安徽省沉积盆地CO2地质储存适宜性评价

王齐鑫，马传明，花勐健，周爱国

(1.中国地质大学(武汉)地质调查研究院，湖北 武汉 430074; 2.中国地质大学(武汉)环境学院， 湖北 武汉 430074；3.清华大学附属中学，北京 100084)

安徽省沉积盆地CO2地质储存适宜性评价

王齐鑫1，马传明2，花勐健3，周爱国2

(1.中国地质大学(武汉)地质调查研究院，湖北 武汉 430074; 2.中国地质大学(武汉)环境学院， 湖北 武汉 430074；3.清华大学附属中学，北京 100084)

CO2的地质储存已成为减缓温室效应的一条有效的途径。区域的CO2地质储存适宜性评价是选址建设CO2地质储存工程的基础，而建立适当的评价指标体系与选择合理的评价方法对于CO2地质储存适宜性评价起到至关重要的作用。本次研究以安徽省内CO2减排需要为目的，根据研究区实际的地质条件，从CO2的地质储存所关联的多重因素出发，建立起包括安全性、技术性、经济性与社会环境性4个方面的评价指标体系，并引入变异系数法对评价指标确定权重与TOPSIS模型对研究区的CO2地质储存盆地适宜性进行排序。研究结果表明：阜阳盆地与合肥盆地为优先选择的CO2地质储存盆地。评价结果为安徽省初步选址CO2地质储存工程建设提供了科学依据。

CO2地质储存；适宜性；变异系数法；TOPSIS模型

近二三十年来，中国经济高速发展，但以牺牲环境资源为代价的发展模式也导致CO2排放量的急剧上升。根据现有技术条件，CO2地下地质埋存无疑是处置CO2最有效最现实的方法之一，具体是指将CO2注入到地下深处具有适当封闭条件的地层中隔离起来，地质埋存的场所包括深部咸水含水层、不可采煤层和油气储层等[1]。而选择安全有效的地质储存位置是进行CO2地质储存工程建设前首要解决的问题[2]。

目前，我国对于CO2地质储存适宜性评价研究尚处于起步阶段，部分学者在考虑某个储存介质类型的基础上提出了CO2地质储存评价体系[3]，但对于多样的储存介质评价存在着一定的不适用性。并且现有的评价工作大多以大尺度的沉积盆地为研究单位，所取得的研究成果无法满足CO2地质储存工程建设的需求[2]，还因地质构造单元与行政区划的差异性，落实到当地政府的行政规划中面临着诸多困难。

缺乏较为客观的评价方法很大程度上影响着CO2地质储存适宜性评价结果。国内大多数学者[4～5]对于CO2地质储存评价指标权重的确定所采用的是层次分析法，通过相对标度的评定划分影响CO2地质储存适宜性指标重要性大小。此法容易受到评判者主观意识影响，且当复杂地质条件下的指标评判充满着不确定性。此外，层次分析法易受到相对重要因子的影响而无法充分利用原始数据所表达的全面信息。

评价等级的划分在一定程度上关系着CO2地质储存适宜性评价结果的准确性。文[6～8]多根据人为所确定的CO2地质储存适宜性等级划分，对研究单元的CO2地质储存适宜性进行判断。但事实上，CO2地质储存适宜性等级划分没有明确的界限，它的划分标准与区间值的确定是一个模糊问题，人为主观所确定评价等级标准对于评价结果有着直接的影响。本文通过对研究单元CO2地质储存适宜性优先顺序进行排列，以避免人为所划分的评价标准对评价结果的影响。

本次研究将以安徽省内较小尺度盆地为研究单元，结合研究区实际盆地地质特征的基础上，建立适用于研究区实际条件下的储存介质为深部咸水含水层的CO2适宜性评价指标体系，并应用变异系数法从客观上对指标体系进行权重确定，引入TOPSIS模型对研究单元的CO2地质储存适宜性进行优先排序，最终的评价结果可为研究区选址CO2地质储存场地工程提供远景目标区。目前，基于变异系数法与逼近理想解排序法共同作用在评价CO2地质储存适宜性方面尚未见报道。

1 研究区概况

安徽省位于我国东部，面积约13.9×104km2，占全国面积的1.4%。省内地形南高北低,地貌形态多样，平原、丘陵、山地均可见。气候温和、湿润, 有着明显的季节性特点[9]。

安徽省北部为中朝准地台，中部为秦岭褶皱系，南部为扬子准地台[10]。皖中江淮之间北部丘陵为岩浆岩和碳酸盐岩构成，南部丘陵主要为碳酸盐岩构成，中部波状平原地表主要为中、上更新统黏性土，其下伏为中生界红色砂岩。皖西大别山中、低山区主要由变质岩和岩浆岩组成；长江两岸和巢湖周围，主要由火山岩、红色砂岩和第四系冲积物组成[11～12]。

