李 康，趙學(xué)亮，袁愛軍，李旭峰

(中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北保定071051)

近幾年來，空氣中二氧化碳的大量排放所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)越來越明顯，成為世界氣象問題的一個難題，將二氧化碳儲存到地下被認(rèn)為是最為有效的解決溫室氣體排放的方法。美國、英國、日本、挪威、加拿大等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開展此類工程項(xiàng)目，并且相關(guān)技術(shù)也比較成熟［1］，我國于2010年開始在內(nèi)蒙古鄂爾多斯盆地地區(qū)實(shí)施和建設(shè)了全國第一個二氧化碳地質(zhì)儲存示范工程項(xiàng)目，該項(xiàng)目是通過一口灌注井將臨界狀態(tài)下的二氧化碳打入地下2000多m具有儲存二氧化碳能力的地層。但是在長期的地下儲存中，二氧化碳會從裂縫、井筒、斷層等泄露，或者以其他方式擴(kuò)散到儲層之外，對環(huán)境造成不利的影響［2］。為了減少或者避免這些潛在的危險(xiǎn)，項(xiàng)目組通過遙感監(jiān)測、非人工源地震監(jiān)測、水準(zhǔn)測量、時移VSP監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測等技術(shù)手段來對二氧化碳儲蓋層的完整性、二氧化碳運(yùn)移及分布情況及可能對環(huán)境造成的影響進(jìn)行監(jiān)控。作者將對二氧化碳地質(zhì)儲存的環(huán)境監(jiān)測的監(jiān)測方案進(jìn)行重點(diǎn)闡述。

1 環(huán)境監(jiān)測工作的開展

隨著二氧化碳地質(zhì)儲存的進(jìn)行，不能排除二氧化碳的潛在的逃逸危險(xiǎn)，環(huán)境監(jiān)測是最直接，也是最有效的方法之一。因此，需要對封存區(qū)二氧化碳濃度的變化及相關(guān)環(huán)境因素進(jìn)行定期監(jiān)測，以便對二氧化碳發(fā)生泄漏的風(fēng)險(xiǎn)性進(jìn)行評估，使其泄漏的風(fēng)險(xiǎn)降低到最低。根據(jù)項(xiàng)目的需要，結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境、地質(zhì)條件等實(shí)際情況，開展了大氣環(huán)境、土壤表層環(huán)境、地下水和地表水環(huán)境的監(jiān)測。

2 大氣環(huán)境監(jiān)測

2.1 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)的原則

(1)應(yīng)相對均勻分布，覆蓋整個受到影響的區(qū)域，但是在下風(fēng)向多設(shè)置，上風(fēng)向少設(shè)置監(jiān)測點(diǎn);

(2)點(diǎn)位要有代表性，即全部點(diǎn)位測得濃度的平均值要能代表覆蓋區(qū)域的總體濃度平均值;

(3)根據(jù)區(qū)域內(nèi)環(huán)境的不同劃分幾個功能區(qū)，如地裂縫、廢氣井等，要重點(diǎn)監(jiān)測;

(4)特殊區(qū)域要加密布點(diǎn);

(5)各監(jiān)測點(diǎn)之間設(shè)置條件盡可能一致，如監(jiān)測點(diǎn)的海拔、植被情況等，使各監(jiān)測點(diǎn)獲得的數(shù)據(jù)具有可比性;

(6)設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)盡量遠(yuǎn)離煙囪、建筑、道路等影響因素;

(7)隨著監(jiān)測工作的進(jìn)行，監(jiān)測點(diǎn)位可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行增減。

2.2 監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)

依據(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測規(guī)范［3］，大氣二氧化碳濃度監(jiān)測布點(diǎn)應(yīng)用同心圓多方位布點(diǎn)法。同心圓多方位布點(diǎn)法適用于孤立源所在地風(fēng)向多變的情況。

具體布點(diǎn)方法是:以灌注井為圓心，劃出16或8個方位的射線和若干不同半徑的同心圓，同心圓圓周與射線的交點(diǎn)即為監(jiān)測點(diǎn)。根據(jù)客觀條件和需要，往往是在主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向方位布點(diǎn)密些，而其他方位疏些，根據(jù)風(fēng)向，東南方向進(jìn)行加密。確定同心圓半徑的原則是在預(yù)計(jì)的高濃度區(qū)及高濃度與低濃度交接區(qū)應(yīng)密些，其他則疏些。畫圈的距離是250m、500m、1000m、2000m。由上面原則，每圈設(shè)定12個點(diǎn)位，共48個點(diǎn)位。

