水库温室气体排放及其影响因素研究

张巍伟

(辽宁水利土木工程咨询有限公司，沈阳 110000)



水库温室气体排放及其影响因素研究

张巍伟

(辽宁水利土木工程咨询有限公司，沈阳 110000)

在全球气候不断变暖的背景下，世界范围内的平均气温逐渐升高，导致大量的冰川、积雪融化，这在很大程度上影响到自然生态系统的平衡与人类正常生产生活。而造成这一现象的主要原因为温室气体浓度提升，水库作为淡水生态系统中的重要组成部分，受到多种内外部因素的共同作用，水库中温室气体的排放量过大，为科学控制水库产生的温室气体，降低温室气体对于大气环境的影响，文章在简要分析水库温室气体排放途径的基础上，阐述其监测途径，并重点从物理、化学等方面探讨影响水库温室气体排放的因素，以期为相关部门提供参考依据。

水库；温室气体；影响因素；排放途径

水库在蓄水过程中会产生大量温室气体并排放，在气候变暖的环境下，其已经逐步影响到区域生态平衡。根据相关调查报告显示，水库温室气体排放的影响因素可分为2种：①水库中沉淀物开始产生有机碳；②水库中本身产生的温室气体，其中提供有机碳的影响因素可细分为地表中输入有机物质、区域中植物、土壤中的有机质等，影响水库本身温室气体排放可细分为温度、水体含有的有机质等。在建设水库之前，工作人员应结合区域实际情况，综合考虑水库温室气体排放途径、产生因素，合理了解水库温室气体的排放布局、排放水平，尽可能减少温室气体对于自然环境的影响，实现人与自然和谐发展。

1 研究水库区域概况

本研究以大伙房水库为例，其位于抚顺市东洲区，属于浑河干流，其总库容22.68亿m3，相应库容为14.30亿m3，正常高水位约131.50m，兴利库容约12.96亿m3，是我国建国后第一座自行设计、自行施工的大型水利枢纽，承担抚顺、沈阳两市的工业、生活用水及辽宁中、南部地区农业生产的供水任务，具备防洪、供水、养鱼、发电等多种功能。因此，研究该水库的温室气体排放具有较大意义，不仅能够进一步优化区域中资源配置，还可改善水库水资源循环，保护区域自然环境[1]。

2 水库温室气体主要排放的途径

水库温室气体的主要排放系统为沉淀物、水体(植物)和大气环境，受到内外部因素的影响，每种系统中温室气体的排放存在一定的差异，具体如图1所示：

图1 水库温室气体排放途径

2.1 植物传输的排放途径

水库含水区域生长着大量水生植物，植物为保持根部呼吸的“顺畅性”，通常根部会生长着输导组织，以确保氧气的正常输送，该类组织也为二氧化碳和甲烷等温室气体的排放创造了条件，相关调查数据显示，在水生植物生长茂盛的水库区域，约有70%的甲烷能够通过输导组织进入到大气环境中[2]。

植物传输温室气体排放途径分为对流传输、分子扩散等机制，通常而言，对流传输排放途径的速度比分子扩散方式快，其中传输规律与扩散规律如式(1)、式(2)所示：

传输规律：E5=FA-1△P-1

其中湿度诱导：△Pt=Pwi-Pwa

热力学诱导：

△Pt=Pa(T0.5Ta-0.5-1)

(1)

式中：E5为气体对流效率，cm3min-1cm-2Pa-1；F为气流速率，cm3/min；A为叶片面积，cm2；△P为压强差；△Pt为热力学压强差；△Pw为湿度压强差；Pwi为叶片维管内湿度压强；Pwa为大气环境湿度压强；Ti为叶片内部温度；Ta为大气温度。

扩散规律：

Q=KAJ

(2)

式中：Q为气体的通量；K为扩散的系数；A为整个通道面积；J为浓度梯度差。

2.2 排放气泡的途径

通过气泡的方式排放温室其他主要针对水库区域的沉积物与甲烷等水库微溶气体，气泡排放温室气体的强度一般与气候、水体深度有关，但何种因素影响强度更大，则还没有形成确定的定律，两者具备变化性、复杂性等多种特点[3]，因此，在水库中产生的气泡也拥有同种特点，具体分为以下三方面：一是水库水体环境中气体浓度的较高；二是水库区域的沉积物产生甲烷等气体的速度快；三沉积物本身溶液张力小于水体压力，其中最重要的因素为第二个，从理论的角度分析，如果沉积物区域产生甲烷的速度较为缓慢时，通常只有较少的气泡，但速度变快时，甲烷气体会逐步达到饱和，多余的气体分子则会合并成气泡。释放甲烷气体到大气环境中也是一个较为复杂、系统的动力学过程，不仅与水体分压差有关，还包括风速、水体溶解氧、气体上升流的变动等因素，但就我国当前的研究现状而言，仍没有关注到其他因素，在一定程度上影响着水库建设的合理性。

2.3 扩散气体的排放途径

扩散气体的排放途径主要是指温室气体的自由挥散，具体的气体分子包括二氧化碳、甲烷气体、一氧化二氮，气体分子在浓度梯度的作用下，由高向低的进行运动，其具体的排放计算方式如式(3)所示：

F=akg,T△P

(3)

