胡江軍，李溪然，崔 磊，高 繁，張 璇，殷國棟

(1.華電金沙江上游水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041；2.華中師范大學(xué)，湖北 武漢 430079；3.水電水利規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120；4.北京師范大學(xué)，北京 100875)

0 引 言

在積極應(yīng)對氣候變化、全面踐行綠色發(fā)展的戰(zhàn)略背景下，2020年，我國鄭重向世界承諾將采取更有力的政策和措施，提高國家自主貢獻力度，二氧化碳排放力爭在2030年前達到峰值，2060年前實現(xiàn)碳中和[1]。在“碳達峰與碳中和”目標(biāo)實現(xiàn)背景下，可再生能源開發(fā)是優(yōu)化能源供給結(jié)構(gòu)、大幅降低能源行業(yè)碳排放的關(guān)鍵，是實現(xiàn)雙碳目標(biāo)的主力軍。與可再生能源中的風(fēng)電、光電相比，水電具有穩(wěn)定性好、滿足電力負(fù)荷動態(tài)需求等優(yōu)勢，因此水電也是眾多國家地區(qū)改善能源結(jié)構(gòu)的首選[2-3]。我國幅員遼闊、水資源豐富，水能資源儲量位于世界前列，我國也是水電強國，水庫數(shù)量和水力發(fā)電總量居世界首位[4]。截至2021年底，我國水電裝機容量為3.54億kW，占全國發(fā)電裝機容量的14.9%，在能源供給安全高效保障、能源結(jié)構(gòu)清潔低碳轉(zhuǎn)型上發(fā)揮了重要作用。

盡管水力發(fā)電替代火力發(fā)電可以減少化石燃料的使用從而減少碳排放，但水電工程同時也改變了天然河道形態(tài)，水庫淹沒區(qū)直接將自然河段和兩岸陸地淹沒成為水庫，原本庫區(qū)自然植被碳匯功能喪失，在水中進一步分解增加了碳的排放。已有很多研究對水電溫室氣體排放進行了系統(tǒng)分析，在水庫溫室氣體凈排放量估算[5-6]、水電碳足跡評價[7-8]、水庫消落帶碳排放[9]等進行了大量研究，但目前的研究多針對特定已建水電設(shè)施，對水庫淹沒區(qū)的碳庫和碳匯損失缺乏研究，相關(guān)方法體系對流域水電開發(fā)規(guī)劃、河段開發(fā)設(shè)計等方面支撐不足。在雙碳目標(biāo)實現(xiàn)和流域水電梯級開發(fā)背景下，依托項目規(guī)劃環(huán)評、從碳匯效應(yīng)方面對流域碳庫和碳匯能力進行系統(tǒng)評估，可在規(guī)劃環(huán)評中為水電開發(fā)選址、庫容設(shè)計以及碳中和等提供科學(xué)建議。

水電開發(fā)建設(shè)對陸地碳循環(huán)最直接的效應(yīng)，可分為陸地碳匯損失、水庫溫室氣體排放和化石能源替代3部分。其中，陸地碳匯損失可分為2部分：①植被因淹沒死亡導(dǎo)致的自身碳的釋放，這部分隨著有機物質(zhì)的分解分為溶解態(tài)和顆粒態(tài)，可通過陸地植被生物量估算獲得；②植被固碳效應(yīng)，即地表植被通過光合作用固定的碳減去異養(yǎng)呼吸所消耗的光合產(chǎn)物碳的部分，反映了陸地生態(tài)系統(tǒng)的凈碳交換量(即碳匯量)；水庫溫室氣體排放和化石能源替代產(chǎn)生的碳源碳匯效應(yīng)，可根據(jù)水庫建設(shè)規(guī)模、裝機容量等進行測算。

金沙江流域水電資源豐富，技術(shù)可開發(fā)量超過1億kW，占長江流域可開發(fā)量的62.5%，占全國十三大水電基地可開發(fā)量的1/3[10]。金沙江上游作為國家“十四五”規(guī)劃中的九大清潔能源基地之一，規(guī)劃建設(shè)的金沙江上游水電梯級開發(fā)地跨青海、四川、西藏、云南4省，總裝機量超過1 489萬kW，建成后將極大地增強區(qū)域清潔能源保障供給和水資源調(diào)蓄能力。從“碳達峰與碳中和”角度開展梯級水電開發(fā)碳匯能力評估研究，可為金沙江上游水資源規(guī)劃與水電梯級開發(fā)提供科學(xué)建議，也為將進一步豐富水電規(guī)劃環(huán)評和流域管理保護技術(shù)體系。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域概況

