二氧化碳地質儲存環境影響監測研究

李 康，趙學亮，袁愛軍，李旭峰

(中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，河北保定071051)

近幾年來，空氣中二氧化碳的大量排放所產生的溫室效應越來越明顯，成為世界氣象問題的一個難題，將二氧化碳儲存到地下被認為是最為有效的解決溫室氣體排放的方法。美國、英國、日本、挪威、加拿大等發達國家已經開展此類工程項目，并且相關技術也比較成熟［1］，我國于2010年開始在內蒙古鄂爾多斯盆地地區實施和建設了全國第一個二氧化碳地質儲存示范工程項目，該項目是通過一口灌注井將臨界狀態下的二氧化碳打入地下2000多m具有儲存二氧化碳能力的地層。但是在長期的地下儲存中，二氧化碳會從裂縫、井筒、斷層等泄露，或者以其他方式擴散到儲層之外，對環境造成不利的影響［2］。為了減少或者避免這些潛在的危險，項目組通過遙感監測、非人工源地震監測、水準測量、時移VSP監測、環境監測等技術手段來對二氧化碳儲蓋層的完整性、二氧化碳運移及分布情況及可能對環境造成的影響進行監控。作者將對二氧化碳地質儲存的環境監測的監測方案進行重點闡述。

1 環境監測工作的開展

隨著二氧化碳地質儲存的進行，不能排除二氧化碳的潛在的逃逸危險，環境監測是最直接，也是最有效的方法之一。因此，需要對封存區二氧化碳濃度的變化及相關環境因素進行定期監測，以便對二氧化碳發生泄漏的風險性進行評估，使其泄漏的風險降低到最低。根據項目的需要，結合當地氣候環境、地質條件等實際情況，開展了大氣環境、土壤表層環境、地下水和地表水環境的監測。

2 大氣環境監測

2.1 監測點布設的原則

(1)應相對均勻分布，覆蓋整個受到影響的區域，但是在下風向多設置，上風向少設置監測點;

(2)點位要有代表性，即全部點位測得濃度的平均值要能代表覆蓋區域的總體濃度平均值;

(3)根據區域內環境的不同劃分幾個功能區，如地裂縫、廢氣井等，要重點監測;

(4)特殊區域要加密布點;

(5)各監測點之間設置條件盡可能一致，如監測點的海拔、植被情況等，使各監測點獲得的數據具有可比性;

(6)設置監測點盡量遠離煙囪、建筑、道路等影響因素;

(7)隨著監測工作的進行，監測點位可以根據實際情況進行增減。

2.2 監測點的布設

依據環境空氣質量監測規范［3］，大氣二氧化碳濃度監測布點應用同心圓多方位布點法。同心圓多方位布點法適用于孤立源所在地風向多變的情況。

具體布點方法是:以灌注井為圓心，劃出16或8個方位的射線和若干不同半徑的同心圓，同心圓圓周與射線的交點即為監測點。根據客觀條件和需要，往往是在主導風向的下風向方位布點密些，而其他方位疏些，根據風向，東南方向進行加密。確定同心圓半徑的原則是在預計的高濃度區及高濃度與低濃度交接區應密些，其他則疏些。畫圈的距離是250m、500m、1000m、2000m。由上面原則，每圈設定12個點位，共48個點位。

結合實際情況，在灌注井示范區的東側，距離近4km的采煤塌陷區加設5個監測點;在示范區內部灌注井、兩口監測井和二氧化碳緩沖罐處加設4個監測點。大氣監測點布局如圖1所示。

2.3 監測方案的設計

大氣環境監測主要在查明當時氣象條件的情況下對空氣中CO2濃度進行監測，監測的項目包括:時間、溫度、濕度、風速、風向、大氣壓、云量、大氣穩定度和CO2濃度。

由于泄露首先是對地表的生物產生影響，故大氣CO2濃度監測主要監測近地表1.5m內的大氣CO2濃度［4］。分別對距地面高度 20cm、50cm、80cm、110cm、140cm的大氣CO2濃度進行監測，由于大氣溫度對CO2濃度的影響比較大，故也對大氣溫度進行相應高度的監測。

監測頻率設定為每個月1次，確保在每個月的月末監測，且監測的時間要保持固定，這樣采集的數據才更具有可比性。

監測儀器選用便攜式手持紅外氣體分析儀EGM－4和便攜式小型氣象站Kestrel 4000。

EGM－4是依據紅外監測的手段［5］，利用CO2吸收激光電波束的紅外光譜特性，可以測量接近地面空氣中1.5m以下的CO2濃度，其檢測范圍是10萬ppm，精度為1ppm。

便攜式小型氣象站Kestrel 4000用來監測大氣環境，包括溫度、濕度、風速、大氣壓等因子。

3 土壤表層CO2通量監測

土壤中的植物生長所需CO2在土壤氣體中的比例一般為0.2% ～4%，如果泄露的CO2導致比例超過5%就會對動植物生長產生危害，超過20%會導致植物死亡。

為了及時發現CO2逃逸的可能性，確定CO2的逃逸量，判斷CO2的來源，將損失降低到最小，進行土壤二氧化碳通量的監測是很必要的。

3.1 土壤監測點的布設

碳源對土壤氣體的影響范圍沒有空氣的大，故監測布點采用網格布點法，以示范工程場區為中心，監測1km2的范圍，根據實際監測情況，如有需要可以擴大監測范圍。

網格布點法是測量土壤環境常用的布點方法，這種布點法是將點位設在兩條直線的交點處或者方格中心，監測區域地面劃分為若干均勻網狀方格。網格大小按照示范工程場地周圍的地理環境設置，以200m的間距設置網格，每條線6個點，共36個點，監測1km2的范圍。考慮到可能對示范區內的影響較大，故在示范區內中心位置加密4個點。

