李雨晨，秦 宇，楊 柳，李 哲，魯倫慧

(1：重慶交通大學(xué)水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074) (2：中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院，重慶 400714) (3：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)重慶學(xué)院，重慶 400714)

全球氣候變化已被確認(rèn)為當(dāng)前人類(lèi)世界面臨的最大挑戰(zhàn)，并將在未來(lái)幾十年繼續(xù)影響人類(lèi)生存與社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展[1]。改變能源結(jié)構(gòu)、大力推廣低碳的可再生能源并徹底取代傳統(tǒng)化石燃料，是實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)議》預(yù)期目標(biāo)的重要途徑。在可再生能源中，水力發(fā)電占據(jù)重要的地位。截至2020年底，全球水電總裝機(jī)容量達(dá)到1308 GW，水力發(fā)電量約占世界總發(fā)電量的16%[2]，水電在全球可再生能源中占比約62.11%[3]。作為技術(shù)成熟可靠、經(jīng)濟(jì)低廉且安全性較高的可再生能源形式，發(fā)展水電已成為廣大發(fā)展中國(guó)家在優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)方面的首要選擇，為減少各國(guó)碳排放提供了巨大的潛力[4-5]。

盡管水電生產(chǎn)過(guò)程并未發(fā)生如煤炭、石油、天然氣等化石能源發(fā)電系統(tǒng)中的劇烈氧化反應(yīng)，但水庫(kù)型水電項(xiàng)目因筑壩蓄水等導(dǎo)致土地利用類(lèi)型發(fā)生變化，導(dǎo)致了淹沒(méi)區(qū)域大量有機(jī)質(zhì)降解，產(chǎn)生CO2、CH4等溫室氣體，對(duì)全球氣候變化產(chǎn)生潛在貢獻(xiàn)[6-9]。自1993年，Gagnon和Vate[10]較早開(kāi)展水庫(kù)水-氣界面溫室氣體通量監(jiān)測(cè)分析以來(lái)，國(guó)際學(xué)界對(duì)水電產(chǎn)生的溫室效應(yīng)具有不同的看法，就水電是否為清潔能源展開(kāi)了激烈討論[7,11-14]。1995年，F(xiàn)earnside[11]研究發(fā)現(xiàn)，在發(fā)電量相等的條件下，位于熱帶雨林地區(qū)的水庫(kù)的溫室氣體排放量相當(dāng)于一座化石燃料發(fā)電廠的溫室氣體排放量；2009年，Qiu[12]在Nature發(fā)表題為“Chinese dam maybe a methane menace”的文章，認(rèn)為三峽工程產(chǎn)生了嚴(yán)重的CH4威脅；Bertassoli等[13]認(rèn)為盡管通過(guò)減少淹沒(méi)面積有效減少水電碳足跡，但即使是徑流式水電，它們的溫室氣體排總量也是很大的，因此作者提出在亞馬遜地區(qū)應(yīng)避免所有類(lèi)型水電的擴(kuò)張。但Li等[7]對(duì)溪洛渡和向家壩兩個(gè)水電工程進(jìn)行生命周期碳足跡評(píng)估，發(fā)現(xiàn)其生命周期碳排放量具有顯著的低碳優(yōu)勢(shì)；Suman[14]強(qiáng)調(diào)水電等可再生能源有效減少了溫室氣體排放，微型水電工程僅在2018年就減少了溫室氣體排放量3342 t CO2eq。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，因淹沒(méi)土地導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)降解，水庫(kù)蓄水初期單位面積排放的溫室氣體一般高于湖泊、河流等自然水體，同時(shí)水沙情勢(shì)改變也給水庫(kù)提供了有利于CH4產(chǎn)生的環(huán)境條件[15]。因此，量化水庫(kù)生命周期內(nèi)的碳排放對(duì)探究水電低碳清潔屬性具有至關(guān)重要的作用。

水庫(kù)碳排放與水電碳足跡在概念上存在本質(zhì)性的區(qū)別[16]。水庫(kù)的生命周期指的是水庫(kù)由首次蓄水至設(shè)計(jì)運(yùn)行水位或正常水位開(kāi)始，直至水庫(kù)完全失去其使用功能或至拆壩的時(shí)間范圍[17]。水電工程的生命周期則包括了工程建設(shè)前期、施工建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)和拆壩恢復(fù)4個(gè)階段。作為開(kāi)發(fā)利用水資源的基礎(chǔ)設(shè)施，一方面，大壩修建與水庫(kù)蓄水運(yùn)行的目的不僅在于水電能源生產(chǎn)，還提供了包括防洪抗旱、供水灌溉、旅游航運(yùn)等多種服務(wù)功能。另一方面，一些水利水電工程項(xiàng)目并不需要通過(guò)筑壩蓄水、淹沒(méi)陸地而實(shí)現(xiàn)發(fā)電，如徑流式電站。因此，水庫(kù)碳排放僅是蓄水式水利水電工程生命周期碳足跡的一部分。

目前，對(duì)于水庫(kù)碳排放量的監(jiān)測(cè)和模型估算，在全球范圍內(nèi)已開(kāi)展了不少研究工作。但是，由于各研究監(jiān)測(cè)方法及數(shù)據(jù)處理方式存在差異，導(dǎo)致結(jié)果存在不確定性。而原位監(jiān)測(cè)對(duì)人員、設(shè)備和時(shí)間周期的限制因素較多，相比之下模型研究有助于指導(dǎo)水庫(kù)規(guī)劃與建設(shè)，是該領(lǐng)域值得拓展與深化的研究手段[18]。2017年，國(guó)際水電協(xié)會(huì)(International Hydropower Association，IHA)頒布了其牽頭組織開(kāi)發(fā)的水庫(kù)溫室氣體凈排放量模型(G-res Tool)，該模型可以對(duì)全球水電案例溫室氣體排放的估算[9,18]。但由于使用該模型時(shí)需具備較完善的水庫(kù)及流域相關(guān)的參數(shù)(如：水庫(kù)增溫層深度、磷濃度、淹沒(méi)土壤碳含量、近岸帶比及年均凈流量等)，在一定程度上限制了大部分無(wú)較詳細(xì)信息記錄或未建成水庫(kù)的溫室氣體排放量的核算工作。另一方面，政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)(IPCC)于2017年啟動(dòng)了對(duì)《國(guó)家溫室氣體清單指南》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為《指南》)的精細(xì)化修編工作，2019年正式頒布該清單指南[19]?！吨改稀诽峁┝?種不同層級(jí)、由簡(jiǎn)漸繁的方法學(xué)，對(duì)人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致的水淹地溫室氣體排放進(jìn)行估算。為我國(guó)大規(guī)模地開(kāi)展水庫(kù)溫室氣體排放的評(píng)估提供了重要參考。

