頁巖氣開發(fā)場地地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究進(jìn)展

唐 攀 陳學(xué)忠 楊曉敏 胡攀峰 辛蓓蓓 高 歡 畢文平

(1.中國石油西南油氣田分公司;2.四川長寧天然氣開發(fā)有限責(zé)任公司;3.中國石油物資有限公司質(zhì)量安全處)

0 引 言

頁巖氣勘探開發(fā)利用對于有效緩解資源壓力、改善我國的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。然而,頁巖氣開發(fā)過程可能會(huì)對周邊環(huán)境產(chǎn)生一定的污染風(fēng)險(xiǎn)[2-4]。四川盆地(川南地區(qū))成為我國頁巖氣開發(fā)的先導(dǎo)者和主力軍(區(qū)塊),并在長寧—威遠(yuǎn)建立了國家級(jí)頁巖氣示范區(qū)。然而,這些地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)敏感脆弱,局部巖溶發(fā)育強(qiáng)烈,且位于長江上游生態(tài)屏障區(qū),增加了頁巖氣開發(fā)對環(huán)境影響的復(fù)雜性和不確定性。如何評(píng)估頁巖氣開發(fā)過程對土壤地下水造成的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),形成適用于巖溶高度發(fā)育的頁巖氣開發(fā)過程環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù),是尚待解決的科學(xué)問題。

與其他環(huán)境要素不同的是,土壤、地下水污染具有明顯的滯后性,盡管在頁巖氣開發(fā)前期的環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作中,做出了相對比較全面的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。但是,圍繞頁巖氣開發(fā)全過程的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)特別是針對土壤地下水的潛在污染風(fēng)險(xiǎn)研究相對薄弱,不同生產(chǎn)階段潛在污染因子及風(fēng)險(xiǎn)不盡相同,更需要結(jié)合不同生產(chǎn)階段產(chǎn)污特征來開展污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。常規(guī)油氣開發(fā)項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)為頁巖氣開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供了借鑒與參考,但頁巖氣不同開發(fā)階段的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別及評(píng)價(jià)的定量分析缺乏系統(tǒng)認(rèn)識(shí)與研究。本文從介紹常規(guī)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)開始,闡述了頁巖氣開發(fā)場地污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)現(xiàn)狀,特別討論了過程模擬法中的關(guān)鍵難題——巖溶介質(zhì)地下水?dāng)?shù)值模擬進(jìn)展情況,以期為頁巖氣開發(fā)項(xiàng)目環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供技術(shù)支撐與理論指導(dǎo)。

1 污染場地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的理論與方法

污染場地健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)過程中,需要掌握場地各介質(zhì)污染物種類現(xiàn)狀,同時(shí)要對其后續(xù)遷移轉(zhuǎn)化、暴露途徑等進(jìn)行全面分析,最終估算出對人體健康危害的概率及可能程度。我國早期的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)主要集中在事前風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[5-8],現(xiàn)有風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估導(dǎo)則[9]采用的模型和參數(shù)則借鑒西方發(fā)達(dá)國家。自2016年國家發(fā)布《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》以來,我國土壤污染防治理念發(fā)生了重大轉(zhuǎn)變,從“一刀切”的指標(biāo)控制到綜合污染風(fēng)險(xiǎn)防控,形成了HJ 169—2018《建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則》、HJ 25.3—2014《污染場地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》等技術(shù)規(guī)范。

目前,土壤污染風(fēng)險(xiǎn)主要開展健康及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)兩類評(píng)價(jià),地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)主要采用DRASTIC改進(jìn)方法、過程模擬法以及不確定分析法等,難點(diǎn)在于準(zhǔn)確篩選復(fù)雜水文地質(zhì)條件下,如何構(gòu)建適合我國的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)[10]。土壤、淺層地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模式大多按照“風(fēng)險(xiǎn)=本質(zhì)脆弱性×污染物超標(biāo)概率”處理,真正將生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、健康風(fēng)險(xiǎn)以及環(huán)境災(zāi)害理論納入風(fēng)險(xiǎn)分析的研究較少。

