关于水电温室气体排放若干问题的讨论

1关于水电温室气体排放若干问题的讨论王雨春，李海英，廖文根（国家水电可持续发展研究中心，北京100038）一、关于水电温室气体排放问题的由来1、水电清洁能源的认识水电生产只需要利用水的势能转化，而不需要消耗任何化石燃料，因此，水电被广泛认同为不产生温室气体（二氧化碳CO2和甲烷CH4）排放的清洁能源，水电作为目前可以替代化石能源（煤炭、石油）的成熟技术，在世界各国的能源发展中受到广泛重视，在人类应对气候变化的挑战中具有不可替代的重要作用。美国能源部是将水电与地热、氢能、太阳能、风能等共同列为重点发展的清洁可再生能源，作为美国目前最为主要的再生能源，水电提供了80,000兆瓦的发电量（）。美国环保局（EPA）关于水电对大气环境影响评价认为：由于水电不需要燃烧能源，水电站的温室气体排放可以忽略不计。瑞士联邦权威的环境研究机构瑞士联邦环境科学与技术研究所（EAWAG）开展的绿色水电核算研究成果表明，欧洲阿尔卑斯山地区水电站可以不考虑温室气体排放的影响。加拿大的供给的总电力资源中，水电占了62%的份额。根据加拿大水力发电协会（CandianHydropowerAssociation)与国际水电协会（InternationalHydropowerAssociation)、国际电力组织（InternationalEnergyAgency)共同撰写《水力发电与全球能源未来》报告，“水力发电提供了主要的清洁和再生能源，并将在未来全球多样化能源构成中扮演关键性角色”。加拿大水力发电协会执行主席皮耶尔.佛丁(PierreFortin)说：“要减少温室气体2排放又要能满足不断增长的能源需求的一个好办法，就是加强发展水力发电这种清洁、再生能源。”国际水电协会（InternationalHydropowerAssociation)通过《GreenhouseGasEmissionsfromReservoirs》表达了这样的观点：水电是有利于缓解气候变化的能源，原因是水能发电不仅不燃烧化石燃料，同时水库中的浮游植物的光合作用可以同化吸收大量的二氧化碳。也就是说，水电站不仅没有温室气体释放，而且由于水库光合作用的加强吸收大气中的二氧化碳，DeanandGorham（1998）根据全世界水库有机质沉积速率计算得出，水库每年的有机碳滞留大致吸收了2.5%的人为二氧化碳释放总量。迄今我国电力能源生产依然依赖煤炭等化石燃料，煤炭年产量的50%以上用于发电，煤电占全国电力的74%左右。大量燃烧煤炭显然造成了不可避免的环境污染问题，我国二氧化碳排放量世界排名第二、氮氧化物和二氧化硫世界排名第一，我们将面临严峻的减排任务和国际履约要求。加大水电开发利用将是我国能源发展战略的重要方向，将有利于我国温室气体减排目标实现。2、水电温室气体排放早期研究水电（水库）温室气体排放的相关研究，开始于上世纪90年代，最初是作为淡水生态系统碳循环的科学问题受到注意。主要工作集中在北半球寒带地区（如加拿大、芬兰等）和南美热带地区的水库系统。事实上，目前可以见到的水库具有较高温室气体排放水平的数据报道，也主要集中在上述两个地区。上述地区的共同特征是水库建成后将淹没较多有机物质（也就是具有较丰富的温室气体物质来源），前者水库淹没富含有机质的冻原沼泽，而后者淹没了大量热带森林。Rudd及同事1993年的工作，提出了最早的研究报道。3Duchemin等（1995）在加拿大魁北克北部地区水电站开展了为期两年的研究工作，监测结果表明甲烷的释放量大约为5~10mgm-2d-1，二氧化碳释放量为500~1000mgm-2d-1。Kelly等（1994，1997，2005）也报道加拿大北温带地区水库温室气体排放情况的研究数据。Hoffert等（1998）以及Victor（1998）也开展实际监测并取得类似结论。Deller和Stallard（1994）在巴拿马开展了热带雨林水电站（水库）温室气体释放的监测和研究。