水庫水氣界面溫室氣體通量監測技術探討

佟艷輝

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，沈陽 110000)

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水庫水氣界面溫室氣體通量監測技術探討

佟艷輝

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，沈陽 110000)

水庫水氣界面溫室氣體的排放通量，受諸多因素影響，常用監測技術有TDLAS法、靜態箱法、渦度相關法等，這些方法都有各自的優點和缺點，因而使用范圍也存在較大差別。文章以大伙房水庫為例，分析了水庫的基本概況，并對水庫溫室氣體通量監測技術進行了分析，了解了影響水庫氣體排放通量的主要因素，并對遙感技術在水庫氣體通量監測中的應用進行了探討。

水氣界面；水庫；監測技術；溫室氣體

水電是重要的清潔能源，受到人們的極大推崇，水電生產會產生一定的溫室氣體，因而人們對水庫溫室氣體的排放也越來越關注。水庫所產生的溫室氣體主要為甲烷和二氧化碳等，會通過水氣界面最終排向大氣。目前，對于水庫水氣界面溫室氣體通量的監測已經成為各國關注的重點。文章以大伙房水庫為例，對其水氣界面溫室氣體通量監測技術進行了探討。

1 水庫概況

大伙房水庫在撫順市東洲區，位于渾河干流，該水庫根據1000a一遇洪水設計，是“十一五”重點水利工程，是我國第一座自行設計和施工的大型水利樞紐，具有防洪、發電、供水等多重作用[1]。該水庫總庫容22.68億m3，相應庫容14.30億m3，壩頂長度1366.72m，壩頂高程139.80m，壩頂寬度8m，最大壩高49.8m，死庫容1.34億m3，死水位108.00m，屬于多年調節水庫。該水庫自投入運行之日起，共應對了26次較大洪水，尤其是在抵御“95.7”洪災時，發揮了巨大作用，減災效益達到75億元。大伙房水庫的供水、供電等作用，極大地推動了遼寧的經濟發展，因而有“渾河明珠”之稱。

2 水氣界面溫室氣體通量監測技術

要有效了解大伙房水庫在全球變化中的作用，首先需要對其溫室氣體通量進行科學監測和分析，常用的溫室氣體通量監測技術主要有以下幾種：

2.1 基于TDLAS的監測技術

TDLAS技術，全稱為可調諧二極管激光吸收廣譜技術，該技術具有較高的精度，能夠同時觀測大區域內的多種氣體，尤其是在甲烷以及工業氣體監測等大氣痕量監測中應用較為廣泛。TDLAS技術主要是通過二極管激光器的波長調諧特性，獲取被測氣體的吸收光譜，從而達到對被測氣體進行定量和定性分析的目的。TDLAS技術為水庫溫室氣體通量的監測帶來了新的思路，有研究學者通過研究發現，使用TDLAS技術觀測水庫表面0.5m和1.5m高處的氣體濃度梯度，并根據所得數據計算水庫水氣界面甲烷和二氧化碳的排放通量，通過分析發現，該結果與同時期同地區靜態箱法獲得的通量值相比，具有可比性。說明TDLAS技術在水庫溫室氣體通量監測中具有較高的效果。

2.2 梯度法

梯度法是從水庫水氣界面溫室氣體通量的特性出發，水庫水氣界面的甲烷和二氧化碳通量，主要取決于大氣和水體中對應氣體的濃度及交換系數，所以梯度法根據這一特征，同時測量大氣和表層水中的溫室氣體濃度，然后計算這兩者之間的濃度差，利用氣體交換系數得出溫室氣體通量，其具體的計算公式為：

F=k(Cw-Cn)

(1)

式中：k為氣體交換系數；Cw為水體表層溶解的氣體濃度；Cn為大氣中對應氣體的濃度。

梯度法是水庫水氣界面溫室氣體通量常用觀測方法，通過采用不同的氣體濃度分析方法，可以對大氣溫室氣體濃度進行連續監測，獲得水庫溫室氣體通量觀測的時間序列。該方法是一種半經驗模型方法，主要基于水庫水氣界面氣體擴散過程，但是對其擴散過程的驅動機制和原理并沒有充分體現，因而該方法的結果存在較大的不確定性，降雨、風速等環境因素是造成這種不確定性的主要原因[2]。

