二氧化碳地質(zhì)儲存環(huán)境影響監(jiān)測研究

李 康，趙學亮，袁愛軍，李旭峰

(中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北保定071051)

近幾年來，空氣中二氧化碳的大量排放所產(chǎn)生的溫室效應越來越明顯，成為世界氣象問題的一個難題，將二氧化碳儲存到地下被認為是最為有效的解決溫室氣體排放的方法。美國、英國、日本、挪威、加拿大等發(fā)達國家已經(jīng)開展此類工程項目，并且相關技術也比較成熟［1］，我國于2010年開始在內(nèi)蒙古鄂爾多斯盆地地區(qū)實施和建設了全國第一個二氧化碳地質(zhì)儲存示范工程項目，該項目是通過一口灌注井將臨界狀態(tài)下的二氧化碳打入地下2000多m具有儲存二氧化碳能力的地層。但是在長期的地下儲存中，二氧化碳會從裂縫、井筒、斷層等泄露，或者以其他方式擴散到儲層之外，對環(huán)境造成不利的影響［2］。為了減少或者避免這些潛在的危險，項目組通過遙感監(jiān)測、非人工源地震監(jiān)測、水準測量、時移VSP監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測等技術手段來對二氧化碳儲蓋層的完整性、二氧化碳運移及分布情況及可能對環(huán)境造成的影響進行監(jiān)控。作者將對二氧化碳地質(zhì)儲存的環(huán)境監(jiān)測的監(jiān)測方案進行重點闡述。

1 環(huán)境監(jiān)測工作的開展

隨著二氧化碳地質(zhì)儲存的進行，不能排除二氧化碳的潛在的逃逸危險，環(huán)境監(jiān)測是最直接，也是最有效的方法之一。因此，需要對封存區(qū)二氧化碳濃度的變化及相關環(huán)境因素進行定期監(jiān)測，以便對二氧化碳發(fā)生泄漏的風險性進行評估，使其泄漏的風險降低到最低。根據(jù)項目的需要，結合當?shù)貧夂颦h(huán)境、地質(zhì)條件等實際情況，開展了大氣環(huán)境、土壤表層環(huán)境、地下水和地表水環(huán)境的監(jiān)測。

2 大氣環(huán)境監(jiān)測

2.1 監(jiān)測點布設的原則

(1)應相對均勻分布，覆蓋整個受到影響的區(qū)域，但是在下風向多設置，上風向少設置監(jiān)測點;

(2)點位要有代表性，即全部點位測得濃度的平均值要能代表覆蓋區(qū)域的總體濃度平均值;

(3)根據(jù)區(qū)域內(nèi)環(huán)境的不同劃分幾個功能區(qū)，如地裂縫、廢氣井等，要重點監(jiān)測;

(4)特殊區(qū)域要加密布點;

(5)各監(jiān)測點之間設置條件盡可能一致，如監(jiān)測點的海拔、植被情況等，使各監(jiān)測點獲得的數(shù)據(jù)具有可比性;

(6)設置監(jiān)測點盡量遠離煙囪、建筑、道路等影響因素;

(7)隨著監(jiān)測工作的進行，監(jiān)測點位可以根據(jù)實際情況進行增減。

2.2 監(jiān)測點的布設

依據(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測規(guī)范［3］，大氣二氧化碳濃度監(jiān)測布點應用同心圓多方位布點法。同心圓多方位布點法適用于孤立源所在地風向多變的情況。

具體布點方法是:以灌注井為圓心，劃出16或8個方位的射線和若干不同半徑的同心圓，同心圓圓周與射線的交點即為監(jiān)測點。根據(jù)客觀條件和需要，往往是在主導風向的下風向方位布點密些，而其他方位疏些，根據(jù)風向，東南方向進行加密。確定同心圓半徑的原則是在預計的高濃度區(qū)及高濃度與低濃度交接區(qū)應密些，其他則疏些。畫圈的距離是250m、500m、1000m、2000m。由上面原則，每圈設定12個點位，共48個點位。

結合實際情況，在灌注井示范區(qū)的東側，距離近4km的采煤塌陷區(qū)加設5個監(jiān)測點;在示范區(qū)內(nèi)部灌注井、兩口監(jiān)測井和二氧化碳緩沖罐處加設4個監(jiān)測點。大氣監(jiān)測點布局如圖1所示。

2.3 監(jiān)測方案的設計

大氣環(huán)境監(jiān)測主要在查明當時氣象條件的情況下對空氣中CO2濃度進行監(jiān)測，監(jiān)測的項目包括:時間、溫度、濕度、風速、風向、大氣壓、云量、大氣穩(wěn)定度和CO2濃度。

由于泄露首先是對地表的生物產(chǎn)生影響，故大氣CO2濃度監(jiān)測主要監(jiān)測近地表1.5m內(nèi)的大氣CO2濃度［4］。分別對距地面高度 20cm、50cm、80cm、110cm、140cm的大氣CO2濃度進行監(jiān)測，由于大氣溫度對CO2濃度的影響比較大，故也對大氣溫度進行相應高度的監(jiān)測。

監(jiān)測頻率設定為每個月1次，確保在每個月的月末監(jiān)測，且監(jiān)測的時間要保持固定，這樣采集的數(shù)據(jù)才更具有可比性。

監(jiān)測儀器選用便攜式手持紅外氣體分析儀EGM－4和便攜式小型氣象站Kestrel 4000。

EGM－4是依據(jù)紅外監(jiān)測的手段［5］，利用CO2吸收激光電波束的紅外光譜特性，可以測量接近地面空氣中1.5m以下的CO2濃度，其檢測范圍是10萬ppm，精度為1ppm。

