煤層氣田產(chǎn)出水灌溉對土壤性質的影響

呼佳寧　李向東　馮啟言

摘要：煤層氣開采與利用過程中排放出大量的煤層氣產(chǎn)出水，對周圍土壤、水環(huán)境造成威脅，因此，煤層氣田產(chǎn)出水的資源化利用值得關注和研究。通過檢測和分析山西沁水盆地柿莊南煤層氣產(chǎn)區(qū)的煤層氣產(chǎn)出水水質特征以及周圍農(nóng)田土壤的基本理化指標，結合室內土柱模擬灌溉試驗，分析煤層氣田產(chǎn)出水灌溉對土壤環(huán)境的影響。結果表明：煤層氣田產(chǎn)出水呈現(xiàn)高鹽、高礦化度、高氟的水質特征，灌溉土壤270 d后，土壤含水率隨深度出現(xiàn)先增高后降低的規(guī)律，最大值出現(xiàn)在60～80 cm土層；土壤pH值根據(jù)灌溉水水質的不同呈現(xiàn)出與含水率變化相反的規(guī)律；土壤鈉吸附率（SAR值）、電導率（EC值）高于土壤初始值，最大值出現(xiàn)在0～40 cm土層，土壤保水能力下降，土壤表層出現(xiàn)鈉質化、鹽漬化現(xiàn)象；F離子在土壤表層0～40 cm出現(xiàn)累積的現(xiàn)象，部分高于土壤初始值，但未超出山西省土壤背景值。

關鍵詞：煤層氣田產(chǎn)出水；農(nóng)田土壤；農(nóng)業(yè)灌溉；土壤柱；土壤理化性質

中圖分類號：S274；X53 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）07-0459-04

煤層氣是指與煤炭伴生、以吸附方式賦存于煤層中的天然氣，亦稱為煤層天然氣，其主要成分是甲烷氣體。隨著社會對能源要求的不斷提高，燃氣在能源結構中的比重不斷增大，煤層氣的開采利用極大地彌補了煤炭利用的缺陷。煤層氣的開采既有效減少了甲烷氣體的排空現(xiàn)象，同時在燃燒利用階段污染物的排放量也遠遠低于燃煤的排放量，這對降低全球溫室效應有著重要的意義，因此，煤層氣作為一種清潔高效的新型能源正受到越來越多的重視[1-2]。

煤層氣在產(chǎn)生、儲存、開采的過程中均會與煤層中的水分混合共生，開采過程中往往需要通過排出大量的煤層水來釋放壓力，這些水被稱為煤層田產(chǎn)出水[3]。煤層田產(chǎn)出水在漫長的地質歷史時期與周圍環(huán)境進行各種物理化學反應，其水質因煤層氣開采區(qū)、煤層地質演變程度的不同而存在一定的差異，其中生產(chǎn)階段產(chǎn)出水主要以高礦化度、高鹽度為特征，并含有少量重金屬[4-5]，例如沁水盆地南部棗莊區(qū)塊的某煤層氣田產(chǎn)出水中Na+濃度高達3 700 mg/L，礦化度高達 58 000 mg/L，并且檢測出少量鍶、鋰、硼、鋇、鐵等元素[6]。

隨著煤層氣的不斷開采和利用，產(chǎn)生的大量煤層氣田產(chǎn)出水成為學者們關注的熱點。例如美國亞拉巴馬州曾將礦化度低于2 000 mg/L的產(chǎn)出水直接排放，美國還有地區(qū)將礦化度大于2 000 mg/L的產(chǎn)出水經(jīng)過沉淀后用于灌溉和畜牧[7]，水質較差的產(chǎn)出水經(jīng)過處理后可以回注含水層，還有一部分產(chǎn)出水需要進行進一步的處理后排放[8-13]。許多科學家曾開展微咸水灌溉、海水灌溉以及污水灌溉研究，如楊樹青利用微咸地下水灌溉土壤后，土壤鹽度有一定的增加，但是當土壤鹽分基本維持平衡時，土壤鹽分雖然略有增加，但是不會對土壤環(huán)境造成較大的影響[14]。唐奇志利用海水灌溉土壤后發(fā)現(xiàn)，0～5 cm土層土壤鹽分變化劇烈，較高濃度海水灌溉后土壤出現(xiàn)鹽漬化，通過海水、淡水交替灌溉后鹽漬化不明顯[15]。Ganjegunte等利用煤層氣田產(chǎn)出水長時間灌溉土壤發(fā)現(xiàn)，土壤電導率（EC）、鈉吸附率（SAR）有顯著的提高，土壤存在鹽漬化的風險，并且表層土壤鹽度累積明顯[16]。由于很多農(nóng)村地區(qū)直接將煤層氣田產(chǎn)出水用于農(nóng)田灌溉，但是我國目前缺乏煤層氣產(chǎn)出水灌溉土壤的研究，土壤環(huán)境存在隱患。本研究結合煤層氣田產(chǎn)出水高鹽、高礦化度的特征，參照其他研究者的研究模式，設計土壤柱淋溶試驗，旨在探討煤層氣田產(chǎn)出水灌溉后土壤理化性質的變化及其用于農(nóng)業(yè)灌溉的可行性。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