金沙江上游位于我國青藏高原東緣、四川盆地西南部和云貴高原西北部，地理位置位于東經(jīng)90°～101°、北緯24°～36°之間。上游分別為發(fā)源于唐古拉山的沱沱河和通天河，至青海玉樹匯入巴塘河后為金沙江，具體以青海玉樹(巴塘河口)以下至云南迪慶石鼓以上為金沙江上游河段。因金沙江上游流域自西北向東南沿高原至平原過渡地帶分布，海拔、氣候和植被呈明顯梯級分布。

金沙江上游水電規(guī)劃河段為金沙江巴塘河口至云南迪慶的奔子欄河段，如圖1所示，長約772 km，天然落差1 516 m，河道平均坡降1.96‰。河段從上至下為川青段、川藏段、川滇段3段。規(guī)劃建設(shè)梯級水電13座，總裝機容量1 489萬kW，自上游向下規(guī)劃水電站概況如圖2和表1所示。

圖1 金沙江上游流域概況

圖2 梯級水電站規(guī)劃情況

表1 研究區(qū)域規(guī)劃水電站基本情況

1.2 研究方法與數(shù)據(jù)

1.2.1 研究方法

本研究首先根據(jù)規(guī)劃水電站位置和正常蓄水位時水庫面積，匡算淹沒區(qū)范圍與面積，并根據(jù)遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品分別計算淹沒區(qū)植被碳儲量和固碳能力；同時根據(jù)規(guī)劃裝機容量與正常蓄水位時的水庫面積，計算水電站運行后替代化石能源產(chǎn)生的碳排放量；最后計算水電站建設(shè)直接產(chǎn)生的碳源、碳匯效應(yīng)，分析碳排放效應(yīng)系數(shù)。

水電站建設(shè)的直接碳匯效應(yīng)計算公式為

C總量=C發(fā)電碳匯-C水庫碳排放-C植被碳庫-C植被碳匯

(1)

為進一步評估水電建設(shè)對區(qū)域碳匯的影響，以各水電站碳排放效應(yīng)系數(shù)為評價指標(biāo)，即規(guī)劃水電站建設(shè)對區(qū)域碳庫和碳匯能力的損失與水庫碳排放量之和，除以設(shè)計年發(fā)電量，公式為

(2)

式中，E為規(guī)劃水電站碳排放效應(yīng)系數(shù)，10萬t/(億kW·h)；P為規(guī)劃水電站年發(fā)電量，億kW·h。

為評估水電站建設(shè)對區(qū)域碳源、碳匯變化的影響，以金沙江上游流域首個水電站開工前為研究對象，蘇洼龍水電站開工時間為2016年，故本研究時間段為2001年～2015年。所有原始數(shù)據(jù)經(jīng)過投影轉(zhuǎn)換為GCS_WGS_1984坐標(biāo)系、數(shù)據(jù)重采集后處理為基本空間單元為1 km分辨率的柵格，數(shù)據(jù)處理軟件為Matlab 2014b。

1.2.2 流域陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量

植被碳儲量根據(jù)植被空間分布、植被類型和植被碳密度進行計算。其中，植被類型分布數(shù)據(jù)采用土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)來自資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(https:∥www.resdc.cn/)，時間為2015年；植被碳密度采用王紹強等[11]收集整理的中國陸地生態(tài)系統(tǒng)自然植被碳密度，采用2個水平轉(zhuǎn)換率，其中，碳密度高轉(zhuǎn)換率為50%，低轉(zhuǎn)換率為45%。

1.2.3 流域陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳能力

植被固碳能力通過凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(NEP)計算。凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力為單位時間內(nèi)光合作用固定碳減去植物自身呼吸的碳(凈初級生產(chǎn)力NPP)和土壤微生物呼吸的固碳損耗(RH)所剩的部分。NEP的計算公式為

NEP=NPP-RH

(3)

式中，NEP為凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力，當(dāng)NEP>0時，研究對象為碳匯，反之則為碳源；NPP為植被凈初級生產(chǎn)力，數(shù)據(jù)來自MOD17A3數(shù)據(jù)產(chǎn)品，空間分辨率為500 m；RH為土壤微生物呼吸量，可利用溫度、降水與碳排放的回歸方程計算[12-13]。為避免植被生產(chǎn)力年際波動對結(jié)果造成不確定性，RH計算結(jié)果采用2001年～2015年多年平均結(jié)果，即

RH=0.22×(e0.091 3×T+ln(0.314 5×P+1))×30×0.465

(4)

式中，T為溫度；P為降水，數(shù)據(jù)來自資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(https:∥www.resdc.cn/)，時間為2001年～2015年，空間分辨率為1 km。

