ВЫБРОСЫ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ С ВОДОХРАНИЛИЩ ГЭС: АНАЛИЗ ОПЫТА ИССЛЕДОВАНИЙ И ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ В РОССИИ

Елистратов В.В.; Масликов Владимир Иванович; Сидоренко Г.И.; Молодцов Дмитрий Владиславович

ЭНЕРГЕТИКА И ЭКОЛОГИЯ

ENERGY AND ECOLOGY

Статья поступила в редакцию 30.04.14. Ред. per. № 1990 The article has entered in publishing office 30.04.14. Ed. reg. No. 1990

УДК 621.311.213:504.455:504.064

ВЫБРОСЫ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ С ВОДОХРАНИЛИЩ ГЭС: АНАЛИЗ ОПЫТА ИССЛЕДОВАНИЙ И ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ В РОССИИ

В.В. Елистратов, В.И. Масликов, Г.И. Сидоренко, Д.В. Молодцов

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический университет НОЦ «Возобновляемые виды энергии и установки на их основе» 195251 Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29, Тел.: (812) 552-77-71, e-mail: sidorenko@cef.spbstu.ru

Заключение совета рецензентов 05.05.14 Заключение совета экспертов 06.05.14 Принято к публикации 07.05.14

Выполнен анализ исследований выбросов парниковых газов с поверхности водохранилищ мира, показавший неоднозначность оценок влияния водохранилищ на эмиссию парниковых газов в атмосферу. Рекомендовано оценку выбросов парниковых газов с различных водохранилищ проводить по методике "GHG Measurement Guidelines for Freshwater Reservoirs" 2010 г. с целью создания базы данных с результатами стандартизированных измерений. В настоящее время в СПбГПУ разрабатывается программа проведения исследований выбросов парниковых газов в соответствии с методикой IHA на водохранилищах ОАО «РусГидро».

Ключевые слова: парниковые газы, водохранилища, ГЭС, анализ опыта исследований, организация экспериментов.

GREENHOUSE GAS EMISSIONS FROM HYDROELECTRIC RESERVOIRS: ANALYSIS OF RESEARCH EXPERIENCE AND ORGANIZATION OF RESEARCH IN RUSSIA

V.V. Elistratov, V.I. Maslikov, G.I. Sidorenko, D.V. Molodtsov

Saint-Petersburg State Polytechnic University Science and Educational Center «Renewable Energy Sources» 29 Polytechnicheskaya St., St.-Petersburg, 195251, Russia Tel.: +7 (812) 552-77-71, e-mail: sidorenko@cef.spbstu.ru

Referred 05.05.14 Expertise 06.05.14 Accepted 07.05.14

An analysis of greenhouse gas emissions research from reservoir surfaces of the world, which shows ambiguousness of estimates of reservoirs influence on greenhouse gases emissions into the atmosphere, has been made. It is recommended that an assessment of greenhouse gas emissions should be made according to "GHG Measurement Guide lines for Freshwater Reservoirs" of 2010 in order to create a database with the results of standardized measurements. Currently, the program of research in greenhouse gas emissions from "RusHydro" reservoirs is developing in SPbSPU in accordance with the procedure IHA.

Keywords: greenhouse gases, reservoirs, hydropower plants, analysis of research experience, organization of experiments.

Сведения об авторе: профессор кафедры "Гражданское строительство и прикладная экология" Инженерно-строительного института Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, доктор технических наук, Заслуженный эколог РФ.

Область научных интересов: энергетика, охрана окружающей среды. Публикации: более 150.

Владимир Иванович Масликов

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (151) 2014

Сведения об авторе: старший преподаватель кафедры Гражданское строительство и прикладная экология" Инженерно-строительного института Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Область научных интересов: вторичные возобновляемые источники энергии, охрана окружающей среды. Публикации: более 10.

Дмитрий Владиславович Молодцов

Введение

В настоящее время серьезную озабоченность мирового сообщества вызывают возможные последствия парникового эффекта, негативные воздействия которого на планету постоянно возрастают [1,2]. Основная роль в парниковом эффекте отводится атмосферным парниковым газам, которые по их влиянию на температуру планеты можно расположить в следующем порядке: углекислый газ, метан, фреоны и т.д. [3,4].

На сегодняшний день вклад СО2 в парниковый эффект составляет более 60%, на метан приходится около 20% и примерно 20% на другие парниковые газы. Но при этом молекула СН4 в десятки раз эффективнее поглощает инфракрасное излучение, чем молекула СО2. Главенствующая же роль последнего достигается только тем, что количество молекул СО2 в атмосфере примерно в 200 раз больше, чем метана. Но поскольку концентрация СН4 в индустриальную эпоху росла гораздо быстрее концентрации СО2, очевидно, что при сохранении существующей тенденции уже в недалеком будущем вклад метана в усиление парникового эффекта будет еще более весомым. Каждый процент прироста содержания метана в атмосфере вызывает в ~25 раз больший эффект, чем 1% прироста СО2. Считается, что именно через этот газ можно наиболее эффективно регулировать избыточный парниковый эффект. Эмиссия СН4, на две трети антропогенная, несравненно более доступна для контроля, чем источники СО2. К тому же полный цикл пребывания молекулы метана в атмосфере (8-12 лет) во много раз короче аналогичного для молекулы углекислого газа, а значит, результатов регулирования не придется ждать десятилетиями [5].

Основными источниками поступления метана в атмосферу (около 60% общей эмиссии) являются водоемы (болота, озера и т.д.), крупный рогатый скот и рисовые поля. Наиболее сложным из источников для контроля и теоретического описания метанового цикла являются водоемы. В основном образование метана происходит в донных осадках водоемов, его дальнейшая эмиссия в атмосферу осуществляется тремя путями: посредством молекулярной диффузии, пузырьками и через растения. Так как наряду с эмиссией в водоемах существует потребление метана метанотрофными бактериями, то для его результирующего выделения в атмосферу важен механизм транспорта в водной среде.

