油氣能源開發背后的溢油污染和水資源匱乏

夏玉強，李海龍

（1.長江科學院水資源綜合利用研究所，武漢 430010；2.中國地質大學（北京）水資源與環境學院生物地質與環境地質國家重點實驗室，北京 100083）

油氣能源開發背后的溢油污染和水資源匱乏

夏玉強1，李海龍2

（1.長江科學院水資源綜合利用研究所，武漢 430010；2.中國地質大學（北京）水資源與環境學院生物地質與環境地質國家重點實驗室，北京 100083）

油氣能源的開發不僅需要消耗大量的淡水資源，而且給環境帶來了許多危害。如何實現油氣能源開發與水資源環境的可持續協調發展將成為油氣開采地區經濟能否持續快速發展的關鍵問題。綜述了國內外油氣能源開發中的溢油污染現狀，指出了修復溢油污染環境的難點和挑戰；以新興的非常規天然氣頁巖氣開采為例，分析了油氣能源開采對淡水資源的大量需求與我國水資源匱乏現狀的矛盾。針對油氣開采潛在的水資源和環境問題，建議開展油氣能源開發中的水資源安全、環境風險評估及其管理監督政策等方面的研究，以便應對未來時期油氣開采可能引起的水危機。

油氣開發；溢油污染；水資源匱乏；環境風險評估

中國科學院2009年的一份戰略研究報告［1］指出，水資源短缺、水環境惡化、水生態失衡、水災害加劇、水管理薄弱等多重問題已經對中國經濟社會可持續發展構成了嚴重的威脅，水資源問題將是長期制約我國經濟社會可持續發展的重要瓶頸。石油和天然氣的開發生產，屬于資源開發型建設，其生產過程對水資源和環境都會造成一定的影響和破壞［2］，而環境因素又反過來制約著石油、天然氣工業生產的發展［3］。因此，有必要認清當前油氣能源開發所造成和引起的水資源消耗和環境污染問題，并結合經濟社會發展的需求，研究相關的防治技術策略和政策措施，以促進油氣能源的良性開發。

1 溢油污染

1.1 全球溢油污染現狀及發展趨勢

隨著全球油氣能源需求的不斷增長，油氣資源開采、運輸裝卸以及使用過程中的各種溢油事故也層出不窮，給海洋、河流及其生態環境帶來了巨大災難。全球早期幾次較大的溢油事故包括1970年加拿大新斯科舍省的Arrow油輪溢油事件，1978年法國布列塔尼半島的Amoco Cadiz油輪溢油事件等［4］。影響最大的則是1989年美國阿拉斯加Exxon Valdez油輪溢油事故，它被稱為該時代最嚴重的環境污染事件，泄漏了約3.8萬t原油，嚴重污染了當地海灣多達800 km的潮間帶礫石型海灘［5，6］。2010年4月20日，美國墨西哥灣英國石油公司的深水地平線號鉆井平臺發生爆炸，造成約71萬t漏油涌入墨西哥灣［7］，該事故被稱為美國歷史的“生態911”事件，它對墨西哥灣的水資源和生態環境的影響不言而喻。

盡管10年平均油輪溢油量從上世紀70年代的30多萬t逐漸減少本世紀初的不足3萬t，但從2010年開始，溢油事故和溢油量開始突增（圖1）。這主要是由于當前油氣資源開發已逐步向深地、深海領域發展，而相應的技術和管理水平相對不足，使得環境遭受溢油事故污染的風險明顯增大。另外，圖1也表明油氣管道泄漏事故也持續增加，相比鉆井和油輪溢油事故而言，油氣管道的溢油事故突發性更強，且很難去追蹤處理。

伴隨經濟持續快速發展，我國海上石油開采活動日益頻繁。國家海洋局《2010年中國海洋環境狀況公報》顯示，2010年度中國海上在生產的油氣平臺達195個，海洋溢油事故風險升高，如2011年7月發生的渤海灣蓬萊19－3鉆井溢油事故，目前已污染了近3 400 km2，給渤海灣及其沿岸生態環境造成了巨大損害。另外，石油海運進口量日益增加，油輪溢油污染事故頻發。據統計［9］，1973－2006年我國沿海共發生2 635起船舶溢油事故，總溢油量逾3.7萬t。如1983年11月25日在青島港發生的“東方大使”號油輪溢油事故，溢油逾0.3萬t，污染了膠州灣及其附近長達230 km的海岸線。人民日報披露，僅1998年到2008年10年間，我國沿海發生船舶溢油事故718起，溢油總量達1.2萬t。20世紀80年代末我國每年排入大海的石油達多達18萬t，并呈增長趨勢［10］，近年來，我國沿海排入海洋的石油每年超過10萬t。

