1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Водные ресурсы
  4. T. 49, № 6, 2022

Водные ресурсы, 2022, T. 49, № 6, стр. 713-718

Натурные измерения эмиссии метана на крупнейших водохранилищах России в 2021 г. Начало масштабных исследований

И. А. Репина a, c, П. Н. Терский a, b, *, С. Л. Горин a, d, С. А. Агафонова a, b, Н. Д. Ахмерова b, А. Н. Василенко a, b, М. Г. Гречушникова a, b, e, В. Ю. Григорьев a, b, e, В. С. Казанцев a, А. А. Лисина a, b, В. А. Ломов a, b, Д. В. Мишин a, f, А. А. Сазонов a, b, e, В. М. Степаненко a, b, c, Д. И. Соколов a, b, А. А. Тимошенко a, f, Н. Л. Фролова a, b, В. П. Шестеркин g

a Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН
119017 Москва, Россия

b Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Географический факультет
119991 Москва, Россия

c Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Научно-исследовательский вычислительный центр
119234 Москва, Россия

d Всероссийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии
105187 Москва, Россия

e Институт водных проблем РАН
119333 Москва, Россия

f Государственный океанографический институт им. Н.Н. Зубова
119034 Москва, Россия

g Институт водных и экологических проблем ДВО РАН
680000 Хабаровск, Россия

* E-mail: pavel_tersky@mail.ru

Поступила в редакцию 28.03.2022
После доработки 28.03.2022
Принята к публикации 09.06.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

Представлена информация об измерениях потоков метана на крупнейших водохранилищах России, выполненных в августе и сентябре 2021 г. в рамках многолетнего исследовательского проекта.

Ключевые слова: эмиссия парниковых газов, метан, углеродная нейтральность, водохранилище, Рыбинское, Куйбышевское, Волгоградское, Чиркейское, Богучанское, Саяно-Шушенское, Зейское, Бурейское, Колымское водохранилища.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в России эксплуатируется более 100 крупных водохранилищ, которые предназначены для решения широкого спектра проблем в сферах энергетики, судоходства, сельского хозяйства, защиты от наводнений и т. д. Но помимо очевидной пользы, водохранилища приносят и новые проблемы. Одна из них – это эмиссия парниковых газов, в основном углекислого газа (CO2) и метана (CH4), которые служат драйверами глобальных изменений климата [7]. Пока в экспертном сообществе нет единого мнения относительно реального влияния водохранилищ на эмиссию парниковых газов, что в первую очередь связано с недостаточной изученностью данного вопроса. Но если для водохранилищ других стран подобные оценки имеются [8], то для России их пока мало, а те, что есть, практически отсутствуют в глобальных базах данных. Помимо фундаментального, данная проблема имеет и практический аспект, особенно важный для России: в настоящее время отсутствует определенность в отношении углеродной нейтральности отечественных ГЭС, использующих водные ресурсы водохранилищ для выработки электроэнергии.

В 2021 г. ИФА им. А.М. Обухова РАН по заказу ПАО “РусГидро” начал трехлетний цикл исследований по теме “Измерение выбросов парниковых газов и оценка поглощающей способности гидроэнергетических объектов”. Основу проекта составляют полевые измерения элементов баланса парниковых газов, прежде всего СН4, на крупных водохранилищах России с целью оценки вклада гидроэнергетических объектов страны в общую эмиссию углерода. На основе полученных данных, а также математического моделирования и ранее разработанных методических подходов (с участием соисполнителей проекта – НИВЦ МГУ и ИГКЭ им. Ю.А. Израэля) будет разработана национальная расчетная методика по оценке выбросов парниковых газов и поглощающей способности водохранилищ ГЭС [4, 11].

Объекты исследования – крупнейшие водохранилища России: Рыбинское, Куйбышевское, Волгоградское и Чиркейское (Европейская часть России), Саяно-Шушенское, Богучанское, Зейское, Бурейское и Колымское (Азиатская часть России). Они находятся в разных физико-географических условиях: от субтропических до субполярных широт (от 42 до 62° с.ш.), от умеренно-континентального климата западных районов России до резко-континентального климата в восточной части страны, на равнинах и в горах, в районах без многолетней мерзлоты и с ее сплошным развитием (рис. 1). Указанные водоемы замыкают бассейны с разной степенью антропогенного воздействия – от находящихся в практически первозданном виде до полностью преобразованных в результате хозяйственной деятельности. Самые “старые” из водохранилищ эксплуатируются многие десятки лет, а самые “молодые” наполнены в последние 10–15 лет (табл. 1). Среди этих объектов есть как мелководные водоемы со средними глубинами 6–10 м, так и глубоководные с максимальными глубинами >200 м. Большинство водохранилищ имеют коэффициент водообмена <2 год–1. В исследуемых водоемах наблюдается разная комбинация перечисленных факторов, что создает разнообразные условия их формирования и эмиссии парниковых газов.

