Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Đánh giá khả năng phát thải khí nhà kính của hồ Thủy điện Sơn La

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:108

Thêm vào BST

Báo xấu

121
lượt xem 22
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung nghiên cứu của luận văn: 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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Đánh giá khả năng phát thải khí nhà kính của hồ Thủy điện Sơn La

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 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 CO2 .........................................................................................56 3.3.2. Kết quả đo khí CH4 .........................................................................................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 CO2, CH4 và nhiệt độ nước hồ ...........................................59 3.4.2. Mối quan hệ giữa CO2, CH4 với Oxy hòa tan (DO) .......................................61 3.4.3. Mối quan hệ giữa CO2, CH4 với COD ............................................................62 3.4.4. Mối quan hệ giữa CO2, CH4 với độ kiềm ........................................................64 3.4.5. Mối quan hệ giữa CO2, CH4 với tổng Nitơ .....................................................65 3.4.6. Mối quan hệ giữa CO2, CH4 với PO43-............................................................67
3.4.7. Mối quan hệ giữa CO2, CH4 với pH................................................................68 3.4.8. Mối quan hệ giữa CO2, CH4 với TDS ............................................................69 3.4.9. Mối quan hệ giữa CO2, CH4 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 CO2 ..........................................72 3.5.2. Phương trình dự báo khả năng 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 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, CH4 với DO ........................................................61 Bảng 3.9. Mối quan hệ giữa CO2, CH4 với COD......................................................62 Bảng 3.10. Mối quan hệ giữa CO2, CH4 với Độ kiềm ..............................................64 Bảng 3.11. Mối quan hệ giữa CO2, CH4 với tổng N .................................................65 Bảng 3.12. Mối quan hệ giữa CO2, CH4 với PO43- ...................................................67 Bảng 3.13. Mối quan hệ giữa CO2, CH4 với pH .......................................................68 Bảng 3.14. Mối quan hệ giữa CO2, CH4 với TDS ....................................................69 Bảng 3.15. Mối quan hệ giữa CO2, CH4 với 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 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 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 CO2 trong khí quyển tăng dần từn năm 1978.......................................7 Hình 1.3. Khí CH4 trong 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 CO2 sinh 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 CO2 và tổng N ....................................................66 Hình 3.15b. Mối tương quan giữa CH4 và 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 CH4 thực nghiệm và dự báo.........................................77
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Báo cáo cập nhật hai năm một lần của Việt Nam cho công ước BUR khung của Liên hợp Quốc về biến đổi khí hậu EA Cơ quan Năng lượng Quốc tế IHA Chương trình thủy văn Quốc tế IPCC Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu KNK Khí nhà kính KT-XH Kinh tế - xã hội LULUCF Sử dụng đất, thay đổi sử dụng đất và lâm nghiệp MNC Mực nước chết MNDBT Mực nước dâng bình thường UNESCO -IHE Tổ chức Giáo dục, Khoa học và Văn hóa của Liên hiệp quốc UNFCCC Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu TĐ Thủy điện TV Thủy văn WCD Ủy ban thế giới về đập WMO Tổ chức Khí tượng Thế giới
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 1
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. 3
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]. * Biến 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]. 1.1.1.2. Tính chất lý hóa của CO2 và CH4 a) Tính chất lý hóa học của CO2 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 5
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 nó bị thải ra ngoài. Hàm lượng điôxít cacbon trong không khí trong lành là khoảng 0,04%, và trong không khí bị thải ra từ sự thở là khoảng 4,5%. Khi thở trong không khí với nồng độ cao (khoảng 5% theo thể tích), nó là độc hại đối với con người và các động vật khác [47]. b) Tính chất lý hóa học của CH4 Mêtan với công thức hóa học là CH4, là một hydrocacbon nằm trong dãy đồng đẳng ankan. Mêtan là hydrocacbon đơn giản nhất. Ở điều kiện tiêu chuẩn, mêtan là chất khí không màu, không vị. Nó hóa lỏng ở −162 °C, hóa rắn ở −183 °C và rất dễ cháy. Một mét khối mêtan ở áp suất thường có khối lượng 717 g. CH4 nguyên chất không mùi, nhưng khi được dùng trong công nghiệp, nó thường được trộn với một lượng nhỏ các hợp chất chứa lưu huỳnh có mùi mạnh như etyl mecaptan để dễ phát hiện trong trường hợp bị rò rỉ. 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 1.1.1.3. Diễn biến khí CO2 trong khí quyển nhiều năm 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 CO2 trong khí quyển tăng trong các năm [33] 7
1.1.1.4. Diễn biến khí CH4 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 CH4 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 CH4 tăng 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-. 9