南川頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)污染防治措施及其環(huán)境保護(hù)效果研究

李成龍，潘俊鷗，包 凱，高渙杰，謝凱玲，盧培利

（1.中國(guó)石化華東油氣分公司重慶頁(yè)巖氣有限公司，重慶408400；2.重慶大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院，重慶408400）

頁(yè)巖氣藏滲透率低，水平井、叢式井以及水力壓裂是主體開發(fā)技術(shù)，造成了頁(yè)巖氣開發(fā)比常規(guī)天然氣開發(fā)更大的資源消耗和生態(tài)環(huán)境影響[1-6]。頁(yè)巖氣開采產(chǎn)生的廢水主要包括鉆井廢水、壓裂返排液、采氣廢水等，產(chǎn)量較大，水質(zhì)復(fù)雜，處理難度高，處理不當(dāng)可能引發(fā)地表水、地下水和土壤污染[7-11]；水基巖屑和油基巖屑等固體廢棄物產(chǎn)生量大，處理成本高，堆存、轉(zhuǎn)運(yùn)和處理處置過(guò)程對(duì)地下水、土壤和大氣環(huán)境具有潛在威脅[12-13]；鉆井和壓裂（試氣）噪聲會(huì)對(duì)周邊聲環(huán)境產(chǎn)生短期不利影響[14]；頁(yè)巖氣開采過(guò)程中，燃油機(jī)械和熱水爐等燃燒產(chǎn)生的廢氣可能對(duì)大氣環(huán)境產(chǎn)生影響[15]；建設(shè)井場(chǎng)、道路、廢水池、管線、集氣站等占用土地，破壞地表植被，改變土壤結(jié)構(gòu)，對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響[16-18]。美國(guó)作為最早進(jìn)行頁(yè)巖氣商業(yè)開發(fā)的國(guó)家，開發(fā)過(guò)程對(duì)區(qū)域地表水和地下水等環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生了影響[19-21]。隨著頁(yè)巖氣開發(fā)方式的改進(jìn)，我國(guó)在返排水處理與回用，普通巖屑處理與資源化利用，油基巖屑資源回收與處置，噪聲與廢氣治理等方面取得了積極進(jìn)展，有效減少了進(jìn)入環(huán)境的污染物。但是，由于我國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)處于起步階段，且集中在川渝地區(qū)，開發(fā)過(guò)程的生態(tài)環(huán)境影響機(jī)制、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)后果、污染防治的工程技術(shù)與管理規(guī)范都亟待完善[22-23]。因此，對(duì)頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)域環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行持續(xù)的跟蹤監(jiān)測(cè)是檢驗(yàn)污染防治措施效果的有效手段，也是認(rèn)識(shí)長(zhǎng)期累積環(huán)境影響的重要依據(jù)。

南川頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)域包括重慶市的彭水縣、武隆區(qū)與南川區(qū)。項(xiàng)目區(qū)屬喀斯特地形，地貌地形破碎，目標(biāo)層即含氣地層為志留系底部的下志留統(tǒng)龍馬溪組，地下水基本為裸露型碳酸鹽巖巖溶水，大部分區(qū)域內(nèi)巖溶地下水埋藏較淺，局部地帶巖溶水埋藏較深。頁(yè)巖氣井部署區(qū)域均為偏僻地區(qū)。目前，南川頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)已經(jīng)進(jìn)入規(guī)模化開發(fā)期，完鉆80口井，其中，南川區(qū)是主力區(qū)，已投產(chǎn)40口井，累計(jì)產(chǎn)氣量約11×108m3，日產(chǎn)氣量約240×104m3。在對(duì)南川頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)域的污染防治措施進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)開發(fā)區(qū)域地下水環(huán)境、地表水環(huán)境、大氣環(huán)境、聲環(huán)境和土壤環(huán)境進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)后，基于監(jiān)測(cè)結(jié)果，采用單因子指數(shù)對(duì)區(qū)域環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)，同時(shí)，進(jìn)行了不同年份監(jiān)測(cè)結(jié)果的比較評(píng)估，以期為我國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)環(huán)境保護(hù)措施的有效性和對(duì)累積性環(huán)境影響的認(rèn)識(shí)提供基礎(chǔ)信息。

1 南川頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)污染防控措施

1.1 污染源與環(huán)境影響簡(jiǎn)述

頁(yè)巖氣勘探開發(fā)主要分為4個(gè)環(huán)節(jié)：①鉆前；②鉆井及壓裂試氣；③地面工程；④采氣。消耗的主要環(huán)境資源包括土地資源和水資源。采用工程分析的方法，針對(duì)每一環(huán)節(jié)的活動(dòng)、使用材料和設(shè)備等，從廢水、廢氣、噪聲、固體廢棄物、生態(tài)影響這5個(gè)方面識(shí)別出污染源（表1）。各污染源的生態(tài)環(huán)境影響特性見表2。

