金沙江上游水电梯级开发碳汇效应评估

胡江军，李溪然，崔 磊，高 繁，张 璇，殷国栋

(1.华电金沙江上游水电开发有限公司，四川 成都 610041；2.华中师范大学，湖北 武汉 430079；3.水电水利规划设计总院，北京 100120；4.北京师范大学，北京 100875)

0 引 言

在积极应对气候变化、全面践行绿色发展的战略背景下，2020年，我国郑重向世界承诺将采取更有力的政策和措施，提高国家自主贡献力度，二氧化碳排放力争在2030年前达到峰值，2060年前实现碳中和[1]。在“碳达峰与碳中和”目标实现背景下，可再生能源开发是优化能源供给结构、大幅降低能源行业碳排放的关键，是实现双碳目标的主力军。与可再生能源中的风电、光电相比，水电具有稳定性好、满足电力负荷动态需求等优势，因此水电也是众多国家地区改善能源结构的首选[2-3]。我国幅员辽阔、水资源丰富，水能资源储量位于世界前列，我国也是水电强国，水库数量和水力发电总量居世界首位[4]。截至2021年底，我国水电装机容量为3.54亿kW，占全国发电装机容量的14.9%，在能源供给安全高效保障、能源结构清洁低碳转型上发挥了重要作用。

尽管水力发电替代火力发电可以减少化石燃料的使用从而减少碳排放，但水电工程同时也改变了天然河道形态，水库淹没区直接将自然河段和两岸陆地淹没成为水库，原本库区自然植被碳汇功能丧失，在水中进一步分解增加了碳的排放。已有很多研究对水电温室气体排放进行了系统分析，在水库温室气体净排放量估算[5-6]、水电碳足迹评价[7-8]、水库消落带碳排放[9]等进行了大量研究，但目前的研究多针对特定已建水电设施，对水库淹没区的碳库和碳汇损失缺乏研究，相关方法体系对流域水电开发规划、河段开发设计等方面支撑不足。在双碳目标实现和流域水电梯级开发背景下，依托项目规划环评、从碳汇效应方面对流域碳库和碳汇能力进行系统评估，可在规划环评中为水电开发选址、库容设计以及碳中和等提供科学建议。

水电开发建设对陆地碳循环最直接的效应，可分为陆地碳汇损失、水库温室气体排放和化石能源替代3部分。其中，陆地碳汇损失可分为2部分：①植被因淹没死亡导致的自身碳的释放，这部分随着有机物质的分解分为溶解态和颗粒态，可通过陆地植被生物量估算获得；②植被固碳效应，即地表植被通过光合作用固定的碳减去异养呼吸所消耗的光合产物碳的部分，反映了陆地生态系统的净碳交换量(即碳汇量)；水库温室气体排放和化石能源替代产生的碳源碳汇效应，可根据水库建设规模、装机容量等进行测算。

金沙江流域水电资源丰富，技术可开发量超过1亿kW，占长江流域可开发量的62.5%，占全国十三大水电基地可开发量的1/3[10]。金沙江上游作为国家“十四五”规划中的九大清洁能源基地之一，规划建设的金沙江上游水电梯级开发地跨青海、四川、西藏、云南4省，总装机量超过1 489万kW，建成后将极大地增强区域清洁能源保障供给和水资源调蓄能力。从“碳达峰与碳中和”角度开展梯级水电开发碳汇能力评估研究，可为金沙江上游水资源规划与水电梯级开发提供科学建议，也为将进一步丰富水电规划环评和流域管理保护技术体系。

1 研究数据与方法

1.1 研究区域概况

金沙江上游位于我国青藏高原东缘、四川盆地西南部和云贵高原西北部，地理位置位于东经90°～101°、北纬24°～36°之间。上游分别为发源于唐古拉山的沱沱河和通天河，至青海玉树汇入巴塘河后为金沙江，具体以青海玉树(巴塘河口)以下至云南迪庆石鼓以上为金沙江上游河段。因金沙江上游流域自西北向东南沿高原至平原过渡地带分布，海拔、气候和植被呈明显梯级分布。

金沙江上游水电规划河段为金沙江巴塘河口至云南迪庆的奔子栏河段，如图1所示，长约772 km，天然落差1 516 m，河道平均坡降1.96‰。河段从上至下为川青段、川藏段、川滇段3段。规划建设梯级水电13座，总装机容量1 489万kW，自上游向下规划水电站概况如图2和表1所示。