中國(guó)是世界上水電資源儲(chǔ)量最大的國(guó)家之一，潛在儲(chǔ)量達(dá)到694 GW，技術(shù)可開(kāi)發(fā)容量542 GW[20]。截至2020年底，我國(guó)水電年發(fā)電量為1355.20 TW·h，水電裝機(jī)總量為370.160 GW[21]，占我國(guó)全部裝機(jī)容量的16.82%[22]。當(dāng)前，我國(guó)長(zhǎng)江上游水電已逐步從投資建設(shè)階段逐步過(guò)渡到運(yùn)營(yíng)管理階段，生態(tài)環(huán)境約束對(duì)長(zhǎng)江上游流域大中型水電項(xiàng)目長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)管理提出了新的要求。特別是在“雙碳”目標(biāo)下，厘清水電項(xiàng)目碳排放情況，對(duì)水利水電行業(yè)在“雙碳”工作中找準(zhǔn)定位至關(guān)重要。綜上，在《指南》(2019年修編)第一層級(jí)(Tier 1)方法基礎(chǔ)上，本研究選取了長(zhǎng)江上游24個(gè)中、大型水電項(xiàng)目，對(duì)其水庫(kù)生命周期內(nèi)的碳排放量進(jìn)行估算，并開(kāi)展參數(shù)敏感性分析與不確定性分析以獲得長(zhǎng)江上游24個(gè)大中型水電項(xiàng)目水庫(kù)碳排放的估值范圍。研究結(jié)果將進(jìn)一步服務(wù)于上述24個(gè)水電項(xiàng)目全生命周期的碳排放評(píng)估，為更準(zhǔn)確地核定我國(guó)水電碳排放因子提供基礎(chǔ)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域概述

長(zhǎng)江上游流域指的是從長(zhǎng)江源頭到湖北宜昌的流域范圍，即三峽大壩上游流域，流域面積約100×104km2。長(zhǎng)江上游流域是我國(guó)水電能源“富礦區(qū)”，包括了我國(guó)13大水電基地規(guī)劃中的5個(gè)(長(zhǎng)江上游、金沙江、烏江、雅礱江、大渡河)。

本研究遴選了分布于上述5個(gè)水電基地中的24座大中型水電站，經(jīng)緯度在26.210°～30.823°N，99.034°～111.004°E范圍內(nèi)(圖1)，水庫(kù)影響區(qū)涉及我國(guó)5個(gè)省級(jí)行政區(qū)劃，分別為西藏自治區(qū)、四川省、云南省、重慶市、湖北省。庫(kù)區(qū)及庫(kù)區(qū)周?chē)嗵幱趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，熱量較為充足且濕度較大。均鑲嵌于河谷中，地形陡峭、河谷狹窄，附近河谷多呈“V”型，部分河谷呈略寬緩的“U”型。水庫(kù)蓄水導(dǎo)致淹沒(méi)農(nóng)村及縣城，其中包括房屋、交通用地及林地、園地、耕地等土地。此外，所選電站中，包括已投產(chǎn)和未投產(chǎn)的水電站。其中，最早開(kāi)始滿蓄發(fā)電的水電站為彭水水電站，于2007年投產(chǎn)，尚未投產(chǎn)的水電站有旭龍、拉哇、巴塘等。所選的24個(gè)水庫(kù)基本覆蓋了長(zhǎng)江上游流域，且具有裝機(jī)容量、正常蓄水時(shí)水面面積及庫(kù)容等工程特性差距較為懸殊的特點(diǎn)，在長(zhǎng)江上游的大、中型水電工程對(duì)應(yīng)的水庫(kù)中具有一定的代表性。

圖1 長(zhǎng)江上游典型大中型水電站的分布Fig.1 Distribution of typical large and medium hydropower stations in the upper reaches of the Yangtze River

1.2 IPCC水淹地章節(jié)方法概述

IPCC把水淹地(flooded land)定義為由于人類(lèi)活動(dòng)(通常是通過(guò)水位調(diào)節(jié))導(dǎo)致土地被覆蓋面積發(fā)生變化的水體，具體包括水庫(kù)、運(yùn)河、溝渠及池塘等[19]。作為一個(gè)人類(lèi)改變土地利用“泛化”的概念，水淹地改變土地利用變化可細(xì)分為以下情形：1)自然水體的表面面積增加10%；2)水體容積、流量或停留時(shí)間發(fā)生顯著變化(水體停留時(shí)間增加超過(guò)10%)。水庫(kù)修建是水淹地最重要的案例。被淹沒(méi)的土地會(huì)排放CO2、CH4和N2O等溫室氣體，排放量取決于淹沒(méi)地的被淹沒(méi)時(shí)長(zhǎng)、淹沒(méi)前土地利用情況、氣候、上游匯水特征和管理調(diào)控等多種特征，且排放會(huì)隨空間和時(shí)間發(fā)生變化。按照IPCC清單指南，以淹沒(méi)年限20年為界把水庫(kù)劃分為2個(gè)時(shí)期：庫(kù)齡小于20年為蓄水初期，對(duì)應(yīng)“土地轉(zhuǎn)化而成的淹沒(méi)地(land converted to flooded land)”；淹沒(méi)超過(guò)20年的水淹地對(duì)應(yīng)“一直被淹沒(méi)的淹沒(méi)地(flooded land remaining flooded land)”，分別對(duì)CO2排放總量和非CO2排放總量進(jìn)行計(jì)算，非CO2僅考慮CH4。關(guān)于N2O排放問(wèn)題，IPCC國(guó)家溫室氣體清單指南的觀點(diǎn)認(rèn)為[19]，水系統(tǒng)中N2O的排放主要來(lái)自于陸地人類(lèi)活動(dòng)所產(chǎn)生的N輸入(人工固氮、廢水排放、化肥使用與面源污染等)，故在2006年國(guó)家溫室氣體清單方法學(xué)中將N2O排放的估算納入了農(nóng)業(yè)面源版塊，避免在水系統(tǒng)中重復(fù)計(jì)算。上述觀點(diǎn)延續(xù)至2019年方法學(xué)修編中。因此，本研究暫不涉及水庫(kù)N2O排放。

