［加拿大］ A.特倫布萊等

與火電站相比，水電站每生產(chǎn)10億kW·h電量所產(chǎn)生的溫室氣體(GHG)要少得多，約為火電站的1/35～1/70。然而，淡水水庫(kù)對(duì)大氣中不斷增加的溫室氣體有無(wú)影響，或是如何產(chǎn)生影響，這一問(wèn)題已受到越來(lái)越多的關(guān)注。對(duì)水庫(kù)溫室氣體排放的計(jì)量也越來(lái)越與以下兩者有關(guān)，即充分比較產(chǎn)能方式，及評(píng)估二氧化碳信用額度。水庫(kù)的形成與帶有水庫(kù)的電站的運(yùn)行通常會(huì)生成3種溫室氣體:二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和一氧化二氮(N2O)。

裝機(jī)480 MW的伊斯特梅恩-1(Eastmain-1)電站于2006年投運(yùn)，由主壩和33個(gè)堤壩形成了一個(gè)面積603 km2的水庫(kù)。水庫(kù)位于魁北克的北部生態(tài)區(qū)，北距蒙特利爾北大約1000 km。

在該項(xiàng)目中，采用了多種方式計(jì)量水庫(kù)的溫室氣體排放量，包括氣體局部壓力、渦度協(xié)方差塔、浮箱和自動(dòng)化系統(tǒng)。文中同時(shí)采用了浮箱和自動(dòng)化系統(tǒng)，首次對(duì)水庫(kù)溫室氣體凈排量進(jìn)行了研究和評(píng)估，并展示了北部水庫(kù)溫室氣體總排放的計(jì)量結(jié)果。

1 自動(dòng)化系統(tǒng)

2006年，針對(duì)伊斯特梅恩-1溫室氣體項(xiàng)目安裝了5個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)。其中一個(gè)系統(tǒng)安裝在電站的兩臺(tái)機(jī)組上，與收集蝸殼水流的配水管相連，對(duì)溫室氣體展開(kāi)為期1 a的測(cè)量。此外，在無(wú)冰期(7月中旬～10月底)用于采集表面水(水表面下30 cm)的筏上安裝有4個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)，其中一個(gè)系統(tǒng)安裝于伊斯特梅恩河的河口處(水庫(kù)的入口)，一個(gè)在受淹的腐殖土處，第3個(gè)在受水淹的森林里，第4個(gè)則安裝在供參照的米蘇米斯(Mitsumis)湖上。

電站安裝有可連續(xù)觀測(cè)的溫室氣體檢測(cè)儀?？笨怂姽镜娜藛T以溫室氣體局部壓力技術(shù)為基礎(chǔ)，采用通行的商用元件，建造了該自動(dòng)化系統(tǒng)。通過(guò)采用3種不同類(lèi)型的感應(yīng)器，對(duì)水中和空氣中的二氧化碳、甲烷和氧氣進(jìn)行了局部壓力計(jì)量。

使用時(shí)將傳感器安裝在一個(gè)“干箱子”內(nèi)，泵、閥門(mén)和管道安裝在一個(gè)“濕箱子”內(nèi)，處于監(jiān)控模式時(shí)，設(shè)備每3 h啟動(dòng)1次，操作運(yùn)轉(zhuǎn)周期為22 min:其中水中為一個(gè)20 min工作循環(huán)，進(jìn)行2次計(jì)量(第10 min時(shí)1次、第20 min時(shí)1次)，接著是在空氣中進(jìn)行為期2 min一個(gè)循環(huán)的測(cè)量?？諝夂退臏囟炔捎每藏悹柨茖W(xué)院的熱敏溫度分析儀進(jìn)行量測(cè)。一個(gè)程序化的電子數(shù)據(jù)記錄器(坎貝爾科學(xué)院制造)控制所有的電子設(shè)備及數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)。配有詳細(xì)的質(zhì)量保證、質(zhì)量控制方法和局部壓力下的流量方程計(jì)算。在筏上或岸上安裝有太陽(yáng)能電池板或小型風(fēng)力渦輪機(jī)，為自動(dòng)化系統(tǒng)提供能量。

2 浮箱

在水體溫室氣體量測(cè)時(shí)，浮箱技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。通過(guò)箱子頂部一個(gè)僅0.2 m2的小孔對(duì)空氣取樣，空氣在箱體的對(duì)面端折回。這種形狀的箱體使得截留的氣體持續(xù)混合，量測(cè)的空氣密度更具有代表性。獲取1個(gè)可靠的流量計(jì)量數(shù)據(jù)需要10 min左右，在每個(gè)測(cè)點(diǎn)量測(cè)3個(gè)流量數(shù)據(jù)，然后將浮箱移動(dòng)到水體的另1個(gè)測(cè)點(diǎn)，最少需要10個(gè)測(cè)點(diǎn)，這取決于水體或壩體的大小，以得到溫室氣體流量的代表性平均值。

二氧化碳由1個(gè)非紅外儀測(cè)量，甲烷和一氧化二氮由傅里葉轉(zhuǎn)換紅外儀測(cè)量，這些儀器對(duì)氣體計(jì)量的精確度分別為0.1%和1%。浮游系統(tǒng)連續(xù)讀數(shù)，數(shù)據(jù)記錄儀在5～10 min的時(shí)段內(nèi)每20 s存儲(chǔ)1個(gè)值。將所有的取樣數(shù)據(jù)繪制成表，得到一個(gè)斜率圖，對(duì)每平米范圍的二氧化碳、甲烷和一氧化二氮流量進(jìn)行計(jì)算。浮箱的操作細(xì)節(jié)及方程和計(jì)算方法可提供。