表1 各施工作業(yè)環(huán)節(jié)污染源Table1 Pollution sources in construction operations of shale gas development

表2 污染源環(huán)境影響分析Table2 Analysis of environmental impact of pollution sources of shale gas development

1.2 污染防控措施

在近幾年的開發(fā)進(jìn)程中，南川頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)形成了源頭預(yù)防優(yōu)先、資源化利用其次和末端治理兜底的生態(tài)環(huán)境保護(hù)思路，主要防護(hù)和治理措施見表3。

對(duì)于地下水和土壤污染，重點(diǎn)措施是清水鉆井液的使用、鉆井工程的防護(hù)和重點(diǎn)區(qū)域的防滲；對(duì)于地表水，形成了“均質(zhì)緩沖池+AAO法（厭氧-缺氧-好氧活性污泥法）-MBR法（膜生物法）+芬頓氧化+中和沉淀”的物化-生化聯(lián)合處理工藝，并進(jìn)行了工程應(yīng)用；對(duì)于巖屑，主要采取資源化利用的方式進(jìn)行處理。

2 南川頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)效果

2.1 環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)方法

重慶市南川區(qū)境內(nèi)的溪河主要屬于烏江及長(zhǎng)江水系，地表徑流量18.07×108m3，其中地下水量2.65×108m3，水利資源蘊(yùn)藏量17.96×104kW。

2017年和2018年，對(duì)南川頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)內(nèi)的地表水環(huán)境質(zhì)量、地下水環(huán)境質(zhì)量、大氣環(huán)境質(zhì)量、聲環(huán)境質(zhì)量和土壤環(huán)境質(zhì)量各進(jìn)行了一期監(jiān)測(cè)。采樣和監(jiān)測(cè)按照各要素環(huán)境影響評(píng)價(jià)導(dǎo)則中的監(jiān)測(cè)規(guī)范進(jìn)行。在大青河、烏江、蟹塘河等地表水設(shè)置5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，于平/枯水期（11月份）連續(xù)監(jiān)測(cè)3 d，每天取樣1次。監(jiān)測(cè)因子有pH值、COD（化學(xué)需氧量）、BOD（5生化需氧量）、氨氮、硫化物、石油類、硫酸鹽及氯化物。采用單因子指數(shù)法進(jìn)行地表水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)公式如下：

式中：Si為第i種污染物的評(píng)價(jià)指數(shù)；Ci為第i種污染物的最大監(jiān)測(cè)值，mg/L；Coi為第i種污染物的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，mg/L。

pH值評(píng)價(jià)模式：

式（2）—式（3）中：SpH為pH值的單項(xiàng)污染指數(shù)；pHsd為地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的pH值下限；pHsu為地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的pH值上限；pHj為在j監(jiān)測(cè)點(diǎn)處實(shí)測(cè)pH值。

在礦區(qū)內(nèi)選取四處地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)：1#地下水裂隙出水點(diǎn)、2#溶洞出水點(diǎn)、3#地下水裂隙出水點(diǎn)、4#溶洞出水點(diǎn)。連續(xù)監(jiān)測(cè)2 d，每天取樣1次，監(jiān)測(cè)因子有pH值、COD、BOD5、氨氮、硫化物、石油類、硫酸鹽及氯化物，采用單項(xiàng)水質(zhì)指數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

南川區(qū)地屬中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，具有氣候溫和，雨量充沛，濕度較大，無(wú)霜期長(zhǎng)，云霧多，日照少，風(fēng)速小等氣候特點(diǎn)，區(qū)域全年靜風(fēng)最多且無(wú)明顯主導(dǎo)風(fēng)向。根據(jù)開發(fā)區(qū)地理位置，布設(shè)4個(gè)環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)點(diǎn)，連續(xù)監(jiān)測(cè)7 d的SO2、NO2、PM10日均值與H2S小時(shí)濃度值。

采用占標(biāo)率對(duì)項(xiàng)目建設(shè)區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算公式為：

表3 南川頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)生態(tài)環(huán)境防護(hù)和治理措施Table3 Measurements of ecological and environmental protection from shale gas development in Nanchuan area

