成瀟瀟 劉建國(guó) 徐亮? 徐寒楊 金嶺 束勝全 薛明

1) (中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所, 合肥 230031)

2) (中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué), 合肥 230026)

3) (中國(guó)石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院, 北京 102206)

針對(duì)頁(yè)巖氣開發(fā)過(guò)程中污染氣體濃度與擴(kuò)散分布不確定性問(wèn)題, 利用自主設(shè)計(jì)并搭建的開放光路傅里葉變換紅外光譜(FTIR)測(cè)量系統(tǒng), 對(duì)返排液中污染氣體進(jìn)行濃度反演, 并通過(guò)返排液流速及污染源大小, 計(jì)算出污染源源強(qiáng).結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境, 建立參考坐標(biāo), 對(duì)高斯擴(kuò)散模型進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo), 構(gòu)建污染源面源擴(kuò)散模型并進(jìn)行仿真分析.結(jié)果表明: 源強(qiáng)、距離、風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度影響氣體濃度擴(kuò)散.對(duì)返排液進(jìn)行80 h連續(xù)測(cè)量,確定主要污染氣體濃度及面源源強(qiáng).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 返排液排放的主要污染氣體為丙烷、戊烷、丙烯、一氧化碳、二氧化硫; 對(duì)應(yīng)的最大濃度分別4.689, 25.494, 30.324, 0.656, 4.620 mg/m3.最大面源源強(qiáng)分別為1.9872,10.9750, 12.8513, 0.2707, 1.9064 g/s.結(jié)合風(fēng)速及日間環(huán)境情況, 選取大氣穩(wěn)定度, 將源強(qiáng)代入面源擴(kuò)散模型,進(jìn)行污染氣體擴(kuò)散濃度構(gòu)建, 實(shí)現(xiàn)對(duì)不同污染氣體不同位置上濃度分布的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)量方法,利用FTIR方法并結(jié)合面源擴(kuò)散模型, 不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)污染源的非接觸遠(yuǎn)距離在線測(cè)量, 還能對(duì)污染氣體分布進(jìn)行安全區(qū)域劃分.

1 引 言

在過(guò)去的十幾年里, 基于水力壓裂的頁(yè)巖氣開采技術(shù)的發(fā)展使得美國(guó)的油氣產(chǎn)量大幅增加[1], 至2015年頁(yè)巖氣產(chǎn)量占美國(guó)天然氣總產(chǎn)量的56%.而我國(guó)作為頁(yè)巖氣儲(chǔ)量大國(guó), 資源總量達(dá)到134.4萬(wàn)億立方米, 可采資源量25.08萬(wàn)億立方米, 探明儲(chǔ)量超過(guò)2萬(wàn)億立方米, 預(yù)計(jì)2020年頁(yè)巖氣開采量達(dá)到200億立方米左右[2].但是, 在頁(yè)巖氣開采過(guò)程中, 隨著返排液帶出的氣體會(huì)影響當(dāng)?shù)貐^(qū)域的空氣質(zhì)量[3,4].這些氣體以甲烷(CH4)為主[5,6], 同時(shí)包括揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)、硫化物等有毒有害污染氣體[7,8].大多數(shù)VOCs會(huì)在光照條件下發(fā)生光化學(xué)反應(yīng), 形成二次氣溶膠、酸雨、光化學(xué)煙霧等; 且高濃度的VOCs會(huì)導(dǎo)致阻塞性肺病(COPD)、呼吸短促和易感人群中的其他呼吸道疾病[9].同時(shí),中國(guó)生態(tài)環(huán)保部頒布的《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB16297-1996)明確規(guī)定了33種大氣污染物的排放限值, 對(duì)廠界濃度有著明確要求.中國(guó)國(guó)家衛(wèi)生和計(jì)劃生育委員會(huì)發(fā)布《工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(TJ36-79)對(duì)居民區(qū)大氣中有害物質(zhì)的最高容許濃度有著明確要求.因此, 對(duì)頁(yè)巖氣開采過(guò)程中污染氣體的濃度及擴(kuò)散分布進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)顯得尤為重要.

