頁巖氣開發(fā)對植被和土壤的影響研究進(jìn)展

陳宏坤,杜顯元,張心昱,吳 騫,郭 宇

1 石油石化污染物控制與處理國家重點(diǎn)實(shí)驗室/中國石油安全環(huán)保技術(shù)研究院,北京 102206 2 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點(diǎn)實(shí)驗室,北京 100101 3 中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 北京 100190 4 哈爾濱師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,哈爾濱 150025 5 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院,沈陽 110866

頁巖氣是指賦存于富含有機(jī)質(zhì)的泥巖、頁巖及其夾層中,以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的非常規(guī)天然氣,成分以甲烷為主,是一種清潔、高效的能源資源。我國是全世界頁巖氣儲量最大的國家,技術(shù)可開采儲量約31.6萬億m3,占全球儲量的15.4%,主要分布在四川、塔里木、準(zhǔn)噶爾、松遼盆地,分別為17.7、6.1、1.0、0.5萬億m3,其余6.3萬億m3分布在揚(yáng)子臺地、江漢和蘇北盆地[1- 2]。由于水平鉆井技術(shù)和大體積水力壓裂技術(shù)的發(fā)展,頁巖氣開采面積逐步增加。過去10年里美國頁巖氣鉆井呈指數(shù)增長,在2005年Marcellus-Utica-Upper Devonian片區(qū)有115口頁巖氣井,到2016年底大約有15519口頁巖氣井[3],賓夕法尼亞州允許開發(fā)的頁巖氣井有16078個[4]。截至2016年10月底,中石油長寧-威遠(yuǎn)國家級頁巖氣示范區(qū)累計投產(chǎn)頁巖氣井107口,日產(chǎn)644萬 m3,累計產(chǎn)氣超過18.08億m3[5]。

與開采傳統(tǒng)天然氣資源相比,頁巖氣開發(fā)水力壓裂技術(shù)需水量大,在初期壓裂時每口井需水8000—50000 m3,導(dǎo)致北美中部2000—2012年間用水量約7.2—33.9億m3,該區(qū)域一半以上的鉆井分布于高度或極端缺水區(qū)域,水力壓裂生產(chǎn)頁巖氣可能會加劇其與農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、市政競爭用水[6]。目前國際上對頁巖氣開發(fā)的水資源與水環(huán)境影響關(guān)注較多[7- 9],已有頁巖氣開采和壓裂返排液對美國水資源和水質(zhì)影響[7,10]、頁巖氣開采壓裂液廢水處理[11]、壓裂返排液的生物殺蟲劑使用、移動性、降解、毒性[12]方面的綜述。

雖然頁巖氣開發(fā)對環(huán)境的影響引起了廣泛的關(guān)注,但也有研究結(jié)果表明常規(guī)油氣開發(fā)的水資源污染更大,以賓夕法尼亞州的開發(fā)區(qū)為例,這主要是由于在該區(qū)域常規(guī)油氣開發(fā)點(diǎn)是頁巖氣點(diǎn)位的10倍(面積多50%)[13]。美國對Marcellus頁巖氣開發(fā)對地下水、飲用水井、地表水水質(zhì)進(jìn)行了評價,未發(fā)現(xiàn)頁巖氣壓裂液污染地下水飲水層[14]、但發(fā)現(xiàn)距離頁巖氣井1 km范圍內(nèi)的飲用水井中有甲烷升高的趨勢[15],而頁巖氣井下游河流總懸浮顆粒物升高、廢棄物處理廠下游河水中有氯離子含量升高的現(xiàn)象[16]。

