Đánh giá khả năng phát thải khí nhà kính của hồ Thủy điện Sơn La

Vì vậy, việc nghiên cứu kiểm kê phát thải khí nhà kính sinh ra từ hồ chứa Thủy điện Sơn La có vai trò quan trọng làm cơ sở để kiểm kê phát thải khí nhà kính cho các hồ chứa thủy điện khá

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

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

HÀ NỘI - 2016

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

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:

L ỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi Các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ rõ nguồn gốc Các số liệu sử dụng, kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan, phù hợp với thực tiễn của địa bàn nghiên cứu và chưa từng 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, góp ý cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn, đồng thời tạo mọi điều kiện 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

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

BUR

Báo cáo cập nhật hai năm một lần của Việt Nam cho công ước khung của Liên hợp Quốc về biến đổi khí hậu

UNESCO -IHE Tổ chức Giáo dục, Khoa học và Văn hóa của Liên hiệp quốc

MỞ ĐẦU

1 Sự cần thiết nghiên cứu của đề tài luận văn

Biến đổi khí hậu là vấn đề toàn cầu, thách thức nghiêm trọng đối với toàn nhân loại, gây ra những biến đổi mạnh mẽ thông qua các hiện tượng thời tiết cực đoan, dị thường Điển hình của kiểu thời tiết dị thường là nhiệt độ tăng, bão mạnh, mưa lớn, lũ

lụt, hạn hán và nước biển dâng cao Trong đó Việt Nam đã và đang phải đương đầu với những biểu hiện ngày càng gia tăng của những hiện tượng thời tiết này Những

yếu tố từ tự nhiên và đặc biệt là sự tác động từ con người ảnh hưởng không nhỏ đến quá trình biến đổi khí hậu trong đó có các hồ chứa thủy điện (TĐ) Thực hiện theo Công ước khung của Liên hợp quốc về biến đổi khí hậu (UNFCCC), Việt Nam đã xây dựng các Thông báo quốc gia và Báo cáo cập nhật 2 năm một lần (BUR) bao

gồm kết quả kiểm kê quốc gia khí nhà kính (KNK) Phát thải khí nhà kính tại Việt Nam phân theo các lĩnh vực: Năng lượng, các quá trình công nghiệp, nông nghiệp, sử

dụng đất và thay đổi sử dụng đất nông nghiệp (LULUCF), chất thải Quá trình tính toán phát thải KNK tuân theo hướng dẫn của IPCC Tuy nhiên đến nay vẫn chưa có kết quả chính thức cho việc kiểm kê lượng phát thải khí nhà kính trong lĩnh vực Thủy điện ở Việt Nam Vì vậy, việc nghiên cứu kiểm kê phát thải khí nhà kính sinh ra từ hồ chứa Thủy điện Sơn La có vai trò quan trọng làm cơ sở để kiểm kê phát thải khí nhà kính cho các hồ chứa thủy điện khác trong phạm vi ngành thủy điện, góp phần giảm thiểu nhẹ khả năng phát thải khí nhà kính từ các hồ chứa thủy điện vào quá trình biến đổi khí hậu

Nhà máy TĐ Sơn La có vị trí tại xã Ít Ong, huyện Mường La, tỉnh Sơn La Nhà máy được khởi công xây dựng vào ngày 2 tháng 12 năm 2005 Sau 7 năm xây dựng, Thủy điện Sơn La được khánh thành vào ngày 23 tháng 12 năm 2012 Quy mô công trình: mực nước dâng bình thường (MNDBT) 215m, mực nước chết (MNC) 175m; công suất lắp máy 2.400 MW; sản lượng điện trung bình hàng năm 9.429 triệu kWh

Hồ chứa có diện tích 224 km2 ứng với MNDBT 215 m (thuộc phạm vi 3 tỉnh: Sơn

La, Lai Châu và Điện Biên) Tổng dung tích hồ chứa là 9.260 triệu m3

, dung tích hữu ích là 6.504 triệu m3 Đến nay, nhà máy TĐ Sơn La đã đi vào hoạt động được khoảng

5 năm, vì vậy việc đánh giá khả năng phát thải khí nhà kính nhằm đưa ra các giải pháp giảm thiểu là rất cần thiết và là cơ sở bước đầu để ứng dụng nghiên cứu này cho định hướng tính toán phát thải cho các Dự án Thủy điện lân cận khác

Nhận thức rõ tầm quan trọng và tính cấp thiết của việc nghiên cứu này, tác giả

đã lựa chọn luận văn với đề tài: “Đánh giá khả năng phát thải khí nhà kính của hồ

Thủy điện Sơn La”

2 Mục tiêu của đề tài

Đánh giá khả năng phát thải khí nhà kính và xây dựng phương trình dự báo phát thải khí nhà kính CO2 và CH4 của hồ TĐ Sơn La

3 Nội dung nghiên cứu

- Đặc điểm khu vực nghiên cứu;

- Đánh giá chất lượng nước hồ chứa thủy điện Sơn La trước và sau khi tích nước;

- Xác định lượng khí CO2 và CH4 đo được từ mặt hồ TĐ Sơn La trong thời gian nghiên cứu

- Một số yếu tố ảnh hưởng tới khả năng phát thải khí CO2 và CH4 từ hồ TĐ Sơn La;

- Xây dựng phương trình dự báo khả năng phát thải khí CO2 và CH4 từ hồ TĐ Sơn La;

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

4 Ý nghĩa của đề tài

4.1 Ý nghĩa khoa học

Nghiên cứu góp phần làm sáng tỏ phương pháp tính toán dự báo phát thải khí nhà kính từ hồ thủy điện Sơn La cũng như các hồ nằm trong khu vực nhiệt đới khác

từ các thông số chất lượng nước cơ bản

4.2 Ý nghĩa trong thực tiễn

- Hiện tại, việc quan trắc chất lượng nước định kì được thực hiện thuận lợi hơn nhiều so với quan trắc khí CO2 và CH4 sinh ra từ hồ thủy điện Do vậy kết quả của

luận văn sẽ giúp tận dụng được kết quả đo chất lượng nước định kỳ thực hiện theo

2

Luật bảo vệ Môi trường số 55/2014/QH13 năm 2014 tại các hồ thủy điện để tính toán

dự báo lượng khí CO2 và CH4 phát thải từ hồ chứa mà không cần phải trực tiếp đo khí này ở hồ

