李沿英 康靜文

（太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山西省太原市，030024）

煤層氣開采方式主要包括井下抽采和地面開采兩種方式。地面開采是通過在地面垂直或定向鉆井來開采目標煤層中的煤層氣，抽采率可達78%以上，是我國煤層氣開發(fā)利用的主要開采方式。地面開采煤層氣的過程中會對區(qū)域生態(tài)環(huán)境帶來一些潛在的影響，其影響的顯現(xiàn)具有滯后性，容易被輕視，一旦顯現(xiàn)，其后果不但嚴重而且很難恢復(fù)。因此，對潛在的生態(tài)環(huán)境影響進行預(yù)測研究，提出預(yù)防措施具有重要意義。

1 地面開采的工程組成及影響生態(tài)環(huán)境的環(huán)節(jié)

1.1 地面工程組成及工序

煤層氣地面開采工程主要包括鉆井工程、排采工程和集輸工程 （管網(wǎng)、集氣站及中央處理站等）。

鉆井工程工序為鉆井—固井—完井。目前常用的井型有垂直井、多分支水平井和叢式井等。固井一般利用水泥漿封固氣井，最后采用套管、裸眼完井等技術(shù)使井筒、煤層和煤層裂隙之間建立起有效的溝通方式，使產(chǎn)出的煤層氣順利進入井筒。

排采工程首先大量抽排煤層水降低儲層壓力，使煤層氣從煤基質(zhì)的孔隙壁面上解吸出來成為自由氣并滲流入井筒，然后利用磕頭機從井筒中抽出煤層氣。

集輸工程是將井筒采出的煤層氣經(jīng)采氣管線抽采進入集氣站，經(jīng)凈化、分離、增壓后進入中央處理站進行脫水和加壓處理，最后將處理好的煤層氣外輸使用。煤層氣地面開采的工藝流程如圖1所示。

1.2 生態(tài)環(huán)境影響環(huán)節(jié)

煤層氣單井的產(chǎn)氣量一般較低，為提高采氣量需布置高密度井網(wǎng) （井距為200～300m），相應(yīng)集輸工程的建設(shè)也會比較密集，從而會對地表造成劇烈擾動。其擾動活動包括開鉆、開挖、剝離、運移、堆墊、填方、棄土棄渣和平整等，會潛在影響區(qū)域水土平衡和氣候變化。

圖1 煤層氣地面開采工藝流程圖

在煤層氣排采期，伴隨煤層氣的采出水以Cl-HCO3-Na型、Cl-Na型和HCO3-Ka+Na型等為主，大多具有高礦化度的特征，會對區(qū)域土壤和植物造成潛在影響。由于抽排煤層水是一個長期持續(xù)的過程，會影響區(qū)域地下水和地表環(huán)境，甚至誘發(fā)環(huán)境地質(zhì)問題。

2 煤層氣開采潛在的生態(tài)環(huán)境影響

以山西沁水盆地鄭莊區(qū)塊產(chǎn)能9億m3／a煤層氣開采區(qū)為例進行研究。鄭莊區(qū)塊位于沁水盆地東南部，開采范圍為427km2，建設(shè)期為3年，鉆井數(shù)為567口，其中直井采用井距為300m 的梅花型井網(wǎng)開發(fā)，集氣站5座，中央處理站1座，集輸管線長度約為270km。

2.1 建設(shè)期潛在的生態(tài)影響

2.1.1 新增水土流失

鄭莊區(qū)塊建設(shè)期對地表的擾動面積約為462.66hm2。擾動將破壞地表土壤和植被、改變區(qū)域地形地貌、破壞巖土層的平衡狀態(tài)并造成局部地質(zhì)構(gòu)造的改變，最終使區(qū)域下墊面條件發(fā)生改變，從而間接破壞區(qū)域原有的水土平衡，再加之受到降雨、大風(fēng)等外營力因素作用，將潛在引起新增水土流失。侵蝕方式主要有水力侵蝕、風(fēng)蝕和重力侵蝕。新增水土流失計算公式：

式中：ΔW——新增水土流失量，t；

Ws1——擾動后土壤侵蝕量，t；

Ws——原地貌土壤侵蝕量，t；

Si——土壤侵蝕面積，hm2；

Ai——土壤侵蝕模數(shù)，t／hm2·a；

Ti——預(yù)測時段，a；

i——不同的地貌單元。

根據(jù)山西沁水鄭莊區(qū)塊土壤侵蝕現(xiàn)狀和當?shù)貧夂?、土壤等自然條件，鄭莊塊區(qū)北部煤層氣開采建設(shè)期間各單元水土流失量計算結(jié)果見表1。新增土壤侵蝕量約為31648.32t，占擾動區(qū)土壤侵蝕總量的77.09%。水土流失將影響區(qū)域的水資源環(huán)境，使土地生產(chǎn)能力和利用價值降低，植被覆蓋率與生物量遞減。

