水库水气界面二氧化碳通量估算模型研究

Due to the large differences exist between the time and space on the greenhouse gas emissions at reservoirs air-water interface and the difficulty in estimating the river greenhouse gas emissions before the dam is constructed, it’s difficult to confirm reasonable evaluation contribution of the reservoir to global climate change. The net greenhouse gas emissions calculation and utilities is also difficult to achieve. Focus on this question, the Three Gorges Reservoir and its typical tributary—Xiangxi Bay are intended to be taken as subjects in the research, and a mathematical model which can describe the vertical transport and transform of carbon dioxide will be built based on the theory. Then, taking advantage of the field monitoring data and the laboratory test to verify the rationality of the theoretical model, establishing contact between carbon dioxide production and emission. Furthermore, studying the vertical distribution spatiotemporal characteristics and its influencing factors, analyzing the influences on the carbon dioxide flux at air-water interface which were caused by the phytoplankton in the surface and its spacial and temporal efficiency. And then, by researching the response relationship between vertical migration velocity of carbon dioxide in the water and the hydrodynamic characteristics, checking with the field monitoring data, a estimation model about the carbon dioxide flux at the reservoir air water interface can be constructed finally. Then, analyzing its applicability for different spacial and temporal, providing technical support and scientific basis for estimate the carbon dioxide flux at the large reservoir air water interface accurately.

水库水气界面温室气体通量在时间和空间上存在较大的差异性，且建坝前河流温室气体排放量难以估算，因此合理评价水电对全球气候变化贡献存在较大难度。针对该问题，本项目拟以三峡水库及其典型支流香溪河库湾为研究对象，基于理论建立描述二氧化碳在水体中垂向输移转化过程的数学模型，利用现场监测和室内试验数据验证理论模型的合理性，建立水体中二氧化碳产生和排放间的理论联系；根据监测数据研究库区水体二氧化碳分压的垂向分布时空特征及其影响因素，分析表层浮游植物对水气界面二氧化碳通量的影响及其时空尺度效应，通过试验研究二氧化碳在水体中垂向迁移速度与水动力特性间的响应关系，利用现场监测数据校验，最后构建出水库水气界面二氧化碳通量估算模型，分析其在不同时空尺度上的适用性，为大型水库水气界面二氧化碳通量的准确估算提供支撑和依据。

水电能源开发建设是国家能源发展的重要战略，是推动我国能源消费结构转变、促进我国温室气体减排的关键途径。但水库水气界面温室气体通量在时间和空间上存在较大的差异性，在国际国内对大型水库温室气体水气界面通量问题存在较大争议。因此，本项目首先对水气界面二氧化碳通量影响因素分析，然后基于理论建立描述二氧化碳在水体中垂向输移转化过程的数学模型，通过试验研究二氧化碳在水体中垂向迁移速度与水动力特性间的响应关系，利用现场监测数据校验，最后利用水库水气界面二氧化碳通量估算模型，分析了其在大时空尺度上的适用性。研究表明，水温、风速，水体流速是二氧化碳水气界面通量的主要影响因素，水动力特性对水库水气界面温室气体排放关切密切，三峡水库长江干流水气界面二氧化碳通量主要受沉积物中的碳含量及温度影响。采用垂向输移模型建立水气界面温室气体通量的估算方法可行，在通量估算模型加入对流项，即可建立温室产生、迁移、排放间的联系，也可可解决TBL通量估算模型估算值偏低问题。二氧化碳在水体中的垂向迁移速度与水体流速间密切相关，可用Boltzmann公式表达；三峡水库在蓄水后水气界面二氧化碳通量明显降低，由蓄水前的456.85mg m-2 h-1降为蓄水后的175.78mg m-2 h-1。与世界范围内的其它水库相比，三峡干流水气界面二氧化碳通量水平在蓄水前的处于较高位置，蓄水后的居于中游。研究可为水库的温室气体源汇特性的合理分析，大型水电工程对全球气候变化贡献的客观评价，及我国绿色水电建设及能源发展战略制定提供支撑和依据。