安徽省正处于工业化中期，产业以资源型、劳动以密集型为特征，发展以高能源消耗、地质环境严重破坏、CO2高排放为代价，煤炭开采、有色金属选冶、火力发电等传统能源产业很大程度上影响了全省的生态环境。国家“十三五规划” 明确提出到2020年，单位国内生产总值CO2排放比2015年下降18%，因此安徽省CO2的减排任务十分艰巨，而开展CO2地质储存研究就显得十分必要。本次研究将为安徽省CO2的地质储存提供科学依据，也必将产生显著的经济效益和环境效益。

本文根据安徽省区域地质志中对全省中新生代盆地的划分方案，初步筛选出可以进一步进行CO2地质储存评价的盆地作为本次研究单元(图1)。

图1 研究区位置图Fig.1 Location of the study area

2 研究方法

变异系数-TOPSIS模型法相结合的评价模型能从客观的角度去衡量评价单元的优劣次序，克服人为主观条件对于权重大小的影响与评价等级划分的模糊性问题，并且能够充分利用原始数据所能提供的完整信息，因此对各盆地单元CO2适宜性能够做出较为准确的评价。

2.1变异系数法

变异系数法是一种利用被评价对象指标的变异程度确定指标权重的方法，可实现被评价对象各指标的动态赋权[13]。指标的变异程度大，说明其在评价对象指标中的重要程度越高，应赋予较大的权重；反之则赋予较小的权重[14]。其具体过程如下所示：

(1)原始数据的归一化处理

根据已建立的评价指标划分标准对原始数据进行1～9标度的评分。

(1)

(3)计算第i项指标评分的均方差值Si

(2)

(4)计算变异系数δi

(3)

(5)计算权重wi

(4)

2.2TOPSIS模型

TOPSIS模型即为“逼近理想解排序方法”，主要用来解决有限方案多目标决策问题，是一种运用距离作为评价标准的综合评价法[14]。通过定义目标空间中的某一测度，据此计算目标靠近/偏离正、负理想解的程度从而对研究单元做出有效评价。具体过程如下：

(1)评价矩阵构建

运用变异系数法所确定的权重wj与归一化后的原始数据构建评价矩阵Y，具体计算公式如下：

(5)

(2)确定正负理想解

设Y+为评价矩阵中第i项指标中的最大值，即最偏好的方案，称为正理想解；Y-为评价矩阵中第i项指标中的最小值，即最不偏好的方案，称为负理想解，其计算方法如下：

(6)

(7)

(3)欧式距离计算

本次选用欧式距离作为衡量研究目标距离正/负理想解程度，具体公式如下所示：

(8)

(9)

yij——加权规范化值；

(4)贴合度指数计算

通过计算各研究单元的贴合度指数cj的大小，按照从大到小的顺序排列优先次序，计算公式如下：

(10)

3 评价过程

3.1建立评价指标体系

CO2地质储存是一个与地质条件和社会经济条件密切关联的复杂系统，本次研究所建立的指标体系是在《全国CO2地质储存潜力评价与示范工程实施技术要求》的基础上，根据所在研究区的实际情况，充分考虑影响CO2地质储存的多重因素，以围绕对CO2地质储存影响的地质条件为核心，构建以技术性、安全性、经济性与社会环境性为准则层的由24个评价指标组成的适用于储存介质为深部含水层的评价体系。每个评价指标所对应三个不同的评价等级(适宜、较适宜与较不适宜)，评价指标体系见表1。

表1 安徽省二氧化碳地质储存适宜性评价指标等级表Table 1 Suitability index classification of geological storage of CO2 in the basins of Anhui Province

3.1.1技术性准则层

(1)盆地发育条件

盆地面积直接影响整个盆地储存CO2能力的大小，同时也影响着地层流体流动规模；由于CO2地质储存需要在超临界压力下将其注入地层中，超临界CO2的临界点为31.1 ℃，7.38 MPa，而在地表800 m以下才会有这样的温度和压力[15]，因此对盆地沉积深度指标进行选取。

(2)地热地质条件

较低的地热流值能使CO2在较小的深度下达到较高的密度，有利于CO2地质储存；地温梯度直接关乎沉积盆地的温度，对自由CO2的相态和流动状态影响较大，沉底盆地地温梯度越小，越有利于CO2地质储存[16]。

(3)水文地质条件

深部含水层孔隙度的大小与平均厚度直接关系到储存CO2的空间多少，含水层的孔隙度与厚度均与储存CO2空间能力上呈正比关系；储层渗透率是表征储层岩石渗透性好坏的主要指标，一般认为，储层渗透率越大越有利于CO2从外界注入；地下水的水动力交替作用会使得地下水运移可携带CO2逃逸地表，进而造成CO2的泄露，水动力交替程度愈强，则发生CO2逃逸的可能性就愈大。

