晉城區煤層氣井產氣階段排出水對環境的影響研究

張 強，王紫襄，李明亮，周曉婷，夏 拓

（中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州221008）

1 引言

煤層氣是由煤層生成并主要以吸附狀態儲集于煤層中的一種非常規天然氣，其主要成分是甲烷，煤礦俗稱為瓦斯。在煤層氣的開采過程中，需采取排水降壓以降低煤層中靜壓，這部分水量較大，而且持續時間較長，Rice和Fisher統計了美國多個地區單個煤層氣井平均產水量［1］，在美國煤層氣開采區，單井排水量為3.98～66.62m3／d，總氣水比值為5.75m3／103m3，“十二五”規劃我國煤層氣地面井產氣量160億m3，每開采1000m3的煤層氣排水量按照5.75m3計算，則煤層氣開采排水量將高達0.92億m3／年。

本文通過對沁水盆地的水樣進行化驗，對其可能造成的環境影響進行了相關研究。

2 水質分析

2.1 物理分析

經過對寺河、潘莊、樊莊等地的煤層氣井排出水的水質分析和資料收集，水質物理分析結果見表1。

由表1可見，晉城區各煤層氣井排出水的物理性質差別不大，多為無色透明狀，無渾濁物，個別水質有少量懸浮物，口味為微咸或無味。

表1 晉城區水質物理分析結果

2.2 化學分析

經過對SHX104－1、PZP01－1、FZ－001、FZ006煤層氣井排出水做的水樣分析和資料收集，可以發現其中有K＋、Na＋、Ca2＋、Mg2＋、Fe2＋、Fe3＋、NH＋4、Cl－、F、SO2－4、HCO－3、CO2－3、NO－3、NO－2、OH－等離子，其中K＋、Na＋占到陽離子總量的92%～96%，其次為Ca2＋、Mg2＋，含微量Fe2＋、Fe3＋、NH＋4，陰離子以HCO－3為主，約占陰離子總量的85%～90%，其次為Cl－，再次為SO2－4、CO2－3，其中PZP01－1井含有F－，重金屬離子中只對SHX104－1井做了Pb和Cu離子檢測，分別0.94mg／L、0.02mg／L，研究區產氣階段排出水的 pH值范圍為6～9，礦化度1500mg／L左右，總硬度較低，總體而言，采出水最明顯的特征是高礦化度、高鹽度。

3 排出水對環境的影響

3.1 對土壤及植物的影響

3.1.1 晉城地區土壤狀況

晉城地區土壤可分為8個土類，在布局上大體可分為4種類型：①宜牧土壤，分布于沁水的舜王坪和陽城的圣王坪；②宜林土壤，分布于沁水、陽城、陵川中山地帶；③宜農、林、牧綜合利用的土壤，分布于沁河、丹河兩大水系之間的分水嶺和沁河以西，丹河以東的低山土丘及黃土丘陵地帶；④宜農土壤，分布于沁河、丹河兩岸的一、二級階地和澤州盆地，是全市農作物高產的主要土壤。

3.1.2 研究區氣候及降水條件

研究區屬暖溫帶濕潤大陸性季風氣候區，受大陸性季風影響強盛而持久，四季分明，冬長夏短，雨熱同季，四季之中，春季干燥多風；夏季炎熱多雨，降水量年際變化大；秋季溫和涼爽，陰雨稍多；冬季寒冷雪少。降水量在624.6～180.8mm之間，年平均降水日數為90～98d。

3.1.3 影響土壤養分平衡

土壤養分含量高利于作物生長，增加產量，但也存在污染隱患，含量低則不能滿足作物需要，導致產量減少、地力虧損。土壤氮、磷、鉀含量的高低，不僅關系到作物產量的高與低，還直接關系到土壤結構好與壞，供肥能力的強與弱。

氮素是土壤肥力中最活躍的因素之一，也是世界農業生產中的一個主要限制因子。研究區水樣中含有氨離子和硝酸態的氮，其中硝酸態的氮的積累是有害的，應該引起注意。

鉀素是植物生長需要的僅次于氮素的重要元素。它可以促進葉綠素的合成，控制葉片上氣孔的開放，提高光合作用效率，而且是許多酶的活化劑，還可以增強作物的抗逆性能，改善作物品質。水樣中K＋、Na＋占陽離子總量的92%～96%，K＋含量很高，長期排放可提高土壤中的鉀的含量。

長期排放煤層氣井采出水，基本沒有提高土壤耕層中磷素含量，而大大提高氮素、鉀素含量，為作物的良好生長奠定了基礎。不過，土壤硝態氮的累積，對土壤環境以及食品安全帶來了一定的威脅。

