吳 蕾，吳 曉 玲，李 超，2，王 志 偉，3

(1.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2.杭州市水文水資源監(jiān)測(cè)中心，浙江 杭州 310016； 3.江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 南京分院，江蘇 南京 210029)

0 引 言

人類通過(guò)建壩修庫(kù)來(lái)調(diào)控洪水與開(kāi)發(fā)利用水能資源，水庫(kù)建設(shè)運(yùn)行對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響已經(jīng)引起了國(guó)際社會(huì)的共同關(guān)注[1]。相比較于河流，相對(duì)封閉的深水環(huán)境和靜水特征使得水庫(kù)水體中的物質(zhì)更容易匯集、沉積，微生物生產(chǎn)、分解過(guò)程比較活躍，有利于溫室氣體的生產(chǎn)[2]；相對(duì)于湖泊，水庫(kù)的泄水方式增加了水體深處水流的擾動(dòng)，有利于溫室氣體排放[3]。如今水庫(kù)溫室氣體通量變化在水電能源碳足跡評(píng)估與碳交易中的作用日益重要[4]。國(guó)際上對(duì)水庫(kù)修建、水力發(fā)電潛在溫室氣體效應(yīng)的研究起始于1993年，Rudd等[5]發(fā)現(xiàn)水庫(kù)建設(shè)可能引起CH4、CO2釋放通量增加；Keller等[6]和Kelly等[7]在當(dāng)?shù)剡M(jìn)行了大量的監(jiān)測(cè)研究，發(fā)現(xiàn)了加拿大北溫帶地區(qū)的水庫(kù)存在顯著的溫室氣體排放；Louis等[8]在巴西亞馬遜地區(qū)Tucuruf水庫(kù)的研究中指出，其CO2年排放總量相當(dāng)于全年圣保羅市的化石燃料釋放的CO2量；Giles等[9]回顧了10 a來(lái)巴西熱帶水庫(kù)溫室氣體效應(yīng)的爭(zhēng)議，認(rèn)為缺乏大量可靠的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)仍是剖析水庫(kù)溫室氣體效應(yīng)的重要障礙。此外，為了彌補(bǔ)監(jiān)測(cè)法測(cè)量溫室氣體排放通量的設(shè)備稀缺與采樣困難等問(wèn)題，聯(lián)合國(guó)教科文組織與國(guó)際水電協(xié)會(huì)在收集了世界范圍內(nèi)223個(gè)水庫(kù)的實(shí)際案例后，于2014年12月啟動(dòng)了水庫(kù)溫室氣體凈通量模型開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，構(gòu)建水庫(kù)溫室氣體凈通量評(píng)估模型(G-res Tool，www.hydropower.org/gres-tool)以評(píng)估水庫(kù)溫室氣體凈通量強(qiáng)度，科學(xué)評(píng)價(jià)筑壩蓄水對(duì)全球溫室效應(yīng)的影響。

本文以珠江上游率先興建的大化水庫(kù)為研究對(duì)象，運(yùn)用G-res Tool模型計(jì)算分析水庫(kù)的溫室氣體(文中僅指二氧化碳CO2和甲烷CH4，下同)排放通量，評(píng)價(jià)大化水庫(kù)的溫室效應(yīng)，拓展珠江上游梯級(jí)水電站的溫室氣體排放評(píng)價(jià)應(yīng)用。

1 模型方法

G-res Tool模型認(rèn)為水庫(kù)溫室氣體凈通量包含水庫(kù)蓄水后溫室氣體通量(Post)、蓄水前溫室氣體通量(Pre)和其他非相關(guān)人類活動(dòng)產(chǎn)生的貢獻(xiàn)量(UAS)，四者之間關(guān)系如圖1所示。

按照?qǐng)D1所示，等式右側(cè)的3個(gè)計(jì)算部分，分別結(jié)合其各自不同的影響要素，構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)值模型。

1.1 蓄水后水庫(kù)溫室氣體總通量(Post)

