呼佳寧　李向東　馮啟言

摘要：煤層氣開采與利用過程中排放出大量的煤層氣產(chǎn)出水，對(duì)周圍土壤、水環(huán)境造成威脅，因此，煤層氣田產(chǎn)出水的資源化利用值得關(guān)注和研究。通過檢測(cè)和分析山西沁水盆地柿莊南煤層氣產(chǎn)區(qū)的煤層氣產(chǎn)出水水質(zhì)特征以及周圍農(nóng)田土壤的基本理化指標(biāo)，結(jié)合室內(nèi)土柱模擬灌溉試驗(yàn)，分析煤層氣田產(chǎn)出水灌溉對(duì)土壤環(huán)境的影響。結(jié)果表明：煤層氣田產(chǎn)出水呈現(xiàn)高鹽、高礦化度、高氟的水質(zhì)特征，灌溉土壤270 d后，土壤含水率隨深度出現(xiàn)先增高后降低的規(guī)律，最大值出現(xiàn)在60～80 cm土層；土壤pH值根據(jù)灌溉水水質(zhì)的不同呈現(xiàn)出與含水率變化相反的規(guī)律；土壤鈉吸附率（SAR值）、電導(dǎo)率（EC值）高于土壤初始值，最大值出現(xiàn)在0～40 cm土層，土壤保水能力下降，土壤表層出現(xiàn)鈉質(zhì)化、鹽漬化現(xiàn)象；F離子在土壤表層0～40 cm出現(xiàn)累積的現(xiàn)象，部分高于土壤初始值，但未超出山西省土壤背景值。

關(guān)鍵詞：煤層氣田產(chǎn)出水；農(nóng)田土壤；農(nóng)業(yè)灌溉；土壤柱；土壤理化性質(zhì)

中圖分類號(hào)：S274；X53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2016）07-0459-04

煤層氣是指與煤炭伴生、以吸附方式賦存于煤層中的天然氣，亦稱為煤層天然氣，其主要成分是甲烷氣體。隨著社會(huì)對(duì)能源要求的不斷提高，燃?xì)庠谀茉唇Y(jié)構(gòu)中的比重不斷增大，煤層氣的開采利用極大地彌補(bǔ)了煤炭利用的缺陷。煤層氣的開采既有效減少了甲烷氣體的排空現(xiàn)象，同時(shí)在燃燒利用階段污染物的排放量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于燃煤的排放量，這對(duì)降低全球溫室效應(yīng)有著重要的意義，因此，煤層氣作為一種清潔高效的新型能源正受到越來越多的重視[1-2]。

煤層氣在產(chǎn)生、儲(chǔ)存、開采的過程中均會(huì)與煤層中的水分混合共生，開采過程中往往需要通過排出大量的煤層水來釋放壓力，這些水被稱為煤層田產(chǎn)出水[3]。煤層田產(chǎn)出水在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)期與周圍環(huán)境進(jìn)行各種物理化學(xué)反應(yīng)，其水質(zhì)因煤層氣開采區(qū)、煤層地質(zhì)演變程度的不同而存在一定的差異，其中生產(chǎn)階段產(chǎn)出水主要以高礦化度、高鹽度為特征，并含有少量重金屬[4-5]，例如沁水盆地南部棗莊區(qū)塊的某煤層氣田產(chǎn)出水中Na+濃度高達(dá)3 700 mg/L，礦化度高達(dá) 58 000 mg/L，并且檢測(cè)出少量鍶、鋰、硼、鋇、鐵等元素[6]。