在IPCC的國(guó)家溫室氣體清單方法學(xué)中，每一項(xiàng)方法學(xué)均提供了3個(gè)不同復(fù)雜程度的層級(jí)(Tier 1～Tier 3)。層級(jí)1到層級(jí)3隨著復(fù)雜性增加、參數(shù)增多而評(píng)估結(jié)果的不確定性逐漸減少，不確定性的減少基于更加有針對(duì)性且可靠的排放因子或溫室氣體估算模型。其中，層級(jí)3要求淹沒(méi)水體所在國(guó)家具備其特定排放因子、模型或基于測(cè)量提出的估算方法，否則應(yīng)具備足夠的數(shù)據(jù)和資源來(lái)獲取上述信息并進(jìn)行驗(yàn)證。層級(jí)2建議根據(jù)各個(gè)水庫(kù)的實(shí)際溫室氣體通量監(jiān)測(cè)值及葉綠素濃度來(lái)估算排放因子，大壩下游排放量應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)上、下游氣體通量進(jìn)行估算。而層級(jí)1為基礎(chǔ)計(jì)算模型，它的提出是為了滿足所有國(guó)家的溫室氣體清單核算需求，包括缺乏專(zhuān)業(yè)知識(shí)或缺乏相應(yīng)數(shù)據(jù)的國(guó)家。本研究將主要采用層級(jí)1的方法對(duì)水庫(kù)進(jìn)行生命周期碳排放估算，同時(shí)以層級(jí)2作為參數(shù)選擇的補(bǔ)充依據(jù)。

1.3 方法

1.3.1 水庫(kù)生命周期內(nèi)碳排放估算 IPCC認(rèn)為，對(duì)蓄水初期的水庫(kù)(庫(kù)齡≤20年時(shí))，由于其淹沒(méi)區(qū)域淹沒(méi)了大量土壤和植被等，水庫(kù)處于土地利用快速轉(zhuǎn)化期，需同時(shí)計(jì)算CO2和CH4的排放量。蓄水初期過(guò)后(庫(kù)齡>20年)，水庫(kù)排放的CO2主要來(lái)自流域范圍內(nèi)其他土地類(lèi)別的外源碳輸入，此時(shí)的CO2排放在其他土地利用類(lèi)型中考慮，即歸結(jié)于林地、耕地和草地等其他面源污染。因此，對(duì)于蓄水超過(guò)20年的水庫(kù)僅估算CH4排放量。針對(duì)上述計(jì)算規(guī)則，IPCC形成了以下學(xué)術(shù)共識(shí)：在水庫(kù)全生命周期中，水文情勢(shì)與泥沙過(guò)程發(fā)生改變，CH4排放量反映該變化過(guò)程產(chǎn)生的永久且不可逆的影響[19]。而水庫(kù)的CO2排放量在短期內(nèi)反映其淹沒(méi)土地導(dǎo)致的有機(jī)碳降解；長(zhǎng)期情景中則表征碳排放的“空間轉(zhuǎn)移”，即并非因人為筑壩蓄水而增加的排放，因此在長(zhǎng)期情景中，CO2排放量可不予考慮[8,19]。水庫(kù)CH4排放量估算為水庫(kù)表面的排放量和水庫(kù)內(nèi)產(chǎn)生但遷移到大壩下游的排放量這兩個(gè)部分的總和，兩個(gè)部分的排放均由擴(kuò)散和冒泡兩種方式產(chǎn)生(詳見(jiàn)附表Ⅰ)。

1.3.2 不確定性和敏感性分析 碳排放量估算模型的不確定分析方法通常包括：誤差傳遞法和蒙特卡洛(Monte Carlo)分析法。其中，誤差傳遞法較為簡(jiǎn)單，但需要滿足較為嚴(yán)格的假設(shè)條件(例如數(shù)據(jù)類(lèi)別間無(wú)顯著相關(guān)性、不確定性小于數(shù)值的±30%或呈正態(tài)分布)[23]，這在一定程度上制約了誤差傳遞法的準(zhǔn)確使用。蒙特卡洛分析法需要更多計(jì)算所涉及得數(shù)據(jù)的概率分布信息，它的應(yīng)用取決于是否能夠獲取概率分布信息，且此方法可以為預(yù)測(cè)值的不確定性提供一個(gè)更有代表性的置信區(qū)間。當(dāng)不確定性很大、分布呈現(xiàn)非高斯分布，且算法是復(fù)雜函數(shù)時(shí)，蒙特卡洛法將較為適用[23]。敏感性分析可確定各參數(shù)的不確定性如何影響評(píng)估結(jié)果的不確定性[24]。本研究中估算結(jié)果的不確定性主要來(lái)源于各參數(shù)取值的不確定性。IPCC為確保其估算公式的準(zhǔn)確性，每個(gè)參數(shù)均給出推薦值及概率分布范圍。其中，αi、Rd,i及GWP均為非高斯分布且不確定性大于±30%。綜上，本研究選用蒙特拉洛法進(jìn)行不確定性及敏感性分析，設(shè)置試驗(yàn)次數(shù)為10000次并執(zhí)行計(jì)算機(jī)仿真。不確定性分析與敏感性分析中，把參數(shù)EF、Rd,i設(shè)定為Beta Pert分布，αi、非化石燃料燃燒CH4全球增溫潛勢(shì)(100年)定義為均勻分布(表1)。

表1 參數(shù)取值及其不確定性分布情況[19]*Tab.1 The value of each parameter and its uncertainty distribution [19]

1.4 數(shù)據(jù)來(lái)源

水利水電工程的合理使用年限參照《水力水電工程合理使用年限及耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 654-2014)[25]并結(jié)合所涉及項(xiàng)目的工程類(lèi)別確定。排放因子(EF)根據(jù)水庫(kù)所處氣候帶結(jié)合劃分的氣候區(qū)域進(jìn)行選擇，本研究涉及的水庫(kù)均屬溫暖濕潤(rùn)區(qū)。營(yíng)養(yǎng)程度綜合考慮國(guó)家地表水水質(zhì)數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)(http://106.37.208.244:10001/)發(fā)布的觀測(cè)點(diǎn)位N、P濃度以及已公開(kāi)發(fā)表的實(shí)測(cè)葉綠素a(Chl.a)濃度進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)等級(jí)劃分。目前，針對(duì)過(guò)壩消氣釋放的研究相對(duì)較少，目前尚未有針對(duì)所研究水庫(kù)的長(zhǎng)時(shí)間序列的實(shí)測(cè)值、統(tǒng)計(jì)值以支撐大壩上下游甲烷排放通量比值Rd,i的取值，因此暫時(shí)以默認(rèn)值進(jìn)行估計(jì)(表1)。此外，本研究涉及的各水電站裝機(jī)容量、年均發(fā)電量、正常蓄水時(shí)庫(kù)區(qū)平均水深等工程及水庫(kù)特性數(shù)據(jù)主要來(lái)源于各水電站環(huán)評(píng)報(bào)告，并以《21世紀(jì)中國(guó)水電工程》[26]作為補(bǔ)充。各水庫(kù)使用年限、營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)調(diào)整因子等參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 24個(gè)水庫(kù)的基礎(chǔ)信息和參數(shù)取值Tab.2 Basic information and parameter values of the 24 reservoirs