以巴西生物学家Fearnside（2000，2004）为代表的科学家认为，亚马逊热带雨林区的水电站是大气温室气体释放的重要来源。Fearnside（2000）通过水电站的能源密度和释放二氧化碳的当量数的理论计算，认为亚马逊流域的Tucuruí水电站1991年的二氧化碳排放当量约为7.0-10.1×106吨，高于巴西圣保罗市同年所使用化石燃料的二氧化碳排放量。Galy-Lacaux及同事（1997，1999）对法属圭亚那热带雨林水电站开展了长期监测。Matvienko等（2000）、TavaresdeLima等（2000）在巴西，开展了热带雨林水电站（水库）温室气体释放的监测和研究。3、目前国际上关于水电温室气体排放问题的争论进入本世纪以来，由于国际河流网络（IRN）、世界大坝委员会（WCD）等具有反坝色彩的极端环保非政府组织的片面宣传，使得水电温室气体问题成为“争论的热点”。对于此问题，政府能源部门、水电企业、NGO组织、科学家的观点分歧严重，同时还受到数据来源有限、研究方法缺乏可比性、环境变量复杂和不确定等因素的限制，目前对水电温室气体排放的争论至今未能形成统一的认识。近期，UNESCO和IHA正发起一项全球淡水水库温室气体监测计划，通过获取更大范围的系列数据，建立综合评价的模型工具，全面评价水电4温室气体问题。2000~2003年，IRN、WCD等NGO组织，片面地将来自南美和加拿大有限地区的研究数据进行不适宜地全球性外推，并通过网络发布了《DamsandDevelopment》、《DamReservoirsandGreenhouseGases，ReportontheWorkshopheldonFebruary》、《FizzyScience:LooseningtheHydroIndustry’sGriponReservoirGreenhouseGasEmissionsResearch》和《FloodingtheLand,WarmingtheEarth》等一系列材料，极力夸大和宣扬水库温室气体排放问题，企图从根本上否定水电的绿色能源属性。图1NGO关于水库温室气体释放的出版物52003年，加拿大魁北克水电（Hydro-Québec）支持了一项长期研究计划，通过对三个试验区中水电站、自然湖泊、河流、湿地开展为期三年的系统观测，得出的基本结论认为：北温带水库温室气体释放的影响十分有限，除蓄水的初期几年有较高的温室气体释放外，水电站在以后的运行期间的温室气体产出率与区域的天然湖泊、湿地和河流相当或略低。热带水库甲烷问题成为争论焦点，2006年出版的《nature》上刊登评论文章，提出“甲烷取消了水电的绿色能源资格”（MethanequashesgreencredentialsofManitobaandOntarioQuébecBritishColumbiaManitobaandOntarioQuébecBritishColumbia加拿大地区水库甲烷释放通量加拿大地区水库二氧化碳释放通量加拿大地区水库甲烷释放通量加拿大地区水库二氧化碳释放通量图2加拿大魁北克水电（Hydro-Québec）开展的长期监测工作上图：为横跨加拿大的研究区域（红圈表示重点研究区域）下图：显示水库运行十年左右，随淹没有机质分解殆尽，水库温室气体释放水平回复到自然水体水平，水库温室气体问题只产生短期影响6hydropower），甲烷成为需要重点考虑的水库温室气体。2007年，联合国教科文组织（UNESCO）和国际水电协会（IHA）发起全球淡水水库研究计划，通过建立统一监测方法，获取可以对比的数据，全面评价全球水库温室气体问题。中国三峡集团公司作为IHA理事单位，参加了IHA的水电温室气体监测计划，参与了方法学、试点监测的相关国际合作交流。图3Nature上发表的相关文章7二、关于水电温室气体排放的基本理论水库温室气体（二氧化碳、甲烷等）的产生和排放本质上是水库生态系统碳转化和循环的结果，水库中有机质的分解是产生温室气体的主要来源。