現(xiàn)有地下水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法中,DRASTIC改進(jìn)方法應(yīng)用最為廣泛,涉及評(píng)價(jià)因子及水文地質(zhì)要素較為全面,但在評(píng)價(jià)指標(biāo)賦值和分配權(quán)重時(shí),容易受到人為主觀性的影響。統(tǒng)計(jì)方法主要依靠邏輯回歸分析法、線性回歸分析法等,可避免人為主觀性影響,篩選出的地下水污染主要因素也較為客觀,但所需資料信息量大,主要依靠數(shù)據(jù)的完整度。過程模擬法通過建立水流和污染質(zhì)遷移模型,將各項(xiàng)指標(biāo)定量化得到評(píng)價(jià)綜合指數(shù),可較好模擬地下水污染物的遷移規(guī)律。該方法需要大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)和資料信息,且模型的參數(shù)較多、求解復(fù)雜,優(yōu)勢在于可得到風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及污染發(fā)生的時(shí)間和地點(diǎn)、污染物濃度、污染面積等,所需模型(HYDRAUS模型、MODFLOW&MT3D模型、FEFLOW模型等)較為成熟,適用于小區(qū)域低風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[11-12]。

頁巖氣開發(fā)場地水文地質(zhì)條件復(fù)雜,勘探開發(fā)作業(yè)具有多工種、多工序、立體交叉和聯(lián)合作業(yè)等特點(diǎn),在勘探開發(fā)過程中所造成的潛在風(fēng)險(xiǎn)亦和普通場地有很大差別[13-14]。目前,針對特定污染場地的模型與數(shù)據(jù)庫不完善,而決定風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵是獲取適合實(shí)際場地的模型與參數(shù),直接采用國外的模型與參數(shù)所得結(jié)果略顯失真。因此,有必要研究適合于頁巖氣開發(fā)場地土壤地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)體系。

2 頁巖氣開發(fā)場地污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究進(jìn)展

以長寧、威遠(yuǎn)等為代表的國家級(jí)頁巖氣示范區(qū),開發(fā)區(qū)溶洞發(fā)育,存在著巖溶泉及大型管道流。盡管有50 m左右的包氣帶,但裂隙及巖溶管道的發(fā)育,使得包氣帶防污性能變?nèi)?偶然事故產(chǎn)生的油基鉆屑及其浸出液滲漏等因素則可能對土壤地下水產(chǎn)生影響[15]。因此,建立過程模型來描述目標(biāo)污染物在包氣帶、飽和帶內(nèi)的物理—化學(xué)—生物變化和隨地下水流的遷移轉(zhuǎn)化,并借助相關(guān)實(shí)測數(shù)據(jù)資料,可以較為準(zhǔn)確的描述污染物在介質(zhì)中的遷移過程及范圍,進(jìn)而獲取風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及范圍(如圖1、圖2所示),可為區(qū)域土壤地下水資源保護(hù)提供合理化的指導(dǎo)。

圖1 某場地溶質(zhì)運(yùn)移模擬結(jié)果

圖2 地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果

針對頁巖氣不同開發(fā)階段的特點(diǎn),構(gòu)建出過程模型來開展不同情景下的污染物遷移范圍及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià),是適合于頁巖氣開發(fā)不同過程(勘探—鉆井—壓裂返排—生產(chǎn))對場地土壤地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的有效方法。但是,過程模擬法評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性主要取決于污染物遷移模型的構(gòu)建,而頁巖氣開發(fā)典型場地巖溶較為發(fā)育,考慮巖溶介質(zhì)的地下水流及溶質(zhì)運(yùn)移模擬本身就屬于科學(xué)難題,諸多問題一直在完善及發(fā)展中。原因在于,巖溶水系統(tǒng)介質(zhì)中存在裂隙及管道,與基質(zhì)滲透性差異大,水流機(jī)制亦不同。因此,提高過程模擬法評(píng)價(jià)污染風(fēng)險(xiǎn)科學(xué)性的研究點(diǎn)主要集中在如何發(fā)展巖溶介質(zhì)數(shù)值模擬。由于土壤包氣帶水分運(yùn)移模型及地下水流模型均可用達(dá)西流描述,區(qū)別在于包氣帶非飽和介質(zhì)的各項(xiàng)參數(shù)更為復(fù)雜,本文以地下水為代表,介紹巖溶介質(zhì)地下水流及溶質(zhì)運(yùn)移模型的研究進(jìn)展。