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)江上游主要水庫(kù)的基本特征

本研究所選水利水電工程規(guī)?？缍容^大(圖2)，裝機(jī)容量的觀測(cè)值范圍(即1.5個(gè)IQR范圍內(nèi)的值)為390～6000 MW，25%～75%置信區(qū)間內(nèi)裝機(jī)容量為1625～4050 MW，50%對(duì)應(yīng)2350 MW，平均裝機(jī)容量為4400.42 MW，標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)達(dá)到5496.51 MW，統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的異常值分別是我國(guó)裝機(jī)容量最大的4個(gè)水電站——三峽、白鶴灘、溪洛渡及烏東德。

圖2 24個(gè)水庫(kù)的裝機(jī)容量(a)、控制流域面積(b)、正常水位下的水面面積(c)及庫(kù)容(d)的分布情況Fig.2 The distribution of installed capacity (a), control basin area (b), water surface area under normal water level (c), and storage capacity (d) of the 24 reservoirs

各水庫(kù)控制流域面積的25%～75%置信區(qū)間為14.77×104～27.94×104km2，最小觀測(cè)值和最大觀測(cè)值分別為6.6×104和43.08×104km2，對(duì)應(yīng)兩河口水庫(kù)和白鶴灘水庫(kù)。所研究的水庫(kù)在正常蓄水時(shí)水庫(kù)面積在1.5 IQR內(nèi)的范圍為0.89～133.65 km2，此處下邊緣值即最小值，對(duì)應(yīng)較大型水電站——錦屏二級(jí)水電站(裝機(jī)容量=4800 MW)的水庫(kù)。各水庫(kù)水面面積的中位數(shù)為27.65 km2，均值達(dá)到95.81 km2，略大于上四分位數(shù)的94.30 km2，下四分位數(shù)為15.45 km2。裝機(jī)容量最大的三峽水庫(kù)和白鶴灘水庫(kù)，正常蓄水時(shí)水面面積分別達(dá)到1084.00和216.49 km2，約為中位數(shù)的40和8倍。而水庫(kù)正常蓄水時(shí)庫(kù)容的1.5 IQR范圍為0.1401×108～115.7×108km3，25%～75%置信區(qū)間內(nèi)庫(kù)容范圍為4.814×108～50.205×108km3，均值接近于上四分位數(shù)，為45.117×108km3，50%位數(shù)接近于下四分位數(shù)，為9.635×108km3。三峽水庫(kù)和白鶴灘水庫(kù)的正常庫(kù)容超出上邊緣值，達(dá)到393×108和179.24×108km3。

2.2 長(zhǎng)江上游主要水庫(kù)碳排放估算結(jié)果

水利水電工程使用年限內(nèi)水庫(kù)碳排放量預(yù)測(cè)結(jié)果如圖3所示，誤差線為不確定性分析中95%置信區(qū)間的取值范圍。根據(jù)IPCC水淹地國(guó)家溫室氣體清單Tier 1方法估算結(jié)果，所研究的24個(gè)水庫(kù)中，長(zhǎng)江上游各水庫(kù)生命周期內(nèi)的平均碳排放量分布區(qū)間為0.0342～140.59 Tg CO2eq，均值為11.13 Tg CO2eq，總排放量達(dá)到264.05 Tg CO2eq。其中，CO2排放量占9.12%，CH4排放量占90.88%。

本研究案例水庫(kù)所屬的水電工程中，裝機(jī)容量最大的是三峽、白鶴灘及溪洛渡水電工程，其中三峽水庫(kù)和白鶴灘水庫(kù)也是生命周期內(nèi)碳排放量最高的兩座水庫(kù)，排放量分別達(dá)到140.59 Tg CO2eq(42.76～286.37 Tg CO2eq)和27.78 Tg CO2eq(8.5～56.33 Tg CO2eq)。而由于溪洛渡水庫(kù)正常蓄水時(shí)水面面積相對(duì)較小且營(yíng)養(yǎng)程度較低，因此其碳排放量低于所研究水庫(kù)中29.17%的水庫(kù)，壽命期內(nèi)的碳排放量為5.14 Tg CO2eq(3.69～6.68 Tg CO2eq)，僅為三峽水庫(kù)碳排放量的3.66%。所屬水利水電工程裝機(jī)容量最小的為銀江、金沙及銀盤(pán)水電工程，對(duì)應(yīng)的水庫(kù)壽命期內(nèi)碳排放量分別為0.39(0.13～0.76)、0.55(0.18～1.10)及3.17(1.44～5.61)Tg CO2eq。錦屏二級(jí)水電項(xiàng)目總裝機(jī)容量為4800 MW，在所研究的水利水電項(xiàng)目中排在前30%，但其生命周期內(nèi)的碳排放量卻是最小的，僅為0.0342 Tg CO2eq(0.0244～0.0446 Tg CO2eq)。這是因?yàn)殄\屏二級(jí)水庫(kù)屬于貧營(yíng)養(yǎng)型水庫(kù)，且根據(jù)其環(huán)境影響評(píng)價(jià)報(bào)告可知，該水庫(kù)正常蓄水時(shí)水面面積僅為0.89 km2，是所研究的所有水庫(kù)中水面面積最小的水庫(kù)。在單位發(fā)電量的碳排放研究中(圖3)，24個(gè)水庫(kù)的均值為3.30 g CO2eq/(kW·h)，在0.01～17.64 g CO2eq/(kW·h)的區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，最小值出現(xiàn)在錦屏二級(jí)水庫(kù)，最大值出現(xiàn)在彭水水庫(kù)。錦屏二級(jí)水庫(kù)碳排放量遠(yuǎn)小于其他水庫(kù)，但多年平均發(fā)電量較大(24.37 TW·h)，僅次于向家壩水電站(37.57 TW·h)，因此，錦屏二級(jí)水庫(kù)單位發(fā)電量的碳排放最小。相反地，彭水水庫(kù)水面面積和水體營(yíng)養(yǎng)程度均呈較大值，而多年平均發(fā)電量較小(6.35 TW·h)，較高的生命周期碳排放量水平分配到發(fā)電量上，導(dǎo)致其單位發(fā)電量的碳排放量極大。銀盤(pán)水庫(kù)單位發(fā)電量的碳排放量?jī)H次于彭水水庫(kù)，為11.69 g CO2eq/(kW·h)。而三峽水庫(kù)單位發(fā)電量的碳排放量較銀盤(pán)水庫(kù)小，為10.63 g CO2eq/(kW·h)。

圖3 水庫(kù)碳排放估算結(jié)果Fig.3 Estimation results of carbon emissions from reservoirs

