CO2 地質(zhì)封存項(xiàng)目環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)估體系初步研究

付葆春，許 媛

（1.濰坊市生態(tài)環(huán)境局臨朐分局，山東 濰坊 262600；2.濰坊市臨朐生態(tài)環(huán)境監(jiān)控中心，山東 濰坊 262600）

引言

作為減少溫室氣體排放和應(yīng)對(duì)全球變暖的主要手段，CO2地質(zhì)封存是我國(guó)最重要的地質(zhì)封存方式。CO2能否穩(wěn)定、安全、無(wú)泄漏儲(chǔ)存是評(píng)價(jià)CO2儲(chǔ)存項(xiàng)目成功與否的重要指標(biāo)[1]?？紤]到封存CO2地點(diǎn)的上覆巖層可能存在一定的地質(zhì)構(gòu)造，CO2在封存后可能會(huì)上移到如斷層、陷落柱這種復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)中，進(jìn)而進(jìn)入地表，影響地面的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)。研究表明，地質(zhì)監(jiān)測(cè)手段是檢驗(yàn)CO2封存是否安全的一個(gè)主要方式，但是目前的監(jiān)測(cè)手段僅限于某一方面的地層，因此本文介紹了一種多維度CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)估體系，并對(duì)其可行性進(jìn)行了評(píng)估。

1 環(huán)境監(jiān)測(cè)體系的指標(biāo)描述

1.1 CO2 垂直運(yùn)移監(jiān)測(cè)

將CO2封存到咸水層中，很有可能出現(xiàn)CO2朝著水平或者垂直方向的位移情況，從安全角度來(lái)看，垂直方向的二氧化碳排放危害更大。這是因?yàn)?，在逐漸上升的過(guò)程中，CO2泄漏的可能性更高。圖1 為神華CO2在地下的運(yùn)移范圍，其中，VSP 表示垂直地震剖面監(jiān)測(cè)手段，因其具有分辨率高、投資成本較低的優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用到CO2封存項(xiàng)目中。表1 則記錄了CO2在不同層位的分布結(jié)果。

表1 CO2 在不同層位的分布結(jié)果

由圖1 可知，CO2注入地層后，CO2水平位移幅度范圍從2013 年的350 m 增加到2014 年的400 m，整體向外擴(kuò)散。地震波變化的最小蓋層深度為1 500 m，且蓋層無(wú)CO2向上滲漏。因此，將蓋層的埋藏深度大小當(dāng)作CO2達(dá)到安全封存標(biāo)準(zhǔn)的最大封存深度，一旦蓋層的深度降低，就意味著出現(xiàn)CO2泄露的可能就會(huì)逐漸增大。

圖1 CO2 在地下的運(yùn)移范圍示意圖

1.2 地下水

根據(jù)飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，正常飲用水的pH 值應(yīng)保持在6.5～8.5 范圍內(nèi)[2]。當(dāng)密封在鹽水層中的CO2泄漏時(shí)，將對(duì)周?chē)叵滤a(chǎn)生非常不利的影響。由于溶于水中的CO2絕大多數(shù)以分子的形式存在于水中，僅有一小部分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生了碳酸。當(dāng)生成碳酸后，水中會(huì)出現(xiàn)一定濃度的氫離子，氫離子會(huì)降低地下水體的pH 值。pH 值的降低會(huì)更加有利于CO2的溶解，進(jìn)而就將地下水變成了碳酸溶液。存在于咸水層中的大部分巖石都含有一定量的碳酸鹽、硅酸鹽等礦物，在酸性條件下，這類物質(zhì)極其不穩(wěn)定，溶于水后污染水體。

從2011 年以來(lái)，各研究人員就針對(duì)神華CO2封存場(chǎng)地一定范圍內(nèi)的200 m 深的地下水展開(kāi)了連續(xù)性的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的結(jié)果如下：地下水體的pH 值在7.6～8.5 的范圍內(nèi)，水的硬度在52 mg/L～286 mg/L；并且CO2的注入并沒(méi)有影響這兩個(gè)值的大小。所以，為了進(jìn)一步驗(yàn)證CO2的注入會(huì)引起水質(zhì)的變化，針對(duì)pH 值以及硬度的變化范圍，將這兩個(gè)量安全等級(jí)范圍進(jìn)行了定義，具體為：pH 值的變化范圍為5～8.5；硬度的變化范圍為50 mg/L～700 mg/L。

1.3 CO2 濃度與通量

作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，土壤生態(tài)系統(tǒng)也會(huì)受到CO2泄露的影響。隨著泄漏的CO2擴(kuò)散到土壤中，會(huì)增加土壤中CO2的濃度和通量，導(dǎo)致缺氧環(huán)境，這是非常不利的[2]。它不僅會(huì)影響土壤氣體成分、土壤生物和理化性質(zhì)的變化，同時(shí)還可能抑制植物以及農(nóng)作物的生長(zhǎng)，具體表現(xiàn)為對(duì)植物的莖葉或者作物的果實(shí)產(chǎn)生一定程度的負(fù)面影響。為此，根據(jù)CO2濃度分布與對(duì)應(yīng)的毒性大小，具體針對(duì)CO2封存后泄露的地區(qū)按濃度分成了3 類，即，致死區(qū)（CO2體積分?jǐn)?shù)大于10%）、重傷區(qū)（CO2體積分?jǐn)?shù)大于4%）以及吸入反應(yīng)區(qū)（CO2體積分?jǐn)?shù)大于1%）[3]。2011 年以來(lái)，神華CO2咸水層封存工程范圍內(nèi)近地表CO2濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，地表土壤大部分CO2質(zhì)量濃度為0.786 mg/L，遠(yuǎn)低于吸入反應(yīng)區(qū)。