2.1.2 區(qū)域氣候干燥

建設(shè)期將破壞地表植被，造成大面積的裸露地表，由于直接受到陽光的輻射，與植被覆蓋度高的地面相比，近地面溫度將增加5.4℃～11.6℃，同時會與周圍的冷空氣產(chǎn)生對流，區(qū)域風(fēng)速將增大，并且將加快地表水分的蒸發(fā)。植被大量破壞，將使空氣中水汽運移的速度增加，相對濕度降低，最終導(dǎo)致區(qū)域氣候變干燥。

表1 各單元水土流失量匯總

2.2 高礦化度煤層采出水潛在的生態(tài)影響

具有高礦化度的煤層水若進入到區(qū)域土壤環(huán)境中將增加其可容性鹽的濃度，潛在引起土壤鹽漬化。按照我國土壤鹽漬化程度劃分指標，當土壤中全鹽量為1～3g／kg和3～6g／kg時分別為輕度和中度鹽化土，全鹽量大于6g／kg時為重度鹽化土，pH 值大于8.5時為堿化土。

2.2.1 土壤鹽漬化

根據(jù)鄭莊區(qū)塊晉試5號～13號井3＃煤層水中鹽離子含量為：K++Na+平均含量為1797.8mg／L，Mg2+平均含量為5.6mg／L，Ca2+平均含量為26.3mg／L，Cl-平均含量為2126.1mg／L，SO42-平均含量為4.4 mg／L，HCO2-平均含量為1200 mg／L，CO32-平均含量為8.6mg／L。其中，陽離子中K++Na+含量最高；陰離子中Cl-含量高，HCO2-次之；平均礦化度為5169.8 mg／L，其中晉試5號井煤層水的礦化度就高達8002.1mg／L。按照地下水礦化度分類標準，礦化度為3～10g／L的地下水為咸水，因此，鄭莊塊區(qū)多數(shù)煤層采出水為咸水。

近年來，中國的現(xiàn)代有軌電車建設(shè)逐漸興起，目前已有約11個城市通車運營，運營里程達 210 km，在建的約有17個城市，建設(shè)里程達 350 km。

沁水鄭莊區(qū)域土壤以褐土性土壤為主，pH 值為7.0 ～8.2，土壤中可溶性鹽含量范圍為1～4g／kg，平均可溶性鹽含量為3.4g／kg。可見，區(qū)域部分土壤已發(fā)生輕度鹽化，若再接受到平均礦化度大于5g／L 的煤層采出水，將導(dǎo)致局部土壤重度鹽漬化。

鹽漬化土壤中高鹽分環(huán)境將使土壤的持水能力發(fā)生變化。另外，鈉鹽含量的增加會使粘粒膨脹和分散性增加，致使土壤表層孔隙的孔徑變小或被堵塞，造成土壤團聚體的崩解而阻礙水氣的運動，降低土壤的水力傳導(dǎo)度。因此，土壤鹽漬化會惡化土壤的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，使土壤發(fā)生漬水和侵蝕，生產(chǎn)能力降低，影響植物的生長發(fā)育等。

2.2.2 植物遭受鹽脅迫

高鹽量的土壤環(huán)境會對植物產(chǎn)生鹽脅迫作用，進而使植物逐漸遭受滲透脅迫、離子毒害和氧脅迫，導(dǎo)致植物水勢降低、植物組織的分化和生長受到抑制、生長速率降低等，影響其生長發(fā)育。

有關(guān)研究數(shù)據(jù)表明，利用礦化度大于5g／L的咸水進行灌溉會抑制多數(shù)植物的生長。因此，鄭莊區(qū)塊煤層采出水澆灌區(qū)域土壤后，原先鹽敏感的甜土植物將會受到鹽脅迫作用而不斷減少，而一些外來物種如耐鹽的鹽生植物則會不斷增加，逐漸成為優(yōu)勢物種，從而潛在的影響區(qū)域物種的多樣性及均勻度。例如美國波德河盆地土壤受煤層采出水灌溉后，土壤發(fā)生了鹽漬化，導(dǎo)致本地植物的生長表現(xiàn)出一定的差異并逐漸減少，而一些外來物種則顯著增加。

2.3 抽排煤層水潛在的生態(tài)影響

2.3.1 地下水位下降

長時間地抽排煤層水將會使區(qū)域地下水的補給、排泄和徑流條件發(fā)生改變，打破原先地下水文系統(tǒng)的平衡，從而可能會引起區(qū)域地下水位下降，并且形成以氣井為中心的降水漏斗區(qū)。地下水位變化幅度計算公式如下：