下图为水库系统水库产生温室气体产生和迁移概念框架，水库温室气体的主要碳源包括：水库淹没的残留有机质、流域输入外源有机质、水库系统自生形成的内源有机质）。水库温室气体的排放途径：通过水-气界面扩散作用和发电机组下泄水（尾水）去气途径释放到大气。库区淹没土壤、树木等中的有机质腐败分解产生温室气体（CO2和CH4），温室气体通过扩散作用释放到大气环境。这是目前主要开展研究和进行讨论的温室气体产生机制。北半球温带的高苔原湿地和森林以及热带雨林地区森林具有很高的生物量，水库淹没后这些有机质腐败分解产生温室气体释放。其CH4CO2CH4CO2光合作用扩散CO2扩散CH4去气CH4去气CO2CH4CO2CO2SOM沉积作用R/P径流输入DOC/DICCO2CO2CH4气泡CH4下泄水输出DOC/DICCH4CO2CH4CO2光合作用扩散CO2扩散CH4去气CH4去气CO2CH4CO2CO2SOM沉积作用R/P径流输入DOC/DICCO2CO2CH4气泡CH4下泄水输出DOC/DIC图4水库温室气体产生和迁移的概念图8基本生物化学反应如下：C6H12O6+H2O细菌2CH3COOH+2CO2+4H2CH3COOH甲烷菌、厌氧CH4+CO2CO2+4H2甲烷菌、厌氧CH4+2H2O水库通常是河流流域中物质的汇，通过地表径流搬运的各种动植物残体、土壤有机质、有机污染物都可能累积到水库中。从流域中输入的有机质碳源可能在水库中发生分解，形成二氧化碳和甲烷释放，成为大气温室气体的潜在来源。藻类等水生植物的光合作用，使水库可能成为吸收大气二氧化碳的汇。水生植物死亡后也会沉入水库，一部分有机质可能被保留在沉积物中，一部分被分解，在有氧条件下形成二氧化碳，在缺氧条件下形成甲烷。随着水库生产力水平的提高（营养程度），水库与大气之间可能形成较大的二氧化碳、甲烷交换通量，水体—大气之间物质交换的质量平衡关系决定了水库的温室气体释放。水库温室气体排放途径：通过水-气界面的扩散过程和发电机组下泄水（尾水）的去气过程释放到大气。其中，水库的下泄水曝气过程，由于气体分压条件的改变，溶解在底层泄水中的甲烷、二氧化碳等直接释放到大气。最新的研究表明，由于水库多采用底层泄水的方式，尾水去气过程可能是水库温室气体排放的重要关注点。9三、关于三峡水库温室气体排放报道的分析2009年9月19日，美国《地球物理研究》发表了重庆大学陈槐文章“MethaneemissionsfromnewlycreatedmarshesinthedrawdownareaoftheThreeGorgesReservoir”。2009年9月29日，JaneQiu以上文结论为基础，在《NatureNEWS》上发表评论文章“Chinesedammaybeamethanemenace”。对三峡水库温室气体问题进行了严重偏离事实的、夸大其词的报道，对三峡工程生态环境建设造成了恶劣影响。针对本文，组织开展现场调查和理论分析，在此基础上从以下三个方面分析了“MethaneemissionsfromnewlycreatedmarshesinthedrawdownareaoftheThreeGorgesReservoir”存在的问题。本论文研究样点选择不具代表性（真实性）发表在美国《地球物理研究》的文章“methaneemissionsfromnewlycreatedmarshesinthedrawdownareaoftheThreeGorgesReservoir”中的样点选择存在严重问题。从论文可知，作者是在2008年7-9月开展监测的，但是在此之前，三峡水库水面从未达到过可以淹没研究区的水位（2008年9月前三峡水库最高蓄水水位为156米），因此文章中所谓开展监测的“消落带水位波动形成的新生湿地”事实上并未真实存在，文章依据虚拟水库消落带新生湿地获得数据的简单推论，其谬误不言而喻。本论文