2.3 渦度相關法

該方法是目前用于二氧化碳和水熱通量測量的主要方法，能夠對大氣與群落間二氧化碳的交換通量直接進行測定。渦度相關法主要是對大氣湍流運動產生的物理量脈動以及風速脈動進行測定，然后對物質通量進行計算。渦度相關法在水庫氣體通量測量中的應用，需要滿足3個基本條件：①被測下墊面應大尺度宏觀均勻；②應在熱力中性大氣條件下應用；③在測點上風方向相當大的區域內，其氣體通量須排放均勻。與靜態箱法相比，渦度相關法能夠對更大區域內的氣體通量進行監測，而且可以在長時間無人值守的情況下實現連續監測，但是這種方法也存在一定的不足，對環境的要求相對較高，而且監測成本高，操作技術較為復雜，因而渦度相關法通常用于陸地生態系統的碳通量測量[3]。

2.4 靜態箱法

與其他監測技術相比，靜態箱法的操作相對更為方便和簡單，該方法需要將一個頂部密封的箱體置于水體表面，并使箱體的底部保持中通，然后收集水體表面擴散的甲烷、二氧化碳等氣體，對收集的待測氣體每隔一段時間測量其濃度，根據待測氣體濃度隨時間的變化情況，測定水庫的溫室氣體排放通量。

對于箱內待測氣體的濃度，主要通過氣相色譜儀進行測定，氣象色譜儀測定溫室氣體通量F的基本計算公式為：

(2)

式中：S為待測氣體濃度隨時間變化的速率，即不同時間段內氣體濃度回歸分析所得曲線的斜率；A為靜態箱覆蓋水面的面積；F1、F2為轉換系數；V為靜態箱水面以上部分的體積。

靜態箱法氣相色譜法既具有其獨特的優勢，也存在一定的不足。它能夠對氣體樣本中的多種成分同時進行分析，具有較高的精度，且靜態箱法成本較低，便于攜帶和拆卸，通過與在線分析儀進行連接，能夠實現實時監測。其不足主要表現在：①勞動強度較大，通常只能獲得點上的通量數據，不適宜長期或大區域的監測。②箱體沒有統一的設計標準，會對監測結果的準確性造成一定影響。因此，靜態箱法比較適合于靜態水體的觀測，不宜大區域的溫室氣體通量監測。

2.5 倒置漏斗法

與其他監測方法不同，倒置漏斗法主要是通過采集和分析冒泡方式排放的溫室氣體，來實現對水庫溫室氣體通量的監測。該方法將氣體收集裝置與倒置的漏斗連接，然后將該裝置放入到水體表層以下位置，使其能夠收集到水下產生的氣泡，并對裝置中收集到的氣體濃度進行分析，從而得出溫室氣體排放通量。該方法測得氣體通量的計算公式為：

(3)

式中：Fb為待測氣體的冒泡排放通量；T為觀測時間段；C為待測氣體的濃度，由于甲烷在水中的溶解度相對較小，所以在水庫的一定深度內，主要通過冒泡的方式排放，因而倒置漏斗法常用于甲烷排放通量的監測。

倒置漏斗法主要適合于氣泡排放氣體的定點監測，無法進行區域連續監測，受冒泡排放的空間和時間變異特性影響，很難捕捉到較為全面的排放信息。為了有效彌補倒置漏斗法的這些不足，國外目前已經研發出了超聲探測技術和開放式動態箱等方法，以提高對氣泡方式排放氣體通量的監測質量[4]。

3 水庫水氣界面溫室氣體通量的主要影響因素

水庫溫室氣體的產生、排放等是一個動態的生物化學過程，具有非常強烈的時間和空間變化特性，在這個過程中，任何一個影響因素都有可能對溫室氣體的排放通量造成影響。因此，對大伙房水庫的溫室氣體通量影響因素分析，可以主要從以下3個方面展開。

3.1 水環境影響

水庫溫室氣體的產生和運移離不開水體這一重要載體，所以水環境變化情況會直接影響溫室氣體的排放通量。導致水環境發生變化的因素主要有水溫、有機碳、PH以及初級生產力等，這些因素會在一定程度上影響水庫的水環境，從而影響氣體排放通量。