3 成果

使用安裝在伊斯特梅恩-1電站中的自動(dòng)化系統(tǒng)，對(duì)水庫(kù)中水體二氧化碳濃度的變化進(jìn)行了量測(cè)。二氧化碳濃度在晚秋由于冰雪覆蓋開(kāi)始增加，而在春季由于冰體消融開(kāi)始降低。

在拉格朗德(La Granda)水電樞紐和伊斯特梅恩-1水庫(kù)分別采用浮箱技術(shù)計(jì)量二氧化碳、甲烷和一氧化二氮的平均流量，比照其結(jié)果可以得到非常有價(jià)值的信息。在伊斯特梅恩-1水庫(kù)，二氧化碳、甲烷的平均排放量快速增長(zhǎng)，受淹的第1年為蓄水前自然生態(tài)排放量的5倍。2003～2005年，二氧化碳的平均排放量為1.352±1.431 mg/m2·d，甲烷平均為1.7±1.8 mg/m2·d。在2006年，二氧化碳(CO2)平均排放量為6.580±3.567 mg/m2·d，甲烷為7.8±9.5 mg/m2·d。在受水浸沒(méi)后的第2年，氣體的排放量迅速降低。甲烷(CH4)在蓄水后第2年的恢復(fù)值與自然水生生態(tài)系統(tǒng)沒(méi)有太大變化，二氧化碳(CO2)在蓄水后的第3年達(dá)到同等效果。2007年，甲烷(CH4)平均值為3.2±3.1 mg/m2·d，在2008年，二氧化碳的平均排放量為1.942±1.175 mg/m2·d。

觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，在洪水浸沒(méi)前后，一氧化二氮的流量沒(méi)有任何不同。在水生生態(tài)系統(tǒng)中，量測(cè)的二氧化碳、甲烷和一氧化二氮流量與文獻(xiàn)中記載的關(guān)于北部自然水體及寇特-諾德(Cote-Nord)、魁北克詹姆斯(James)灣區(qū)域和拉布拉多(Labrador)水庫(kù)的數(shù)據(jù)大體相同。

許多因素能夠影響到溫室氣體流量，例如水體滯留時(shí)間、受淹的植物類(lèi)型(腐殖土、森林土、農(nóng)業(yè)用地等)及受淹表面積和水量的比率。這些因素對(duì)溫室氣體排放的強(qiáng)度(達(dá)到最大流量)和持續(xù)時(shí)間都有影響。通常，北部生態(tài)系統(tǒng)在蓄水后的1 a內(nèi)二氧化碳流量達(dá)到最大，并在第1個(gè)10 a恢復(fù)到自然值。新形成的水庫(kù)中，溫室氣體排放量增加，與生物群(魚(yú)類(lèi)群落、無(wú)脊椎動(dòng)物群、浮游生物群等)總量提高有關(guān)。由于樹(shù)木分解速度非常緩慢，二氧化碳排放量與受淹土壤中易于自然分解的有機(jī)質(zhì)相聯(lián)系。在這個(gè)轉(zhuǎn)化期(低于10 a)后，二氧化碳的排放量與自然水體的排放量相當(dāng)，與流域中作為徑流進(jìn)入水庫(kù)的二氧化碳流量相關(guān)。

經(jīng)采用自動(dòng)化系統(tǒng)和浮箱觀測(cè)，計(jì)算出了溫室氣體的年綜合流量(稱(chēng)之為質(zhì)量平衡分析)，這2種技術(shù)的量測(cè)結(jié)果間僅有12%的差異。采用自動(dòng)化技術(shù)量測(cè)水庫(kù)中溫室氣體排放量，是一項(xiàng)非常有意義的技術(shù)，與傳統(tǒng)采用浮箱的技術(shù)相比較，它僅需要1個(gè)人進(jìn)行維護(hù)，并可以遠(yuǎn)程進(jìn)入，減少了利用小船進(jìn)行水體取樣時(shí)發(fā)生的相關(guān)安全措施費(fèi)用，大大降低了總體成本。事實(shí)上，相對(duì)于浮箱觀測(cè)，自動(dòng)化系統(tǒng)以1/10～1/20的花費(fèi)產(chǎn)生了10倍或更多的數(shù)據(jù)信息。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)自然水生生態(tài)系統(tǒng)和新近受淹的伊斯特梅恩-1水庫(kù)的監(jiān)控，得出如下結(jié)論:

(1)在受淹后的第1年，二氧化碳和甲烷的總流量迅速增加;

(2)在受淹后第2年，伊斯特梅恩-1水庫(kù)甲烷的總流量恢復(fù)到自然生態(tài)系統(tǒng)的同等范圍;

(3)在受淹后第3年，伊斯特梅恩-1水庫(kù)的二氧化碳總流量恢復(fù)到自然水生生態(tài)系統(tǒng)的同等水平，與北部水庫(kù)10 a的觀察結(jié)果完全相符;

(4)從年度質(zhì)量平衡情況來(lái)看，自動(dòng)化系統(tǒng)和浮箱技術(shù)得出的結(jié)果類(lèi)似。

伊斯特梅恩-1水庫(kù)具有相對(duì)較小的區(qū)域表面(603 km2)和較短的水體蓄留時(shí)間(3～6個(gè)月)，是一個(gè)較成功的少量排放溫室氣體的案例。天然氣體混合循環(huán)的火電站發(fā)電效率最高，但其發(fā)電每10億kW·h排放二氧化碳38萬(wàn)t，是伊斯特梅恩-1水庫(kù)的23倍多。為進(jìn)一步提高伊斯特梅恩-1水庫(kù)的運(yùn)行能力，正在修建另一座裝機(jī)780 MW的電站，伊斯特梅恩-1 A-魯伯特(Rupert)分流設(shè)施正在施工中。在北部興建水電站應(yīng)作為降低氣候變化影響的一種解決方式予以考慮。