1.2.4 水庫碳排放量

水庫碳排放量計算選擇排放因子法。該方法以水電站地理位置和水庫蓄水時長、面積為基礎(chǔ)，以單位面積排放因子評估不同氣候區(qū)水電站水庫年碳排放量。因梯級水電站主要分布于自高原向干熱河谷過渡地區(qū)，因此選擇暖溫帶濕潤氣候類型，對應(yīng)的二氧化碳年排放因子均值為1.46 t/hm2，折算碳年排放量為39.82 t/km2。

1.2.5 水力發(fā)電碳匯量

水力發(fā)電碳匯量的計算是在各規(guī)劃水電站設(shè)計發(fā)電量的基礎(chǔ)上，參考單位發(fā)電量標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量和二氧化碳排放系數(shù)進行估算。其中，單位發(fā)電量標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量(供電煤耗)取《中國能源大數(shù)據(jù)報告(2019)》中公布的標(biāo)準(zhǔn)值3.08萬t/(億kW·h)，標(biāo)準(zhǔn)煤的二氧化碳排放系數(shù)取國家發(fā)展改革委公布的標(biāo)準(zhǔn)值每噸標(biāo)煤2.5 t，折算碳排放量為每噸標(biāo)煤0.68 t。

2 研究結(jié)果

2.1 金沙江上游流域植被碳儲量與碳匯能力

2.1.1 自然植被碳儲量

基于2015年土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果，金沙江上游流域分布呈明顯梯級差異。根據(jù)遙感監(jiān)測的土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)，全流域可分為22種不同土地利用類型，其中上游主要以草地為主，中游呈林草交錯分布格局，下游則主要以林地為主。除林地和草地外，裸露石質(zhì)地、戈壁等低植被覆蓋斑塊也有較多分布，但主要分布于流域上游。為與自然植被碳密度的分類標(biāo)準(zhǔn)相對應(yīng)，本研究根據(jù)遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)說明對土地利用進行轉(zhuǎn)換和再分類，各類型轉(zhuǎn)換關(guān)系、面積占比和單位面積碳密度轉(zhuǎn)換系數(shù)如表2所示。

表2 研究區(qū)域植被類型分類與碳密度轉(zhuǎn)化結(jié)果

陸地生態(tài)系統(tǒng)植被碳儲量計算結(jié)果顯示，在低轉(zhuǎn)化率(轉(zhuǎn)換率為45%)情境下，金沙江上游植被碳密度平均為0.827×103g/m2，在高轉(zhuǎn)化率(轉(zhuǎn)換率為50%)情境下，植被碳密度平均為0.923×103g/m2。根據(jù)規(guī)劃水電站選址位置情況，沿河段提取了上下游25 km2內(nèi)像元信息，計算各水電站植被覆蓋情況，并按照主要植被類型覆蓋比例和規(guī)劃水庫面積完成水庫淹沒區(qū)損失的陸地植被生態(tài)系統(tǒng)碳庫。研究結(jié)果表明，根據(jù)規(guī)劃13級水電站位置和水庫面積，在低轉(zhuǎn)換率情境下，水庫區(qū)域原有植被碳密度約為1.73×103g/m2，植被碳儲量約為45.25萬t；高轉(zhuǎn)換率情境下，原有植被碳密度約為1.92×103g/m2，植被碳儲量約為50.43萬t。在規(guī)劃的13級水電站中，流域中游水電站周邊地區(qū)碳密度相對較高，果通水電站、拉哇水電站周邊地區(qū)碳密度最高，兩個轉(zhuǎn)換情境下碳密度都超過3×103g/m2；流域下游水電站周邊碳密度相對較低，旭龍水電站、昌波水電站和蘇洼龍水電站在兩個轉(zhuǎn)換情境下周邊地區(qū)碳密度均低于1×103g/m2。綜合規(guī)劃面積和碳密度兩個因素，崗?fù)兴娬究赡茉斐傻闹脖惶紟鞊p失最多，高、低轉(zhuǎn)換情境下碳庫損失分別為14.14萬t和15.72萬t，昌波水電站自然植被碳庫損失最小，兩種轉(zhuǎn)換情境下?lián)p失僅為0.25萬t和0.28萬t。