Традиционно гидроэнергетика считалась источником энергии, не загрязняющим атмосферу. В последние несколько десятилетий остро обсуждается вопрос выбросов парниковых газов в атмосферу с поверхности водохранилищ. Особое внимание к водохранилищам как источникам парниковых газов вызвано тем, что они задерживают выносимый реками органический углерод. В обычных условиях без водохранилищ этот органический углерод был бы водными потоками вынесен в океан, где поглощен водными организмами и депонирован глубоко на дне практически на века. В водохранилищах масса органического вещества разлагается в течение короткого времени, при этом выделяются парниковые газы, за счет этого круговорот парниковых газов резко ускоряется.

Мировой опыт оценки выбросов парниковых газов

За рубежом первые работы по эмиссии парниковых газов из водохранилищ были проведены в середине 90-х годов прошлого века в Канаде [6,7]. Вскоре после этого были опубликованы первые результаты исследований по эмиссии парниковых газов из водохранилищ Бразилии [8,9]. В них были приведены данные о том, что выбросы парниковых газов с водохранилищ сопоставимы с выбросами тепловых станций на ископаемом топливе при пересчете на 1 кВтч вырабатываемой электроэнергии. Первое время результаты этих исследований воспринимались скептически, однако вскоре ряд крупных компаний (Hydro-Québec и др.) проявили к ним интерес и начали финансировать исследования по оценке эмиссии парниковых газов от водохранилищ ГЭС. С 2000 г. резко возросло количество подобных исследований, и было опубликовано большое количество статей и ряд монографий по эмиссии парниковых газов с водохранилищ, расположенных в различных регионах мира. По материалам исследований развернулась дискуссия, так как в них приводились противоречивые данные, в частности, доля водохранилищ в выбросах парниковых газов оценивалась от 1 до 28% от всех источников [10,11]. Энергетическими компаниями финансировались лишь те исследования, в которых, как правило, приводились данные о незначительном вкладе водохранилищ ГЭС в выбросы парниковых газов.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (151) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014

Неопределенность в вопросе парникового эффекта водохранилищ ГЭС привела к тому, что Межправительственной группой экспертов по изменению климата (IPCC) в 2006 г. была признана необходимость проведения дополнительных исследований по оценке выбросов парниковых газов (особенно метана) с водохранилищ ГЭС. Исполнительным советом Механизма чистого развития (Clean Development Mechanism Executive Board) было принято решение о том, что до выявления реальной картины по эмиссии парниковых газов с крупных водохранилищ проекты ГЭС с крупными водохранилищами не попадают под механизм киотского протокола по продаже углеродных квот [12].

О серьезности проблемы парниковых газов с водохранилищ ГЭС свидетельствует тот факт, что на третьем международном форуме по плотинам, проходившем в 2010 г. в Мексике, среди вопросов влияния сооружений больших водохранилищ на окружающую среду особое внимание уделялось данной проблеме. Многочисленными независимыми специалистами были проведены исследования и измерения выбросов парниковых газов (в том числе СО2) на более чем 100 искусственных водоемах и водохранилищах больших ГЭС, в основном расположенных в Северной Америке и Бразилии [13]. Исследования по оценке баланса парниковых газов для систем с естественной или искусственной свободной поверхностью были выполнены в 24 странах [14]. Основные результаты этих исследований можно сформулировать следующим образом.

1. На всех водохранилищах зафиксированы выбросы парниковых газов - метана (СН4) и углекислого газа (СО2), в некоторых случаях и закиси азота (N2O). Закись азота фиксируется, в частности, в водохранилищах тропических регионов с большими временно затапливаемыми зонами [15]. На рис. 1 представлена схема образования парниковых газов и основные пути их поступления в атмосферу. Газы образуются при анаэробном разложении органического вещества, содержащегося в воде и донных отложениях. Основными источниками этого углерода являются затопленные растительность и почва, поступающие с водосбора органические вещества естественных экосистем или сточных вод, отмирающие планктон, водные растения и др. Частично происходит поглощение углерода - за счет фотосинтеза планктона и водных растений. Значительная часть углерода аккумулируется в донных отложениях [16]. Поэтому донные слои, где происходят процессы анаэробного

разложения органического вещества, вносят существенный вклад в образование метана и других газов. Выброс метана происходит через диффузию с поверхности воды и через пузырьки, которые поднимаются на поверхность со дна водохранилища. Часть метана окисляется в толще воды с образованием углекислого газа. Попадая в водопроводящие сооружения, водный поток с растворенными метаном и углекислым газом из зон с высоким давлением, проходя через турбины, перемещается в зоны низкого давления, что стимулирует в нижнем бьефе выделение парниковых газов. Здесь протекают аэробные процессы с выделением в атмосферу преимущественно углекислого газа.

2. Выброс парниковых газов происходит на протяжении всего срока жизни водохранилища. Максимальные объемы выбросов наблюдаются в первые годы заполнения водохранилища из-за углерода, содержащегося в биомассе и почве района затопления. С течением времени количество выбросов снижается, однако в некоторых случаях снижения не только не происходило, но даже было зафиксировано увеличение выбросов.

3. Водохранилища и естественные водные объекты, расположенные в регионах со схожими экологическими условиями, характеризуются примерно одинаковыми уровнями эмиссии углекислого газа на единицу площади. В некоторых случаях поглощение углекислого газа превышает его выделение.