目前, 對(duì)于頁(yè)巖氣的VOCs及其他污染氣體的檢測(cè)手段主要是通過(guò)蘇瑪罐、固體吸附等傳統(tǒng)手段在現(xiàn)場(chǎng)收集空氣樣品[10,11], 然后在實(shí)驗(yàn)室采用離子火焰燃燒(FID)[12]、光離子化檢測(cè)器(PID)[13]等技術(shù)進(jìn)行測(cè)定; 或采取點(diǎn)式與手持式設(shè)備對(duì)頁(yè)巖氣開采周邊環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)[14].傳統(tǒng)方法耗時(shí)較長(zhǎng), 且不同采樣方式受樣品保存時(shí)間等影響, 實(shí)驗(yàn)室測(cè)定值與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)值比對(duì)時(shí)存在較大差異.國(guó)家已出臺(tái)VOCs的在線監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn), 但多針對(duì)非甲烷總烴測(cè)定, 無(wú)法實(shí)現(xiàn)原位組分分析, 且無(wú)法滿足區(qū)域內(nèi)VOCs濃度分布監(jiān)測(cè).本文通過(guò)開放光路傅里葉變換紅外光譜(FTIR)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)頁(yè)巖氣污染氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)在線濃度監(jiān)測(cè), 利用FTIR測(cè)量具有速度快、精度高、分辨率高、測(cè)定波段寬、無(wú)需采樣及預(yù)處理等優(yōu)點(diǎn)[15,16], 對(duì)返排液進(jìn)行在線自動(dòng)測(cè)量并根據(jù)高斯擴(kuò)散模型, 通過(guò)理論分析與數(shù)值模擬, 建立實(shí)時(shí)污染氣體面源擴(kuò)散模型.在此基礎(chǔ)上, 對(duì)污染氣體濃度分布進(jìn)行可視化展示并依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)確定動(dòng)態(tài)廠界.該研究方法不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)頁(yè)巖氣返排液中污染氣體的定性定量分析, 同時(shí)能構(gòu)建出污染氣體的濃度分布情況, 實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)廠界的設(shè)置.

2 基本原理

2.1 高斯擴(kuò)散模型

對(duì)于地面高度H處連續(xù)點(diǎn)源的煙羽模型為[17]

其中C(x,y,z) 表示 (x,y,z) 點(diǎn)的濃度;Q表示源強(qiáng);μ表示風(fēng)速;σy,σz分別為側(cè)風(fēng)方向和垂直方向的擴(kuò)散系數(shù);H代表有效源高.

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T13201-91中規(guī)定, 當(dāng)采樣時(shí)間為0.5 h時(shí), 擴(kuò)散系數(shù)為

其中,γ1表示橫向擴(kuò)散參數(shù)回歸系數(shù);γ2表示垂直擴(kuò)散參數(shù)回歸系數(shù);a1表示橫向擴(kuò)散參數(shù)回歸指數(shù);a2表示垂直擴(kuò)散參數(shù)回歸指數(shù)[18,19].在下風(fēng)1000 m以內(nèi), 各參數(shù)取值如表1所列.

表1 P-G擴(kuò)散曲線冪函數(shù)數(shù)據(jù)參數(shù)表Table 1.Diffusion curve power function data of P-G.

大氣穩(wěn)定度等級(jí)的劃分，按照Pasquill穩(wěn)定度分類法, 可分為強(qiáng)不穩(wěn)定、不穩(wěn)定、弱不穩(wěn)定、中性、較穩(wěn)定和穩(wěn)定共六個(gè)等級(jí), 分別由A, B, C, D,E, F表示.主要與太陽(yáng)高度角、風(fēng)速、高低空云量有關(guān), 如表2所列.

表2 P-G擴(kuò)散模型的大氣穩(wěn)定度等級(jí)Table 2.Levels of atmospheric stability for diffusion models of P-G.

表中強(qiáng)光指的是夏至?xí)r正午光照強(qiáng)度, 弱光指的是冬至?xí)r正午光照強(qiáng)度, 主要受太陽(yáng)高度角影響.根據(jù)高斯擴(kuò)散模型, 高空排放氣體在風(fēng)速、風(fēng)向的作用下, 向下風(fēng)口運(yùn)動(dòng).圖1給出在風(fēng)速為5與0 m/s時(shí)擴(kuò)散情況.

圖1 氣體排放圖 (a)V = 5 m/s; (b)V = 0 m/sFig.1.Emission map of gas: (a) V = 5 m/s; (b) V = 0 m/s.

2.2 面源擴(kuò)散模型

對(duì)于面源的擴(kuò)散模型, 通過(guò)對(duì)其擴(kuò)散參數(shù)進(jìn)行修正, 添加初始擾動(dòng), 可采用虛擬點(diǎn)源來(lái)代替并計(jì)算[20], 虛擬點(diǎn)源遠(yuǎn)離中心, 位于上風(fēng)口.對(duì)于高度為0 m的面源擴(kuò)散區(qū)域, 其原理圖如圖2所示.

圖2 面源擴(kuò)散模式Fig.2.Diffusion pattern of area source.