水樣、土樣采自山西沁水盆地的柿莊南部，該地區(qū)煤層氣產(chǎn)量豐富，是我國煤層氣開發(fā)投入規(guī)模最大、研究程度最高的煤層氣生產(chǎn)區(qū)之一[17]。區(qū)內煤層氣勘探開采的主要煤層是二疊系山西組3#煤層、石炭系太原組15#煤層。煤層氣田水樣Ⅰ直接采自煤層氣產(chǎn)出水排水口，水樣Ⅱ采自煤層氣產(chǎn)出水的蓄水池，地表水采自采樣區(qū)域內自然水體，水樣采集后用 2.5 L 聚乙烯桶密封保存，1周內送檢。土壤采自采樣區(qū)域內遠離煤層氣產(chǎn)區(qū)的農(nóng)田土壤，采樣點見圖1，分別在0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 5個深度依次采集土壤，并密封保存。

1.2 分析方法

水樣離子含量應用IC離子色譜儀檢測，元素含量采用電感耦合等離子體質譜儀檢測，由中國礦業(yè)大學現(xiàn)代分析與計算中心的專業(yè)人員負責檢測。土壤含水率采用烘干法進行測定；土壤pH值采用電位法測定；土壤電導率（EC）采用DS-11A型電導率儀測定；土壤元素含量采用原子熒光分光光度計檢測。

土壤SAR值通過式（1）計算：

1.3 土壤柱淋溶試驗

研究采用室內土壤柱模擬灌溉試驗，土壤柱采用內徑150 cm、厚0.5 cm的PVC管，頂端密封，密封蓋中部設計直徑5 mm的圓孔，外插PVC管用于進水。土壤柱高度為 100 cm，分別在距離頂端20、40、60、80、100 cm處設置采樣口，土壤柱底部設有排水口，灌溉飽和后水分可經(jīng)排水口排出，試驗裝置設計見圖2。

土壤裝填時，各層土壤與土壤采集深度對應，土壤裝填質量M計算公式：

M=ρV/（1-W）。

式中：V為體積，cm3；M為土壤裝填質量，g；ρ為密度，g/cm3；W為土壤含水率，%。

經(jīng)計算，每層土柱體積為3 532.5 cm3，土壤容重為 1.35 g/cm3，根據(jù)土樣每層的含水率計算得到土壤柱0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土壤層填裝的土壤質量分別為5.75、5.96、6.19、6.44、6.36 kg。設置4組土壤淋溶柱模擬試驗，4組土壤柱編號分別為A、B、C、D，土壤柱試驗設計見表1。灌溉周期為270 d，所有土壤柱采用蠕動泵進行慢速淋濾灌溉，進水速率為20.8 mL/h，每個土壤柱的灌溉水總量為13.5 L。灌溉試驗結束后，測定每個土壤柱各層土壤pH值、含水率、鈉吸附比（SAR）、電導率（EC）、氟（F）離子含量。

2 結果與分析

2.1 煤層氣田產(chǎn)出水水質評價

對水樣和土樣進行分析，得到基本理化性質。由表2可見，煤層氣田產(chǎn)出水樣品中的電導率（EC）、含鹽量（TDS）、pH值均高于地表水，基于HJ 332—2006《食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質量評價標準》，水樣大部分指標在標準限值之內，例如毒性金屬砷（As）、鎘（Cd）、汞（Hg）、鉻（Cr）、銅（Cu）等含量均低于檢測限，鋅（Zn）、鉛（Pb）雖有檢出但均低于標準限值，達到了農(nóng)田灌溉水的標準，但是水樣中F離子的含量明顯超標，這很有可能與在地下煤層的構成和抽取過程中混入的雜質有關。同時還可以看出，煤層氣田產(chǎn)出水Ⅰ中Na+含量、Ca2+含量、HCO-3含量、EC值、土壤全鹽含量（TDS）、pH值均高于煤層氣田產(chǎn)出水Ⅱ，說明排水口的產(chǎn)出水經(jīng)過蓄水池沉淀后，由于土壤對產(chǎn)出水有一定凈化作用，部分離子遷移到土壤環(huán)境中去，水體堿度也有所下降，水質更加接近于天然水體。

