Đánh giá khả năng phát thải khí nhà kính của hồ thủy điện sơn la

--- PHẠM VĂN HOÀNG ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍNH CỦA HỒ THỦY ĐIỆN SƠN LA LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG... --- PHẠM VĂN HOÀNG ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍN

-

PHẠM VĂN HOÀNG

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍNH CỦA

HỒ THỦY ĐIỆN SƠN LA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

-

PHẠM VĂN HOÀNG

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍNH CỦA

HỒ THỦY ĐIỆN SƠN LA

Chuyên ngành: Khoa học Môi trường

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS Nguyễn Thị Thế Nguyên

Trường Đại học Thủy lợi

PGS.TS Nguyễn Mạnh Khải

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG HN

L ỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi

dụng, kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách

được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Học viên

Phạm Văn Hoàng

LỜI CẢM ƠN

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất, tôi xin chân thành gửi tới TS Nguyễn Thị Thế Nguyên và PGS.TS Nguyễn Mạnh Khải đã tận tình hướng dẫn,

thuận lợi nhất để tôi sớm hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Lời cảm ơn sâu sắc tôi xin gửi đến ban Lãnh đạo Liên hiệp Khoa học công nghệ Môi trường và Phát triển bền vững đã giúp đỡ và mọi tạo điều kiện thuận lợi nhất để tôi có thể hoàn thành chương trình học tập trong thời gian qua

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban giám hiệu nhà trường cùng toàn thể các Thầy, Cô giáo trong nhóm Năng lượng môi trường và Khoa Môi trường - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tận tình giảng dạy, trao đổi kiến thức và hỗ trợ tôi trong suốt quá trình học tập nghiên cứu khoa học đạt kết quả tốt nhất

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đối với gia đình, nguồn động lực chính để tôi có sức mạnh vượt qua mọi khó khăn trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn này Các anh, chị, em, bạn bè thân hữu đã luôn động viên, khuyến khích và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập

Dù đã rất cố gắng hoàn thành luận văn bằng tất cả lòng nhiệt tình và tâm huyết, song chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, tôi mong nhận được sự góp ý chân thành từ quý Thầy, Cô giáo

Hà Nội, ngày 25 tháng 2 năm 2016

Học viên

Phạm Văn Hoàng

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Sự cần thiết nghiên cứu của đề tài luận văn 1

2 Mục tiêu tiêu của đề tài 2

3 Nội dung nghiên cứu 2

4 Ý nghĩa của đề tài 2

4.1 Ý nghĩa khoa học 2

4.2 Ý nghĩa trong thực tiễn 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4

1.1 Cơ sở khoa học 4

1.1.1 Cơ sở lý luận 4

1.1.2 Cơ sở thực tiễn 11

1.2 Quá trình hình thành khí nhà kính từ một lưu vực tự nhiên 12

1.2.1 Chu trình Cacbon trong một lưu vực tự nhiên 12

1.2.2 Chu trình Cacbon trong một hệ sinh thái thủy sinh 13

1.2.3 Sự hình thành khí Mêtan trong môi trường thủy sinh yếm khí 14

1.3 Chu trình carbon trong một hồ chứa 17

1.4 Những yếu tố ảnh hưởng tới khả năng phát thải khí nhà kính từ hồ thủy điện 19 1.4.1 Quá trình cacbon hữu cơ vào hồ chứa 19