G-res Tool中，蓄水后水庫(kù)溫室氣體總通量包括水-氣界面擴(kuò)散通量、氣泡釋放通量和過(guò)壩下泄消氣釋放通量3個(gè)不同途徑。

在水-氣界面CH4、CO2擴(kuò)散通量計(jì)算環(huán)節(jié)主要考慮：CH4擴(kuò)散通量主要受近岸帶比例、年均溫度和庫(kù)齡等影響；而CO2主要受流域平均坡度、磷含量、年均溫度與庫(kù)齡等影響[10]。由此，水庫(kù)生命周期內(nèi)通過(guò)水-氣界面的CO2擴(kuò)散通量、CH4擴(kuò)散通量計(jì)算公式為

FCO2，Di=5.93×10(0.04×TCO2+0.07×lgA+0.02×S+0.15×lgTP)×

(1)

(2)

式中：FCO2，Di，F(xiàn)CH4，Di分別表示水庫(kù)在運(yùn)行100 a內(nèi)通過(guò)水-氣界面向大氣中釋放的CO2，CH4的通量，gCO2e/(m2·a)；TCO2，TCH4分別表示CO2，CH4的有效溫度，℃；A表示水庫(kù)面積，km2；S表示淹沒(méi)區(qū)碳含量，kgC/m2；TP表示總磷，μg/L；b表示蓄水前河流面積占比，%；α表示近岸帶比例，%。式(2)中的34是100 a的全球變暖潛能值換算系數(shù)，即每分子CH4的輻射效率約為每分子CO2的34倍[11]，用于FCH4，Di的單位換算。

針對(duì)CH4的排放，G-res Tool中還考慮水庫(kù)過(guò)壩下泄消氣釋放和近岸氣泡釋放。在描述CH4過(guò)壩下泄消氣釋放時(shí)，模型依據(jù)緊鄰大壩上、下游的CH4濃度差異，計(jì)算過(guò)壩下泄的消氣釋放量，其主要受泄水口深度、CH4擴(kuò)散通量和水力停留時(shí)間等影響。近岸帶氣泡釋放計(jì)算時(shí)，模型假定水庫(kù)生命周期下的氣泡釋放通量具有對(duì)數(shù)方程的一般形式，同近岸帶比例、全球平均水平面輻射強(qiáng)度和庫(kù)齡等變量相關(guān)。水庫(kù)CH4的消氣釋放和氣泡釋放通量的計(jì)算分別為

FCH4，De=10(-5.5+2.29×lgFCH4，Di+0.99×lgTWRT)×

(3)

(4)

式中：FCH4，De表示CH4的消氣釋放通量，gCO2e/(m2·a)；FCH4，B表示CH4的氣泡釋放通量，gCO2e/(m2·a)；TWRT表示水分子在水庫(kù)中停留的平均時(shí)間，a；R表示年徑流量，mm/a；Ab表示流域面積，km2；A表示水庫(kù)面積，km2；G表示庫(kù)區(qū)全球平均水平面輻射強(qiáng)度，kgC/(m2·d)。

1.2 蓄水前溫室氣體通量(Pre)

G-res Tool中，采用兩種方法計(jì)算蓄水前溫室氣體通量。用戶可通過(guò)IPCC國(guó)家溫室氣體清單編制方法查找不同土地利用類型的CO2和CH4的排放因子，對(duì)于未建或擬建水庫(kù)，模型將不同土地利用類型面積乘以排放因子，以評(píng)估水庫(kù)蓄水前溫室氣體平衡；對(duì)已建水庫(kù)，因缺少歷史土地?cái)?shù)據(jù)資料﹐模型假定水庫(kù)周邊的緩沖帶[4]同蓄水前土地利用類型等背景信息具有高度相似性，利用蓄水后“緩沖帶”的土地利用情況，反演淹沒(méi)區(qū)范圍[12]，再按待建水庫(kù)方法進(jìn)行計(jì)算。其中緩沖區(qū)寬度W(m)表達(dá)式為

(5)

式中：A表示水庫(kù)表面積，m2。

1.3 其他非相關(guān)人類活動(dòng)貢獻(xiàn)估算(UAS)

