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(gè)難題，將二氧化碳儲(chǔ)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(gè)二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)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(chǔ)存二氧化碳能力的地層。但是在長期的地下儲(chǔ)存中，二氧化碳會(huì)從裂縫、井筒、斷層等泄露，或者以其他方式擴(kuò)散到儲(chǔ)層之外，對(duì)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(cè)、非人工源地震監(jiān)測(cè)、水準(zhǔn)測(cè)量、時(shí)移VSP監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等技術(shù)手段來對(duì)二氧化碳儲(chǔ)蓋層的完整性、二氧化碳運(yùn)移及分布情況及可能對(duì)環(huán)境造成的影響進(jìn)行監(jiān)控。作者將對(duì)二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存的環(huán)境監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行重點(diǎn)闡述。

1 環(huán)境監(jiān)測(cè)工作的開展

隨著二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)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(cè)是最直接，也是最有效的方法之一。因此，需要對(duì)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(cè)，以便對(duì)二氧化碳發(fā)生泄漏的風(fēng)險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)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(cè)。

2 大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)

2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)的原則

(1)應(yīng)相對(duì)均勻分布，覆蓋整個(gè)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(cè)點(diǎn);

(2)點(diǎn)位要有代表性，即全部點(diǎn)位測(cè)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(gè)功能區(qū)，如地裂縫、廢氣井等，要重點(diǎn)監(jiān)測(cè);

(4)特殊區(qū)域要加密布點(diǎn);

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

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

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

2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)

依據(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)規(guī)范［3］，大氣二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)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(gè)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(cè)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(gè)點(diǎn)位，共48個(gè)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(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn);在示范區(qū)內(nèi)部灌注井、兩口監(jiān)測(cè)井和二氧化碳緩沖罐處加設(shè)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。大氣監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局如圖1所示。

2.3 監(jiān)測(cè)方案的設(shè)計(jì)

大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)主要在查明當(dāng)時(shí)氣象條件的情況下對(duì)空氣中CO2濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目包括:時(shí)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(duì)地表的生物產(chǎn)生影響，故大氣CO2濃度監(jiān)測(cè)主要監(jiān)測(cè)近地表1.5m內(nèi)的大氣CO2濃度［4］。分別對(duì)距地面高度 20cm、50cm、80cm、110cm、140cm的大氣CO2濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由于大氣溫度對(duì)CO2濃度的影響比較大，故也對(duì)大氣溫度進(jìn)行相應(yīng)高度的監(jiān)測(cè)。

監(jiān)測(cè)頻率設(shè)定為每個(gè)月1次，確保在每個(gè)月的月末監(jiān)測(cè)，且監(jiān)測(cè)的時(shí)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(cè)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(cè)的手段［5］，利用CO2吸收激光電波束的紅外光譜特性，可以測(cè)量接近地面空氣中1.5m以下的CO2濃度，其檢測(cè)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(cè)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(cè)

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(huì)對(duì)動(dòng)植物生長產(chǎn)生危害，超過20%會(huì)導(dǎo)致植物死亡。

為了及時(shí)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(cè)是很必要的。

3.1 土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)

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

網(wǎng)格布點(diǎn)法是測(cè)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(cè)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(chǎng)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(gè)點(diǎn)，共36個(gè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)1km2的范圍?？紤]到可能對(duì)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(gè)點(diǎn)。

3.2 土壤CO2通量監(jiān)測(cè)方案

應(yīng)用漢莎科學(xué)EGS－4 CO2氣體分析儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(hào)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(cè)量土壤二氧化碳通量。

土壤氣體CO2通量監(jiān)測(cè)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(chǔ)，2END是存儲(chǔ)最終結(jié)果。通常選擇存儲(chǔ)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(shí)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(shí)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(shí)間后按“Y”鍵開始測(cè)量，得到土壤氣體CO2通量。每個(gè)點(diǎn)位重復(fù)三次以上操作，取平均值。

監(jiān)測(cè)頻率為每個(gè)月監(jiān)測(cè)1次，全年共計(jì)12次。

4 地下水及地表水檢測(cè)

CO2泄露對(duì)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(duì)地下水及地表水的監(jiān)測(cè)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(duì)淺層水水質(zhì)的影響。

4.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

在示范工程場(chǎng)區(qū)周圍5km范圍內(nèi)，依據(jù)《地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)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?shì)的高低情況，確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置。

4.2 監(jiān)測(cè)方法

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

(1)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用美國哈希便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)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(cè):通過帶刻度的浮子式水位儀測(cè)量。

pH值測(cè)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(cè)液體內(nèi)，開機(jī)，穩(wěn)定后按6鍵，就開始測(cè)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(cè)量:取下 pH探頭，插上檢測(cè)電導(dǎo)率、TDS等的探頭，按4鍵，開始測(cè)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(cè)。測(cè)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(cè)試單位后，由測(cè)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(chǔ)存的環(huán)境監(jiān)測(cè)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(chǔ)存對(duì)當(dāng)?shù)卮髿狻⑼寥?、地下水及地表水的一定程度影響，?duì)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。

［1］METZ B，DAVIDSON O，CONINCK H，et al.IPCC Special Report on CO2Capture and Storage［M］.Cambridge，UK:Cambridge University Press，2005:195 －276.

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［3］國家環(huán)保總局公告2007年第四號(hào).環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)規(guī)范(試行)［S］.

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