頁巖氣井場區域土壤重金屬含量特征及生態風險評價

李 炎，田冬梅，賴 星，孟曉霞，袁 林，許 瑤，徐 敏，伍 鈞*

（1.四川農業大學環境學院，成都 611130；2.四川省環境保護科學研究院，成都 610041）

目前，開采頁巖氣主要采用水力壓裂技術，即將化學物質和大量水、泥沙的混合物，用高壓注入地下井，壓裂附近的巖石構造，進而收集天然氣[1]。頁巖氣的開采存在一定的環境污染隱患：首先含有化學試劑的壓裂液注入地下可能污染地下水，返排液中含有高度礦化的地層水[2]，如處置不當會對生態環境造成極大的危害，尤其是對周圍土壤環境的影響。其次，頁巖氣開采壓裂作業完成后有15%～80%的返排液會排至地面[3]，這些返排液中含有大量的添加劑、碳氫化合物、重金屬、鹽分及放射性物質等多種化學物質[4-5]，若滲透到土壤中，將會對土壤造成嚴重影響。最后，鉆井廢水遇降雨漏排事故，會使附近農田土壤、地表水體水質受到不同程度的污染[6]。有關研究表明，工業區、油田井場周邊土壤存在一定程度的重金屬污染，具有較高的生態風險[7-8]，工業活動可能對區域重金屬積累有一定影響[9]。而我國頁巖氣勘查開發處在探索試驗階段[10]，頁巖氣開采對井場周圍土壤環境的影響鮮有報道，因此對頁巖氣井場周圍土壤重金屬進行調查并開展生態風險評價研究具有重要意義。

本文擬對不同功能階段及集氣中心站4 個頁巖氣井場外圍區域土壤進行采樣分析，探究土壤中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb 的含量，并采用單因子指數、內梅羅綜合污染指數與潛在生態風險指數對井場周圍土壤重金屬進行評價，旨在為頁巖氣開采的土壤環境影響提供基礎數據及環境污染風險預測，為頁巖氣產業可持續發展提供數據支撐。

1 材料和方法

1.1 研究區域概況

研究區域位于四川省某頁巖氣開采區，該地區地勢南高北低，地形為狹長形，海拔最高處1 642 m，最低處310 m，境內層巒疊嶂，山脊多呈鋸齒形，長崗狀；地體多由石灰巖和紫色頁巖組成，巖溶地形特征明顯，多溶洞、漏斗、石筍、石灰巖等。丘陵和平壩面積小，以中低山地為主，有少數巖溶沖積壩。當地屬亞熱帶氣候，年平均氣溫18.2 ℃，年總降水量1 143.6 mm，年日照總時數829.8 h。

1.2 土壤樣品采集與測定

為了探究頁巖氣整個開采過程對周圍土壤重金屬的影響，選取兩個不同開采階段的井場S1、S3，一個含油基處理站的特殊井場S2 及未進行開采但收集整個地區頁巖氣的井場S4 共4 個具有代表性的井場為研究對象（見表1），在每個井場外部以井場為中心，按照隨機、均勻、等量的原則采集井場四周200 m 內0～20 cm 深度土壤樣品。采樣中盡量避開外來土層，每個樣品采用隨機多點混合、四分的方法采集。土壤樣品分布情況如圖1所示。樣品帶回實驗室后，挑出動植物殘體、石塊、結核等雜物，風干，過100 目篩，裝袋備用。土壤樣品各重金屬含量參照土壤和沉積物14 種金屬元素的測定方法進行分析測定[11]。

1.3 污染評價方法

以各井場對照點平均值為參比值，采用單因子指數法、內梅羅綜合污染指數法、潛在生態風險指數法評價頁巖氣開采井場區域土壤重金屬污染情況。

表1 采樣方案Table 1 Sampling scheme

圖1 研究區采樣分布圖Figure 1 Sampling distribution map of the study area

1.3.1 單因子指數法及內梅羅綜合污染指數法

土壤污染程度采用單因子指數法及內梅羅綜合污染指數法[12]進行評價，污染等級劃分標準見表2。

式（1）中Pi為土壤重金屬元素i 的環境質量指數；Ci為元素i 的實測含量；Si為元素i 的參比值。

式（2）中P 為土壤綜合污染指數；Pimax為土壤中單項污染物的最大污染指數；Piave為土壤中各污染物的平均污染指數。

1.3.2 潛在生態風險指數法

1.3.3 參比值的確定

選用區域內各井場外圍2 000 m 外少受人為活動干擾的沒有進行農業種植的、土壤類型相同的9 個自然土壤樣點作為對照樣點。樣品采集和實驗方法與本文1.2 節相同。計算各重金屬元素檢測值的算術平均值作為參比值。與四川省土壤背景值[15]相比各種金屬元素含量均不同程度高于四川省土壤背景值，具備一定區域特點，可作為評價的參比值（表4）。

1.4 數據處理

試驗數據處理采用Excel 2013 軟件分析處理。

2 結果與分析

2.1 重金屬含量分析

4 個頁巖氣井場周圍土壤中重金屬含量見表5。由表5可知，4 個井場各重金屬元素平均含量均低于參比值，但各井場均存在部分樣點重金屬元素含量略高于參比值，其中超過參比值的樣點數量及倍數最高的為S2 井場。各井場采樣點土壤重金屬含量與《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準篩選值》[16]相比，S1、S3、S4 井場部分樣點 Cd 超標，超標倍數分別為 0.41～1.35、0.05～1.50、0.14～1.07，點位超標率分別為60.00%、66.67%、77.78%。S2 井場部分樣點 As、Cd 超標，超標倍數分別為 0.07～0.45、0.15～3.48，超標率分別為 14.28%、56.52%。Cd 為井場周圍土壤主要超標元素，4 個井場周圍土壤Cd 平均含量表現為 S2=S3＞S4＞S1，其中 S2、S3 井場周圍土壤Cd 含量相對較高，但均低于參比值，表明頁巖氣開采對井場周圍土壤重金屬含量無明顯影響。

