水庫溫室氣體排放及其影響因素研究

張巍偉

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，沈陽 110000)

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水庫溫室氣體排放及其影響因素研究

張巍偉

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，沈陽 110000)

在全球氣候不斷變暖的背景下，世界范圍內(nèi)的平均氣溫逐漸升高，導(dǎo)致大量的冰川、積雪融化，這在很大程度上影響到自然生態(tài)系統(tǒng)的平衡與人類正常生產(chǎn)生活。而造成這一現(xiàn)象的主要原因?yàn)闇厥覛怏w濃度提升，水庫作為淡水生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，受到多種內(nèi)外部因素的共同作用，水庫中溫室氣體的排放量過大，為科學(xué)控制水庫產(chǎn)生的溫室氣體，降低溫室氣體對(duì)于大氣環(huán)境的影響，文章在簡(jiǎn)要分析水庫溫室氣體排放途徑的基礎(chǔ)上，闡述其監(jiān)測(cè)途徑，并重點(diǎn)從物理、化學(xué)等方面探討影響水庫溫室氣體排放的因素，以期為相關(guān)部門提供參考依據(jù)。

水庫；溫室氣體；影響因素；排放途徑

水庫在蓄水過程中會(huì)產(chǎn)生大量溫室氣體并排放，在氣候變暖的環(huán)境下，其已經(jīng)逐步影響到區(qū)域生態(tài)平衡。根據(jù)相關(guān)調(diào)查報(bào)告顯示，水庫溫室氣體排放的影響因素可分為2種：①水庫中沉淀物開始產(chǎn)生有機(jī)碳；②水庫中本身產(chǎn)生的溫室氣體，其中提供有機(jī)碳的影響因素可細(xì)分為地表中輸入有機(jī)物質(zhì)、區(qū)域中植物、土壤中的有機(jī)質(zhì)等，影響水庫本身溫室氣體排放可細(xì)分為溫度、水體含有的有機(jī)質(zhì)等。在建設(shè)水庫之前，工作人員應(yīng)結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況，綜合考慮水庫溫室氣體排放途徑、產(chǎn)生因素，合理了解水庫溫室氣體的排放布局、排放水平，盡可能減少溫室氣體對(duì)于自然環(huán)境的影響，實(shí)現(xiàn)人與自然和諧發(fā)展。

1 研究水庫區(qū)域概況

本研究以大伙房水庫為例，其位于撫順市東洲區(qū)，屬于渾河干流，其總庫容22.68億m3，相應(yīng)庫容為14.30億m3，正常高水位約131.50m，興利庫容約12.96億m3，是我國建國后第一座自行設(shè)計(jì)、自行施工的大型水利樞紐，承擔(dān)撫順、沈陽兩市的工業(yè)、生活用水及遼寧中、南部地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的供水任務(wù)，具備防洪、供水、養(yǎng)魚、發(fā)電等多種功能。因此，研究該水庫的溫室氣體排放具有較大意義，不僅能夠進(jìn)一步優(yōu)化區(qū)域中資源配置，還可改善水庫水資源循環(huán)，保護(hù)區(qū)域自然環(huán)境[1]。

2 水庫溫室氣體主要排放的途徑

水庫溫室氣體的主要排放系統(tǒng)為沉淀物、水體(植物)和大氣環(huán)境，受到內(nèi)外部因素的影響，每種系統(tǒng)中溫室氣體的排放存在一定的差異，具體如圖1所示：

圖1 水庫溫室氣體排放途徑

2.1 植物傳輸?shù)呐欧磐緩?/p>

水庫含水區(qū)域生長(zhǎng)著大量水生植物，植物為保持根部呼吸的“順暢性”，通常根部會(huì)生長(zhǎng)著輸導(dǎo)組織，以確保氧氣的正常輸送，該類組織也為二氧化碳和甲烷等溫室氣體的排放創(chuàng)造了條件，相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，在水生植物生長(zhǎng)茂盛的水庫區(qū)域，約有70%的甲烷能夠通過輸導(dǎo)組織進(jìn)入到大氣環(huán)境中[2]。

植物傳輸溫室氣體排放途徑分為對(duì)流傳輸、分子擴(kuò)散等機(jī)制，通常而言，對(duì)流傳輸排放途徑的速度比分子擴(kuò)散方式快，其中傳輸規(guī)律與擴(kuò)散規(guī)律如式(1)、式(2)所示：

傳輸規(guī)律：E5=FA-1△P-1

其中濕度誘導(dǎo)：△Pt=Pwi-Pwa

熱力學(xué)誘導(dǎo)：

△Pt=Pa(T0.5Ta-0.5-1)

(1)