式中：Pi為第i個(gè)污染物的最大地面濃度占標(biāo)率，%。

在井場(chǎng)場(chǎng)界和敏感點(diǎn)共布設(shè)30個(gè)噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在頁(yè)巖氣開采施工期間，考慮晝間等效聲級(jí)和夜間等效聲級(jí)，對(duì)監(jiān)測(cè)因子（pH值、石油烴、鉛、六價(jià)鉻、揮發(fā)酚）連續(xù)監(jiān)測(cè)2 d，晝夜各監(jiān)測(cè)1次。選擇典型井場(chǎng)，在井場(chǎng)上游與下游共布置5個(gè)土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用梅花布點(diǎn)法分別取樣1次。采樣深度根據(jù)可能造成的污染情況確定，原則上最深不超過(guò)50 cm。

2.2 環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)結(jié)果

2.2.1 地表水環(huán)境質(zhì)量

2018年南川頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)域各地表水體監(jiān)測(cè)斷面的監(jiān)測(cè)因子濃度值均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值，硫化物均未檢出（表4），表明截至2018年，頁(yè)巖氣開發(fā)未造成地表水污染。

為了反映年際變化，將2017年和2018年各斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的最大評(píng)價(jià)指數(shù)進(jìn)行對(duì)比（圖1），結(jié)果表明：除了4#和5#斷面的pH值評(píng)價(jià)指數(shù)、COD 評(píng)價(jià)指數(shù)和氨氮評(píng)價(jià)指數(shù)上升外，其他因子的評(píng)價(jià)指數(shù)并未發(fā)生年際上升情況。3#斷面的COD和BOD5的評(píng)價(jià)指數(shù)上升相對(duì)顯著且趨勢(shì)一致，但這2個(gè)指標(biāo)并非頁(yè)巖氣開采的特征指標(biāo)。而頁(yè)巖氣開發(fā)廢水的特征因子硫酸鹽和氯化物的評(píng)價(jià)指數(shù)并未發(fā)生年際上升，且均處于較低水平，說(shuō)明區(qū)域頁(yè)巖氣開發(fā)未導(dǎo)致區(qū)域地表水水質(zhì)發(fā)生明顯不利變化。

圖1 2017年和2018年南川頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)域監(jiān)測(cè)斷面地表水質(zhì)量評(píng)價(jià)指數(shù)比較Fig.1 Comparison of assessment index of surface water in Nanchuan shale gas development area in 2017 and 2018

2.2.2 地下水環(huán)境質(zhì)量

2018年南川頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)地下水監(jiān)測(cè)結(jié)果（表5）顯示，各監(jiān)測(cè)因子濃度均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14848—2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，且特征因子氯化物和硫酸鹽濃度處于較低水平，石油類未檢出，表明頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)域周邊地下水水質(zhì)并未受到污染。

對(duì)比其中3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)2017年和2018年監(jiān)測(cè)結(jié)果的評(píng)價(jià)指數(shù)（圖2），除氨氮的評(píng)價(jià)因子上升外，pH值、CODMn、硫酸鹽和氯化物的評(píng)價(jià)指數(shù)并未隨著區(qū)域頁(yè)巖氣開發(fā)而上升，由于氨氮并非頁(yè)巖氣開發(fā)的特征因子，表明區(qū)域頁(yè)巖氣開發(fā)未導(dǎo)致地下水水質(zhì)產(chǎn)生明顯不利變化。

表4 2018年監(jiān)測(cè)的南川頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)地表水監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果Table4 Test results of surface water environment in Nanchuan shale gas development area in 2018（mg/L）

圖2 2017年和2018年南川頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)域地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)質(zhì)量評(píng)價(jià)指數(shù)比較Fig.2 Comparison of assessment index of groundwater in Nanchuan shale gas development area in 2017 and 2018

2.3 大氣環(huán)境質(zhì)量

南川頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)域空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)2018年監(jiān)測(cè)結(jié)果（表6）顯示，SO2、NO2、PM10濃度值均能滿足對(duì)應(yīng)功能區(qū)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，H2S 濃度值滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBZ 2.1—2019《工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接解限值 第1 部分：化學(xué)有害因素》所示大氣中有害物質(zhì)的最高容許濃度限值，且污染因子濃度處于較低水平，表明開發(fā)區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)空氣質(zhì)量沒(méi)有受到頁(yè)巖氣開發(fā)活動(dòng)排放的廢氣污染。

從其中2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在2017年和2018年監(jiān)測(cè)的各個(gè)空氣質(zhì)量因子的評(píng)價(jià)指數(shù)的比較來(lái)看（圖3），評(píng)價(jià)指數(shù)的年際變化并不顯著，沒(méi)有顯著上升趨勢(shì)，表明區(qū)域頁(yè)巖氣開發(fā)未導(dǎo)致大氣環(huán)境質(zhì)量發(fā)生明顯不利變化。