與采煤、地表采礦相比,頁巖氣對地表土壤的破壞較小,但是與傳統(tǒng)天然氣開采相比(1200 m2/平臺),頁巖氣平臺占地較大(22000—27000 m2/平臺),對地表土壤的擾動較大[17]。但目前國際上對頁巖氣開采影響水資源綜述較多,目前國際上未見頁巖氣開發(fā)對植被和土壤影響綜述。我國頁巖氣資源分布在四川喀斯特、塔里木、準(zhǔn)噶爾盆地、鄂爾多斯盆地等干旱與半干旱生態(tài)脆弱區(qū),生態(tài)環(huán)境一旦破壞恢復(fù)難度大。為了借鑒國際經(jīng)驗,降低我國頁巖氣開發(fā)對生態(tài)環(huán)境的影響,本文綜述了頁巖氣開發(fā)與生產(chǎn)過程可能對生態(tài)環(huán)境的影響,重點(diǎn)關(guān)注對植被、土壤影響,以期為我國頁巖氣開發(fā)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供依據(jù)。

1 對生態(tài)環(huán)境的潛在影響

頁巖氣開發(fā)可能對大氣圈、水圈、人類圈、生物圈、巖石圈產(chǎn)生影響。對大氣圈的影響包括溫室氣體、地表溫度、氣候變化;對水圈的影響包括淡水消耗、廢水、蒸發(fā)和蒸騰、當(dāng)?shù)厮难h(huán);對人類圈的影響包括頁巖氣平臺、土地覆蓋變化、土地利用改變、空氣、水和土壤污染、噪聲、勞動力移居、社區(qū)改變、經(jīng)濟(jì)增長;對巖石圈的影響包括地形地貌、風(fēng)化和土壤、侵蝕和沉積、巖石組成、地震;對生物圈的影響包括生物化學(xué)循環(huán)、物種分布和多樣性、生態(tài)生境、陸地生態(tài)系統(tǒng)[10-11,18]。

頁巖氣不同的生產(chǎn)環(huán)節(jié),包括勘探、開采、集輸過程,可能對周邊生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生直接或間接影響[19- 20]。根據(jù)頁巖氣的生產(chǎn)流程,頁巖氣開發(fā)可以分為鉆井和平臺建設(shè)、生產(chǎn)階段(返排液和生產(chǎn)水及廢水處理、運(yùn)輸和機(jī)器的使用)、封井階段[19]。鉆井和平臺建設(shè)影響包括鉆前井場平整,新建井口、廢水池、壓裂水池、放噴池、運(yùn)輸?shù)缆?、集輸管線、設(shè)備運(yùn)輸安裝等活動(圖1)。平臺分布著水力壓裂過程的機(jī)器、管線、運(yùn)輸材料和化學(xué)品等基礎(chǔ)設(shè)施，因此需建設(shè)比常規(guī)天然氣更大的鉆井平臺。鉆井和平臺建設(shè)階段需要改變原來的土地利用類型,使用大量水資源,產(chǎn)生含酸性、堿性、毒性或重金屬等成分的返排液和固體廢棄物,從而可能引起土地利用方式改變、地表植被破壞和生境退化、水土流失、生物多樣性減少、土壤侵蝕、石漠化、土壤污染或退化、水污染、甲烷泄露、噪聲與揚(yáng)塵污染等生態(tài)風(fēng)險。輸氣管線臨時性占地、集氣站及閥室等建設(shè)永久占地,也會導(dǎo)致區(qū)域地表植被破壞、土壤性質(zhì)改變,影響農(nóng)業(yè)、林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)功能,減少動植物分布[20]。例如在Marcellus一個3700 m的水平井,會產(chǎn)生500 t附加沉淀固體,導(dǎo)致鹽、金屬、二甲苯類、放射性化合物增加,導(dǎo)致鹽化或酸化問題,在水力壓裂階段產(chǎn)生大量的返排液和產(chǎn)生水,大約10%—40%的注入壓裂液需要返回地面[22],這些水體中含有壓裂階段加入的化學(xué)物質(zhì),也可能含有頁巖氣形成過程中的懸浮物質(zhì),可能含有氯化物、溴化物、氟化物、鍶、鋇、天然放射性物質(zhì)、以及其他有機(jī)和無機(jī)物質(zhì)[23]。

圖1 頁巖氣開發(fā)的一個鉆井平臺[7,21]清除森林建設(shè)井場、管線、淡水池[17]Fig.1 Well pad of shale gas[7,21], clearing forest for well pad, pipeline, fresh water pond[17]