隨著煤層氣的不斷開采和利用，產(chǎn)生的大量煤層氣田產(chǎn)出水成為學(xué)者們關(guān)注的熱點(diǎn)。例如美國(guó)亞拉巴馬州曾將礦化度低于2 000 mg/L的產(chǎn)出水直接排放，美國(guó)還有地區(qū)將礦化度大于2 000 mg/L的產(chǎn)出水經(jīng)過沉淀后用于灌溉和畜牧[7]，水質(zhì)較差的產(chǎn)出水經(jīng)過處理后可以回注含水層，還有一部分產(chǎn)出水需要進(jìn)行進(jìn)一步的處理后排放[8-13]。許多科學(xué)家曾開展微咸水灌溉、海水灌溉以及污水灌溉研究，如楊樹青利用微咸地下水灌溉土壤后，土壤鹽度有一定的增加，但是當(dāng)土壤鹽分基本維持平衡時(shí)，土壤鹽分雖然略有增加，但是不會(huì)對(duì)土壤環(huán)境造成較大的影響[14]。唐奇志利用海水灌溉土壤后發(fā)現(xiàn)，0～5 cm土層土壤鹽分變化劇烈，較高濃度海水灌溉后土壤出現(xiàn)鹽漬化，通過海水、淡水交替灌溉后鹽漬化不明顯[15]。Ganjegunte等利用煤層氣田產(chǎn)出水長(zhǎng)時(shí)間灌溉土壤發(fā)現(xiàn)，土壤電導(dǎo)率（EC）、鈉吸附率（SAR）有顯著的提高，土壤存在鹽漬化的風(fēng)險(xiǎn)，并且表層土壤鹽度累積明顯[16]。由于很多農(nóng)村地區(qū)直接將煤層氣田產(chǎn)出水用于農(nóng)田灌溉，但是我國(guó)目前缺乏煤層氣產(chǎn)出水灌溉土壤的研究，土壤環(huán)境存在隱患。本研究結(jié)合煤層氣田產(chǎn)出水高鹽、高礦化度的特征，參照其他研究者的研究模式，設(shè)計(jì)土壤柱淋溶試驗(yàn)，旨在探討煤層氣田產(chǎn)出水灌溉后土壤理化性質(zhì)的變化及其用于農(nóng)業(yè)灌溉的可行性。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

水樣、土樣采自山西沁水盆地的柿莊南部，該地區(qū)煤層氣產(chǎn)量豐富，是我國(guó)煤層氣開發(fā)投入規(guī)模最大、研究程度最高的煤層氣生產(chǎn)區(qū)之一[17]。區(qū)內(nèi)煤層氣勘探開采的主要煤層是二疊系山西組3#煤層、石炭系太原組15#煤層。煤層氣田水樣Ⅰ直接采自煤層氣產(chǎn)出水排水口，水樣Ⅱ采自煤層氣產(chǎn)出水的蓄水池，地表水采自采樣區(qū)域內(nèi)自然水體，水樣采集后用 2.5 L 聚乙烯桶密封保存，1周內(nèi)送檢。土壤采自采樣區(qū)域內(nèi)遠(yuǎn)離煤層氣產(chǎn)區(qū)的農(nóng)田土壤，采樣點(diǎn)見圖1，分別在0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 5個(gè)深度依次采集土壤，并密封保存。

1.2 分析方法

水樣離子含量應(yīng)用IC離子色譜儀檢測(cè)，元素含量采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀檢測(cè)，由中國(guó)礦業(yè)大學(xué)現(xiàn)代分析與計(jì)算中心的專業(yè)人員負(fù)責(zé)檢測(cè)。土壤含水率采用烘干法進(jìn)行測(cè)定；土壤pH值采用電位法測(cè)定；土壤電導(dǎo)率（EC）采用DS-11A型電導(dǎo)率儀測(cè)定；土壤元素含量采用原子熒光分光光度計(jì)檢測(cè)。

土壤SAR值通過式（1）計(jì)算：

1.3 土壤柱淋溶試驗(yàn)

研究采用室內(nèi)土壤柱模擬灌溉試驗(yàn)，土壤柱采用內(nèi)徑150 cm、厚0.5 cm的PVC管，頂端密封，密封蓋中部設(shè)計(jì)直徑5 mm的圓孔，外插PVC管用于進(jìn)水。土壤柱高度為 100 cm，分別在距離頂端20、40、60、80、100 cm處設(shè)置采樣口，土壤柱底部設(shè)有排水口，灌溉飽和后水分可經(jīng)排水口排出，試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)見圖2。

