礦區(qū)土壤污染水平分布特征與成因分析

陳 濤，王奇花，付興濤

(太原理工大學 水利科學與工程學院，太原 030024)

近年來，煤層氣作為一種高效、清潔的新興能源在我國迅速發(fā)展，但煤層氣的開采會改變礦區(qū)地表及地下土壤與水資源狀態(tài)，并對周邊環(huán)境造成一定的影響。同時，在煤層氣開采過程中，為降低煤層壓力、釋放煤層中所吸附氣體會排出大量地下水，其具有礦化度大、鹽分含量高等特點，而我國目前尚未出臺對這部分地下水明確的排放標準[1]。因此，企業(yè)多依據《煤炭工業(yè)污染物排放標準GB 20426-2006》及《污水綜合排放標準GB 8978-1996》通過地面排放、蒸發(fā)池蒸發(fā)、地下回注、工廠處理等方式處理煤層氣采出水[2]。但研究表明，若將未經處理的煤層氣采出水直接排放于環(huán)境中，會造成土壤鹽漬化[3]、植被受損[4]、農作物減產、地表和地下水污染[5]等諸多危害。

目前關于煤層氣采出水的研究主要集中在煤層氣采出水水質分析與煤層氣采出水對周邊壞境的污染方面，以及煤層氣采出水的水質特征及變化規(guī)律方面，如SIRIVEDHIN et al[6]對美國俄克拉荷馬州某煤層氣井采出水的研究發(fā)現，該處煤層氣采出水與油井采出水不同，其中主要含有Na+和Cl-等無機離子，而有機質含量不高；張松航等[7]基于對沁水盆地柿莊區(qū)塊的煤層氣采出水中離子質量濃度的長期測定，得出采出水的礦化度、離子濃度、水化學類型隨開采時間的變化規(guī)律；衛(wèi)明明等[8]以沁水盆地南部煤層氣田采出水為研究對象，通過分析其水化學特征，研究該地區(qū)采出水的來源和機理；朱衛(wèi)平[9]研究了沁水盆地和鄂爾多斯盆地煤層氣井場主要采出水類型與動態(tài)變化過程、采出水水質和水量的變化規(guī)律，并建立煤層氣采出水水質、水量動態(tài)模型。在煤層氣采出水對周邊壞境的污染方面，FOLGER et al[10]通過對懷俄明州的地下水污染進行研究，得出煤層氣采出水尚在煤層中時就會因水力壓裂通過裂縫進入其他含水層而污染地下水；GANJEGUNTE et al[11]對美國粉河盆地利用采出水灌溉的土壤進行研究，得出受澆灌土壤的EC、SAR和ESP值較非灌溉土壤有顯著提高，表明土壤發(fā)生鹽漬化。王靜等[4]通過對沁水盆地柿莊南區(qū)塊煤層氣井排水口周邊土壤的pH值和SAR值的測定，研究了煤層氣采出水對土壤鹽度的影響。

雖然目前對于煤層氣采出水的水質分析和其對周邊環(huán)境污染的研究已取得諸多成果，但針對晉西呂梁地區(qū)煤層氣采出水對土壤污染的相關研究比較薄弱。根據《山西省煤層氣資源勘查開發(fā)規(guī)劃(2016-2020年)》，晉西呂梁地區(qū)煤層氣資源儲量豐富，具有極大的開發(fā)潛力，但由于該區(qū)地形起伏多變、溝壑縱橫，礦區(qū)多就近建設蒸發(fā)池，采出水經過沉淀、蒸發(fā)后裝罐拉運外排，在此過程中不可避免地發(fā)生采出水的橫向與縱向漏排，從而污染周邊土壤。因此，試驗基于對受煤層氣采出水污染土壤的化學指標實測，分析了煤層氣采出水對土壤污染的水平分布特征，以期為該區(qū)煤層氣開采環(huán)境污染防治提供理論支撐。