Рис. 1.

Местоположение и размеры объектов исследования.

Таблица 1.  

Краткие сведения о водохранилищах и некоторые результаты экспедиционных исследований в летне-осенний период 2021 г. (НБ – нижний бьеф, ВБ – верхний бьеф, СТС – слой температурного скачка)

Водохранилище/ характеристика 1 – Рыбинское 2 – Куйбышевское 3 – Волгоградское 4 – Чиркейское 5 – Саяно–Шушенское 6 – Богучанское 7 – Зейское 8 – Бурейское 9 – Колымское
Даты экспедиций 13–16.09 16–19.08 9–20.09 24–26.08 20–30.09 05–26.09 18–25.09 10–16.09 1.09–19.09
Уровень ВБ, м абс. 99.9 51.7–52.0 14.3–14.5 349.4 536.1 207.9 318.1–317.8 254.8–255.0 447.5–448.5
Количество станций (включая НБ) 14 10 22 9 7 17 19 19 21
Температура воды, °С
на поверхности/ у дна 		11.2–14/
11.2–14 		28–29/
22–23 		17–20/
17–20 		25–26/
10–10.1 		16.0–16.6/
4.5–5.2 		12–13/
4–9 		14–15/
4.9–5.5 		16–20/
8–9 		11–13/
5–11
Выраженность и глубина СТС Отсутствует
(полное перемешивание) 		Выражен только в Черемшанском заливе 6.5–10.0 м Отсутствует
(полное перемешивание) 		9–12 м синоптический, 50–60 м сезонный Выражен,
60–100 м 		Выражен,
15–18 м 		Выражен,
15–20 м в верховье
до 60 м у плотины 		Выражен,
20 м в верховье
до 40 м у плотины 		Выражен,
30–45 м
Наличие зоны гипоксии Не выявлено Зона гипоксии
только в Черемшанском заливе 		Не выявлено Не выявлено Не выявлено (зондирование на 2/3 глубины) Зона гипоксии только в Ковинском разливе Не выявлено Не выявлено Не выявлено
Содержание CH4 в воде, мкл/л 2.0–13 0.5–26.4 (локально до 5000) 2–8
в заливах до 41 		На поверхности 0.16–1.75 1.9–3.9 0.09–6.51 2–5
единично до 40 		<10
редко до 20 единично до 43 		0.04–4.4
единично 91.2 и 116
Среднее содержание CH4 в воздухе, ppm 1.86 2.7 2.2 1.61 2.0 2.1 2.0 1.75 2.1
Потоки CH4 с основной акватории – диапазон величин, мг С–CH4/м2/сут 0.2–30.9 1.5–80.7 1.4–24.4 0–2.7 0.09–7.79 0–5.2 0.1–15 0–22.3 0.4–10.4
Поток CH4 на отдельных участках (мелководных заливах и др.), мг С–CH4/(м2/сут) 37.9–65 (приплотинные глубокие участки) 128–353 (Черемшанский залив) 1.1 (Ерусланский залив) –72.9 (Камышинский залив) Экстремальных значений нет 0.79 на ближнем к плотине притоке (4 км) и 3.86 на дальнем (17 км) 58.6–115.6 (Ковинский залив, затопленное болото) До 30–860 (мелководный залив и р. Зея) Экстремальных значений нет До 30.5 (единичное измерение на фарватере)
Период наполнения* 1941– 1947 гг. 1955–1957 гг. 1958–1960 гг. 1970–1974 гг. 1975–1990 гг. 2012–2015 гг. 1975–1985 гг. 2003–2008 гг. 1980– 1994 гг.
Вид регулирования Многолетнее Сезонное Сезонное Многолетнее Сезонное Сезонное Многолетнее Сезонное Многолетнее
Главная река Волга Волга Волга Сулак Енисей Ангара Зея Бурея Колыма
НПУ, м абс. 102.0 53.0 15.0 355.0 539.0 208.0 315.0 256.0 451.5
Длина, км 250 510 540 35.5 312 375 290 236 148
Ширина средняя (максимальная), км 18(56) 11.6 (40) 5.8 (17) 1.2(4.0) 6.3 (12) 6.3 (15) 8.4 (24) 1.0 (5.0) 3 (10)
Площадь зеркала при НПУ, км2 4550 6150 3117 42.4 608 2326 2420 740 441
Объем при НПУ, км3 25.4 57.3 31.5 2.78 30.7 58.2 68.4 20.9 15.1
Глубина максимальная при НПУ, м 30.4 41.0 41 140 220 74 100 125 121.5
Объем притока средний годовой, км3 31.4 264.5 260 5.55 47.3 80.7 24.7 27.49 14.7

* Паспортные характеристики водохранилищ приведены по материалам [1].