图1 金沙江上游流域概况

图2 梯级水电站规划情况

表1 研究区域规划水电站基本情况

1.2 研究方法与数据

1.2.1 研究方法

本研究首先根据规划水电站位置和正常蓄水位时水库面积，匡算淹没区范围与面积，并根据遥感数据产品分别计算淹没区植被碳储量和固碳能力；同时根据规划装机容量与正常蓄水位时的水库面积，计算水电站运行后替代化石能源产生的碳排放量；最后计算水电站建设直接产生的碳源、碳汇效应，分析碳排放效应系数。

水电站建设的直接碳汇效应计算公式为

C总量=C发电碳汇-C水库碳排放-C植被碳库-C植被碳汇

(1)

为进一步评估水电建设对区域碳汇的影响，以各水电站碳排放效应系数为评价指标，即规划水电站建设对区域碳库和碳汇能力的损失与水库碳排放量之和，除以设计年发电量，公式为

(2)

式中，E为规划水电站碳排放效应系数，10万t/(亿kW·h)；P为规划水电站年发电量，亿kW·h。

为评估水电站建设对区域碳源、碳汇变化的影响，以金沙江上游流域首个水电站开工前为研究对象，苏洼龙水电站开工时间为2016年，故本研究时间段为2001年～2015年。所有原始数据经过投影转换为GCS_WGS_1984坐标系、数据重采集后处理为基本空间单元为1 km分辨率的栅格，数据处理软件为Matlab 2014b。

1.2.2 流域陆地生态系统碳储量

植被碳储量根据植被空间分布、植被类型和植被碳密度进行计算。其中，植被类型分布数据采用土地利用现状遥感监测数据集，数据来自资源环境科学与数据中心(https:∥www.resdc.cn/)，时间为2015年；植被碳密度采用王绍强等[11]收集整理的中国陆地生态系统自然植被碳密度，采用2个水平转换率，其中，碳密度高转换率为50%，低转换率为45%。

1.2.3 流域陆地生态系统固碳能力

植被固碳能力通过净生态系统生产力(NEP)计算。净生态系统生产力为单位时间内光合作用固定碳减去植物自身呼吸的碳(净初级生产力NPP)和土壤微生物呼吸的固碳损耗(RH)所剩的部分。NEP的计算公式为

NEP=NPP-RH

(3)

式中，NEP为净生态系统生产力，当NEP>0时，研究对象为碳汇，反之则为碳源；NPP为植被净初级生产力，数据来自MOD17A3数据产品，空间分辨率为500 m；RH为土壤微生物呼吸量，可利用温度、降水与碳排放的回归方程计算[12-13]。为避免植被生产力年际波动对结果造成不确定性，RH计算结果采用2001年～2015年多年平均结果，即

RH=0.22×(e0.091 3×T+ln(0.314 5×P+1))×30×0.465

(4)

式中，T为温度；P为降水，数据来自资源环境科学与数据中心(https:∥www.resdc.cn/)，时间为2001年～2015年，空间分辨率为1 km。

1.2.4 水库碳排放量

水库碳排放量计算选择排放因子法。该方法以水电站地理位置和水库蓄水时长、面积为基础，以单位面积排放因子评估不同气候区水电站水库年碳排放量。因梯级水电站主要分布于自高原向干热河谷过渡地区，因此选择暖温带湿润气候类型，对应的二氧化碳年排放因子均值为1.46 t/hm2，折算碳年排放量为39.82 t/km2。

1.2.5 水力发电碳汇量

水力发电碳汇量的计算是在各规划水电站设计发电量的基础上，参考单位发电量标准煤消耗量和二氧化碳排放系数进行估算。其中，单位发电量标准煤消耗量(供电煤耗)取《中国能源大数据报告(2019)》中公布的标准值3.08万t/(亿kW·h)，标准煤的二氧化碳排放系数取国家发展改革委公布的标准值每吨标煤2.5 t，折算碳排放量为每吨标煤0.68 t。

2 研究结果

2.1 金沙江上游流域植被碳储量与碳汇能力

2.1.1 自然植被碳储量

基于2015年土地利用现状遥感监测数据结果，金沙江上游流域分布呈明显梯级差异。根据遥感监测的土地利用分类标准，全流域可分为22种不同土地利用类型，其中上游主要以草地为主，中游呈林草交错分布格局，下游则主要以林地为主。除林地和草地外，裸露石质地、戈壁等低植被覆盖斑块也有较多分布，但主要分布于流域上游。为与自然植被碳密度的分类标准相对应，本研究根据遥感监测数据说明对土地利用进行转换和再分类，各类型转换关系、面积占比和单位面积碳密度转换系数如表2所示。