3.2 土壤CO2通量監測方案

應用漢莎科學EGS－4 CO2氣體分析儀進行監測，在開機之前，將SRC－1土壤呼吸室連接在EGM－4儀器上，并且接好進氣管和出氣管。SRC－1呼吸室上的電信號插頭，連接到EGM－4分析儀的I/O端口上，管子上標有“R”的氣路管與ESM－4分析儀上的進氣口“GAS IN”相連接，另一根管子接到出氣口“GAS OUT”上。

連接好土壤呼吸室后開機，預熱到55℃之后開始測量土壤二氧化碳通量。

土壤氣體CO2通量監測方法:打開電源開關，屏幕上顯示1REC，按1鍵，儀器進入預熱狀態，預熱完畢后，屏幕上顯示“SOIL RESP.DATA RECORD 1ALL 2END”，其中，1ALL是全數據存儲，2END是存儲最終結果。通常選擇存儲最終結果，按2鍵后顯示 “DATA FITTING1LINEAR2QUAD”，其 中1LINEAR是線性處理，2QUAD是二次方程處理，在呼吸速率不是非常高時采用線性處理方式。按1鍵，之后按“Y”鍵，將土壤呼吸室置于土壤表面，這時呼吸室的風扇高速運轉，向外吹風，將室內的高濃度的CO2氣體交換出來，等待15m的時間后按“Y”鍵開始測量，得到土壤氣體CO2通量。每個點位重復三次以上操作，取平均值。

監測頻率為每個月監測1次，全年共計12次。

4 地下水及地表水檢測

CO2泄露對淺層地下水及地表水的影響主要有:導致pH值降低，酸性增強;增加水中微量元素的富集程度;礦體重金屬進入飲用地下水引起重金屬污染;高含鹽量的鹵水進入蓄水層，破壞水質。所以對地下水及地表水的監測目的是判斷是否發生CO2逃逸;判斷CO2的來源;判斷CO2逃逸對淺層水水質的影響。

4.1 監測點布設

在示范工程場區周圍5km范圍內，依據《地下水環境監測技術規》(HJ/T64－2004)的有關要求，和當地地下水流向及地勢的高低情況，確定監測點的位置。

4.2 監測方法

地下水及地表水的檢測分為兩部分，包括現場檢測和實驗室檢測。

(1)現場監測應用美國哈希便攜式多參數水質分析儀。現場監測的參數有水位、水溫、氣溫、pH值、電導率、TDS(礦化度)等。

水位檢測:通過帶刻度的浮子式水位儀測量。

pH值測量:連接pH探頭到便攜式多參數水質分析儀，將探頭插入被測液體內，開機，穩定后按6鍵，就開始測量pH值，等待幾分鐘，聽到儀器滴滴作響，就可以讀取數據了，按“READ”鍵讀取數據。

電導率、TDS、水溫的測量:取下 pH探頭，插上檢測電導率、TDS等的探頭，按4鍵，開始測量，等待1min，聽到儀器滴滴作響，就可以讀取數據，按“READ”鍵讀取數據。

(2)實驗室通過大型水質儀器進行水樣的全分析檢測。測試指標包括 pH值、K+、Na+、Ca2+、 Mg2+、 總 Fe、 Mn、 F－、 Cl－、 NO2－、NO3－、S、HC、C、OH－、礦化度等。水樣送測試單位后，由測試單位按照國家、部門、行業有關標準嚴格執行。

5 小結

以上二氧化碳地質儲存的環境監測方法經過2a的實施，取得了一定的成果，能夠初步了解二氧化碳地質儲存對當地大氣、土壤、地下水及地表水的一定程度影響，對二氧化碳的逃逸具有監視作用，如果逃逸發生了，可以達到預警的功能，將逃逸造成的損失降低到最小。

［1］METZ B，DAVIDSON O，CONINCK H，et al.IPCC Special Report on CO2Capture and Storage［M］.Cambridge，UK:Cambridge University Press，2005:195 －276.

［2］張森琦，刁玉杰，程旭學，等，二氧化碳地質儲存逃逸通道及環境研究［J］.冰川凍土，2010，32(6):1251－1261.

［3］國家環保總局公告2007年第四號.環境空氣質量監測規范(試行)［S］.

［4］許志剛，陳代釗.CO2地下埋存分布狀況及環境影響的監測［J］.氣候變化研究進展，2008，4(6):363 －368.

［5］趙學亮，郭建強，史云，等.二氧化碳地質儲存動態監測［J］.環境監控與預警，2011，6(3):4－7.

［6］劉立新，周凌晞，張曉春，等.我國4個國家級本底站大氣CO2濃度變化特征 ［J］.中國科學，2009，39(2):222－227.

［7］Emberley S，Hutcheon I，Shevaller M，et al.Geo－chemical monitoring of fluid－rock interaction and CO2storage at the Weyburn CO2－injection enhanced oil recovery site，Saskatchewan，Canada［J］.Energy，2004，29(9 －10):1393 －1401.