UAS表征了其他與水庫(kù)修建無(wú)關(guān)的人類活動(dòng)所增加的溫室氣體排放量。在計(jì)算這一部分“增量”時(shí)，主要依據(jù)水體中磷含量與CH4轉(zhuǎn)化量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系[13-16]，通過(guò)收集人口與土地利用類型、水庫(kù)上游工業(yè)污染磷負(fù)荷和水庫(kù)水體磷濃度等數(shù)據(jù)，構(gòu)建水庫(kù)磷濃度增加“潛勢(shì)”同CH4釋放通量之間的關(guān)系。針對(duì)不同的土地利用類型，運(yùn)用加權(quán)的求和模型來(lái)估算UAS通量：

(6)

式中：FUAS表示非相關(guān)人類活動(dòng)溫室氣體排放通量，gCO2e/(m2·a)；k表示不同土地利用類型個(gè)數(shù)；β表示面積比；I表示強(qiáng)度，為用戶根據(jù)實(shí)際情況輸入值，較高的強(qiáng)度百分比意味著較多的與水庫(kù)修建無(wú)關(guān)的人類活動(dòng)；f表示評(píng)估的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，gCO2e/(m2·a)，它由磷負(fù)荷因子決定，不同土地利用類型在不同強(qiáng)度下的磷負(fù)荷因子可在G-res Tool的技術(shù)手冊(cè)中查詢計(jì)算[11]。

2 研究區(qū)域概況

大化水庫(kù)位于廣西紅水河中游(見(jiàn)圖2)，當(dāng)?shù)囟嗄昶骄鶜鉁?8.2～21.7 ℃，年均降雨總量為1 249～1 673 mm。水庫(kù)始建于1975年，自1983年開(kāi)始蓄水，是珠江上游率先修建的蓄水發(fā)電工程之一，對(duì)上游梯級(jí)水電站修建的碳足跡研究具有示范和指導(dǎo)作用。壩址以上集雨面積11.2萬(wàn)km2[17]，多年平均徑流深558.8 mm，水庫(kù)壩高78.5 m，正常蓄水位155.00 m，平均水深44.0 m，庫(kù)容9.64億m3，年均泄水流量1 990 m3/s[18]，電站裝機(jī)容量600 MW，年發(fā)電量3 319 GW·h。

3 計(jì)算與分析

針對(duì)大化水庫(kù)的溫室氣體凈通量評(píng)估建模，收集流域信息(包括流域下墊面情況、水文氣候特點(diǎn)、人口數(shù)量等)[17-19]、水庫(kù)信息(包括水庫(kù)位置、水位、庫(kù)容、淹沒(méi)區(qū)面積以及裝機(jī)容量等)[17-20]和其他信息(包括水庫(kù)服務(wù)功能劃分等)[18]。資料多來(lái)自相關(guān)文獻(xiàn)、水文年鑒，此外還有一些來(lái)自相關(guān)網(wǎng)站，如氣溫、風(fēng)速信息來(lái)自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http：∥data.cma.cn)，水庫(kù)蓄水前后的土地利用信息來(lái)自地理國(guó)情監(jiān)測(cè)云平臺(tái)(http：∥www.dsac.cn/)，平均水平面輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)來(lái)自NASAPOWER(https：∥power.larc.nasa.gov/)等。

建模后，計(jì)算大化水庫(kù)蓄水前、后的溫室氣體排放情況，溫室氣體排放因子以及其碳足跡發(fā)展，并與世界上其他水庫(kù)以及火電廠進(jìn)行比較，分析中國(guó)西南部喀斯特地區(qū)水庫(kù)的碳排放情況。

3.1 蓄水前后的溫室氣體排放情況

依據(jù)公式(1)～(5)得到大化水庫(kù)建庫(kù)前后以及由非相關(guān)人類活動(dòng)貢獻(xiàn)的溫室氣體(CH4和CO2)排放估算總量如圖3所示。此處甲烷的排放量已經(jīng)按照100 a增溫效應(yīng)折算成產(chǎn)生相同增溫效應(yīng)的二氧化碳質(zhì)量，記作CO2e。