在頁巖氣生產(chǎn)階段廢水是主要的潛在污染環(huán)境風(fēng)險源[19,24]。這些廢水可能原位循環(huán)使用,也可能需要污水處理廠處理后排放或者回注到地下。如果該環(huán)節(jié)處理不當(dāng),將會對環(huán)境和人類健康帶來風(fēng)險[19]。鉆井過程中如果有管線或機(jī)械發(fā)生泄露事故,壓裂液中的化學(xué)物質(zhì)會有環(huán)境健康風(fēng)險[24]。當(dāng)產(chǎn)氣井產(chǎn)量不足后將被廢棄,需要根據(jù)要求使用水泥和機(jī)械堵頭封井,如果操作得當(dāng),基本不會對淡水層產(chǎn)生污染風(fēng)險[25]。

2 對植被的影響

隨著過去十幾年間頁巖氣開發(fā)的快速發(fā)展,頁巖氣開發(fā)平臺、道路和管線占用土地和干擾植被狀況逐漸受到關(guān)注(圖2)。利用2000—2012年高分遙感數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)北美中部因為油氣開發(fā)導(dǎo)致井場、道路、儲藏設(shè)施占地約30000 km2;凈初級生產(chǎn)力降低10 Tg干生物量(相當(dāng)于4.5 Tg碳),其中牧場損失約500萬頭牲畜每月所需牧草,而農(nóng)田損失生物量相當(dāng)于2013年該區(qū)域小麥產(chǎn)量的6%,占美國出口小麥的13%,可能會引起畜牧業(yè)、農(nóng)業(yè)、能源行業(yè)的不可預(yù)見矛盾[6]。在美國賓夕法尼亞州華盛頓縣2011/2012年54個頁巖氣鉆井平臺,平臺占用土地利用類型為濕地>農(nóng)田>草地>灌叢>林地>裸地>建設(shè)用地>開闊水面[28]。在美國北部大平原的Williston 盆地,油氣開發(fā)占用的129.9 km2土地中,49.5%是農(nóng)田,47.4%是草地[29]。在美國賓夕法尼亞州頁巖氣開發(fā)區(qū),每個平臺多數(shù)只有1—2口井,不到10%的平臺有5個以上井,大約45%—62%平臺占用農(nóng)田,38%—54%占用林地,到2011年允許開發(fā)頁巖氣平臺占用農(nóng)田6.44—10.72 km2,占用林地5.36—8.94 km2,建設(shè)新道路至少649 km[30]。

圖2 頁巖氣平臺、道路和管線分布[26-27]、頁巖氣開發(fā)區(qū)谷歌地圖中影像[18]Fig 2 Shale-gas well pads, roads and pipelines [26- 27], and Google Earth images of shale gas developing area[18]

頁巖氣管線建設(shè)在開發(fā)初期影響較大,隨著井場發(fā)展影響逐漸減小。2001—2012年間,美國德科薩斯州Eagle Ford頁巖氣片區(qū)的La Salle縣,管線建設(shè)對區(qū)域影響高于鉆井和注井平臺,分別占擾動面積的85%,15%,和0.03%[27]。在Eagle Ford頁巖氣開采區(qū),從2006—2014年數(shù)據(jù)分析表明,每個井場鉆井?dāng)?shù)較低(1.15—1.17個),井場占地面積從2008年的25.8 km2增加到2014年的168 km2,增加了大約5.24倍,而管線影響逐漸減小,2008, 2010, 2012, 和2014年占總建設(shè)用地分別為73%, 55%, 39%和29%[31]。