表2 土壤重金屬污染等級劃分標準Table 2 Criteria of pollution grade of soil heavy metal

表3 潛在生態風險分級標準Table 3 Classification standard of potential ecological risk

表4 背景值選取Table 4 Background value selection

表5 各井場外圍區域土壤重金屬含量統計Table 5 Statistics of soil heavy metals in the periphery area of each well field

變異系數可以反映人類活動對重金屬含量的影響程度。變異系數越大，存在點源污染可能性就越大[17]。變異系數＜0.15 為弱變異，變異系數＞0.36為強變異[18]。由表可以看出，井場S1、S2 土壤Cd 與S4 土壤Pb、Cr 均為強變異，變異系數分別為0.43、0.56、0.53、0.40。井場S3 土壤所有重金屬均為中等變異與弱變異，其中Cr 具有相對較高變異系數，為0.35。4 個井場周圍土壤受人為影響較大的重金屬元素各不相同，其中井場S1、S2 土壤Cd 與井場S4土壤Pb、Cr 含量均受到相對較強的人為影響。

2.2 土壤重金屬污染評價

4 個頁巖氣井場周圍土壤重金屬單因子及綜合污染指數評價結果見表6。由表6可知，S1 井場有20.00%土壤樣品Ni、40.00%土壤樣品Pb 為輕度污染，S2 井場有33.34%土壤樣品Cr、42.86%土壤樣品Ni、38.09%土壤樣品 Cu、38.10%土壤樣品 Zn、33.33%土壤樣品 As、42.85%土壤樣品 Cd、28.57%土壤樣品Pb 為輕度污染，S3 井場有38.89%土壤樣品 Cr、16.66 土壤樣品 Ni、22.22%土壤樣品 Cd 為輕度污染，S4 井場有5.56%土壤樣品Cr、22.23%土壤樣品Pb 為輕度污染，但4 個井場周圍土壤各重金屬單因子污染指數平均值均小于1，無單一重金屬污染。由綜合污染指數 P 可以看出，S1、S2、S3、S4 井場重金屬輕度污染樣點占總樣點的比例分別為10.00%、71.43%、16.66%、16.67%，但 S1、S3、S4 井場周圍土壤綜合污染指數平均值均小于1，無重金屬污染；S2 井場周圍土壤綜合污染指數平均值大于1小于2，存在重金屬輕度污染。

表6 各井場外圍區域土壤重金屬單因子及綜合污染指數評價Table 6 Evaluation of single factor and comprehensive pollution index of soil heavy metals in the periphery area of each well field

2.3 潛在生態風險評價

4 個頁巖氣井場周圍土壤重金屬潛在生態風險評價結果見表7。由表7可知，各井場周圍土壤重金屬潛在生態危害主要來自Cd。S2、S3 井場存在19.05%、5.55%的樣點屬于Cd 中度風險，但4 個井場周圍土壤各重金屬生態風險指數平均值均小于40，屬輕度風險水平。由綜合潛在風險指數可以看出，各井場周圍所有采樣點均屬于輕度風險水平。

表7 各井場外圍區域土壤重金屬潛在生態風險評價Table 7 Potential ecological risk assessment of soil heavy metals in the periphery area of each well field

3 討論及結論

各井場周圍土壤無單一重金屬污染且單一重金屬生態風險均屬輕度風險，但S2、S3 井場部分樣點存在Cd 中度風險，相關文獻指出，Cd 一般是工業“三廢”排放所致，或作為施用農藥和化肥等農業活動的標識元素[12]，本研究中Cd 中度風險樣點分別位于返排液處理池附近、井場周邊農田，說明Cd 含量受到較大的人為活動影響。總體上，各井場綜合潛在生態風險程度屬輕度；S1、S3、S4 井場周圍土壤無重金屬污染，S2 井場周圍土壤為輕度污染，且輕度污染樣點均位于返排液處理池附近，可能是因為返排液遇降雨意外泄漏進而污染了周邊土壤，需注意油基處理池因降雨等意外而產生的污染物泄漏等情況，做好防范措施。

各井場周圍土壤重金屬元素含量與《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準》中的篩選值相比，重金屬 Cd 為主要超標元素，其中 S1、S2、S3、S4井場分別有 60%、56.52%、72.22%、77.78%的樣點Cd 含量超標。從平均值來看，4 個井場周圍土壤Cd平均含量表現為S2=S3＞S4＞S1，可能是因為S2 井場含特殊油基處理站，油基處理站即廢泥漿巖屑（返排液）處理處，廢泥漿巖屑若不及時處置或處置不當會大量占用土地并污染土壤[19]。S3 井場屬于正鉆井井場，鉆井過程會產生大量巖屑灰塵，可能通過大氣沉降作用進入到井場周圍土壤中。

總體上，各井場周圍雖有部分樣點土壤重金屬元素含量超標，但重金屬平均含量均低于當地對照參比值，表明當地土壤重金屬元素背景值較高，而頁巖氣開采對井場周圍土壤重金屬含量影響不明顯，但需要注意含油基處理站井場返排液的泄漏及正開采井場巖屑灰塵的處理問題，同時采取一定的防控措施降低土壤重金屬的移動性，以保證糧食安全生產。