付葆春，許 媛

（1.濰坊市生態(tài)環(huán)境局臨朐分局，山東 濰坊 262600；2.濰坊市臨朐生態(tài)環(huán)境監(jiān)控中心，山東 濰坊 262600）

引言

作為減少溫室氣體排放和應對全球變暖的主要手段，CO2地質封存是我國最重要的地質封存方式。CO2能否穩(wěn)定、安全、無泄漏儲存是評價CO2儲存項目成功與否的重要指標[1]?？紤]到封存CO2地點的上覆巖層可能存在一定的地質構造，CO2在封存后可能會上移到如斷層、陷落柱這種復雜地質結構中，進而進入地表，影響地面的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)。研究表明，地質監(jiān)測手段是檢驗CO2封存是否安全的一個主要方式，但是目前的監(jiān)測手段僅限于某一方面的地層，因此本文介紹了一種多維度CO2地質封存項目環(huán)境監(jiān)測評估體系，并對其可行性進行了評估。

1 環(huán)境監(jiān)測體系的指標描述

1.1 CO2 垂直運移監(jiān)測

將CO2封存到咸水層中，很有可能出現(xiàn)CO2朝著水平或者垂直方向的位移情況，從安全角度來看，垂直方向的二氧化碳排放危害更大。這是因為，在逐漸上升的過程中，CO2泄漏的可能性更高。圖1 為神華CO2在地下的運移范圍，其中，VSP 表示垂直地震剖面監(jiān)測手段，因其具有分辨率高、投資成本較低的優(yōu)點而廣泛應用到CO2封存項目中。表1 則記錄了CO2在不同層位的分布結果。

表1 CO2 在不同層位的分布結果

由圖1 可知，CO2注入地層后，CO2水平位移幅度范圍從2013 年的350 m 增加到2014 年的400 m，整體向外擴散。地震波變化的最小蓋層深度為1 500 m，且蓋層無CO2向上滲漏。因此，將蓋層的埋藏深度大小當作CO2達到安全封存標準的最大封存深度，一旦蓋層的深度降低，就意味著出現(xiàn)CO2泄露的可能就會逐漸增大。

圖1 CO2 在地下的運移范圍示意圖

1.2 地下水

根據飲用水衛(wèi)生標準，正常飲用水的pH 值應保持在6.5～8.5 范圍內[2]。當密封在鹽水層中的CO2泄漏時，將對周圍地下水產生非常不利的影響。由于溶于水中的CO2絕大多數以分子的形式存在于水中，僅有一小部分發(fā)生化學反應產生了碳酸。當生成碳酸后，水中會出現(xiàn)一定濃度的氫離子，氫離子會降低地下水體的pH 值。pH 值的降低會更加有利于CO2的溶解，進而就將地下水變成了碳酸溶液。存在于咸水層中的大部分巖石都含有一定量的碳酸鹽、硅酸鹽等礦物，在酸性條件下，這類物質極其不穩(wěn)定，溶于水后污染水體。

從2011 年以來，各研究人員就針對神華CO2封存場地一定范圍內的200 m 深的地下水展開了連續(xù)性的監(jiān)測，監(jiān)測的結果如下：地下水體的pH 值在7.6～8.5 的范圍內，水的硬度在52 mg/L～286 mg/L；并且CO2的注入并沒有影響這兩個值的大小。所以，為了進一步驗證CO2的注入會引起水質的變化，針對pH 值以及硬度的變化范圍，將這兩個量安全等級范圍進行了定義，具體為：pH 值的變化范圍為5～8.5；硬度的變化范圍為50 mg/L～700 mg/L。

1.3 CO2 濃度與通量

作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，土壤生態(tài)系統(tǒng)也會受到CO2泄露的影響。隨著泄漏的CO2擴散到土壤中，會增加土壤中CO2的濃度和通量，導致缺氧環(huán)境，這是非常不利的[2]。它不僅會影響土壤氣體成分、土壤生物和理化性質的變化，同時還可能抑制植物以及農作物的生長，具體表現(xiàn)為對植物的莖葉或者作物的果實產生一定程度的負面影響。為此，根據CO2濃度分布與對應的毒性大小，具體針對CO2封存后泄露的地區(qū)按濃度分成了3 類，即，致死區(qū)（CO2體積分數大于10%）、重傷區(qū)（CO2體積分數大于4%）以及吸入反應區(qū)（CO2體積分數大于1%）[3]。2011 年以來，神華CO2咸水層封存工程范圍內近地表CO2濃度監(jiān)測結果顯示，地表土壤大部分CO2質量濃度為0.786 mg/L，遠低于吸入反應區(qū)。