式中：F为排放通量；a为气体溶解系数；Kg,T为气体传质系数；△P为气体在大气、水体之间的浓度差。

水库与其他淡水系统相比，存在一定的特殊性，其包含大量人工机械设备，为排放温室气体提供了多种途径，其中最重要的是水库大坝的下游位置、溢洪道与水轮机设备等[4]。部分水库为保障水轮机等机械设备的顺利运行，通常会在离水库表面较低位置设计进出水口，导致含有大量二氧化碳等气体的水体进入水轮机，造成静水压力急剧变化，进而排放出温室气体。

3 水库温室气体的主要监测方式

水库温室气体的监测方式主要根据排放途径而研究，因此针对植物传输、气泡排放、扩散气体排放等途径的监测方式如表1所示：

表1 温室气体监测方式及监测机制与原理

4 水库温室气体的排放影响因素

水库温室气体的排放总量由传输过程、产生原因两个模块决定，而这两个模块主要受到物理、化学等方面因素的影响[5]，具体而言，分为以下几方面：

4.1 物理影响因素

4.1.1 光合作用

光合作用直接决定着植物的生长过程，在进行光合作用的过程中会产生光合有效辐射，即通过改变植物或者微生物的活性、生长环境的温度，影响到水体中温室气体的化学过程，该种因素受到植被的覆盖情况而出现一定差异。光合有效辐射影响水库温室气体的排放主要表现在以下2个方面：①改变植物本身光合作用的强度、微生物本身活性，间接影响到甲烷等温室气体的排放；②促使水体溶解氧发生变化，进而影响到一氧化二氮的排放[6]。

4.1.2 水库平均风速

风速可借助风应力，破碎水体的表面，扩大空气与水体整体的接触面积，进而转变空气与表层水体中二氧化碳浓度梯度，提升气体扩散的强度。同时，风力还可以扰动水体，促使沉积物产生更多气泡，增加水库温室气体的排放量。

4.1.3 区域温度

温度是水体的物理参数之一，主要受二氧化碳含量的影响，对于水库而言，因水体区域具备垂向混合、纵向输移的生境特征，所以，水库与湖泊河流等自然水域相比，其二氧化碳的吸收量更多，水体中pH值极大程度上提高，使得水体吸收大量二氧化碳[7]。

4.2 生物影响因素

生物主要影响着二氧化碳气体的排放，一是水库处于自养状态时，浮游植物的生产力会超过生物本身的呼吸作用，使得碳被固定，降低水体中的p(CO2)值，促使水体大量吸收二氧化碳；二是水库处于异养状态下，生物本身呼吸作用强于光合作用，水体中的p(CO2)值会增加，生物会向水体中直接释放二氧化碳。

4.3 化学影响因素

化学因素分为氧化还原电位与pH值、溶解性有机碳与溶解氧、营养盐等方面，每种化学因素的影响具备一定的差异性，在实际研究过程中，应结合水库实际情况，合理的检测水库温室气体排放情况[8]。

4.4 人类生产生活的影响

水库属于大型水利工程建设，在很大程度上改变了土地的利用方式，改变了水库区域本身的水生系统的变化过程，即影响到氮、碳等元素的含量，同时，水库大坝下游区域工业化生产发达，部分污染物直接排入水库，致使出现富营养化的问题，极大程度上增加了温室气体的产生，也提升温室气体整体的检测难度[9]。

5 结 语

综上所述，水库是排放温室气体的主要场所之一，在全球变暖的时代背景下，其更应引起相关研究人员的重视程度，从水库实际情况出发，综合考虑温室气体排放途径、监测方式与影响因素，制定科学应对温室气体排放的策略，保障水库能够充分发挥自身调节水资源的作用。在实际工作过程中，研究人员可借鉴国外先进成功经验，将水库减排工作与节能工作有机统一，不断优化我国工业生产结构，减少对化石燃料的使用，最大程度上降低温室气体的产生量。同时，政府部门应加大对水库建设的监督力度，推出统一的、连续的政策，借助市场经济调节作用，提升水库建设的有效性。

[1]赵小杰，赵同谦，郑华，等.水库温室气体排放及其影响因素[J].环境科学,2008(08):2377-2384.

[2]邓雪,李家铭,曾浩健,等.层次分析法权重计算方法分析及其应用研究[J].数学的实践与认识,2012(07):93-100.

[3]高宏.喀左县水资源开发利用分析[J].水利规划与设计，2015(03)：34-35，45.

[4]陆军.盘山县水资源供需平衡分析及主要问题[J].水利规划与设计，2015(03)：18-20.

[5]黎昱,蔡渊蛟.小塔山水库主坝溢洪闸基础防渗帷幕灌浆施工要点[J].水利规划与设计,2013(09):59-61.

[6]李福仲，刘力真.郭家村水库洪水预报调度系统研究[J].水利技术监督，2008(02)：46-48.

[7]张绍军.实践最严格水资源管理制度的探索[J].水利技术监督，2013(05)：23-26.

[8]高素丽.辽河流域河道生态工程建设方案[J].水土保持应用技术，2011(06)：35-38.

[9]李学森.凌河流域水资源现状及保护措施[J].水土保持应用技术，2015(03)：36-37.

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

张巍伟(1982-)，女，辽宁丹东人，工程师，研究方向为水利水电。

X

B