由表3可以看出，各層試驗土壤基本指標的標準差較小，各層土壤性質基本穩(wěn)定，隨著土層深度的增加，SAR值、EC值、F離子含量呈現(xiàn)出升高后降低的趨勢，在20～60 cm土層出現(xiàn)最大值。F離子含量低于山西省土壤背景值，說明試驗所用土壤未受到污染。

2.2 煤層氣田產(chǎn)出水灌溉對土壤含水率的影響

土壤含水率是農(nóng)耕土壤的重要指標，由圖3可以看出，利用不同水源長期灌溉后，各個土壤柱中平均含水率范圍在27%～31%之間，灌溉后土壤含水率明顯增加，增加幅度呈現(xiàn)出C>D>B>A的規(guī)律。 其中淡水灌溉后土壤含水率最高，土柱D采取煤層氣田產(chǎn)出水和淡水交替灌溉，淡水對產(chǎn)出水的鹽含量有一定的稀釋作用，同時對土壤中鹽分有淋洗作用。從圖3可整體看出，4種水灌溉的土壤柱在縱向上含水率變化規(guī)律一致，均呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，最大值均出現(xiàn)在60～80 cm土壤層，這是因為在灌溉過程中由于重力作用，水分下移，但是隨著深度的增加，下層土壤容重增大，孔隙率減小，水分下移量減小，因此含水率最大值出現(xiàn)在中下層。

2.3 煤層氣田產(chǎn)出水灌溉對土壤pH值的影響

由圖4可以看出，pH值變化趨勢與含水率變化相反，煤層氣田產(chǎn)出水灌溉土壤后土壤pH值高于土壤初始值，地表水灌溉后土壤pH值低于土壤初始值，并且呈現(xiàn)出A>B>D>C的規(guī)律。由于土壤中pH值的變化與土壤中Na+、HCO-3含量有正相關性，說明煤層氣田產(chǎn)出水灌溉土壤后，大量強堿、弱酸鹽進入土壤，導致土壤pH值上升，地表水灌溉土壤后，對土壤中Na+、HCO-3起到一定的沖刷作用，導致土壤pH值下降。

土柱A土壤pH值自上而下依次減小，表層土壤pH值明顯高于初始值，說明土柱A中土壤鹽分主要積累在上層土壤中，產(chǎn)出水對上層土壤鹽堿度影響較大。同時，土柱A灌溉的煤層氣田產(chǎn)出水有較高的HCO-3濃度，大量的HCO-3易與土壤中Ca2+、Mg2+等離子發(fā)生沉淀反應，進一步影響了鹽分向下層土壤的遷移，造成上層土壤pH值高于下層土壤的現(xiàn)象。土柱B土壤pH值自上而下呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，最大值出現(xiàn)在40～60 cm土層，這可能是因為在灌溉過程中土壤鹽分隨著水流向下移動，導致土壤柱中下層pH值大幅度增加；隨著水流下移，中下層土壤孔隙率減小，遷移到底層土壤中的鹽分減少，下層土壤pH值出現(xiàn)下降趨勢。土柱A、B土壤pH值分布差異可能與煤層氣田產(chǎn)出水中含鹽量差異有關。土柱D土壤pH值變化規(guī)律基本與土柱B保持一致，在0～60 cm土層，土柱D的土壤pH值低于土柱A、B，說明煤層氣田產(chǎn)出水和地表水交替灌溉有效降低了產(chǎn)出水對表層土壤鹽堿度影響。土柱C中土壤pH值與初始值相比有所降低，說明灌溉淡水對土壤起到了排水洗鹽的作用，降低了土壤鹽堿度。

2.4 煤層氣田產(chǎn)出水灌溉對土壤鈉吸附率、電導率的影響

土壤鈉吸附率常用來表征土壤鈉質化的情況，土壤中SAR值過高，會出現(xiàn)黏土顆粒散凝、保水能力下降、土壤退化的現(xiàn)象。由圖5可以看出，土柱A、B、D的土壤SAR值均高于地表水灌溉的土柱C，地表水灌溉土壤的SAR值基本沒有變化，說明土柱A、B、D的土壤均受到煤層氣田產(chǎn)出水的影響，3個土柱均在0～40 cm土壤層SAR值的升高幅度最大。

