Spatio-temporal change of methane distribution and emission in reservoirs with different water residence coefficient

The work concerns questions of time-spatial changes of contents and emission of methane from a surface of polytypic reservoirs. On the basis of comparison of the field observations on the Mozhaisk and Gorky reservoirs the distinctions of contents and specific fluxes of methane for reservoirs with various water residence time and hydrological regime are shown. The Gorky reservoir is characterized by a much smaller spatial variability in the methane content than in the weakly flowing Mozhaisk reservoir and its relatively small concentrations due to the shorter time of water exchange that affects the hydrological regime. The methane content in the lake part of the Gorky reservoir in August 2017 in the surface layer was 3.5-7 μΜ, in the bottom layer - 3.6-12.6 μΜ, while in Mozhaisk reservoir - 12-24 and more than 1500 μΜ, respectively. According to the results of the installation of floating chambers in mid-August 2017, the methane flux in the lake part of the Gorky reservoir did not exceed 1.6 mg C-CH4/(m²hour), while at the Mozhaisk reservoir it was more than 10 mg C-CH4/(m²hour). Comparison with literary data has shown that emission rate from reservoirs of a boreal zone with slow water exchange can be underestimated.

reservoirs, hydrological regime, water residence, methane, diffusive flux, bubble emission

1. Большаков А. М, Егоров А. В. Результаты газометрических исследований в Карском море // Океанология. 1995. Т 35, № 3. С. 399-404.

2. Бреховских В. Ф., Вишневская Г. Н, Кременецкая Е. Р., Ломова Д. В. Об оценке потребления кислорода разными типами грунтов долинных водохранилищ в летний период // Метеорология и гидрология. 2006. № 10. С. 82-91.

3. Буторин Н. В. Гидрологические процессы и динамика водных масс в водохранилищах Волжского каскада. Л.: Наука, 1969. 322 с.

4. Вода России. Водохранилища / Под науч. ред. А. М. Черняева. Екатеринбург: Аква-Пресс, 2001. 700 с.

5. Гавриловский Д. В. Экологические проблемы Цимлянского водохранилища // Новая наука: Теоретический и практический взгляд. 2015. № 6-2. С. 17-19.

6. Гарькуша Д. Н, Федоров Ю. А., Тамбиева Н. С. Метан как индикатор условий раннего диагенеза и экологического состояния водных экосистем // Изв. вузов. Северо-Кавказский регион. 2013. № 6. С. 78-82.

7. Гидрометеорологический режим озер и водохранилищ СССР. Водохранилища Верхней Волги. Л., 1975. 292 с.

8. Гидроэкологический режим водохранилищ Подмосковья (наблюдения, диагноз, прогноз) / В. В. Пуклаков, Ю. С. Даценко, А. В. Гончаров и др. М.: Перо, 2015. С. 284.

9. Гречушникова М. Г, Бадюков Д. Д, Саввичев А. С., Казанцев В. С. Сезонные и пространственные изменения содержания метана в Можайском водохранилище в летний период // Метеорология и гидрология. 2017. № 11. С. 67-78.

10. Ермаков С. А., Капустин И. А., Лазарева Т. Н, Сергиевская И. А., Андриянова Н. В. О возможностях радиолокационной диагностики зон эвтрофирования водоемов // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2013. Т 49, № 3. С. 336- 343.

11. Ерина О. Н. Режим растворенного кислорода в стратифицированных водохранилищах Москворецкой системы водоснабжения г. Москвы // Дис.. канд. геогр. наук. М.: МГУ, 2015. 188 с.

12. Зайцева Н. В. Проблема развития синезеленых водорослей в Воткинском и Ижевском водохранилищах // Современные научные исследования и инновации. 2014. № 6. [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2014/06/36048.

13. Зорькин Л. М, Суббота М. И., Стадник Е. В. Метан в нашей жизни. М.: Недра, 1986. 149 с.

14. Леднёв В. Н, Гришин М. Я., Першин С. М, Бункин А. Ф., Капустин И. А., Мольков А. А., Ермаков С. А. Лидарное зондирование пресноводной акватории с высокой концентрацией фитопланктона // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т 13, № 1. С. 119-134.