- Luận văn đã đề xuất hướng giảm thiểu khí thải nhà kính, cũng như bảo vệ nguồn nước của hồ chứa thủy điện Sơn La và làm cơ sở định hướng tính toán phát

thải khí nhà kính từ các hồ thủy điện khác

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Cơ sở khoa học

1.1.1 Cơ sở lý luận

1.1.1.1 Một số khái niệm

* Khí hậu:

Theo WMO, khí hậu là trạng thái trung bình của thời tiết tại một khu vực nào

đó, như một tỉnh, một nước, một châu lục hoặc toàn cầu trên cơ sở chuỗi số liệu dài (thường từ nhiều tháng đến hàng triệu năm, trước đây thời gian dùng để đánh giá là

30 năm Khí hậu bao gồm các yếu tố nhiệt độ, độ ẩm, lượng mưa, áp suất khí quyển,

các hiện tượng xảy ra trong khí quyển và nhiều yếu tố khí tượng khác trong khoảng thời gian dài ở một vùng, miền xác định [47]

* Bi ến đổi khí hậu:

Theo IPCC (2007), biến đổi khí hậu là sự biến đổi trạng thái của hệ thống khí hậu, có thể được nhận biết qua sự biến đổi về trung bình và sự biến đổi về các thuộc tính của nó, được duy trì trong một khoảng thời gia đủ dài, điển hình là hàng thập kỷ hoặc dài hơn Nói cách khác, nếu coi trạng thái cân bằng của hệ thống khí hậu là điều

kiện thời tiết trung bình và những biến động của nó trong vài thập kỷ hoặc dài hơn, thì biến đổi khí hậu là sự biến đổi từ trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằng khác của hệ thống khí hậu [33]

* Hiệu ứng nhà kính:

Hiệu ứng nhà kính chỉ hiệu ứng giữ nhiệt ở tầng thấp của khí quyển bởi các khí nhà kính hấp thụ bức xạ từ mặt đất phát ra và phát xạ trở lại mặt đất làm cho lớp khí quyển tầng thấp và bề mặt Trái đất ấm lên tựa như vai trò của một nhà kính và được

gọi là hiệu ứng nhà kính

Các tia bức xạ sóng ngắn của mặt trời xuyên qua bầu khí quyển đến mặt đất và được phản xạ trở lại thành các bức xạ nhiệt sóng dài Một số phân tử trong bầu khí quyển, trong đó trước hết là điôxít cacbon và hơi nước, có thể hấp thụ những bức xạ nhiệt này và thông qua đó giữ hơi ấm lại trong bầu khí quyển Hàm lượng ngày nay

của khí đioxit cacbon vào khoảng 0,036% đã đủ để tăng nhiệt độ thêm khoảng 30°C

4

Nếu không có hiệu ứng nhà kính tự nhiên này nhiệt độ Trái Đất của chúng ta chỉ vào khoảng –15°C [47]

Hình 1.1 Mô hình hiệu ứng khí nhà kính [31]

* Khí nhà kính:

Khí nhà kính là những khí có khả năng hấp thụ các bức xạ sóng dài (hồng ngoại) được phản xạ từ bề mặt Trái Đất khi được chiếu sáng bằng ánh sáng mặt trời, sau đó phân tán nhiệt lại cho Trái Đất, gây nên hiệu ứng nhà kính Các khí nhà kính

chủ yếu bao gồm: hơi nước, CO2, CH4, N2O, O3, các khí CFC Tỷ lệ phần trăm các khí gây hiệu ứng nhà kính: Hơi nước (H2O): 36 đến 72%, CO2 khoảng 9 đến 26%,

CH4 khoảng 4 đến 9%, O3 khoảng 3 đến 7% [47]

a) Tính chất lý hóa học của CO 2

CO2 là một khí không màu mà khi hít thở phải ở nồng độ cao (nguy hiểm do nó

gắn liền với rủi ro ngạt thở) tạo ra vị chua trong miệng và cảm giác nhói ở mũi và cổ

họng Các hiệu ứng này là do khí hòa tan trong màng nhầy và nước bọt, tạo ra dung dịch yếu của axít cacbonic

Tỷ trọng riêng của nó ở 25°C là 1,98 kg/m3

, khoảng 1,5 lần nặng hơn không khí Phân tử cacbonic (O=C=O) chứa hai liên kết đôi và có hình dạng tuyến tính Nó

không có lưỡng cực điện Do nó là hợp chất đã bị ôxi hóa hoàn toàn nên về mặt hóa học nó không hoạt động lắm và cụ thể là không cháy

Ở nhiệt độ dưới -78°C, CO2 ngưng tụ lại thành các tinh thể màu trắng gọi là băng khô Điôxít cacbon lỏng chỉ được tạo ra dưới áp suất trên 5,1 barơ; ở diều kiện

áp suất khí quyển, nó chuyển trực tiếp từ các pha khí sang rắn hay ngược lại theo một quá trình gọi là thăng hoa

Nước sẽ hấp thụ một lượng nhất định điôxít cacbon và nhiều hơn lượng này khi khí bị nén Khoảng 1% điôxít cacbon hòa tan chuyển hóa thành axít cacbonic Axít cacbonic phân ly một phần thành các ion bicacbonat (HCO3-) và cacbonat (CO32-) Điôxít cacbon là sản phẩm cuối cùng trong cơ thể sinh vật có sự tích lũy năng lượng từ việc phân hủy đường hay chất béo với ôxy như là một phần của sự trao đổi

chất của chúng, trong một quá trình được biết đến như là sự hô hấp của tế bào Nó bao gồm tất cả các loài thực vật, động vật, nhiều loại nấm và một số vi khuẩn Trong các động vật bậc cao, CO2 chuyển trong máu từ các mô của cơ thể tới phổi và ở đây

CH4 hoàn toàn không độc Nguy hiểm đối với sức khỏe là nó có thể gây bỏng nhiệt Nó dễ cháy và có thể tác dụng với không khí tạo ra sản phẩm dễ cháy nổ

6

Mêtan rất hoạt động đối với các chất ôxi hoá, halogen và một vài hợp chất của halogen Mêtan là một chất gây ngạt và có thể chiếm chỗ ôxy trong không khí ở điều

kiện bình thường Ngạt hơi có thể xảy ra nếu mật độ oxy hạ xuống dưới 18 %

Mêtan là thành phần chính của khí tự nhiên, khí dầu mỏ, khí bùn ao, đầm lầy

Nó được tạo ra trong quá trình chế biến dầu mỏ, chưng cất khí than đá Mêtan có nhiều ứng dụng, chủ yếu dùng làm nhiên liệu Đốt cháy 1 mol mêtan có mặt ôxy sinh

ra 1 mol CO2 và 2 mol H2O (nước) [47]

