頁巖氣開發場地地下水污染風險評價研究進展

唐 攀 陳學忠 楊曉敏 胡攀峰 辛蓓蓓 高 歡 畢文平

(1.中國石油西南油氣田分公司;2.四川長寧天然氣開發有限責任公司;3.中國石油物資有限公司質量安全處)

0 引 言

頁巖氣勘探開發利用對于有效緩解資源壓力、改善我國的能源消費結構具有重要的現實意義[1]。然而,頁巖氣開發過程可能會對周邊環境產生一定的污染風險[2-4]。四川盆地(川南地區)成為我國頁巖氣開發的先導者和主力軍(區塊),并在長寧—威遠建立了國家級頁巖氣示范區。然而,這些地區生態系統敏感脆弱,局部巖溶發育強烈,且位于長江上游生態屏障區,增加了頁巖氣開發對環境影響的復雜性和不確定性。如何評估頁巖氣開發過程對土壤地下水造成的環境風險,形成適用于巖溶高度發育的頁巖氣開發過程環境風險評價技術,是尚待解決的科學問題。

與其他環境要素不同的是,土壤、地下水污染具有明顯的滯后性,盡管在頁巖氣開發前期的環境影響評價工作中,做出了相對比較全面的風險評價。但是,圍繞頁巖氣開發全過程的風險評價特別是針對土壤地下水的潛在污染風險研究相對薄弱,不同生產階段潛在污染因子及風險不盡相同,更需要結合不同生產階段產污特征來開展污染風險評價。常規油氣開發項目的風險評價為頁巖氣開發風險評價提供了借鑒與參考,但頁巖氣不同開發階段的風險識別及評價的定量分析缺乏系統認識與研究。本文從介紹常規風險評價技術開始,闡述了頁巖氣開發場地污染風險評價現狀,特別討論了過程模擬法中的關鍵難題——巖溶介質地下水數值模擬進展情況,以期為頁巖氣開發項目環境風險評價提供技術支撐與理論指導。

1 污染場地風險評價的理論與方法

污染場地健康風險評價過程中,需要掌握場地各介質污染物種類現狀,同時要對其后續遷移轉化、暴露途徑等進行全面分析,最終估算出對人體健康危害的概率及可能程度。我國早期的環境風險評價主要集中在事前風險評價[5-8],現有風險評估導則[9]采用的模型和參數則借鑒西方發達國家。自2016年國家發布《土壤污染防治行動計劃》以來,我國土壤污染防治理念發生了重大轉變,從“一刀切”的指標控制到綜合污染風險防控,形成了HJ 169—2018《建設項目環境風險評價技術導則》、HJ 25.3—2014《污染場地風險評估技術導則》等技術規范。

目前,土壤污染風險主要開展健康及生態風險兩類評價,地下水污染風險評價主要采用DRASTIC改進方法、過程模擬法以及不確定分析法等,難點在于準確篩選復雜水文地質條件下,如何構建適合我國的風險評價指標[10]。土壤、淺層地下水污染風險評價模式大多按照“風險=本質脆弱性×污染物超標概率”處理,真正將生態環境風險、健康風險以及環境災害理論納入風險分析的研究較少。

現有地下水風險評價方法中,DRASTIC改進方法應用最為廣泛,涉及評價因子及水文地質要素較為全面,但在評價指標賦值和分配權重時,容易受到人為主觀性的影響。統計方法主要依靠邏輯回歸分析法、線性回歸分析法等,可避免人為主觀性影響,篩選出的地下水污染主要因素也較為客觀,但所需資料信息量大,主要依靠數據的完整度。過程模擬法通過建立水流和污染質遷移模型,將各項指標定量化得到評價綜合指數,可較好模擬地下水污染物的遷移規律。該方法需要大量的監測數據和資料信息,且模型的參數較多、求解復雜,優勢在于可得到風險等級及污染發生的時間和地點、污染物濃度、污染面積等,所需模型(HYDRAUS模型、MODFLOW&MT3D模型、FEFLOW模型等)較為成熟,適用于小區域低風險評價[11-12]。

頁巖氣開發場地水文地質條件復雜,勘探開發作業具有多工種、多工序、立體交叉和聯合作業等特點,在勘探開發過程中所造成的潛在風險亦和普通場地有很大差別[13-14]。目前,針對特定污染場地的模型與數據庫不完善,而決定風險評估結果準確性的關鍵是獲取適合實際場地的模型與參數,直接采用國外的模型與參數所得結果略顯失真。因此,有必要研究適合于頁巖氣開發場地土壤地下水污染風險評價技術體系。

