应用案例
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研究背景
河流和水库等淡水水生系统的甲烷(CH4)排放是全球甲烷预算的重要组成部分。然而,CH4的排放估算在很大程度上受测量的空间和时间分辨率的影响。三峡水库是世界上最大的水库之一,目前还缺乏对三峡库区CH4排放的高分辨率图谱估算研究,由此导致对其排放CH4存在长期的争论。在本研究中,使用快速自动水-气平衡装置测量了溶解CH4浓度的空间分布和季节变化。
导言
作为内陆水域的重要组成部分,水库是全球重要的碳处理、运输和封存场所,也是甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)等大气温室气体(GHG)的来源。水坝对河流连续体的破坏导致有机物在水库中沉积,并将CH4和CO2释放到大气中。减少水库CH4排放估算的不确定性需要高分辨率现场测量,以更好地解决CH4的时空动态。同时,高分辨率测量有助于更好地理解水库中温室气体的源和汇,以及它们对全球碳收支的重要性。
研究方法
2018-2020年,三峡大学肖尚斌教授研究团队在三峡库区进行了四次采样调查,覆盖长度为645公里。游轮以20 km/h的速度沿北岸上游航行,水样以250ml/min的速率通过蠕动泵进入快速自动水-气平衡装置(FaRAGE),再将平衡器所产生的CH4气体连接Picarro G2301/G2201-i进行浓度测定,实现原位高分辨率空间调查。结合水环境变量、水文条件等因素探索三峡库区溶解性CH4浓度的空间分布和季节变化。
FaRAGE系统的设计原理图
FaRAGE系统包含一个包含压缩空气罐、气体流量控制器(MFC)、两个蠕动泵用于采集和排放水样、监测水流量的流量计、水气混合单元、水气分离装置、气体分析仪和一种用于测量平衡状态下的水温的温度计。在MFC之后放置一个特氟龙膜过滤器,在气体分析仪之前添加另一个特氟龙膜过滤器,以防止分析仪吸入液态水。使用干燥剂来干燥流向气体分析仪的气体,箭头表示流动方向。
三峡水库和主要城市、支流和采样点的地理位置(第一次行动期间)。重庆和三峡大坝之间县的人口和污水排放分别以浅红和深灰色显示。
研究结果
三峡库区溶解性CH4浓度的时空变异性较强,冬季的局部尺度效应(浓度峰值)高于夏季。所有的采样结果均显示三峡水库中的溶解性CH4浓度处于饱和状态,表明三峡水库是大气CH4的重要来源。在空间上,溶解性CH4的浓度主要受城市污水排放、颗粒物沉降和地形条件的影响;在时间上,CH4浓度的变化主要是由水库的季节性运行和支流的汇入引起。降尺度模拟结果表明,夏季和冬季,至少分别需要38个站点和52-58个站点才能准确估算整个三峡水库的平均溶解CH4浓度,而一个或几个站点的结果不太可能代表整个水库。
在(a)第一次、(b)第二次、(c)第三次和(d)第四次活动期间,三峡库区地表水中溶解CH4浓度的空间分布。
在第一次、第二次、第三次和第四次活动期间,三峡库区地表水中溶解CH4浓度的纵向变化。(a)中的圆圈代表每个采样点在3分钟测量周期内的平均浓度。(b)中的正方形、(c)中的三角形和(d)中的菱形代表每5公里连续测量的平均浓度。
研究意义及评价
本研究表明高分辨率图谱分析对于剖析温室气体浓度和排放的垂向变化以及减少三峡等大型水库温室气体估算的不确定性至关重要。
传统方法使用顶空平衡技术来分离水中的溶解气体,通过气相色谱仪或其他类似仪器检测顶空气相中待测气体的浓度,并利用亨利定律计算水体中的溶解气体浓度。这种方法存在十分繁琐、耗时、成本高且存在人为操作,可能引起较大误差的弊端。本文采用的快速水-气平衡装置突破了现有技术的短板,极大地提高了科研工作者的效率(数量级的提高)和检测结果的稳定性,是目前在该领域比较推崇的测试方法。该文章进行了2年野外的研究,季节跨度包含冬夏季节,涉及采样及搬运等活动很多,因此这对走航仪器的稳定性也提出了非常高的要求。
本文第一作者为刘佳博士
文章链接
https://doi.org/10.1016/j.watres.2021.117788
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审核:吴闯、陈晓峰