碳在金沙江梯级水库过坝下泄中的迁移转化及其通量研究

After dam construction, riverine carbon performs following transformation during dam discharge: 1) degassing due to the abrupt change of pressure and temperature; 2) air-water emission in downstream reach; 3) degradation or uptake in water column in downstream reach. In cascade reservoirs, downstream reservoir has distinctive hydrodynamic condition in compared with river reach, resulting the unique patterns of carbon cycling impacted by upstream dam discharge. There is still lack of information on this phenomenon. Xiangjianba and Xiluodu are selected as case of cascade reservoirs in the proposal to investigate fate and transport of carbon and its flux during dam discharge. Through monthly field sampling, the carbon flux in degassing and downstream air-water emission will be understood. By using stable isotope analysis on air-water carbon exchange, the spatial and temporal boundary of carbon flux impacted by dam discharge in downstream reservoir will be identified. Through in situ experiments on carbon transport, sedimentation and degradation, mechanisms of carbon transformation in downstream reservoir will be discussed. Finally, fate and transport of carbon and its flux during dam discharge will also be calculated and explained. The present proposal will provide solid basis for future study on change of carbon cycling and carbon flux in cascade reservoirs.

河流筑坝后，碳在过坝下泄中将发生以下迁移转化：1）因压强、温度瞬变“消气”释放入大气；2）经由下游水体水-气界面释放入大气；3）在下游水体中受生物、化学作用被降解或合成。不仅如此，在梯级水库中，因其水文水动力条件有别于天然河道，过坝下泄对下游水库碳循环影响具有特殊性，但尚少有人关注。为揭示碳在梯级水库过坝下泄中的迁移转化及其通量关系，本项目以金沙江溪洛渡、向家坝梯级水库为对象，通过野外观测，掌握碳在过坝下泄中的消气释放通量和碳在下游水库的水-气界面交换通量。采用水-气界面碳交换的源解析技术，辨识并界定过坝下泄对下游水库碳通量影响的时空范围。通过下游水库水体碳迁移、沉降与转化的原位试验，阐释下游水库对上游水库下泄碳的消纳机制。在此基础上，计算梯级水库过坝下泄碳迁移转化的通量关系，为深入系统的揭示梯级水库碳循环变异规律提供重要研究基础。

筑坝蓄水显著改变了河流对碳氮等生源要素的搬运输送能力。过坝下泄是碳氮等生源要素经由大坝向下游输送的关键通道，但在过坝下泄中生源要素的迁移转化鲜有关注。项目以溪洛渡、向家坝梯级水库为对象，通过野外观测，掌握碳在过坝下泄中的消气释放通量和碳在下游水库的水-气界面交换通量。采用稳定同位素源解析技术，探讨分析下游水库对上游水库下泄碳的消纳机制。研究获得以下主要结果：溪洛渡水库坝前水流缓慢区域呈现出明显季节性水温分层现象，在3~9月形成稳定的水温分层，而下游向家坝水库水温分层明显减弱。两座水库甲烷（CH4）扩散通量全年介于0.009~0.299 mmolm-2d-1之间，表现为大气CH4的弱源，明显低于全球水库的平均水平。二氧化碳（CO2）扩散通量全年介于-3.415~161.820 mmolm-2d-1之间。表层水体CO2浓度的波动受藻类旺盛生长影响明显，CH4受温度和溶解氧含量影响更为显著。大坝对陆源性颗粒有机碳（POC）的拦截影响着梯级水库内CH4的产生与消耗，但陆源POC的输入对水体CH4的影响存在季节上的差异。两座梯级水库均存在明显CH4氧化过程，坝前沉积物并没有显著产生并释放大量CH4。过坝下泄产生了显著的CH4消气释放。研究构建了梯级水电站CH4过坝下泄释放通量的经验模型。以2018年为例，溪洛渡过坝下泄CH4消气释放量为17.4t/yr；向家坝过坝下泄CH4消气释放量为57.6t/yr。研究还获得了2018年8月三峡、溪洛渡、向家坝电站水轮机消气产生的CH4释放量（三峡电站0.503gCH4/s、向家坝0.400 gCH4/s、溪洛渡0.125 gCH4/s）。研究认为，过坝下泄向大气产生的消气释放通量，主要受过坝下泄径流量影响，但水轮机过坝下泄的消气释放还与水轮机组运行设计等关键工程参数相关。研究成果在一定程度上可以被用于估算水电站运行期间温室气体排放的情况，为当前我国在水库碳循环与水电碳足迹方面提供了新的研究积累，也将为我国水利水电行业在面向2060碳中和发展路径中率先找准定位、通过优化运行管理开展温室气体减源增汇等方面的提供借鉴。