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

發表時間：2024-04-17

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研究背景

河流和水庫等淡水水生系統的甲烷（CH₄）排放是全球甲烷預算的重要組成部分。然而，CH₄的排放估算在很大程度上受測量的空間和時間分辨率的影響。三峽水庫是世界上最大的水庫之一，目前還缺乏對三峽庫區CH₄排放的高分辨率圖譜估算研究，由此導致對其排放CH₄存在長期的爭論。在本研究中，使用快速自動水-氣平衡裝置測量了溶解CH₄濃度的空間分布和季節變化。

導言

作為內陸水域的重要組成部分，水庫是全球重要的碳處理、運輸和封存場所，也是甲烷（CH₄）和二氧化碳（CO₂）等大氣溫室氣體（GHG）的來源。水壩對河流連續體的破壞導致有機物在水庫中沉積，并將CH₄和CO₂釋放到大氣中。減少水庫CH₄排放估算的不確定性需要高分辨率現場測量，以更好地解決CH₄的時空動態。同時，高分辨率測量有助于更好地理解水庫中溫室氣體的源和匯，以及它們對全球碳收支的重要性。

研究方法

2018-2020年，三峽大學肖尚斌教授研究團隊在三峽庫區進行了四次采樣調查，覆蓋長度為645公里。游輪以20 km/h的速度沿北岸上游航行，水樣以250ml/min的速率通過蠕動泵進入快速自動水-氣平衡裝置(FaRAGE)，再將平衡器所產生的CH₄氣體連接Picarro G2301/G2201-i進行濃度測定，實現原位高分辨率空間調查。結合水環境變量、水文條件等因素探索三峽庫區溶解性CH₄濃度的空間分布和季節變化。

FaRAGE系統的設計原理圖

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

三峽水庫和主要城市、支流和采樣點的地理位置（第一次行動期間）。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。

研究結果

三峽庫區溶解性CH₄濃度的時空變異性較強，冬季的局部尺度效應（濃度峰值）高于夏季。所有的采樣結果均顯示三峽水庫中的溶解性CH₄濃度處于飽和狀態，表明三峽水庫是大氣CH₄的重要來源。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；在時間上，CH₄濃度的變化主要是由水庫的季節性運行和支流的匯入引起。降尺度模擬結果表明，夏季和冬季，至少分別需要38個站點和52-58個站點才能準確估算整個三峽水庫的平均溶解CH₄濃度，而一個或幾個站點的結果不太可能代表整個水庫。

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

在第一次、第二次、第三次和第四次活動期間，三峽庫區地表水中溶解CH₄濃度的縱向變化。（a）中的圓圈代表每個采樣點在3分鐘測量周期內的平均濃度。（b）中的正方形、（c）中的三角形和（d）中的菱形代表每5公里連續測量的平均濃度。

研究意義及評價

本研究表明高分辨率圖譜分析對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溫室氣體估算的不確定性至關重要。

傳統方法使用頂空平衡技術來分離水中的溶解氣體，通過氣相色譜儀或其他類似儀器檢測頂空氣相中待測氣體的濃度，并利用亨利定律計算水體中的溶解氣體濃度。這種方法存在十分繁瑣、耗時、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有技術的短板，極大地提高了科研工作者的效率（數量級的提高）和檢測結果的穩定性，是目前在該領域比較推崇的測試方法。該文章進行了2年野外的研究，季節跨度包含冬夏季節，涉及采樣及搬運等活動很多，因此這對走航儀器的穩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

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