CH4+ 2O2→ CO2+ 2 H2O

Nồng độ CO2 trong khí quyển ổn định hợp lý (thường là 278 ppm) trước khi công nghiệp hóa Kể từ đầu thế kỷ 20, nồng độ CO2 đã tăng khoảng 40 phần trăm, lên đến 390 ppm (Hình 1.2) Tốc độ tăng trưởng của carbon dioxide trong khí quyển ở mức trung bình khoảng 1,68 ppm mỗi năm Trong vòng 31 năm qua (1979-2010), trung bình khoảng 1,43 ppm/năm trước năm 1995, và 1,94 ppm mỗi năm sau đó Carbon dioxide sinh ra trong giai đoạn tiền công nghiệp đã làm tăng một lượng bức

xạ 1,66 (± 0,17) W.m2 Lượng khí thải trong quá khứ của các loại nhiên liệu hóa

thạch và sản xuất xi măng đã đóng góp khoảng ba phần tư của các bức xạ hiện tại,

phần còn lại do những thay đổi sử dụng đất [33]

Hình 1.2 Khí CO 2 trong khí quyển tăng trong các năm [33]

1.1.1.4 Diễn biến khí CH 4 trong khí quyển nhiều năm

Giống như CO2, nồng độ khí mêtan trong khí quyển ổn định hợp lý trước khi công nghiệp hóa (thường là 700 ppb) Kể từ khi công nghiệp hóa, nồng độ mêtan trong khí quyển đã tăng hơn 150 % (~ 1.790 ppb trong năm 2009) (Hình 1.3)

Hình 1.3 Khí CH 4 trong khí quyển tăng trong các năm [33]

Tỷ lệ gia tăng của khí CH4 giảm từ năm 1983 tới năm 1999, đạt đến gần ngưỡng ổn định nguyên nhân là do sự suy giảm nền kinh tế Liên Bang Xô Viết đã

giảm việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch Từ năm 1999 đến 2006, nồng độ CH4 khí quyển ổn định, gần như không thay đổi [33]

Tuy nhiên sự ổn định này tồn tại không dài, đến năm 2007 lượng khí CH4 trên toàn cầu đã bắt đầu tăng trở lại Nguyên nhân là do nhiệt độ ở phía Bắc Cực tăng làm cho các khối băng dần tan và giải phóng khí CH4; nguyên nhân nữa là ở các vùng nhiệt đới có lượng mưa tăng trong các năm 2007 và 2008 (Dlugokencky et al., 2009) Lượng khí CH4tăng đã gây ra một bức xạ khoảng 0,48 (± 0,05) W/m2

1.1.1.5 Một số thông số thể hiện mức độ ô nhiễm môi trường nước

Để đánh giá khả năng sinh khí nhà kính từ hồ chứa cũng như chất lượng nước

hồ có thể dựa vào một số chỉ tiêu cơ bản và giới hạn cho phép các chỉ tiêu Có nhiều thông số để đánh giá chất lượng nước tự nhiên như: Độ pH, độ cứng, nồng độ oxy

8

hòa tan, nồng độ sắt, man gan, kim loại nặng, độ đục, màu….Các thông số để đánh giá chất lượng nước thải: độ pH, độ kiềm, độ axit, nồng độ nitơ, photpho, sunfat,

nồng độ các chất và kim loại nặng, dầu mỡ, nhu cầu oxy hóa học; nhu cầu oxy sinh

học… Sau đây tác giả chỉ giới thiệu một số chỉ tiêu cơ bản;

Về mặt hóa, lý:

+ Màu: Màu của nước là do các chất bẩn trong nước gây nên Màu sắc của nước ảnh hưởng đến chất lượng khi sử dụng, ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm Khi nước chứa nhiều chất lơ lửng, các loại tảo, các chất hữu cơ, các vi sinh vật sống ở các

tầng sâu và tầng đáy, nơi thiếu ảnh sáng mặt trời làm cho hoạt động kém

+ Độ đục: Nước sạch tự nhiên không chứa các chất rắn lơ lửng nên trong suốt, không màu Khi chứa các hạt sét mùn, vi sinh vật, hạt bụi, các chất kết tủa thì nước

trở nên đục Nước đục ngăn cản quá trình chiếu sáng mặt trời xuống đáy thủy vực + Nhiệt độ: Nhiệt độ nước tự nhiên phụ thuộc vào điều kiện của khu vực hay môi trường khu vực

+ Tổng chất rắn hòa tan TDS: là tổng số các ion mang điện tích, bao gồm khoáng chất, muối hoặc kim loại tồn tại trong một khối lượng nước nhất định, thường được biểu thị bằng hàm số mg/l hoặc ppm Người ta thường dùng chỉ số TDS để làm

cơ sở ban đầu xác định mức độ sạch của nguồn nước Chất rắn hòa tan ảnh hưởng bởi dòng chảy tự nhiên, lượng nước thải do hoạt động sinh hoạt sản xuất của con người

đổ vào nguồn nước

+ Độ dẫn điện: Độ dẫn điện liên quan đến sự hiện diện của các muối kim loại như NaCl, KCl, Na2SO4, KNO3 , trong nước Khi nước có độ dẫn điện cao thường liên quan đến tính độc hại của các ion tan trong nước

+ Độ pH: Độ pH của nước là một trong các chỉ tiêu cần kiểm tra đối với chất lượng nước cấp và nước thải Giá trị pH đối với nước tinh khiết pH = 7, nước có tính axit pH < 7, nước có tính kiềm pH >7 Độ pH có ảnh hưởng lớn đến các điều kiện vi sinh vật sống dưới nước, cá thường không sống được khi pH < 4 hoặc pH > 10, sự thay đổi pH có liên quan đến sự hiện diện của hóa chất, axit, hoặc kiềm, có sự phân

hủy các chất hữu cơ, sự hòa tan của một số anion SO42-, hoặc NO3-

+ Độ axit hoặc độ kiềm: Độ axit của nước trong tự nhiên là do CO2 hoặc các axit vô cơ gây ra, CO2 có thể có trong nước do hấp thụ từ không khí hoặc do quá trình sinh học chuyển hóa thành các chất hữu cơ trong nước tạo thành CO2 và nước, các

axit vô cơ thường có nhiều trong nước ngầm, khi chảy qua các vùng mỏ hoặc lớp khoáng có chứa các hợp chất của lưu huỳnh như MeS, FeS2