2.1 巖溶介質(zhì)地下水?dāng)?shù)值模擬

目前,研究中主要解決的問題是如何將巖溶裂隙系統(tǒng)概化,并在求解過程中解決同一節(jié)點(diǎn)在兩種介質(zhì)中的連續(xù)性問題?，F(xiàn)在的巖溶水流動(dòng)模擬方法將巖溶含水層中的介質(zhì)概化為雙重介質(zhì)、三重介質(zhì),或者全部等效為一種多孔介質(zhì),試圖用多孔介質(zhì)滲流理論解決非連續(xù)的裂隙介質(zhì)。

2.1.1 地下水流模擬

1)等效多孔介質(zhì)模型

該方法將裂隙及管道概化為孔隙的組成部分,不考慮其空間展布和水力特性等方面的差異,并利用分布參數(shù)法將連續(xù)介質(zhì)滲流理論應(yīng)用到非連續(xù)的裂隙介質(zhì)中[16]。等效連續(xù)性方程見式(1)。

(1)

式中:ρ為密度,kg/m3;K為滲透系數(shù),m/d;h為壓力水頭,m;n為孔隙度,無量綱;t為時(shí)間,d。

模型中分區(qū)處理巖溶裂隙,用具有等效水力特性的多孔連續(xù)介質(zhì)替代原生和次生巖溶裂隙的孔隙度和水力傳導(dǎo)系數(shù)。等效多孔介質(zhì)法原理簡單,但水動(dòng)力場模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果差異性較大,某些特定指標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)“等效”[17]。

2)雙重介質(zhì)模型

雙重介質(zhì)模型是將巖溶裂隙含水層概化為裂隙—孔隙或裂隙—管道雙重介質(zhì),并認(rèn)為裂隙主要起導(dǎo)水作用而孔隙則主要儲(chǔ)水。概化的雙重介質(zhì)分別遵循一定的參數(shù)描述,且在參數(shù)上是獨(dú)立的,但在水動(dòng)力學(xué)上,基質(zhì)和裂隙之間存在水力聯(lián)系,如何刻畫裂隙網(wǎng)絡(luò)并考慮裂隙與含水層基質(zhì)的水交換量是個(gè)科學(xué)難題。為此,研究者采用了不同的方法,例如用管道網(wǎng)絡(luò)表征裂隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(Clemens)、引入裂隙直徑、概化出交換系數(shù)來描述裂隙與含水層基質(zhì)的水交換量(Stephen)、利用圓形管道來代替裂隙(Romero)等[18-20],主要將問題的矛盾集中在相關(guān)參數(shù)中。后續(xù),引入了交換系數(shù)方程,將不同介質(zhì)的水量交換問題耦合。例如,Cornaton等[21]引入孔隙權(quán)重的方法,用水流交換系數(shù)和儲(chǔ)水系數(shù)描述介質(zhì)間水量交換,較好地適用于高度非均質(zhì)系統(tǒng)。

3)三重介質(zhì)模型

三重介質(zhì)模型比較全面地刻畫了巖溶區(qū)的水文地質(zhì)特征,與實(shí)際最為接近,并具有相關(guān)定量指標(biāo),故被諸多研究者所認(rèn)可。目前,正在開展不同介質(zhì)(孔隙、裂隙和巖溶管道)間的水流交換算法的持續(xù)改進(jìn)。不同水流模型對比如表1所示。

表1 不同水流模型對比

2.1.2 溶質(zhì)運(yùn)移模擬

利用識(shí)別校驗(yàn)后的水流模型構(gòu)建的溶質(zhì)運(yùn)移模型,可提高模型準(zhǔn)確度與精度,但復(fù)雜程度會(huì)上升[25]。到目前為止,圍繞巖溶介質(zhì)溶質(zhì)運(yùn)移模型更多是基于采用等效多孔介質(zhì)的水流模型,很少有學(xué)者利用雙重和三重介質(zhì)模型。溶質(zhì)運(yùn)移模型一般都采用對流—彌散模型,描述有內(nèi)部源或匯的三維對流—彌散溶質(zhì)運(yùn)移方程見式(2)。

(2)

式中:Dij為彌散系數(shù)分量(二秩對稱張量),i,j代表x,y,z或x,y方向,m2/d;qi為達(dá)西速度分量,m3/d;θ為孔隙度,無量綱;qs為源匯項(xiàng)流量,m3/d;Cs為源匯項(xiàng)濃度,mg/L;C為溶解于地下水中的污染物濃度,mg/L。