建庫(kù)后庫(kù)區(qū)溫室氣體(這里指CO2和CH4)年均排放通量為216 g CO2e/m2/a，年均排放總量為4 737 t CO2e/a，較蓄水前(1 348 t CO2e/a)增加了約2.5倍，其中，二氧化碳年均排放總量為2 848 t CO2e/a，甲烷年均排放總量為1 888 t CO2e/a。由圖3可見(jiàn)，蓄水后凈排放通量在CO2排放中占主導(dǎo)作用，其排放比例達(dá)到59.53%，是因?yàn)榇蠡畮?kù)水深且流速較緩，使水中的有機(jī)物和生物碎屑更容易聚集和分解，增加了溫室氣體的排放。水庫(kù)中甲烷排放可分為擴(kuò)散釋放、氣泡釋放和消氣釋放，其中擴(kuò)散釋放占主導(dǎo)作用(約占甲烷排放總量的59%)。此外，人類生產(chǎn)生活所帶來(lái)的水體磷濃度增加，是導(dǎo)致甲烷排放增加的主要因素(占蓄水后甲烷排放通量的73%)，由此可見(jiàn)，流域內(nèi)人類活動(dòng)增加了水庫(kù)中溫室氣體的排放。

由圖3可見(jiàn)，蓄水前后CO2排放量都顯著高于CH4排放通量，這一現(xiàn)象也呼應(yīng)了現(xiàn)有的研究成果，即亞熱帶地區(qū)、寒帶及溫帶地區(qū)水庫(kù)的溫室氣體排放多以CO2為主[21]，而熱帶地區(qū)水庫(kù)的CH4排放量較其他氣候帶則更多(參見(jiàn)表1)。

表1 世界水庫(kù)溫室氣體排放量Tab.1 Greenhouse gas emissions from reservoirs in worldwide

3.2 溫室氣體排放因子

大化電站現(xiàn)有600 MW裝機(jī)容量，年均發(fā)電量3 319 GW·h/a，與溫室氣體(CO2和CH4)的二氧化碳排放當(dāng)量4 737 tCO2e/a比較，得到蓄水發(fā)電型水庫(kù)——大化水庫(kù)的溫室氣體排放因子僅為0.5 gCO2e/(kW·h)，明顯低于世界平均水平(23.85 gCO2e/(kW·h))[28]。

據(jù)測(cè)算，中國(guó)大中型水電站能量密度中位值約為64 W/m2，分布范圍為24～235 W/m2，如三峽電站能量密度為35.6 W/m2，溪洛渡水電站能量密度為100.0 W/m2[25]。大化水電站的能量密度為27.4 W/m2。據(jù)2006年聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約(UNFCCC)清潔發(fā)展機(jī)制(CDM)劃定的閾值[29]：能量密度超過(guò)10 W/m2的水電項(xiàng)目，其溫室氣體排放可以忽略；能量密度介于4 W/m2和10 W/m2之間的水電項(xiàng)目，其溫室氣體排放因子被判定為90 gCO2e/(kW·h)；能量密度低于4 W/m2的項(xiàng)目被排除在CDM之外。由此可見(jiàn)，大化水庫(kù)的能量密度大于10 W/m2，且溫室氣體排放因子僅為0.5 gCO2e/(kW·h)，故大化水庫(kù)具有突出的溫室氣體低碳屬性。

3.3 水庫(kù)的碳足跡

大化水庫(kù)位于中國(guó)西南部巖溶地區(qū)，屬于山區(qū)峽谷型水庫(kù)[30]，河谷下切深，消落帶較少，淹沒(méi)區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)和植物等生物體較少；受亞熱帶季風(fēng)氣候影響，夏季降水豐富，豐沛的雨水帶來(lái)大量巖溶水，使得水庫(kù)水體pH升高，從而增加CO2的化學(xué)吸收量[31]。此外，流域內(nèi)人類活動(dòng)以及生活排放量有限，溫室氣體排放通量在水庫(kù)蓄水2～3 a后達(dá)到最大，之后逐漸降低[26]。截至2021年，大化水庫(kù)庫(kù)齡為37 a，不穩(wěn)定的有機(jī)物早已被分解，溫室氣體的排放處于穩(wěn)定階段，隨著庫(kù)齡的增長(zhǎng)，可以預(yù)測(cè)其溫室氣體排放量將穩(wěn)步衰減。通過(guò)100 a為生命周期計(jì)算預(yù)計(jì)，大化水庫(kù)將共計(jì)排放溫室氣體(CO2和CH4)4.7×105tCO2e，遠(yuǎn)低于世界平均排放水平(3.06×109tCO2e)[25]。

