頁(yè)巖氣井場(chǎng)區(qū)域土壤重金屬含量特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

李 炎，田冬梅，賴(lài) 星，孟曉霞，袁 林，許 瑤，徐 敏，伍 鈞*

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，成都 611130；2.四川省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，成都 610041）

目前，開(kāi)采頁(yè)巖氣主要采用水力壓裂技術(shù)，即將化學(xué)物質(zhì)和大量水、泥沙的混合物，用高壓注入地下井，壓裂附近的巖石構(gòu)造，進(jìn)而收集天然氣[1]。頁(yè)巖氣的開(kāi)采存在一定的環(huán)境污染隱患：首先含有化學(xué)試劑的壓裂液注入地下可能污染地下水，返排液中含有高度礦化的地層水[2]，如處置不當(dāng)會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成極大的危害，尤其是對(duì)周?chē)寥拉h(huán)境的影響。其次，頁(yè)巖氣開(kāi)采壓裂作業(yè)完成后有15%～80%的返排液會(huì)排至地面[3]，這些返排液中含有大量的添加劑、碳?xì)浠衔?、重金屬、鹽分及放射性物質(zhì)等多種化學(xué)物質(zhì)[4-5]，若滲透到土壤中，將會(huì)對(duì)土壤造成嚴(yán)重影響。最后，鉆井廢水遇降雨漏排事故，會(huì)使附近農(nóng)田土壤、地表水體水質(zhì)受到不同程度的污染[6]。有關(guān)研究表明，工業(yè)區(qū)、油田井場(chǎng)周邊土壤存在一定程度的重金屬污染，具有較高的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[7-8]，工業(yè)活動(dòng)可能對(duì)區(qū)域重金屬積累有一定影響[9]。而我國(guó)頁(yè)巖氣勘查開(kāi)發(fā)處在探索試驗(yàn)階段[10]，頁(yè)巖氣開(kāi)采對(duì)井場(chǎng)周?chē)寥拉h(huán)境的影響鮮有報(bào)道，因此對(duì)頁(yè)巖氣井場(chǎng)周?chē)寥乐亟饘龠M(jìn)行調(diào)查并開(kāi)展生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究具有重要意義。

本文擬對(duì)不同功能階段及集氣中心站4 個(gè)頁(yè)巖氣井場(chǎng)外圍區(qū)域土壤進(jìn)行采樣分析，探究土壤中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb 的含量，并采用單因子指數(shù)、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)對(duì)井場(chǎng)周?chē)寥乐亟饘龠M(jìn)行評(píng)價(jià)，旨在為頁(yè)巖氣開(kāi)采的土壤環(huán)境影響提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)，為頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于四川省某頁(yè)巖氣開(kāi)采區(qū)，該地區(qū)地勢(shì)南高北低，地形為狹長(zhǎng)形，海拔最高處1 642 m，最低處310 m，境內(nèi)層巒疊嶂，山脊多呈鋸齒形，長(zhǎng)崗狀；地體多由石灰?guī)r和紫色頁(yè)巖組成，巖溶地形特征明顯，多溶洞、漏斗、石筍、石灰?guī)r等。丘陵和平壩面積小，以中低山地為主，有少數(shù)巖溶沖積壩。當(dāng)?shù)貙賮啛釒夂颍昶骄鶜鉁?8.2 ℃，年總降水量1 143.6 mm，年日照總時(shí)數(shù)829.8 h。

1.2 土壤樣品采集與測(cè)定

為了探究頁(yè)巖氣整個(gè)開(kāi)采過(guò)程對(duì)周?chē)寥乐亟饘俚挠绊?，選取兩個(gè)不同開(kāi)采階段的井場(chǎng)S1、S3，一個(gè)含油基處理站的特殊井場(chǎng)S2 及未進(jìn)行開(kāi)采但收集整個(gè)地區(qū)頁(yè)巖氣的井場(chǎng)S4 共4 個(gè)具有代表性的井場(chǎng)為研究對(duì)象（見(jiàn)表1），在每個(gè)井場(chǎng)外部以井場(chǎng)為中心，按照隨機(jī)、均勻、等量的原則采集井場(chǎng)四周200 m 內(nèi)0～20 cm 深度土壤樣品。采樣中盡量避開(kāi)外來(lái)土層，每個(gè)樣品采用隨機(jī)多點(diǎn)混合、四分的方法采集。土壤樣品分布情況如圖1所示。樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，挑出動(dòng)植物殘?bào)w、石塊、結(jié)核等雜物，風(fēng)干，過(guò)100 目篩，裝袋備用。土壤樣品各重金屬含量參照土壤和沉積物14 種金屬元素的測(cè)定方法進(jìn)行分析測(cè)定[11]。

1.3 污染評(píng)價(jià)方法

以各井場(chǎng)對(duì)照點(diǎn)平均值為參比值，采用單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣開(kāi)采井場(chǎng)區(qū)域土壤重金屬污染情況。