除海洋溢油事故外，內陸油氣資源開發與工業生產等對環境的污染也很嚴重。在我國，中原油田、大慶油田、保定等地油氣能源的開發給地表水和地下水等造成產生了不同程度的污染［11］。目前我國正在積極部署開展的頁巖氣等非常規油氣開采，其鉆井深達數千米，其回流廢水中包含的深部地層物質如重金屬、放射性元素等也將更多、更復雜，無論是給地下水還是地表環境都將帶來極大的污染隱患。最近，《美國科學院院刊》報道［11］說賓夕法尼亞的天然氣開采區附近的地下飲水井中檢測到的平均甲烷濃度高達19.2 mg／L，比無天然氣開采區地下飲水井中的濃度（1.1 mg／L）高出約17倍，表明該區地下水受到了油氣開采的污染。這主要與天然氣開采的水力壓裂技術有關，水力壓裂技術的目的是增加井孔與氣藏巖層的接觸，為油氣提供一個向井孔流動的高滲透通道。其基本流程是在完成鉆井的鉆探和安裝后，將高壓液體混合物注入鉆井，使氣藏巖層裂開，而高壓液體中的支撐劑進入裂縫后使其保持開放狀況，從而使得這種水力裂縫成為將油氣導向鉆井的高速通道［12］。高壓液體由水和固體支撐劑（如石英砂）以及化學添加劑組成（圖2），水砂含量一般在98%～99.5%左右，添加劑含量在0.5%～2%之間，用于高壓液中的化學添加劑種類多達250余種。

圖1 全球典型溢油事故（修改自文獻［8］）Fig.1 Oil spill trends（revised from reference［8］）

圖2 水力壓裂使用的主要添加劑Fig.2 Chem icals used for hydraulic fracturing

1.2 溢油污染修復的挑戰

由于石油烴類污染物具有潛在毒性和生物積累效應，對地下水、地表水以及生態環境有長期的負面影響，同時也對水產、旅游業等造成巨大的經濟損失。阿拉斯加礫石型海灘被溢油污染后，進行了長期、大規模的機械清除和生物修復，由于當時推測溢油的自然降解速度能確保其在泄漏后的近幾年內全部消失，所以1992年美國當局停止了對污染海灘的修復工作［13］。然而，近年來許多的現場調查研究表明至今仍有百余噸未降解的溢油至今仍殘存于礫石海灘中，這使得海灘溢油的長期滯留污染問題成為了一個科學難題［5，6］。

在各種海灘類型中，礫石型或者砂礫混合型海灘不僅最容易被污染，而且在污染后最難清理和修復。礫石海灘和砂礫混合海灘廣泛分布于世界各地海岸，特別是在中高緯度地區。由于全球變暖，地球兩極冰層不斷融化，且北極人類活動不斷增加，尤其是北極原油開發和通過如西北走廊等北極海路航線的原油運輸等，大大增高了高緯度地區礫石海灘被原油泄漏污染的風險。另一方面，由于北極嚴酷的自然環境條件和冷水海域油輪漏油處理專門技術的普遍缺乏，北極的有效保護和油污清除工作將會是一個難題［5］。傳統的溢油污染生物修復技術存在一定的弊端，作者認為將海灘水動力機制與溢油滯留機制相結合的生物修復技術將是進行溢油污染修復和治理的主要發展方向［4］。尤其是要深入研究水動力機制對制約溢油降解的過程，如海灘缺氧是如何阻礙溢油的生物降解及其導致的反硝化（脫氮）作用，這將在墨西哥灣等泥質海灘和濕地潮沼中得到廣泛應用。總之，溢油污染的生物修復研究需要多學科相結合，才能提出切實可行的生物降解方法和工程技術。

圖3 中國重點缺水地區分布圖（來源：中國水利水電科學研究院，有修改）Fig.3 Areas suffering from severe water shortage in China（revised from statistics of China Institute of Water Resources and Hydropower Research）

表1 美國頁巖氣田鉆井的鉆探和壓裂用水量統計Table 1 Statistics of water demand in drilling and fracturing per well at selected shale gas p lays in the U.S.m3／每井

圖4 中國主要含油氣盆地及油氣田分布圖（來源：中石化石油勘探開發研究院，有修改）Fig.4 Main oil-gas plays in China（revised from statistics of Petroleum Exp loration and Production Research Institute of Sinopec）

