Тема углеродного баланса водохранилищ гидроэлектростанций активно обсуждается в научном сообществе уже многие годы. Объектом внимания ученых являются парниковые газы, выделяющиеся с поверхности искусственных водоемов, – двуокись углерода и метан. Особое внимание привлекает метан из-за его значительного парникового эффекта. Возникает вопрос: можно ли считать гидроэлектростанции с водохранилищами по-настоящему «зелеными»? Проведенные исследования показали, что ответ на него – утвердительный.

Terra incognita

Хотя сам факт эмиссии парниковых газов с поверхности водохранилищ зафиксирован давно, масштабы этого процесса в нашей стране были малоизученны. Объемы газов сильно меняются в зависимости от ряда условий: природной зоны, в которой расположен водоем, времени года, возраста водоема, его проточности, строения и т. п.

На практике это приводит к тому, что исследование, проведенное в одной точке в определенное время, не позволяет оценить общее количество поступающих в атмосферу газов.

Четкие выводы можно сделать по итогам проведения масштабных изысканий, охватывающих как водохранилища в различных климатических зонах, различного строения, так и разные части этих водохранилищ, включая притоки. Причем наблюдения в каждой точке необходимо повторять несколько раз в течение года, чтобы выявить сезонные изменения. А поскольку погодные условия в разные годы могут отличаться, весь цикл измерений нужно проводить в течение нескольких лет. Такие работы требуют привлечения большого количества специалистов на продолжительное время, а это большие затраты. По этой причине крупные исследования, дающие достоверные результаты, не проводились, а выводы делались на основе отдельных наблюдений и расчетных моделей.

Кроме того, при оценке влияния водохранилищ на баланс парниковых газов упускался из внимания такой момент, как консервация органических веществ в донных отложениях. Дело в том, что потоки углерода с поверхности воды разнонаправлены – часть органического вещества разлагается и в виде углекислого газа и метана попадает в атмосферу, другая же часть опускается на ложе водохранилища и оседает в донных отложениях. Законсервированный углерод «выключается» из круговорота этого вещества – в будущем он уже не попадет в атмосферу, то есть фактически захоранивается. Но каковы масштабы накопления углерода в донных отложениях и компенсируют ли они объемы парниковых газов, поступающих из водохранилищ? Этот вопрос также требовал ответа.

Специалисты Института физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН отбирают пробы воды на содержание метана с глубины Саяно-Шушенского водохранилища.

Полевые работы

Для оценки размеров поступления парниковых газов с поверхности водохранилищ Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК/IPCC), разработала соответствующие коэффициенты выбросов парниковых газов. Но корректность их применения к водохранилищам российских ГЭС вызывала вопросы, разрешить которые можно было лишь созданием национальных коэффициентов на основе проведения полномасштабных научных работ. И такие работы были выполнены российскими учеными при поддержке РусГидро.

На первом этапе, в 2017–2019 годах, ученые МГУ им. М. В. Ломоносова на основании изучения архивных данных и использования расчетных моделей оценили баланс парниковых газов для водохранилищ России. Результаты показали, что для большинства водохранилищ РФ баланс получается отрицательным – водохранилища не являются значимым источником парниковых газов, а, наоборот, поглощают их. Эти расчеты обнадеживали, но требовали экспериментального подтверждения.

С 2021 по 2023 год специалисты Института физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН провели тщательные наблюдения на девяти крупных водохранилищах в разных природно-климатических зонах нашей страны. Объектами исследования стали Колымское, Бурейское, Зейское, Богучанское, Саяно-Шушенское, Рыбинское, Куйбышевское, Волгоградское и Чиркейское водохранилища.

С помощью специальных плавучих камер в разных частях водохранилищ, а также в реках выше и ниже по течению и в притоках были определены объемы эмиссии метана с поверхности воды. Одновременно были вычислены концентрации парниковых газов и содержание органического углерода в толще воды, изучены донные отложения для определения объемов консервации углерода. Замеры производились в различные периоды в течение года, что позволило учесть сезонную изменчивость биохимических и гидрологических процессов в водоемах. Также межгодовая и сезонная изменчивость исследуемых параметров оценивалась с использованием специально разработанных математических моделей.

Исследования были проведены методами, рекомендованными руководящими принципами МГЭИК, а также с учетом Руководства по измерению эмиссий парниковых газов от водохранилищ Международной гидроэнергетической ассоциации. Итоги наблюдений были обработаны учеными Института физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН, Института глобального климата и экологии им. академика Ю. А. Израэля и МГУ им. М. В. Ломоносова.

Эмиссия невосполнима

Результаты полевых исследований показали, что фактические коэффициенты эмиссии парниковых газов с поверхности практически всех водохранилищ гидроэлектростанций РусГидро значительно ниже (в некоторых случаях – в десятки раз) по сравнению с коэффициентами, представленными в руководящих принципах МГЭИК. Таким образом, фактические, экспериментально подтвержденные объемы поступления парниковых газов в атмосферу с поверхности водохранилищ российских ГЭС оказались ниже, чем считалось ранее.

Одновременно выяснилось, что в донных отложениях исследованных водоемов ежегодно консервируются большие объемы углерода, которые значительно (от 2 до 80 раз) превышают объемы его эмиссии с поверхности водохранилищ. Таким образом, вывод ученых МГУ подтвердился – водохранилища могут выводить углерод из атмосферы, аккумулируя его в донных отложениях.

В рамках исследовательской работы также была проведена оценка углеродного баланса рек до зарегулирования. В результате было установлено, что и до создания водохранилищ реки могли быть как источниками парниковых газов, так и захоранивать углерод в донных отложениях, но в меньших масштабах, чем водохранилища.

Сегодня на основе полученных результатов разрабатывается геоинформационная система с возможностью интегрировать данные измерений. Это позволит улучшить качество оценки баланса парниковых газов в водохранилищах. Также проводится валидация как математической модели, разработанной на основе полученных данных, так и национальной методики оценки воздействия создания водохранилищ на баланс парниковых газов.

Исследования, проведенные на Саяно­-Шушенском водохранилище с 2021 по 2023 год, показали, что концентрации метана на разных глубинах находятся на довольно низком уровне. А на объемы выбросов парниковых газов с акватории в большей степени влияет толщина слоя воды (средняя глубина), нежели ее площадь.