利用遙感和GIS技術(shù)的CO2地質(zhì)儲(chǔ)存選址研究

張曉娟，李旭峰，張楊

（中國(guó)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）

利用遙感和GIS技術(shù)的CO2地質(zhì)儲(chǔ)存選址研究

張曉娟，李旭峰，張楊

（中國(guó)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）

CO2地質(zhì)儲(chǔ)存是減少CO2排放、緩解溫室效應(yīng)的主要途徑之一。針對(duì)CO2地質(zhì)儲(chǔ)存場(chǎng)地的選擇對(duì)于工程安全及穩(wěn)定的重要性，該文基于CO2地質(zhì)儲(chǔ)存理論，建立了CO2地質(zhì)儲(chǔ)存工程場(chǎng)地選址指標(biāo)體系，并利用遙感技術(shù)獲取相應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，基于GIS指標(biāo)空間加權(quán)疊加分析法，從安全性、經(jīng)濟(jì)性角度進(jìn)行了CO2地質(zhì)儲(chǔ)存工程場(chǎng)地適宜性評(píng)價(jià)，得到了適宜性分區(qū)圖。我國(guó)第一個(gè)深部咸水層CO2地質(zhì)儲(chǔ)存工程就建立在本次評(píng)價(jià)為適宜區(qū)的地區(qū)，目前工程運(yùn)行很好。由此，本文方法可以為今后的CO2地質(zhì)儲(chǔ)存工程選址提供很好的參考。

CO2地質(zhì)儲(chǔ)存；選址指標(biāo)；GIS空間分析；遙感解譯；D－InSAR技術(shù)

0 引 言

CO2地質(zhì)儲(chǔ)存［1－3］是當(dāng)前國(guó)際公認(rèn)的減少溫室氣體排放的有效途徑之一。CO2地質(zhì)儲(chǔ)存場(chǎng)地的合理選擇，是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、安全儲(chǔ)存CO2的前提。開(kāi)展CO2地質(zhì)儲(chǔ)存工程非常重要的一步是儲(chǔ)存場(chǎng)地的選擇，場(chǎng)地選擇的成功與否直接決定了儲(chǔ)存工程的使用壽命和安全性等關(guān)鍵問(wèn)題。如果CO2地質(zhì)儲(chǔ)存場(chǎng)地的選擇失當(dāng)，會(huì)帶來(lái)諸多不利影響甚至造成難以彌補(bǔ)的損失。

2005年我國(guó)開(kāi)展了CO2地質(zhì)儲(chǔ)存潛力估算［4］，結(jié)果表明中國(guó)深部咸水含水層的CO2儲(chǔ)存能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他介質(zhì)如煤層、油氣盆地等，約占總儲(chǔ)存量的98.64%。根據(jù)我國(guó)陸域盆地地質(zhì)條件特征，我國(guó)深部咸水含水層地質(zhì)儲(chǔ)存規(guī)劃選址分為四個(gè)階段，分別為國(guó)家級(jí)、盆地級(jí)、工程場(chǎng)地級(jí)［5－6］。第一、第二階段主要是對(duì)國(guó)家級(jí)和盆地級(jí)地質(zhì)儲(chǔ)存潛力進(jìn)行評(píng)價(jià)，第三階段重點(diǎn)是在選擇出可供地質(zhì)儲(chǔ)存的圈閉或地區(qū)的基礎(chǔ)上，對(duì)圈閉內(nèi)各地質(zhì)時(shí)代形成的儲(chǔ)蓋層做精細(xì)描述和刻畫，通過(guò)一系列分析，優(yōu)選出CO2地質(zhì)儲(chǔ)存目標(biāo)靶區(qū)，第四階段是在優(yōu)選出的具有一定儲(chǔ)量并且適宜CO2地質(zhì)儲(chǔ)存的場(chǎng)地開(kāi)展工程選址工作。