式中：ΔQ——均衡區(qū)域地下水儲存量的變化量，m3／d；

∑Q補——地下水各種補給量之和，m3／d；

Q開——地下水排采總量，m3／d；

ΔH——均衡區(qū)域地下水位變化幅度，m；

μ＊——承壓含水層釋水系數(shù)；

F——均衡區(qū)域面積，m2。

鄭莊區(qū)塊3＃煤層開采初期排水量較高，單井最大產(chǎn)水量約為40m3／d，平均產(chǎn)水量約為6m3／d，產(chǎn)氣穩(wěn)定時期產(chǎn)水量為1～4 m3／d，按單井產(chǎn)氣量2.5m3／d計算，運行天數(shù)為330 天，450 口直井和117口水平井的平均服務(wù)年限分別為15年和8年，則Q開為634.1萬m3。由于區(qū)域3＃煤系含水層與周圍各含水層間基本沒有水力聯(lián)系，為獨立的水動力承壓系統(tǒng)，通常可近似認為ΔQ=-Q開=-634.1萬m3。3＃煤層充水含水層釋水系數(shù)μ＊=0.0048，均衡區(qū)面積為427km2。根據(jù)公式 （3）、（4）計算，ΔH 為-3.09m。

2.3.2 土地沙化

區(qū)域地下水位下降后會降低土壤水分含量，并且會縮短土壤保持較高水分的時間，影響植物的生存環(huán)境條件，植物缺水干枯致死，導(dǎo)致地表植被大量退化，從而又影響到大氣與地表界面的水、熱循環(huán)系統(tǒng)，引起地表溫差變大，進一步減少土壤含水量，加重土地沙化。

2.3.3 環(huán)境地質(zhì)問題

區(qū)域地下水水位下降后會破壞上覆沉積物與地下水的壓力平衡，孔隙水壓力減小，松散沉積物被壓縮從而引發(fā)地面沉降。地面沉降或塌陷等地質(zhì)問題累積到一定程度時其危害才能顯現(xiàn)出來，將會破壞地表形態(tài)，影響動植物的棲息環(huán)境。

2.4 其他潛在的生態(tài)影響

煤層采出水中還可能含有少量的重金屬元素，若直接排入到自然環(huán)境中，所含重金屬很難被降解，其生物有效性、存在形態(tài)和毒性等也會不斷的發(fā)生變化，如金屬鎘轉(zhuǎn)變?yōu)榛衔飼r的毒性將變強，無機汞在微生物作用下可轉(zhuǎn)變?yōu)槎拘暂^強的甲基汞，重金屬還會通過食物鏈進行生物富集，最終危害到動植物的生長和人類的健康。

煤層水的抽排會引起地下含水層水頭下降，若煤層氣開采區(qū)承壓含水層與上覆潛水層或地表水系存在水力聯(lián)系，則劣質(zhì)潛水或地表污水會沿水頭勢差向降水漏斗區(qū)進行補給，導(dǎo)致地下水污染，潛在影響區(qū)域土壤和動植物生長。

3 防治措施

（1）煤層氣的開采工藝要優(yōu)化選擇，如鉆井方法可選用單井產(chǎn)氣量相對較高的水平分支井，從而減少鉆井數(shù)量，減輕對地殼的擾動。

（2）要合理施工并嚴格控制作業(yè)帶面積，減少對地表土壤和植被的破壞。施工結(jié)束后，應(yīng)恢復(fù)地貌原狀，并充分利用空地進行綠化。

（3）具有高礦化度或含有重金屬的煤層采出水必須經(jīng)過處理，達標后再依據(jù)各地區(qū)情況進行綜合利用。

（4）政府部門要完善與煤層氣開發(fā)相關(guān)的監(jiān)督管理制度，建設(shè)單位要強化監(jiān)管監(jiān)察，并定期對地下水水位、采出水水質(zhì)等環(huán)境敏感要素進行監(jiān)測。

4 結(jié)論

（1）煤層氣開采工程建設(shè)期將會對區(qū)域地表及地下造成劇烈的擾動，使區(qū)域下墊面條件發(fā)生改變，潛在引起新增水土流失，并影響區(qū)域環(huán)境和氣候。

（2）具有高礦化度的煤層采出水進入到土壤中將潛在影響區(qū)域土壤和植被。使土壤發(fā)生鹽漬化，使植物遭受鹽脅迫，導(dǎo)致鹽敏感植物減少而耐鹽植物增加，影響區(qū)域物種的多樣性及均勻度。含重金屬的煤層采出水也會危害到動植物的生長和人類的健康。

（3）大量的抽排煤層水會改變區(qū)域地下水的補給、排泄和徑流平衡，逐漸降低區(qū)域地下水水位，影響地下水水質(zhì)，使土地沙化，并誘發(fā)地面沉降或塌陷。

（4）煤層氣開采造成的潛在生態(tài)影響，其潛伏期很難預(yù)測，必須采取有效的防治措施以減輕對生態(tài)環(huán)境造成的危害。

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