Độ kiềm cao trong nước có ảnh hưởng tới sự sống của các vi sinh vật trong nước, là nguyên nhân gây nên độ cứng trong nước Trong kiểm soát ô nhiễm nước thì

độ kiềm là chỉ tiêu cần biết để tính toán cho quá trình trung hòa hoặc làm mềm nước,

hoặc các dung dịch đệm trung hòa axit sinh ra trong quá trình đông tụ

+ Nồng độ oxy hòa tan trong nước: Oxy hòa tan trong nước là lượng oxy từ không khí có thể hòa tan vào trong nước sẽ tham gia vào quá trình trao đổi chất, duy trì năng lượng cho quá trình phát triển, sinh sản và tái sản xuất cho các sinh vật sống dưới nước Khi nồng độ DO quá thấp hoặc quá cao, các loài sinh vật nước thiếu oxy

sẽ giảm hoạt động hoặc chết Do vậy DO là chỉ số quan trọng để đánh giá sự ô nhiễm nước của thủy vực Khi chỉ số DO thấp có nghĩa là nước có nhiều chất hữu cơ, nhu cầu oxy hóa tăng, nên tiêu thụ nhiều oxy trong nước Khi chỉ số DO cao chứng tỏ nước có nhiều rong tảo tham gia vào quá trình quang hợp, giải phóng oxy, chỉ số DO

rất quan trọng dể duy trì diều kiện hiếu khí và là có sở để xác định nhu cầu oxy hóa học (BOD)

+ Nhu cầu oxy sinh hóa: Nhu cầu oxy hóa là lượng oxy cần thiết để sinh vật tiêu thụ trong quá trình oxy hóa các chất hữu cơ hòa tan dễ phân hủy trong nước (đặc biệt là nước thải)

Hợp chất hữu cơ + O2 vi khuẩn CO2 + H2O

Oxy sử dụng trong quá trình này là oxy hòa tan trong nước: Chỉ số BOD là thông số quan trọng để đánh giá mức độ ô nhiễm của nước do các chất hữu cơ có thể

bị vi sinh vật phân hủy trong điều kiện hiếu khí, chỉ số BOD chỉ ra lượng oxy mà vi khuẩn tiêu thụ trong phản ứng oxy hóa các chất hữu cơ trong nước ô nhiễm, chỉ số BOD càng cao chứng tỏ lượng chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học ô nhiễm trong nước càng lớn

10

+ Nhu cầu oxy hóa học: Là lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hóa các chất hữu hòa tan dễ phân hủy và khó phân hủy có trong nước thành CO2 và H2O COD

biểu thị lượng chất hữu có thể oxy hóa bằng hóa học Trong thực tế COD được đặc trưng cho mức độ các chất hữu cơ trong nước ô nhiễm (kể cả chất hữu có dễ phân hủy và khó phân hủy sinh học)

+ Tác nhân hóa học: Tác nhân hóa học gây ô nhiễm nước bao gồm các kim loại

nặng, các anion NO3-, PO43-, SO42- , thuốc bảo vệ thực vật Các kim loại nặng trong nước như Hg, Cd, Pb, As, Sb, Cr, Cu, Zn, Mn với nồng độ lớn làm cho nước bị ô nhiễm, các kim loại nặng không tham gia hoặc ít tham gia vào quá trình sinh hóa, thường tích lũy lại cơ thể sinh vật, vì vậy chúng là các chất độc đối với vi sinh vật, kim loại nặng có mặt trong nước từ nhiều nguồn như nước thải công nghiệp, sinh

hoạt từ giao thông, y tế, công nghiệp, khai thác khoáng sản, một số nguyên tố rất độc đối với sinh vật, kể cả nồng độ thấp như Hg, Cd, As Các chất NO3-, PO43-, SO42- Các nguyên tố N, P, S ở nồng độ thấp là các chất dinh dưỡng đối với tảo và các vi sinh vật

sống dưới nước, nhưng ở nồng độ cao các chất này gây phú dưỡng hoặc biến đổi sinh hóa trong cơ thể sinh vật và người

1.1.2 Cơ sở thực tiễn

Nguồn năng lượng được tạo ra từ đốt nhiên liệu hóa thạch cung cấp điện cho toàn cầu khoảng 68% vào năm 2007, và là nguyên nhân chính thải ra khí thải nhà kính tới bầu khí quyển (ước tính 40% [33]) So với nhiên liệu hóa thạch thì năng lượng thủy điện được xem như nguồn năng lượng tái tạo với ưu điểm là ít thải khí nhà kính [31] Hiện nay năng lượng thủy điện đáp ứng khoảng 16% nguồn cung cấp điện của thế giới [31], mà với các nước phụ thuộc vào năng lượng thủy điện thì nguồn cung cấp lên tới 90% Trước đây, năng lượng thủy điện được xem là không phát thải khí nhà kính, tuy nhiên những nghiên cứu gần đây cho thấy, những hồ thủy điện có khả năng sản sinh khí cacbon vào khí quyển, đặc biệt là trong 20 năm đầu tích nước [16] Điều này chủ yếu do lượng sinh khối bị ngập lụt, lượng hữu cơ trong đất bị xói mòn đất liên tục đổ vào hồ chứa tăng vượt mức do quá trình xây dựng hồ

tạo lên Thời gian lưu nước trong hồ thường lâu hơn so với các sông, kết hợp với

lượng chất dinh dưỡng cao, thuận lợi cho sự phân hủy hữu cơ tạo ra KNK CO2 và

CH4 Hiện nay có ít nhất 45000 hồ chứa thủy điện lớn đang hoạt động trên thế giới [45] Diện tích mặt hồ trên thế giới được ước tính vào khoảng 350.000 km2

[16] Các

hồ có dung tích chứa lớn, cần có sự nghiên cứu, xác định tác động tới khí hậu quy mô không gian và thời gian