土壤裝填時(shí)，各層土壤與土壤采集深度對(duì)應(yīng)，土壤裝填質(zhì)量M計(jì)算公式：

M=ρV/（1-W）。

式中：V為體積，cm3；M為土壤裝填質(zhì)量，g；ρ為密度，g/cm3；W為土壤含水率，%。

經(jīng)計(jì)算，每層土柱體積為3 532.5 cm3，土壤容重為 1.35 g/cm3，根據(jù)土樣每層的含水率計(jì)算得到土壤柱0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土壤層填裝的土壤質(zhì)量分別為5.75、5.96、6.19、6.44、6.36 kg。設(shè)置4組土壤淋溶柱模擬試驗(yàn)，4組土壤柱編號(hào)分別為A、B、C、D，土壤柱試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。灌溉周期為270 d，所有土壤柱采用蠕動(dòng)泵進(jìn)行慢速淋濾灌溉，進(jìn)水速率為20.8 mL/h，每個(gè)土壤柱的灌溉水總量為13.5 L。灌溉試驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)定每個(gè)土壤柱各層土壤pH值、含水率、鈉吸附比（SAR）、電導(dǎo)率（EC）、氟（F）離子含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 煤層氣田產(chǎn)出水水質(zhì)評(píng)價(jià)

對(duì)水樣和土樣進(jìn)行分析，得到基本理化性質(zhì)。由表2可見，煤層氣田產(chǎn)出水樣品中的電導(dǎo)率（EC）、含鹽量（TDS）、pH值均高于地表水，基于HJ 332—2006《食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，水樣大部分指標(biāo)在標(biāo)準(zhǔn)限值之內(nèi)，例如毒性金屬砷（As）、鎘（Cd）、汞（Hg）、鉻（Cr）、銅（Cu）等含量均低于檢測(cè)限，鋅（Zn）、鉛（Pb）雖有檢出但均低于標(biāo)準(zhǔn)限值，達(dá)到了農(nóng)田灌溉水的標(biāo)準(zhǔn)，但是水樣中F離子的含量明顯超標(biāo)，這很有可能與在地下煤層的構(gòu)成和抽取過程中混入的雜質(zhì)有關(guān)。同時(shí)還可以看出，煤層氣田產(chǎn)出水Ⅰ中Na+含量、Ca2+含量、HCO-3含量、EC值、土壤全鹽含量（TDS）、pH值均高于煤層氣田產(chǎn)出水Ⅱ，說明排水口的產(chǎn)出水經(jīng)過蓄水池沉淀后，由于土壤對(duì)產(chǎn)出水有一定凈化作用，部分離子遷移到土壤環(huán)境中去，水體堿度也有所下降，水質(zhì)更加接近于天然水體。

由表3可以看出，各層試驗(yàn)土壤基本指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差較小，各層土壤性質(zhì)基本穩(wěn)定，隨著土層深度的增加，SAR值、EC值、F離子含量呈現(xiàn)出升高后降低的趨勢(shì)，在20～60 cm土層出現(xiàn)最大值。F離子含量低于山西省土壤背景值，說明試驗(yàn)所用土壤未受到污染。

2.2 煤層氣田產(chǎn)出水灌溉對(duì)土壤含水率的影響

土壤含水率是農(nóng)耕土壤的重要指標(biāo)，由圖3可以看出，利用不同水源長(zhǎng)期灌溉后，各個(gè)土壤柱中平均含水率范圍在27%～31%之間，灌溉后土壤含水率明顯增加，增加幅度呈現(xiàn)出C>D>B>A的規(guī)律。 其中淡水灌溉后土壤含水率最高，土柱D采取煤層氣田產(chǎn)出水和淡水交替灌溉，淡水對(duì)產(chǎn)出水的鹽含量有一定的稀釋作用，同時(shí)對(duì)土壤中鹽分有淋洗作用。從圖3可整體看出，4種水灌溉的土壤柱在縱向上含水率變化規(guī)律一致，均呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，最大值均出現(xiàn)在60～80 cm土壤層，這是因?yàn)樵诠喔冗^程中由于重力作用，水分下移，但是隨著深度的增加，下層土壤容重增大，孔隙率減小，水分下移量減小，因此含水率最大值出現(xiàn)在中下層。