2 頁巖氣開發場地污染風險評價研究進展

以長寧、威遠等為代表的國家級頁巖氣示范區,開發區溶洞發育,存在著巖溶泉及大型管道流。盡管有50 m左右的包氣帶,但裂隙及巖溶管道的發育,使得包氣帶防污性能變弱,偶然事故產生的油基鉆屑及其浸出液滲漏等因素則可能對土壤地下水產生影響[15]。因此,建立過程模型來描述目標污染物在包氣帶、飽和帶內的物理—化學—生物變化和隨地下水流的遷移轉化,并借助相關實測數據資料,可以較為準確的描述污染物在介質中的遷移過程及范圍,進而獲取風險等級及范圍(如圖1、圖2所示),可為區域土壤地下水資源保護提供合理化的指導。

圖1 某場地溶質運移模擬結果

圖2 地下水污染風險評價結果

針對頁巖氣不同開發階段的特點,構建出過程模型來開展不同情景下的污染物遷移范圍及風險等級評價,是適合于頁巖氣開發不同過程(勘探—鉆井—壓裂返排—生產)對場地土壤地下水污染風險評價的有效方法。但是,過程模擬法評價結果的準確性主要取決于污染物遷移模型的構建,而頁巖氣開發典型場地巖溶較為發育,考慮巖溶介質的地下水流及溶質運移模擬本身就屬于科學難題,諸多問題一直在完善及發展中。原因在于,巖溶水系統介質中存在裂隙及管道,與基質滲透性差異大,水流機制亦不同。因此,提高過程模擬法評價污染風險科學性的研究點主要集中在如何發展巖溶介質數值模擬。由于土壤包氣帶水分運移模型及地下水流模型均可用達西流描述,區別在于包氣帶非飽和介質的各項參數更為復雜,本文以地下水為代表,介紹巖溶介質地下水流及溶質運移模型的研究進展。

2.1 巖溶介質地下水數值模擬

目前,研究中主要解決的問題是如何將巖溶裂隙系統概化,并在求解過程中解決同一節點在兩種介質中的連續性問題。現在的巖溶水流動模擬方法將巖溶含水層中的介質概化為雙重介質、三重介質,或者全部等效為一種多孔介質,試圖用多孔介質滲流理論解決非連續的裂隙介質。

2.1.1 地下水流模擬

1)等效多孔介質模型

該方法將裂隙及管道概化為孔隙的組成部分,不考慮其空間展布和水力特性等方面的差異,并利用分布參數法將連續介質滲流理論應用到非連續的裂隙介質中[16]。等效連續性方程見式(1)。

(1)

式中:ρ為密度,kg/m3;K為滲透系數,m/d;h為壓力水頭,m;n為孔隙度,無量綱;t為時間,d。

模型中分區處理巖溶裂隙,用具有等效水力特性的多孔連續介質替代原生和次生巖溶裂隙的孔隙度和水力傳導系數。等效多孔介質法原理簡單,但水動力場模擬結果與實際結果差異性較大,某些特定指標可以實現“等效”[17]。

2)雙重介質模型

雙重介質模型是將巖溶裂隙含水層概化為裂隙—孔隙或裂隙—管道雙重介質,并認為裂隙主要起導水作用而孔隙則主要儲水。概化的雙重介質分別遵循一定的參數描述,且在參數上是獨立的,但在水動力學上,基質和裂隙之間存在水力聯系,如何刻畫裂隙網絡并考慮裂隙與含水層基質的水交換量是個科學難題。為此,研究者采用了不同的方法,例如用管道網絡表征裂隙網絡系統(Clemens)、引入裂隙直徑、概化出交換系數來描述裂隙與含水層基質的水交換量(Stephen)、利用圓形管道來代替裂隙(Romero)等[18-20],主要將問題的矛盾集中在相關參數中。后續,引入了交換系數方程,將不同介質的水量交換問題耦合。例如,Cornaton等[21]引入孔隙權重的方法,用水流交換系數和儲水系數描述介質間水量交換,較好地適用于高度非均質系統。