表3 規(guī)劃水電站水庫區(qū)域自然植被碳密度與儲量

2.1.2 碳匯能力

為計算各水電站規(guī)劃水庫建設(shè)對周邊地區(qū)碳匯能力的直接影響，整理了2001年～2015年金沙江上游逐年凈初級生產(chǎn)力、降水和溫度空間分布數(shù)據(jù)，并計算了土壤異養(yǎng)呼吸碳釋放量，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，金上流域多年平均凈初生產(chǎn)力為189 g/(m2·a)，凈初生產(chǎn)力高的地區(qū)主要集中于中下游地區(qū)，中游以上大部分地區(qū)凈初生產(chǎn)力小于200 g/(m2·a)；多年平均土壤異養(yǎng)呼吸造成的碳流失量約19 g/(m2·a)，流域中下游河谷地區(qū)土壤異養(yǎng)呼吸碳流失量高于其他地區(qū)。

基于以上研究結(jié)果，計算了2001年～2015年逐年流域生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力空間分布情況，如圖4所示。由圖4可知，金沙江上游生態(tài)系統(tǒng)多年平均碳匯量為170 g/m2，年碳匯總量約為4 525萬t，碳匯能力較強的地區(qū)主要集中于流域中下游和河谷地區(qū)。同樣根據(jù)規(guī)劃水電站大概位置，沿河段提取并計算上下游25 km2碳匯量均值，并按照水庫面積折算為生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力潛在損失，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，規(guī)劃建設(shè)13級水電站后，水庫淹沒區(qū)域每年約減少碳匯能力7.71萬t，中游巖比水電站至葉巴灘水電站周邊地區(qū)碳匯能力較強，其中，波羅水電站區(qū)域單位面積碳匯能力超過430 g/(m2·a)，昌波水電站、旭龍水電站區(qū)域碳匯能力最低，低于200 g/(m2·a)；從水電水庫規(guī)模的影響情況分析，崗?fù)兴娬疽蚱湟?guī)劃水庫面積和單位面積碳匯能力可能導(dǎo)致2.21萬t/a的碳匯損失，昌波水電站導(dǎo)致的碳匯損失最低，僅為500 t/a。

圖3 金沙江上游多年平均凈初生產(chǎn)力和空間分布(單位：103g/(m2·a))

圖4 金沙江上游2001年～2015年多年平均碳匯能力(單位：103 g/(m2·a))

圖5 規(guī)劃水電站水庫區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力

2.2 水庫碳排放量估算

基于排放因子法，本研究估算了規(guī)劃13個梯級水電站水庫年碳排放量，結(jié)果如表4所示。由表4可知，13個梯級水電站在正常蓄水條件下，總蓄水面積可達239.66 km2，總碳排放量約為0.954萬t，水庫面積最大的崗?fù)兴娬灸昱欧帕靠蛇_0.263萬t，昌波水電站、果通水電站年排放量不足0.02萬t。

表4 規(guī)劃水電站水庫碳排放估算結(jié)果

2.3 水力發(fā)電碳匯量估算

基于各水電站裝機規(guī)模和年均發(fā)電量預(yù)測，本研究測算了規(guī)劃13個梯級水電站的碳匯量，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，金沙江上游13個梯級水電站建成運行后，每年發(fā)電量可達1 304.36億kW·h，可替代標(biāo)煤消耗量4 017.44萬t，折算減少碳排放2 731萬t；旭龍水電站、葉巴灘水電站碳匯量最高，每年碳匯量分別可達440.33萬t和421.98 萬t；果通水電站碳匯量最低，僅為25.69萬t。

圖6 規(guī)劃水電站水力發(fā)電折算碳匯能力

2.4 水電開發(fā)碳匯直接效應(yīng)評估

利用式(1)匯總了金沙江上游規(guī)劃的13級水電開發(fā)碳匯直接效應(yīng)，為評估不同水電站建設(shè)對區(qū)域碳匯的影響，計算了各水電站碳排放效應(yīng)系數(shù)，結(jié)果如表5所示。

表5 規(guī)劃水電站水庫區(qū)域碳匯總量與碳排放效應(yīng)比較

規(guī)劃的水電梯級開發(fā)因水庫蓄水淹沒地表植被，可能造成45.25萬～50.23萬t生物量碳的快速流失，每年損失7.71萬t的地表生態(tài)系統(tǒng)碳匯量；水庫正常蓄水后，每年碳排放量約為0.954萬t；所有水電站全部蓄水發(fā)電后，每年可替代標(biāo)煤消耗4 017.44萬t，折合減少碳排放2 731.86萬t。由表5可知：①金沙江上游梯級水電站碳匯直接效應(yīng)約為2 672.76萬～2 677.86萬t；②葉巴灘水電站、旭龍水電站碳匯直接效應(yīng)最高，超過400萬t，而果通水電站碳匯效果最小，約為24萬t；③昌波水電站碳排放效應(yīng)系數(shù)最低，每億千瓦時的發(fā)電量僅增加3～4 t碳排放，旭龍水電站、巴塘水電站、奔子欄水電站和蘇洼龍水電站的碳排放效應(yīng)系數(shù)也相對較低，每億千瓦時發(fā)電量造成的碳排放效應(yīng)都低于21 t，崗?fù)兴娬镜南禂?shù)最高，每億千瓦時發(fā)電量可能造成158 t的碳排放效應(yīng)。