4. Уровень выбросов парниковых газов колеблется в зависимости от таких факторов, как площадь и тип затопленной территории, глубина водоема и его форма, местный климат, продолжительность и размер ледяного покрова, площадь наводных растений, качество воды (рН и содержание питательных веществ), режим работы гидроузла, а также экологических, физико-географических и социально-экономических характеристик речного бассейна. Среди факторов, влияющих на дегазацию, основными являются концентрация метана на различных глубинах водохранилища, напор турбины и тип водосброса. Выявлено заметное изменение величины эмиссии в различных точках одного и того же водохранилища в разное время года, сезона и суток.

5. Существенное отличие в результатах исследований по оценке эмиссии парниковых газов происходит из-за различных методик и оборудования, использовавшихся при проведении натурных исследований на конкретных водохранилищах.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (151) 2014

со.сн

Речное органическое вещество

Поток через

Диффузионный МгоР°ФснТЫ Г

Пузырьки поток Í * у

метана COJ(CH4 03 f j\ /

А V »

Затопленное органическое вещество^ (почтва, растительный материал и др.)

со,,сн, ог

-ft—1L

Аэробное окисление СН4

СН, + 20, СО, + 2Н,0

Рис. 1. Образование и эмиссия парниковых газов в бьефах гидроузлов [17] Fig. 1. Formation and emission of greenhouse gases in the pools of hydroelectric complex [17]

Ниже представлены результаты исследований эмиссии парниковых газов с водохранилищ, выполненные в различных странах мира, которые могут быть полезны для организации подобных работ в России.

Обычно исследуются два пути выделения парниковых газов в атмосферу: диффузионные потоки с поверхности водохранилищ и всплытие пузырьков [18]. В дополнение к этим исследованиям на ряде водохранилищ (Petit-Saut, Samuel и Balbina) изучаются процессы выделения парниковых газов в нижнем бьефе плотин. Выявлено, что метан при переносе его диффузионными потоками от дна к водной поверхности водохранилища может трансформироваться в CO2 в водном столбе при наличии определенных бактерий. Были идентифицированы некоторые возможные пути эмиссии N2O: диффузионным потоком, дегазацией и, возможно, с помощью макрофитов [19].

Валовые потоки парниковых газов изучены для бореальных районов [6,14,20], умеренных зон [21-23] и тропических и субтропических регионов [19].

Валовые выбросы парниковых газов были измерены в бореальных и умеренных регионах Канады, Финляндии, Исландии, Норвегии, Швеции и США. Результаты показали очень высокие вариации выбросов CO2. В одних случаях водохранилище может выступать как накопитель CO2, а в других случаях может выделять значительные потоки CO2. В некоторых случаях наблюдалась небольшая эмиссия метана. Для бореальных и умеренных регионов значительная эмиссия метана наблюдается в водохранилищах с большими зонами переменного уровня (временно затапливаемые зоны) и высоким притоком органических и биогенных веществ.

В тропических регионах высокие температуры создают благоприятные условия для деградации существенных количеств органического вещества (ОВ) с образованием CO2 и CH4. В новых водохранилищах ОВ, в основном, поступает из разлагающейся биомассы и органического углерода

почв с различным абсолютным и относительным содержанием ОВ [24-26]. Позднее ОВ может также поступать от первичной продукции или других биологических процессов внутри водохранилища.

Измерения валовых выбросов были сделаны в 4 местах Амазонки и 16 дополнительных районах центральной и северной Бразилии [27]. В некоторых случаях зафиксированы значительные выбросы парниковых газов в атмосферу. К сожалению, нет данных по измерениям в водохранилищах других тропических и субтропических регионов за исключением гидроузла Gatum в Панаме, Petit-Saut во Французской Гвинее и NamTheun 2, NamNgum и NamLeuk в Лаосской Демократической Республике [28].

Исследования на гидроузлах NamNgum и NamLeuk показали, что старые водохранилища работают как накопители углерода при определенных условиях [29]. Это указывает на необходимость мониторинга старых водохранилищ. В бореальных и умеренных условиях выделение парниковых газов после 2-4 лет эксплуатации водохранилищ соответствует уровням, характерным для ближайших естественных озер [14]. Дальнейшие измерения предполагается выполнить и для тропических условий. Сопоставление результатов затруднено, так как в исследованиях использовались различные методологии.

В одной из первых работ [30] по систематизации имеющихся данных была поставлена задача выявления ключевых вопросов, касающихся существующих выбросов парниковых газов с водохранилищ в глобальном масштабе, анализа имеющихся оценок и сопоставления их друг с другом с целью уточнения глобальной оценки парниковых газов. При этом использовались базы данных водохранилищ, а также географические данные по их экологическому зонированию.

Оценки были выполнены на основе анализа литературных источников по выбросам парниковых газов на 137 водохранилищах мира. Исследования

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (151) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014

охватывали практически все природно-климатические зоны (кроме полярных). Большинство доступных публикаций охватывают результаты исследований, выполненных на водохранилищах Северной и Латинской Америки. Не удалось

получить данные по водохранилищам Африки, Азии и Австралии. В таблице 1 приведены расчетные данные по исследованной группе водохранилищ [30].

Таблица 1. Эмиссия парниковых газов с водохранилищ различных климатических зон Table 1. Greenhouse gas emissions from reservoirs of different climatic zones

Зона мг С02м сут мг СН4-м -сут

Сред. Мин. Макс. a n Сред. Мин. Макс. a n

Умеренно-холодная 1870 85 5750 1190 50 17 -5 113 25 39

Умеренная 550 -1190 4980 1150 43 9 3 21 6,1 10

Субтропическая 780 -1180 4790 1180 36 7,7 4,2 10 2,3 5

Тропическая 4000 -860 10400 3090 20 137 -137 1140 258 22

a - среднеквадратическое отклонение, n - количество исследованных водохранилищ

В умеренно-холодной (бореальной) зоне средний выброс углекислого газа по исследованной группе водохранилищ составляет 1890 мг С02м-2сут-1 и 17 мг СН4м-2сут-1. Эти значения более чем в 2 раза превышают аналогичные показатели для умеренной и субтропической зон. В тропической зоне выбросы углекислого газа более чем в 2 раза превышают выбросы в умеренно-холодной зоне. Соответственно, выбросы метана из водохранилищ тропической зоны более чем в 6 раз выше по сравнению с умеренно холодной зоной.