另一方面，土壤或水中某些特殊離子被植物吸收、聚積到一定程度時，也會引起作物損傷，一般情況下，當某些離子隨著土壤水被作物吸收，又在水的蒸騰作用中在葉子上積累到足以損傷作物的程度時，就產生了毒害［2，3］。灌溉水中的毒性離子通常是氯離子和鈉離子，且含量都很高，氯很容易隨土壤水而移動，被作物吸收，然后隨蒸騰作用最終積聚在葉子上，當葉子中的含氯量超過作物的耐受性，就產生了傷害癥狀，使葉子灼傷或葉組織干枯而壞死；鈉的典型毒性癥狀是葉子灼傷，枯黃和沿著葉子外緣的組織壞死，不同的是鈉的積聚達到毒性濃度需要一段時間（幾天或幾周），癥狀首先出現在老葉子上，從外緣開始，當癥狀加重時，逐步地在葉脈間向葉子的中央發展。如果任其廢水大量長時間的排放入土壤中，將導致鈉和氯在土壤中的平均含量，最終被植物吸收，是植物本身的鈉和氯的含量上升，使植物發生毒變癥狀。

3.1.4 影響土壤容重

土壤容重對土壤的透氣性、持水能力、入滲性能、土壤抗侵蝕能力和溶質遷移等方面都有著較大的影響。同時，土壤容重還是用來表征土壤肥力的重要指標之一，它在一定程度上反映了土壤的松緊程度。土壤容重的變化會影響到土壤的孔隙狀況，因此可以改變土壤水分的入滲規律和養分運移的情況。有研究表明，隨著營養物質的不斷積累，同時也造成了土壤板結，土壤緊密化的現象，直接影響到了作物的生長和發育，同時影響土壤對環境的協調能力。

此外，研究區產氣階段排出水的礦化度在1500mg／L左右，總硬度較低，曾有前人以棉花為例進行生長期觀察，并證明，當礦化度達到1～2g／L時，棉花產量開始下降。隨礦化度增加，產量相應減少，礦化度分別為：1～2、2～4、4～6g／L，減產率分別為4.5%、11.5%、31%，水稻比棉花的耐堿性差，所以礦化度較低時，開始出現產量減少的趨勢，表明高礦化度影響農作物產量，使農作物產量減少。同時，研究區如此高的礦化度的水如果長期排放入土壤，勢必會造成土壤的礦化度增高，導致的土壤積鹽、板結硬化，不利于土壤團粒結構形成和養分活化積累，還使得土壤密實度增加，影響土壤根部的呼吸作用，導致植物根部腐爛壞死，最終導致植物死亡，這也是不容忽視的。

3.1.5 影響土壤重金屬含量

據研究，重金屬會使蛋白質發生不可逆轉的變性，植物細胞膜和里面都有蛋白質，重金屬會使細胞發生病變，失去原有的活性，使植物生長受到嚴重影響［4］。某些過量的有害重金屬能與植物細胞原生質中的蛋白質結合，即便減少死亡細胞的含量，也能置換植物酶蛋白質中的某些金屬元素，使酶的活性受到抑制，產生阻礙呼吸等系列代謝過程，影響植物生長。

根據資料，含銅污水灌溉農田，其最高允許量應在2.0mg／L左右，含鉛污水灌溉農田，其最高允許量應在1.0mg／L左右，通過對SHX104－1井做了Pb和Cu離子檢測，分別為0.94mg／L、0.02mg／L，皆未超過排放最高指標，但是在少雨季節時，如果長期排放，勢必會增加土壤中原有的重金屬含量，打破原來的平衡，對當地農作物和植物造成嚴重的損害。例如土壤含銅過高時，可極顯著地降低蘋果葉片葉綠素含量。對于作物危害主要積累在根部，造成根系發育惡化，減弱了根對各種營養成分的吸收。并且危害的程度隨著超標程度的增加而增大。

3.1.6 影響土壤pH 值

在眾多受關注的土壤理化性質中，土壤pH值也是一個非常重要的指標，酸性水使土壤酸化，能直接或間接地阻礙作物的生長發育，可使許多重金屬鹽類的溶解度增大，使土壤中有害金屬的毒性加劇，堿性水不僅可使土壤造成次生鹽堿化，并能使土壤板結，物理性狀惡化，影響作物生長。通常，受到煤層氣采出水灌溉的土壤與該區域沒有收到過煤層氣采出水灌溉的土壤相比具有較高的pH值，這正是受到煤層氣井采出水的影響。研究區產氣階段排出水的pH值范圍為6～9，偏于堿性，植物可接受的正常的pH值范圍是6.5～8.5，一方面，煤層氣采出水的pH值范圍為6～9，基本上在植物可以接受的范圍內，另一方面排放水的pH值對土壤pH值的影響是十分緩慢的，所以煤層氣井采出水對植物的影響不大［5］。