Q為上風(fēng)口的虛擬點(diǎn)源, 其在y軸的擴(kuò)散模式為高斯擴(kuò)散, 符合正態(tài)分布[21]:

其中,a為面源區(qū)域?qū)挾?σy0為初始擴(kuò)散參數(shù).

通過(guò)(2)式, 可求出初始點(diǎn)源位置:

結(jié)合(1)式的點(diǎn)源高斯擴(kuò)散模型, 可得面源高斯擴(kuò)散模型為

當(dāng)面源為地面排放區(qū)域時(shí),H= 0, 則(6)式可轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

2.3 面源源強(qiáng)計(jì)算

在頁(yè)巖氣開采過(guò)程中, 由于水力壓裂, 污染氣體大多隨著甲烷氣體進(jìn)入氣體管道.在高溫高壓的作用下, 部分氣體溶入返排液, 另一部分以游離態(tài)狀態(tài)隨著返排液排出.因此, 頁(yè)巖氣開采過(guò)程中,源強(qiáng)與水流速度成正比關(guān)系.面源源強(qiáng)為

其中,s為排放面源大小,μ為水流速度,Ci為每點(diǎn)濃度.

由于排放源為穩(wěn)定的面源, 且FTIR測(cè)量的為線濃度, 可對(duì)(8)式進(jìn)行轉(zhuǎn)化:

其中,c為FTIR測(cè)量濃度,l為FTIR光程,S為返排池面積,L為光路跨越面源的長(zhǎng)度.

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及仿真分析

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地選在四川威遠(yuǎn)某頁(yè)巖氣井, 其返排池面積大小為13.86 m × 13.86 m, 深為5 m, 采用開放光路式FTIR測(cè)量系統(tǒng)對(duì)返排液進(jìn)行測(cè)量.系統(tǒng)對(duì)返排池觀測(cè)從2020年9月6日持續(xù)到2020年9月9日, 現(xiàn)場(chǎng)情況與實(shí)驗(yàn)設(shè)備布設(shè)情況如圖3所示.

圖3 實(shí)驗(yàn)外場(chǎng)圖 (a)現(xiàn)場(chǎng)情況; (b)設(shè)備布設(shè)情況Fig.3.Experimental outfield diagram: (a) Environment;(b) system.

3.2 仿真分析

在不同的風(fēng)速風(fēng)向作用下, 面源擴(kuò)散不同, 對(duì)外場(chǎng)防護(hù)廠界大小要求不同.設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn), 分析在不同風(fēng)速作用下, 氣體擴(kuò)散濃度分布情況.參數(shù)設(shè)計(jì)如下: 面源大小為13.86 m × 13.86 m, 高度為0 m, 面源中心為0坐標(biāo)點(diǎn).假設(shè)初始源強(qiáng)為10 g/s, 風(fēng)速分別為1 和3 m/s, 結(jié)合日間外場(chǎng)情況及表2, 可知大氣穩(wěn)定度分別為B, C.由(5)式可得初始位置x0= 6.438 m.地面處, 氣體擴(kuò)散濃度如圖4所示.

圖4 氣體仿真擴(kuò)散分布圖 (a)V = 1 m/s; (b)V = 3 m/sFig.4.Simulation diffusion distribution diagram of gas: (a) V = 1 m/s; (b) V = 3 m/s.

當(dāng)風(fēng)速分別為1和3 m/s, 對(duì)下風(fēng)50, 150, 300 m處的濃度進(jìn)行仿真分析, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示.

仿真結(jié)果表明: 距離、風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度影響污染氣體的濃度分布, 隨著距離增大, 濃度急劇下降; 風(fēng)速越大, 污染氣體下降越快.通過(guò)仿真分析可知, 可以對(duì)實(shí)時(shí)污染氣體進(jìn)行污染預(yù)估計(jì), 實(shí)現(xiàn)對(duì)污染區(qū)域的動(dòng)態(tài)設(shè)置, 進(jìn)行安全分布劃分等.

4 測(cè)量結(jié)果與討論

系統(tǒng)對(duì)返排液進(jìn)行80 h連續(xù)觀測(cè), 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境, 對(duì)多種VOCs以及硫化物等污染氣體進(jìn)行濃度反演, 確定主要污染物濃度, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.