В целом по результатам оценки выбросов с данной группы водохранилищ были определены ориентировочные валовые совокупные выбросы водохранилищ мира 4,8 Тг СН4/год и 163 Тг С02/год. Для сравнения выбросы метана из природных озер оцениваются 8-48 Тг СН4/год [31].

Анализ других исследований показывает значительное расхождение в оценке валовых выбросов метана из водохранилищ: от 2-4 Тг СН4/год [32] до 95-122 Тг СЩ/год [33].

На основе полученных оценок определялись выбросы парниковых газов с единицы площади водохранилищ, расположенных в различных климатических зонах (рис. 2) [30].

На рисунке 3 представлено распределение валового выброса парниковых газов по регионам мира [30].

Рис. 2. Удельные валовые выбросы парниковых газов (CO2-экв.) с водохранилищ мира Fig. 2. Map of greenhouse gases emissions (CO2-equivalent) per unit area from reservoirs of the world

Рис. 3. Распределение валовых выбросов парниковых газов в ^^эквиваленте по регионам мира Fig. 3. Distribution of CO2-equivalent emissions by regions of the world

В таблице 2 приведены расчетные оценки ежегодных выбросов парниковых газов водохранилищ различных климатических зон [30].

Ориентировочные данные по удельным выбросам парниковых газов при производстве электроэнергии на ГЭС, эксплуатируемых в различных природно-климатических зонах, и выбросы от тепловых электростанций представлены в таблице 3 [34].

Таблица 2. Суммарный ежегодный выброс парниковых газов водохранилищами мира Table 2. Statistical summary data of annual emission of the world reservoirs

Зона Тг С02/год Тг СН4/год

Умеренно-холодная 14,9 0,13

Умеренная 6,0 0,15

Субтропическая 13,3 0,09

Тропическая 129 4,43

Всего 163 4,8

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (151) 2014

Таблица 3. Ориентировочные выбросы парниковых газов в период жизненного цикла ГЭС и ТЭС

Table 3. Approximate lifecycle greenhouse gases emission rate ranges by fuel type for electricity generation

Технология Эмиссия, кг С02-экв/МВтч

ГЭС

(без водохранилища или с водохранилищем не в тропическом регионе) 0,5-152

ГЭС

(с недавно заполненным водохранилищем в регионе с умеренно-холодном климатом) 160-250

ГЭС

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

(с водохранилищем в регионе с тропическим климатом) 1300-3000

ТЭС на природном газе 400-500

ТЭС на мазуте 790-900

ТЭС на угле 900-1200

Значительные выбросы метана водохранилищ, расположенных в тропических зонах, вызвали интерес к возможности его потенциального извлечения и использования. Специалистами ШРБ (Бразильского Национального исследовательского института территорий) была предложена пилотная технология получения электрической энергии с извлечением и использованием метана [35].

Российский опыт оценки выбросов парниковых газов

Проблемой образования метана в водохранилищах ГЭС России, как важного показателя качества воды в нашей стране, начали заниматься с начала 60-х годов прошлого века [36], и в 80-х годах были проведены основные исследования по деструкции органического вещества и циклу метана в донных отложениях волжских водохранилищ [37].

Учитывая экологическую важность проблемы деструкции ОВ в донных отложениях, в водоемах Волги и Камы проводились многолетние исследования микробного распада иловых органических соединений [38]. Особое внимание уделялось изучению локализации, интенсивности и соотношений отдельных аэробных и анаэробных процессов деструкции, а также обуславливающих их факторов.

Многолетние исследования деструкции ОВ в отложениях водохранилищ проводились летом или в начале осени по традиционной схеме [39,40]: общую деструкцию определяли по выделению из илов углекислого газа, аэробную - по поглощению илами кислорода, анаэробную - по разности общей и аэробной деструкции.

В целом отмечается снижение анаэробной деструкции от Верхней Волги к Нижней [41]. Водоемы Камы, испытывающие мощное

техногенное воздействие, по ряду функциональных микробиологических и продукционных

характеристик приближаются к оценкам дистрофных водоемов, что послужило причиной отнесения их к разряду «антропогенно-дистрофируемых» [42].

Проведенные исследования выявили в водоемах Волжско-Камского каскада широкое варьирование интенсивности илового метаногенеза по отдельным участкам в зависимости от физико-химических условий в донных отложениях. Расчет продукции метана в грунтах водохранилищ показал, что минимальная продукция свойственна пескам и глинам речных участков, максимальная - осадкам загрязняемых зон [41,43].

В результате глубокого изучения всех звеньев деструкции ОВ в донных отложениях, особенно метаногенеза, удалось выявить эколого-географические (зональные) особенности ее распределения [41,43]: в грунтах северных водохранилищ Верхней Волги и Камы доминируют процессы анаэробного распада, на Нижней Волге преобладает аэробная минерализация ОВ, а на Средней Волге потоки иловой деструкции сбалансированы. Причем в грунтах Камского каскада, перегруженных аллохтонным ОВ, значимость процессов метаногенеза в суммарной деструкции особенно велика, а в илах южных водоемов, обогащенных лабильным Сорг, доля метаногенеза минимальна.

Для водохранилищ Волжского каскада характерна географическая особенность распределения метана в грунтах - снижение его концентрации в близких по физико-химическим свойствам отложениях с севера на юг [41].