本研究主要針對(duì)第四階段的選址工作開(kāi)展的，利用遙感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，采用相應(yīng)算法進(jìn)行選址指標(biāo)信息的提?。?］，在此基礎(chǔ)上，基于GIS強(qiáng)大的空間分析功能進(jìn)行多指標(biāo)的場(chǎng)址優(yōu)選［8］。

1 CO2地質(zhì)儲(chǔ)存目標(biāo)靶區(qū)場(chǎng)地概況

該目標(biāo)靶區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗附近，面積約2000km2，是經(jīng)過(guò)前期廣泛收集分析鄂爾多斯盆地構(gòu)造、沉積格局、儲(chǔ)層分布、蓋層穩(wěn)定性、地溫梯度、壓力及水文地質(zhì)等資料基礎(chǔ)上，優(yōu)選出的較適宜CO2地質(zhì)儲(chǔ)存的目標(biāo)靶區(qū)［9］。該區(qū)與陜北黃土高原西北緣相連，總體地貌類型為丘陵，其中西部為白堊系丘陵，主要包括內(nèi)蒙古伊金霍洛旗部分，東部及東南部為黃土丘陵，主要包括陜西省神木縣部分。區(qū)內(nèi)溝谷發(fā)育，并構(gòu)成三級(jí)水系，丘陵區(qū)被普遍切割，從而形成了崗嶺縱橫、川谷交錯(cuò)、溝壑發(fā)育的地貌景觀。丘間發(fā)育有平緩谷地，低洼處為內(nèi)陸湖泊。經(jīng)分析，該地區(qū)主要有三疊系下統(tǒng)劉家溝組、二疊系上統(tǒng)石千峰組、二疊系中統(tǒng)石盒子組、二疊系下統(tǒng)山西、太原組、奧陶系下統(tǒng)馬家溝組、奧陶系下統(tǒng)馬家溝組五個(gè)主力儲(chǔ)層，分布在地下1300m至2700m深度之間，具備良好的深部?jī)?chǔ)存CO2的地質(zhì)條件，且具備一定的儲(chǔ)存能力。

2 CO2地質(zhì)儲(chǔ)存工程場(chǎng)地選址原則

CO2地質(zhì)儲(chǔ)存場(chǎng)地選擇的基本原則是滿足儲(chǔ)存量的要求、有合適的儲(chǔ)蓋層組合、安全性、經(jīng)濟(jì)性等。本次工作是在經(jīng)過(guò)前期儲(chǔ)蓋組合評(píng)價(jià)優(yōu)選出具有一定儲(chǔ)存量的儲(chǔ)蓋組合區(qū)進(jìn)一步開(kāi)展的工程選址工作，因此重點(diǎn)考慮安全性、經(jīng)濟(jì)性等要素。

安全性。避開(kāi)可能引起CO2泄露的活動(dòng)斷裂、廢棄的深井等逃逸通道；避開(kāi)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)或有地質(zhì)災(zāi)害隱患地段，本示范區(qū)主要避開(kāi)采煤塌陷區(qū)，雖然采煤基本在100m以淺，對(duì)于深部的CO2儲(chǔ)存不構(gòu)成影響，但是基于安全角度，距離采煤塌陷區(qū)越遠(yuǎn)越好；風(fēng)向也會(huì)直接影響CO2運(yùn)移方向，因此首先工程選址需要避開(kāi)人口密集地，并且位于人口密集地的下風(fēng)口的高處，以防萬(wàn)一發(fā)生CO2泄露對(duì)當(dāng)?shù)鼐用窠】翟斐捎绊?；選址應(yīng)在地勢(shì)較高處，CO2式量為44，而空氣為29（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下），因此若大量CO2溢出會(huì)位于空氣的最底層，并且有向地勢(shì)低洼處運(yùn)移的趨勢(shì)，工程建在高處CO2容易擴(kuò)散，因此應(yīng)選擇建立在地勢(shì)高洼處。

