頁巖氣開發對植被和土壤的影響研究進展

陳宏坤,杜顯元,張心昱,吳 騫,郭 宇

1 石油石化污染物控制與處理國家重點實驗室/中國石油安全環保技術研究院,北京 102206 2 中國科學院地理科學與資源研究所生態系統網絡觀測與模擬重點實驗室,北京 100101 3 中國科學院大學資源與環境學院, 北京 100190 4 哈爾濱師范大學地理科學學院,哈爾濱 150025 5 沈陽農業大學土地與環境學院,沈陽 110866

頁巖氣是指賦存于富含有機質的泥巖、頁巖及其夾層中,以吸附或游離狀態為主要存在方式的非常規天然氣,成分以甲烷為主,是一種清潔、高效的能源資源。我國是全世界頁巖氣儲量最大的國家,技術可開采儲量約31.6萬億m3,占全球儲量的15.4%,主要分布在四川、塔里木、準噶爾、松遼盆地,分別為17.7、6.1、1.0、0.5萬億m3,其余6.3萬億m3分布在揚子臺地、江漢和蘇北盆地[1- 2]。由于水平鉆井技術和大體積水力壓裂技術的發展,頁巖氣開采面積逐步增加。過去10年里美國頁巖氣鉆井呈指數增長,在2005年Marcellus-Utica-Upper Devonian片區有115口頁巖氣井,到2016年底大約有15519口頁巖氣井[3],賓夕法尼亞州允許開發的頁巖氣井有16078個[4]。截至2016年10月底,中石油長寧-威遠國家級頁巖氣示范區累計投產頁巖氣井107口,日產644萬 m3,累計產氣超過18.08億m3[5]。

與開采傳統天然氣資源相比,頁巖氣開發水力壓裂技術需水量大,在初期壓裂時每口井需水8000—50000 m3,導致北美中部2000—2012年間用水量約7.2—33.9億m3,該區域一半以上的鉆井分布于高度或極端缺水區域,水力壓裂生產頁巖氣可能會加劇其與農業、漁業、市政競爭用水[6]。目前國際上對頁巖氣開發的水資源與水環境影響關注較多[7- 9],已有頁巖氣開采和壓裂返排液對美國水資源和水質影響[7,10]、頁巖氣開采壓裂液廢水處理[11]、壓裂返排液的生物殺蟲劑使用、移動性、降解、毒性[12]方面的綜述。

雖然頁巖氣開發對環境的影響引起了廣泛的關注,但也有研究結果表明常規油氣開發的水資源污染更大,以賓夕法尼亞州的開發區為例,這主要是由于在該區域常規油氣開發點是頁巖氣點位的10倍(面積多50%)[13]。美國對Marcellus頁巖氣開發對地下水、飲用水井、地表水水質進行了評價,未發現頁巖氣壓裂液污染地下水飲水層[14]、但發現距離頁巖氣井1 km范圍內的飲用水井中有甲烷升高的趨勢[15],而頁巖氣井下游河流總懸浮顆粒物升高、廢棄物處理廠下游河水中有氯離子含量升高的現象[16]。

與采煤、地表采礦相比,頁巖氣對地表土壤的破壞較小,但是與傳統天然氣開采相比(1200 m2/平臺),頁巖氣平臺占地較大(22000—27000 m2/平臺),對地表土壤的擾動較大[17]。但目前國際上對頁巖氣開采影響水資源綜述較多,目前國際上未見頁巖氣開發對植被和土壤影響綜述。我國頁巖氣資源分布在四川喀斯特、塔里木、準噶爾盆地、鄂爾多斯盆地等干旱與半干旱生態脆弱區,生態環境一旦破壞恢復難度大。為了借鑒國際經驗,降低我國頁巖氣開發對生態環境的影響,本文綜述了頁巖氣開發與生產過程可能對生態環境的影響,重點關注對植被、土壤影響,以期為我國頁巖氣開發的生態環境保護提供依據。

1 對生態環境的潛在影響

頁巖氣開發可能對大氣圈、水圈、人類圈、生物圈、巖石圈產生影響。對大氣圈的影響包括溫室氣體、地表溫度、氣候變化;對水圈的影響包括淡水消耗、廢水、蒸發和蒸騰、當地水文循環;對人類圈的影響包括頁巖氣平臺、土地覆蓋變化、土地利用改變、空氣、水和土壤污染、噪聲、勞動力移居、社區改變、經濟增長;對巖石圈的影響包括地形地貌、風化和土壤、侵蝕和沉積、巖石組成、地震;對生物圈的影響包括生物化學循環、物種分布和多樣性、生態生境、陸地生態系統[10-11,18]。