В водохранилищах Волжского каскада интенсивность процессов цикла СН4, в соответствии с различием физико-химических условий в грунтах, варьирует по отдельным участкам очень широко. Максимальная скорость метанобразования отмечается на ряде точек Рыбинского, Горьковского и Чебоксарского водохранилищ, где в восстановленных (слой 2-5 см), богатых Сорг илах она достигает уровня высокотрофных озер [44].

Окисление образовавшегося метана в грунтах волжских водохранилищ регистрируется

повсеместно.

В водохранилищах Камского каскада донные отложения перегружены техногенными

органическими соединениями [45]. В результате, скорость метанобразования в них оказалась максимальной для Волжско-Камской системы и соответствует уровню высокотрофных озер [41,44].

Окисление СН4 регистрируется во всех грунтах водохранилищ Камы, диапазон колебаний степени окисления весьма широк.

Выделение СН4 из осадков в водную толщу также происходит повсеместно - даже в песках проточных участков [44,46]. Последнее свидетельствует об особой роли микробиологических процессов цикла метана в экосистемах водоемов, испытывающих повышенное технико-бытовое загрязнение.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (151) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014

Количественные оценки продукции метана, выполненные для водоемов всего каскада, свидетельствуют о его повсеместной экологической значимости, особенно на участках антропогенного давления и в целом на камских водохранилищах, где вклад выделения метана достигает 60-95% в анаэробном распаде ОВ.

Показано, что микробные процессы деструкции Сорг в донных отложениях водохранилищ Волго-Камского каскада являются не только важнейшим звеном круговорота углерода, но и мощным средообразующим фактором в их экосистемах [43].

Многолетние исследования метана в поверхностных водах водохранилищ Верхней Волги [47], проведенные газохроматографическим методом, выявили пределы колебаний его концентраций на различных участках. В период «открытой воды» содержание СН4 варьируется от 15 мкл/л в открытых плесах вне городов до 2060 мкл/л в зоне влияния промышленных центров. У бытовых и хозяйственных стоков и в портовых акваториях содержание СН4 достигает 100-200 мкл/л. Полученные данные позволяют оценить качество поверхностных вод.

В целом следует отметить, что отечественными учеными выполнен большой цикл исследований по образованию парниковых газов в водных объектах, результаты которых были обобщены в работе [48]. В ней представлены результаты исследований на озерах, водохранилищах, реках, эстуариях и внутренних морях России и сопредельных стран по изучению в водных экосистемах особенностей, закономерностей образования и пространственно-временного распределения метана, его миграции, трансформации и эмиссии в атмосферу.

Как правило, в водных экосистемах в самом верхнем горизонте донных осадков протекают аэробные процессы, ниже - анаэробные. Метан является одним из конечных продуктов анаэробного распада органических веществ, поэтому его максимум в большинстве случаев наблюдается в отложениях на некоторой глубине от поверхности дна. Обычно содержание метана в поверхностном слое отложений (0-5 см) водных объектов в среднем в 1,3-3,5 раза ниже, чем в подповерхностном (510 см). В водной толще содержание метана на один-два порядка меньше, чем в верхнем пятисантиметровом слое осадков. В результате неравномерного распределения метана в толще осадков и на границе раздела «дно-вода» возникают и поддерживаются градиенты концентраций, что определяет существование диффузионного потока метана как в самих осадках, так и из осадков в придонную воду. Этим и обусловлены тесные корреляционные связи между концентрациями метана в этих двух средах, характерные для большинства изученных водных объектов. В водоемах и водотоках с незначительными глубинами и хорошим перемешиванием водной толщи тесная связь наблюдается также между содержаниями метана в поверхностном и придонном слое воды.

Отсутствие значимых коэффициентов корреляции между содержаниями метана в донных осадках и придонном слое воды, в придонных и поверхностных слоях может наблюдаться при существовании дополнительных достаточно мощных источников поступления метана в водную толщу (например, в местах сброса сточных вод или вследствие интенсивной генерации метана в воде эвтрофированных водоемов и водотоков).В последнем случае образование метана протекает внутри взвешенных в воде частиц, о чем косвенно свидетельствует достаточно тесная прямолинейная зависимость между содержанием метана в воде и взвешенными веществами, особенно четко проявляемая в летний период массового развития планктона.

На глубоководных участках озер и морей зависимость между содержаниями метана в придонном и поверхностном слое воды не прослеживается. Это связано с тем, что диффундируя сквозь мощную толщу воды к верхним горизонтам, большая часть метана, образованного в донных отложениях, окисляется метанотрофами. В то же время, в зоне термоклина, вблизи подошвы интенсивного развития хлорофилльных водорослей (30-50 м), где наблюдается снижение содержания растворенного кислорода, вследствие задержки остатков оседающего планктона и массового развития бактерий на этом субстрате, происходит генерация метана [48].

Для каждого типа водного объекта характерен определенный диапазон колебания содержания метана. В среднем, наиболее высокие концентрации фиксируются в реках, минимальные характерны для открытых районов морей и океанов. Отмечается резкое снижение концентрации метана в зонах смешения «река-пресный водоем» и «река-море (океан)».

В естественных условиях основным фактором, контролирующим распределение метана в реках, является скорость течения, определяющая характер механической миграции органического вещества (вынос, транспортировка, аккумуляция), и, как следствие, тип донных отложений. Наибольшей способностью концентрировать органические вещества, взвеси и химические элементы обладают мелкоалевритовые и глинистые илы, отлагающиеся на участках со спокойным гидродинамическим режимом. Седиментация значительного количества взвешенных веществ на дно, а вместе с этим и повышенное накопление органического вещества на таких участках ведет к снижению содержания кислорода в воде, к ухудшению аэрации осадков и образованию в них условий для метаногенеза. Все это оказывает благоприятное воздействие на активизацию роста и дальнейшее развитие анаэробных микроорганизмов, в том числе и метаногенного сообщества.