經(jīng)濟(jì)性。距離碳源越近越好，可以降低運(yùn)輸成本；工程場(chǎng)地選則的土地利用程度越低經(jīng)濟(jì)。

3 CO2地質(zhì)儲(chǔ)存工程場(chǎng)地選址指標(biāo)體系

基于CO2地質(zhì)儲(chǔ)存工程場(chǎng)地選址原則及遙感技術(shù)的特點(diǎn)，確定了選址指標(biāo)分別為：與采煤塌陷區(qū)距離、與活動(dòng)斷裂距離、與居民點(diǎn)距離、土地利用程度、地貌類型、與碳源距離、地勢(shì)、地形坡度等8個(gè)場(chǎng)地評(píng)價(jià)指標(biāo)（表1）。

在鄂爾多斯盆地選取典型主力儲(chǔ)層組合（山西組＋石盒子組＋石千峰組＋劉家溝組），模擬了固定速率（105t／年）注入CO2和固定壓力（1.3P0，P0為水靜力平衡后最上儲(chǔ)層的壓力）注入CO2兩種情形下，20年和100年內(nèi)，注入的CO2在地下深部空間里運(yùn)移的情況，模擬結(jié)果為注入20年時(shí)，CO2在徑向上大約擴(kuò)散700m～800m，100年時(shí)，CO2擴(kuò)散到大約距離注入井900m［10］。

本次各指標(biāo)適宜程度區(qū)間的選擇則參考此模擬結(jié)果。為確保絕對(duì)安全，采煤塌陷區(qū)距離及距離活動(dòng)斷裂距離的極限值定為注入100年擴(kuò)散最大距離的三倍，即將距離這兩項(xiàng)指標(biāo)3km以內(nèi)的范圍定為不適宜區(qū)，其他較不適宜、一般適宜、較適宜、適宜4個(gè)等級(jí)的距離按照研究區(qū)內(nèi)最大距離平均分配；與居民地距離，研究區(qū)位于毛烏素沙漠南緣，居民點(diǎn)分布較少，將距離居民點(diǎn)1km以內(nèi)的范圍定為不適宜區(qū)，其他較不適宜、一般適宜、較適宜、適宜4個(gè)等級(jí)的距離按照研究區(qū)內(nèi)最大距離平均分配；地貌類型，水庫(kù)、常年性河流及季節(jié)性河流及河道內(nèi)不適宜開(kāi)展工程建設(shè)，半固定沙丘受風(fēng)向和風(fēng)力影響，會(huì)一定程度影響工程建設(shè)及后期的維護(hù)，定位較不適宜，研究區(qū)內(nèi)的基巖丘陵區(qū)，由于地形切割比較嚴(yán)重，起伏較大，相對(duì)地勢(shì)相對(duì)平坦的固定沙丘區(qū)，定為較適宜，固定沙丘地區(qū)，地形起伏很小，適合工程的建設(shè)；地勢(shì)越高，越利于CO2的擴(kuò)散，以海拔1150m為起點(diǎn)，50m為間距，分別賦予較不適宜、一般適宜、較適宜、適宜；地形坡度越小，工程建設(shè)難度和成本越小，以25°作為不適宜的極限坡度，5°為間隔，分別賦予較不適宜、一般適宜、較適宜、適宜；建設(shè)工程地點(diǎn)土地利用程度直接決定工程的場(chǎng)地建設(shè)成本，利用程度越低，越適宜工程建設(shè)；與碳源距離越近，則運(yùn)輸成本越低，根據(jù)研究區(qū)的面積，將30km定為極限距離，以5km為間隔，分別賦予較不適宜、一般適宜、較適宜、適宜?；诖?，建立了CO2地質(zhì)儲(chǔ)存工 程場(chǎng)地選址指標(biāo)體系，如表1所示。