頁巖氣不同的生產環節,包括勘探、開采、集輸過程,可能對周邊生態環境產生直接或間接影響[19- 20]。根據頁巖氣的生產流程,頁巖氣開發可以分為鉆井和平臺建設、生產階段(返排液和生產水及廢水處理、運輸和機器的使用)、封井階段[19]。鉆井和平臺建設影響包括鉆前井場平整,新建井口、廢水池、壓裂水池、放噴池、運輸道路、集輸管線、設備運輸安裝等活動(圖1)。平臺分布著水力壓裂過程的機器、管線、運輸材料和化學品等基礎設施，因此需建設比常規天然氣更大的鉆井平臺。鉆井和平臺建設階段需要改變原來的土地利用類型,使用大量水資源,產生含酸性、堿性、毒性或重金屬等成分的返排液和固體廢棄物,從而可能引起土地利用方式改變、地表植被破壞和生境退化、水土流失、生物多樣性減少、土壤侵蝕、石漠化、土壤污染或退化、水污染、甲烷泄露、噪聲與揚塵污染等生態風險。輸氣管線臨時性占地、集氣站及閥室等建設永久占地,也會導致區域地表植被破壞、土壤性質改變,影響農業、林業生態系統功能,減少動植物分布[20]。例如在Marcellus一個3700 m的水平井,會產生500 t附加沉淀固體,導致鹽、金屬、二甲苯類、放射性化合物增加,導致鹽化或酸化問題,在水力壓裂階段產生大量的返排液和產生水,大約10%—40%的注入壓裂液需要返回地面[22],這些水體中含有壓裂階段加入的化學物質,也可能含有頁巖氣形成過程中的懸浮物質,可能含有氯化物、溴化物、氟化物、鍶、鋇、天然放射性物質、以及其他有機和無機物質[23]。

圖1 頁巖氣開發的一個鉆井平臺[7,21]清除森林建設井場、管線、淡水池[17]Fig.1 Well pad of shale gas[7,21], clearing forest for well pad, pipeline, fresh water pond[17]

在頁巖氣生產階段廢水是主要的潛在污染環境風險源[19,24]。這些廢水可能原位循環使用,也可能需要污水處理廠處理后排放或者回注到地下。如果該環節處理不當,將會對環境和人類健康帶來風險[19]。鉆井過程中如果有管線或機械發生泄露事故,壓裂液中的化學物質會有環境健康風險[24]。當產氣井產量不足后將被廢棄,需要根據要求使用水泥和機械堵頭封井,如果操作得當,基本不會對淡水層產生污染風險[25]。

2 對植被的影響

隨著過去十幾年間頁巖氣開發的快速發展,頁巖氣開發平臺、道路和管線占用土地和干擾植被狀況逐漸受到關注(圖2)。利用2000—2012年高分遙感數據,發現北美中部因為油氣開發導致井場、道路、儲藏設施占地約30000 km2;凈初級生產力降低10 Tg干生物量(相當于4.5 Tg碳),其中牧場損失約500萬頭牲畜每月所需牧草,而農田損失生物量相當于2013年該區域小麥產量的6%,占美國出口小麥的13%,可能會引起畜牧業、農業、能源行業的不可預見矛盾[6]。在美國賓夕法尼亞州華盛頓縣2011/2012年54個頁巖氣鉆井平臺,平臺占用土地利用類型為濕地>農田>草地>灌叢>林地>裸地>建設用地>開闊水面[28]。在美國北部大平原的Williston 盆地,油氣開發占用的129.9 km2土地中,49.5%是農田,47.4%是草地[29]。在美國賓夕法尼亞州頁巖氣開發區,每個平臺多數只有1—2口井,不到10%的平臺有5個以上井,大約45%—62%平臺占用農田,38%—54%占用林地,到2011年允許開發頁巖氣平臺占用農田6.44—10.72 km2,占用林地5.36—8.94 km2,建設新道路至少649 km[30]。

圖2 頁巖氣平臺、道路和管線分布[26-27]、頁巖氣開發區谷歌地圖中影像[18]Fig 2 Shale-gas well pads, roads and pipelines [26- 27], and Google Earth images of shale gas developing area[18]

頁巖氣管線建設在開發初期影響較大,隨著井場發展影響逐漸減小。2001—2012年間,美國德科薩斯州Eagle Ford頁巖氣片區的La Salle縣,管線建設對區域影響高于鉆井和注井平臺,分別占擾動面積的85%,15%,和0.03%[27]。在Eagle Ford頁巖氣開采區,從2006—2014年數據分析表明,每個井場鉆井數較低(1.15—1.17個),井場占地面積從2008年的25.8 km2增加到2014年的168 km2,增加了大約5.24倍,而管線影響逐漸減小,2008, 2010, 2012, 和2014年占總建設用地分別為73%, 55%, 39%和29%[31]。