2.3 煤層氣田產(chǎn)出水灌溉對(duì)土壤pH值的影響

由圖4可以看出，pH值變化趨勢(shì)與含水率變化相反，煤層氣田產(chǎn)出水灌溉土壤后土壤pH值高于土壤初始值，地表水灌溉后土壤pH值低于土壤初始值，并且呈現(xiàn)出A>B>D>C的規(guī)律。由于土壤中pH值的變化與土壤中Na+、HCO-3含量有正相關(guān)性，說明煤層氣田產(chǎn)出水灌溉土壤后，大量強(qiáng)堿、弱酸鹽進(jìn)入土壤，導(dǎo)致土壤pH值上升，地表水灌溉土壤后，對(duì)土壤中Na+、HCO-3起到一定的沖刷作用，導(dǎo)致土壤pH值下降。

土柱A土壤pH值自上而下依次減小，表層土壤pH值明顯高于初始值，說明土柱A中土壤鹽分主要積累在上層土壤中，產(chǎn)出水對(duì)上層土壤鹽堿度影響較大。同時(shí)，土柱A灌溉的煤層氣田產(chǎn)出水有較高的HCO-3濃度，大量的HCO-3易與土壤中Ca2+、Mg2+等離子發(fā)生沉淀反應(yīng)，進(jìn)一步影響了鹽分向下層土壤的遷移，造成上層土壤pH值高于下層土壤的現(xiàn)象。土柱B土壤pH值自上而下呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在40～60 cm土層，這可能是因?yàn)樵诠喔冗^程中土壤鹽分隨著水流向下移動(dòng)，導(dǎo)致土壤柱中下層pH值大幅度增加；隨著水流下移，中下層土壤孔隙率減小，遷移到底層土壤中的鹽分減少，下層土壤pH值出現(xiàn)下降趨勢(shì)。土柱A、B土壤pH值分布差異可能與煤層氣田產(chǎn)出水中含鹽量差異有關(guān)。土柱D土壤pH值變化規(guī)律基本與土柱B保持一致，在0～60 cm土層，土柱D的土壤pH值低于土柱A、B，說明煤層氣田產(chǎn)出水和地表水交替灌溉有效降低了產(chǎn)出水對(duì)表層土壤鹽堿度影響。土柱C中土壤pH值與初始值相比有所降低，說明灌溉淡水對(duì)土壤起到了排水洗鹽的作用，降低了土壤鹽堿度。

2.4 煤層氣田產(chǎn)出水灌溉對(duì)土壤鈉吸附率、電導(dǎo)率的影響

土壤鈉吸附率常用來表征土壤鈉質(zhì)化的情況，土壤中SAR值過高，會(huì)出現(xiàn)黏土顆粒散凝、保水能力下降、土壤退化的現(xiàn)象。由圖5可以看出，土柱A、B、D的土壤SAR值均高于地表水灌溉的土柱C，地表水灌溉土壤的SAR值基本沒有變化，說明土柱A、B、D的土壤均受到煤層氣田產(chǎn)出水的影響，3個(gè)土柱均在0～40 cm土壤層SAR值的升高幅度最大。

土壤發(fā)生鈉質(zhì)化的SAR閾值為13 mmol1/2/L1/2，由圖5可以看出，土柱A在0～60 cm土壤層已經(jīng)出現(xiàn)土壤鈉質(zhì)化的現(xiàn)象，60～80 cm土壤層有發(fā)生鈉質(zhì)化的風(fēng)險(xiǎn)；相似地，土柱B在0～40 cm土層也已經(jīng)發(fā)生鈉質(zhì)化現(xiàn)象。土壤發(fā)生鈉質(zhì)化現(xiàn)象，說明土壤中鹽分增加，土壤膠體中Na+離子濃度增加，導(dǎo)致土壤膠體穩(wěn)定性降低、分散性增加，分散的土壤黏粒進(jìn)入土壤空隙中，導(dǎo)致土壤孔隙度減小、容重增加，使得土壤中水分流動(dòng)性變差，鹽分富集，含鹽量增高，所以出現(xiàn)本試驗(yàn)中A、B土壤柱含水率、SAR值相反的變化趨勢(shì)。土柱D中土壤雖然受到煤層氣田產(chǎn)出水的影響，SAR值與土壤初始值和淡水灌溉的土壤相比有所升高，但是由于土柱D配合淡水灌溉，土壤的SAR值在6.5～8.3 mmol1/2/L-1/2范圍波動(dòng)，土壤未發(fā)生鈉質(zhì)化現(xiàn)象。