結(jié)合實(shí)際情況，在灌注井示范區(qū)的東側(cè)，距離近4km的采煤塌陷區(qū)加設(shè)5個監(jiān)測點(diǎn);在示范區(qū)內(nèi)部灌注井、兩口監(jiān)測井和二氧化碳緩沖罐處加設(shè)4個監(jiān)測點(diǎn)。大氣監(jiān)測點(diǎn)布局如圖1所示。

2.3 監(jiān)測方案的設(shè)計(jì)

大氣環(huán)境監(jiān)測主要在查明當(dāng)時氣象條件的情況下對空氣中CO2濃度進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測的項(xiàng)目包括:時間、溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、大氣壓、云量、大氣穩(wěn)定度和CO2濃度。

由于泄露首先是對地表的生物產(chǎn)生影響，故大氣CO2濃度監(jiān)測主要監(jiān)測近地表1.5m內(nèi)的大氣CO2濃度［4］。分別對距地面高度 20cm、50cm、80cm、110cm、140cm的大氣CO2濃度進(jìn)行監(jiān)測，由于大氣溫度對CO2濃度的影響比較大，故也對大氣溫度進(jìn)行相應(yīng)高度的監(jiān)測。

監(jiān)測頻率設(shè)定為每個月1次，確保在每個月的月末監(jiān)測，且監(jiān)測的時間要保持固定，這樣采集的數(shù)據(jù)才更具有可比性。

監(jiān)測儀器選用便攜式手持紅外氣體分析儀EGM－4和便攜式小型氣象站Kestrel 4000。

EGM－4是依據(jù)紅外監(jiān)測的手段［5］，利用CO2吸收激光電波束的紅外光譜特性，可以測量接近地面空氣中1.5m以下的CO2濃度，其檢測范圍是10萬ppm，精度為1ppm。

便攜式小型氣象站Kestrel 4000用來監(jiān)測大氣環(huán)境，包括溫度、濕度、風(fēng)速、大氣壓等因子。

3 土壤表層CO2通量監(jiān)測

土壤中的植物生長所需CO2在土壤氣體中的比例一般為0.2% ～4%，如果泄露的CO2導(dǎo)致比例超過5%就會對動植物生長產(chǎn)生危害，超過20%會導(dǎo)致植物死亡。

為了及時發(fā)現(xiàn)CO2逃逸的可能性，確定CO2的逃逸量，判斷CO2的來源，將損失降低到最小，進(jìn)行土壤二氧化碳通量的監(jiān)測是很必要的。

3.1 土壤監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)

碳源對土壤氣體的影響范圍沒有空氣的大，故監(jiān)測布點(diǎn)采用網(wǎng)格布點(diǎn)法，以示范工程場區(qū)為中心，監(jiān)測1km2的范圍，根據(jù)實(shí)際監(jiān)測情況，如有需要可以擴(kuò)大監(jiān)測范圍。

網(wǎng)格布點(diǎn)法是測量土壤環(huán)境常用的布點(diǎn)方法，這種布點(diǎn)法是將點(diǎn)位設(shè)在兩條直線的交點(diǎn)處或者方格中心，監(jiān)測區(qū)域地面劃分為若干均勻網(wǎng)狀方格。網(wǎng)格大小按照示范工程場地周圍的地理環(huán)境設(shè)置，以200m的間距設(shè)置網(wǎng)格，每條線6個點(diǎn)，共36個點(diǎn)，監(jiān)測1km2的范圍。考慮到可能對示范區(qū)內(nèi)的影響較大，故在示范區(qū)內(nèi)中心位置加密4個點(diǎn)。

3.2 土壤CO2通量監(jiān)測方案

應(yīng)用漢莎科學(xué)EGS－4 CO2氣體分析儀進(jìn)行監(jiān)測，在開機(jī)之前，將SRC－1土壤呼吸室連接在EGM－4儀器上，并且接好進(jìn)氣管和出氣管。SRC－1呼吸室上的電信號插頭，連接到EGM－4分析儀的I/O端口上，管子上標(biāo)有“R”的氣路管與ESM－4分析儀上的進(jìn)氣口“GAS IN”相連接，另一根管子接到出氣口“GAS OUT”上。

