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 Mã số: 60 44 03 01 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 HÀ NỘI - 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu khoa học độc lập riêng Các thông tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Các số liệu sử dụng, kết nghiên cứu nêu luận văn tự tìm hiểu, phân tích cách trung thực, khách quan, phù hợp với thực tiễn địa bàn nghiên cứu chưa công bố công trình khác Học viên Phạm Văn Hoàng LỜI CẢM ƠN Với lòng kính trọng biết ơn sâu sắc nhất, xin chân thành gửi tới TS Nguyễn Thị Thế Nguyên PGS.TS Nguyễn Mạnh Khải tận tình hướng dẫn, góp ý cho trình thực luận văn, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi để sớm hoàn thành luận văn tốt nghiệp Lời cảm ơn sâu sắc xin gửi đến ban Lãnh đạo Liên hiệp Khoa học công nghệ Môi trường Phát triển bền vững giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành chương trình học tập thời gian qua Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban giám hiệu nhà trường toàn thể Thầy, Cô giáo nhóm Năng lượng môi trường Khoa Môi trường Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội tận tình giảng dạy, trao đổi kiến thức hỗ trợ suốt trình học tập nghiên cứu khoa học đạt kết tốt Cuối cùng, xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc gia đình, nguồn động lực để có sức mạnh vượt qua khó khăn suốt trình học tập thực luận văn Các anh, chị, em, bạn bè thân hữu động viên, khuyến khích giúp đỡ suốt trình học tập Dù cố gắng hoàn thành luận văn tất lòng nhiệt tình tâm huyết, song chắn không tránh khỏi thiếu sót, mong nhận góp ý chân thành từ quý Thầy, Cô giáo Hà Nội, ngày 25 tháng năm 2016 Học viên Phạm Văn Hoàng MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Sự cần thiết nghiên cứu đề tài luận văn Mục tiêu tiêu đề tài Nội dung nghiên cứu .2 Ý nghĩa đề tài 4.1 Ý nghĩa khoa học 4.2 Ý nghĩa thực tiễn CHƯƠNG TỔNG QUAN TÀI LIỆU 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 lưu vực tự nhiên 12 1.2.1 Chu trình Cacbon lưu vực tự nhiên 12 1.2.2 Chu trình Cacbon hệ sinh thái thủy sinh 13 1.2.3 Sự hình thành khí Mêtan môi trường thủy sinh yếm khí 14 1.3 Chu trình carbon hồ chứa 17 1.4 Những yếu tố ảnh hưởng tới khả phát thải khí nhà kính từ hồ thủy điện 19 1.4.1 Quá trình cacbon hữu vào hồ chứa 19 1.4.2 Các điều kiện dẫn đến sản sinh loại khí nhà kính .20 1.4.3 Quy trình ảnh hưởng đến phân bố khí nhà kính hồ chứa: 20 1.5 Lịch sử nghiên cứu khả phát thải khí nhà kính từ hồ thủy điện 20 CHƯƠNG ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23 2.1 Đối tượng nghiên cứu 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 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 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 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 vấn đề nghiên cứu .32 CHƯƠNG 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 đa dạng sinh học lưu vực sông Đà 46 3.2 Đánh giá chất lượng nước hồ thủy điện Sơn La trước sau tích nước 48 3.3 Xác định lượng khí CO2 CH4 phát thải mặt hồ 56 3.3.1 Kết đo khí CO2 56 3.3.2 Kết đo khí CH4 57 3.4 Một số yếu tố ảnh hưởng đến hình thành khí CO2, CH4 hồ thủy điện Sơn La 59 3.4.1 Mối quan hệ CO2, CH4 nhiệt độ nước hồ 59 3.4.2 Mối quan hệ CO2, CH4 với Oxy hòa tan (DO) .61 3.4.3 Mối quan hệ CO2, CH4 với COD 62 3.4.4 Mối quan hệ CO2, CH4 với độ kiềm 64 3.4.5 Mối quan hệ CO2, CH4 với tổng Nitơ .65 3.4.6 Mối quan hệ CO2, CH4 với PO43- 67 3.4.7 Mối quan hệ CO2, CH4 với pH 68 3.4.8 Mối quan hệ CO2, CH4 với TDS 69 3.4.9 Mối quan hệ CO2, CH4 với độ dẫn điện 71 3.5 Xây