放總量約為4 570.2×106mol.根據圖6進一步分析可知，支流草堂河CO2的平均釋放量遠小于干流的CO2釋放量，甚至表現出對CO2的吸收.河流作為陸地生源要素向海洋輸送的通道，會攜帶大量流域內有機質，因受到呼吸作用的影響，干流水體流速與湍流度的值相對較高，對水體中的CO2向大氣擴散具有加速作用［25］；而在部分支流區域，因受到干流與地理特性的影響，河流的流速降低，為水體中浮游植物的生長創造了條件，在夏季光合作用相對強烈的情況下，減緩了CO2的釋放.因此在評估一個地區的CO2分壓時，應對整個研究區域進行考察，不能考慮局部流域.

3　結束語

（1）對三峽壩區干流、支流草堂河進行走航監測，得到了表層水體的pCO2，pH，DO與Chl-a等參數.結果表明，干、支流表層水體pCO2存在明顯差異，差異產生的原因主要是干、支流表層水體的光合作用強度不同.

（2）干流CO2分壓顯著高于支流草堂河CO2分壓，夏季干流CO2釋放通量平均為48.54 mmol·m-2·d-1，表現為大氣CO2的“源”；支流草堂河5，6，7月的CO2釋放通量分別為16.46，-4.91和30.85 mmol·m-2·d-1，明顯低于干流CO2釋放通量，甚至表現為大氣CO2的“匯”（6月）.

（3）庫區干流在向外界輸送的過程中會攜帶大量有機質，有機質通過呼吸作用降解，并向大氣釋放CO2；而支流因受到干流與地形等影響，流速減緩，有利于浮游植物生長，在光合作用的影響下降低了CO2分壓，減少了CO2釋放，甚至表現出對大氣CO2的吸收.

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Partial pressure and diffusion flux of dissolved carbon dioxide in the main stream of the Three Gorge Reservoir and the Caotang River in summer

WU Xue-qian1，CAO Man1，FU Jia-nan1，WEI Hao-bin1，JIA Xiao-bin1，
DENG Bing2，WANG Fu-shun1
（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）

From May 2013 to July 2013，monthly cruise investigation was conducted to study the partial pressure of dissolved carbon dioxide（pCO2）in the main stream of the Three Gorge Reservoir and its tributary，the Caotang River.The results show that pCO2in the surface water of the Caotang River varied from 15.8 to 226.4 Pa，and 198.8 to 261.1 Pa for the main stream of the Three Gorge Reservoir.Along the water column of the Caotang River，the lowest value of pCO2in surface water was 15.8 Pa，and increased rapidly with the depth，and kept stable below 5 m with a maximum value of 294.2 Pa.According to calculations，emission fluxes of CO2in the Caotang River in the period of investigationwere about 16.46，4.91 and 30.85 mmol m-2·d-1，respectively.In the main stream of the Three Gorge Reservoir，this flux was 48.54 mmol·m-2·d-1.The results show that the main stream of the Three Gorge Reservoir is a source for atmospheric CO2，and the tributary Caotang River emits less CO2than the main stream，even a sink for atmospheric CO2on June.

greenhouse gas；partial pressure of carbon dioxide；diffusion flux of carbon dioxide；the Caotang River；the Three Gorge Reservoir

X 142

A

1007-2861（2015）03-0311-08

10.3969/j.issn.1007-2861.2015.01.010

2015-05-20

國家水體污染控制與治理科技重大專項（2012ZX07104-001）；國家自然科學基金資助項目（41273128，41473082）

汪福順（1976—），男，教授，博士生導師，博士，研究方向為地球化學.E-mail：fswang@shu.edu.cn.