1.4.2 Các điều kiện dẫn đến sản sinh các loại khí nhà kính 20

1.4.3 Quy trình ảnh hưởng đến sự phân bố của khí nhà kính trong các hồ chứa: 20

1.5 Lịch sử nghiên cứu khả năng phát thải khí nhà kính từ hồ thủy điện 20

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23

2.1 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 23

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 23

2.1.2 Phạm vi nghiên cứu 23

2.2 Địa điểm và thời gian nghiên cứu 23

2.2.1 Địa điểm nghiên cứu 23

2.2.2 Thời gian nghiên cứu 24

2.3 Phương pháp nghiên cứu 26

2.3.1 Phương pháp kế thừa 26

2 3.2 Phương pháp tổng hợp và phân tích số liệu 26

2.3.3 Phương pháp mô hình hồi quy 26

2.3.4 Phương pháp lấy mẫu, bảo quản mẫu và phương pháp xác định 28

2.3.5 Phương pháp xử lý số liệu 31

2.4 Thời gian lấy mẫu 31

2.5 Cách tiếp cận giải quyết vấn đề nghiên cứu 32

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 33

3.1 Đặc điểm khu vực nghiên cứu 33

3.1.1 Đặc điểm hồ chứa thủy điện Sơn La 33

3.1.2 Điều kiện địa hình 35

3.1.3 Điều kiện địa chất 36

3 1.4 Thổ nhưỡng 36

3.1.5 Điều kiện khí hậu 39

3.1.6 Điều kiện thủy văn 43

3.1.7 Tài nguyên sinh vật và đa dạng sinh học lưu vực sông Đà 46

3.2 Đánh giá chất lượng nước hồ thủy điện Sơn La trước và sau tích nước 48

3.3 Xác định lượng khí CO2 và CH4 phát thải trên mặt hồ 56

3.3.1 Kết quả đo khí CO 2 56

3.3.2 Kết quả đo khí CH 4 57

3.4 Một số yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành khí CO2, CH4 trong hồ thủy điện Sơn La 59

3.4.1 Mối quan hệ giữa CO 2 , CH 4 và nhiệt độ nước hồ 59

3.4.2 Mối quan hệ giữa CO 2 , CH 4 với Oxy hòa tan (DO) 61

3.4.3 Mối quan hệ giữa CO 2 , CH 4 với COD 62

3.4.4 Mối quan hệ giữa CO 2 , CH 4 với độ kiềm 64

3.4.5 Mối quan hệ giữa CO 2 , CH 4 với tổng Nitơ 65

3.4.6 Mối quan hệ giữa CO 2 , CH 4 với PO 4 3- 67

3.4.7 Mối quan hệ giữa CO 2 , CH 4 v ới pH 68

3.4.8 Mối quan hệ giữa CO 2 , CH 4 với TDS 69

3.4.9 Mối quan hệ giữa CO 2 , CH 4 với độ dẫn điện 71

3.5 Xây dựng phương trình dự báo lượng phát thải khí CO2 và CH4 trên hồ thủy điện Sơn La 72

3.5.1 Phương trình dự báo khả năng phát thải khí CO 2 72

3.5.2 Phương trình dự báo khả năng phát thải khí CH 4 74

3.6 Kiểm định phương trình 75

3.6.1 Kiểm định phương trình dự báo phát thải khí CO 2 75

3.6.2 Kiểm định phương trình dự báo phát thải khí CH 4 76

3.7 Một số biện pháp giảm thiểu phát thải khí nhà kính (CO2 và CH4) cho hồ thủy điện Sơn La 77

3.7.1 Trồng và bảo vệ rừng đầu nguồn 78