表1 CO2地質(zhì)儲(chǔ)存工程場(chǎng)地選址指標(biāo)體系

4 工程場(chǎng)地選址指標(biāo)遙感解譯

4.1 地形地貌遙感解譯

研究區(qū)位于陜北黃土高原與毛烏素沙漠的過(guò)渡地帶，區(qū)內(nèi)海拔標(biāo)高1100m～1300m，大的地貌成因類型屬于長(zhǎng)期遭受侵蝕剝蝕的高原地貌。研究區(qū)北部主要地貌形態(tài)為龍崗狀沙堆平原，地貌形態(tài)比較簡(jiǎn)單，多光譜遙感數(shù)據(jù)ETM衛(wèi)星影像能夠很好地區(qū)分，基于監(jiān)督分類方法的最大似然比分類法分類原理［11］，利用固定沙丘、半固定沙丘、基巖丘陵、河流漫灘與階地、風(fēng)積沙漠5個(gè)地貌類型在ETM圖像上所展現(xiàn)的不同色調(diào)、紋理等信息，成功區(qū)分此類地物，分類精度達(dá)到93%。

4.2 活動(dòng)斷裂遙感解譯

區(qū)內(nèi)以緩慢的上升運(yùn)動(dòng)為主，褶皺、斷裂構(gòu)造十分微弱，地面高差相對(duì)較小，主要構(gòu)造形跡為節(jié)理裂隙、基巖呈向西傾斜、傾角平緩的單斜構(gòu)造。地表和埋藏一定深度的斷裂，由于力學(xué)性質(zhì)，活動(dòng)特征和伸展形態(tài)及其相關(guān)的兩側(cè)自然景觀的不同，其反射太陽(yáng)電磁波譜的能量就存在差異，從而構(gòu)成其特有的線性特征［12］，在充分分析研究區(qū)內(nèi)線性影像特征的基礎(chǔ)上，判釋節(jié)理裂隙11條（圖3）。

4.3 采煤塌陷區(qū)遙感解譯

研究區(qū)地貌類型為高平原、沙丘、丘陵等地貌，地表巖性單一，區(qū)內(nèi)不具備崩塌滑坡泥石流等地質(zhì)災(zāi)害形成條件，區(qū)內(nèi)為煤礦區(qū)，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，采用了目前已經(jīng)成功用于滑坡、地震變形、火山活動(dòng)以及由于開(kāi)采石油、煤、地下水等人類活動(dòng)所引起的地表沉降等問(wèn)題的D－InSAR技術(shù)［13－14］，開(kāi)展了采煤塌陷區(qū)的排查。

本次研究采用的二軌法D－InSAR技術(shù)。二軌法工作原理是采用工作區(qū)地表變化前后的兩幅Radarsat－2圖像生成干涉條紋圖ψd，再利用事先獲取的DEM數(shù)據(jù)模擬地形相位圖ψsim，從干涉條紋圖中消除地形信息就得到地表的形變信息ΔR（公式1），數(shù)據(jù)差分干涉處理流程如圖1所示。

圖1 二軌法D－InSAR數(shù)據(jù)處理流程

采用2010年10月18日獲取的雷達(dá)影像作為主影像，選擇2010年12月29日獲取的雷達(dá)影像為從影像，配準(zhǔn)方法選擇強(qiáng)度互相干算法，所獲取的2期雷達(dá)衛(wèi)星影像質(zhì)量很好，配準(zhǔn)誤差平均小于0.2個(gè)像元，將配準(zhǔn)好的影像進(jìn)行干涉處理，生成干涉圖；采用DEM數(shù)據(jù)模擬地形相位；將模擬結(jié)果與干涉結(jié)果進(jìn)行差分，去除地形引起的相位；繼而進(jìn)行相位解纏，將相位由主值或相位差值恢復(fù)為真實(shí)值，在此過(guò)程中，為去除相位噪聲、干涉相位的不連續(xù)造成的影響，進(jìn)行了自適應(yīng)濾波處理，最后生成監(jiān)測(cè)區(qū)的地表形變圖，見(jiàn)圖2。由圖2可以看出，在研究區(qū)內(nèi)存在10處典型的采煤塌陷區(qū)?？紤]到CO2地質(zhì)儲(chǔ)存工程的安全性，在今后進(jìn)行CO2選址時(shí)應(yīng)避開(kāi)采煤塌陷地段。