dựng phương trình dự báo lượng phát thải khí CO2 CH4 hồ thủy điện Sơn La .72 3.5.1 Phương trình dự báo khả phát thải khí CO2 72 3.5.2 Phương trình dự báo khả phát thải khí CH4 74 3.6 Kiểm định phương trình .75 3.6.1 Kiểm định phương trình dự báo phát thải khí CO2 75 3.6.2 Kiểm định phương trình dự báo phát thải khí CH4 76 3.7 Một số biện pháp giảm thiểu phát thải khí nhà kính (CO2 CH4) cho hồ thủy điện Sơn La .77 3.7.1 Trồng 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 phương pháp xác định 28 Bảng 2.5 Thời gian lấy mẫu .31 Bảng 3.1 Diện tích loại rừng vùng lưu vực Sông Đà 48 Bảng 3.2 Tổng hợp kết chất lượng nước hồ TĐ Sơn La (2009-2014) 48 Bảng 3.3 Tổng lượng sinh khối bị ngập hồ tích nước .51 Bảng 3.4 Kết phân tích chất lượng nước hồ TĐ Sơn La 2015 53 Bảng 3.5 Kết đo lượng khí CO2 mặt hồ .56 Bảng 3.6 Kết đo lượng khí CH4 mặt hồ .58 Bảng 3.7 Mối quan hệ CO2, CH4 với nhiệt độ 59 Bảng 3.8 Mối quan hệ CO2, CH4 với DO 61 Bảng 3.9 Mối quan hệ CO2, CH4 với COD 62 Bảng 3.10 Mối quan hệ CO2, CH4 với Độ kiềm 64 Bảng 3.11 Mối quan hệ CO2, CH4 với tổng N 65 Bảng 3.12 Mối quan hệ CO2, CH4 với PO43- 67 Bảng 3.13 Mối quan hệ CO2, CH4 với pH .68 Bảng 3.14 Mối quan hệ CO2, CH4 với TDS 69 Bảng 3.15 Mối quan hệ CO2, CH4 với độ dẫn điện 71 Bảng 3.16 Mối tương quan CO2 với số tiêu nước .72 Bảng 3.17 Hệ số xác định CO2 với số tiêu nước .73 Bảng 3.18 Mối tương quan CH4 với số tiêu nước .74 Bảng 3.19 Hệ số xác định CH4 với số tiêu nước .75 Bảng 3.20 Tỷ lệ phát thải khí CO2 từ hồ thủy điện Sơn La .76 Bảng 3.21 Tỷ lệ phát thải khí CH4 từ hồ thủy điện Sơn La .77 Bảng 3.22 Tên số loại trồng rừng phòng hộ đầu nguồn .79 Bảng 3.23 Một số loại địa 80 Bảng 3.24 Phát triển rừng phù hợp với địa hình, đất đai khu vực 81 Bảng 3.25 Danh sách điểm giám sát lấy mẫu chất lượng nước 83 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Mô hình hiệu ứng khí nhà kính Hình 1.2 Khí CO2 khí tăng dần từn năm 1978 .7 Hình 1.3 Khí CH4 khí tăng năm .8 Hình 1.4 Chu trình khí nhà kính từ lưu vực tự nhiên .13 Hình 1.5 Chu trình cacbon hệ sinh thái thủy sinh .14 Hình 1.6 Mặt cắt miêu tả trình sinh khí CH4, CO2, từ hồ, trường hợp hồ thủy điện Sơn La 18 Hình 1.7 Sơ đồ lịch sử nghiên cứu khí nhà kính khả 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 bước thực 32 Hình 3.1 Sơ đồ vị trí hồ thủy điện Sơn La .34 Hình 3.2 Sơ đồ 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 số tiêu chất lượng nước hồ 50 TĐ Sơn La 50 Hình 3.6 Đồ thị giá trị trung bình giá trị N P 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 PO43- 55 hồ TĐ Sơn La 55 Hình 3.9 Đồ thị lượng khí CO2 sinh mặt hồ 57 Hình 3.10 Đồ thị lượng khí CH4 sinh mặt hồ .58 Hình 3.11a Mối tương quan CO2 sinh nhiệt độ nước .60 Hình 3.11b Mối tương quan CH4 nhiệt độ nước 60 Hình 3.12a Mối tương quan CO2 DO 62 Hình 3.12b Mối tương quan CH4 DO 62 Hình 3.13a Mối tương quan CO2 COD .63 Hình 3.13b Mối tương quan CH4 COD .63 Hình 3.14a Mối tương quan CO2 độ kiềm 65 Hình 3.14b Mối tương quan CH4 độ kiềm 65 Hình 3.15a Mối tương quan CO2 tổng N 66 Hình 3.15b Mối tương quan CH4 tổng N 66 Hình 3.16a Mối tương quan CO2 PO43- .68 Hình 3.16b Mối tương quan CH4 PO43- .68 Hình 3.17a Mối tương quan CO2 pH 69 Hình 3.17b Mối tương quan CH4 pH 69 Hình 3.18a Mối tương quan CO2 TDS 70 Hình 3.18b Mối tương quan CH4 TDS 70 Hình 3.19a Mối tương quan CO2 Cond .72 Hình 3.19b Mối tương quan CH4 Cond 72 Hình 3.20 Biểu đồ thể CO2 thực nghiệm dự báo .76 Hình 3.21 Biểu đồ thể CH4 thực nghiệm dự báo .77 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Bộ Tài nguyên Môi trường (2014), Báo