15. Метан в водных экосистемах / Ю. А. Федоров, Н. С. Тамбиева, Д. Н. Гарькуша, В. О. Хорошевская. Ростов-на-Дону; М.: Ростиздат, 2005. 329 с.

16. Методические указания. Методика выполнения измерений концентрации метана в водах парофазным газохроматографическим методом. РД 52.24.512-2002.

17. Можайское водохранилище. Комплексные исследования водохранилищ. Вып. 3. М.: Изд-во МГУ 1979. 400 с.

18. Охапкин А. Г., Микульчик И. А., Корнева Л. Г., Минеева Н. М. Фитопланктон Горьковского водохранилища. Тольятти, 1997. 156 с.

19. Плотины и развитие: новая методическая основа для принятия решений. Отчет Всемирной комиссии по плотинам. М.: Всемирный фонд дикой природы (WWF). 2009. 200 с.

20. Саввичев А. С., Русанов И. И., Юсупов С. К. и др. Биогеохимический цикл метана в прибрежной зоне и литорали Кандалакшского залива Белого моря // Микробиология. 2004. Т. 73, № 4. С. 540-552.

21. Соболь С. В. Оценка геоэкологических последствий создания и многолетней эксплуатации равнинного Горьковского водохранилища на р. Волге // Приволжский научный журнал. 2016. № 1. С. 88-96.

22. Федоров Ю. А., Тамбиева Н. С., Гарькуша Д. Н., Хорошевская В. О. Метан в водных экосистемах. Ростов-на-Дону; М.: Ростиздат, 2005. 329 с.

23. Эдельштейн К. К. Гидрология озер и водохранилищ. М.: Перо, 2014. 399 с.

24. Экологические проблемы верхней Волги/ Отв. ред. А. И. Копылов. Ярославль: Изд-во ЯГТУ, 2001. 427 с.

25. Barros N., Cole J. J., Tranvik L. J., Prairie Y. T., Bastviken D., Huszar V. L. M., del Giorgio P, Roland F. Carbon emission from hydroelectric reservoirs linked to reservoir age and latitude // Nat. Geosci. 2011. V. 4. P. 593-596.

26. Bastviken D., Cole J., Pace M., Tranvik L. Methane emissions from lakes: Dependence of lake characteristics, two regional assessments, and a global estimate // Global Biogeochem. Cycles. 2004. V. 18. GB4009. doi:10.1029/2004GB002238.

27. Cole J. J., Prairie Y. T., Caraco N. F, McDowell W. H., Tranvik L. J., Striegl R. G., Duarte C. M., Kortelainen P., Downing J. A., Middelburg J. J., Melack J. Plumbing the global carbon cycle: integrating inland waters into the terrestrial carbon budget // Ecosystems. 2007. V10, N 1. P. 172-185.

28. Cole J. J., Caraco N. F. Atmospheric exchange of carbon dioxide in a low-wind oligotrophic lake measured by the addition of SF6 // Limnol. Oceanogr. 1998. V. 43. P. 647-656. doi:10.4319/lo.1998.43.4.0647.

29. Demarty M, Bastien J., Tremblay A., Hesslein R. H, Gill R. Greenhouse gas emissions from boreal reservoirs in Manitoba and Quebec, Canada, measured with automated systems // Environmental Science & Technology. 2009. V. 43. P. 8908-8915.

30. Deemer B. R., Harrison J. A., Li S., Beaulieu J. J., Delsontro T., Barros N., Bezerra-Neto J. F, Powers S. M, dos Santos M. A., Vonk J. A. Greenhouse Gas Emissions from Reservoir Water Surfaces: A New Global Synthesis. BioScience. 2016. V. 66, N 11. P. 949-964. https://doi.org/10.1093/biosci/biw117.

31. Dunfield P, Dumont R., Moore T. R. Methane production and consumption in temperate and subarctic peat soils: response to temperature and pH // Soil Biology and Biochemistry. 1993. V. 25 (3). P. 321-326.