2.3 評(píng)估結(jié)果的敏感性分析

通過(guò)上述不確定性分析發(fā)現(xiàn)，各個(gè)輸入?yún)?shù)不確定性對(duì)最終結(jié)果的累積效應(yīng)導(dǎo)致各水庫(kù)碳排放量波動(dòng)范圍較大，全局敏感性分析可幫助識(shí)別估算模型的主要控制因素。對(duì)于特定水庫(kù)而言，其所處氣候區(qū)是可以確定的，則由氣候區(qū)確定的排放因子及其分布情況一定，以此為背景進(jìn)行全局敏感性分析。

從敏感性分析結(jié)果(圖4a)可以看出，水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)調(diào)整因子(αi)是碳排放量估計(jì)結(jié)果產(chǎn)生不確定性的主要控制因素，平均方差貢獻(xiàn)達(dá)到了86.22%(81.6%～87.9%)，其次是非化石源CH4100年全球變暖潛勢(shì)(GWP100,CH4)。而在所有氣候區(qū)中，大壩下、上游CH4通量的比值Rd,i對(duì)結(jié)果不確定性貢獻(xiàn)均很小，方差貢獻(xiàn)僅為0.3%～0.6%。這是因?yàn)椤吨改稀诽峁┑摩羒的取值及IPCC第6次評(píng)估報(bào)告中更新的GWP100,CH4的取值均呈均勻分布，且在水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)未知的情況下，αi不確定性分布范圍更為寬泛(均值=20.05，SD=11.17)，因此對(duì)評(píng)估結(jié)果造成了較大的影響。而對(duì)于參數(shù)Rd,i，目前對(duì)大壩下游脫氣釋放的CH4和在大壩出水口進(jìn)入河流后釋放的CH4的研究較少，已發(fā)表的研究也顯示出Rd,i數(shù)值較為集中的特點(diǎn)，《指南》(2019年修訂版)的編撰者通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕y(tǒng)計(jì)與驗(yàn)證，對(duì)Rd,i給出了較準(zhǔn)確且精確的值(SD=0.05)。因此參數(shù)Rd,i敏感性最小。排放因子EF對(duì)北方氣候帶(boreal)的水庫(kù)生命周期碳排放量評(píng)估結(jié)果貢獻(xiàn)率達(dá)到7%，顯著高于其它氣候區(qū)。

在上述全局敏感性分析的基礎(chǔ)上，對(duì)本研究水庫(kù)所處的氣候區(qū)——溫暖濕潤(rùn)氣候區(qū)進(jìn)行敏感性分析，以等級(jí)相關(guān)系數(shù)來(lái)表征各參數(shù)敏感性。根據(jù)《指南》(2019年修訂版)把營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)歸為4個(gè)等級(jí)——貧營(yíng)養(yǎng)、中營(yíng)養(yǎng)、富營(yíng)養(yǎng)和超富營(yíng)養(yǎng)，分別對(duì)應(yīng)不同的αi取值和分布情況(圖4b)，并進(jìn)一步把中營(yíng)養(yǎng)型水庫(kù)各不確定性參數(shù)分別與水庫(kù)單位面積排放量做相關(guān)性分析(圖4c)。由于EF和Rd,i不受水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)程度影響，且呈Beta PERT分布(即存在最可能值)，因此在不同營(yíng)養(yǎng)程度等級(jí)的水庫(kù)中均與估算結(jié)果的相關(guān)系數(shù)較小。各參數(shù)不確定性在富營(yíng)養(yǎng)和超富營(yíng)養(yǎng)型水庫(kù)中與碳排放量的相關(guān)性基本一致。對(duì)于貧營(yíng)養(yǎng)型水庫(kù)而言，αi為確定數(shù)值，因此對(duì)碳排放量估算結(jié)果的不確定性幾乎沒(méi)有影響，最終碳排放量不確定性產(chǎn)生的主導(dǎo)因素為GWP100,CH4。中營(yíng)養(yǎng)、富營(yíng)養(yǎng)和超富營(yíng)養(yǎng)型水庫(kù)生命周期碳排放量不確定產(chǎn)生的主導(dǎo)因素均為αi，其次為GWP100,CH4。其中，αi與中營(yíng)養(yǎng)性水庫(kù)的碳排放相關(guān)性最大。此外，這些因素中，GWP100,CH4表示在100年內(nèi)非化石源(non-fossil)CH4在大氣中保持綜合影響及其吸收外逸熱紅外輻射的相對(duì)作用，其數(shù)值由IPCC計(jì)算并發(fā)布，可信度較高。因此，盡管其較大程度地影響了水庫(kù)碳排放量，但在獲得更加精確且可信的數(shù)值前可暫時(shí)不考慮通過(guò)優(yōu)化該參數(shù)來(lái)降低不確定性。

圖4 參數(shù)敏感性分析結(jié)果Fig.4 Sensitivity analysis results of each parameter

由上述結(jié)果可知，在使用此模型計(jì)算水庫(kù)碳排放量時(shí)，須謹(jǐn)慎考慮αi的賦值以降低結(jié)果的不確定性，尤其對(duì)營(yíng)養(yǎng)程度較高的水庫(kù)進(jìn)行估算時(shí)，宜對(duì)水庫(kù)具有代表性的采樣點(diǎn)位系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間尺度的Chl.a濃度觀測(cè)來(lái)獲得更精確的αi。相反，在條件有限時(shí)，EF和Rd,i可暫時(shí)選用默認(rèn)值。

2.4 長(zhǎng)江上游水庫(kù)碳排放量的主要影響因素

本研究選擇淹沒(méi)區(qū)遷移人口、壩高、平均水深、控制流域面積等外部因素，探討其對(duì)長(zhǎng)江上游主要水庫(kù)碳排放量的影響(圖5)。水庫(kù)淹沒(méi)區(qū)遷移人口與水庫(kù)淹沒(méi)面積、淹沒(méi)前人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度、自然土地以及受管理土地占比情況等復(fù)雜特性相關(guān)，在此引入淹沒(méi)區(qū)遷移人口是以此作為各水庫(kù)的背景信息。研究發(fā)現(xiàn)，水庫(kù)生命周期碳排放與淹沒(méi)區(qū)遷移人口呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(R2=0.74，P<0.001)，與正常蓄水時(shí)平均水深未發(fā)現(xiàn)顯著相關(guān)性。水文特性中，水庫(kù)生命周期碳排放與控制流域面積(R2=0.26，P<0.05)和正常蓄水庫(kù)容(R2=0.73，P<0.001)均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系，而與正常蓄水淹沒(méi)面積無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的相關(guān)性(R2=0.16，P<0.1)。其中，正常蓄水庫(kù)容對(duì)生命周期碳排放的決定性最大。此外，與產(chǎn)出量做相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，水庫(kù)生命周期碳排放與裝機(jī)容量(R2=0.32，P<0.005)和能量密度(R2=0.57，P<0.001)均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系。

