沁水盆地煤層氣產出水對土壤鹽度的影響

王靜+李向東+馮啟言+孫悅

摘要：煤層氣產出水處理及資源化已經成為煤層氣開發的一個重要環節。研究了沁水盆地柿莊南區塊煤層氣產出水對土壤鈉吸附率（SAR值）和pH值的影響。結果表明，產出水排水口土壤飽和溶液SAR值和pH值明顯高于周圍農田，土壤不同程度地出現鈉質化現象。但總體上看，受影響的土壤范圍較小，主要集中于排水口周邊區域。單口產水井的影響范圍橫向為排水口周邊4 m左右區域，縱向為30 cm土層。

關鍵詞：煤層氣產出水；土壤；SAR值；pH值

中圖分類號： S156.4文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）02-0295-03

收稿日期：2013-10-09

基金項目：國家科技重大專項（編號：2011ZX05060-005）。

作者簡介：王靜（1988—），女，碩士研究生，研究方向為水處理與土壤修復。E-mail：1959469791@qq.com。

通信作者：李向東，副教授，碩士生導師。E-mail：xdli@163.com。煤層氣是指賦存在煤層中以甲烷為主的烴類氣體，屬非常規天然氣，儲量約占世界天然氣的30%以上[1]。我國淺埋于地下2 000 m煤層氣儲量在30萬億m3 以上，采用50%的折算系數，其可采資源量相當于153.9億t原油[2-4]。作為一種清潔高效的新型能源，煤層氣的開發和利用越來越受到重視。

為了實現煤層氣的開采，需要采用排水降壓的方式抽排出大量的煤層氣產出水[5-6]。煤層氣產出水經歷滲流、氣-水作用等多種過程，水質水量變化大，成分復雜。結合不同煤層氣開采區的生產階段和區域水質特點，我國煤層氣產出水可分為以下3種：水質較好的產出水；含少量重金屬或其他有害物質的產出水以及含氟的產出水；高鹽、高礦化度的產出水[7]。煤層氣產出水中往往含有高濃度的Na+和低濃度的Ca2+、Mg2+，從而導致高的鈉吸附率（SAR值）。如沁水盆地南部棗園區塊的開發井生產階段產出水礦化度達到 58 000 mg/L，Na+濃度達3 700 mg/L，Ca2+、Mg2+低于 20 mg/L。

目前，我國煤層勘探開發主要位于山西沁水盆地南部和鄂爾多斯盆地東緣，煤層氣產出水排出后多以地表自然蒸發的方式處置[8]。隨著煤層氣開發規模的擴大和產業化的發展，煤層氣產出水處理及資源化已經成為煤層氣開發的一個重要環節。本研究通過分析煤層氣產出水對沁水盆地土壤鹽堿化的影響，為我國煤層氣產出水的資源化利用以及環境修復提供借鑒。

1材料與方法

1.1研究區概況

柿莊南區塊隸屬于陜西省晉城市沁水縣，地勢東高西低，海拔1 000 m左右，是我國最早的煤層氣開發地之一，也是我國目前煤層氣開發投入規模最大、研究程度最高的地區之一[9]。煤層氣探明儲量控制區域面積約為5 km2，煤層氣主開采層為二疊紀山西組3#煤層，該煤層屬于無煙煤早期階段，厚度大，埋深淺且熱力穩定，煤層氣資源豐富[10]。

1.2樣品采集與制備

共設11個采樣點（圖1）。煤層氣產出水水樣用2.5 L聚乙烯桶直接取于產出水排水口，密封保存，1周內送檢。

平面土樣在產出水排水口及周邊采集，縱向土樣沿 1.5 m 深刨面采集，每個樣品取樣1 kg，新鮮土樣置于PVC密封袋中，低溫保存，用于實驗室測試。

1.3分析方法

樣品離子含量應用IC離子質譜儀檢測。土壤SAR通過式（1）計算，pH值采用電位法測定。

通過Piper 三線圖、Excel和Sufer軟件分析數據。通過對典型影響因子做空間分布等值線，分析污染物的分布趨勢；通過對典型產井周邊土壤SAR值和pH值變化情況分析產井對周圍農田的影響。

2結果與分析

2.1產出水水質特點

根據水樣離子成分，對水中主要離子的摩爾濃度百分數進行比較，將各水樣陰陽離子摩爾濃度百分含量投影到菱形圖上，繪制Piper 三線圖（圖2）。通過分析，發現TS-624井水型為Na+-HCO3-，ZH007-1為Na+-Cl--HCO3-型，HD-94為Na+-Cl--HCO3-型，HD-023為Na+-HCO3-Cl- 型，TS-633為Na+-Cl-。總體看來，研究區內煤層氣產出水中含有多種無機離子，陽離子以Na+為主，陰離子以Cl-和HCO3-為主。除以上離子外，產出水中還含有Ca2+、Mg2+、CO32-、SO42-等離子及少量NH4+、F-、NO3-、PO43-離子。