2 水資源的匱乏與消耗

2.1 我國水資源格局與油氣資源分布

中國是一個干旱缺水嚴重的國家，水資源空間分布總體上呈現“南多北少、差距懸殊”的基本特征。水利部2006年的統計數據顯示我國500個城市中有60%缺水，嚴重缺水的城市達108個，華北和西北地區的水資源短缺矛盾更為突出［2］。我國重點的缺水地區有四川盆地、山西能源基地、黃淮海平原、山東半島、浙東與閩西以及遼河中下游與遼東半島（圖3）。而我國主要的陸域油氣田有鄂爾多斯、四川、塔里木、柴達木、松遼、準噶爾、華北及渤海灣內陸盆地（圖4）。對比圖3和圖4可知，我國主要的油氣田分布與重點缺水地區高度重合。由于油氣開發對水資源的高度需求，這些缺水地區的油氣能源開發很容易導致當地水資源的枯竭，進而引起生態環境的惡化與退化。

2.2 油氣開發對水資源的高度需求和消耗

油氣田的開采、生產和生活均需消耗大量的淡水資源，而水資源短缺問題一直是我國特別是中西部地區經濟發展的瓶頸。統計表明勝利油田的石油工業需水量達3 m3／t，這其中還未包括油田開展多種經營的需水量。根據國家頒布GB／T 18916.3－2002取水定額標準，開采原油來生產1 t燃料油的需水量將逾5 m3。以目前全球熱衷的頁巖氣為例，頁巖氣的開采需要大量的淡水資源作為支撐，一個典型的頁巖氣井在鉆探和水力壓裂過程中需使用3 400～13 600 m3的淡水資源［14］。表1給出了美國4大頁巖氣田中開采井的平均用水量，其單個井的用水量可能有較大變化，可多達3萬m3，這主要是與地理位置和鉆探深度有關，一般來說，鉆井越深，需水量越大。

以我國四川盆地為例，它是我國天然氣的主探區，其查明氣田70多個，累計探明天然氣儲量2 000多億m3。然而，四川盆地海相油氣地層埋藏很深，川東一般在地下5 km以上，而川西伴隨海拔的升高，海相地層的深度更深，這無疑將大大增加四川盆地油氣開采的用水需求和耗水量。雖然四川盆地所處的長江流域總體上水資源豐富，但由于降雨和徑流時空分布不均勻，仍然存在干旱缺水問題［15，16］。美國每口頁巖氣鉆井的日平均用水量在100 m3左右，用水量與產氣量的比率約為1∶10。如果到2020年的10年間，以每年15億m3的產能開采四川盆地的頁巖氣，則需要消耗淡水資源量約15億m3。如何確保油氣開采的用水量不影響當地工農業及居民飲用水的可持續正常需求，將是我國水資源安全面臨的巨大考驗。

長江科學院的研究報告［15］指出，隨著全球經濟的不斷發展，全球性的水資源安全問題也越來越嚴重，水資源安全戰略研究已成為國際水資源研究的一個熱點和重要課題。因此，開展油氣能源背后的水資源研究將在我國水資源安全戰略研究中發揮舉足輕重的作用。

3 建 議

我國油氣田的分布與缺水地區的分布重合度較高，油氣開采需大量消耗地表水或地下水，油氣開發將對我國水資源的質與量、環境保護及管理監督等提出嚴峻考驗。如何應對這些考驗，作者認為應切合中央一號文件提出的“實行最嚴格的水資源管理制度”，強化油氣能源開發中水資源管理的三條紅線。嚴格執行油氣開采項目的水資源論證制度和取水許可審批管理，通過對油氣工業取用水總量控制來限制新增取水，協調好生活、生產、生態環境用水。尤其要嚴格管理和保護地下水，嚴禁在水資源環境敏感區進行油氣開采。控制油氣田開發的用水效率，堅決遏制用水浪費，把節水工作和技術貫穿于油氣開采和生產生活全過程，嚴格限制在缺水地區進行大規模油氣開采。從嚴核定油氣擬開采區的水域納污容量，嚴格控制油氣田廢棄水入河湖排污總量。加強水源地保護，圈定飲用水水源保護區，嚴格限制審批油氣工業在臨近區域新增取水和入河排污口。建立油氣工業開發的生態補償機制，強化油氣企業的社會責任。

［1］ 中國科學院水資源領域戰略研究組.中國至2050年水資源領域科技發展路線圖［M］.北京：科學出版社，2009.（Group ofWater Resources Science and Technology in the Chinese Academy of Sciences.Water Science＆Technology in China：A Roadmap to 2050［M］.Beijing：Science Press，2009.（in Chinese））

［2］ 中國地下水科學戰略研究小組.中國地下水科學的機遇與挑戰［M］.北京：科學出版社，2009.（Committee on Chinese Groundwater Science.Opportunities and Challenges in the Chinese Groundwater Science［M］.Beijing：Science Press，2009.（in Chinese））

［3］ 韓 峰.油氣田水環境污染隱患及其治理對策［J］.石油化工環境保護，2005，28（4）：15－17.（HAN Feng.Hidden Trouble of Water Environmental Pollution from Oil-Gas Field and Its Control Countermeasure［J］.Environment Protection in Petrochemical Industry，2005，28（4）：15－17.（in Chinese））

［4］ XIA Yu-qiang，BOUFADELM C.Lessons from the Exxon Valdez Oil Spill Disaster in Alaska［J］.Disaster Advances，2010，3（4）：270－273.