32. Fedorov M. P., Elistratov V. V., Maslikov V. I., Sidorenko G. I., Chusov A. N., Atrashenok V. P, Molodtsov D. V., Savvichev A. S., Zinchenko A. V. Reservoir Greenhouse Gas Emissions at Russian HPP // Power Technology and Engineering. 2015. V. 49, N 1. P. 33-36. doi: 10.1007/s10749-015-0569-3/.

33. Giles J. Methane quashes green credentials of hydropower // Nature. 2006. V 444. P. 524-525.

34. Global Reservoir and Dam (GRanD) database Technical documentation http://www. gwsp.org/fileadmin/downloads/GRanD_Technical_Documentation_v1_1.pdf.

35. Goldenfun J. A. GHG measurement guidelines for freshwater reservoirs // IHA: UK, 2010. P. 36-91.

36. Greenhouse gas emissions related to freshwater reservoirs: World Bank Report - January, 2010. https://siteresources.worldbank.org/INTNTFPSI/Resources/GHGemis- sionsrelatedtofreshwaterreservoirs.pdf.

37. Lehner B, Doll P. Development and validation of a global database of lakes, reservoirs and wetlands // J. Hydrol. 2004. V. 296. P. 1-22.

38. Lima I., Ramos F, Bambace L., Rosa R. Methane emissions from large dams as renewable energy resources: a developing nation perspective // Mitigation Adaptation Strategy Global Change. 2006. V 13. P. 1381-1386.

39. Louis V. L., Kelly C. A., Duchemin E, Rudd J. W. M, Rosenberg D. M. Reservoir surfaces as sources of greenhouse gases to the atmosphere: a global estimate // Bioscience. 2000. V. 50. P. 766-775.

40. Roehm C, Tremblay A. Role of turbins in the carbon dioxide emissions from two boreal reservoirs, Quebec, Canada // Journal of Geophysical Reseach. 2006. V. 11. D24101, doi:10.1029/2006JD007292.

41. Rosa L. P, Dos Santos M. A., Matvienko B, Dos Santos E. O, Sikar E. Greenhouse gas emissions from hydroelectric reservoirs in tropical regions // Climatic change. 2004. V. 66, N 1-2. P. 9-21.

42. Dos Santos M. A., Matvienko B., Rosa L. P., Sikar E, dos Santos E. O. Gross Greenhouse Gas Emissions from Brazilian Hydro Reservoirs // A. Tremblay, L. Varfalvy, C. Roehm, M. Garneau (eds). Greenhouse Gas Emissions - Fluxes and Processes. Environmental Science. Springer, Berlin: Heidelberg, 2006. Doi: 10.1007/978-3-540- 26643-3_12.

43. Sherman B, Ford P, Hunt D., Drury C. Reservoir methane monitoring and mitigation - Little Nerangand Hinze Dam Case Study // Urban Water Security Research Alliance Technical Report. 2012. N 96. 76 p.

44. Stepanenko V., Mammarella I., Ojala A., Miettinen H., Lykosov V., Vesala T. LAKE 2.0: a model for temperature, methane, carbon dioxide and oxygen dynamics in lakes // Geosci. Model Dev. 2016. V. 9. P. 1977-2006. https://doi.org/10.5194/gmd-9-1977- 2016.

45. Tremblay A, Varfalvy L., Roehm C., Garneau M. (eds). Greenhouse Gas Emissions: Fluxes and Processes, Hydroelectric Reservoirs and Natural Environments. Environmental Science Series. New York: Springer, 2005. 732 p.

46. UNESCO/The International Hydropower Association. GHG Measurement Guidelines for Freshwater Reservoirs / Goldenfum J. A., еd. London, UK, 2010.

47. Varis O, Kummu M, Harkonen S, Huttunen J. T. Greenhouse Gas Emissions from Reservoirs // C. Tortajada, D. Altinbilek, A. Biswas (eds). Impacts of Large Dams: A Global Assessment. Water Resources Development and Management. Springer, Berlin: Heidelberg, 2012. P. 69-94.

48. Williamson C. E, Saros J. E., Vincent W. F, Smold J. P. Lakes and reservoirs as sentinels, integrators, and regulators of climate change // Limnology and Oceanography. 2009. V. 54, N 6, part 2. P. 2273-2282.