Основные по вкладу в парниковый эффект парниковые газы (после водяного пара) – CO2 и СH4. CO2 в основном поглощается водохранилищами (за исключением короткого начального периода после их наполнения, когда активно разлагается часть затопленной органики), консервирующими в донных отложениях поступающий из атмосферы и приносимый притоками углерод. Но благодаря разложению органики в донных отложениях в бескислородных условиях может выделяться и поступать в атмосферу значительное количество СH4; т. е. водохранилища могут быть существенным антропогенным источником этого парникового газа [7, 13].

Концентрация CH4 в атмосфере очень мала. При этом он третий по значимости парниковый газ в атмосфере – его вклад в парниковый эффект достигает 10%. Его парниковая активность (способность поглощать длинноволновую радиацию в инфракрасной области спектра) в 25 раз сильнее (по последним оценкам даже в 28), чем у CO2 [9]; т. е. увеличение количества СH4 в атмосфере на 1% вызовет в 25 раз больший парниковый эффект, чем увеличение на 1% CO2.

Интенсивность процесса метаногенеза зависит от температуры, он наиболее активно идет в теплой воде. Также интенсивность эмиссии может существенно различаться в зависимости от возраста водохранилищ, проточности, характерной глубины, сезона наблюдений и многих других факторов [2].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

На акватории водохранилищ эмиссия СH4 определяется его поступлением из донных отложений, продукцией в воде, притоком с поверхности водосбора (с природными и сточными водами), а также его расходом на окисление в водной толще и расходом в результате дегазации воды при сбросе ее в нижний бьеф [10]. В нижнем бьефе эмиссия СH4, как и CO2, возможна при дегазации вод, сбрасываемых через плотину. В соответствии с этим была разработана концепция полевых исследований, которая предусматривает следующее. В 2021–2023 гг. на каждом объекте планируется по 5 экспедиций (в некоторых случаях больше), которые позволят охватить все фазы гидрологического режима водоемов. Наблюдения проводятся на акваториях водохранилищ, в нижних бьефах их плотин, а также в главном и в одном-двух второстепенных притоках. Основное содержание полевых работ составляет отбор проб воды и воздуха, а также определение удельного потока СH4 с поверхности воды. В водохранилищах пробы отбираются из поверхностного и придонного горизонтов, а также из-под слоя скачка (как в русловой части, так и на пойме); в притоках и нижнем бьефе – только с поверхности. Пробы воздуха отбираются в тех же местах, что и пробы воды. Плавучие камеры устанавливаются только на акватории водохранилищ (одновременно с отбором проб). Пробоотбор сопровождается зондированием толщи воды (с измерением температуры, электропроводности, содержания растворенного кислорода) и измерением метеорологических характеристик (температуры и влажности воздуха, атмосферного давления и скорости ветра). Также проводится отбор донных отложений для определения содержания органического вещества.

Все пробы воздушной фазы закачиваются во флаконы с раствором поваренной соли (чтобы исключить возможность утечки и растворения в воде СH4, а также для ингибирования микробиологической деятельности). Концентрации СH4 в пробах воды определяются в лаборатории ИФА РАН методом “headspacе” [6] на газовом хроматографе с пламенно-ионизационным детектором “Хроматэк-Кристалл 5000.2”, согласно [3]. На этом же хроматографе определялись концентрации СH4 во всех пробах воздуха. Измерение удельного потока СH4 в атмосферу проводится методом плавучих камер [5] по разности концентраций СH4 в камерах в начале, в промежутках и в конце экспериментов.

КРАТКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Ниже приведены предварительные результаты первого полевого этапа работы, который состоялся в конце лета – начале осени 2021 г. В табл. 1 содержится основная информация о работе на каждом объекте, а также о его гидрологическом состоянии в период исследований (на фоне режимных сведений).