［5］ LIHai-long，BOUFADELM C.Long-term Persistence of Oil from the Exxon Valdez Spill in Two-Layer Beaches［J］.Nature Geoscience，2010，3（2）：96－99.

［6］ XIA Yu-qiang，LIHai-long，BOUFADEL M C，et al.Hydrodynamic Factors Affecting the Persistence of the Exxon Valdez Oil in a Shallow Bedrock Beach［J］.Water Resources Research，2010，46：W10528.

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［8］ JERNEL?V A.How to Defend Against Future Oil Spills［J］.Nature，2010，466：182－183.

［9］ 閆俊嶺，陳明，李劍.防控海洋溢油污染迫在眉睫——山東煙臺長島海域油污染事件解析［J］.環境保護，2009，（12）：43－45.（YAN Jun-ling，CHEN Ming，LI Jian.Urgent Protection of Ocean from Oil Spills：A Case Study of Oil Spills in Changdao，Shandong［J］.Environmental Protection，2009，（12）：43－45.（in Chinese））

［10］陳 堯.中國近海石油污染現狀及防治［J］.工業安全與環保，2003，29（11）：20－24.（CHEN Yao.The State of Oil Pollution of China’s Coastal Waters and the Prevention［J］.Industrial Safety and Environmental Protection，2003，29（11）：20－24.（in Chinese））

［11］OSBORN S G，VENGOSH A，WARNER N R，et al.Methane Contamination of Drinking Water Accompanying Gas-Well Drilling and Hydraulic Fracturing［J］.PNAS，2011，108（20）：8172－8176.

［12］夏玉強.Marcellus頁巖氣開采的水資源挑戰與環境影響［J］.科技導報，2010，28（18）：103－110.（XIA Yu-qiang.The Challenges of Water Resources and the Environmental Impact of Marcellus Shale Gas Drilling［J］.Science＆Technology Review，2010，28（18）：103－110.（in Chinese））

［13］BRAGG JR，PRINCE R C，HARNER E J，et al.Effectiveness of Bioremediation for the Exxon Valdez Oil Spill［J］.Nature，1994，368：413－418.

［14］U.S.Department of Energy（DOE）.Modern Shale Gas Development in the United States：A Primer［R］.Washington DC：U.S.Department of Energy，2009.

［15］長江水利委員會長江科學院.長江流域水資源安全戰略研究［R］.武漢：長江科學院，2005.（Yangtze River Scientific Research Institute.Research on Strategy ofWater Resources Safety of Yangtze River Basin［R］.Wuhan：Yangtze River Scientific Research Institute，2005.（in Chinese））

［16］馬建華.長江流域水資源面臨的形勢與可持續利用對策［J］.人民長江，2010，41（12）：1－6，9.（MA Jianhua.Situation ofWater Resources in Yangtze River Basin and Countermeasures for Sustainable Utilization［J］.Yangtze River，2010，41（12）：1－6，9.（in Chinese） ）

（編輯：姜小蘭）

Predicament of Unbalanced Oil-Gas Extraction：Spilled Oil Pollution and W ater Scarcity

XIA Yu-qiang1，LIHai-long2
（1.Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.State Key Laboratory of Biogeology and Environmental Geology，China University of Geosciences，Beijing 100083，China）

Oil-gas extraction depletes large amount of fresh water resources andmeanwhile deteriorates the environment.Itwill be a key concern for China to coordinate the national demand for oil-gas energy with the sustainable development of water resources and environment.Status quo of spilled oil pollution induced by oil-gas exploitation at home and abroad is reviewed，and main challenges in the removal of oil spill are briefly summarized.Furthermore，shale gas extraction is taken to illustrate China’s dilemma between the demand forwater resources in oil-gas industry and the emerging water scarcity.In view of the potential perils for natural resources and the environment，it’s suggested that scientific studies on water resources safety，management and supervision policy，and specific site risk assessment should be performed to cope with the potentialwater crisis.

oil-gas extraction；spilled oil pollution；water scarcity；environmental risk assessment

X37

A

1001－5485（2011）12－0077－05

2011-10-20

水利部公益性科研專項（201001005，201101004）；國家杰出青年科學基金項目（41025009）

夏玉強（1981-），男，湖南益陽人，工程師，博士，主要從事河口海岸地下水動力環境模擬、溢油污染修復研究，（電話）027-82926433（電子信箱）xiayqcug＠gmail.com；xiayq＠temple.edu。