式中：E5為氣體對(duì)流效率，cm3min-1cm-2Pa-1；F為氣流速率，cm3/min；A為葉片面積，cm2；△P為壓強(qiáng)差；△Pt為熱力學(xué)壓強(qiáng)差；△Pw為濕度壓強(qiáng)差；Pwi為葉片維管內(nèi)濕度壓強(qiáng)；Pwa為大氣環(huán)境濕度壓強(qiáng)；Ti為葉片內(nèi)部溫度；Ta為大氣溫度。

擴(kuò)散規(guī)律：

Q=KAJ

(2)

式中：Q為氣體的通量；K為擴(kuò)散的系數(shù)；A為整個(gè)通道面積；J為濃度梯度差。

2.2 排放氣泡的途徑

通過氣泡的方式排放溫室其他主要針對(duì)水庫區(qū)域的沉積物與甲烷等水庫微溶氣體，氣泡排放溫室氣體的強(qiáng)度一般與氣候、水體深度有關(guān)，但何種因素影響強(qiáng)度更大，則還沒有形成確定的定律，兩者具備變化性、復(fù)雜性等多種特點(diǎn)[3]，因此，在水庫中產(chǎn)生的氣泡也擁有同種特點(diǎn)，具體分為以下三方面：一是水庫水體環(huán)境中氣體濃度的較高；二是水庫區(qū)域的沉積物產(chǎn)生甲烷等氣體的速度快；三沉積物本身溶液張力小于水體壓力，其中最重要的因素為第二個(gè)，從理論的角度分析，如果沉積物區(qū)域產(chǎn)生甲烷的速度較為緩慢時(shí)，通常只有較少的氣泡，但速度變快時(shí)，甲烷氣體會(huì)逐步達(dá)到飽和，多余的氣體分子則會(huì)合并成氣泡。釋放甲烷氣體到大氣環(huán)境中也是一個(gè)較為復(fù)雜、系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)過程，不僅與水體分壓差有關(guān)，還包括風(fēng)速、水體溶解氧、氣體上升流的變動(dòng)等因素，但就我國當(dāng)前的研究現(xiàn)狀而言，仍沒有關(guān)注到其他因素，在一定程度上影響著水庫建設(shè)的合理性。

2.3 擴(kuò)散氣體的排放途徑

擴(kuò)散氣體的排放途徑主要是指溫室氣體的自由揮散，具體的氣體分子包括二氧化碳、甲烷氣體、一氧化二氮，氣體分子在濃度梯度的作用下，由高向低的進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，其具體的排放計(jì)算方式如式(3)所示：

F=akg,T△P

(3)

式中：F為排放通量；a為氣體溶解系數(shù)；Kg,T為氣體傳質(zhì)系數(shù)；△P為氣體在大氣、水體之間的濃度差。

水庫與其他淡水系統(tǒng)相比，存在一定的特殊性，其包含大量人工機(jī)械設(shè)備，為排放溫室氣體提供了多種途徑，其中最重要的是水庫大壩的下游位置、溢洪道與水輪機(jī)設(shè)備等[4]。部分水庫為保障水輪機(jī)等機(jī)械設(shè)備的順利運(yùn)行，通常會(huì)在離水庫表面較低位置設(shè)計(jì)進(jìn)出水口，導(dǎo)致含有大量二氧化碳等氣體的水體進(jìn)入水輪機(jī)，造成靜水壓力急劇變化，進(jìn)而排放出溫室氣體。

3 水庫溫室氣體的主要監(jiān)測(cè)方式

水庫溫室氣體的監(jiān)測(cè)方式主要根據(jù)排放途徑而研究，因此針對(duì)植物傳輸、氣泡排放、擴(kuò)散氣體排放等途徑的監(jiān)測(cè)方式如表1所示：

表1 溫室氣體監(jiān)測(cè)方式及監(jiān)測(cè)機(jī)制與原理

4 水庫溫室氣體的排放影響因素

水庫溫室氣體的排放總量由傳輸過程、產(chǎn)生原因兩個(gè)模塊決定，而這兩個(gè)模塊主要受到物理、化學(xué)等方面因素的影響[5]，具體而言，分為以下幾方面：

4.1 物理影響因素

4.1.1 光合作用

光合作用直接決定著植物的生長(zhǎng)過程，在進(jìn)行光合作用的過程中會(huì)產(chǎn)生光合有效輻射，即通過改變植物或者微生物的活性、生長(zhǎng)環(huán)境的溫度，影響到水體中溫室氣體的化學(xué)過程，該種因素受到植被的覆蓋情況而出現(xiàn)一定差異。光合有效輻射影響水庫溫室氣體的排放主要表現(xiàn)在以下2個(gè)方面：①改變植物本身光合作用的強(qiáng)度、微生物本身活性，間接影響到甲烷等溫室氣體的排放；②促使水體溶解氧發(fā)生變化，進(jìn)而影響到一氧化二氮的排放[6]。