頁巖氣開發(fā)的井場、道路、集氣管線在改變植被覆蓋的同時,也會導(dǎo)致景觀破碎化。在西維吉尼亞西北部的Marcellus-Utica頁巖氣盆地,頁巖氣開發(fā)導(dǎo)致森林景觀破碎化和核心區(qū)域森林棲息地減少的生態(tài)影響更大[32]。在Marcellus片區(qū)的 Lycoming縣,2016年頁巖氣主要開發(fā)在私有土地(74%平臺),但是私有土地每個平臺上的鉆井?dāng)?shù)卻低于公有土地(3.5個/平臺和5.4個/平臺),私有和公有土地核心森林面積分別減少了4.3%和2.0%,公有土地上較好的管理措施降低了景觀破碎化[33]。在阿肯色州Fayetteville頁巖氣開發(fā)區(qū),從2001/2002年到2012年間,總計開發(fā)了2%自然區(qū)域,增加了1067 km的線性邊界,這種森林棲息地的減少和景觀破碎化會對內(nèi)部森林棲息動物帶來負(fù)面影響,但是也會增加喜歡邊界棲息的動物[34]。

不同的頁巖氣規(guī)劃方案會影響景觀破碎化程度。在Utica 頁巖氣區(qū)域是否考慮井場、管線、道路對生態(tài)環(huán)境影響的兩種情景中,對森林覆蓋率影響低于1%,但是不考慮生態(tài)環(huán)境的情景下森林斑塊數(shù)量增加13%—21%,管線影響遠(yuǎn)大于道路[35]。Milt 等對美國賓夕法尼亞州Marcellus 4種頁巖氣選址方法進(jìn)行了評價,包括井場靠近道路、集氣管線,基礎(chǔ)設(shè)施遠(yuǎn)離水源、自然生境,發(fā)現(xiàn)頁巖氣開發(fā)的影響多數(shù)是互相促進(jìn)的,但是避免森林破碎化可能會導(dǎo)致其他環(huán)境影響加劇[36]。頁巖氣開發(fā)可以通過多投入 20% 優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)施空間分布資金,獲得降低38%的環(huán)境影響[26。利用模型評價2015—2030年間北部波蘭波羅的海盆地頁巖氣開發(fā)的影響,發(fā)現(xiàn)井場不同的分布格局顯著影響占地,變化范圍為區(qū)域土地的7%—12%,開發(fā)速率、井場分布密度、現(xiàn)存的土地利用方式和地質(zhì)條件會影響景觀破碎化,通過立法限制開發(fā)自然保護(hù)區(qū)和水源地能夠降低對環(huán)境影響[37]。

3 對土壤的影響

頁巖氣開發(fā)擾動土壤會導(dǎo)致土壤侵蝕風(fēng)險增加。在美國Allegany高原北部,使用GIS調(diào)查了賓夕法尼亞州已有和被允許開發(fā)頁巖氣平臺的地形和土壤特性,發(fā)現(xiàn)大約60%現(xiàn)存和被允許開發(fā)頁巖氣平臺在坡地上,存在地表水遷移和侵蝕風(fēng)險,土壤侵蝕和沉積問題是高原坡地頁巖氣開發(fā)平臺主要生態(tài)風(fēng)險[38]。在美國東德克薩斯州兩個間歇性河流建設(shè)了兩個14000 m2和11000 m2天然氣鉆井平臺,2009年監(jiān)測的泥沙量為13972 kg hm-2a-1和714 kg hm-2a-1,高于森林砍伐后采用最佳管理措施泥沙產(chǎn)量(111—224 kg hm-2a-1),表明土壤侵蝕明顯增加[39]。2001—2012年間,美國德科薩斯州Eagle Ford頁巖氣片區(qū)的La Salle縣,大約51% (57.9 km2)的受干擾區(qū)域有土壤侵蝕風(fēng)險,88%(100.2 km2)受干擾區(qū)域具有風(fēng)蝕風(fēng)險,估計每年約有200萬t土壤有被侵蝕的潛在風(fēng)險[27]。