首先從水溫來看，水溫會直接影響水庫中細菌的活性，而甲烷和二氧化碳主要是通過細菌分解有機碳所產生，所以水溫會對溫室氣體的產生過程造成影響。另外，水溫還會影響氣體在水中的溶解度，溫度越高，氣體的溶解度反而會越小，從而增加進入到大氣中的氣體。有機碳是甲烷和二氧化碳產生的直接來源，水庫的有機碳含量與溫室氣體通量具有比例關系。pH值是反映水庫水質的重要因素，當PH值處于較高水平時，水中的二氧化碳會溶于水，由于水中二氧化碳的減少，會使得大氣中的二氧化碳進入水體。相反，PH值處于較低水平時，會使得水體中的二氧化碳進入到大氣中。初級生產力即水庫中水生生物的生物泵作用，會對水庫水氣界面的氣體通量造成影響[5]。

3.2 陸地環境影響

陸地是水庫中碳的主要來源，所以其氣體通量自然會受到陸地環境的影響，水庫淹沒區植被與土壤類型的差別，會影響水庫產生溫室氣體的能力。其次不同水庫管理模式下，所形成的消落區也會存在碳含量的差異，從而影響溫室氣體排放通量[6]。

3.3 氣候影響

氣候因素對水庫溫室氣體通量的影響較大，首先從氣溫來看，隨著季節的變換，氣溫也會發生較大變化，水庫的水環境和陸地環境也會隨之發生相應改變，從而對水庫溫室氣體的產生條件造成影響，形成不同強度的溫室氣體排放。有研究證實，水庫溫室氣體排放受不同季節氣溫條件的影響，具有較為明顯的季節變化特性。其次，降雨會使得大氣中的二氧化碳發生沉降，從而增加水體中二氧化碳的溶解量。另外，降雨會對地表造成沖刷，使得地下滲透或地表徑流進入到水庫中的雨水，含有較多的有機碳，從而促進甲烷和二氧化碳的生成，增加水庫溫室氣體的排放通量。最后，水庫表層水體和大氣中氣體的濃度梯度都會受到水體表面風場的影響，例如，在淺水區，由于風場的擾動，會使得氣泡產生量增加，從而增加水庫溫室氣體通量。

4 水庫溫室氣體通量監測中遙感技術的應用

由于水庫溫室氣體排放通量受諸多因素影響，而靜態箱法、倒置漏斗法、梯度法等監測方法雖然具有一定的監測效果，但是都是基于小區域數據建立的“點”模型，很難實現對整個水庫氣體排放通量的監測。隨著現代科學技術的進步，遙感技術在水庫氣體通量監測中的應用也越來越普遍，能夠有效實現對水庫的長期、持續監測。

通過遙感技術，能夠對庫區的土地利用類型進行調查，從源頭分析不同區域溫室氣體通量差異產生的原因，通過庫區遙感歷史數據，能夠對庫區淹沒土壤和植被的有機碳含量進行估算，從而分析水庫溫室氣體排放特征。遙感技術，結合GIS空間分析方法、物理模型反演、植被指數法以及神經網絡模型等方法，能夠對水庫的溫室氣體排放通量進行更為準確的分析和計算。

5 結 語

總而言之，水庫水氣界面氣體通量的監測方法較多，但目前還沒有比較統一的觀測標準，各種監測方法都有自身的優勢和劣勢，遙感技術在水氣界面氣體排放通量監測中的應用，能夠對庫區環境實施時空連續觀測，通過對遙感數據的分析處理，能夠對水庫氣體排放通量進行更準確的估算，可嘗試推廣應用。

[1]趙小杰，趙同謙，鄭華，等.水庫溫室氣體排放及其影響因素[J].環境科學,2008(08):2377-2384.

[2]鄧雪,李家銘,曾浩健,等.層次分析法權重計算方法分析及其應用研究[J].數學的實踐與認識,2012(07):93-100.

[3]高宏.喀左縣水資源開發利用分析[J].水利規劃與設計，2015(03)：34-35，45.

[4]陸軍.盤山縣水資源供需平衡分析及主要問題[J].水利規劃與設計，2015(03)：18-20.

[5]黎昱,蔡淵蛟.小塔山水庫主壩溢洪閘基礎防滲帷幕灌漿施工要點[J].水利規劃與設計,2013(09):59-61.

[6]李福仲，劉力真.郭家村水庫洪水預報調度系統研究[J].水利技術監督，2008(02)：46-48.

1007-7596(2017)01-0102-03

2016-12-14

佟艷輝(1981-)，男，遼寧朝陽人，工程師，研究方向為水利水電。

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