表5 2018年南川頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果Table5 Test results of groundwater environment in Nanchuan shale gas development area in 2018（mg/L）

表6 2018年南川頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)空氣環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果Table6 Test results of ambient air quality in Nanchuan shale gas development area in 2018（mg/m3）

圖3 2017年和2018年南川頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)域大氣監(jiān)測(cè)點(diǎn)質(zhì)量評(píng)價(jià)指數(shù)比較Fig.3 Comparison of assessment index of atmospheric environment in Nanchuan shale gas development area between 2017 and 2018

2.4 聲環(huán)境質(zhì)量

2018年，對(duì)南川頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)域的井場(chǎng)場(chǎng)界和環(huán)境敏感點(diǎn)的30個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示：各監(jiān)測(cè)點(diǎn)晝、夜間噪聲值均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 3096—2008《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的2 類聲環(huán)境功能區(qū)環(huán)境噪聲限值要求，說(shuō)明區(qū)域聲環(huán)境質(zhì)量較好，受到頁(yè)巖氣開發(fā)的噪聲影響較小。

對(duì)其中6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)2017年和2018年進(jìn)行區(qū)域聲環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比（表7），有4個(gè)對(duì)比點(diǎn)晝間聲環(huán)境監(jiān)測(cè)值上升比較明顯，這主要是受鉆前和鉆井活動(dòng)的影響，但這種聲環(huán)境的變化不具有長(zhǎng)期性和累積性，隨著頁(yè)巖氣開發(fā)進(jìn)入采氣期后會(huì)消失。

表7 2017年和2018年南川頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)域聲環(huán)境質(zhì)量對(duì)比Table7 Comparison of noise environment in Nanchuan shale gas development area in 2017 and 2018 dB（A）

2.5 土壤環(huán)境質(zhì)量

2018年監(jiān)測(cè)的南川頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀結(jié)果（表8）顯示，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)鉛濃度低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 15618—2018《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)（試行）》中風(fēng)險(xiǎn)篩選值，石油烴濃度低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 36600—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》中風(fēng)險(xiǎn)篩選值，六價(jià)鉻和揮發(fā)酚未檢出，說(shuō)明區(qū)域土壤環(huán)境質(zhì)量未因頁(yè)巖氣開發(fā)而造成污染。其中2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在2017年和2018年的土壤環(huán)境質(zhì)量對(duì)比（表9）顯示，除1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤中石油烴含量略有升高外，其他因子均有所降低，且石油烴變化幅度極小，低于天然環(huán)境背景濃度值，說(shuō)明區(qū)域土壤環(huán)境質(zhì)量未因頁(yè)巖氣開發(fā)而發(fā)生明顯變化。

表8 2018年南川頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果Table8 Test results of soil environment in Nanchuan shale gas development area in 2018

3 結(jié)論

為了了解頁(yè)巖氣開發(fā)污染防治措施在防控區(qū)域環(huán)境污染方面的有效性，以及為認(rèn)識(shí)累積性環(huán)境影響提供支撐，對(duì)南川頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)的地表水環(huán)境質(zhì)量、地下水環(huán)境質(zhì)量、大氣環(huán)境質(zhì)量、聲環(huán)境質(zhì)量和土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測(cè)，采用單因子指數(shù)進(jìn)行了環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)，通過(guò)年際比較評(píng)估了質(zhì)量變化情況，得出如下主要研究結(jié)論。

1）2018年監(jiān)測(cè)的環(huán)境現(xiàn)狀結(jié)果表明：南川頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)的各環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)因子（地表水、地下水、大氣、聲和土壤）均能滿足相應(yīng)功能區(qū)的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，區(qū)域頁(yè)巖氣開發(fā)未造成各環(huán)境要素的污染。

2）2017年和2018年監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比表明：南川頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)各環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)因子的評(píng)價(jià)指數(shù)，尤其是氯化物等特征因子的評(píng)價(jià)指數(shù)未發(fā)生明顯年際變化，表明區(qū)域環(huán)境質(zhì)量也未因頁(yè)巖氣開發(fā)受到明顯不利影響。

表9 2017年和2018年南川頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)域土壤環(huán)境質(zhì)量對(duì)比Table9 Comparison of soil environment in Nanchuan shale gas development area between 2017 and 2018

3）南川頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)環(huán)境質(zhì)量保持達(dá)標(biāo)并且無(wú)明顯年際變化，表明當(dāng)前采用的污染防治措施能夠有效保障區(qū)域環(huán)境不受污染。但持續(xù)性與累積性環(huán)境影響尚需更長(zhǎng)時(shí)間的跟蹤監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)。