В воде рек содержание метана обычно возрастает по направлению к устью. Максимальные значения в устьевых участках обусловлены заметным

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (151) 2014

снижением скорости течения и в силу этого возрастанием скоростей аккумуляции

тонкодисперсного терригенного и органического материала. Это создает благоприятные условия для развития в донных отложениях и на их поверхности активных микробиологических процессов, приводящих нередко к появлению зон кислородной недостаточности в придонных слоях воды и интенсификации анаэробных процессов в отложениях.

В горных реках Кавказа, Средней Азии, юга Сибири и Дальнего Востока диапазон изменения содержания метана обычно меньше, чем у равнинных. Наблюдается достаточно существенное увеличение концентрации метана в воде рек при переходе от ее горного отрезка к равнинному. Доминирующее ледниковое и снеговое питание, преобладание в русле горных рек грубообломочного материала, большая скорость течения, низкая температура воды и слабая заселенность людьми прилегающей местности предопределяют и относительно невысокие здесь содержания метана, как правило, не превышающие 5,0-6,0 мкл/л [49].

Большинство исследованных российских водохранилищ принадлежат к типу так называемых речных долинных водохранилищ, созданных подпором рек плотиной. В целом, величина концентрации метана в воде водохранилищ занимает промежуточное положение между озерами и равнинными реками с приуроченностью наибольшего количества значений к интервалу 5,040,0 мкл/л. Практически во всех исследованных водохранилищах максимальные содержания метана фиксируются в их верхнем бьефе. По направлению к центральной его части концентрация газа уменьшается до минимальных значений. В низовье содержание метана снова возрастает. В поперечном плане концентрация газа снижается при удалении от прибрежной зоны. Описанный характер распределения метана в целом обусловлен влиянием источников поступления органических веществ природного и антропогенного происхождения [50,51].

Несмотря на большой объем исследований, важных для оценки качества воды и круговорота органического вещества, формирования среды обитания гидробионтов и утилизации труднодоступных соединений и др. [52], их сложно использовать для комплексного определения выбросов парниковых газов из водохранилищ и сопоставления полученных результатов с аналогичными, выполненными за рубежом.

Россия обладает значительным

гидроэнергетическим потенциалом (вторым в мире после Китая). На ее территории протекает множество рек, на которых построено около сотни гидроэнергетических объектов, в том числе крупных, в различных природно-климатических зонах. Предполагается создание новых гидроузлов [53]. Поэтому крайне важно выполнить оценку выбросов парниковых газов с поверхности существующих

водохранилищ и земель, затопляемых при создании новых гидроэнергетических объектов.

Организация оценки выбросов парниковых газов на водохранилищах ГЭС России в соответствии с методикой IHA

Приведенные результаты следует рассматривать как предварительные. Назрела необходимость разработки комплексной методики по оценки эмиссии парниковых газов и проведению исследований на водохранилищах с унификацией измеряемых показателей.

В 2008 г. стартовал международный исследовательский проект ЮНЕСКО и МГА (IHA) с целью разработки общепринятой методологии по оценке выбросов парниковых газов, вызванных созданием водохранилищ. Промежуточные результаты этого проекта опубликованы в виде методики "GHG Measurement Guide lines for Freshwater Reservoirs" в 2010 г. [18] для использования стандартизированных измерений и вычислений в различных регионах мира с целью накопления базы данных с результатами измерений, а также разработке руководства по измерениям, которое может быть использовано в различных регионах. Окончательным результатом должно стать построение моделирующего инструментария для прогнозов и оценок выбросов парниковых газов на ненаблюдаемых водохранилищах и новых водохранилищах. Недавно IEA начало программу под названием "IEA Hydropower Agreement Annex XII", которая будет работать параллельно с IHA и ЮНЕСКО для оценки выбросов парниковых газов на водохранилищах.

В работе [18] отмечается неоднозначность имеющихся данных о роли водохранилищ и их влиянии на эмиссию парниковых газов в атмосферу. Анализ выполненных исследований показывает, что выбросы парниковых газов могут отличаться (до двух порядков) с различных водохранилищ, в пределах одного водохранилища (если отбор проб производился в разное время года) или в одно время в разных зонах (временная и пространственная изменчивость). При исследовании эмиссии парниковых газов решаются две самостоятельные задачи: измерение собственно эмиссии и определение запасов углерода и азота.

В настоящее время в СПбГПУ разрабатывается программа проведения исследований выбросов парниковых газов в соответствии с методикой IHA на водохранилищах ОАО «РусГидро». В качестве базовых объектов выбраны Саяно-Шушенская и Майнская ГЭС, расположенные на р. Енисей, представляющие собой единый гидроэнергетический комплекс. Плотина Саяно-Шушенской ГЭС образует крупное водохранилище годичного регулирования стока полным объёмом 30,71 км3, полезным объёмом 14,71 км3, длиной 290-320 км и площадью 608 км2, максимальной шириной до 9 км. В пределах Саянского ущелья глубина водохранилища

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (151) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014

составляет от 30 до 220 м (у плотины), в Тувинской котловине - от 8 до 30 м. Годовой ход уровней воды в водохранилище достигает 39 м. По химическому составу воды гидрокарбонатные смешанного катионного состава и гидрокарбонатные, хлоридно-гидрокарбонатные натриево-кальциевые.

Минерализация воды 87-146 мг/л, концентрация растворенного кислорода 8-12 мг/л. Коэффициент водообмена - 1,5. Содержание макрокомпонентов (анионов и катионов), нитратов (N03) и нитритов (N0^ находится в пределах требований для вод рыбохозяйственных водоемов. При создании водохранилища было затоплено 489 км2 лесных земель (несколько млн. м3 древесины). Повышенное количество фенолов может быть связано с гниением затопленной древесины [54].