巖溶水介質(zhì)模型可分為大尺度與小尺度兩種模型,其中大尺度模型主要應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐研究。目前,巖溶水溶質(zhì)運(yùn)移大多以等效介質(zhì)模型和雙重介質(zhì)模型為主[16-17]。由于巖溶發(fā)育的不連續(xù)性、非均勻性和各向異性,不能揭示相對不透水巖體、裂隙巖體系統(tǒng)以及具有連通性的復(fù)雜巖溶裂隙網(wǎng)絡(luò)等因素,鮮有文獻(xiàn)報(bào)道采用三重介質(zhì)模型來研究巖溶介質(zhì)溶質(zhì)運(yùn)移。

2.2 頁巖氣開發(fā)場地污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

鑒于頁巖氣開發(fā)過程的復(fù)雜性與特殊性,國內(nèi)研究者開展污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)時(shí),著重將研究點(diǎn)集中在油基巖屑,或者水力壓裂過程對于淺層地下水的影響上。圍繞油基鉆屑污染場地開展了健康與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,而針對淺層地下水則主要以評(píng)價(jià)地下水水質(zhì)現(xiàn)狀[26],或者開展脆弱性評(píng)價(jià)為主,大多采用半定量法(AHP)確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重,并結(jié)合區(qū)域開采污染負(fù)荷進(jìn)行地下水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[27]。

評(píng)價(jià)對地下水環(huán)境影響時(shí)一般以返排液作為風(fēng)險(xiǎn)源,并在評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選方法上取得了一定的認(rèn)識(shí)[10]。在研究水力壓裂過程對于淺層地下水影響時(shí),主要以過程模擬法為主,借助FEFLOW、MODFLOW等軟件,構(gòu)建二維非均質(zhì)、多組分溶質(zhì)運(yùn)移模型,模擬不同情境下污染物的遷移行為,評(píng)估對地下水影響的可能性。但是,對于裂隙空隙,仍利用等效多孔介質(zhì)方法進(jìn)行概化,以多孔介質(zhì)滲透系數(shù)代替裂隙滲透系數(shù)[28-30]。2021年,侯杰等將地下暗河運(yùn)用管道流方程模擬,仍然將管道流、非暗河含水層概化為等效多孔介質(zhì)中的達(dá)西流[31],研究結(jié)果顯示,模擬精度較好,但較難獲取管道參數(shù),巖溶管道形態(tài)變化也無法精準(zhǔn)刻畫。目前,更多研究聚焦在水力壓裂過程,圍繞頁巖氣開發(fā)全過程的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究略為薄弱。環(huán)境要素大多僅涉及地下水,單獨(dú)針對土壤或者將土壤-地下水耦合來研究污染風(fēng)險(xiǎn)的文獻(xiàn)鮮有報(bào)道。

3 結(jié)論與展望

巖溶發(fā)育較好的頁巖氣開發(fā)區(qū),污染物在土壤、地下水中的遷移轉(zhuǎn)化較為復(fù)雜。目前,圍繞頁巖氣開發(fā)場地土壤地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),應(yīng)該從如下方面展開。

1)應(yīng)加強(qiáng)頁巖氣開發(fā)不同生產(chǎn)階段土壤、地下水污染監(jiān)測,同時(shí)拓展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選的理論與方法,篩選識(shí)別出特征評(píng)價(jià)指標(biāo),進(jìn)而建立科學(xué)的污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,是形成頁巖氣開發(fā)全過程環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)的前提與關(guān)鍵。

2)過程模擬法適合于巖溶介質(zhì)高度發(fā)育的頁巖氣開發(fā)過程環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),但應(yīng)加強(qiáng)地質(zhì)、水文地質(zhì)資料收集,獲取巖溶通道、裂隙幾何特征以及相關(guān)的參數(shù),突破等效多孔介質(zhì)進(jìn)行模型概化的不足,為構(gòu)建三重介質(zhì)模型、提高模擬結(jié)果的科學(xué)性奠定基礎(chǔ)。

3)應(yīng)加強(qiáng)頁巖氣開發(fā)過程對于土壤污染風(fēng)險(xiǎn)的研究,并將土壤-地下水耦合開展污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),同時(shí)開展頁巖氣開發(fā)全過程(勘探—鉆井—壓裂返排—生產(chǎn))的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),為頁巖氣綠色開發(fā)提供理論指導(dǎo)。