土壤發(fā)生鈉質化的SAR閾值為13 mmol1/2/L1/2，由圖5可以看出，土柱A在0～60 cm土壤層已經(jīng)出現(xiàn)土壤鈉質化的現(xiàn)象，60～80 cm土壤層有發(fā)生鈉質化的風險；相似地，土柱B在0～40 cm土層也已經(jīng)發(fā)生鈉質化現(xiàn)象。土壤發(fā)生鈉質化現(xiàn)象，說明土壤中鹽分增加，土壤膠體中Na+離子濃度增加，導致土壤膠體穩(wěn)定性降低、分散性增加，分散的土壤黏粒進入土壤空隙中，導致土壤孔隙度減小、容重增加，使得土壤中水分流動性變差，鹽分富集，含鹽量增高，所以出現(xiàn)本試驗中A、B土壤柱含水率、SAR值相反的變化趨勢。土柱D中土壤雖然受到煤層氣田產(chǎn)出水的影響，SAR值與土壤初始值和淡水灌溉的土壤相比有所升高，但是由于土柱D配合淡水灌溉，土壤的SAR值在6.5～8.3 mmol1/2/L-1/2范圍波動，土壤未發(fā)生鈉質化現(xiàn)象。

由圖6可以看出，土柱A、B的土壤電導率大幅度增加，明顯高于土壤初始值和土柱C，其變化趨勢與土壤鈉吸附比基本一致。結果表明：當EC值≥4 000 μS/cm的土壤發(fā)生鹽漬化，土柱A在0～60 cm的土壤均已發(fā)生鹽漬化，土柱B在20～40 cm土壤雖然沒有發(fā)生鹽漬化，但是有發(fā)生鹽漬化的潛在風險，說明利用煤層氣田產(chǎn)出水灌溉土壤會使土壤明顯表現(xiàn)出鹽分累積的現(xiàn)象，導致土壤鹽堿度大幅度增加。土柱D土壤EC值呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，說明煤層氣田產(chǎn)出水配合地表水灌溉可以把土壤中鹽分沖刷至底層，但是底層EC值與土壤初始值相比相差不大，土柱D沒有出現(xiàn)較多的鹽分積累現(xiàn)象。土柱C利用地表水灌溉，各層土壤EC值與土壤初始值幾乎沒有差異，沒有表現(xiàn)出鹽分累積的現(xiàn)象。

2.5 煤層氣田產(chǎn)出水灌溉對土壤中F離子含量的影響

由圖7可以看出，利用煤層氣田產(chǎn)出水灌溉后，土柱A、B在0～40 cm土層的F離子含量基本高于土壤初始值，但是增加幅度不明顯；60～100 cm土層F離子含量與土壤初始值相比差異較小，說明煤層氣田產(chǎn)出水灌溉土壤后導致F離子在土壤表層累積。煤層氣田產(chǎn)出水灌溉的A、B土柱，鹽分在表層土壤積累，高濃度HCO-3導致Ca2+、Mg2+等離子沉淀，使F離子積聚在0～40 cm土壤層中，難以在下層土壤中沉積。由于地表水的淋濾作用，C、D土柱0～60 cm土壤層中的F離子含量有所下降，底層土壤中的F離子含量有緩慢上升的趨勢。土壤對氟離子有一定的吸附作用，當未達到吸附容量時用高氟水灌溉使得土壤氟離子含量增加，若用淡水灌溉（氟離子濃度低）使得土壤呈現(xiàn)氟離子解吸的狀態(tài)，從而導致淡水灌溉下土柱表層土壤氟離子含量有所下降，淋濾到底層，土壤又呈現(xiàn)吸附狀態(tài)，導致氟離子濃度上升。由圖7還可以看出，所有土柱的F離子含量均未超過山西省的土壤背景值（476 mg/L），但是由于灌溉水的高氟污染特性，土壤中F離子的后續(xù)累積效應有待進一步探討。

3 討論與結論

本研究利用山西沁水盆地柿莊南煤層氣田出水進行室內土柱模擬試驗，研究煤層氣田產(chǎn)出水對土壤性質的影響，經(jīng)過 270 d 的長期灌溉，得出如下結論：（1）沁水盆地柿莊南煤層氣田出水為高鹽、高氟、高礦化度水質，沒有明顯的重金屬污染現(xiàn)象，沉淀后水質有所改善。煤層氣田產(chǎn)出水灌溉土壤后，土壤理化性質受到影響，0～40 cm表層土壤出現(xiàn)鹽堿度變大、保水能力下降、pH值增大、F元素累積的現(xiàn)象，并且土壤出現(xiàn)鈉質化和鹽漬化。（2）煤層氣田產(chǎn)出水配合地表水灌溉土壤，可以有效減輕土壤鹽堿化風險，對土壤的影響較小，但是由于煤層氣產(chǎn)出水中F離子超標，該產(chǎn)出水不可以直接用于農(nóng)業(yè)用水，可以考慮用作綠化或者景觀用水，同時還需要長期的灌溉試驗以及水質處理研究，以期找到安全可行的煤層氣田產(chǎn)出水灌溉模式，解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)缺水難題。

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