3.7.2 Quản lý, sử dụng hợp lý tài nguyên đất lưu vực hồ chứa Sơn La 81

3.7.3 Một số giải pháp khai thác hợp lý tài nguyên nước mặt khu vực hồ chứa Sơn La 82

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

PHỤ LỤC 91

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Tọa độ vị trí lấy mẫu 23

Bảng 2.2 Đánh giá mối liên hệ từ hệ số tương quan 27

Bảng 2.3 Dữ liệu đầu vào mô hình 27

Bảng 2.4 Các thông số nước mặt và phương pháp xác định 28

Bảng 2.5 Thời gian lấy mẫu 31

Bảng 3.1 Diện tích các loại rừng vùng lưu vực Sông Đà 48

Bảng 3.2 Tổng hợp kết quả chất lượng nước hồ TĐ Sơn La (2009-2014) 48

Bảng 3.3 Tổng lượng sinh khối bị ngập khi hồ tích nước 51

Bảng 3.4 Kết quả phân tích chất lượng nước hồ TĐ Sơn La 2015 53

Bảng 3.5 Kết quả đo lượng khí CO2 trên mặt hồ 56

Bảng 3.6 Kết quả đo lượng khí CH4 trên mặt hồ 58

Bảng 3.7 Mối quan hệ giữa CO2, CH4 với nhiệt độ 59

Bảng 3.8 Mối quan hệ giữa CO2, CH4với DO 61

Bảng 3.9 Mối quan hệ giữa CO2, CH4với COD 62

Bảng 3.10 Mối quan hệ giữa CO2, CH4với Độ kiềm 64

Bảng 3.11 Mối quan hệ giữa CO2, CH4với tổng N 65

Bảng 3.12 Mối quan hệ giữa CO2, CH4với PO43- 67

Bảng 3.13 Mối quan hệ giữa CO2, CH4với pH 68

Bảng 3.14 Mối quan hệ giữa CO2, CH4với TDS 69

Bảng 3.15 Mối quan hệ giữa CO2, CH4với độ dẫn điện 71

Bảng 3.16 Mối tương quan giữa CO2 với một số chỉ tiêu trong nước 72

Bảng 3.17 Hệ số xác định giữa CO2 với một số chỉ tiêu trong nước 73

Bảng 3.18 Mối tương quan giữa CH4 với một số chỉ tiêu trong nước 74

Bảng 3.19 Hệ số xác định giữa CH4 với một số chỉ tiêu trong nước 75

Bảng 3.20 Tỷ lệ phát thải khí CO2từ hồ thủy điện Sơn La 76

Bảng 3.21 Tỷ lệ phát thải khí CH4từ hồ thủy điện Sơn La 77

Bảng 3.22 Tên một số loại cây trồng rừng phòng hộ đầu nguồn 79

Bảng 3.23 Một số loại cây bản địa 80

Bảng 3.24 Phát triển rừng phù hợp với địa hình, đất đai khu vực 81

Bảng 3.25 Danh sách các điểm giám sát lấy mẫu chất lượng nước 83

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Mô hình hiệu ứng khí nhà kính 5

Hình 1.2 Khí CO2trong khí quyển tăng dần từn năm 1978 7

Hình 1.3 Khí CH4trong khí quyển tăng trong các năm 8

Hình 1.4 Chu trình khí nhà kính từ một lưu vực tự nhiên 13

Hình 1.5 Chu trình cacbon trong hệ sinh thái thủy sinh 14

Hình 1.6 Mặt cắt miêu tả quá trình sinh khí CH4, CO2, từ một hồ, trường hợp này là hồ thủy điện Sơn La 18

Hình 1.7 Sơ đồ lịch sử nghiên cứu về khí nhà kính và khả năng phát thải khí nhà kính từ hồ thủy điện 21

