李成龍，潘俊鷗，包 凱，高渙杰，謝凱玲，盧培利

（1.中國石化華東油氣分公司重慶頁巖氣有限公司，重慶408400；2.重慶大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院，重慶408400）

頁巖氣藏滲透率低，水平井、叢式井以及水力壓裂是主體開發(fā)技術(shù)，造成了頁巖氣開發(fā)比常規(guī)天然氣開發(fā)更大的資源消耗和生態(tài)環(huán)境影響[1-6]。頁巖氣開采產(chǎn)生的廢水主要包括鉆井廢水、壓裂返排液、采氣廢水等，產(chǎn)量較大，水質(zhì)復(fù)雜，處理難度高，處理不當(dāng)可能引發(fā)地表水、地下水和土壤污染[7-11]；水基巖屑和油基巖屑等固體廢棄物產(chǎn)生量大，處理成本高，堆存、轉(zhuǎn)運和處理處置過程對地下水、土壤和大氣環(huán)境具有潛在威脅[12-13]；鉆井和壓裂（試氣）噪聲會對周邊聲環(huán)境產(chǎn)生短期不利影響[14]；頁巖氣開采過程中，燃油機械和熱水爐等燃燒產(chǎn)生的廢氣可能對大氣環(huán)境產(chǎn)生影響[15]；建設(shè)井場、道路、廢水池、管線、集氣站等占用土地，破壞地表植被，改變土壤結(jié)構(gòu)，對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響[16-18]。美國作為最早進行頁巖氣商業(yè)開發(fā)的國家，開發(fā)過程對區(qū)域地表水和地下水等環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生了影響[19-21]。隨著頁巖氣開發(fā)方式的改進，我國在返排水處理與回用，普通巖屑處理與資源化利用，油基巖屑資源回收與處置，噪聲與廢氣治理等方面取得了積極進展，有效減少了進入環(huán)境的污染物。但是，由于我國頁巖氣開發(fā)處于起步階段，且集中在川渝地區(qū)，開發(fā)過程的生態(tài)環(huán)境影響機制、環(huán)境風(fēng)險后果、污染防治的工程技術(shù)與管理規(guī)范都亟待完善[22-23]。因此，對頁巖氣開發(fā)區(qū)域環(huán)境質(zhì)量進行持續(xù)的跟蹤監(jiān)測是檢驗污染防治措施效果的有效手段，也是認識長期累積環(huán)境影響的重要依據(jù)。

南川頁巖氣開發(fā)區(qū)域包括重慶市的彭水縣、武隆區(qū)與南川區(qū)。項目區(qū)屬喀斯特地形，地貌地形破碎，目標(biāo)層即含氣地層為志留系底部的下志留統(tǒng)龍馬溪組，地下水基本為裸露型碳酸鹽巖巖溶水，大部分區(qū)域內(nèi)巖溶地下水埋藏較淺，局部地帶巖溶水埋藏較深。頁巖氣井部署區(qū)域均為偏僻地區(qū)。目前，南川頁巖氣開發(fā)區(qū)已經(jīng)進入規(guī)?；_發(fā)期，完鉆80口井，其中，南川區(qū)是主力區(qū)，已投產(chǎn)40口井，累計產(chǎn)氣量約11×108m3，日產(chǎn)氣量約240×104m3。在對南川頁巖氣開發(fā)區(qū)域的污染防治措施進行總結(jié)，并對開發(fā)區(qū)域地下水環(huán)境、地表水環(huán)境、大氣環(huán)境、聲環(huán)境和土壤環(huán)境進行跟蹤監(jiān)測后，基于監(jiān)測結(jié)果，采用單因子指數(shù)對區(qū)域環(huán)境質(zhì)量進行了評價，同時，進行了不同年份監(jiān)測結(jié)果的比較評估，以期為我國頁巖氣開發(fā)環(huán)境保護措施的有效性和對累積性環(huán)境影響的認識提供基礎(chǔ)信息。

1 南川頁巖氣開發(fā)區(qū)污染防控措施

1.1 污染源與環(huán)境影響簡述

頁巖氣勘探開發(fā)主要分為4個環(huán)節(jié)：①鉆前；②鉆井及壓裂試氣；③地面工程；④采氣。消耗的主要環(huán)境資源包括土地資源和水資源。采用工程分析的方法，針對每一環(huán)節(jié)的活動、使用材料和設(shè)備等，從廢水、廢氣、噪聲、固體廢棄物、生態(tài)影響這5個方面識別出污染源（表1）。各污染源的生態(tài)環(huán)境影響特性見表2。