2 環(huán)境監(jiān)測體系的構建

2.1 各監(jiān)測指標安全等級的設定

根據飲用水源安全等級的分類結構，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可分為5 個等級：非常安全、安全、基本安全、不安全和非常不安全。表2 是各指標不同安全等級的賦值范圍。

表2 多種指標的不同安全等級的賦值范圍

其中，CO2垂直運移深度的安全分類主要根據神華集團CO2咸水層的實際蓋層深度確定，具體深度范圍為0 m～1 500 m。針對SF6 的不同安全等級允許濃度范圍，其允許的最高質量濃度為6.5 mg/L，因此可以依照CO2的濃度安全等級的劃分結構來對SF6 的安全等級進行劃分。而地表的形變數據可以根據地表的相對形變程度來進行安全等級的劃分，具體的地表形變數據可以依照式（1）來獲得。

式中：h 為CO2注入區(qū)的地表形變速率，mm/a；h1為CO2注入區(qū)的地表形變速率，mm/a；h2為背景區(qū)的地表形變速率，mm/a。

2.2 環(huán)境監(jiān)測體系安全等級的確定

綜合指數分析法是CO2咸水層封存過程中較為常用的監(jiān)測安全評價方法，其主要是針對監(jiān)測得到的各種指標數值開展量化統(tǒng)一處理，同時還要考慮到各個指標的權重大小，通過式（2）來判斷所測的目標體系究竟屬于哪一個安全等級。

式中：Wij為咸水層監(jiān)測時的安全指數；Aij為第i 年第j 指標的權重大??；Xij為第i 年第j 指標的歸一化處理后的結果。

然而，在CO2咸水層封存過程中，監(jiān)測到的安全評價指標如下：第一，數值結果越大，相應的安全水平指標越高；第二，數值結果越大，相應的安全水平指數越低。其中，值越小，指標越安全，主要是CO2濃度和通量、地下水硬度和地表變形數據。最終，綜合考慮多種監(jiān)測項目的安全等級以及對應的權重大小，構建了CO2地質封存項目環(huán)境監(jiān)測安全等級體系，具體如表3 所示。

表3 安全等級范圍

3 試算案例與討論

在近幾年某個時間，對CO2封存區(qū)的各項數據進行了監(jiān)測，具體監(jiān)測結果如下：地下水的pH 值為7.7，水體硬度為112 mg/L，CO2質量濃度為0.786 mg/L，CO2到達土壤中的通量為300 mg/（m2·h）。此外，整個范圍內不存在SF6，計算地表形變數據為1，CO2垂直運移距離為1 500 m。由式（2）得出的相應安全指數為0.834。由此可見，神華CO2咸水層封存工程的安全等級為一級，即非常安全。

然而需要明確的是，基于理想條件的實時在線監(jiān)測手段會得到更為精確的監(jiān)測結果，但是考慮到如CO2垂直運移深度等監(jiān)測項目不能達到在線實時監(jiān)測的目的，這也就意味著本文介紹的環(huán)境評估監(jiān)測體系存在一定程度的局限性，還有待相關行業(yè)的專家及學者進一步的研究。

4 結論

本文先對神華CO2咸水層的封存項目進行了監(jiān)測手段以及監(jiān)測結果的分析，并在此基礎上，引出了一種多維度CO2地質封存項目環(huán)境監(jiān)測評估體系，主要包含了地下、地表以及地上空間，這在一定程度上彌補了單一監(jiān)測手段獲得的數據沒有科學性的弊端。同時，為了驗證其可行性，計算了從實際案例中獲得的監(jiān)測數據。結果表明，神華CO2咸水層封存工程處于非常安全穩(wěn)定的狀態(tài)，不存在CO2封存后出現(xiàn)泄露的可能，此外也說明了本文闡述的環(huán)境監(jiān)測評估體系有一定的現(xiàn)實價值。