Эмиссия метана из Kолымского водохранилища: данные наблюдений и результаты численных экспериментов

На основе результатов натурных измерений концентрации метана в воде и его удельных потоков с водной поверхности впервые проведена оценка эмиссии метана в теплый период года из Колымского водохранилища, водосбор которого полностью находится в зоне вечной мерзлоты. Измерения удельного потока проводились методом плавучих камер, определение содержания метана в пробах – методом headspace [Goldenfum et al., 2010]. В качестве основного инструмента для численного воспроизведения удельных потоков метана из Колымского водохранилища была выбрана модель LAKE 3.2 [Lomov, Stepanenko et al., 2024]. В статье обобщены материалы сезонных наблюдений в сентябре 2021 г., апреле и августе 2022 г. и в августе 2023 г. Выявлена пространственная и сезонная изменчивость как содержания метана в воде, так и его эмиссии. Малое количество органического вещества в донных отложениях (для преобладающей части водохранилища не более 10%), невысокое содержание метана в толще воды (в среднем СН4 не более 4 мкл/л летом и 12 мкл/л зимой), небольшое содержание органического углерода в воде (4–5 мгС/л) способствует формированию низкого удельного потока (УП) метана с поверхности (1–3 мгСН4/(м2×сут)). По результатам наблюдений эмиссия метана со всей поверхности водохранилища составила 0,4–0,5 тСН4/сут в летний период 2022–2023 гг. и 1,56 тСН4/сут в 2021 г.
С помощью модели удалось получить адекватное воспроизведение суточной эмиссии метана из Колымского водохранилища, которое соответствует данным, полученным в ходе проведенных полевых измерений УП метана из водохранилища. Расчеты по модели позволяют получить репрезентативную оценку эмиссии метана в исследованном водохранилище, которая учитывает изменчивость УП метана в течение года, что невозможно сделать по ограниченному числу проведенных полевых кампаний в труднодоступном для исследований Колымском водохранилище. Средняя годовая эмиссия метана из Колымского водохранилища за период с 2021 по 2023 г. составляет 958 т в год. Межгодовая изменчивость эмиссии метана весьма существенна, что объясняется динамикой температурного режима, который определяет скорость генерации метана в донных отложениях, а также различием в весеннем выбросе, который происходит в виде пузырьковой составляющей потока при вскрытии ледяного покрова в конце весны.

1. Гарькуша Д.Н., Федоров Ю.А. Факторы формирования концентраций метана в водных экосистемах // Ростов н/Д.; Таганрог: Изд-во Южного фед. ун-та, 2021. 366 с.

2. Гречушникова М.Г., Школьный Д.И. Оценка эмиссии метана водохранилищами России // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2019. № 2. C. 58–71.

3. Дзюбан А.Н. Метан в поверхностных водах как показатель их качества // Вода: химия и экология. 2012а. № 7. C. 7–12.

4. Дзюбан А.Н. Экологические аспекты исследований содержания метана в природных водах // Вода: химия и экология. 2012б. № 11. С. 10–15.

5. Лисина А.А., Сазонов А.А., Фролова Н.Л. и др. Чувствительность водного стока реки Колымы к современным климатическим изменениям // Вестн. Моск. унта. Сер. 5. Геогр. 2024. Т. 79. № 3. С. 109–123.

6. Ломов В.А., Фролова Н.Л., Ефимов В.А. и др. Изменчивость содержания и потоков метана в Рыбинском водохранилище по результатам натурных наблюдений в разные сезоны года // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2024. Т. 60. № 4. С. 545–564.

7. Метан в водных экосистемах / Федоров Ю.А., Тамбиева Н.С., Гарькуша Д.Н. и др. Ростов н/Д, М.: Ростиздат, 2005. 329 с.

8. Общая характеристика бассейна р. Колыма // Отчет по теме «Разработка проекта СКИОВО, включая НДВ, бассейна р. Колыма » / под ред. Е.И. Ветровой. М., 2011. Кн. 1. 209 с.

9. Репина И.А., Терский П.Н., Горин С.Л. и др. Натурные измерения эмиссии метана на крупнейших водохранилищах России в 2021 г. Начало масштабных исследований // Водные ресурсы. 2022. T. 49. № 6. С. 713–718. DOI: 10.31857/S0321059622060141.

10. Репина И.А., Гречушникова М.Г., Фролова Н.Л. и др. Содержание и потоки метана в Волжских водохранилищах // Известия РАН. Серия географическая. 2023. Т. 87. № 6. С. 899–913. DOI: 10.31857/S2587556623060080.