3.2 對地下水的影響

3.2.1 沁水盆地南部地下水文特征

山西沁水盆地南部地區含水層主要為碳酸鹽巖、砂巖和松散沉積層，隔水層主要為泥質巖類，某些地段特定層位的致密碳酸鹽巖也能起到一定阻水作用。含水層與隔水層形成完整的具有補給、徑流、排泄的地下水系統條件。其地層地下水富水程度相對較高，水質類型以HCO3·SO4－Ca·Mg型為主，且隨含水層埋深增大，水化學類型由 HCO3·SO4－Ca·Mg型向SO4－Ca·Mg型轉化［6］。該地區地下水礦化度高達1500mg／L，且鹽度較高，總硬度相對較低。

3.2.2 煤層氣開采對地下水系統影響

煤層氣開采對地下巖溶水環境影響分為兩個方面，一方面是開采活動對地下水系統結構和流場的影響，沁水盆地煤系地層富水性弱，出水量較小。一般開采初期排水量較大，后期排水量逐漸減少。該區煤系地層深埋地下水，補給條件較差，煤層氣井排水將導致其周邊區域煤系地層地下水水位下降，長期的采氣排水施工也可能使斷裂帶附近地下水流場發生改變，使得越流補給煤系地層地下水的水量增加，但反補給的水量很有限，且隨著采氣排水的結束，煤系地層水位會逐漸恢復，補排關系將逐步恢復。另一方面與采區下伏巖溶水系統的發育狀況有關。由于地層巖溶發育程度不均，在不同區域巖溶水賦存的層位、富水性及水壓值等存在很大差異。

煤層氣開采也會使得煤系地層淺埋露頭區排泄量減少，局部補排關系發生變化；而且造成煤系地層裂隙承壓水向上越流量減少甚至逆轉，進而影響淺層地下水。

煤層氣的開發對巖溶地下水系統影響微弱，且影響是階段性的，隨著煤層氣井的關閉，影響將基本消除［7］。

3.2.3 煤層氣開采對地下水水質的影響

由于研究區域的處理方式一般為注入到含水層，所以水質的好壞直接影響到含水層的水質，2011年10月4日在PZP01－1、SHX104－1等井出水口進行了采樣。監測結果顯示煤層氣井抽采排水水質，pH值8左右，礦化度較高達1500mg／L以上，水質類型屬HCO－3K＋Na型，總硬 度 70mg／L 左 右，負硬 度 900mg／L～1500mg／L，為典型的煤系地層地下水水質特征，排水水質總體主要反應礦化度較高，其他有害元素均未超過限制，水質符合污水綜合排放標準一級標準的要求，所以對地下水水質影響不大。

3.3 煤層氣井采出水處理方案分析

現有煤層氣井采出水的處理技術主要包括直接排入地表水體、修筑蓄水池并處理、注水到含水層和直接用于土壤灌溉系統［8］等處理方法，研究區域的處理方式一般為修筑蓄水池過濾后注入到含水層，此種方法對于晉城地區較為合理。

4 結語

（1）晉城區煤層氣井排出水有明顯的高礦化度和高鹽度，且排出水中的某些元素含量不很穩定，在開采初期和中后期離子含量有很大變化，pH值和硬度一般不超過國家標準。

（2）煤層氣井長期排放廢水會造成土壤積鹽、板結硬化，土壤緊密化的現象直接影響土壤生物和作物的生長發育，進而影響土壤對環境的協調能力，造成土壤污染，干旱季節也可能會造成土壤中重金屬的積累。

（3）煤層氣井排放廢水中鈉和氯的含量都較高，植物吸收后會發生毒變癥狀，水中重金屬長期在土壤中積累也會影響到植物的正常生長，土壤鹽堿化會嚴重減少植物根系的氧氣利用和根系周圍的通氣性，使耐鹽、鈉等一些外來物種逐漸占據優勢，成為優勢種。

（4）水中所含物質大多無害，水質符合污水綜合排放標準一級標準的要求，因此對地下水造成的影響不大，即使有微弱的影響，當煤層氣井停止運營時，也會慢慢恢復常態。

［1］ Rice C A.Production waters associated with the Ferron coalbed methane fields，central Utah：chemical and isotopic composition and volumes［J］.International Journal of coal Geology，2003（56）：141～169.

［2］ RS艾爾斯.農用水質［M］.北京：中國農業科技出版社，1988.

［3］ 趙香梅，田富銀，黃金連.淺析農用灌溉水質問題［J］.青海環境，2001，11（3）：136～137.

［4］ 王云寶.農業灌溉水質指標參考綜述［J］.黑龍江水利科技，2006，34（1）：56～57.

［5］ 師榮光，王德榮，趙玉杰，等.城市再生水用于農田灌溉的水質控制指標［J］.中國給水排水，2006，22（18）：100～104.

［6］ 王紅巖，張建博.沁水盆地南部煤層氣藏水文地質特征［J］.煤田地質與勘探，2001，29（5）：33～36.

［7］ 岳鵬翼.晉城潘莊區塊煤層氣開采對地下水環境影響分析［J］.水資源管理，2010（4）：25～26.

［8］ 崔巖山，琚宜文.煤層氣采出水水質及其對土壤和植物影響研究進展［J］.環境科學與技術，2011（11）：25～30.