水庫(kù)生命周期內(nèi)的碳排放是水電工程項(xiàng)目生命周期碳足跡核算的一個(gè)重要單元過(guò)程。與水庫(kù)碳排放相關(guān)的主要因素涵蓋各種外部變量。由于水庫(kù)碳排放與水庫(kù)面積直接相關(guān)，因此，與水庫(kù)正常蓄水時(shí)水面面積相關(guān)的水庫(kù)淹沒(méi)區(qū)遷移人口和正常蓄水庫(kù)容這兩個(gè)變量對(duì)水庫(kù)碳排放量均有較高的解釋度且呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(圖5)，其次是裝機(jī)容量和能量密度。此外，所研究的24個(gè)水庫(kù)的規(guī)模呈現(xiàn)出延程增大的趨勢(shì)，即水庫(kù)控制流域面積與其水面面積存在一定的正相關(guān)關(guān)系，該趨勢(shì)在位于長(zhǎng)江干流上的水庫(kù)中表現(xiàn)得尤為明顯。因此，控制流域面積與水庫(kù)碳排放量亦呈顯著正相關(guān)關(guān)系。而長(zhǎng)江上游流域多位于狹長(zhǎng)型河谷，淹沒(méi)面積受庫(kù)區(qū)庫(kù)底地形影響，淹沒(méi)面積對(duì)碳排放量的解釋度及相關(guān)性較小，水深與碳排放量甚至未呈現(xiàn)顯著相關(guān)性。

圖5 水庫(kù)碳排放與工程特性和水文環(huán)境的線性擬合Fig.5 Linear fitting of reservoir carbon emissions with engineering characteristics and hydrological environment

3 討論

3.1 碳排放估算結(jié)果分析

筆者所在研究團(tuán)隊(duì)分別在2010-2011年對(duì)三峽水庫(kù)干支流的19個(gè)點(diǎn)位和2015-2017年的22個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行逐月監(jiān)測(cè)，對(duì)水-氣界面CO2和CH4擴(kuò)散通量采用靜態(tài)箱法測(cè)量，并把點(diǎn)狀瞬時(shí)數(shù)據(jù)在時(shí)間和空間上進(jìn)行外延(具體做法參考文獻(xiàn)[27-28])。在時(shí)間上，將每月的瞬時(shí)監(jiān)測(cè)值外延至全天日通量，并以全天日通量為代表反映采樣當(dāng)月通量水平，進(jìn)而求出全年總通量值；在空間上，是確定采樣點(diǎn)所能代表的回水區(qū)水域面積，并賦予其權(quán)重以加權(quán)計(jì)算整個(gè)回水區(qū)(水庫(kù)邊界范圍內(nèi))的總通量值。結(jié)果顯示，三峽水庫(kù)庫(kù)齡為1、5和6年時(shí)，凈排放量分別約為1.06、1.25和0.81 Tg CO2eq。按照IPCC《指南》，三峽水庫(kù)滿蓄前20年年均碳排放量估算的結(jié)果為1.84 Tg CO2eq(0.88～3.21 Tg CO2eq)。將模型估算結(jié)果與基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的估算結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，估算結(jié)果整體變大，基于實(shí)測(cè)值的估算結(jié)果接近模型估算值95%置信區(qū)間的下邊緣值(圖6)。三峽水庫(kù)單位發(fā)電量的碳排放量為10.63 g CO2eq/(kW·h)，與由實(shí)測(cè)值外推的估算結(jié)果8.31～14.401 g CO2eq/(kW·h)[29]接近。孫志禹等[29]計(jì)算2010年三峽水庫(kù)因發(fā)電產(chǎn)生的碳排放量為13.2 g CO2eq/(kW·h)。兩河口水庫(kù)和銀盤(pán)水庫(kù)單位發(fā)電碳排放量?jī)H次于三峽水庫(kù)，分別為8.59和7.79 g CO2eq/(kW·h)，均超過(guò)平均值2倍以上。除錦屏二級(jí)水庫(kù)外，楊房溝、巴塘、梨園等9座水庫(kù)均小于均值的30%，維持在較小水平。Zhang等[30]使用IPCC《指南》估算中國(guó)兩個(gè)水電工程的碳排放為25.05 g CO2eq/(kW·h)，大于本研究的水庫(kù)。

圖6 三峽水庫(kù)基于IPCC《國(guó)家溫室氣體清單指南》的年均碳排放量估算值與基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的碳排放量 估算值的比較(實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為三峽水庫(kù)庫(kù)齡分別為1、5、6年時(shí)的長(zhǎng)時(shí)間序列監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù))Fig.6 Comparison of the estimated annual carbon emissions of the Three Gorges Reservoir based on the IPCC Inventory Guidelines and the estimated carbon emissions based on the measured data (the measured data are the long-term monitoring data of the Three Gorges Reservoir when the reservoir ages are 1, 5 and 6 years)

為進(jìn)一步比較國(guó)際大型水電站的碳排放情況，本研究選擇了Itaipu、Belo Monte、Guri、Tucuruí、Grand Coulee五座電站的水庫(kù)進(jìn)行碳排放情況的估算，以g CO2eq/(kW·h)作為功能單位，同本研究24個(gè)水電站進(jìn)行對(duì)比分析(圖7)。上述5座水電站是除三峽、白鶴灘、溪洛渡、烏東德和向家壩水電站以外，在世界上排名前10的水電站。同樣基于IPCC國(guó)家溫室氣體清單指南的層級(jí)1進(jìn)行估算，各水庫(kù)基礎(chǔ)信息和參數(shù)取值表參見(jiàn)表3。所屬氣候類(lèi)型由水電站地理位置對(duì)應(yīng)柯本(Koppen)氣候分類(lèi)法確定，并進(jìn)一步按照IPCC氣候分區(qū)進(jìn)行劃分；水質(zhì)情況參照公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)[31-33]；使用年限假設(shè)為100年[34-36]。研究發(fā)現(xiàn)，Tucuruí和Guri是所有水庫(kù)中碳排放量最大的兩個(gè)水庫(kù)，分別達(dá)到225.84 g CO2eq/(kW·h)(74.81～448.18 g CO2eq/(kW·h))和153.26 g CO2eq/(kW·h)(50.32～306.17 g CO2eq/(kW·h))。其次是Belo Monte、Itaipu和Grand Coulee水庫(kù)。同本文中長(zhǎng)江上游案例水庫(kù)相比，所選的國(guó)外案例水庫(kù)所呈現(xiàn)的相對(duì)較高排放強(qiáng)度主要與同期所處的熱帶區(qū)域有關(guān)。

