书城工业技术淡水水库温室气体状态的评价与测量方法
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第18章 方法和设备(2)

水库沉积物产生的气体溶解于间隙水中。不易溶气体(如CH4)会变成气泡,该气泡一直变大直至达到释放状态,并转移至水面。在较深的深度,气泡接触空气前溶入水中。同样,具有高氧浓度的浅水域可以作为一个CH4水槽,因为其中的细菌可将CH4氧化为CO2。

气泡通量主要出现于水库的浅水部分,此处的静水压力不足以在间隙水中溶解CH4。因为沸腾的不连续性,需要延长收集时间。在泥炭地蓄水的地区,这个过程是重要的。在许多泥碳地,沸腾是CH4排放的重要途径(Christensen等人,2003年)。在带有OM的温水和浅水中沸腾很重要,对于10米深的水体而言(或者,根据保守原则,深度达20至30m)。这意味着水库深度测量必须考虑外插测量法,因为只有浅水区需要被考虑。

在水库消落区,在有机沉积物由于与波浪作用有关的水位波动被完全侵蚀的情况下,由于无OM,没有鼓泡产生。

用于风浪作用下气泡排放的气泡收集器价格低廉且便于操作。适合所有季节内使用。动态浮动箱也用来测量气泡排放(Ramos等人,2006年),(Ostrovsky,2003年,McGinnis等人,2006年,Ostrovsky等人,2008年)。

测量气泡最常用的方法是使用和连接已注满水的气体收集器,通过倒置漏斗收集上升的气泡。

使用一组漏斗收集器(如:铝框架合成板的锥体,直径为70cm,结合气体收集瓶)收集样品。如果环境中有少量气泡,则需安装大型泡沫收集器,进行较长时间的收集,以便尽可能多地收集气泡。

在大多数情况中,将漏斗设置于较浅区域最深处的横断面处(图6)。通过水库大小、水深测量以及土壤和沉积物的构成成分确定空间分辨率。

图6:设置在裸露树干附近的一套漏斗

将漏斗沉入水中,抽出所有的空气,以避免受到大气的污染。然后将装满水的收集瓶与漏斗连结。

通过参数(如淹没植被的密度、水库开始蓄水的时间、深度、半淹没的植被和水库的地理区域)设计采样点的漏斗。

收集期最少为24小时,也可延长几天、几周或整个季节。

可以在水体的中间取样并记录收集器容量。密封收集瓶(为随后的实验室分析收集静水)。

V.1.2.3.下游排放

在水库出口(涡轮机、溢洪道、低水位出口处)观察下游排放。这些排放物包括排气和扩散通量,在河流下游其影响范围从几十米至50m。研究表明,接近排水口的排放占有重要比例,且随距离的增加而逐渐减少。水库诱发甲烷产生的影响在下游40km(PetitSaut)和30km(Balbina)处被识别出来。

图9显示下游温室气体排放模式示意图和建议的测量点。

Measurement(safedistance)测量(安全距离)

Spillway溢流道

Outlet出口

Upto50mdownstream到达下游50米处

Measurement测量

Degassing排气

Upto50kmdownstream到达下游50公里处

oxidisation氧化还原反应

Measurement测量

Diffusivefluxesdownstream扩散通量下游

V.1.2.3.1.排气

排气定义是从低位排水口发生的排放,包括涡轮尾水(产生于突然的压力变化)。排气受大坝设计影响,对排放量的影响很大。

根据水库水体中气体过饱和度和其平衡浓度估算通过泄水道和涡轮机的排气量。(IPCCGPGLULUCF2003年)

大坝下游排气量由水电站上下游气体浓度差值乘以出口排放量估算得到,如有可能,气体浓度应在端口通往出口的管道内取样。CH4和CO2浓度的表面和垂直剖面可通过相色谱分析的顶空法确定。

为了准确测定排气量,在涡轮机中或在电站厂房入口处直接抽取代表进入涡轮机水的水样。如条件不允许,按照从水库中垂直剖面浓度计算出的平均温室气体浓度估算排气量。必须根据溢流道排出的水确定溢出的水浓度。大坝排出水的浓度即进入溢流道和每个涡轮机的水的平均浓度。须在大坝下游湍流区抽取下游水样。

V.1.2.3.2.下游扩散通量

除下游CO2和CH4排气之外,溶解颗粒有机碳和溶解CO2和CH4通过大坝排放输送至下游。此输出可通过排水率的产物和溶解气体的浓度、DOC和OM的浓度计算。然而,对于此计算,需要考虑二氧化碳和甲烷释放的排气、河流的呼吸作用产生的二氧化碳和水库中产生的有机物质和甲烷到二氧化碳的氧化。必须正确量化这条通道的大气排放和大坝OM下游输出。

由于水流流速较大,测量这些通量存在困难和危险性。在计划测量活动时,必须考虑安全情况。在大多数情况中,测量下游扩散通量的最有效的方法即按照计算水中气体浓度的公式,在大坝上下的适宜深度处测量下游扩散通量。