3)三重介質模型

三重介質模型比較全面地刻畫了巖溶區的水文地質特征,與實際最為接近,并具有相關定量指標,故被諸多研究者所認可。目前,正在開展不同介質(孔隙、裂隙和巖溶管道)間的水流交換算法的持續改進。不同水流模型對比如表1所示。

表1 不同水流模型對比

2.1.2 溶質運移模擬

利用識別校驗后的水流模型構建的溶質運移模型,可提高模型準確度與精度,但復雜程度會上升[25]。到目前為止,圍繞巖溶介質溶質運移模型更多是基于采用等效多孔介質的水流模型,很少有學者利用雙重和三重介質模型。溶質運移模型一般都采用對流—彌散模型,描述有內部源或匯的三維對流—彌散溶質運移方程見式(2)。

(2)

式中:Dij為彌散系數分量(二秩對稱張量),i,j代表x,y,z或x,y方向,m2/d;qi為達西速度分量,m3/d;θ為孔隙度,無量綱;qs為源匯項流量,m3/d;Cs為源匯項濃度,mg/L;C為溶解于地下水中的污染物濃度,mg/L。

巖溶水介質模型可分為大尺度與小尺度兩種模型,其中大尺度模型主要應用于生產實踐研究。目前,巖溶水溶質運移大多以等效介質模型和雙重介質模型為主[16-17]。由于巖溶發育的不連續性、非均勻性和各向異性,不能揭示相對不透水巖體、裂隙巖體系統以及具有連通性的復雜巖溶裂隙網絡等因素,鮮有文獻報道采用三重介質模型來研究巖溶介質溶質運移。

2.2 頁巖氣開發場地污染風險評價

鑒于頁巖氣開發過程的復雜性與特殊性,國內研究者開展污染風險評價時,著重將研究點集中在油基巖屑,或者水力壓裂過程對于淺層地下水的影響上。圍繞油基鉆屑污染場地開展了健康與環境風險評估,而針對淺層地下水則主要以評價地下水水質現狀[26],或者開展脆弱性評價為主,大多采用半定量法(AHP)確定評價指標權重,并結合區域開采污染負荷進行地下水風險評價[27]。

評價對地下水環境影響時一般以返排液作為風險源,并在評價指標篩選方法上取得了一定的認識[10]。在研究水力壓裂過程對于淺層地下水影響時,主要以過程模擬法為主,借助FEFLOW、MODFLOW等軟件,構建二維非均質、多組分溶質運移模型,模擬不同情境下污染物的遷移行為,評估對地下水影響的可能性。但是,對于裂隙空隙,仍利用等效多孔介質方法進行概化,以多孔介質滲透系數代替裂隙滲透系數[28-30]。2021年,侯杰等將地下暗河運用管道流方程模擬,仍然將管道流、非暗河含水層概化為等效多孔介質中的達西流[31],研究結果顯示,模擬精度較好,但較難獲取管道參數,巖溶管道形態變化也無法精準刻畫。目前,更多研究聚焦在水力壓裂過程,圍繞頁巖氣開發全過程的環境風險評價研究略為薄弱。環境要素大多僅涉及地下水,單獨針對土壤或者將土壤-地下水耦合來研究污染風險的文獻鮮有報道。

3 結論與展望

巖溶發育較好的頁巖氣開發區,污染物在土壤、地下水中的遷移轉化較為復雜。目前,圍繞頁巖氣開發場地土壤地下水污染風險評價,應該從如下方面展開。

1)應加強頁巖氣開發不同生產階段土壤、地下水污染監測,同時拓展風險評價指標篩選的理論與方法,篩選識別出特征評價指標,進而建立科學的污染風險評價指標體系,是形成頁巖氣開發全過程環境風險評價技術的前提與關鍵。

2)過程模擬法適合于巖溶介質高度發育的頁巖氣開發過程環境風險評價,但應加強地質、水文地質資料收集,獲取巖溶通道、裂隙幾何特征以及相關的參數,突破等效多孔介質進行模型概化的不足,為構建三重介質模型、提高模擬結果的科學性奠定基礎。

3)應加強頁巖氣開發過程對于土壤污染風險的研究,并將土壤-地下水耦合開展污染風險評價,同時開展頁巖氣開發全過程(勘探—鉆井—壓裂返排—生產)的環境風險評價,為頁巖氣綠色開發提供理論指導。