В летне-осенний период 2021 г. удельные потоки СH4 сильно различались не только между водохранилищами, но и внутри них. Наименьшие величины измерены на горных водохранилищах – Чиркейском и Колымском. Потоки были низкими и в Богучанском и Саяно-Шушенском водохранилищах (возможно, что это связано с неполным охватом их акваторий наблюдениями). Наибольшие потоки измерены на волжских водохранилищах. На многих водохранилищах локальные максимумы удельного потока (а также концентрации СH4 в воде) обнаружены в мелководных заливах и на участках акваторий над бывшими болотными массивами (например, в Зейском, Куйбышевском и Богучанском водохранилищах). В целом оказалось, что во всех водохранилищах измеренные потоки СH4 соответствовали нижней границе имеющейся оценки эмиссии СH4 для водоемов бореальной зоны [12]. И лишь в отдельных местах они приближались к верхней границе этой оценки. Концентрация СH4 в воде, как и его потоки, варьировала в широких пределах. Она была меньше в Чиркейском, Саяно-Шушенском, Зейском и Бурейском водохранилищах, а больше – в волжских водохранилищах.

Таким образом, в летне-осенний период удельный поток и концентрация СH4 были больше в волжских водохранилищах, несмотря на их хорошую проточность и хорошую аэрацию их придонных горизонтов. Скорее всего это связано с их мелководностью, хорошим прогревом придонных горизонтов, а также с большой продуктивностью и антропогенной нагрузкой.

Список литературы

  1. Вода России. http://water-rf.ru (дата обращения: 13.01.2022)

  2. Гречушникова М.Г., Репина И.А., Степаненко В.М., Казанцев В.С. и др. Пространственно-временные изменения содержания и эмиссии метана в водохранилищах с различным коэффициентом водообмена // Изв. РГО. Т. 150. Вып. 5. 2018. С. 14–33.

  3. РД 52.44.816-2015 Массовая концентрация метана и диоксида углерода в приземном слое атмосферного воздуха. Методика измерений методом газовой хроматографии. 2015. 44 с.

  4. Степаненко В.М., Гречушникова М.Г., Репина И.А. Численное моделирование эмиссии метана из водохранилища // Фундаментальная и прикладная климатология. 2020. Т. 2. С. 76–99.

  5. Bastviken D., Cole J., Pace M., Tranvik L. Methane emissions from lakes: Dependence of lake characteristics, two regional assessments, and a global estimate // Global Biochemi. Cycles. 2004. V. 18. 12 p.

  6. Bastviken D., Santoro A.L., Marotta H., Pinho L.Q., Calheiros D.F., Crill P., Enrich-Prast A. Methane emissions from Pantanal, South America, during the low water season: toward more comprehensive sampling // Environ Sci. Technol. 2010. V. 44. №14. P. 5450–5455.

  7. Cole J.J., Prairie Y.T., Caraco N.F., McDowell W.H., Tranvik L.J., Striegl R.G., Duarte C.M., Kortelainen P., Downing J.A., Middelburg J.J., Melack J. Plumbing the global carbon cycle: integrating inland waters into the terrestrial carbon budget // Ecosystems. 2007. V. 10. № 1. P. 172–185.

  8. Deemer B.R., Harrison J.A., Li S., Beaulieu J.J., DelSontro T., Barros N., Bezerra-Neto J.F., Powers S.M., dos Santos M.A., Vonk J.A. Greenhouse gas emissions from reservoir water surfaces: a new global synthesis. Dryad Digital Repository. [Электронный ресурс] https://doi.org/10.5061/dryad.d2kv0 (дата обращения: 13.01.2022)

  9. Feldman D.R., Collins W.D., Biraud S.C. et al. Observationally derived rise in methane surface forcing mediated by water vapour trends // Nature Geosci. 2018. V. 11. P. 238–243. [Электронный ресурс]https://doi.org/10.1038/s41561-018-0085-9 (дата обращения: 10.02.2022)

  10. Greenhouse Gas Emissions: Fluxes and Processes, Hydroelectric Reservoirs and Natural Environments. Environmental Science Series / Eds Tremblay A., Varfalvy L., Roehm C., Garneau M. N. Y.: Springer, 2005. 732 p.

  11. Romanovskaya A.A., Korotkov V.N., Polumieva P.D., Trunov A.A., Vertyankina V.Yu., Karaban R.T. Greenhouse gas fluxes and mitigation potential for managed lands in the Russian Federation // Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change. 2020. V. 25. № 4. P. 661–687.

  12. Varis O., Kummu M., Härkönen S., Huttunen J.T. Greenhouse Gas Emissions from Reservoirs Greenhouse gas emissions from reservoirs // Impacts of large dams: a global assessment. Berlin: Springer, 2012. P. 69–94.

  13. UNESCO/IHA research project on the GHG status of UNESCO freshwater reservoirs // IHA. 2013. 41 p.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Водные ресурсы

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал