水库水气界面温室气体通量监测技术探讨

2017-03-01佟艳辉

黑龙江水利科技 2017年1期

关键词：水气监测技术通量

佟艳辉

(辽宁水利土木工程咨询有限公司，沈阳 110000)

水库水气界面温室气体通量监测技术探讨

佟艳辉

(辽宁水利土木工程咨询有限公司，沈阳 110000)

水库水气界面温室气体的排放通量，受诸多因素影响，常用监测技术有TDLAS法、静态箱法、涡度相关法等，这些方法都有各自的优点和缺点，因而使用范围也存在较大差别。文章以大伙房水库为例，分析了水库的基本概况，并对水库温室气体通量监测技术进行了分析，了解了影响水库气体排放通量的主要因素，并对遥感技术在水库气体通量监测中的应用进行了探讨。

水气界面；水库；监测技术；温室气体

水电是重要的清洁能源，受到人们的极大推崇，水电生产会产生一定的温室气体，因而人们对水库温室气体的排放也越来越关注。水库所产生的温室气体主要为甲烷和二氧化碳等，会通过水气界面最终排向大气。目前，对于水库水气界面温室气体通量的监测已经成为各国关注的重点。文章以大伙房水库为例，对其水气界面温室气体通量监测技术进行了探讨。

1 水库概况

大伙房水库在抚顺市东洲区，位于浑河干流，该水库根据1000a一遇洪水设计，是“十一五”重点水利工程，是我国第一座自行设计和施工的大型水利枢纽，具有防洪、发电、供水等多重作用[1]。该水库总库容22.68亿m3，相应库容14.30亿m3，坝顶长度1366.72m，坝顶高程139.80m，坝顶宽度8m，最大坝高49.8m，死库容1.34亿m3，死水位108.00m，属于多年调节水库。该水库自投入运行之日起，共应对了26次较大洪水，尤其是在抵御“95.7”洪灾时，发挥了巨大作用，减灾效益达到75亿元。大伙房水库的供水、供电等作用，极大地推动了辽宁的经济发展，因而有“浑河明珠”之称。

2 水气界面温室气体通量监测技术

要有效了解大伙房水库在全球变化中的作用，首先需要对其温室气体通量进行科学监测和分析，常用的温室气体通量监测技术主要有以下几种：

2.1 基于TDLAS的监测技术

TDLAS技术，全称为可调谐二极管激光吸收广谱技术，该技术具有较高的精度，能够同时观测大区域内的多种气体，尤其是在甲烷以及工业气体监测等大气痕量监测中应用较为广泛。TDLAS技术主要是通过二极管激光器的波长调谐特性，获取被测气体的吸收光谱，从而达到对被测气体进行定量和定性分析的目的。TDLAS技术为水库温室气体通量的监测带来了新的思路，有研究学者通过研究发现，使用TDLAS技术观测水库表面0.5m和1.5m高处的气体浓度梯度，并根据所得数据计算水库水气界面甲烷和二氧化碳的排放通量，通过分析发现，该结果与同时期同地区静态箱法获得的通量值相比，具有可比性。说明TDLAS技术在水库温室气体通量监测中具有较高的效果。

2.2 梯度法

梯度法是从水库水气界面温室气体通量的特性出发，水库水气界面的甲烷和二氧化碳通量，主要取决于大气和水体中对应气体的浓度及交换系数，所以梯度法根据这一特征，同时测量大气和表层水中的温室气体浓度，然后计算这两者之间的浓度差，利用气体交换系数得出温室气体通量，其具体的计算公式为：

F=k(Cw-Cn)

(1)

式中：k为气体交换系数；Cw为水体表层溶解的气体浓度；Cn为大气中对应气体的浓度。

梯度法是水库水气界面温室气体通量常用观测方法，通过采用不同的气体浓度分析方法，可以对大气温室气体浓度进行连续监测，获得水库温室气体通量观测的时间序列。该方法是一种半经验模型方法，主要基于水库水气界面气体扩散过程，但是对其扩散过程的驱动机制和原理并没有充分体现，因而该方法的结果存在较大的不确定性，降雨、风速等环境因素是造成这种不确定性的主要原因[2]。

2.3 涡度相关法

该方法是目前用于二氧化碳和水热通量测量的主要方法，能够对大气与群落间二氧化碳的交换通量直接进行测定。涡度相关法主要是对大气湍流运动产生的物理量脉动以及风速脉动进行测定，然后对物质通量进行计算。涡度相关法在水库气体通量测量中的应用，需要满足3个基本条件：①被测下垫面应大尺度宏观均匀；②应在热力中性大气条件下应用；③在测点上风方向相当大的区域内，其气体通量须排放均匀。与静态箱法相比，涡度相关法能够对更大区域内的气体通量进行监测，而且可以在长时间无人值守的情况下实现连续监测，但是这种方法也存在一定的不足，对环境的要求相对较高，而且监测成本高，操作技术较为复杂，因而涡度相关法通常用于陆地生态系统的碳通量测量[3]。

2.4 静态箱法

与其他监测技术相比，静态箱法的操作相对更为方便和简单，该方法需要将一个顶部密封的箱体置于水体表面，并使箱体的底部保持中通，然后收集水体表面扩散的甲烷、二氧化碳等气体，对收集的待测气体每隔一段时间测量其浓度，根据待测气体浓度随时间的变化情况，测定水库的温室气体排放通量。

对于箱内待测气体的浓度，主要通过气相色谱仪进行测定，气象色谱仪测定温室气体通量F的基本计算公式为：

(2)