便攜式小型氣象站Kestrel 4000用來監(jiān)測大氣環(huán)境，包括溫度、濕度、風速、大氣壓等因子。

3 土壤表層CO2通量監(jiān)測

土壤中的植物生長所需CO2在土壤氣體中的比例一般為0.2% ～4%，如果泄露的CO2導致比例超過5%就會對動植物生長產(chǎn)生危害，超過20%會導致植物死亡。

為了及時發(fā)現(xiàn)CO2逃逸的可能性，確定CO2的逃逸量，判斷CO2的來源，將損失降低到最小，進行土壤二氧化碳通量的監(jiān)測是很必要的。

3.1 土壤監(jiān)測點的布設

碳源對土壤氣體的影響范圍沒有空氣的大，故監(jiān)測布點采用網(wǎng)格布點法，以示范工程場區(qū)為中心，監(jiān)測1km2的范圍，根據(jù)實際監(jiān)測情況，如有需要可以擴大監(jiān)測范圍。

網(wǎng)格布點法是測量土壤環(huán)境常用的布點方法，這種布點法是將點位設在兩條直線的交點處或者方格中心，監(jiān)測區(qū)域地面劃分為若干均勻網(wǎng)狀方格。網(wǎng)格大小按照示范工程場地周圍的地理環(huán)境設置，以200m的間距設置網(wǎng)格，每條線6個點，共36個點，監(jiān)測1km2的范圍?？紤]到可能對示范區(qū)內(nèi)的影響較大，故在示范區(qū)內(nèi)中心位置加密4個點。

3.2 土壤CO2通量監(jiān)測方案

應用漢莎科學EGS－4 CO2氣體分析儀進行監(jiān)測，在開機之前，將SRC－1土壤呼吸室連接在EGM－4儀器上，并且接好進氣管和出氣管。SRC－1呼吸室上的電信號插頭，連接到EGM－4分析儀的I/O端口上，管子上標有“R”的氣路管與ESM－4分析儀上的進氣口“GAS IN”相連接，另一根管子接到出氣口“GAS OUT”上。

連接好土壤呼吸室后開機，預熱到55℃之后開始測量土壤二氧化碳通量。

土壤氣體CO2通量監(jiān)測方法:打開電源開關，屏幕上顯示1REC，按1鍵，儀器進入預熱狀態(tài)，預熱完畢后，屏幕上顯示“SOIL RESP.DATA RECORD 1ALL 2END”，其中，1ALL是全數(shù)據(jù)存儲，2END是存儲最終結果。通常選擇存儲最終結果，按2鍵后顯示 “DATA FITTING1LINEAR2QUAD”，其 中1LINEAR是線性處理，2QUAD是二次方程處理，在呼吸速率不是非常高時采用線性處理方式。按1鍵，之后按“Y”鍵，將土壤呼吸室置于土壤表面，這時呼吸室的風扇高速運轉(zhuǎn)，向外吹風，將室內(nèi)的高濃度的CO2氣體交換出來，等待15m的時間后按“Y”鍵開始測量，得到土壤氣體CO2通量。每個點位重復三次以上操作，取平均值。

監(jiān)測頻率為每個月監(jiān)測1次，全年共計12次。

4 地下水及地表水檢測

CO2泄露對淺層地下水及地表水的影響主要有:導致pH值降低，酸性增強;增加水中微量元素的富集程度;礦體重金屬進入飲用地下水引起重金屬污染;高含鹽量的鹵水進入蓄水層，破壞水質(zhì)。所以對地下水及地表水的監(jiān)測目的是判斷是否發(fā)生CO2逃逸;判斷CO2的來源;判斷CO2逃逸對淺層水水質(zhì)的影響。

4.1 監(jiān)測點布設

在示范工程場區(qū)周圍5km范圍內(nèi)，依據(jù)《地下水環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)》(HJ/T64－2004)的有關要求，和當?shù)氐叵滤飨蚣暗貏莸母叩颓闆r，確定監(jiān)測點的位置。

4.2 監(jiān)測方法

地下水及地表水的檢測分為兩部分，包括現(xiàn)場檢測和實驗室檢測。

(1)現(xiàn)場監(jiān)測應用美國哈希便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀。現(xiàn)場監(jiān)測的參數(shù)有水位、水溫、氣溫、pH值、電導率、TDS(礦化度)等。

水位檢測:通過帶刻度的浮子式水位儀測量。

pH值測量:連接pH探頭到便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀，將探頭插入被測液體內(nèi)，開機，穩(wěn)定后按6鍵，就開始測量pH值，等待幾分鐘，聽到儀器滴滴作響，就可以讀取數(shù)據(jù)了，按“READ”鍵讀取數(shù)據(jù)。

電導率、TDS、水溫的測量:取下 pH探頭，插上檢測電導率、TDS等的探頭，按4鍵，開始測量，等待1min，聽到儀器滴滴作響，就可以讀取數(shù)據(jù)，按“READ”鍵讀取數(shù)據(jù)。

(2)實驗室通過大型水質(zhì)儀器進行水樣的全分析檢測。測試指標包括 pH值、K+、Na+、Ca2+、 Mg2+、 總 Fe、 Mn、 F－、 Cl－、 NO2－、NO3－、S、HC、C、OH－、礦化度等。水樣送測試單位后，由測試單位按照國家、部門、行業(yè)有關標準嚴格執(zhí)行。

5 小結

以上二氧化碳地質(zhì)儲存的環(huán)境監(jiān)測方法經(jīng)過2a的實施，取得了一定的成果，能夠初步了解二氧化碳地質(zhì)儲存對當?shù)卮髿?、土壤、地下水及地表水的一定程度影響，對二氧化碳的逃逸具有監(jiān)視作用，如果逃逸發(fā)生了，可以達到預警的功能，將逃逸造成的損失降低到最小。

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