表1 各施工作業(yè)環(huán)節(jié)污染源Table1 Pollution sources in construction operations of shale gas development

表2 污染源環(huán)境影響分析Table2 Analysis of environmental impact of pollution sources of shale gas development

1.2 污染防控措施

在近幾年的開發(fā)進程中，南川頁巖氣開發(fā)區(qū)形成了源頭預(yù)防優(yōu)先、資源化利用其次和末端治理兜底的生態(tài)環(huán)境保護思路，主要防護和治理措施見表3。

對于地下水和土壤污染，重點措施是清水鉆井液的使用、鉆井工程的防護和重點區(qū)域的防滲；對于地表水，形成了“均質(zhì)緩沖池+AAO法（厭氧-缺氧-好氧活性污泥法）-MBR法（膜生物法）+芬頓氧化+中和沉淀”的物化-生化聯(lián)合處理工藝，并進行了工程應(yīng)用；對于巖屑，主要采取資源化利用的方式進行處理。

2 南川頁巖氣開發(fā)區(qū)生態(tài)環(huán)境保護效果

2.1 環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測與評價方法

重慶市南川區(qū)境內(nèi)的溪河主要屬于烏江及長江水系，地表徑流量18.07×108m3，其中地下水量2.65×108m3，水利資源蘊藏量17.96×104kW。

2017年和2018年，對南川頁巖氣開發(fā)區(qū)內(nèi)的地表水環(huán)境質(zhì)量、地下水環(huán)境質(zhì)量、大氣環(huán)境質(zhì)量、聲環(huán)境質(zhì)量和土壤環(huán)境質(zhì)量各進行了一期監(jiān)測。采樣和監(jiān)測按照各要素環(huán)境影響評價導(dǎo)則中的監(jiān)測規(guī)范進行。在大青河、烏江、蟹塘河等地表水設(shè)置5個監(jiān)測斷面，于平/枯水期（11月份）連續(xù)監(jiān)測3 d，每天取樣1次。監(jiān)測因子有pH值、COD（化學(xué)需氧量）、BOD（5生化需氧量）、氨氮、硫化物、石油類、硫酸鹽及氯化物。采用單因子指數(shù)法進行地表水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評價，評價公式如下：

式中：Si為第i種污染物的評價指數(shù)；Ci為第i種污染物的最大監(jiān)測值，mg/L；Coi為第i種污染物的評價標(biāo)準(zhǔn)，mg/L。

pH值評價模式：

式（2）—式（3）中：SpH為pH值的單項污染指數(shù)；pHsd為地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的pH值下限；pHsu為地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的pH值上限；pHj為在j監(jiān)測點處實測pH值。

在礦區(qū)內(nèi)選取四處地下水監(jiān)測點：1#地下水裂隙出水點、2#溶洞出水點、3#地下水裂隙出水點、4#溶洞出水點。連續(xù)監(jiān)測2 d，每天取樣1次，監(jiān)測因子有pH值、COD、BOD5、氨氮、硫化物、石油類、硫酸鹽及氯化物，采用單項水質(zhì)指數(shù)進行評價。

南川區(qū)地屬中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，具有氣候溫和，雨量充沛，濕度較大，無霜期長，云霧多，日照少，風(fēng)速小等氣候特點，區(qū)域全年靜風(fēng)最多且無明顯主導(dǎo)風(fēng)向。根據(jù)開發(fā)區(qū)地理位置，布設(shè)4個環(huán)境空氣監(jiān)測點，連續(xù)監(jiān)測7 d的SO2、NO2、PM10日均值與H2S小時濃度值。

采用占標(biāo)率對項目建設(shè)區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀進行評價，計算公式為：

表3 南川頁巖氣開發(fā)區(qū)生態(tài)環(huán)境防護和治理措施Table3 Measurements of ecological and environmental protection from shale gas development in Nanchuan area

式中：Pi為第i個污染物的最大地面濃度占標(biāo)率，%。

在井場場界和敏感點共布設(shè)30個噪聲監(jiān)測點，在頁巖氣開采施工期間，考慮晝間等效聲級和夜間等效聲級，對監(jiān)測因子（pH值、石油烴、鉛、六價鉻、揮發(fā)酚）連續(xù)監(jiān)測2 d，晝夜各監(jiān)測1次。選擇典型井場，在井場上游與下游共布置5個土壤監(jiān)測點，每個監(jiān)測點采用梅花布點法分別取樣1次。采樣深度根據(jù)可能造成的污染情況確定，原則上最深不超過50 cm。