連接好土壤呼吸室后開機(jī)，預(yù)熱到55℃之后開始測量土壤二氧化碳通量。

土壤氣體CO2通量監(jiān)測方法:打開電源開關(guān)，屏幕上顯示1REC，按1鍵，儀器進(jìn)入預(yù)熱狀態(tài)，預(yù)熱完畢后，屏幕上顯示“SOIL RESP.DATA RECORD 1ALL 2END”，其中，1ALL是全數(shù)據(jù)存儲，2END是存儲最終結(jié)果。通常選擇存儲最終結(jié)果，按2鍵后顯示 “DATA FITTING1LINEAR2QUAD”，其 中1LINEAR是線性處理，2QUAD是二次方程處理，在呼吸速率不是非常高時采用線性處理方式。按1鍵，之后按“Y”鍵，將土壤呼吸室置于土壤表面，這時呼吸室的風(fēng)扇高速運(yùn)轉(zhuǎn)，向外吹風(fēng)，將室內(nèi)的高濃度的CO2氣體交換出來，等待15m的時間后按“Y”鍵開始測量，得到土壤氣體CO2通量。每個點(diǎn)位重復(fù)三次以上操作，取平均值。

監(jiān)測頻率為每個月監(jiān)測1次，全年共計(jì)12次。

4 地下水及地表水檢測

CO2泄露對淺層地下水及地表水的影響主要有:導(dǎo)致pH值降低，酸性增強(qiáng);增加水中微量元素的富集程度;礦體重金屬進(jìn)入飲用地下水引起重金屬污染;高含鹽量的鹵水進(jìn)入蓄水層，破壞水質(zhì)。所以對地下水及地表水的監(jiān)測目的是判斷是否發(fā)生CO2逃逸;判斷CO2的來源;判斷CO2逃逸對淺層水水質(zhì)的影響。

4.1 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

在示范工程場區(qū)周圍5km范圍內(nèi)，依據(jù)《地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)》(HJ/T64－2004)的有關(guān)要求，和當(dāng)?shù)氐叵滤飨蚣暗貏莸母叩颓闆r，確定監(jiān)測點(diǎn)的位置。

4.2 監(jiān)測方法

地下水及地表水的檢測分為兩部分，包括現(xiàn)場檢測和實(shí)驗(yàn)室檢測。

(1)現(xiàn)場監(jiān)測應(yīng)用美國哈希便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀?，F(xiàn)場監(jiān)測的參數(shù)有水位、水溫、氣溫、pH值、電導(dǎo)率、TDS(礦化度)等。

水位檢測:通過帶刻度的浮子式水位儀測量。

pH值測量:連接pH探頭到便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀，將探頭插入被測液體內(nèi)，開機(jī)，穩(wěn)定后按6鍵，就開始測量pH值，等待幾分鐘，聽到儀器滴滴作響，就可以讀取數(shù)據(jù)了，按“READ”鍵讀取數(shù)據(jù)。

電導(dǎo)率、TDS、水溫的測量:取下 pH探頭，插上檢測電導(dǎo)率、TDS等的探頭，按4鍵，開始測量，等待1min，聽到儀器滴滴作響，就可以讀取數(shù)據(jù)，按“READ”鍵讀取數(shù)據(jù)。

(2)實(shí)驗(yàn)室通過大型水質(zhì)儀器進(jìn)行水樣的全分析檢測。測試指標(biāo)包括 pH值、K+、Na+、Ca2+、 Mg2+、 總 Fe、 Mn、 F－、 Cl－、 NO2－、NO3－、S、HC、C、OH－、礦化度等。水樣送測試單位后，由測試單位按照國家、部門、行業(yè)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格執(zhí)行。

5 小結(jié)

以上二氧化碳地質(zhì)儲存的環(huán)境監(jiān)測方法經(jīng)過2a的實(shí)施，取得了一定的成果，能夠初步了解二氧化碳地質(zhì)儲存對當(dāng)?shù)卮髿?、土壤、地下水及地表水的一定程度影響，對二氧化碳的逃逸具有監(jiān)視作用，如果逃逸發(fā)生了，可以達(dá)到預(yù)警的功能，將逃逸造成的損失降低到最小。

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