cáo cập nhật hai năm lần, lần thứ Việt Nam cho công ước khung Liên hợp Quốc biến đổi khí hậu Bộ Tài nguyên Môi trường (2006), Báo cáo đánh giá tác động môi trường dự án xây dựng thủy điện Sơn La Lê Văn Cát, Đỗ Thị Hồng Nhung, Ngô Ngọc Cát (2006), Nước nuôi thủy sản: Chất lượng nước giải pháp cải thiện chất lượng, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Mộng Cường, Phạm Văn Khiên, Nguyễn Văn Tỉnh, Nguyễn Trung Quế (1999) Kiểm kê khí nhà kính khu vực nông nghiệp năm 1994, “Báo cáo khoa học hội thảo 2, đánh giá kết kiểm kê khí nhà kính, dự án thông báo Quốc gia biến đổi khí hậu, Viện Khí tượng Thuỷ văn Trung ương” Nguyễn Hữu Huấn, Nguyễn Xuân Hải, Nguyễn Nhân Tuấn, Trần Yêm (2010), “Đánh giá nhanh khả phát thải khí H2S khí nhà kính hồ thủy điện Luangprabang”, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ Sở Tài nguyên Môi trường tỉnh Sơn La (2014), Báo cáo trạng chất lượng môi trường thủy điện Sơn La Tổng Cục Môi trường Dự án (2014) “Xây dựng mô hình quản lý tổng hợp tài nguyên môi trường hồ chứa Sơn La phục vụ phát triển kinh tế xã hội bền vững” Nguyễn Hữu Thành (2011) “Tình hình phát thải khí Metan (CH4) hoạt động canh tác lúa nước khu vực đồng sông Hồng” Mai Văn Trịnh, Trần Văn Thể, Bùi Thị Phương Loan (2013), “Tiềm giảm thiểu phát thải khí nhà kính ngành sản xuất lúa nước Việt Nam” 86 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, 08866236 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 87 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 88 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 organicrich coastal marine basin An organic carbon budget for sediments dominated by sulfate reduction and methanogenesis: Geochim Cosmochim Acta, Vol 48, pp 1987-2004 89 38 Martens, C S., and J Val Klump 1980 Biogeochemical cycling in an organicrich coastal marine basinI Methane sediment-water exchange processes Geochim Cosmochim Acta 44: 471-490 39 Martens, C S., and R A Berner 1974 Methane production in the interstitial waters of sulfate depleted marine sediments Science 185: 1167-1169 Ostrovsky, I., 2003, Methane bubbles in Lake Kinneret: quantification and temporal and spatial heterogeneity Limnol Oceanogr., vol 48, N.3 40 Mattson M.D & Likens G.E 1990 Air pressure and methane fluxes Nature 347: 718–719 41 Ostrovsky, I., D F McGinnis, L Lapidus, and W Eckert 2008 Quantifying gas ebullition with echosounder: the role of methane transport by bubbles in a medium-sized lake, Limnol Oceanogr Meth., 6, 105118 42 Soumis N., É Duchemin, R Canuel and M Lucotte 2004 Greenhouse gas emissions from reservoirs of the western United States Global Biogeochem Cycles 18 43 Yang, L., F Lu, X Wang, X Duan, W Song, B Sun, S Chen, Q Zhang, P Hou, F Zheng, Y Zhang, X Zhou, Y Zhou, and Z Ouyang 2012 Surface methane emissions from different land use types during various water levels in three major drawdown areas of the Three Gorges Reservoir J Geophys Res 117 44 UNESCO-IHA (2009), The UNESCO-IHA measurement specification guidance for evaluating the GHG status of man-made freshwater reservoirs Published: IHA, London 45 WCD (2000), World Commission on Dams Dams and Development: A New Framework for Decision-Making Earthscan Publications Available via http://go.nature.com/rnFEBI 46 Wang, F.; Wang, B.; Liu, C.Q.; Wang, Y.; Guan, J.; Liu, X & Yu, Y (2011) Carbon dioxide emission from surface water in cascade reservoirs-river system on the Maotiao River, southwest of China Atmospheric Environment, Vol.45 No.23, Jul, pp 38273834, 1352-2310 47 Https://vi.wikipedia.org 90