2.2 環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測與評價結(jié)果

2.2.1 地表水環(huán)境質(zhì)量

2018年南川頁巖氣開發(fā)區(qū)域各地表水體監(jiān)測斷面的監(jiān)測因子濃度值均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值，硫化物均未檢出（表4），表明截至2018年，頁巖氣開發(fā)未造成地表水污染。

為了反映年際變化，將2017年和2018年各斷面水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)的最大評價指數(shù)進行對比（圖1），結(jié)果表明：除了4#和5#斷面的pH值評價指數(shù)、COD 評價指數(shù)和氨氮評價指數(shù)上升外，其他因子的評價指數(shù)并未發(fā)生年際上升情況。3#斷面的COD和BOD5的評價指數(shù)上升相對顯著且趨勢一致，但這2個指標(biāo)并非頁巖氣開采的特征指標(biāo)。而頁巖氣開發(fā)廢水的特征因子硫酸鹽和氯化物的評價指數(shù)并未發(fā)生年際上升，且均處于較低水平，說明區(qū)域頁巖氣開發(fā)未導(dǎo)致區(qū)域地表水水質(zhì)發(fā)生明顯不利變化。

圖1 2017年和2018年南川頁巖氣開發(fā)區(qū)域監(jiān)測斷面地表水質(zhì)量評價指數(shù)比較Fig.1 Comparison of assessment index of surface water in Nanchuan shale gas development area in 2017 and 2018

2.2.2 地下水環(huán)境質(zhì)量

2018年南川頁巖氣開發(fā)區(qū)地下水監(jiān)測結(jié)果（表5）顯示，各監(jiān)測因子濃度均符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14848—2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，且特征因子氯化物和硫酸鹽濃度處于較低水平，石油類未檢出，表明頁巖氣開發(fā)區(qū)域周邊地下水水質(zhì)并未受到污染。

對比其中3個監(jiān)測點2017年和2018年監(jiān)測結(jié)果的評價指數(shù)（圖2），除氨氮的評價因子上升外，pH值、CODMn、硫酸鹽和氯化物的評價指數(shù)并未隨著區(qū)域頁巖氣開發(fā)而上升，由于氨氮并非頁巖氣開發(fā)的特征因子，表明區(qū)域頁巖氣開發(fā)未導(dǎo)致地下水水質(zhì)產(chǎn)生明顯不利變化。

表4 2018年監(jiān)測的南川頁巖氣開發(fā)區(qū)地表水監(jiān)測點監(jiān)測結(jié)果Table4 Test results of surface water environment in Nanchuan shale gas development area in 2018（mg/L）

圖2 2017年和2018年南川頁巖氣開發(fā)區(qū)域地下水監(jiān)測點質(zhì)量評價指數(shù)比較Fig.2 Comparison of assessment index of groundwater in Nanchuan shale gas development area in 2017 and 2018

2.3 大氣環(huán)境質(zhì)量

南川頁巖氣開發(fā)區(qū)域空氣質(zhì)量監(jiān)測點2018年監(jiān)測結(jié)果（表6）顯示，SO2、NO2、PM10濃度值均能滿足對應(yīng)功能區(qū)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，H2S 濃度值滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GBZ 2.1—2019《工作場所有害因素職業(yè)接解限值 第1 部分：化學(xué)有害因素》所示大氣中有害物質(zhì)的最高容許濃度限值，且污染因子濃度處于較低水平，表明開發(fā)區(qū)監(jiān)測點空氣質(zhì)量沒有受到頁巖氣開發(fā)活動排放的廢氣污染。

從其中2個監(jiān)測點在2017年和2018年監(jiān)測的各個空氣質(zhì)量因子的評價指數(shù)的比較來看（圖3），評價指數(shù)的年際變化并不顯著，沒有顯著上升趨勢，表明區(qū)域頁巖氣開發(fā)未導(dǎo)致大氣環(huán)境質(zhì)量發(fā)生明顯不利變化。

表5 2018年南川頁巖氣開發(fā)區(qū)地下水監(jiān)測點監(jiān)測結(jié)果Table5 Test results of groundwater environment in Nanchuan shale gas development area in 2018（mg/L）

表6 2018年南川頁巖氣開發(fā)區(qū)監(jiān)測點空氣環(huán)境監(jiān)測結(jié)果Table6 Test results of ambient air quality in Nanchuan shale gas development area in 2018（mg/m3）