1 材料與方法

圖1 受污染土壤采樣點示意圖Fig.1 Sampling sites in contaminated area

2 結果分析與討論

2.1 土壤含水率與pH值的水平分布

由圖1可知，受污染區(qū)域0～30 cm深度土壤剖面高于采出水漏排水體高程，30～70 cm深度土壤剖面低于采出水漏排水體高程，不同深度的土壤剖面受采出水的影響程度不同，受污染土壤在垂直方向上均呈現出30～70 cm深度的土壤含水率(20.67%～27.35%)和pH值(8.10～8.50)高于0～30 cm深度土壤的含水率(19.29%～22.19%)和pH值(7.26～7.96)，因此選取30～70 cm深度受采出水直接入滲的土壤剖面進行討論。通過對比30～70 cm深度且與漏排水體不同距離的受污染土壤與未受污染土壤含水率、pH實測值，結果顯示，未受污染土壤含水率間于15.53%～20.14%，pH值在7.52～7.93之間變化，而受污染土壤含水率在19.29%～27.53%之間變化，pH值在7.26～8.50之間變化，土壤含水率與pH值整體均高于未受污染土壤，說明確實存在采出水的側向滲漏。受污染土壤含水率隨著距漏排水體距離的增加呈先減小后平穩(wěn)的趨勢，距采出水漏排水體0～10 cm范圍內的土壤含水率最高，為24.67%；在距漏排水體30～40 cm范圍內減小至22.63%；在40～100 cm的范圍趨于平穩(wěn)，在22.92%～23.75%之間變化。未受污染土壤的含水率在水平方向0～100 cm范圍內均小于受污染土壤的含水率，其值在15.18%～17.57%之間變化，變化幅度2.39%.受污染土壤與未受污染土壤的30～70 cm深度土壤pH值在水平方向上的變化均不明顯，但受污染土壤的pH值明顯高于未受污染土壤pH值，受污染土壤pH值的水平分布在8.00～8.13之間，未受污染土壤pH值的水平分布則間于7.60～7.73，受污染土壤pH值較未受污染土壤pH值平均高出0.39.

圖2 30～70 cm深度受污染土壤與未受污染土壤含水率、pH值的水平分布Fig.2 Horizontal distribution of moisture content and pH in contaminated soil and uncontaminated soil(depth of 30～70 cm)

由于煤層氣采出水側向入滲，所以距漏排水體距離越近的土壤含水率越高，并且隨著距離的逐漸增加，煤層氣采出水中的Na+會引起土壤分散、膨脹，破壞土壤團聚體的穩(wěn)定性，使得土壤孔隙減小，滲透性能降低[13]，漏排水體中的采出水對土壤的滲透逐漸減弱，土壤含水率逐漸下降最終趨于平穩(wěn)。同時，對比受污染土壤與未受污染土壤含水率的水平分布可知，受污染區(qū)域30～70 cm深度所采土壤樣本均受到采出水的影響，受污染土壤含水率較未受污染土壤含水率平均高出7.16%，表明漏排水體中的采出水對周邊土壤的滲透半徑至少達到100 cm，王靜等[4]對煤層氣井排水口周邊土壤的研究則表明土壤受污染的范圍達4 m，反映出試驗設計中水平方向100 cm的取樣范圍偏小，未能全面反映土壤含水率的水平變化，距漏排水體100 cm范圍之外土壤的含水率存在繼續(xù)下降的可能性。另外，根據以往研究[14]及本試驗實測數據，煤層氣采出水pH值較高，呈堿性，因此采出水對土壤的側向入滲導致30～70 cm深度受污染土壤pH值較未受污染土壤pH值明顯更高，呼佳寧等[3]利用煤層氣采出水對土壤進行澆灌后，同樣得出土壤pH值升高的結論。

2.2 受污染土壤與未受污染土壤離子含量對比

圖3 受污染土壤與未受污染土壤離子含量對比Fig.3 Comparison of ion contents between contaminated soil and uncontaminated soil