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

1.2.1 Chu trình Cacbon trong một lưu vực tự nhiên

Một lưu vực tự nhiên được mô tả trong hình 1.4, nguồn cacbon cung cấp cho sự quang hợp là khí CO2 trong khí quyển Trong quá trình quang hợp cây xanh hấp thụ khí CO2 tổng hợp nên các hợp chất hữu cơ tạo lên sinh khối thực vật (các hidrat cacbon, chất béo, chất đạm, axit nucleic…) Một phần của sinh khối hữu cơ trực tiếp hình thành chất hữu cơ đất thông qua các chu trình xảy ra ở vùng quyển rễ hoặc lưu

trữ trong cơ thể sinh vật sống cho đến khi nó chết đi và bị phân hủy Cacbon có thể

giải phóng từ đất dưới dạng CO2 thông qua quá trình hô hấp Đất cũng là một nơi sinh

ra CH4 (gọi là quá trình Mêtan hóa trong điều kiện yếm khí) CH4 có thể bị oxy hóa

bởi các vi khuẩn Mêtan hóa và khuếch tán từ đất vào môi trường không khí Đối với

những vùng đất ở vị trí cao thì quá trình hình thành CH4 ít xảy ra Trong đất ngập nước, điều kiện khử chiếm ưu thế và quá trình hình thành CH4 và giải phóng nhiều hơn so với đất ở điều kiện thoáng khí

Cacbon vô cơ và các bon hữu cơ được chuyển đổi trong hệ thống lưu vực (sông,

hồ và đất ngập nước) bề mặt và dưới bề mặt dòng chảy (Hình 1.4) CO2 và Cacbon vô

cơ hòa tan hoặc cung cấp cho quá trình hô hấp thực vật thủy sinh CH4 bị oxy hóa trong đất và nước hoặc giải phóng ra ngoài khí quyển Phần không phát ra được lưu

lại trong lưu vực hoặc thoát ra khí quyển dưới hạ lưu [16]

12

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

Nguồn: (UNESCO/IHA, 2008)

1.2.2 Chu trình Cacbon trong một hệ sinh thái thủy sinh

Chu trình Cacbon trong hệ sinh thái thủy sinh được mô tả trong hình 1.5 Khối hữu cơ của hệ sinh thái thủy sinh bao gồm các sinh vật dị dưỡng, tự dưỡng còn sống hay đã chết đi và tổng hợp từ các hệ sinh thái môi trường xung quanh Lượng chất

hữu cơ phụ thuộc vào hàm lượng các chất dinh dưỡng có trong nước Quá trình quang hợp dưới nước phụ thuộc vào độ đục và hàm lượng các chất dinh dưỡng (nitơ, phốt pho, silic) tạo sinh khối (trong đó khoảng 40 -45% là cacbon) và giải phóng O2 Cacbon được đồng hóa từ CO2 trong hợp chất hữu cơ được gọi là cacbon hữu cơ Sinh vật tự dưỡng chủ yêu là tảo và thực vật phù du Trong hệ sinh thái thủy sinh, sinh vật tự dưỡng sử dụng CO2 hòa tan, đó là các hợp chất vô cơ của cacbon cụ thể (HCO3-/CO32-) Nồng độ các hợp chất của cacbon trong lưu vực sông có thể tăng cao

do ảnh hưởng tác động nhân tạo

Hình 1.5 Chu trình cacbon trong hệ sinh thái thủy sinh

Các hợp chất hữu cơ một phần tồn tại trong sinh khối, sinh vật sống, môi trường nước và một phần được tích tụ lại trong trầm tích Trong quá trình phân hủy các hợp

chất hữ cơ (hay gọi là Oxy hóa hợp chất hữu cơ) giải phóng khí CO2 và CH4 và một

số loại khí khác [33]

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

Khí Mêtan được hình thành trong điều kiện yếm khí, nó là kết quả hoạt động của nhóm vi sinh vật có tên là Achaea và được gọi là quá trình Mêtan hóa (Zinder, 1993) Quá trình Mêtan hóa hình thành khi các hợp chất hữu cơ trong trầm tích bị phân hủy bởi các vi sinh vật kỵ khí trong điều kiện không có khí oxi Sự mêtan hóa diễn ra đa dạng trong các môi trường sống kỵ khí, ví dụ như nước biển, nước ngọt, đầm lầy, đất ngập nước

Quá trình Mêtan hóa có thể được phân làm 4 giai đoạn

Giai đoạn 1: Giai đoạn thủy phân dưới tác dụng của các loại men khác nhau do

nhiều loại vi sinh vật tiết ra (vi khẩn Closdium, bipiclobacterium, bacillus gram âm

14

không sinh bào tử, staphy loccus), các chất hữu cơ phức tạp như hydratcacbon, protein, lipit dễ dàng bị phân hủy thành các chất hữu có đơn giản, dễ bay hơi như etanol, các axit béo như axit axetic, axit butyric, axit propionic, axit lactic và các khí CO2, H2 và NH3

Giai đoạn 2: Giai đoạn axit hóa là giai đoạn lên men, hay giai đoạn đầu của quá

trình bán phân hủy, nhờ các vi khuẩn Acetogenic bacteria (vi khuẩn tổng hợp axetat), chuyển hóa các hydrater carbon và các sản phẩm của giai đoạn 1 như Albumozpepit, Glyxerin và các axit béo thành các axit có phân tử lượng thấp hơn, như C2H5COOH,

C3H7COOH2, CH3COOH, một ít khí hydro và khí CO2, ;

Giai đoạn 3: (Giai đoạn Axetat hóa) Các vi khuẩn tạo Mêtan chưa thể sử dụng

được các sản phẩm của các giai đoạn trước (1 và 2) để tạo thành Mêtan, nên phải phân giải tiếp tục để tạo thành các phân tử đơn giản nhỏ hơn nữa (trừ axit acetic), nhờ các vi khuẩn Axetat hóa Sản phẩm của quá trình phân giải này gồm axit acetic, H2, CO2

CH3CH2OH (ethanol) + H2O → CH3COO- + H+ + 2H2

CH3CH2COO- (propionic) + 3H2O → CH3COO- + HCO3- + H+ + 3H2

CH3(CH2)2COO- (butyric) +H2O → 2CH3COO- + H+ + 2H2 Giai đoạn này, nhờ các vi khuẩn Axetat hóa phân giải các sản phẩm của giai đoạn trước tạo nhiều sản phẩm H2, và nó được vi khuẩn Mêtan sử dụng cùng với CO2

để hình thành Mêtan, bắt đầu giai đoạn phân hủy

Giai đoạn 4: hình thành khí Mêtan Đây là giai đoạn cuối cùng của quá trình

phân giải kỵ khí tạo thành hỗn hợp sản phẩm, trong đó khí Mêtan chiếm thành phần

lớn

Quá trình hình thành khí Mêtan được đồng thời bằng 3 con đường:

1- Nhờ vi khuẩn hydrogenotrophic methanogen sử dụng cơ chất là hydro và CO2:

CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O

2- Nhờ vi khuẩn acetotrophic methanogen chuyển hóa axetat thành CH4 và

CO2 acetotrophic methanogen chuyển hóa axetat thành mêtan và CO2 Khoảng 70% lượng mêtan sinh ra bằng con đường này

CH3COOH → CO2 + CH44CO + 2H2O → CH4 + 3CO2

3- Nhờ vi khuẩn methylotrophic methanogen phân giải cơ chất chứa nhóm metyl:

CH3OH + H2→ CH4 + 2H2O 4(CH3)3-N + 6H2O → 9CH4 + 3CO2 + 4NH3

* Nghiên cứu của Louis và cộng sự (2005) cho thấy rằng khí CH4 sinh ra tốt ở nhiệt độ 25 -30 o

C; Độ pH là một yếu tố kiểm soát các hoạt động khí mêtan, với giá trị tối ưu khoảng 6-8 (Conrad, 1989)

áp lực nước như thủy triều ở các vùng ven biển (Martens và Val Klump, 1980) hoặc

giảm mực nước trong hồ chứa (Ostrovsky, 2003) Trong quá trình thoát ra khỏi trầm tích, CH4 ít xảy ra sự tương tác hoặc oxi hóa khi đi lên cùng cột nước Lượng khí CH4

chủ yếu xảy ra ở các phần nông của hồ chứa (Keller và Stallard, 1994; Galy-Lacaux

et al, 1997)

Năm 2010 Algar và Boudreau đã đề xuất một cơ chế có thể giảm áp lực thủy tĩnh trong một thủy vực, vị trí có độ sâu nơi mà hạn chế sự hình thành bọt khí CH4 sẽ cho phép bọt khí vượt qua áp lực trầm tích ngăn ngừa phân đoạn và chuyển động đi lên Khả năng giải phóng khí được nghiên cứu là có mối quan hệ với giảm áp suất không khí (Mattson và Likens, 1990) và như tác động của tốc độ gió lớn , có lẽ cả hai giải thuyết đều đúng với cơ chế tương tự như Algar và Boudreau (2010) đã mô tả

Bọt khí cũng có thể hình thành ở độ sâu hơn 10m, nhưng nghững bọt khí mêtan khi thoát ra và vào nước trong quá trình đi lên bề mặt (Mc Ginnis và cộng sự, 2006) Tóm

16

lại khả năng thoát khí CH4 khỏi trầm tích phụ thuộc vào áp suất khí quyển, vận tốc

dòng chảy, hay thủy triều (Casper và cộng sự, 2000), nhiệt độ tăng làm độ tan CH4

giảm (Chanton và Martens, 1989), phụ thuộc vào tốc độ gió [36]

1.3 Chu trình carbon trong một hồ chứa

Xây dựng hồ chứa gây ra ngập lụt hệ sinh thái trên cạn và dưới nước Giai đoạn đầu khi tích nước hồ, hệ sinh thái thủy sinh được cung cấp lượng lớn các chất dinh

dưỡng (N, P, K) từ đất và thảm thực vật bị ngập Quá trình phân hủy hữu cơ tạo ra

lượng khí CO2 nhiều, hiện tượng này gọi là sự bùng nổ dinh dưỡng, trong lượng dinh

dưỡng đó phần lớn là Cacbon hữu cơ Nhu cầu oxy hóa học và oxy sinh học trong

nước và đất ngập nước cao gây thiếu oxy trong đất vì vậy lượng CH4 được hình thành

trong điều kiện yếm khí (Hình 1.6) mô tả các quá trình hình thành phát thải khí nhà

kính nguồn cac bon hữu cơ từ hệ sinh thái cạn khu vực hồ chứa Khí CO2 được sản

sinh từ quá trình hô hấp của sinh vật đáy và các hợp chất hữu cơ bị phân hủy, CH4

được sinh ra từ bùn hoặc đất ngập nước do thiếu oxy

Sự phát thải khí nhà kính vào không khí qua các nguồn khác nhau:

a Sự hình thành bọt khí;

b Trao đổi khí khuếch tán từ các hồ chứa / sông hạ lưu vào không khí;

c Khử khí sau khi tua-bin và đập tràn;

d Sự truyền dẫn thông qua thân cây thủy sinh;

e Khí thải từ các khu vực nước rút;

f Phân tán dọc theo dòng sông sau hạ lưu đập [14, 27, 28, 29, 30]

Hình 1.6 Mặt cắt miêu tả quá trình sinh khí CH 4 , CO 2 từ một hồ, trường hợp hồ thủy điện Sơn La [20, 28, 29]

18

Khi nước tích trong hồ chảy qua tuabin nhà máy hoặc chảy qua đập tràn dẫn đến áp suất nước thay đổi theo chiều giảm dần Theo định luật Henry, do áp suất

giảm nên độ hòa tan trong nước của các khí CH4 và CO2 giảm dẫn đến các khí này được giải phóng vào không khí Khu vực mặt hồ cũng giải phóng một lượng khí nhà kính đáng kể [14, 28] Sự phát thải này đối với khí CH4 cũng đã được báo cáo rằng 55-57 % tổng lượng khí CH4 thoát ra từ mặt hồ chứa thủy điện Balbina (Kemenes và

cộng sự, 2007), hồ chứa Petit Saut ở Guyana nước Pháp (tính toán bởi Abril và cộng

sự, 2005) Lima và cộng sự 2007 cũng báo cáo rằng phát thải khí nhà kính ở hạ lưu sau đập có thể lên tới 92 – 98 % tổng lượng phát thải CH4 trong các hồ chứa thủy điện ở khu vực nhiệt đới

Tùy thuộc vào chu trình vận hành hồ chứa, dao động mực nước của hồ thủy điện cao hơn các hồ tự nhiên Dao động mực nước làm lộ diện tích vùng đất bán ngập, vùng nước rút đó nơi đất có sự hô hấp và giải phóng đáng kể ra một lượng khí

CO2 Trong thời gian mực nước thấp thực vật có thể phát triển ở vùng ven bờ, sau đó

bị phân hủy các hợp chất hữu cơ khi vùng ven bờ bị ngập khi nước dâng cao Ngoài

ra khí thải có thể xảy ra từ các thảm thực vật đứng như rong rêu Một nghiên cứu cho

thấy con đường này đã góp phần đáng kể vào tổng lượng phát thải khí CH4 từ đập Three Gorge [18, 41]