圖3 2017年和2018年南川頁巖氣開發(fā)區(qū)域大氣監(jiān)測點質(zhì)量評價指數(shù)比較Fig.3 Comparison of assessment index of atmospheric environment in Nanchuan shale gas development area between 2017 and 2018

2.4 聲環(huán)境質(zhì)量

2018年，對南川頁巖氣開發(fā)區(qū)域的井場場界和環(huán)境敏感點的30個監(jiān)測點的聲環(huán)境監(jiān)測結(jié)果顯示：各監(jiān)測點晝、夜間噪聲值均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB 3096—2008《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的2 類聲環(huán)境功能區(qū)環(huán)境噪聲限值要求，說明區(qū)域聲環(huán)境質(zhì)量較好，受到頁巖氣開發(fā)的噪聲影響較小。

對其中6個監(jiān)測點2017年和2018年進行區(qū)域聲環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測的結(jié)果進行對比（表7），有4個對比點晝間聲環(huán)境監(jiān)測值上升比較明顯，這主要是受鉆前和鉆井活動的影響，但這種聲環(huán)境的變化不具有長期性和累積性，隨著頁巖氣開發(fā)進入采氣期后會消失。

表7 2017年和2018年南川頁巖氣開發(fā)區(qū)域聲環(huán)境質(zhì)量對比Table7 Comparison of noise environment in Nanchuan shale gas development area in 2017 and 2018 dB（A）

2.5 土壤環(huán)境質(zhì)量

2018年監(jiān)測的南川頁巖氣開發(fā)區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀結(jié)果（表8）顯示，各監(jiān)測點鉛濃度低于國家標(biāo)準(zhǔn)GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》中風(fēng)險篩選值，石油烴濃度低于國家標(biāo)準(zhǔn)GB 36600—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》中風(fēng)險篩選值，六價鉻和揮發(fā)酚未檢出，說明區(qū)域土壤環(huán)境質(zhì)量未因頁巖氣開發(fā)而造成污染。其中2個監(jiān)測點在2017年和2018年的土壤環(huán)境質(zhì)量對比（表9）顯示，除1#監(jiān)測點土壤中石油烴含量略有升高外，其他因子均有所降低，且石油烴變化幅度極小，低于天然環(huán)境背景濃度值，說明區(qū)域土壤環(huán)境質(zhì)量未因頁巖氣開發(fā)而發(fā)生明顯變化。

表8 2018年南川頁巖氣開發(fā)區(qū)土壤環(huán)境監(jiān)測結(jié)果Table8 Test results of soil environment in Nanchuan shale gas development area in 2018

3 結(jié)論

為了了解頁巖氣開發(fā)污染防治措施在防控區(qū)域環(huán)境污染方面的有效性，以及為認識累積性環(huán)境影響提供支撐，對南川頁巖氣開發(fā)區(qū)的地表水環(huán)境質(zhì)量、地下水環(huán)境質(zhì)量、大氣環(huán)境質(zhì)量、聲環(huán)境質(zhì)量和土壤環(huán)境質(zhì)量進行了跟蹤監(jiān)測，采用單因子指數(shù)進行了環(huán)境質(zhì)量評價，通過年際比較評估了質(zhì)量變化情況，得出如下主要研究結(jié)論。

1）2018年監(jiān)測的環(huán)境現(xiàn)狀結(jié)果表明：南川頁巖氣開發(fā)區(qū)的各環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測因子（地表水、地下水、大氣、聲和土壤）均能滿足相應(yīng)功能區(qū)的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，區(qū)域頁巖氣開發(fā)未造成各環(huán)境要素的污染。

2）2017年和2018年監(jiān)測結(jié)果對比表明：南川頁巖氣開發(fā)區(qū)各環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測因子的評價指數(shù)，尤其是氯化物等特征因子的評價指數(shù)未發(fā)生明顯年際變化，表明區(qū)域環(huán)境質(zhì)量也未因頁巖氣開發(fā)受到明顯不利影響。

表9 2017年和2018年南川頁巖氣開發(fā)區(qū)域土壤環(huán)境質(zhì)量對比Table9 Comparison of soil environment in Nanchuan shale gas development area between 2017 and 2018

3）南川頁巖氣開發(fā)區(qū)環(huán)境質(zhì)量保持達標(biāo)并且無明顯年際變化，表明當(dāng)前采用的污染防治措施能夠有效保障區(qū)域環(huán)境不受污染。但持續(xù)性與累積性環(huán)境影響尚需更長時間的跟蹤監(jiān)測與評價。