式中：S为待测气体浓度随时间变化的速率，即不同时间段内气体浓度回归分析所得曲线的斜率；A为静态箱覆盖水面的面积；F1、F2为转换系数；V为静态箱水面以上部分的体积。

静态箱法气相色谱法既具有其独特的优势，也存在一定的不足。它能够对气体样本中的多种成分同时进行分析，具有较高的精度，且静态箱法成本较低，便于携带和拆卸，通过与在线分析仪进行连接，能够实现实时监测。其不足主要表现在：①劳动强度较大，通常只能获得点上的通量数据，不适宜长期或大区域的监测。②箱体没有统一的设计标准，会对监测结果的准确性造成一定影响。因此，静态箱法比较适合于静态水体的观测，不宜大区域的温室气体通量监测。

2.5 倒置漏斗法

与其他监测方法不同，倒置漏斗法主要是通过采集和分析冒泡方式排放的温室气体，来实现对水库温室气体通量的监测。该方法将气体收集装置与倒置的漏斗连接，然后将该装置放入到水体表层以下位置，使其能够收集到水下产生的气泡，并对装置中收集到的气体浓度进行分析，从而得出温室气体排放通量。该方法测得气体通量的计算公式为：

(3)

式中：Fb为待测气体的冒泡排放通量；T为观测时间段；C为待测气体的浓度，由于甲烷在水中的溶解度相对较小，所以在水库的一定深度内，主要通过冒泡的方式排放，因而倒置漏斗法常用于甲烷排放通量的监测。

倒置漏斗法主要适合于气泡排放气体的定点监测，无法进行区域连续监测，受冒泡排放的空间和时间变异特性影响，很难捕捉到较为全面的排放信息。为了有效弥补倒置漏斗法的这些不足，国外目前已经研发出了超声探测技术和开放式动态箱等方法，以提高对气泡方式排放气体通量的监测质量[4]。

3 水库水气界面温室气体通量的主要影响因素

水库温室气体的产生、排放等是一个动态的生物化学过程，具有非常强烈的时间和空间变化特性，在这个过程中，任何一个影响因素都有可能对温室气体的排放通量造成影响。因此，对大伙房水库的温室气体通量影响因素分析，可以主要从以下3个方面展开。

3.1 水环境影响

水库温室气体的产生和运移离不开水体这一重要载体，所以水环境变化情况会直接影响温室气体的排放通量。导致水环境发生变化的因素主要有水温、有机碳、PH以及初级生产力等，这些因素会在一定程度上影响水库的水环境，从而影响气体排放通量。

首先从水温来看，水温会直接影响水库中细菌的活性，而甲烷和二氧化碳主要是通过细菌分解有机碳所产生，所以水温会对温室气体的产生过程造成影响。另外，水温还会影响气体在水中的溶解度，温度越高，气体的溶解度反而会越小，从而增加进入到大气中的气体。有机碳是甲烷和二氧化碳产生的直接来源，水库的有机碳含量与温室气体通量具有比例关系。pH值是反映水库水质的重要因素，当PH值处于较高水平时，水中的二氧化碳会溶于水，由于水中二氧化碳的减少，会使得大气中的二氧化碳进入水体。相反，PH值处于较低水平时，会使得水体中的二氧化碳进入到大气中。初级生产力即水库中水生生物的生物泵作用，会对水库水气界面的气体通量造成影响[5]。

3.2 陆地环境影响

陆地是水库中碳的主要来源，所以其气体通量自然会受到陆地环境的影响，水库淹没区植被与土壤类型的差别，会影响水库产生温室气体的能力。其次不同水库管理模式下，所形成的消落区也会存在碳含量的差异，从而影响温室气体排放通量[6]。

3.3 气候影响

气候因素对水库温室气体通量的影响较大，首先从气温来看，随着季节的变换，气温也会发生较大变化，水库的水环境和陆地环境也会随之发生相应改变，从而对水库温室气体的产生条件造成影响，形成不同强度的温室气体排放。有研究证实，水库温室气体排放受不同季节气温条件的影响，具有较为明显的季节变化特性。其次，降雨会使得大气中的二氧化碳发生沉降，从而增加水体中二氧化碳的溶解量。另外，降雨会对地表造成冲刷，使得地下渗透或地表径流进入到水库中的雨水，含有较多的有机碳，从而促进甲烷和二氧化碳的生成，增加水库温室气体的排放通量。最后，水库表层水体和大气中气体的浓度梯度都会受到水体表面风场的影响，例如，在浅水区，由于风场的扰动，会使得气泡产生量增加，从而增加水库温室气体通量。

4 水库温室气体通量监测中遥感技术的应用

由于水库温室气体排放通量受诸多因素影响，而静态箱法、倒置漏斗法、梯度法等监测方法虽然具有一定的监测效果，但是都是基于小区域数据建立的“点”模型，很难实现对整个水库气体排放通量的监测。随着现代科学技术的进步，遥感技术在水库气体通量监测中的应用也越来越普遍，能够有效实现对水库的长期、持续监测。

通过遥感技术，能够对库区的土地利用类型进行调查，从源头分析不同区域温室气体通量差异产生的原因，通过库区遥感历史数据，能够对库区淹没土壤和植被的有机碳含量进行估算，从而分析水库温室气体排放特征。遥感技术，结合GIS空间分析方法、物理模型反演、植被指数法以及神经网络模型等方法，能够对水库的温室气体排放通量进行更为准确的分析和计算。