1.4 Những yếu tố ảnh hưởng tới khả năng phát thải khí nhà kính từ hồ thủy điện

1.4.1 Quá trình cacbon hữu cơ vào hồ chứa

a) Đầu vào các chất cacbon hữu cơ qua nước ngầm, suối, kênh dẫn, sông (phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy của khu vực)

b) Tốc độ tăng tưởng của thực vật thủy sinh vĩ mô, sinh vật bám quanh rễ dưới nước và thực vật phù du trong hay trên mặt nước ở các lưu vực nước rút xung quanh

hồ chứa, phụ thuộc vào việc cung cấp dinh dưỡng và ánh sáng

c) Sự xâm nhập của cacbon hữu cơ từ các nguồn thải của các nhà máy của khu công nghiệp, cụm công nghiệp, làng nghề như nước thải sản xuất, rác thải, đất thải

xuống lưu vực

d) Sự xâm nhập của rác thải, chất thải sinh hoạt, chăn nuôi

e) Xói mòn đất ở vùng bờ hồ chứa (tăng lượng cacbon hữu cơ xuống hồ)

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

a) Sự phân hủy cacbon hữu cơ bị ngập lụt và các loại khác của cacbon hữu cơ vào lưu vực tùy thuộc vào các sinh vật hiện đại, nhiệt độ, oxy hòa tan và các chất dinh dưỡng

b) Sự oxy hóa cacbon hòa tan khi có ánh sáng c) Sự mêtan hóa

d) Quá trình Nitrat hóa và khử Nitrat

a) Xáo trộn nước trong hồ;

b) Rút qua đập tràn, tuabin phát điện;

c) Quá trình oxy hóa CH4 trong nước hoặc trầm tích, tùy thuộc vào sự phân

tầng vật lý, oxy hòa tan, ức chế bởi ánh sáng, mức độ dinh dưỡng và nhiệt độ;

d) Các yếu tố vật lý tầng nước mặt để thực vật thủy sinh sinh trưởng và phát triển (tiêu thụ CO2), phụ thuộc chủ yếu vào ánh sáng và lượng dinh dưỡng có sẵn

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

* Trên thế giới:

Trên thế giới cho đến năm 2011 có ít nhất 85 báo cáo nghiên cứu tập trung về khí nhà kính từ hồ thủy điện (Barros và cộng sự, 2011) Các báo cáo khoa học đầu tiên tập trung vào các hồ chứa nằm ở Canada (Rudd và cộng sự,1993… Duchemin và

cộng sự,1995), Brazil (Rosas & Schaeffer, 1994; Fearnside, 1995, 1997), Panama [36] và French Guiana; (Galy – Lacaux vs 1997); (Galy-Lacaux và cộng sự 1999)…Sau đó các hồ chứa ở Phần Lan, Mỹ, Thụy Điển ví dụ như (Huttunen và cộng

sự 2002), (Soumis và cộng sự 2004), (Aberg vs 2004); (Bergstrom vs 2004); Ở Thụy

Sĩ ví dụ như (Diem vs 2007) đã nghiên cứu Gần đây có sự nghiên cứu các hồ chứa ở Trung Quốc, các quốc gia với công suất lắp đặt lớn nhất trên thế giới, đã trở thành

trọng tâm của các cuộc điều tra, nghiên cứ [18,19, 43, 46]

20

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

* Vi ệt Nam:

Hiện nay, Việt Nam chưa có công trình nghiên cứu cụ thể nào về đánh giá khả năng phát thải khí nhà kính từ các hồ thủy điện, tuy nhiên đã có một số nghiên cứu về phát thải khí H2S từ sông Tô Lịch (Nguyễn Hữu Huấn, 2015), một số đề tài nghiên cứu về khả năng phát thải khí nhà kính từ nuôi trồng thủy sản, trồng lúa nước (Nguyễn Hữu Thành, 2012)

22

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu:

+ Khí nhà kính (CO2 và CH4) phát thải từ hồ thủy điện Sơn La, là hai khí đứng đầu trong danh sách các khí gây lên hiệu ứng nhà kính của Trái đất

+ Các thông số chất lượng nước cơ bản quan trắc định kì tại hồ thủy điện Sơn

2.2 Địa điểm và thời gian nghiên cứu

2.2.1 Địa điểm nghiên cứu

Địa điểm nghiên cứu ở 5 vị khí khác nhau trên hồ thủy điện Sơn La

Bảng 2.1 Tọa độ vị trí lấy mẫu

TT Ký

Xã Mường Chiên, huyện Quỳnh Nhai, tỉnh Sơn La 21°50'20.47" 103°33'41.33"

Cách ngã ba suối

Cà Nàng và một

số nhánh suối nhỏ khác giao với sông

Đà gần 1km về phía hạ du, cách vị trí đập thủy điện Lai Châu khoảng 120km về phía hạ

du., độ rộng mặt

hồ tại vị trí khoảng 3km

Xã Chiềng Băng, huyện Quỳnh Nhai tỉnh Sơn La 21°40'49.90" 103°38'5.74"

Cách ngã ba suối Muội giao với sông Đà khoảng 0,8km về phía hạ

du, cách vị trí C1

khoảng 19km, cách vị trí C3 khoảng 22km; Độ rộng mặt hồ tại vị trí khoảng 4 km

Xã Nập Ét, huyện Quỳnh Nhai, tỉnh Sơn La 21°33'33.60" 103°48'45.18"

Cách nhánh sông Nậm Giôn 1km về phía hạ lưu, cách

vị trí C4 khoảng

14 km, độ rộng mặt hồ khoảng 1,3km

Xã Liệp Tè, huyện Thuận Châu, tỉnh Sơn La 21°30'52.95" 103°56'9.64"

Cách nhánh sông Nậm Mu khoảng 0,8km về phía hạ

du, cách vị trí C5 khoảng 6,1km, độ rộng mặt hồ tại vị trí khoảng 1,4km

Xã Ít Ong, Huyện Mường La, Tỉnh Sơn

La, giáp nhà máy thủy điện Sơn La

21°29'49.13" 103°58'53.98"

Ngay sau đập TĐ Sơn La, độ rộng mặt hồ tại vị trí khoảng 1,1 km

2.2.2 Thời gian nghiên cứu

- Thời gian bắt đầu: Tháng 12/2014

- Thời gian kết thúc: Tháng 11/2015

24

Hình 2.1 Sơ đồ vị trí lấy mẫu

Nhà máy

TĐ Sơn La

2.3 Phương pháp nghiên cứu

Thu thập, chọn lọc, xử lý các tài liệu, số liệu liên quan đến chất lượng nước của

hồ thủy điện Sơn La Sử dụng các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã có

