岩溶地下水补给型水库热分层效应对水-气界面CO2排放的影响机制

Up to now, the position of reservoirs in regional carbon cycle (source or sink) is always uncertain, which it will be more complex due to the effect of thermal stratification. Many researches focused on carbon cycle in surface water-fed reservoir. However, little research discussed the impacts of thermal stratification on CO2 exchange across water-air interface in karst groundwater-fed reservoir. In this work, using combining methods of high resolution monitoring in field and laboratory experiments, a typical karst groundwater-fed reservoir (Dalongdong reservoir) is chosen to calculate CO2 exchange coefficient across water-air interface using artificial inert noble gas tracer technology (SF6) and to evaluating CO2 emission flux using floating chamber and thin boundary model method in thermal stratification duration and mixed layer duration. Combining with laboratory experiments, this project will reveals the impact processes of thermal stratification on CO2 emission across the water-air interface and expounds whether thermal stratification can inhibits CO2 emission across the water-air interface, so that CO2 source of karst water can stay longer in the reservoir. The anticipative results will contribute to understanding of the carbon cycle in karst reservoir and role of CO2 emissions from reservoirs in atmospheric greenhouse gases, to answer the query about karst carbon sink stability.

水库在区域碳循环中的角色（源或汇）一直存在较大争议，加之热分层效应的广泛存在使得这一问题更加复杂。针对地表水补给的各类型水库目前已有较多研究，而对于岩溶地下水补给的水库其热分层效应对水库CO2交换的影响机制研究则十分缺乏。本项目拟选择我国典型岩溶地下水补给型水库-大龙洞水库，运用高分辨率野外监测和模型分析相结合的方法，利用人工惰性气体（SF6）示踪技术，计算热分层期和混合期垂向CO2传输速率和水-气界面CO2交换系数；通过薄边界层模型法和静态箱法评价热分层期和混合期CO2交换通量；结合水-气界面CO2排放过程的室内模拟实验，揭示水库热分层模式对水-气界面CO2排放的影响机制，阐明水库热分层效应是否能够抑制水体CO2的排放，增加岩溶地下水来源CO2在水库中的滞留时间，有利于岩溶碳汇的稳定。通过项目开展将在岩溶碳汇稳定性，岩溶水库碳循环及其对大气温室气体贡献方面取得新认识。

水库在区域碳循环中的角色（源或汇）一直存在较大争议，加之热分层效应的广泛存在使得这一问题更加复杂。针对地表水补给的各类型水库目前已有较多研究，而对于岩溶地下水补给的水库其热分层效应对水库CO2交换的影响机制研究则十分缺乏。本项目选择我国典型岩溶地下水补给型水库-大龙洞水库，运用高分辨率野外监测和模型分析相结合的方法，利用人工惰性气体（SF6）示踪技术，计算热分层期和混合期垂向CO2传输速率和水-气界面CO2交换系数；通过薄边界层模型法和静态箱法评价热分层期和混合期CO2交换通量来揭示水库热分层模式对水-气界面CO2排放的影响机制。通过三年的研究获得了以下几方面新的认识：（1）大龙洞水库属于单次混合型岩溶水库，具有明显的热分层效应和热结构变化规律。这些热分层效应和热结构变化控制着岩溶水库的水化学变化和无机碳循环过程。（2）根据研究中新发现的科学现象和规律，对岩溶水库水-气界面气体交换系数有了新的科学认识，构建了大龙水库水-气界面气体交换系数新模型。发现大龙洞水库混合期CO2交换系数是分层期的3倍以上。利用成本低廉的加速度数据记录仪，研发的水体表面实时波动程度的设备可以对水面波动实现原位高分辨率监测。利用水面波动参数建立的CO2交换系数（k600）经验模型要明显优于风速（U10）经验模型。（3）通过静态箱法和模型法评估热分层期和混合期CO2交换通量；结合水-气界面CO2交换系数模拟实验，揭示水库热分层模式对水-气界面CO2排放的影响机制，研究证明水库热分层效应能够抑制水体CO2的排放，增加岩溶地下水来源CO2在水库中的滞留时间，有利于岩溶碳汇的稳定。