頁巖氣開發的井場、道路、集氣管線在改變植被覆蓋的同時,也會導致景觀破碎化。在西維吉尼亞西北部的Marcellus-Utica頁巖氣盆地,頁巖氣開發導致森林景觀破碎化和核心區域森林棲息地減少的生態影響更大[32]。在Marcellus片區的 Lycoming縣,2016年頁巖氣主要開發在私有土地(74%平臺),但是私有土地每個平臺上的鉆井數卻低于公有土地(3.5個/平臺和5.4個/平臺),私有和公有土地核心森林面積分別減少了4.3%和2.0%,公有土地上較好的管理措施降低了景觀破碎化[33]。在阿肯色州Fayetteville頁巖氣開發區,從2001/2002年到2012年間,總計開發了2%自然區域,增加了1067 km的線性邊界,這種森林棲息地的減少和景觀破碎化會對內部森林棲息動物帶來負面影響,但是也會增加喜歡邊界棲息的動物[34]。

不同的頁巖氣規劃方案會影響景觀破碎化程度。在Utica 頁巖氣區域是否考慮井場、管線、道路對生態環境影響的兩種情景中,對森林覆蓋率影響低于1%,但是不考慮生態環境的情景下森林斑塊數量增加13%—21%,管線影響遠大于道路[35]。Milt 等對美國賓夕法尼亞州Marcellus 4種頁巖氣選址方法進行了評價,包括井場靠近道路、集氣管線,基礎設施遠離水源、自然生境,發現頁巖氣開發的影響多數是互相促進的,但是避免森林破碎化可能會導致其他環境影響加劇[36]。頁巖氣開發可以通過多投入 20% 優化基礎設施空間分布資金,獲得降低38%的環境影響[26。利用模型評價2015—2030年間北部波蘭波羅的海盆地頁巖氣開發的影響,發現井場不同的分布格局顯著影響占地,變化范圍為區域土地的7%—12%,開發速率、井場分布密度、現存的土地利用方式和地質條件會影響景觀破碎化,通過立法限制開發自然保護區和水源地能夠降低對環境影響[37]。

3 對土壤的影響

頁巖氣開發擾動土壤會導致土壤侵蝕風險增加。在美國Allegany高原北部,使用GIS調查了賓夕法尼亞州已有和被允許開發頁巖氣平臺的地形和土壤特性,發現大約60%現存和被允許開發頁巖氣平臺在坡地上,存在地表水遷移和侵蝕風險,土壤侵蝕和沉積問題是高原坡地頁巖氣開發平臺主要生態風險[38]。在美國東德克薩斯州兩個間歇性河流建設了兩個14000 m2和11000 m2天然氣鉆井平臺,2009年監測的泥沙量為13972 kg hm-2a-1和714 kg hm-2a-1,高于森林砍伐后采用最佳管理措施泥沙產量(111—224 kg hm-2a-1),表明土壤侵蝕明顯增加[39]。2001—2012年間,美國德科薩斯州Eagle Ford頁巖氣片區的La Salle縣,大約51% (57.9 km2)的受干擾區域有土壤侵蝕風險,88%(100.2 km2)受干擾區域具有風蝕風險,估計每年約有200萬t土壤有被侵蝕的潛在風險[27]。

頁巖氣開發區復墾有暫時復墾與最終復墾兩個階段。當頁巖氣平臺還在產氣時,平臺外不再需要的工作區域可以進行暫時復墾。暫時復墾區域要求至少70%的永久植被覆蓋,其植被密度可以防止侵蝕和沉積[40]。在非生長季,可臨時覆蓋秸稈等措施控制侵蝕。由于不清楚頁巖氣生產會延續多久,最終復墾可能需要15—20年以后,因此臨時復墾的措施能夠長期顯著的影響平臺及周邊的土壤功能與生態系統服務。2010年美國Allegany高原北部的頁巖氣開發區航片分析表明,小部分井區已經進行復墾種草,農業用地復墾種植了農作物,但是復墾需要克服土壤結皮、壓實、剖面不連續、排水不暢、干旱、養分缺乏等問題[38]。

圖3 頁巖氣開發復墾5年內干擾與未受干擾土壤剖面對比圖,干擾剖面表現出無有機質層,或者氧化還原形態[17] Fig.3 Reclaimed disturbed soil profiles within 5 years and undisturbed soil profiles for two unconventional sites, disturbed soil profiles have no surface organic horizons or shows redoximorphic features[17]

目前國際上對頁巖氣開發后對土壤質量影響研究較少。對美國賓夕法尼亞州頁巖氣開發平臺復墾后土壤調查發現,由于復墾時土壤壓實、以及土壤貯存時增加了土壤有機質分解、氮礦化、土壤混合等,復墾5年后土壤剖面表現出剛發育土壤特征,無土壤有機質層(圖3),并且土壤容重仍然很高,土壤總有機碳和總氮含量較低[17]。該研究認為,頁巖氣開發區土壤復墾的土壤生產力不可能與鄰近土壤相同,但是實施有效的復墾措施可以修復土壤部分特征,減少土壤質量恢復所需的時間[17]。