表1 采樣方案Table 1 Sampling scheme

圖1 研究區(qū)采樣分布圖Figure 1 Sampling distribution map of the study area

1.3.1 單因子指數(shù)法及內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法

土壤污染程度采用單因子指數(shù)法及內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法[12]進(jìn)行評(píng)價(jià)，污染等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

式（1）中Pi為土壤重金屬元素i 的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；Ci為元素i 的實(shí)測(cè)含量；Si為元素i 的參比值。

式（2）中P 為土壤綜合污染指數(shù)；Pimax為土壤中單項(xiàng)污染物的最大污染指數(shù)；Piave為土壤中各污染物的平均污染指數(shù)。

1.3.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

1.3.3 參比值的確定

選用區(qū)域內(nèi)各井場(chǎng)外圍2 000 m 外少受人為活動(dòng)干擾的沒(méi)有進(jìn)行農(nóng)業(yè)種植的、土壤類(lèi)型相同的9 個(gè)自然土壤樣點(diǎn)作為對(duì)照樣點(diǎn)。樣品采集和實(shí)驗(yàn)方法與本文1.2 節(jié)相同。計(jì)算各重金屬元素檢測(cè)值的算術(shù)平均值作為參比值。與四川省土壤背景值[15]相比各種金屬元素含量均不同程度高于四川省土壤背景值，具備一定區(qū)域特點(diǎn)，可作為評(píng)價(jià)的參比值（表4）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理采用Excel 2013 軟件分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬含量分析

4 個(gè)頁(yè)巖氣井場(chǎng)周?chē)寥乐兄亟饘俸恳?jiàn)表5。由表5可知，4 個(gè)井場(chǎng)各重金屬元素平均含量均低于參比值，但各井場(chǎng)均存在部分樣點(diǎn)重金屬元素含量略高于參比值，其中超過(guò)參比值的樣點(diǎn)數(shù)量及倍數(shù)最高的為S2 井場(chǎng)。各井場(chǎng)采樣點(diǎn)土壤重金屬含量與《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)篩選值》[16]相比，S1、S3、S4 井場(chǎng)部分樣點(diǎn) Cd 超標(biāo)，超標(biāo)倍數(shù)分別為 0.41～1.35、0.05～1.50、0.14～1.07，點(diǎn)位超標(biāo)率分別為60.00%、66.67%、77.78%。S2 井場(chǎng)部分樣點(diǎn) As、Cd 超標(biāo)，超標(biāo)倍數(shù)分別為 0.07～0.45、0.15～3.48，超標(biāo)率分別為 14.28%、56.52%。Cd 為井場(chǎng)周?chē)寥乐饕瑯?biāo)元素，4 個(gè)井場(chǎng)周?chē)寥繡d 平均含量表現(xiàn)為 S2=S3＞S4＞S1，其中 S2、S3 井場(chǎng)周?chē)寥繡d 含量相對(duì)較高，但均低于參比值，表明頁(yè)巖氣開(kāi)采對(duì)井場(chǎng)周?chē)寥乐亟饘俸繜o(wú)明顯影響。

表2 土壤重金屬污染等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Criteria of pollution grade of soil heavy metal

表3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Classification standard of potential ecological risk

表4 背景值選取Table 4 Background value selection

表5 各井場(chǎng)外圍區(qū)域土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistics of soil heavy metals in the periphery area of each well field

變異系數(shù)可以反映人類(lèi)活動(dòng)對(duì)重金屬含量的影響程度。變異系數(shù)越大，存在點(diǎn)源污染可能性就越大[17]。變異系數(shù)＜0.15 為弱變異，變異系數(shù)＞0.36為強(qiáng)變異[18]。由表可以看出，井場(chǎng)S1、S2 土壤Cd 與S4 土壤Pb、Cr 均為強(qiáng)變異，變異系數(shù)分別為0.43、0.56、0.53、0.40。井場(chǎng)S3 土壤所有重金屬均為中等變異與弱變異，其中Cr 具有相對(duì)較高變異系數(shù)，為0.35。4 個(gè)井場(chǎng)周?chē)寥朗苋藶橛绊戄^大的重金屬元素各不相同，其中井場(chǎng)S1、S2 土壤Cd 與井場(chǎng)S4土壤Pb、Cr 含量均受到相對(duì)較強(qiáng)的人為影響。