4.1.2 水庫平均風(fēng)速

風(fēng)速可借助風(fēng)應(yīng)力，破碎水體的表面，擴(kuò)大空氣與水體整體的接觸面積，進(jìn)而轉(zhuǎn)變空氣與表層水體中二氧化碳濃度梯度，提升氣體擴(kuò)散的強(qiáng)度。同時(shí)，風(fēng)力還可以擾動(dòng)水體，促使沉積物產(chǎn)生更多氣泡，增加水庫溫室氣體的排放量。

4.1.3 區(qū)域溫度

溫度是水體的物理參數(shù)之一，主要受二氧化碳含量的影響，對(duì)于水庫而言，因水體區(qū)域具備垂向混合、縱向輸移的生境特征，所以，水庫與湖泊河流等自然水域相比，其二氧化碳的吸收量更多，水體中pH值極大程度上提高，使得水體吸收大量二氧化碳[7]。

4.2 生物影響因素

生物主要影響著二氧化碳?xì)怏w的排放，一是水庫處于自養(yǎng)狀態(tài)時(shí)，浮游植物的生產(chǎn)力會(huì)超過生物本身的呼吸作用，使得碳被固定，降低水體中的p(CO2)值，促使水體大量吸收二氧化碳；二是水庫處于異養(yǎng)狀態(tài)下，生物本身呼吸作用強(qiáng)于光合作用，水體中的p(CO2)值會(huì)增加，生物會(huì)向水體中直接釋放二氧化碳。

4.3 化學(xué)影響因素

化學(xué)因素分為氧化還原電位與pH值、溶解性有機(jī)碳與溶解氧、營(yíng)養(yǎng)鹽等方面，每種化學(xué)因素的影響具備一定的差異性，在實(shí)際研究過程中，應(yīng)結(jié)合水庫實(shí)際情況，合理的檢測(cè)水庫溫室氣體排放情況[8]。

4.4 人類生產(chǎn)生活的影響

水庫屬于大型水利工程建設(shè)，在很大程度上改變了土地的利用方式，改變了水庫區(qū)域本身的水生系統(tǒng)的變化過程，即影響到氮、碳等元素的含量，同時(shí)，水庫大壩下游區(qū)域工業(yè)化生產(chǎn)發(fā)達(dá)，部分污染物直接排入水庫，致使出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化的問題，極大程度上增加了溫室氣體的產(chǎn)生，也提升溫室氣體整體的檢測(cè)難度[9]。

5 結(jié) 語

綜上所述，水庫是排放溫室氣體的主要場(chǎng)所之一，在全球變暖的時(shí)代背景下，其更應(yīng)引起相關(guān)研究人員的重視程度，從水庫實(shí)際情況出發(fā)，綜合考慮溫室氣體排放途徑、監(jiān)測(cè)方式與影響因素，制定科學(xué)應(yīng)對(duì)溫室氣體排放的策略，保障水庫能夠充分發(fā)揮自身調(diào)節(jié)水資源的作用。在實(shí)際工作過程中，研究人員可借鑒國外先進(jìn)成功經(jīng)驗(yàn)，將水庫減排工作與節(jié)能工作有機(jī)統(tǒng)一，不斷優(yōu)化我國工業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，減少對(duì)化石燃料的使用，最大程度上降低溫室氣體的產(chǎn)生量。同時(shí)，政府部門應(yīng)加大對(duì)水庫建設(shè)的監(jiān)督力度，推出統(tǒng)一的、連續(xù)的政策，借助市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)節(jié)作用，提升水庫建設(shè)的有效性。

[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(huán)境科學(xué),2008(08):2377-2384.

[2]鄧雪,李家銘,曾浩健,等.層次分析法權(quán)重計(jì)算方法分析及其應(yīng)用研究[J].數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí),2012(07):93-100.

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

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Study on Greenhouse Gas Emission and Its Influencing Factors in Reservoir

ZHANG Wei-wei

(Liaoning water conservancy and Civil Engineering Consulting Co., Ltd.,Shenyang 110000, China)

In the context of global climate warming, the average temperature in the world gradually increased, resulting in a large number of glaciers, snow melt, which affects the balance of natural ecosystems and human normal life in a great extent. The major reason for this phenomenon is caused by the concentration of greenhouse gases increase, the reservoir is an important part in freshwater ecosystem, influenced by a variety of internal and external factors, greenhouse gas emissions in the reservoir is too large, greenhouse gases for the scientific control of reservoir, reduce greenhouse gas impact on the atmospheric environment, In this paper, based on a brief analysis of the greenhouse gas emission pathways, expounds the monitoring way, and mainly from the aspects of physical and chemical factors on greenhouse gas emission in order to provide reference for the relevant departments.

reservoir; greenhouse gas;influencing factors;emission way

1007-7596(2017)01-0034-03

2016-12-22

張巍偉(1982-)，女，遼寧丹東人，工程師，研究方向?yàn)樗姟?/p>

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