數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明: 該返排液排放的VOCs氣體主要以戊烷(C5H12)、丙烯(C3H6)為主, 另包含少量丙烷(C3H8).同時(shí)包括其他非VOCs污染氣體, 主要為一氧化碳(CO)和二氧化硫(SO2).其中丙烷平均濃度為2.07 mg/m3, 最大濃度為4.689 mg/m3; 戊烷平均濃度為12.71 mg/m3, 最大濃度為25.494 mg/m3; 丙烯平均濃度為14.91 mg/m3, 最大濃度為30.324 mg/m3; 一氧化碳平均濃度為0.43 mg/m3, 最大濃度為0.656 mg/m3; 二氧化硫平均濃度為2.12 mg/m3, 最大濃度為4.620 mg/m3.由于二氧化硫易溶入水, 所以二氧化硫會(huì)殘留在返排液中, 隨著污水車運(yùn)到污水廠, 因此在頁(yè)巖氣開采過(guò)程中, 二氧化硫排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于FTIR測(cè)量計(jì)算結(jié)果, 但對(duì)環(huán)境污染主要體現(xiàn)在揮發(fā)的二氧化硫上.

對(duì)污水排放量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì), 結(jié)果如圖7所示.結(jié)合(9)式, 計(jì)算出丙烷、戊烷、丙烯、一氧化碳、二氧化硫最大面源源強(qiáng)分別為1.9872, 10.9750,12.8513, 0.2707, 1.9064 g/s.風(fēng)速為1 m/s, 結(jié)合日間外場(chǎng)環(huán)境及表2所列數(shù)據(jù)可知, 大氣穩(wěn)定度為B.通過(guò)(7)式以及擴(kuò)散模型, 對(duì)丙烷、戊烷、丙烯、一氧化碳、二氧化硫進(jìn)行擴(kuò)散濃度構(gòu)建, 日間擴(kuò)散濃度分布如圖8所示.

圖7 污水排放實(shí)時(shí)圖Fig.7.Discharge real-time map of sewage.

圖8 污染氣體擴(kuò)散濃度分布圖Fig.8.Distribution map of diffusion concentration in pollutant gas.

由圖8可以看出, 污染物排放進(jìn)入大氣后, 急劇擴(kuò)散, 由于風(fēng)速的作用, 主要往下風(fēng)口擴(kuò)散.同時(shí), 受污染物排放濃度、大氣穩(wěn)定度、風(fēng)速影響, 不同污染物在不同時(shí)間段擴(kuò)散濃度不同.以該濃度擴(kuò)散模型為基礎(chǔ), 計(jì)算返排池下風(fēng)口50, 100, 200和300 m處的濃度分布, 結(jié)果如圖9所示.

圖9 污染氣體濃度分布圖Fig.9.Distribution map of concentration in pollutant gas.

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB16297-1996)及(TJ36-79)對(duì)污染源大氣污染物的排放限值可知, 我國(guó)對(duì)一氧化碳、二氧化硫、非甲烷總烴廠界或居民區(qū)濃度要求分別為3, 0.5和5.0 mg/m3.由濃度分布結(jié)果可知丙烷、戊烷、丙烯、一氧化碳、二氧化硫在200和300 m處的最大濃度分別為0.7568與0.3650 mg/m3, 4.1780與2.0156 mg/m3, 4.8945與2.3602 mg/m3, 0.1031與0.0497 mg/m3, 0.7261與0.3501 mg/m3.則非甲烷總烴在200與300 m濃度約為9.8302與4.7408 mg/m3.

5 結(jié) 論

針對(duì)頁(yè)巖氣開采過(guò)程中污染氣體排放成分、濃度及擴(kuò)散的不確定性, 以四川威遠(yuǎn)某頁(yè)巖氣井返排液為研究對(duì)象, 通過(guò)FTIR濃度反演及面源擴(kuò)散模型的搭建, 對(duì)污染氣體進(jìn)行定性和定量分析, 構(gòu)建濃度分布模型.對(duì)濃度分布模型進(jìn)行仿真, 結(jié)果表明:源強(qiáng)、距離、風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度影響氣體濃度擴(kuò)散.通過(guò)返排池80 h連續(xù)測(cè)量, 對(duì)污染氣體進(jìn)行定性定量分析并計(jì)算面源源強(qiáng).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 返排液主要排放的污染氣體為丙烷、戊烷、丙烯、一氧化碳、二氧化硫, 最大源強(qiáng)分別為1.9872, 10.9750, 12.8513,0.2707和1.9064 g/s.通過(guò)搭建的面源擴(kuò)散模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)不同污染氣體不同位置上的濃度監(jiān)測(cè).

本文從返排液污染氣體測(cè)量的角度出發(fā), 針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量手段的難點(diǎn), 結(jié)合FTIR儀器的優(yōu)勢(shì), 以高斯擴(kuò)散模型為基礎(chǔ), 構(gòu)建面源高斯擴(kuò)散模型, 從而達(dá)到對(duì)動(dòng)態(tài)廠界的設(shè)置以及污染區(qū)域的劃分.為頁(yè)巖氣開采過(guò)程中污染氣體濃度、排放通量、區(qū)域濃度分布提供了有力的支撐.