Số liệu đo khí CO2, CH4, chất lượng nước được dùng phần mềm Excel và phần

mềm Eviews để phân tích mối liên hệ và tác động qua lại giữa chúng đồng thời dự báo mối liên hệ giữa các yếu tố thông qua mối liên hệ tương quan Sau đó tổng hợp

số liệu vẽ lên biểu đồ, đưa ra các nhận xét và đánh giá một cách đầy đủ

2.3.3 Phương pháp mô hình hồi quy

Luận văn sử dụng phương pháp mô hình hồi quy để xây dựng phương trình mô

tả các các yếu tố có khả năng ảnh hưởng tới phát thải khí nhà kính TĐ Sơn La

Phương pháp mô hình hồi quy được nghiên cứu và ứng dụng trong dự báo trong các lĩnh vực như thủy văn, môi trường, khí hậu, kinh tế… ở nhiều quốc gia trên thế giới

Độ chính xác của mô hình phụ thuộc rất nhiều vào độ dài chuỗi số liệu

Ưu điểm của mô hình hồi quy là áp dụng được với nhiều thông số thực nghiệm

có các đơn vị đo khác nhau, nhưng các yếu tố thực nghiệm phải cùng thời điểm đo Nội dung phương pháp là tìm ra phương trình mô tả các mối quan hệ giữa các

yếu tố chất lượng nước như: Nhiệt độ, DO, COD, độ kiềm, nitrat, tổng phốt pho, pH, TDS, độ dẫn điện với lượng khí CO2, CH4 đo được ở các vị trí và trong các tháng nghiên cứu Dựa trên các mối quan hệ tương quan này xây dựng phương trình dự báo

khả năng phát thải khí CO2, CH4 Phương trình hồi quy nhiều biến có dạng tổng quát:

Yk = β + β1X1 + β2X2 + β3X3 + β4X4 +….+ βkXk; hệ số xác định R2

Trong đó:

- Yk là biến phụ thuộc (CO2 và CH4), k biến độc lập X (ở đây k =9)

- β hệ số tự do, β1,2, k là hệ số hồi quy riêng hay hệ số góc;

- R2 : Hệ số xác định (hệ số tương quan), R2

có giá trị từ 0 đến 1, là đại lượng

đo lường mức độ phù hợp của hàm hồi quy

26

Theo lý thuyết toán học của phương pháp mô hình hồi quy thì cách đánh giá mối liên hệ từ hệ số tương quan như sau:

Bảng 2.2 Đánh giá mối liên hệ từ hệ số xác định

* Ứng dụng của mô hình

- Trên thế giới

Mô hình hồi quy đã được Amit Kumar và M P Sharma sử dụng để dự báo khả năng phát thải khí nhà kính từ hồ thủy điện Oyun ở Ấn Độ và một số hồ khác Nghiên cứu khẳng định phát thải khí nhà kính có mối liên quan chặt chẽ đến chất lượng nước, tính chất khí hậu ở từng vùng miền

- Ở Việt Nam: Mô hình hồi quy được ứng dụng để dự báo trong nhiều lĩnh vực về

môi trường, thủy văn, khí hậu…

Đối với lĩnh vực môi trường mô hình hồi huy đã được Nguyễn Hữu Huấn áp dụng để xây dựng phương trình dự báo khả năng phát thải khí H2S trên sông Tô Lịch

ở thành phố Hà Nội

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

a) Lấy mẫu nước

* P hương pháp lấy mẫu và bảo quản mẫu nước:

Lấy mẫu quan trắc chất lượng nước mặt thực hiện theo hướng dẫn của các tiêu chuẩn quốc gia:

- TCVN 5992:1995 (ISO 5667-2: 1991) - Chất lượng nước - Lấy mẫu Hướng dẫn kỹ thuật lấy mẫu;

- TCVN 5993:1995 (ISO 5667-3: 1985) - Chất lượng nước - Lấy mẫu Hướng

dẫn bảo quản và xử lý mẫu;

- TCVN 5994:1995 (ISO 5667-4: 1987) - Chất lượng nước - Lấy mẫu Hướng

dẫn lấy mẫu ở hồ ao tự nhiên và nhân tạo;

- TCVN 5996:1995 (ISO 5667-6: 1990) - Chất lượng nước - Lấy mẫu Hướng dẫn lấy mẫu ở sông và suối

* Phương pháp xác định mẫu nước

Các phương pháp phân tích mẫu được trình bày ở bảng 2.4 Quá trình phân tích

mẫu được thực hiện tại phòng thí nghiệm của Trung tâm nghiên cứu môi trường, Viện khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường

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

Phương pháp: Áp dụng phương pháp xác định khí CO2 theo TCVN 5563-199

và phương pháp lấy mẫu khí trong buồng kín (Rolston, 1986), Rochette và Nikita

(2008)

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý lấy mẫu khí CO 2

Nguyên lý l ấy mẫu khí CO 2 : không khí trong hộp kín được hút bởi máy Kimoto – HS7 với lưu lượng 2 lít/phút và được hấp thụ bởi dùng dịch Ba(OH)2, không khí qua máy thu khí không còn CO2, tiếp tục quay trở lại hộp kín nhằm đẩy lượng khí CO2 còn ở trong hộp Thời gian thu mẫu: 10 phút

Thông số hộp lấy mẫu: Thiết bị lấy mẫu bao gồm máy Kimoto –HS7 được kết

nối với hộp lấy mẫu trên mặt hồ thủy điện Sơn La theo sơ đồ hình 2.2 Hộp lấy mẫu khí CO2 là hình trụ kín, được thiết kế theo Rochette và Nikita (2008) đề xuất thiết kế

cơ bản của hộp lấy mẫu và phải đáp ứng được yêu cầu chiều cao của hộp không nhỏ hơn 10cm, mức độ ngập sâu vào bề mặt phát thải (đất, nước) là từ 5cm trở lên Kích thước của hộp thu khí CO2: đường kính x chiều cao là 30 (cm) x 20 (cm), trong đó phần ngập nước là 7 cm, chiều cao hữu dụng của hộp lấy mẫu là 13 cm

Khí CO2 hấp thụ với dung dịch bari hydroxit tạo thành kết tủa bari cacbonat theo phản ứng:

CO2 + Ba(OH)2 -> BaCO3 + H2O