圖2 工作區(qū)地表形變D－InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果

4.4 土地利用程度遙感解譯

研究?jī)?nèi)90%以上的土地為裸地或人工林，且人口稀少，在烏蘭木倫河谷有鐵路、與煤炭有關(guān)的經(jīng)營(yíng)活動(dòng)以及部分農(nóng)田，總體上，利于CO2地質(zhì)儲(chǔ)存（圖3）。

圖3 示范區(qū)遙感綜合解譯圖

4.5 其他要素信息提取

地勢(shì)及地形坡度通過(guò)利用研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)，利用GIS的三維空間分析模塊，將其量化為表1的相應(yīng)指標(biāo)。

圖4 CO2地質(zhì)儲(chǔ)存工程場(chǎng)地選址結(jié)果

5 CO2地質(zhì)儲(chǔ)存工程場(chǎng)地適宜性評(píng)價(jià)

基于以上遙感解譯結(jié)果，基于GIS的重分類模塊，將其轉(zhuǎn)變?yōu)樵u(píng)價(jià)指標(biāo)，利用GIS空間分析模塊，基于CO2地質(zhì)儲(chǔ)存工程場(chǎng)地選址指標(biāo)體系，進(jìn)行指標(biāo)疊加分析，進(jìn)而得到研究CO2地質(zhì)儲(chǔ)存灌注場(chǎng)地適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果圖（圖4），在適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果圖上人工圈劃出8處適宜開(kāi)展CO2地質(zhì)儲(chǔ)存工程的場(chǎng)地范圍。

6 結(jié)束語(yǔ)

本次研究通過(guò)建立CO2地質(zhì)儲(chǔ)存工程場(chǎng)地選址指標(biāo)體系，利用遙感技術(shù)解譯相關(guān)指標(biāo)，采用GIS的空間分析模塊生成CO2地質(zhì)儲(chǔ)存工程場(chǎng)地適宜性區(qū)劃，在此基礎(chǔ)上圈定工程建設(shè)選址靶區(qū)。其中，我國(guó)第一個(gè)煤基全流程深部咸水層儲(chǔ)存工程——神華集團(tuán)CO2捕獲與儲(chǔ)存示范工程［15］，就建設(shè)在評(píng)價(jià)等級(jí)為適宜的一處區(qū)域，該工程2010年底建設(shè)安全運(yùn)行至今。實(shí)踐證明，利用遙感和GIS相結(jié)合，能夠從安全性和經(jīng)濟(jì)性角度為CO2地質(zhì)儲(chǔ)存工程選址提供很好的參考。

鑒于我國(guó)CO2地質(zhì)儲(chǔ)存研究處于起步階段，工程選址指標(biāo)體系在今后的研究與實(shí)踐過(guò)程中有待進(jìn)一步改進(jìn)和完善。

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Site Selection of CO2Geology Storage Based on Remote Sensing and GIS Technique

ZHANG Xiao－juan，LI Xu－feng，ZHANG Yang

（Center for Hydrogeology and Environmental Geology Survey，CGS，Baoding071051）

The carbon dioxide geological storage is one of the best methods to reduce carbon emission and alleviate the greenhouse effect.It is very important to choose the site of carbon dioxide storage.Therefore，this paper built the site selection index system of carbon dioxide geology project，generated the base data of evaluation by remote sensing technology，set up the suitability evaluation for carbon dioxide geology project site based on the spatial weighted stack analysis method，and obtained suitability zoning maps.The first carbon dioxide storage project in deep saline water layer has been built in the area which was evaluated as suitable region by this research，and it is running well to this day.This technology can provide a good reference for carbon dioxide project site selection at both sides of safety and economy in future.

carbon dioxide geology storage；site selection index；GIS spatial analysis；remote sensing interpretation；D－InSAR technology

10.3969／j.issn.1000－3177.2015.04.021

P66

A

1000－3177（2015）140－0121－04

2014－05－20

2014－10－13

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目（1212011087128、1212011087127）。

張曉娟（1981—），女，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)?S技術(shù)在二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存領(lǐng)域的應(yīng)用與研究。

E－mail：zxj＿3004＠sina.com