我國對頁巖氣開發的土壤侵蝕、土壤質量進行了初步分析。重慶涪陵焦石壩頁巖氣產建區生態評價結果表明,該頁巖氣產建區鉆井數量快速增加,截止2015年末,該區域55.8%的面積(146.56 km2)為中、高生態風險區,存在土壤侵蝕和石漠化生態風險[20]。通過室內培養模擬實驗,利用人工合成的代表第1天、14天、90天返排液,分析返排液對松遼盆地4種農業土壤潛在影響,發現土壤酶活性對返排液最敏感,返排液顯著降低了土壤脫氫酶和磷酸單酯酶活性[41]。以威遠-長寧頁巖氣開發井場H6平臺為例,分析了場外受污染土壤、污水池附近、工作區域、雨水滲漏區、生活區的土壤特征,發現土壤中Cu、Pb、Cr 含量均符合《土壤環境質量標準》[42]中三級標準限值,但部分區域土壤中Ni、Cd 含量超過閥值,不適合農作物種植,但是受頁巖氣開發影響的土壤碳較高,有利于土著微生物進行原位修復[43]。

水基鉆屑是頁巖氣鉆井過程中產生的主要固體廢物,表面粘附一部分的添加劑(膨潤土、潤滑劑、氯化鉀、純堿等物質),附著大量的NaCl、NaOH、Na2CO3,含有重金屬化合物,存在一定的環境風險,固化時采用水泥配以不同輔助劑和催化劑的現場固化方式[44]。對四川5個井場的固化體浸出液分析表明,各井場固化體浸出液除pH值有不同程度的超標,其余指標均能滿足《污水綜合排放標準》[45]中的一級排放標準,而周邊井場泥漿池周邊土壤偏弱堿性,Cu、Pb、Cr含量達到《土壤環境質量標準》[42]中的一級標準[46]。在我國西南某頁巖氣3處代表性的井場,對水基鉆屑固化填埋池周邊土壤進行監測,發現土壤重金屬指標均滿足《土壤環境質量標準》二級標準[42],石油類含量均低于《農用污泥中污染物控制標準》限值[47],說明水基鉆屑固化填埋未對周邊土壤造成影響,短期內水基鉆屑的固化填埋效果較好[44]。

4 建議

目前國際上主要是美國的研究結果表明,頁巖氣開發會占用農田、草地、森林等,造成植被破壞,森林景觀破碎化,導致土壤侵蝕風險加劇。不同情景頁巖氣區域規劃結果表明,沒有統一準則可以避免所有影響,在多種環境因素敏感區域,應該綜合考慮頁巖氣選址。在頁巖氣井場、管線布局中,增加每個井場的鉆井數量、及時進行管線的植被復墾,從而降低頁巖氣開發對植被的影響[31];井場建設在已有管線附近,而管線應該與其他基礎設施統籌考慮[33];政府和頁巖氣公司共同參與降低頁巖氣開發對生態方面的影響,例如將井場分布在已有人類活動改變的區域、將管線沿著森林外圍分布,以減少對大片森林的破壞[34];當地政府采取建設能源廊道措施,將鉆井平臺、道路分布在能源廊道,從而有效降低未來能源開發的潛在生態影響[29]。

頁巖氣開發要綜合考慮能源開發效益,堅持能源與生態可持續發展理念。我國頁巖氣開發要開展平臺、道路、管線合理規劃,綜合考慮對土地利用、景觀格局、人類生活狀況影響,在經濟條件允許的情況下,降低對生態環境影響;及時監測、評估頁巖氣開發對生態環境影響,包括應用遙感影像、地面調查、樣品分析技術,評估頁巖氣開發對區域植被、土壤、水體影響;及時進行土地復墾,根據氣候和環境條件,制定適合當地條件的復墾計劃,及時總結適合當地土地復墾的實踐經驗和措施,保持當地的可持續發展[23]。在四川昭通-長寧頁巖氣開發區,部分平臺分布在喀斯特山地,應注重水土保持,防止滑坡、泥石流等地質災害、土壤侵蝕問題。

我國在 “十三五”通過了國家科技重大專項立項,開展 “頁巖氣等非常規油氣開發環境監測與保護關鍵技術”國家油氣重大專項研究,研究內容包括頁巖氣等非常規油氣開發環境影響評估與環境效益綜合評價技術、地下水及生態環境監測與保護技術、固體廢棄物處理與利用技術、逸散放空監測評價及回收利用技術、環境保護技術集成及管件裝備。該項目的研究成果在頁巖氣開發和生產中的應用,會對頁巖氣開發的生態環境監測與保護提供有效的技術支撐。