頁巖氣開發(fā)區(qū)復(fù)墾有暫時復(fù)墾與最終復(fù)墾兩個階段。當(dāng)頁巖氣平臺還在產(chǎn)氣時,平臺外不再需要的工作區(qū)域可以進(jìn)行暫時復(fù)墾。暫時復(fù)墾區(qū)域要求至少70%的永久植被覆蓋,其植被密度可以防止侵蝕和沉積[40]。在非生長季,可臨時覆蓋秸稈等措施控制侵蝕。由于不清楚頁巖氣生產(chǎn)會延續(xù)多久,最終復(fù)墾可能需要15—20年以后,因此臨時復(fù)墾的措施能夠長期顯著的影響平臺及周邊的土壤功能與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。2010年美國Allegany高原北部的頁巖氣開發(fā)區(qū)航片分析表明,小部分井區(qū)已經(jīng)進(jìn)行復(fù)墾種草,農(nóng)業(yè)用地復(fù)墾種植了農(nóng)作物,但是復(fù)墾需要克服土壤結(jié)皮、壓實(shí)、剖面不連續(xù)、排水不暢、干旱、養(yǎng)分缺乏等問題[38]。

圖3 頁巖氣開發(fā)復(fù)墾5年內(nèi)干擾與未受干擾土壤剖面對比圖,干擾剖面表現(xiàn)出無有機(jī)質(zhì)層,或者氧化還原形態(tài)[17] Fig.3 Reclaimed disturbed soil profiles within 5 years and undisturbed soil profiles for two unconventional sites, disturbed soil profiles have no surface organic horizons or shows redoximorphic features[17]

目前國際上對頁巖氣開發(fā)后對土壤質(zhì)量影響研究較少。對美國賓夕法尼亞州頁巖氣開發(fā)平臺復(fù)墾后土壤調(diào)查發(fā)現(xiàn),由于復(fù)墾時土壤壓實(shí)、以及土壤貯存時增加了土壤有機(jī)質(zhì)分解、氮礦化、土壤混合等,復(fù)墾5年后土壤剖面表現(xiàn)出剛發(fā)育土壤特征,無土壤有機(jī)質(zhì)層(圖3),并且土壤容重仍然很高,土壤總有機(jī)碳和總氮含量較低[17]。該研究認(rèn)為,頁巖氣開發(fā)區(qū)土壤復(fù)墾的土壤生產(chǎn)力不可能與鄰近土壤相同,但是實(shí)施有效的復(fù)墾措施可以修復(fù)土壤部分特征,減少土壤質(zhì)量恢復(fù)所需的時間[17]。

我國對頁巖氣開發(fā)的土壤侵蝕、土壤質(zhì)量進(jìn)行了初步分析。重慶涪陵焦石壩頁巖氣產(chǎn)建區(qū)生態(tài)評價結(jié)果表明,該頁巖氣產(chǎn)建區(qū)鉆井?dāng)?shù)量快速增加,截止2015年末,該區(qū)域55.8%的面積(146.56 km2)為中、高生態(tài)風(fēng)險區(qū),存在土壤侵蝕和石漠化生態(tài)風(fēng)險[20]。通過室內(nèi)培養(yǎng)模擬實(shí)驗,利用人工合成的代表第1天、14天、90天返排液,分析返排液對松遼盆地4種農(nóng)業(yè)土壤潛在影響,發(fā)現(xiàn)土壤酶活性對返排液最敏感,返排液顯著降低了土壤脫氫酶和磷酸單酯酶活性[41]。以威遠(yuǎn)-長寧頁巖氣開發(fā)井場H6平臺為例,分析了場外受污染土壤、污水池附近、工作區(qū)域、雨水滲漏區(qū)、生活區(qū)的土壤特征,發(fā)現(xiàn)土壤中Cu、Pb、Cr 含量均符合《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[42]中三級標(biāo)準(zhǔn)限值,但部分區(qū)域土壤中Ni、Cd 含量超過閥值,不適合農(nóng)作物種植,但是受頁巖氣開發(fā)影響的土壤碳較高,有利于土著微生物進(jìn)行原位修復(fù)[43]。