表2 研究区域植被类型分类与碳密度转化结果

陆地生态系统植被碳储量计算结果显示，在低转化率(转换率为45%)情境下，金沙江上游植被碳密度平均为0.827×103g/m2，在高转化率(转换率为50%)情境下，植被碳密度平均为0.923×103g/m2。根据规划水电站选址位置情况，沿河段提取了上下游25 km2内像元信息，计算各水电站植被覆盖情况，并按照主要植被类型覆盖比例和规划水库面积完成水库淹没区损失的陆地植被生态系统碳库。研究结果表明，根据规划13级水电站位置和水库面积，在低转换率情境下，水库区域原有植被碳密度约为1.73×103g/m2，植被碳储量约为45.25万t；高转换率情境下，原有植被碳密度约为1.92×103g/m2，植被碳储量约为50.43万t。在规划的13级水电站中，流域中游水电站周边地区碳密度相对较高，果通水电站、拉哇水电站周边地区碳密度最高，两个转换情境下碳密度都超过3×103g/m2；流域下游水电站周边碳密度相对较低，旭龙水电站、昌波水电站和苏洼龙水电站在两个转换情境下周边地区碳密度均低于1×103g/m2。综合规划面积和碳密度两个因素，岗托水电站可能造成的植被碳库损失最多，高、低转换情境下碳库损失分别为14.14万t和15.72万t，昌波水电站自然植被碳库损失最小，两种转换情境下损失仅为0.25万t和0.28万t。

表3 规划水电站水库区域自然植被碳密度与储量

2.1.2 碳汇能力

为计算各水电站规划水库建设对周边地区碳汇能力的直接影响，整理了2001年～2015年金沙江上游逐年净初级生产力、降水和温度空间分布数据，并计算了土壤异养呼吸碳释放量，结果如图3所示。由图3可知，金上流域多年平均净初生产力为189 g/(m2·a)，净初生产力高的地区主要集中于中下游地区，中游以上大部分地区净初生产力小于200 g/(m2·a)；多年平均土壤异养呼吸造成的碳流失量约19 g/(m2·a)，流域中下游河谷地区土壤异养呼吸碳流失量高于其他地区。

基于以上研究结果，计算了2001年～2015年逐年流域生态系统生产力空间分布情况，如图4所示。由图4可知，金沙江上游生态系统多年平均碳汇量为170 g/m2，年碳汇总量约为4 525万t，碳汇能力较强的地区主要集中于流域中下游和河谷地区。同样根据规划水电站大概位置，沿河段提取并计算上下游25 km2碳汇量均值，并按照水库面积折算为生态系统碳汇能力潜在损失，结果如图5所示。由图5可知，规划建设13级水电站后，水库淹没区域每年约减少碳汇能力7.71万t，中游岩比水电站至叶巴滩水电站周边地区碳汇能力较强，其中，波罗水电站区域单位面积碳汇能力超过430 g/(m2·a)，昌波水电站、旭龙水电站区域碳汇能力最低，低于200 g/(m2·a)；从水电水库规模的影响情况分析，岗托水电站因其规划水库面积和单位面积碳汇能力可能导致2.21万t/a的碳汇损失，昌波水电站导致的碳汇损失最低，仅为500 t/a。

图3 金沙江上游多年平均净初生产力和空间分布(单位：103g/(m2·a))

图4 金沙江上游2001年～2015年多年平均碳汇能力(单位：103 g/(m2·a))

图5 规划水电站水库区域自然生态系统碳汇能力

2.2 水库碳排放量估算

基于排放因子法，本研究估算了规划13个梯级水电站水库年碳排放量，结果如表4所示。由表4可知，13个梯级水电站在正常蓄水条件下，总蓄水面积可达239.66 km2，总碳排放量约为0.954万t，水库面积最大的岗托水电站年排放量可达0.263万t，昌波水电站、果通水电站年排放量不足0.02万t。

表4 规划水电站水库碳排放估算结果

2.3 水力发电碳汇量估算

基于各水电站装机规模和年均发电量预测，本研究测算了规划13个梯级水电站的碳汇量，结果如图6所示。由图6可知，金沙江上游13个梯级水电站建成运行后，每年发电量可达1 304.36亿kW·h，可替代标煤消耗量4 017.44万t，折算减少碳排放2 731万t；旭龙水电站、叶巴滩水电站碳汇量最高，每年碳汇量分别可达440.33万t和421.98 万t；果通水电站碳汇量最低，仅为25.69万t。