2 環(huán)境監(jiān)測(cè)體系的構(gòu)建

2.1 各監(jiān)測(cè)指標(biāo)安全等級(jí)的設(shè)定

根據(jù)飲用水源安全等級(jí)的分類結(jié)構(gòu)，環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可分為5 個(gè)等級(jí)：非常安全、安全、基本安全、不安全和非常不安全。表2 是各指標(biāo)不同安全等級(jí)的賦值范圍。

表2 多種指標(biāo)的不同安全等級(jí)的賦值范圍

其中，CO2垂直運(yùn)移深度的安全分類主要根據(jù)神華集團(tuán)CO2咸水層的實(shí)際蓋層深度確定，具體深度范圍為0 m～1 500 m。針對(duì)SF6 的不同安全等級(jí)允許濃度范圍，其允許的最高質(zhì)量濃度為6.5 mg/L，因此可以依照CO2的濃度安全等級(jí)的劃分結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)SF6 的安全等級(jí)進(jìn)行劃分。而地表的形變數(shù)據(jù)可以根據(jù)地表的相對(duì)形變程度來(lái)進(jìn)行安全等級(jí)的劃分，具體的地表形變數(shù)據(jù)可以依照式（1）來(lái)獲得。

式中：h 為CO2注入?yún)^(qū)的地表形變速率，mm/a；h1為CO2注入?yún)^(qū)的地表形變速率，mm/a；h2為背景區(qū)的地表形變速率，mm/a。

2.2 環(huán)境監(jiān)測(cè)體系安全等級(jí)的確定

綜合指數(shù)分析法是CO2咸水層封存過(guò)程中較為常用的監(jiān)測(cè)安全評(píng)價(jià)方法，其主要是針對(duì)監(jiān)測(cè)得到的各種指標(biāo)數(shù)值開(kāi)展量化統(tǒng)一處理，同時(shí)還要考慮到各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重大小，通過(guò)式（2）來(lái)判斷所測(cè)的目標(biāo)體系究竟屬于哪一個(gè)安全等級(jí)。

式中：Wij為咸水層監(jiān)測(cè)時(shí)的安全指數(shù)；Aij為第i 年第j 指標(biāo)的權(quán)重大?。籜ij為第i 年第j 指標(biāo)的歸一化處理后的結(jié)果。

然而，在CO2咸水層封存過(guò)程中，監(jiān)測(cè)到的安全評(píng)價(jià)指標(biāo)如下：第一，數(shù)值結(jié)果越大，相應(yīng)的安全水平指標(biāo)越高；第二，數(shù)值結(jié)果越大，相應(yīng)的安全水平指數(shù)越低。其中，值越小，指標(biāo)越安全，主要是CO2濃度和通量、地下水硬度和地表變形數(shù)據(jù)。最終，綜合考慮多種監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的安全等級(jí)以及對(duì)應(yīng)的權(quán)重大小，構(gòu)建了CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目環(huán)境監(jiān)測(cè)安全等級(jí)體系，具體如表3 所示。

表3 安全等級(jí)范圍

3 試算案例與討論

在近幾年某個(gè)時(shí)間，對(duì)CO2封存區(qū)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，具體監(jiān)測(cè)結(jié)果如下：地下水的pH 值為7.7，水體硬度為112 mg/L，CO2質(zhì)量濃度為0.786 mg/L，CO2到達(dá)土壤中的通量為300 mg/（m2·h）。此外，整個(gè)范圍內(nèi)不存在SF6，計(jì)算地表形變數(shù)據(jù)為1，CO2垂直運(yùn)移距離為1 500 m。由式（2）得出的相應(yīng)安全指數(shù)為0.834。由此可見(jiàn)，神華CO2咸水層封存工程的安全等級(jí)為一級(jí)，即非常安全。

然而需要明確的是，基于理想條件的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)手段會(huì)得到更為精確的監(jiān)測(cè)結(jié)果，但是考慮到如CO2垂直運(yùn)移深度等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目不能達(dá)到在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的，這也就意味著本文介紹的環(huán)境評(píng)估監(jiān)測(cè)體系存在一定程度的局限性，還有待相關(guān)行業(yè)的專家及學(xué)者進(jìn)一步的研究。

4 結(jié)論

本文先對(duì)神華CO2咸水層的封存項(xiàng)目進(jìn)行了監(jiān)測(cè)手段以及監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析，并在此基礎(chǔ)上，引出了一種多維度CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)估體系，主要包含了地下、地表以及地上空間，這在一定程度上彌補(bǔ)了單一監(jiān)測(cè)手段獲得的數(shù)據(jù)沒(méi)有科學(xué)性的弊端。同時(shí)，為了驗(yàn)證其可行性，計(jì)算了從實(shí)際案例中獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，神華CO2咸水層封存工程處于非常安全穩(wěn)定的狀態(tài)，不存在CO2封存后出現(xiàn)泄露的可能，此外也說(shuō)明了本文闡述的環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)估體系有一定的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。