3 討論分析

金沙江上游13級水電開發(fā)可直接產(chǎn)生碳匯效應(yīng)約為2 672.76萬～2 677.86萬t。各梯級水電站正常蓄水后，可能造成原地表14.14萬～15.72萬t植被碳庫的損失，同時每年減少了7.71萬t碳匯能力，水庫每年碳排放近1萬t，因此，共計產(chǎn)生約23萬t的碳排放效應(yīng)。但水電梯級開發(fā)后，每年可替代傳統(tǒng)化石能源消耗4 017.44萬t標(biāo)煤，折合每年減少碳排放2 731.86萬t。

基于規(guī)劃水電站地理位置、水庫面積、設(shè)計發(fā)電量等基本信息，可完成水庫對自然生態(tài)系統(tǒng)碳庫和碳匯能力影響的定量評估。在本研究中，基于高時空分辨率土地利用類型、氣候和植被凈初生產(chǎn)力信息，完成水庫淹沒區(qū)自然植被碳庫和多年連續(xù)碳匯能力的評估，全流域的系統(tǒng)評估可為水電站選址合理性以及建設(shè)方案優(yōu)化提供科學(xué)建議。本研究引入“碳排放效應(yīng)系數(shù)”這一指標(biāo)，以探索規(guī)劃水電站基本指標(biāo)與其造成的碳排放之間的比例。通過分析系數(shù)的計算邏輯可知，小規(guī)模的水庫面積、低水平的植被生產(chǎn)力以及高發(fā)電量，是降低碳排放效應(yīng)的關(guān)鍵。因此，較深的蓄水水位和較小的蓄水面積，以及選擇適宜的地理位置，可以減小水電站建設(shè)的碳源效應(yīng)。水庫面積最小的昌波水電站因其預(yù)期年發(fā)電量達92.86億kW·h，其碳排放效應(yīng)系數(shù)也低于其他水電站。碳排放系數(shù)的估算探索了規(guī)劃階段對水電梯級開發(fā)的碳排放效應(yīng)的定量預(yù)測，從“碳達峰與碳中和”的角度提高了對規(guī)劃水電站選址以及規(guī)模設(shè)計的指導(dǎo)支持。

本研究中很大的不確定性來自于水庫淹沒導(dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力以及植被碳庫估算。由于沒有各水電站的準(zhǔn)確勘界定標(biāo)信息，無法確定水庫淹沒范圍，因此，只能根據(jù)面積和水電站選址一定范圍內(nèi)的碳匯和碳庫密度進行概算，可能造成估算結(jié)果的偏差。水庫的碳排放過程和效應(yīng)也是近些年學(xué)者關(guān)注的焦點，由于水電站的運行時間較長，因此，利用原位觀測技術(shù)結(jié)合水文模型等開展水庫碳排放規(guī)律研究，可為水電站減排管理提供更為準(zhǔn)確的依據(jù)[6]。

4 結(jié) 語

作為水電建設(shè)的重要決策支撐，項目規(guī)劃環(huán)評對水、氣、聲、渣和生態(tài)環(huán)境進行了科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑u價，以盡量減少水電工程對自然生態(tài)環(huán)境的影響[14]，但在“碳達峰與碳中和”目標(biāo)實現(xiàn)戰(zhàn)略背景下，依托規(guī)劃環(huán)評手段開展開發(fā)項目對生態(tài)系統(tǒng)的碳匯影響是極為有意義的。目前，國內(nèi)外對水電溫室氣體排放與碳足跡[8]的研究已有很多，但大多集中于已建水電站的效應(yīng)評價[6，15]，相關(guān)技術(shù)成果對規(guī)劃階段的水電建設(shè)指導(dǎo)意義有限，尤其對水電站規(guī)模、壩體高度與水庫面積、選址等沒有缺乏支撐。本研究基于高時空分辨率空間數(shù)據(jù)，從流域角度出發(fā)、以水電站為評價對象，對各水電站進行了碳匯效應(yīng)評估，相關(guān)研究成果可從“碳達峰與碳中和”的角度為規(guī)劃階段的水電開發(fā)提供了建議。