图6 规划水电站水力发电折算碳汇能力

2.4 水电开发碳汇直接效应评估

利用式(1)汇总了金沙江上游规划的13级水电开发碳汇直接效应，为评估不同水电站建设对区域碳汇的影响，计算了各水电站碳排放效应系数，结果如表5所示。

表5 规划水电站水库区域碳汇总量与碳排放效应比较

规划的水电梯级开发因水库蓄水淹没地表植被，可能造成45.25万～50.23万t生物量碳的快速流失，每年损失7.71万t的地表生态系统碳汇量；水库正常蓄水后，每年碳排放量约为0.954万t；所有水电站全部蓄水发电后，每年可替代标煤消耗4 017.44万t，折合减少碳排放2 731.86万t。由表5可知：①金沙江上游梯级水电站碳汇直接效应约为2 672.76万～2 677.86万t；②叶巴滩水电站、旭龙水电站碳汇直接效应最高，超过400万t，而果通水电站碳汇效果最小，约为24万t；③昌波水电站碳排放效应系数最低，每亿千瓦时的发电量仅增加3～4 t碳排放，旭龙水电站、巴塘水电站、奔子栏水电站和苏洼龙水电站的碳排放效应系数也相对较低，每亿千瓦时发电量造成的碳排放效应都低于21 t，岗托水电站的系数最高，每亿千瓦时发电量可能造成158 t的碳排放效应。

3 讨论分析

金沙江上游13级水电开发可直接产生碳汇效应约为2 672.76万～2 677.86万t。各梯级水电站正常蓄水后，可能造成原地表14.14万～15.72万t植被碳库的损失，同时每年减少了7.71万t碳汇能力，水库每年碳排放近1万t，因此，共计产生约23万t的碳排放效应。但水电梯级开发后，每年可替代传统化石能源消耗4 017.44万t标煤，折合每年减少碳排放2 731.86万t。

基于规划水电站地理位置、水库面积、设计发电量等基本信息，可完成水库对自然生态系统碳库和碳汇能力影响的定量评估。在本研究中，基于高时空分辨率土地利用类型、气候和植被净初生产力信息，完成水库淹没区自然植被碳库和多年连续碳汇能力的评估，全流域的系统评估可为水电站选址合理性以及建设方案优化提供科学建议。本研究引入“碳排放效应系数”这一指标，以探索规划水电站基本指标与其造成的碳排放之间的比例。通过分析系数的计算逻辑可知，小规模的水库面积、低水平的植被生产力以及高发电量，是降低碳排放效应的关键。因此，较深的蓄水水位和较小的蓄水面积，以及选择适宜的地理位置，可以减小水电站建设的碳源效应。水库面积最小的昌波水电站因其预期年发电量达92.86亿kW·h，其碳排放效应系数也低于其他水电站。碳排放系数的估算探索了规划阶段对水电梯级开发的碳排放效应的定量预测，从“碳达峰与碳中和”的角度提高了对规划水电站选址以及规模设计的指导支持。

本研究中很大的不确定性来自于水库淹没导致的生态系统碳汇能力以及植被碳库估算。由于没有各水电站的准确勘界定标信息，无法确定水库淹没范围，因此，只能根据面积和水电站选址一定范围内的碳汇和碳库密度进行概算，可能造成估算结果的偏差。水库的碳排放过程和效应也是近些年学者关注的焦点，由于水电站的运行时间较长，因此，利用原位观测技术结合水文模型等开展水库碳排放规律研究，可为水电站减排管理提供更为准确的依据[6]。

4 结 语

作为水电建设的重要决策支撑，项目规划环评对水、气、声、渣和生态环境进行了科学严谨的评价，以尽量减少水电工程对自然生态环境的影响[14]，但在“碳达峰与碳中和”目标实现战略背景下，依托规划环评手段开展开发项目对生态系统的碳汇影响是极为有意义的。目前，国内外对水电温室气体排放与碳足迹[8]的研究已有很多，但大多集中于已建水电站的效应评价[6，15]，相关技术成果对规划阶段的水电建设指导意义有限，尤其对水电站规模、坝体高度与水库面积、选址等没有缺乏支撑。本研究基于高时空分辨率空间数据，从流域角度出发、以水电站为评价对象，对各水电站进行了碳汇效应评估，相关研究成果可从“碳达峰与碳中和”的角度为规划阶段的水电开发提供了建议。