11. Сорокин Ю.И.Метаниводородвводеволжскихводохранилищ // Тр. Ин-та биол. водохр. 1960. Т. 3. № 6. С. 50–58.

12. Canelhas M.R., Denfeld B.A., Weyhenmeyer G.A. et al. Methane oxidation at the water-ice interface of an ice-covered lake, Limnol. Oceanogr., 2006, vol. 61, p. S78–S90.

13. Deemer B.R., Harrison J.A., Li S. et al. Greenhouse gas emissions from reservoir water surfaces: A new global synthesis, BioScience, 2016, vol. 66(11), p. 949–964, DOI: 10.1093/biosci/biw117.

14. Fedorov M.P., Elistratov V.V., Maslikov V.I. et al. Reservoir Greenhouse Gas Emissions at Russian HPP, Power Technology and Engineering, 2015, vol. 49, no. 1, p. 33–39.

15. Giles J. Methane quashes green credentials of hydropower, Nature, 2006, vol. 444, p. 524–525.

16. Goldenfum J., Abe D.S., Abril G. et al. GHG measurement guidelines for freshwater reservoirs, UK, The International Hydropower Association, 2010, 154 p.

17. Greene S., Walter Anthony K.M., Archer D. et al. Modeling the impediment of methane ebullition bubbles by seasonal lake ice, Biogeosciences, 2014, vol. 11, p. 6791–6811.

18. Guerin F., Abril G. Significance of pelagic aerobic methane oxidation in the methane and carbon budget of a tropical reservoir, J. of Geophysical Research, 2007, vol. 112, p. 3006–3020.

19. Harrison J., Deemer B., Birchfield M. et al. Reservoir Water-Level Drawdowns Accelerate and Amplify Methane Emission, Environmental Science and Technology, 2016, vol. 1, p. 1–11.

20. Ion I.V., Ene A. Evaluation of Greenhouse Gas Emissions from Reservoirs. A Review, Sustainability, 2021, vol. 13, 11621, DOI: 10.3390/su132111621.

21. IPCC, 2011: IPCC Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation, O. Edenhofer, R. Pichs-Madruga, Y. Sokona et al. (eds.), Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.

22. IPCC: Climate Change 2021, The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, V. Masson-Delmotte, P. Zhai, A. Pirani et al. (eds.), Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 2021, 2391 p.

23. Johnson M., Matthews E., Bastviken D. et al. Spatiotemporal methane emission from global reservoirs, J. of Geophys. Research: Biogeosciences, 2021, vol. 126, e2021JG006305.

24. Lomov V., Stepanenko V., Grechushnikova M. et al. Mechanistic modeling of the variability of methane emissions from an artificial reservoir, Water, 2024, vol. 16(1), no. 76, 25 p., DOI: 10.3390/w16010076.

25. Lomov V., Grechushnikova M., Kazantsev V. et al. Reasons and patterns of spatio-temporal variability of methane emission from the Mozhaysk reservoir in summer period, E3S Web of Conferences, 2020, vol. 163, p. 1–7.

26. Miller B., Arntzen E., Goldman A. et al. Methane Ebullition in Temperate Hydropower Reservoirs and Implications for US Policy on Greenhouse Gas Emissions, USA, Environmental Management, 2017, vol. 60, p. 1–15.

27. Rosentreter J.A., Borges A.V., Deemer B.R. et al. Half of global methane emissions come from highly variable aquatic ecosystem sources, Nature Geoscience, 2021, vol. 14, no. 4, p. 225–230.

28. Zhao Yiyang, Suning Liu, Haiyun Shi Impacts of dams and reservoirs on local climate change: a global perspective, Environmental Research Letters, 2021, vol. 16, no. 10, p. 1–13.

29. ГОСТ 23740-2016. Грунты. Методы определения содержания органических веществ. М.: Стандартинформ, 2019. 13 с. URL: https://protect.gost.ru/v.aspx?control=8&baseC=-1&page=0&month=-1&year=-1&search=&RegNum=1&DocOnPageCount=15&id=198201 (дата обращения 01.03.2024).

30. Колымское водохранилище. URL: https://kolymaenergo.rushydro.ru/hpp/kolymskaya-ges/ (дата обращения 01.03.2024).

31. LAKE – An extended one-dimensional model of themrodynamic, hydrodynamic, and biogeochemical processes, URL: https://mathmod.org/lake/ (дата обращения 20.06.2024) .

32. Приказ Росводресурсов от 28.11.2023 № 287 «Об утверждении Правил использования водных ресурсов Колымского водохранилища» (зарег. в Минюсте России 22.02.2024 № 77332). URL: https://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_470701/ (дата обращения 20.06.2024).