由圖6可以看出，土柱A、B的土壤電導(dǎo)率大幅度增加，明顯高于土壤初始值和土柱C，其變化趨勢(shì)與土壤鈉吸附比基本一致。結(jié)果表明：當(dāng)EC值≥4 000 μS/cm的土壤發(fā)生鹽漬化，土柱A在0～60 cm的土壤均已發(fā)生鹽漬化，土柱B在20～40 cm土壤雖然沒有發(fā)生鹽漬化，但是有發(fā)生鹽漬化的潛在風(fēng)險(xiǎn)，說明利用煤層氣田產(chǎn)出水灌溉土壤會(huì)使土壤明顯表現(xiàn)出鹽分累積的現(xiàn)象，導(dǎo)致土壤鹽堿度大幅度增加。土柱D土壤EC值呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)，說明煤層氣田產(chǎn)出水配合地表水灌溉可以把土壤中鹽分沖刷至底層，但是底層EC值與土壤初始值相比相差不大，土柱D沒有出現(xiàn)較多的鹽分積累現(xiàn)象。土柱C利用地表水灌溉，各層土壤EC值與土壤初始值幾乎沒有差異，沒有表現(xiàn)出鹽分累積的現(xiàn)象。

2.5 煤層氣田產(chǎn)出水灌溉對(duì)土壤中F離子含量的影響

由圖7可以看出，利用煤層氣田產(chǎn)出水灌溉后，土柱A、B在0～40 cm土層的F離子含量基本高于土壤初始值，但是增加幅度不明顯；60～100 cm土層F離子含量與土壤初始值相比差異較小，說明煤層氣田產(chǎn)出水灌溉土壤后導(dǎo)致F離子在土壤表層累積。煤層氣田產(chǎn)出水灌溉的A、B土柱，鹽分在表層土壤積累，高濃度HCO-3導(dǎo)致Ca2+、Mg2+等離子沉淀，使F離子積聚在0～40 cm土壤層中，難以在下層土壤中沉積。由于地表水的淋濾作用，C、D土柱0～60 cm土壤層中的F離子含量有所下降，底層土壤中的F離子含量有緩慢上升的趨勢(shì)。土壤對(duì)氟離子有一定的吸附作用，當(dāng)未達(dá)到吸附容量時(shí)用高氟水灌溉使得土壤氟離子含量增加，若用淡水灌溉（氟離子濃度低）使得土壤呈現(xiàn)氟離子解吸的狀態(tài)，從而導(dǎo)致淡水灌溉下土柱表層土壤氟離子含量有所下降，淋濾到底層，土壤又呈現(xiàn)吸附狀態(tài)，導(dǎo)致氟離子濃度上升。由圖7還可以看出，所有土柱的F離子含量均未超過山西省的土壤背景值（476 mg/L），但是由于灌溉水的高氟污染特性，土壤中F離子的后續(xù)累積效應(yīng)有待進(jìn)一步探討。

3 討論與結(jié)論

本研究利用山西沁水盆地柿莊南煤層氣田出水進(jìn)行室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn)，研究煤層氣田產(chǎn)出水對(duì)土壤性質(zhì)的影響，經(jīng)過 270 d 的長(zhǎng)期灌溉，得出如下結(jié)論：（1）沁水盆地柿莊南煤層氣田出水為高鹽、高氟、高礦化度水質(zhì)，沒有明顯的重金屬污染現(xiàn)象，沉淀后水質(zhì)有所改善。煤層氣田產(chǎn)出水灌溉土壤后，土壤理化性質(zhì)受到影響，0～40 cm表層土壤出現(xiàn)鹽堿度變大、保水能力下降、pH值增大、F元素累積的現(xiàn)象，并且土壤出現(xiàn)鈉質(zhì)化和鹽漬化。（2）煤層氣田產(chǎn)出水配合地表水灌溉土壤，可以有效減輕土壤鹽堿化風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)土壤的影響較小，但是由于煤層氣產(chǎn)出水中F離子超標(biāo)，該產(chǎn)出水不可以直接用于農(nóng)業(yè)用水，可以考慮用作綠化或者景觀用水，同時(shí)還需要長(zhǎng)期的灌溉試驗(yàn)以及水質(zhì)處理研究，以期找到安全可行的煤層氣田產(chǎn)出水灌溉模式，解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)缺水難題。

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