Hình 2.1 Sơ đồ vị trí lấy mẫu 25

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý lấy mẫu khí CO2 29

Hình 2.3 Ảnh lấy mẫu nước, khí CO2, CH4 31

Hình 2.4 Sơ đồ các bước thực hiện 32

Hình 3.1 Sơ đồ vị trí hồ thủy điện Sơn La 34

Hình 3.2 Sơ đồ các loại đất lưu vực sông Đà 38

Hình 3.3 Lượng mưa trung bình nhiều năm lưu vực sông Đà 41

Hình 3.4 Dòng chảy trung bình nhiều năm lưu vực sông Đà 45

Hình 3.5 Đồ thị giá trị trung bình một số chỉ tiêu chất lượng nước hồ 50

TĐ Sơn La 50

Hình 3.6 Đồ thị giá trị trung bình giá trị N và P trong nước hồ TĐ Sơn La 51

Hình 3.7 Biểu đồ chất lượng nước hồ TĐ Sơn La 2015 54

Hình 3.8 Biểu đồ hàm lượng chất dinh dưỡng Nitơ và PO43- 55

trong hồ TĐ Sơn La 55

Hình 3.9 Đồ thị lượng khí CO2sinh ra trên mặt hồ 57

Hình 3.10 Đồ thị lượng khí CH4 sinh ra trên mặt hồ 58

Hình 3.11a Mối tương quan giữa CO2 sinh ra và nhiệt độ của nước 60

Hình 3.11b Mối tương quan CH4 và nhiệt độ của nước 60

Hình 3.12a Mối tương quan giữa CO2 và DO 62

Hình 3.12b Mối tương quan CH4 và DO 62

Hình 3.13a Mối tương quan giữa CO2 và COD 63

Hình 3.13b Mối tương quan CH4 và COD 63

Hình 3.14a Mối tương quan giữa CO2 và độ kiềm 65

Hình 3.14b Mối tương quan CH4 và độ kiềm 65

Hình 3.15a Mối tương quan giữa CO2và tổng N 66

Hình 3.15b Mối tương quan giữa CH4và tổng N 66

Hình 3.16a Mối tương quan giữa CO2 và PO43- 68

Hình 3.16b Mối tương quan giữa CH4 và PO43- 68

Hình 3.17a Mối tương quan giữa CO2 và pH 69

Hình 3.17b Mối tương quan giữa CH4 và pH 69

Hình 3.18a Mối tương quan giữa CO2 và TDS 70

Hình 3.18b Mối tương quan giữa CH4 và TDS 70

Hình 3.19a Mối tương quan giữa CO2 và Cond 72

Hình 3.19b Mối tương quan giữa CH4 và Cond 72

Hình 3.20 Biểu đồ thể hiện CO2 thực nghiệm và dự báo 76

Hình 3.21 Biểu đồ thể hiện CH4thực nghiệm và dự báo 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt

thứ nhất của Việt Nam cho công ước khung của Liên hợp Quốc về biến đổi khí hậu

dự án xây dựng thủy điện Sơn La

Chất lượng nước và giải pháp cải thiện chất lượng, NXB Khoa học Kỹ thuật,

Hà Nội

Quế (1999) Kiểm kê khí nhà kính khu vực nông nghiệp năm 1994, “Báo cáo

khoa học hội thảo 2, đánh giá kết quả kiểm kê khí nhà kính, dự án thông báo Quốc gia về biến đổi khí hậu, Viện Khí tượng Thuỷ văn Trung ương”

nghệ

lượng môi trường thủy điện Sơn La

nguyên và môi trường hồ chứa Sơn La phục vụ phát triển kinh tế xã hội bền vững”

canh tác lúa nước ở khu vực đồng bằng sông Hồng”

thiểu phát thải khí nhà kính của ngành sản xuất lúa nước ở Việt Nam”

Tiếng Anh

10 A Kumar, MP Sharma (2012), Greenhouse gas emissions from hydropower reservoirs, India

11 A Kumar, MP Sharma (2014), Impact of water quality on GHG emissions from Hydropower Reservoir, India

12 Amit Kumar, MP Sharma (2015), Assessment of risk of GHG emissions from Tehri hydropower reservoir, India

13 Algar, C K., and B P Boudreau (2010), Stability of bubbles in a linear elastic

medium: Implications for bubble growth in marine sediments J Geophys Res

115: F03012

14 Abril, G.; Guerin, F.; Richard, S.; Delmas, R.; Galy-Lacaux, C.; Gosse, P.; Tremblay, A.; Varfalvy, L.; Dos Santos, M.A & Matvienko, B (2005) Carbon dioxide and methane emissions and the carbon budget of a 10-year old tropical

reservoir (Petit Saut, French Guiana) Global Biogeochemical Cycles, Vol.19

No.4, Oct, 0886-6236

15 Aberg, J.; Bergstrom, A.K.; Algesten, G.; Soderback, K & Jansson, M (2004)

A comparison of the carbon balances of a natural lake (L Ortrasket) and a hydroelectric reservoir (L Skinnmuddselet) in northern Sweden Water Research, Vol.38 No.3, Feb, pp 531538, 0043-1354

16 Barros, N.; Cole, J.J.; Tranvik, L.J.; Prairie, Y.T.; Bastviken, D.; Huszar, V.L.M.; Del Giorgio, P & Roland, F (2011) Carbon emission from

hydroelectric reservoirs linked to reservoir age and latitude Nature Geoscience,

Vol.4 No.9, Sep, pp 593-596, 17520894

17 Bastviken, D.; Cole, J.; Pace, M & Tranvik, L (2004) Methane emissions from lakes: Dependence of lake characteristics, two regional assessments, and a

global estimate Global Biogeochemical Cycles, Vol.18 No.4, Oct 20,

0886-6236

18 Chen, H., N Wu, S Yao, Y Gao, D Zhu, Y Wang, W Xions, and X Yuan

2009 High methane emissions from a littoral zone on the Qinghai-Tibetan Plateau, Atmospheric Environ 43, 4995-5000

19 Chen, H., X Yuan, Y Gao, N Wu, D Zhu, and J Wang 2010 Nitrous oxide emissions from newly created littoral marshes in the drawdown area of the three Gorges reservoir, China Water, Air, & Soil Pollution, 1-9