水基鉆屑是頁巖氣鉆井過程中產(chǎn)生的主要固體廢物,表面粘附一部分的添加劑(膨潤土、潤滑劑、氯化鉀、純堿等物質(zhì)),附著大量的NaCl、NaOH、Na2CO3,含有重金屬化合物,存在一定的環(huán)境風(fēng)險,固化時采用水泥配以不同輔助劑和催化劑的現(xiàn)場固化方式[44]。對四川5個井場的固化體浸出液分析表明,各井場固化體浸出液除pH值有不同程度的超標(biāo),其余指標(biāo)均能滿足《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》[45]中的一級排放標(biāo)準(zhǔn),而周邊井場泥漿池周邊土壤偏弱堿性,Cu、Pb、Cr含量達(dá)到《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[42]中的一級標(biāo)準(zhǔn)[46]。在我國西南某頁巖氣3處代表性的井場,對水基鉆屑固化填埋池周邊土壤進(jìn)行監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)土壤重金屬指標(biāo)均滿足《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級標(biāo)準(zhǔn)[42],石油類含量均低于《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》限值[47],說明水基鉆屑固化填埋未對周邊土壤造成影響,短期內(nèi)水基鉆屑的固化填埋效果較好[44]。

4 建議

目前國際上主要是美國的研究結(jié)果表明,頁巖氣開發(fā)會占用農(nóng)田、草地、森林等,造成植被破壞,森林景觀破碎化,導(dǎo)致土壤侵蝕風(fēng)險加劇。不同情景頁巖氣區(qū)域規(guī)劃結(jié)果表明,沒有統(tǒng)一準(zhǔn)則可以避免所有影響,在多種環(huán)境因素敏感區(qū)域,應(yīng)該綜合考慮頁巖氣選址。在頁巖氣井場、管線布局中,增加每個井場的鉆井?dāng)?shù)量、及時進(jìn)行管線的植被復(fù)墾,從而降低頁巖氣開發(fā)對植被的影響[31];井場建設(shè)在已有管線附近,而管線應(yīng)該與其他基礎(chǔ)設(shè)施統(tǒng)籌考慮[33];政府和頁巖氣公司共同參與降低頁巖氣開發(fā)對生態(tài)方面的影響,例如將井場分布在已有人類活動改變的區(qū)域、將管線沿著森林外圍分布,以減少對大片森林的破壞[34];當(dāng)?shù)卣扇〗ㄔO(shè)能源廊道措施,將鉆井平臺、道路分布在能源廊道,從而有效降低未來能源開發(fā)的潛在生態(tài)影響[29]。

頁巖氣開發(fā)要綜合考慮能源開發(fā)效益,堅持能源與生態(tài)可持續(xù)發(fā)展理念。我國頁巖氣開發(fā)要開展平臺、道路、管線合理規(guī)劃,綜合考慮對土地利用、景觀格局、人類生活狀況影響,在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下,降低對生態(tài)環(huán)境影響;及時監(jiān)測、評估頁巖氣開發(fā)對生態(tài)環(huán)境影響,包括應(yīng)用遙感影像、地面調(diào)查、樣品分析技術(shù),評估頁巖氣開發(fā)對區(qū)域植被、土壤、水體影響;及時進(jìn)行土地復(fù)墾,根據(jù)氣候和環(huán)境條件,制定適合當(dāng)?shù)貤l件的復(fù)墾計劃,及時總結(jié)適合當(dāng)?shù)赝恋貜?fù)墾的實(shí)踐經(jīng)驗和措施,保持當(dāng)?shù)氐目沙掷m(xù)發(fā)展[23]。在四川昭通-長寧頁巖氣開發(fā)區(qū),部分平臺分布在喀斯特山地,應(yīng)注重水土保持,防止滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害、土壤侵蝕問題。

我國在 “十三五”通過了國家科技重大專項立項,開展 “頁巖氣等非常規(guī)油氣開發(fā)環(huán)境監(jiān)測與保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)”國家油氣重大專項研究,研究內(nèi)容包括頁巖氣等非常規(guī)油氣開發(fā)環(huán)境影響評估與環(huán)境效益綜合評價技術(shù)、地下水及生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與保護(hù)技術(shù)、固體廢棄物處理與利用技術(shù)、逸散放空監(jiān)測評價及回收利用技術(shù)、環(huán)境保護(hù)技術(shù)集成及管件裝備。該項目的研究成果在頁巖氣開發(fā)和生產(chǎn)中的應(yīng)用,會對頁巖氣開發(fā)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與保護(hù)提供有效的技術(shù)支撐。