2.2 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

4 個(gè)頁(yè)巖氣井場(chǎng)周?chē)寥乐亟饘賳我蜃蛹熬C合污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可知，S1 井場(chǎng)有20.00%土壤樣品Ni、40.00%土壤樣品Pb 為輕度污染，S2 井場(chǎng)有33.34%土壤樣品Cr、42.86%土壤樣品Ni、38.09%土壤樣品 Cu、38.10%土壤樣品 Zn、33.33%土壤樣品 As、42.85%土壤樣品 Cd、28.57%土壤樣品Pb 為輕度污染，S3 井場(chǎng)有38.89%土壤樣品 Cr、16.66 土壤樣品 Ni、22.22%土壤樣品 Cd 為輕度污染，S4 井場(chǎng)有5.56%土壤樣品Cr、22.23%土壤樣品Pb 為輕度污染，但4 個(gè)井場(chǎng)周?chē)寥栏髦亟饘賳我蜃游廴局笖?shù)平均值均小于1，無(wú)單一重金屬污染。由綜合污染指數(shù) P 可以看出，S1、S2、S3、S4 井場(chǎng)重金屬輕度污染樣點(diǎn)占總樣點(diǎn)的比例分別為10.00%、71.43%、16.66%、16.67%，但 S1、S3、S4 井場(chǎng)周?chē)寥谰C合污染指數(shù)平均值均小于1，無(wú)重金屬污染；S2 井場(chǎng)周?chē)寥谰C合污染指數(shù)平均值大于1小于2，存在重金屬輕度污染。

表6 各井場(chǎng)外圍區(qū)域土壤重金屬單因子及綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)Table 6 Evaluation of single factor and comprehensive pollution index of soil heavy metals in the periphery area of each well field

2.3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

4 個(gè)頁(yè)巖氣井場(chǎng)周?chē)寥乐亟饘贊撛谏鷳B(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表7。由表7可知，各井場(chǎng)周?chē)寥乐亟饘贊撛谏鷳B(tài)危害主要來(lái)自Cd。S2、S3 井場(chǎng)存在19.05%、5.55%的樣點(diǎn)屬于Cd 中度風(fēng)險(xiǎn)，但4 個(gè)井場(chǎng)周?chē)寥栏髦亟饘偕鷳B(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)平均值均小于40，屬輕度風(fēng)險(xiǎn)水平。由綜合潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)可以看出，各井場(chǎng)周?chē)胁蓸狱c(diǎn)均屬于輕度風(fēng)險(xiǎn)水平。

表7 各井場(chǎng)外圍區(qū)域土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)Table 7 Potential ecological risk assessment of soil heavy metals in the periphery area of each well field

3 討論及結(jié)論

各井場(chǎng)周?chē)寥罒o(wú)單一重金屬污染且單一重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)均屬輕度風(fēng)險(xiǎn)，但S2、S3 井場(chǎng)部分樣點(diǎn)存在Cd 中度風(fēng)險(xiǎn)，相關(guān)文獻(xiàn)指出，Cd 一般是工業(yè)“三廢”排放所致，或作為施用農(nóng)藥和化肥等農(nóng)業(yè)活動(dòng)的標(biāo)識(shí)元素[12]，本研究中Cd 中度風(fēng)險(xiǎn)樣點(diǎn)分別位于返排液處理池附近、井場(chǎng)周邊農(nóng)田，說(shuō)明Cd 含量受到較大的人為活動(dòng)影響。總體上，各井場(chǎng)綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度屬輕度；S1、S3、S4 井場(chǎng)周?chē)寥罒o(wú)重金屬污染，S2 井場(chǎng)周?chē)寥罏檩p度污染，且輕度污染樣點(diǎn)均位于返排液處理池附近，可能是因?yàn)榉蹬乓河鼋涤暌馔庑孤┻M(jìn)而污染了周邊土壤，需注意油基處理池因降雨等意外而產(chǎn)生的污染物泄漏等情況，做好防范措施。

各井場(chǎng)周?chē)寥乐亟饘僭睾颗c《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》中的篩選值相比，重金屬 Cd 為主要超標(biāo)元素，其中 S1、S2、S3、S4井場(chǎng)分別有 60%、56.52%、72.22%、77.78%的樣點(diǎn)Cd 含量超標(biāo)。從平均值來(lái)看，4 個(gè)井場(chǎng)周?chē)寥繡d平均含量表現(xiàn)為S2=S3＞S4＞S1，可能是因?yàn)镾2 井場(chǎng)含特殊油基處理站，油基處理站即廢泥漿巖屑（返排液）處理處，廢泥漿巖屑若不及時(shí)處置或處置不當(dāng)會(huì)大量占用土地并污染土壤[19]。S3 井場(chǎng)屬于正鉆井井場(chǎng)，鉆井過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量巖屑灰塵，可能通過(guò)大氣沉降作用進(jìn)入到井場(chǎng)周?chē)寥乐小?/p>

總體上，各井場(chǎng)周?chē)m有部分樣點(diǎn)土壤重金屬元素含量超標(biāo)，但重金屬平均含量均低于當(dāng)?shù)貙?duì)照參比值，表明當(dāng)?shù)赝寥乐亟饘僭乇尘爸递^高，而頁(yè)巖氣開(kāi)采對(duì)井場(chǎng)周?chē)寥乐亟饘俸坑绊懖幻黠@，但需要注意含油基處理站井場(chǎng)返排液的泄漏及正開(kāi)采井場(chǎng)巖屑灰塵的處理問(wèn)題，同時(shí)采取一定的防控措施降低土壤重金屬的移動(dòng)性，以保證糧食安全生產(chǎn)。