2.3 土壤Na+、Cl-的水平分布

由于受污染土壤中的Na+、Cl-主要來自煤層氣采出水漏排水體的入滲，受污染土壤剖面30～70 cm深度的土壤低于漏排水體高程，直接受到采出水的側向入滲；而受污染土壤剖面0～30 cm深度的土壤高于漏排水體高程，采出水對其的影響主要是下層受污染土壤中的水分因毛細管作用向上遷移的間接影響。因此，以漏排水體高程為界，對受污染土壤的Na+、Cl-含量分別討論。

試驗結果顯示，0～10 cm深度土壤的Na+和Cl-含量遠高于其他深度土壤的含量，其Na+含量最大值達4 994.0 mg/kg，Na+含量較10～30 cm深度土壤的Na+含量和30～70 cm深度土壤的Na+含量分別高2 389.6 mg/kg、2 340.3 mg/kg.0～10 cm深度土壤的Cl-含量同樣明顯高于10～30 cm深度和30～70 cm深度土壤的Cl-含量，其平均值比10～30 cm深度和30～70 cm深度土壤的Cl-含量平均值分別高出586.0 mg/kg、555.5 mg/kg.10～30 cm深度土壤Na+和Cl-含量則在整個剖面中最低，Na+、Cl-平均含量為556.5 mg/kg、105.0 mg/kg.將0～10 cm深度和10～30 cm深度土壤的Na+、Cl-含量隨距漏排水體距離變化的趨勢繪制成圖4、圖5，結果表明，0～10 cm深度土壤的Na+、Cl-含量在水平方向上的分布無明顯變化規(guī)律，且在水平方向上離子含量的差別極大，其中Na+含量在距漏排水體90～100 cm范圍內達到最大值4 994.0 mg/kg，較50～60 cm范圍的Na+含量最小值1 258.0 mg/kg高3 736.0 mg/kg；Cl-含量在水平方向上的分布情況與Na+含量相似，極差達988.17 mg/kg.10～30 cm深度土壤的Na+、Cl-含量在水平方向上的分布均呈現出靠近采出水漏排水體處(0～40 cm范圍)含量較高，且在此范圍內Na+和Cl-含量的變化十分明顯，Na+、Cl-含量極差分別為367.5 mg/kg、130.7 mg/kg；隨距漏排水體距離的增加，Na+、Cl-含量變化趨于平穩(wěn)。分析其原因，一方面是研究區(qū)域氣候干旱、蒸發(fā)作用強烈，下層土壤中的Na+和Cl-隨水分在毛細管作用下向0～10 cm深度的表層土壤不斷遷移，使得這兩種離子在土壤表層聚集[19]，同時，降雨淋溶、地表微地形差異等結構性因素又均會影響Na+、Cl-在表層土壤的分布[20]。另一方面是該井場在建設生產過程中，蒸發(fā)池中經蒸發(fā)、沉淀后離子濃度極高的采出水在進行裝罐、拉運的過程中漏排至地表，或是含有大量Na+、Cl-的鉆井液和壓裂液[21]的滲漏等此類人為因素均會導致土壤表層Na+、Cl-含量不規(guī)律地急劇增大。10～30 cm深度的土壤處在表層土壤與受到漏排水體入滲土壤之間，既存在因降雨淋溶而從表層土壤隨水分下滲的離子，也存在因毛細管作用而從30～70 cm深度下層土壤中向上遷移的離子，且靠近漏排水體處的土壤受到采出水的滲透更強，因此0～40 cm范圍內土壤Na+、Cl-含量的不規(guī)律性十分明顯；隨著距漏排水體距離的增加，采出水滲透的影響逐漸減弱，且研究區(qū)域氣候干旱，降雨較少，淋溶作用有限，該深度土壤的Na+、Cl-主要受到下層土壤水分因毛細管作用遷移的影響，因此Na+、Cl-含量變化趨于平穩(wěn)。

圖4 0～10 cm深度受污染土壤Na+、Cl-離子含量水平分布變化Fig.4 Horizontal distribution of Na+, Cl- in contaminated soil (depth of 0～10 cm)

圖5 10～30 cm深度受污染土壤Na+、Cl-離子含量水平分布變化Fig.5 Horizontal distribution of Na+, Cl- in contaminated soil (depth of 10～30 cm)