考虑下游段流域(支流、地表径流)通量同样重要。

建议

在排水口的排出点(溢流道、涡轮机和低位排水口)进行测量。

如有可能(尽可能在通风口附近),结合大坝下游浓度测量,在管道进行测量。

必须计算溢流道的排放量。

必须在大坝下或电站厂房出口的河流处测量扩散通量和碳运输。湍急水流可能对所使用的漂浮箱造成破坏。可采用浓度测量代替漂浮箱,如第II.3节所述。

简单又保守的方法是在溢流道入口处的测定温室气体浓度或在管道处和下游适当距离处估算可溶解有机物质的含量。在该方法中,测量值的差就是下游排放量。

V.1.2.4.CO2、CH4和N2O浓度

对于CO2、CH4和N2O浓度,可用定制的取样器抽取地表水作为样品,该取样器可限制气体交换量,正如Abril等人(2007年)的设计。该取样器是一个聚乙烯瓶,瓶底已拆卸。在瓶盖处留一个孔,以便与聚乙烯管连接。取样器在水面下轻轻淹没并保留几秒钟,开口部分面向水流方向。取出抽样器,水通过聚乙烯管流至玻璃瓶。至少会有三瓶容量的无气泡水,在无气泡的状态下快速盖上瓶盖(丁基橡胶塞)。将没有接触过空气的水存于瓶中,去除气泡。在较深层的水库抽取水样时,蠕动泵管和定制取样器管的使用方法相同。需要强调的是,若使用蠕动泵从深处抽水,则会产生排气。因此,对于深水库,取样器需在采集深度处保持压力不变。

在实验室,通过塞子注射N2形成顶空,通过第二个针管排出相同体积的水的同时将瓶子倒置。为了确定气体及水的容量,所有瓶子在空瓶的时候需要称重,在形成顶空前后也需称重。通过剧烈摇晃平衡水和顶空之间的CH4和N2O之后,在环境温度(25°C)中放置一个多小时,测定顶空浓度(每一深度两个),通过使用配备火焰离子化检测器的气相色谱仪(GC-FID)测定CH4含量,使用热导检测器(GC-TCD)测定CO2含量。对水中气体浓度的测定,在顶空Weiss(1974年)利用其计算CO2,Yamamoto等人(1976年)计算CH4,Wanninkhof(1992年)计算N2O。对于CO2,Hope等人(1995年)认为此方法对酸性、离子强度低、有机物丰富的水域(如PSR、巴尔比纳和塞缪尔水库)最为合适的。

因为水体中溶解气体储存的气体释放是温室气体排放途径之一(Bastviken等人,2004年),留有储存轨道是非常重要的。储存量大小会受到分层水库上升流的影响(Effler等人,2004年)。高风速也会使水体排气。由于在高风速中不能使用漂浮箱,可能温室气体排放的范围内,过低估算扩散通量。因此,在刮风的情况下,对水库中气体浓度剖面的定期测量对于控制扩散排放测量非常重要。

V.2.沉积物中碳质量流量和碳储存

测量对象

碳可以是微粒或溶解的形式,部分可溶性碳主要形式是碳酸氢盐离子。溶解性有机成分包括腐殖酸和富里酸,还有其他形式,如尿素和糖类,(Matvienko,200-)。需测量的参数有:总有机碳(TOC),溶解有机碳(DOC),溶解无机碳(DIC)和颗粒有机碳(POC)。以估算沉积物中的碳损失量。

测量方法

在美国环保局USEPA(1997年、2001年)、APHA(1998年)、Matvienko(2000年)及其他来源文献中阐述了测量和分析TOC、DIC、DOC和POC的详细方法。

采用红外线光谱微量分析方法估算总有机碳(TOC),溶解有机碳(DOC)和溶解无机碳(DIC)含量。

通过使用POC分析仪量化颗粒有机碳(POC),该分析仪量化燃烧样品,确定CO2含量。在进行此程序之前,必须用酸处理无机碳。

水库沉积物中储存的OM含量一直很难测定,至今仍无有效方法测定其含量,而水库沉积物中储存的OM对于自然浑浊的水域系统和有高藻类生物量的富营养化系统非常重要。

水库沉积物为水库蓄水后沉渣混合物和蓄水前的土壤。水库沉积物通常具有大量斑块性和空间异质性,死树和死树干的存在会增加尺度(公制)的异质性,通常也会限制传统箱式取样器的使用。单体柱状沉积物不能代表一个较大表面积的整个水库。而且,由于土芯不具有代表性,因此不能采用传统方法量化沉积速率。

理论上来说,首选间接计算水库中有机碳沉淀和储存量。然而,研究中积累的数据显示可通过使用沉淀物捕集器进行永久碳(C)沉淀量的估算。来自巴西和芬兰的数据显示每日新碳沉淀量中的89%循环至水柱成为CO2、CH4和不稳定的DOC。在热带水库,沉积物是酸性的,二氧化硅可用来作为永久碳沉淀示踪物。根据现场测量的结果,热带水库燃烧碳量是其以CH4形式排放碳量的9.3倍。相反,该热带水库永久碳沉降率是热带土壤中碳含量的2.68亿倍(Sikar等人,2009年)。

V.3.水质和物理参数

需测量的主要参数有:

气温

水温

土壤温度

水的pH值

水中溶氧量

水深

风速

风向

年平均降雨量(mm)

驻留时间(天)

当前河流和溪流的流速

OM浓度

氮浓度

磷浓度

铁浓度

传导率(mS/cm)

建议使用完善的水质量标准和规范:例如,ISO(ISO5667-1:2006、ISO5667-3:2003、ISO5667-4:1987、ISO5667-6:2005、ISO5667-12:1995、ISO5667-14:1998、ISO5667-16:1998、ISO5667-17:2008、ISO5667-20:2008)中的标准和规范,EPA-澳大利亚昆士兰州,ABNT9897(巴西)、USEPA、DEFRA-UK、CONAMA-Brazil以及其他国际、国家和地方标准。