圖7 國(guó)內(nèi)外水庫(kù)生命周期碳排放量與能量密度的回歸結(jié)果Fig.7 Regression results of life cycle GHGs emissions and energy density of reservoirs at home and abroad

表3 國(guó)外案例水庫(kù)的基礎(chǔ)信息和參數(shù)取值*Tab.3 Basic information and parameter values of the foreign cace reservoirs

3.2 IPCC國(guó)家溫室氣體清單水淹地章節(jié)特點(diǎn)、局限性與建議

水淹地排放的CO2主要來(lái)源于水體內(nèi)被淹沒(méi)的土壤有機(jī)質(zhì)和其他有機(jī)物的分解、影響區(qū)其他土地類(lèi)型匯入以及生物群落(如細(xì)菌、大型無(wú)脊椎動(dòng)物、植物、魚(yú)類(lèi)和其他水生物種)的呼吸作用[37]?！吨改稀?2019年修訂版)第4卷第7章節(jié)僅考慮將土地轉(zhuǎn)換成淹沒(méi)土地時(shí)被淹沒(méi)的有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生的CO2排放，因?yàn)檫@一部分為筑壩蓄水人類(lèi)活動(dòng)直接影響的結(jié)果。其他類(lèi)型土地匯入帶來(lái)的CO2排放歸結(jié)于其對(duì)應(yīng)的源頭排放，生物群落呼吸作用產(chǎn)生的與分解有機(jī)質(zhì)有關(guān)的排放反映生物群落的短期碳循環(huán)，因此均不予考慮[19]。水淹地的CH4排放主要產(chǎn)生于缺氧條件下的沉積物[34]。CH4通過(guò)擴(kuò)散、冒泡的方式排放出水-氣界面，大部分排放發(fā)生在水體表面，而有一部分CH4隨水流傳輸?shù)较掠斡擅摎饣驍U(kuò)散排放[38]。

針對(duì)水淹地溫室氣體的估算方法，《指南》(2019年修訂版)提供了3個(gè)層級(jí)的指導(dǎo)，并提供了決策樹(shù)用于判斷使用哪一方法層級(jí)來(lái)估算水體中的CO2和CH4排放量[19]。層級(jí)1到層級(jí)3的不確定性逐漸減少，但不確定性的減少基于更加有針對(duì)性(如針對(duì)特定國(guó)家、特定水體)且可靠的排放因子或溫室氣體估算模型。決策樹(shù)顯示，在具備具體國(guó)家的排放因素、模型、基于測(cè)量提出的方法，或有足夠的數(shù)據(jù)和資源來(lái)開(kāi)發(fā)特定國(guó)家的排放因子、測(cè)試一個(gè)模型或基于測(cè)量的監(jiān)測(cè)方法時(shí)，可以選擇層級(jí)3的方法。在層級(jí)2中，應(yīng)根據(jù)各個(gè)水庫(kù)的實(shí)際測(cè)量值估算排放因子，下游排放量應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)上、下游氣體通量進(jìn)行水庫(kù)碳排放量估算。此外，當(dāng)特定水庫(kù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)已知，但缺乏年均Chl.a濃度的記錄時(shí)，可以對(duì)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)調(diào)整因子進(jìn)行數(shù)值的選擇。而在具備水庫(kù)年均Chl.a濃度時(shí)，可以使用公式(αi=0.26·Chl.ai)計(jì)算出更準(zhǔn)確的數(shù)值。式中，Chl.a表示i水庫(kù)年均Chl.a濃度，單位為μg/L。

層級(jí)3建議通過(guò)監(jiān)測(cè)具有代表性的水體溫室氣體濃度和通量，或在精細(xì)的空間和時(shí)間尺度上測(cè)量碳排放來(lái)評(píng)估估算排放的動(dòng)態(tài)模型。采用第3層級(jí)時(shí)，通常需要通過(guò)更多的技術(shù)途徑(包括遙感圖像，對(duì)于排水溝可能包括高分辨率航空攝影)來(lái)獲取水體分布信息、水體類(lèi)型、營(yíng)養(yǎng)狀況、流速、植被等其他更多信息。在有足夠數(shù)據(jù)支撐時(shí)，還應(yīng)考慮沉積物中的碳埋藏影響。由于以上兩個(gè)層級(jí)的方法對(duì)數(shù)據(jù)量及質(zhì)量要求較高，而絕大多數(shù)水庫(kù)沒(méi)有足夠的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)支持使用層級(jí)2和層次3，為配合IPCC擬定全球統(tǒng)一協(xié)定，磋商適用于所有締約方的“議定書(shū)”“具有法律效力的成果”，需要有綜合且適用于所有締約方的“統(tǒng)一的”方法，以滿足締約方在沒(méi)有足夠的數(shù)據(jù)時(shí)完成水淹地碳排放量估算的需求，在此背景下，指南提供了層級(jí)1的方法指南。對(duì)于本研究而言，我國(guó)暫時(shí)不具備具體的國(guó)家排放因子、模型或基于測(cè)量提出的水庫(kù)生命周期碳排放估算方法，且無(wú)足夠的數(shù)據(jù)和資源來(lái)開(kāi)發(fā)特定國(guó)家的排放因子以及驗(yàn)證一個(gè)模型或基于測(cè)量的監(jiān)測(cè)方法，本研究主要采用層級(jí)1的方法，以層級(jí)2作為參數(shù)選擇的補(bǔ)充依據(jù)。

盡管層級(jí)1模型的提出為水利水電工程應(yīng)對(duì)氣候變化提供了強(qiáng)有力的支撐，但是該模型也存在一些不足。首先是其估算結(jié)果不確定性范圍大。由于αi波動(dòng)范圍大，不管是對(duì)不同氣候區(qū)域的全局敏感性分析還是同一氣候區(qū)不同營(yíng)養(yǎng)程度水庫(kù)碳排放估算的敏感性分析，該參數(shù)均是結(jié)果不確定的主要控制因素，全局敏感性分析中其平均方差貢獻(xiàn)甚至達(dá)到了86.22%(81.6%～87.9%)。因此，本研究確定參數(shù)αi時(shí)參考層級(jí)2的建議，綜合考慮國(guó)家地表水水質(zhì)數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)發(fā)布的觀測(cè)點(diǎn)位N、P濃度及部分水庫(kù)的實(shí)測(cè)Chl.a濃度以盡可能降低αi取值引起的不確定性。其二，《指南》提供的方法為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，依?lài)于對(duì)現(xiàn)有科研成果的整理、歸納和分析。受到現(xiàn)有科學(xué)認(rèn)知、研究手段等科研進(jìn)展的限制，當(dāng)前的工作忽視了水庫(kù)對(duì)碳的埋藏。其三，模型為保證所有締約國(guó)溫室氣體清單核算的進(jìn)行，僅要求輸入少數(shù)參數(shù)，使用調(diào)整因子或比值關(guān)系來(lái)簡(jiǎn)化水庫(kù)碳排放的驅(qū)動(dòng)過(guò)程，忽視了水庫(kù)碳排放量與其工程、水文特性的相關(guān)關(guān)系及物料守恒驗(yàn)證。其四，無(wú)法考慮在不同水庫(kù)間水位波動(dòng)的條件引起碳排放估算的特殊性。這些工作僅能在層級(jí)3的水平上針對(duì)特定水庫(kù)進(jìn)行研究。

