應(yīng)用案例

Picarro G2301/G2201-i（三峽水庫(kù)溶解甲烷濃度和擴(kuò)散排放的時(shí)空變化）

發(fā)表時(shí)間：2024-04-17

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研究背景

河流和水庫(kù)等淡水水生系統(tǒng)的甲烷（CH₄）排放是全球甲烷預(yù)算的重要組成部分。然而，CH₄的排放估算在很大程度上受測(cè)量的空間和時(shí)間分辨率的影響。三峽水庫(kù)是世界上最大的水庫(kù)之一，目前還缺乏對(duì)三峽庫(kù)區(qū)CH₄排放的高分辨率圖譜估算研究，由此導(dǎo)致對(duì)其排放CH₄存在長(zhǎng)期的爭(zhēng)論。在本研究中，使用快速自動(dòng)水-氣平衡裝置測(cè)量了溶解CH₄濃度的空間分布和季節(jié)變化。

導(dǎo)言

作為內(nèi)陸水域的重要組成部分，水庫(kù)是全球重要的碳處理、運(yùn)輸和封存場(chǎng)所，也是甲烷（CH₄）和二氧化碳（CO₂）等大氣溫室氣體（GHG）的來(lái)源。水壩對(duì)河流連續(xù)體的破壞導(dǎo)致有機(jī)物在水庫(kù)中沉積，并將CH₄和CO₂釋放到大氣中。減少水庫(kù)CH₄排放估算的不確定性需要高分辨率現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，以更好地解決CH₄的時(shí)空動(dòng)態(tài)。同時(shí)，高分辨率測(cè)量有助于更好地理解水庫(kù)中溫室氣體的源和匯，以及它們對(duì)全球碳收支的重要性。

研究方法

2018-2020年，三峽大學(xué)肖尚斌教授研究團(tuán)隊(duì)在三峽庫(kù)區(qū)進(jìn)行了四次采樣調(diào)查，覆蓋長(zhǎng)度為645公里。游輪以20 km/h的速度沿北岸上游航行，水樣以250ml/min的速率通過(guò)蠕動(dòng)泵進(jìn)入快速自動(dòng)水-氣平衡裝置(FaRAGE)，再將平衡器所產(chǎn)生的CH₄氣體連接Picarro G2301/G2201-i進(jìn)行濃度測(cè)定，實(shí)現(xiàn)原位高分辨率空間調(diào)查。結(jié)合水環(huán)境變量、水文條件等因素探索三峽庫(kù)區(qū)溶解性CH₄濃度的空間分布和季節(jié)變化。

FaRAGE系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理圖

FaRAGE系統(tǒng)包含一個(gè)包含壓縮空氣罐、氣體流量控制器(MFC)、兩個(gè)蠕動(dòng)泵用于采集和排放水樣、監(jiān)測(cè)水流量的流量計(jì)、水氣混合單元、水氣分離裝置、氣體分析儀和一種用于測(cè)量平衡狀態(tài)下的水溫的溫度計(jì)。在MFC之后放置一個(gè)特氟龍膜過(guò)濾器，在氣體分析儀之前添加另一個(gè)特氟龍膜過(guò)濾器，以防止分析儀吸入液態(tài)水。使用干燥劑來(lái)干燥流向氣體分析儀的氣體，箭頭表示流動(dòng)方向。

三峽水庫(kù)和主要城市、支流和采樣點(diǎn)的地理位置（第一次行動(dòng)期間）。重慶和三峽大壩之間縣的人口和污水排放分別以淺紅和深灰色顯示。

研究結(jié)果

三峽庫(kù)區(qū)溶解性CH₄濃度的時(shí)空變異性較強(qiáng)，冬季的局部尺度效應(yīng)（濃度峰值）高于夏季。所有的采樣結(jié)果均顯示三峽水庫(kù)中的溶解性CH₄濃度處于飽和狀態(tài)，表明三峽水庫(kù)是大氣CH₄的重要來(lái)源。在空間上，溶解性CH₄的濃度主要受城市污水排放、顆粒物沉降和地形條件的影響；在時(shí)間上，CH₄濃度的變化主要是由水庫(kù)的季節(jié)性運(yùn)行和支流的匯入引起。降尺度模擬結(jié)果表明，夏季和冬季，至少分別需要38個(gè)站點(diǎn)和52-58個(gè)站點(diǎn)才能準(zhǔn)確估算整個(gè)三峽水庫(kù)的平均溶解CH₄濃度，而一個(gè)或幾個(gè)站點(diǎn)的結(jié)果不太可能代表整個(gè)水庫(kù)。

在（a）第一次、(b）第二次、(c）第三次和（d）第四次活動(dòng)期間，三峽庫(kù)區(qū)地表水中溶解CH₄濃度的空間分布。

在第一次、第二次、第三次和第四次活動(dòng)期間，三峽庫(kù)區(qū)地表水中溶解CH₄濃度的縱向變化。（a）中的圓圈代表每個(gè)采樣點(diǎn)在3分鐘測(cè)量周期內(nèi)的平均濃度。（b）中的正方形、（c）中的三角形和（d）中的菱形代表每5公里連續(xù)測(cè)量的平均濃度。

研究意義及評(píng)價(jià)

本研究表明高分辨率圖譜分析對(duì)于剖析溫室氣體濃度和排放的垂向變化以及減少三峽等大型水庫(kù)溫室氣體估算的不確定性至關(guān)重要。

傳統(tǒng)方法使用頂空平衡技術(shù)來(lái)分離水中的溶解氣體，通過(guò)氣相色譜儀或其他類似儀器檢測(cè)頂空氣相中待測(cè)氣體的濃度，并利用亨利定律計(jì)算水體中的溶解氣體濃度。這種方法存在十分繁瑣、耗時(shí)、成本高且存在人為操作，可能引起較大誤差的弊端。本文采用的快速水-氣平衡裝置突破了現(xiàn)有技術(shù)的短板，極大地提高了科研工作者的效率（數(shù)量級(jí)的提高）和檢測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定性，是目前在該領(lǐng)域比較推崇的測(cè)試方法。該文章進(jìn)行了2年野外的研究，季節(jié)跨度包含冬夏季節(jié)，涉及采樣及搬運(yùn)等活動(dòng)很多，因此這對(duì)走航儀器的穩(wěn)定性也提出了非常高的要求。

本文第一作者為劉佳博士

文章鏈接

https://doi.org/10.1016/j.watres.2021.117788

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審核：吳闖、陳曉峰