Водохранилище Майнской ГЭС

контррегулирующее, небольшого объема, со сравнительно малыми глубинами. Его длина 21,5 км, ширина до 0,5 км, глубина до 13 м, площадь 11,5 км2, полная и полезная ёмкости 116 и 70,9 млн. м3, соответственно.

На первом этапе с учетом бюджета исследований была поставлена задача согласования и отработки методик исследований эмиссии парниковых газов, а также предварительной оценки объемов выбросов на репрезентативных участках водохранилищ. Программой работ предусматривается оценка диффузных выбросов, связанных с молекулярной диффузией через границу «вода-воздух»; пузырьковых выбросов газов из донных отложений через толщу воды посредством пузырьков; дегазирующих выбросов или выбросов в результате резкого изменения гидростатического давления, а также увеличенной поверхности обмена «вода-воздух» после прохождения воды из водохранилища через турбину или водосброс. Перечень предполагаемых работ:

1. Определение эмиссии растворенных в воде (диффузных) парниковых газов с поверхности водохранилища Саяно-Шушенской ГЭС предусматривается путем измерения их концентрации в верхнем слое воды толщиной до 1 м в репрезентативных точках у плотины и на расстоянии 1, 20, 30 и более км от плотины.

2. Определения дегазирующих выбросов парниковых газов в нижнем бьефе Саяно-Шушенской ГЭС производится путем измерения их концентрации в верхнем бьефе на глубине 10-30 м от поверхности у водоприемника ГЭС, а также в верхнем слое воды толщиной до 1 м на расстоянии 500-1000 м ниже плотины. В условиях резкого изменения давления воды обычно наблюдаются интенсивные выбросы растворенных газов, объем которых определяется разностью концентраций в бьефах с учетом расходов сбрасываемых вод. Измерение концентрации растворенных в воде газов выполняется газохроматографическим методом [55]. Подобные исследования выполняются для Майнской ГЭС.

3. Определение пузырьковых выбросов в атмосферный воздух на мелководных участках водохранилища Саяно-Шушенской ГЭС

производится путем использования плавучих камер -доступной, отработанной и надежной технологии [19]. Пузырьковый транспорт является наиболее эффективным механизмом переноса метана в атмосферу из гидросферы [56]. Открытая снизу камера покрывает участок поверхности, в камере происходит накопление метана, выделяющегося поверхностью, проводятся измерения концентрации метана в камере в последовательные моменты времени, скорость роста концентрации в камере пропорциональна потоку метана на площади, покрытой камерой. Область влияния определяется площадью камер, она значительно меньше, чем при использовании метода ЕС. На рис. 4 представлена схема плавучей камеры для измерения потоков метана с поверхности водоемов [57].

Рис. 4. Схема камеры, используемой для измерения

поверхностных потоков метана с поверхности водоема Fig. 4. Sketch of a chamber design used to measure greenhouse gas emissions from surface of a reservoir

Концентрация ПГ может измеряться двумя способами: либо непосредственно в камере (непрерывный подход) с использованием газового анализатора либо путём отбора проб и анализа на газовом хроматографе в лаборатории (дискретный подход).

Ключевым вопросом оценки выбросов парниковых газов с водохранилищ является определение газового потенциала донных отложений для прогноза их общей и удельной эмиссии. В «Руководстве...» [18] рекомендуется оценивать содержание органического углерода в донных отложениях путем отбора их образцов с дальнейшим анализом в лабораторных условиях. Образцы отложений для газового анализа обычно собираются с помощью гравитационного пробоотборника так, чтобы не вмешиваться в процесс образования пузырьков. Для углеродного анализа рекомендуется дорогостоящее оборудование - в частности использование автоматического элементного углеродного анализатора.

Согласно [18], при проведении измерений эмиссии парниковых газов с водохранилищ с целью полноценного учета основных факторов, влияющих на ее величину, необходимо контролировать ряд

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (151) 2014

вспомогательных показателей, характеризующих состояние водной среды в месте отбора проб:

- растворенный кислород (РК),

- биологическое потребление кислорода (БПК),

- хлорофилл,

- азот и фосфор,

- аммиачный азот (КН3),

- общий азот по Кьельдалю,

- нитриты (N0^) и нитраты (N03),

- общий фосфор и ортофосфор,

- цвет воды,

- прозрачность воды,

- мутность,

- взвешенные вещества,

- электропроводимость,

- водородный показатель (рН),

- щёлочность,

- уровень воды,

- мощность наносов,

- продолжительность отстаивания воды,

- высота волны,

- температура воздуха,

- относительная влажность,

- скорость и направление ветра,

- количество осадков,

- концентрация парниковых газов в атмосфере,

- температура воды.

С учетом большой трудоемкости и сложности определения ряда показателей при проведении натурных исследований в месте отбора проб предлагается определять в тестовом режиме следующие показатели: растворенный кислород, прозрачность воды, электропроводимость, рН, температуру воздуха, температуру воды, относительную влажность, скорость и направление ветра, высоту волны, концентрацию ПГ в атмосфере над поверхностью водохранилища.

Список литературы

1. Управление рисками экстремальных явлений и бедствий для содействия адаптации к изменению климата - специальный доклад межправительственной группы экспертов по изменению климата: Рейтер, 2012.

2. Climate Change 2013: The Physical Science Basis - Working Group I Technical Support Unit. Switzerland: IPCC, 2013.

3. Бажин. Н.М. Теория эмиссии метана из водоемов [электронный ресурс] // Институт химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского. Сибирское отделение Российской академии наук. URL: http://www.kinetics.nsc.ru/comp/comp2005/bazh.html (дата обращения 02.12.2013).

4. Семенов С.М. Парниковые газы и современный климат Земли. М.: Издательский центр «Метеорология и гидрология», 2004.