為了進一步分析30～70 cm深度受污染土壤中Na+、Cl-含量的水平分布規(guī)律，將二者隨距漏排水體距離變化繪制成圖6，結果表明，距漏排水體距離越遠，Na+與Cl-含量越低。特別是在距漏排水體50 cm處二者含量均出現明顯下降。距漏排水體0～50 cm范圍內，土壤Na+含量逐漸降低，0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm含量分別為942.5、880.5、890.5、847.0及794.3 mg/kg，降幅148.2 mg/kg，而在50～100 cm范圍內土壤Na+含量迅速降低，由50～60 cm范圍的549.8 mg/kg降低至90～100 cm范圍的214.0 mg/kg，降幅達335.8 mg/kg.受污染土壤中Cl-含量隨距漏排水體的距離增大呈現出與Na+相似的變化規(guī)律，距漏排水體0～10 cm范圍內的土壤Cl-含量最高，達210.5 mg/kg；10～100 cm范圍內，隨著距漏排水體距離的增大，土壤Cl-含量逐漸降低，10～20 cm、30～40 cm、50～60 cm、70～80 cm含量分別為201.6、185.0、119.6、65.4 mg/kg；在90～100 cm范圍內降至55.9 mg/kg.由圖5所示，受污染土壤中Na+含量比Cl-含量高，且Na+含量在靠近漏排水體方向的積聚程度更為明顯，隨著距采出水漏排水體距離的增加，Na+下降的速率較Cl-快。

圖6 30～70 cm深度受污染土壤Na+、Cl-離子含量水平分布變化Fig.6 Horizontal distribution of Na+, Cl- in contaminated soil (depth of 30～70 cm)

分析其原因，Na+和Cl-以水分為載體，30～70 cm深度采出水入滲周邊土壤并逐漸擴散的過程，同時也是Na+和Cl-向土壤中遷移的過程，由2.1分析可知，采出水隨著距漏排水體距離的增加其入滲逐漸減弱，因此Na+和Cl-的含量隨之降低。王靜等[4]以土壤飽和溶液鈉吸附率(SAR)作為指標對煤層氣井排水口周邊土壤的研究也得出，隨著距排水口距離的增大，0～60 cm深度土壤的SAR值均呈現逐漸下降的趨勢，土壤SAR值表征土壤鈉質化的情況，其值一定程度上可以反映土壤Na+含量的變化。同時，由于土壤微粒表面帶負電荷，Cl-是非反應性離子，而Na+因陽離子交換作用更容易被土壤表面的負電荷吸附，因此Na+總體較Cl-含量要高，且在水平方向上靠近漏排水體處積聚程度更高，而隨著距漏排水體距離的增大，Na+含量的降低趨勢十分明顯；Cl-對土壤含水量、降雨量、蒸發(fā)量、氣溫等環(huán)境因素十分敏感，在土壤中的遷移能力較Na+更強[22]，因此土壤中Cl-含量隨距漏排水體距離的增加而下降的趨勢較Na+更為平緩。

3 結論

本文通過對比受污染土壤與未受污染土壤的化學指標，分析煤層氣采出水對土壤污染的水平分布特征，得出如下結論：

1) 受煤層氣采出水污染土壤的含水率和pH值均高于未受污染土壤，受污染土壤含水率隨剖面距漏排水體距離的增加呈現先減小后平穩(wěn)的趨勢，pH值在水平方向上變化不明顯。

3) 0～10 cm深度受污染土壤的Na+、Cl-含量整體遠高于其他深度受污染土壤的Na+、Cl-含量，10～30 cm深度受污染土壤的Na+、Cl-含量在整個剖面中最低。0～10 cm深度受污染土壤的Na+、Cl-含量在水平方向上數值差異很大但無明顯變化規(guī)律；10～30 cm深度受污染土壤的Na+、Cl-呈現出靠近漏排水體處含量較高且變化明顯，隨剖面距漏排水體距離的增加而趨于平穩(wěn)；30～70 cm深度受污染土壤的Na+、Cl-含量均表現出隨剖面距漏排水體距離的增加而減小的趨勢。