20 Chen, H., X Yuan, Z Chen, Y Wu, X Liu, and D Zhu 2011 Methane emissions from the surface of the Three Gorges Reservoir J Geophys Res., 9; 116:5

21 Chen, H., Y Wu, X Yuan, Y Gao, N Wu, and D Zhu 2009 Methane emissions from newly created marshes in the drawdown area of the Three Gorges Reservoir, J Geophys Res., 114, D18301, doi:10.1029/ 2009JD012410

22 Dlugokencky, E J., K A Masarie, P M Lang, and P P Tans 1998 Continuing decline in the growth rate of the atmospheric methane burden, Nature,

393, 447-450

23 Dlugokencky, E J., L Bruhwiler, J W C White, L K Emmons, P C Novelli,

S A Montzka, K A Masarie, P M Lang, A M Crotwell, J B Miller, and L

V Gatti 2009 Observational constraints on recent increases in the

atmospheric CH4 burden, Geophys Res Lett., 36, L18803,

doi:10.1029/2009GL039780

24 Dlugokencky, E J., S Houweling, L Bruhwiler, K A Masarie, P M Lang, J

B Miller, and P P Tans 2003 Atmospheric methane levels off: Temporary

pause or a new steady-state?, Geophys Res Lett., 19,

doi:10.1029/2003GL018126

25 Davidson, E.A., M Keller, H.E Erickson, L.V Verchot, and E Veldkamp

2000 Testing a conceptual model of soil emissions of nitrous and nitric oxides BioScience, 50: 667-680

26 DelSontro, T., D F., McGinnis, S., Sobek, I., Ostrovsky, and B., Wehrli 2010

Extreme Methane Emissions from a Swiss Hydropower Reservoir: Contribution

from Bubbling Sediments Environ Sci Technol 447:2419-25

27 Delmas 2006 Methane and carbon dioxide emissions from tropical reservoirs:

Significance of downstream rivers, Geophys Res Lett., 33, L21407,

doi:10.1029/2006GL027929

28 Guerin, F., and G Abril (2007) Significance of pelagic aerobic methane oxidation in the methane and carbon budget of a tropical reservoir J Geophys Res Biogeosci 112:G03006

29 Guérin, F., G Abril, A de Junet, and M P Bonnet 2008a Anaerobic

decomposition of tropical soils and plant material: implication for the CO2 and

CH4 budget of the Petit Saut Reservoir Appl Geochem.; 23:2272-83

30 Guérin, F., G Abril, D Serça, C Delon, S Richard, R Delmas, A Tremblay, and L Varfalvy 2007 Gas transfer velocities of CO2 and CH4 in a tropical reservoir and its river downstream, J Mar Syst., 66, 161- 172

31 Huttunen, J.T.; Vaisanen, T.S.; Hellsten, S.K.; Heikkinen, M.; Nykanen, H.; Jungner, H.; Niskanen, A.; Virtanen, M.O.; Lindqvist, O.V.; Nenonen, O.S & Martikainen, P.J (2002) Fluxes of CH4 ,CO2, and N2O in hydroelectric

reservoirs Lokka and Porttipahta in the northern boreal zone in Finland Global

Biogeochemical Cycles, Vol.16 No.1, Mar, pp -, 0886-6236

32 IEA (2008) International Energy Agency Electricity/Heat in World in 2008 available via http://go.nature.com/6mAAWK

33 IPCC (2007) Intergovernmental Panel on Climate Change's Fourth Assessment Report

34 Keller, M and R F, Stallard 1994 Methane emission by bubbling from Gatun Lake, Panama J Geophys Res 99:8307-8319

35 Keller, M., W A Kaplan, and S C Wofsy 1986 Emissions of N2O, CH4 and CO2 from tropical forest soils, J Geophys Res., 91, 11,791- 11, 802

36 Kelly, C., J W M Rudd, V L St Louis, and T Moore 1994 Turning attention to reservoir surfaces, a neglected area in greenhouse studies Eos Trans AGU, Vol.75 No.29, pp 332

37 Martens, C S., and J V Klump (1984) Biogeochemical cycling in an organic-rich coastal marine basin 4 An organic carbon budget for sediments dominated

by sulfate reduction and methanogenesis: Geochim Cosmochim Acta, Vol 48,

pp 1987-2004