產出水陰離子中HCO3-含量過高而SO2-4濃度不高，造成這種現象的原因主要有2個：

陽離子以Na+為主而Ca2+、Mg2+含量低的原因：在較封閉的還原性環境下發生沉淀反應。HCO-3的大量存在，使Ca2+、Mg2+沉淀，從產出水中除去。Ca2+和Mg2+溶解度與HCO-3含量有關系，研究發現當HCO-3濃度高于600 mg/L時，Ca2+和Mg2+濃度基本穩定在12 mg/L 左右[11]，這和本研究離子含量檢測結果一致。

2.2產出水對土壤SAR值的影響

2.3產出水對土壤pH值的影響

研究區土壤pH值分布趨勢如圖6所示，煤層氣生產井排水口周邊的pH值在8.8以上，周圍農田土壤pH值低于855，表明產出水對土壤pH值有一定影響，但影響范圍不大。

以井ZH007-1為例，研究單口產水井的影響（圖7）。研究表明煤層氣產出水排水口0～5 cm層土壤pH值為9.8，5～15 cm層為9.9，與周圍農田中土壤pH值差異較大。土壤pH值受影響范圍為排水口周圍1 m的土壤。縱向上土壤pH值波動不大，0～30 cm土壤層pH值受產出水影響較大。

煤層氣產出水排入土壤后，NaCl、CaCl2、Na2SO4、MgSO4等中性或近中性鹽類會在表層及土體中積累，使土壤呈中性或堿性。Na2CO3和NaHCO3會使土壤溶液呈高堿度。堿化的土壤在雨季脫鹽時，鈉離子可以交換土壤膠體中的鈣、鎂離子，引起黏土顆粒散凝，使土壤物理性質下降；在旱季積鹽時，硅酸鈉會轉化為游離碳酸鈉，而增高土壤的堿性，因此適當的排水洗鹽可以減緩煤層氣產出水對土壤鹽堿度的影響。endprint

3結論

研究了沁水盆地柿莊南煤層產區產出水對土壤鹽堿性的影響。通過SAR值和pH值區域分布等勢圖可以看出排水口周邊土壤SAR值和pH值有明顯的增加趨勢，排水口附近SAR值超過 8.0 mmol1/2/L1/2，pH值在8.8以上。個別區域土壤鈉質化嚴重，SAR值達15.3 mmol1/2/L1/2，pH值接近10。單口產水井影響分析表明，產出水橫向影響范圍在排水口周圍4 m左右的地區，縱向影響深度為30 cm。總體看來，受產出水影響區域不大，集中于排水口周邊地區；但如果產水井在農田中，應配合適當的土壤修復措施，以防止土壤鈉質化嚴重。

參考文獻：

[1]Yang Z，Wu T，Li X H. Experimental studies and estimates of the explosion limit of some environment ally friendly refrigerants[J]. Combustion Science and Technology，2005，35（3）：613-626.

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[12]Oosterbaan J R. Paper discussing alkaline-sodic and acid-sulfate soils[R]. 2003.endprint

3結論

研究了沁水盆地柿莊南煤層產區產出水對土壤鹽堿性的影響。通過SAR值和pH值區域分布等勢圖可以看出排水口周邊土壤SAR值和pH值有明顯的增加趨勢，排水口附近SAR值超過 8.0 mmol1/2/L1/2，pH值在8.8以上。個別區域土壤鈉質化嚴重，SAR值達15.3 mmol1/2/L1/2，pH值接近10。單口產水井影響分析表明，產出水橫向影響范圍在排水口周圍4 m左右的地區，縱向影響深度為30 cm。總體看來，受產出水影響區域不大，集中于排水口周邊地區；但如果產水井在農田中，應配合適當的土壤修復措施，以防止土壤鈉質化嚴重。

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研究了沁水盆地柿莊南煤層產區產出水對土壤鹽堿性的影響。通過SAR值和pH值區域分布等勢圖可以看出排水口周邊土壤SAR值和pH值有明顯的增加趨勢，排水口附近SAR值超過 8.0 mmol1/2/L1/2，pH值在8.8以上。個別區域土壤鈉質化嚴重，SAR值達15.3 mmol1/2/L1/2，pH值接近10。單口產水井影響分析表明，產出水橫向影響范圍在排水口周圍4 m左右的地區，縱向影響深度為30 cm。總體看來，受產出水影響區域不大，集中于排水口周邊地區；但如果產水井在農田中，應配合適當的土壤修復措施，以防止土壤鈉質化嚴重。

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