5. Кароль И.Л., Киселев А.А. Атмосферный

Заключение

1. Многочисленными исследованиями, выполненными в различных регионах мира, подтверждены выбросы парниковых газов с поверхности водохранилищ, что требует их количественной оценки для каждого объекта.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

2. Измерение эмиссий парниковых газов с поверхности водохранилищ представляет собой сложную и трудоемкую задачу, учитывая существенные размеры водных объектов, пространственные и временные изменчивости процессов, происходящих в водной среде и донных отложениях, и нестабильности множества влияющих на них факторов. Кроме прямых измерений эмиссий парниковых газов требуется контроль множества вспомогательных показателей (гидрофизических, гидрометеорологических, гидробиологических и др.) в различных точках водохранилища.

3. Рекомендовано проводить исследования согласно международному «Руководству по измерению эмиссии парниковых газов для пресноводных водохранилищ». В Санкт-Петербургском государственном политехническом университете разрабатывается программа организации таких исследований на ряде гидроэнергетических объектов ОАО «РусГидро». В качестве первоочередных выбраны Саяно-Шушенский и Майнский гидроузлы, объем предполагаемых работ представлен в данной статье.

Исследования проводились при поддержке проекта №14.577.21.0099 в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» и Президентского гранта НШ-2240.2014.8 государственной поддержки ведущих научных школ РФ.

References

1. Upravlenie riskami ekstremal'nyh avlenij i bedstvij dla sodejstvia adaptacii k izmeneniu klimata -special'nyj doklad mezpravitel'stvennoj gruppy ekspertov po izmeneniu klimata: Rejter, 2012.

2. Climate Change 2013: The Physical Science Basis - Working Group I Technical Support Unit. Switzerland: IPCC, 2013.

3. Bazin. N.M. Teoria emissii metana iz vodoemov [elektronnyj resurs] // Institut himiceskoj kinetiki i gorenia im. V.V. Voevodskogo. Sibirskoe otdelenie Rossijskoj akademii nauk. URL: http://www.kinetics.nsc.ru/comp/comp2005/bazh.html (data obrasenia 02.12.2013).

4. Semenov S.M. Parnikovye gazy i sovremennyj klimat Zemli. M.: Izdatel'skij centr «Meteorologia i gidrologia», 2004.

5. Karol' I.L., Kiselev А.А. Atmosfernyj metan i global'nyj klimat // Priroda. 2004. № 7. S. 47-52.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (151) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014

метан и глобальный климат // Природа. 2004. № 7. С. 47-52.

6. Rudd J.W.M., Harris R., Kelly C.A., Hecky R.E. Are hydroelectric reservoirs significant sources of greenhouse gases? // Ambio. 1993. Vol. 22. P. 246-248.

7. Kelly C.A., Rudd J.W.M., St. Louis V. and Moore T. Turning attention to reservoir surfaces, a neglected area in greenhouse studies // EOS Trans. Am. Geophys. Union. 1994. Vol. 75. P. 332-333.

8. Rosa L.P. and Schaeffer R. Greenhouse gas emissions from powerdams // Ambio. 1994. Vol. 23(2). P. 164-165.

9. Fearnside P.M. Hydroelectric dams in the Brazilian Amazon as sources of 'greenhouse' gases // Environmental Conservation. 1995. Vol. 22(1). P. 7-19.

10. Rosa L.P. et al. Greenhouse Gas Emissions from Hydroelectric Reservoirs in Tropical Regions // Climatic Change. 2004. Vol. 66. P. 9-21.

11. Rosa L.P. et al. Scientific Errors in the Fearnside Comments on Greenhouse Gas Emissions // Clim. Change. 2006. Vol. 75. P. 91-102.

12. Patrick McCully. Loosening the Hydro Industry's Grip on Reservoir Greenhouse Gas Emissions Research, 2006. Available at: http://www.internationalrivers.org/files/attached-files/fizzyscience2006. (accessed Dec. 02, 2013).

13. Rivers for Life 3. Available at: http://www.internationalrivers.org/campaigns/rivers-for-life-3 (accessed Dec. 02, 2013).

14. Tremblay A., Varfalvy L., Roehm C. and Garneau M. (eds.). Greenhouse Gas Emissions: Fluxes and Processes, Hydroelectric Reservoirs and Natural Environments // Environmental Science Series. Springer, New York. 2005.

15. Guerin F., Abril G., Tremblay A., Delmas R. Nitrous oxide emissions from tropical hydroelectric reservoirs // Geophys. Research Letters. 2008. Vol. 35. doi: 10.1029/2007GL033057.

16. Cole J.J., Praire Y.T., Caraco N.F., McDowell W.H., Tranvik L.J., Striegl R.R., Duarte C.M., Kortelainen P., Downing J.A., Middleburg J. and Melack J.M. Plumbing the global carbon cycle: Integrating inland waters into the terrestrial carbon budget // Ecosystems. 2007. doi: 10.1007/s10021-006-9013-8.

17. Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation - Special Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, 2012. Available at: http://srren.ipcc-wg3 .de/report/IPCC_SRREN_Full_Report.pdf (accessed Dec. 02, 2013).

18. UNESCO/IHA Greenhouse Gas Measurement Guidelines for Freshwater Reservoirs. UNESCO/IHA GHG Research Project, 2010. Available at: http://www.hydropower.org/iha/development/ghg/guideli nes.html (accessed Dec.02, 2013).

19. Guerin F., Abril G., Tremblay A. and Delmas R. Nitrous oxide emissions from tropical hydroelectric reservoirs // Geophysical Research Letters. 2008. Vol. 35. doi: 10.1029/2007GL033057.

20. Alain Tremblay, Louis Varfalvy, Charlotte Roehm and Michelle Garneau. The issue of greenhouse