3.3 對(duì)長(zhǎng)江上游水電生命周期碳排放因子核算的啟示

《指南》層級(jí)1提出的排放因子在不同氣候區(qū)域之間取值不同，但使用任一默認(rèn)排放因子都會(huì)導(dǎo)致較高的不確定性。為提高估算結(jié)果的準(zhǔn)確性和精確性，各國(guó)、各流域應(yīng)核算出統(tǒng)計(jì)學(xué)上有效的碳排放因子。排放因子的核算應(yīng)包括監(jiān)測(cè)量化及數(shù)據(jù)年化兩個(gè)過(guò)程，以下分別就上述兩個(gè)過(guò)程對(duì)長(zhǎng)江上游水庫(kù)生命周期碳排放因子的核算提出建議：

1)對(duì)水庫(kù)溫室氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)是獲取排放因子的基礎(chǔ)。其一，應(yīng)調(diào)查水庫(kù)蓄水前碳排放情況。可通過(guò)環(huán)評(píng)報(bào)告、蓄水前的森林調(diào)查或遙感土地覆蓋評(píng)估建立被淹沒(méi)土地蓄水前的土地利用特征管理系統(tǒng)[19]。其二，應(yīng)制定在統(tǒng)計(jì)學(xué)上有效的采樣方法，考慮生態(tài)系統(tǒng)的多樣性與時(shí)空異質(zhì)性[19]，保證時(shí)間尺度足夠大且采樣選取的點(diǎn)位系統(tǒng)具有代表性。CO2和CH4排放動(dòng)態(tài)變化對(duì)溫度較為敏感，因此在整個(gè)季節(jié)周期進(jìn)行測(cè)量可有效提高精度。采樣點(diǎn)的位置選取應(yīng)根據(jù)水動(dòng)力特征確定，數(shù)量應(yīng)依據(jù)公認(rèn)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法確定[39]。其三，采樣不應(yīng)局限于單一水庫(kù)[29,40]。長(zhǎng)江上游水電站多為梯級(jí)電站，僅關(guān)注單一水庫(kù)碳排放則無(wú)法獲取普遍適用于長(zhǎng)江上游的排放因子，則無(wú)法進(jìn)一步指導(dǎo)現(xiàn)有水庫(kù)的運(yùn)營(yíng)或幫助新壩的選址和設(shè)計(jì)。此外，在流域尺度上，大壩的建設(shè)和運(yùn)行使河流碳循環(huán)變得復(fù)雜[40]，梯級(jí)水庫(kù)加劇了對(duì)泥沙的攔截效應(yīng)，從而減緩了氣候變化[41]。據(jù)Mendon?a等[42]估計(jì)，0.15 Pg C(范圍為0.06～0.25)的有機(jī)碳埋藏在內(nèi)陸水體，其中約有40%儲(chǔ)存在水庫(kù)中，埋藏的一部分碳可以解釋為水庫(kù)的匯[43]，但目前國(guó)內(nèi)關(guān)于水庫(kù)碳埋藏的研究有限[44-46]，可視為碳匯的這部分碳埋藏暫時(shí)難以被正確量化[9]。其四，對(duì)河道水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。擾動(dòng)效應(yīng)是水庫(kù)碳排放的人為因素，應(yīng)識(shí)別其他受管理土地污染源匯入水庫(kù)造成的干擾，其中包括工業(yè)、采礦、耕地、養(yǎng)殖等帶來(lái)的點(diǎn)、面源污廢水排放[19]。

2)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空上的積分和科學(xué)外延，通過(guò)機(jī)理模型、統(tǒng)計(jì)模型或監(jiān)測(cè)結(jié)果計(jì)算排放因子。確定溫室氣體通量與環(huán)境變量之間的關(guān)系，通過(guò)監(jiān)測(cè)或地理信息系統(tǒng)、遙感等技術(shù)手段獲取包括氣象、水文、土壤及植物等相關(guān)參數(shù)信息。當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)未覆蓋年度周期時(shí)，由年度溫度循環(huán)及水庫(kù)中CO2和CH4產(chǎn)生過(guò)程的溫度依賴(lài)性、與環(huán)境因子的數(shù)值關(guān)系對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行年尺度上的平均[47]。

4 結(jié)論

本研究基于《指南》(2019年修訂版)提出的估算模型，探究長(zhǎng)江上游24個(gè)中、大型水庫(kù)壽命期內(nèi)碳排放量，并通過(guò)蒙特卡洛模擬對(duì)估算結(jié)果進(jìn)行不確定性分析及模型參數(shù)的敏感性分析。各水庫(kù)壽命期內(nèi)的平均碳排放量分布在0.0342～140.59 Tg CO2eq的區(qū)間內(nèi)，均值為11.13 Tg CO2eq，最大值和最小值分別為三峽水庫(kù)和錦屏二級(jí)水庫(kù)。單位發(fā)電量的碳排放均值為3.30 g CO2eq/(kW·h)，在0.01～17.64 g CO2eq/(kW·h)的區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，最小值同出現(xiàn)在錦屏二級(jí)水庫(kù)，最大值出現(xiàn)在彭水水庫(kù)。同國(guó)際案例水庫(kù)相比，中國(guó)長(zhǎng)江上游大中型水電站的清潔屬性是突出的。

αi對(duì)最終估算結(jié)果不確定性起主導(dǎo)作用，Rd,i的敏感性最小。須謹(jǐn)慎考慮αi的賦值以降低結(jié)果的不確定性，宜對(duì)水庫(kù)具有代表性的采樣點(diǎn)位系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間尺度的Chl.a濃度觀測(cè)來(lái)獲得更精確的αi。而在條件有限時(shí)，EF和Rd,i可暫時(shí)選用默認(rèn)值。須投入更多系統(tǒng)性的采樣監(jiān)測(cè)，為模型估算提供有針對(duì)性(對(duì)特定國(guó)家或特定水體)且可靠的參數(shù)取值，為建立國(guó)家/流域的溫室氣體估算模型提供更有效的數(shù)據(jù)支撐。

5 附錄

附表Ⅰ見(jiàn)電子版(DOI: 10.18307/2023.0108)。