3.4 珠江上游水庫(kù)群的溫室氣體排放評(píng)估

根據(jù)大化水庫(kù)的計(jì)算模式，收集其上游其他水庫(kù)的相關(guān)信息，包括流域信息、水庫(kù)信息以及其他相關(guān)信息，建立從魯布格、天生橋(一、二級(jí))、平班、龍灘、巖灘至大化水庫(kù)的溫室氣體排放通量估算模型。由于各水庫(kù)的水下成分、微生物條件、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分解等情況基本相當(dāng)，因此通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)水庫(kù)群CH4綜合排放通量基本在60～360 gCO2e/(m2·a)之間。流域內(nèi)水庫(kù)群的溫室氣體排放通量在166～423 gCO2e/(m2·a)之間變化，其數(shù)據(jù)小于全球水庫(kù)的溫室氣體排放的平均水平602.25 gCO2e/(m2·a)，更進(jìn)一步確認(rèn)了珠江上游西南喀斯特地區(qū)梯級(jí)水庫(kù)的低碳屬性。

3.5 相對(duì)“清潔”的水電能源

煤電鏈的溫室氣體排放為1 303 gCO2e/(kW·h)[32]，是本文研究對(duì)象大化水庫(kù)的約兩千多倍。如果建造相同規(guī)模的火力發(fā)電廠代替大化水庫(kù)，以年均發(fā)電量3 319 GW·h/a計(jì)，則火電1 a會(huì)多排放3.83×106tCO2e的溫室氣體，約相當(dāng)于1 532～3 064 km2森林吸收的CO2[32]。所需森林面積約為100個(gè)大化水庫(kù)的庫(kù)區(qū)面積，顯然這是一筆不小的溫室氣體排放量。綜上所述，水庫(kù)蓄水縱使會(huì)釋放一定量的溫室氣體，但與火電相比依然具有顯著的低碳屬性，是相對(duì)“清潔”的能源，為中國(guó)的減排工作做出了突出的貢獻(xiàn)。

此外，較之其他發(fā)電形式，如風(fēng)電會(huì)誤傷飛鳥(niǎo)影響生態(tài)，太陽(yáng)能會(huì)出現(xiàn)多晶硅的廢棄物污染，核電則具有核污染的安全隱患等，在其他能源還存在難以解決的技術(shù)與安全問(wèn)題時(shí)，大力發(fā)展水電是減少中國(guó)環(huán)境污染的必要措施。在水利水電工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)行調(diào)度管理時(shí)，應(yīng)把生態(tài)效益放在首位，使開(kāi)發(fā)利用水能資源和保護(hù)環(huán)境與生態(tài)有機(jī)地結(jié)合，促進(jìn)人和自然和諧共處，推動(dòng)流域經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié) 語(yǔ)

目前，G-res Tool在溫室氣體凈通量評(píng)估中廣泛應(yīng)用，為全球水電能源溫室氣體排放研究提供了科學(xué)方法和理論框架。本文應(yīng)用G-res Tool模型，評(píng)估了大化水庫(kù)建庫(kù)前后碳排放情況，并估算了其100 a總排放量，確定了其低碳屬性，并拓展其應(yīng)用至珠江上游的其他梯級(jí)水庫(kù)，為中國(guó)水電站工程溫室氣體碳屬性的科學(xué)評(píng)估提供有效的技術(shù)支持。

通過(guò)上述研究發(fā)現(xiàn)G-res Tool對(duì)大化水庫(kù)乃至其上游梯級(jí)水庫(kù)的溫室氣體排放量估算有較好的適用性。然而，本次研究仍存在一些明顯不足，如缺乏連續(xù)的庫(kù)區(qū)內(nèi)實(shí)測(cè)水樣資料，無(wú)法清晰描述大化水庫(kù)溫室氣體排放的發(fā)展歷程。長(zhǎng)期大量的現(xiàn)場(chǎng)跟蹤觀測(cè)與碳排放機(jī)理研究仍是未來(lái)認(rèn)清水庫(kù)溫室氣體凈通量關(guān)鍵性影響因素的重點(diǎn)。