监测水电站大坝为碳排放研究开辟新视角

卡里巴水坝是世界上最大的人工水库，为赞比亚和津巴布韦的数百万人提供电力。最近对这座大坝进行的一项研究揭示了大坝对水库和下游温室气体排放有何影响。通过使用赛莱默的YSI EXO2多参数探测仪进行持续监测，研究人员对如何优化水电站以减少碳排放有了新的认识。

卡里巴水坝是一个令人叹为观止的工程。它位于赞比亚与津巴布韦交界处，横跨赞比西河，这是非洲最大的水道之一。大坝宽579米，高128米，厚24米，形成了长达223公里的卡里巴湖水库。

虽然水力发电被认为是一种“清洁”能源，但水电站水库在分解有机物时会产生温室气体排放。然而，排放量有多少以及排放量的波动情况尚未得到广泛研究。

苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)的研究团队，在Elisa Calamita和首席研究员Bernhard Wehrli的领导下，最近着手测量卡里巴水坝的温室气体排放量及其波动情况。

斯坦福大学（加州帕洛阿尔托）的科研人员Scott Winton表示：“人们已经普遍认识到，湖泊和水库会排放温室气体，水电站项目也会产生下游排放。全面了解季节性变化，准确估算这些排放量是一个相当大的挑战。”

科研人员Scott Winton博士

借助持续监测而不是离散采样的方法，研究团队发现卡里巴水坝这个水电站项目每年排放18,000至35,000吨碳（二氧化碳）。ETH Zurich的研究团队还绘制了二氧化碳排放量的季节性大幅波动甚至日波动图。如果研究团队仅使用离散采样，而非持续监测，他们的计算结果可能会将碳排放量高估30%，或低估90%。

二氧化碳排放量波动的原因是什么？

Winton解释说，当有机物沉入深水湖泊和水库的底部时，会分解并释放二氧化碳（在缺氧条件下还会释放甲烷）。当二氧化碳漂浮到湖面时，则会被释放到大气中。然而，许多二氧化碳仍然溶解在寒冷的深水层中。

这些溶解在水库和下游水道寒冷深水层中的二氧化碳是造成排放量波动的一个因素。当季节温度发生变化时，水库的分层水体会混合，并可能导致长时间溶解的二氧化碳出现大量、短暂的排放。此外，如果涡轮机从这些较深区域抽取水，那么这些水将含有更多的溶解二氧化碳。

需求变化也会导致波动。在卡里巴水坝，用户对电力的需求在上午和傍晚达到高峰。当从水库中抽取更多的水以满足需求时，碳排放量也会增加。

迫切需要精确测量排放量

大多数研究人员面临的挑战是，他们能进行的测量次数有限，而且必须根据测量结果来推断排放量。

Winton说：“如果依赖手动操作，就很容易错过这些波动，而在气体通量测量方面，我们目前只能手动操作。长期自动收集数据的重要意义在于，它可以帮助你捕捉季节性差异，甚至是与操作有关的日波动情况，我们在卡里巴湖就观察到了这一点。”

研究团队在《美国国家科学院院刊》上发表论文，警告说水电站设施的碳排放量估测值可能存在很大误差。这篇论文强调了对更精确的评估的迫切需求，因为全球有超过58,000座5米或更高的大坝，目前近3,700座水电站大坝正在建设或规划中。

使用YSI EXO2多参数探测仪收集每小时数据

据Winton介绍，识别和量化排放量波动的关键工具是团队使用的一套 YSI EXO2多参数探测仪。在将近一年的时间里，每个探测仪每小时都会测量温度、电导率、pH值和溶解氧。

YSI EXO2多参数探测仪

Winton表示：“如果不能持续获得信息，我们就无法完成这项研究。拥有一个能够长时间每小时自动测量的传感器，就可以回答很多以其他方式无法回答的问题。特别是涉及水力发电时，很多问题都会以非常高的频率发生，每小时都在发生。”

ETH Zurich的科学家们在赞比西河及其支流和卡里巴湖的17个地点测量了二氧化碳水平。他们还采集了水样，以便在瑞士的实验室中分析二氧化碳和甲烷含量。最后，他们使用 YSI手持式仪器来测量温度、溶解氧、电导率和pH值，以了解支流的影响，测量湖泊深处的情况，并对EXO2数据进行交叉验证。

防止水电站大坝出现碳泄漏

长期的原位水质监测可以成为防止未来水坝出现大量碳泄漏的重要工具。Winton指出，能够从水库的不同水层取水的取水系统可能是减少二氧化碳排放的一种有效策略。了解水库的温跃层，即浅层暖水和深层冷水之间的过渡层，是这一策略的关键部分。

他说：“如果你有一座新水坝，或者想改造一个现有的水坝，你可以做的一件事就是确定‘水从哪里来？’如果你有基础设施，可以跟踪深水层中的含氧量、浅水层中的含氧量以及温跃层的高度，并且还拥有取水系统，可以选择取水的深度，那么就可以避免很多这样的问题。”

Winton最大的收获是，多学科研究团队提出的重大问题可以带来新的发现。

Winton说：“我们基本上是带着一个广泛的问题去赞比亚的，即‘这个流域的水质状况如何，面临哪些威胁？水坝会对其产生什么影响？’”

这一答案对于了解成千上万座水坝背后的水库深处的状况，以及决策者如何更好地评估水力发电的影响，都具有重大意义。

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作者：Steve Werblow。照片由Scott Winton和ATEC-3D Ltd.提供。