(4)储存潜力

储存潜力指标是衡量盆地CO2地质储存条件是否成熟的重要定量化指标之一，同时也能直观反映该盆地是否具有良好的提供CO2地质储存的条件。

(5)盖层条件

由于在CO2地质储存中，根据能否具有阻止CO2逃逸或泄露能力，一般可将盖层岩性分为蒸发岩类、泥质岩类和页岩类三种。此外，CO2地质储存必须有供进行大规模储存的优质目标储层，储层之上必须有良好的区域性盖层，以防止CO2的直接泄露。同时还要考虑地表之下、主力盖层之上是否有发育良好的次级储、盖层构成的二次截留或二次封闭，以防止CO2突破主力盖层之后向上进一步泄露。因此，主力盖层之上的次级盖层质量越好、数量越多，二次截留和二次封闭能力越强，CO2地质储存安全性就越高。另外，盖层厚度对CO2通过盖层的渗滤和扩散速率也有着重要影响，大厚度的盖层可保证它在横向上较大范围的展布，并使CO2通过盖层的渗滤和扩散速率减慢，从而对CO2向上逸散起阻碍作用[17]。

3.1.2安全性准则层

(1)断裂条件

断裂以及与之衔接的断裂网络系统破坏了岩层的连续性，直接影响盆地完整性，降低了盖层的横向完整性和连续性，使区域封闭性能整体降低，被认为是CO2泄露的主要构造通道。因此，断裂密度越高，导致CO2泄露的概率越大，越不利于CO2地质储存[18]；深大断裂因其活动可能性较大，对区域地壳控制性明显，易对区域稳定性产生影响，从而影响CO2地质储存安全。

(2)地震条件

地震动峰值加速度是指与地震动加速度反应谱最大值相应的水平加速度；地震烈度是指地震时某一地区的地面和各类建筑物遭受到一次地震影响的强弱程度[19]；历史地震最大震级反应了该地区发生最大地震程度。地震条件对CO2地质储存工程的建设也有着十分重要的影响，地震活动使岩土体产生变形，破坏其整体性和稳定性，并且为地下水活动提供通道，从而增大了CO2泄露风险。

(3)火山条件

CO2地质储存工程应建造在火山不发育区域上，火山地质构造对于CO2地质储存工程造成一定的不利影响。火山地质构造往往形成特有地下熔洞、熔岩隧道发育，或因顶板岩体在长期的地质风化、外荷载的影响及地心引力的长期作用下，导致熔洞顶板强度及稳定性不足[20]，最终使CO2地质储存工程发生突然性塌陷等破坏性工程地质作用结果。本次研究主要是根据历史上火山发育情况划分历史上火山不发育区、少发育区及多发育区对CO2地质储存的适宜性进行评价。

3.1.3经济性准则层

对于CO2地质储存评价指标体系，经济性指标是评价研究单元是否能够将CO2的生态环境效益转化为经济效益的重要组成部分。碳源条件通过碳源规模来表示，CO2排放源主要集中在各燃煤电厂，将排放的CO2捕获起来，经过提纯、液化后进行地质储存，因此，碳源规模越大越助于CO2经济效益的产生；运输条件与直接经济条件都本着以综合成本越经济越利于CO2地质储存的原则，对研究单元进行评价。

3.1.4社会环境准则层

社会认可条件主要是通过公众对CO2地质储存的认可度来反应，由于国内已发生诸多群体抵制政府环保立项的事件，因此公众认可对于CO2地质储存工程的顺利有序建设有着支持作用。CO2的泄露对于环境可能造成地下水污染、地面破坏与诱发地震等负面影响。因此，对安全风险及生态环境影响评价的越充分，CO2地质储存越可行。

3.2对比成熟评价指标体系

研究将所建立的评价指标体系与已有成熟评价指标体系对比发现其优越性在于：如大多数文献[21～22]在提出的CO2地质储存提出的指标体系中，忽略了水文地质条件对于CO2地质储存影响的作用，本次研究则筛选水动力条件指标、含水层岩性参数指标说明水文地质条件对于CO2地质储存工程选址的重要性；其中文[21]所提出的指标体系对于区域地壳稳定性的指标体系量化较为简单，而本次研究则通过断裂条件、火山条件与地震条件三个方面对其安全性进行评价；文[23]所针对华北南部盆地所提出的指标体系中，没有体现CO2地质储存安全性相关指标，且缺乏评估CO2地质储存能力的定量化指标，而本次研究中不仅提出基础地质条件指标定性评估CO2地质储存能力，又提出如储存潜力等定量化的指标直接反映CO2地质储存能力，采取定性指标与定量化指标相结合的指标体系更加有利于CO2地质储存能力大小的判断。部分文献[2]中则没有体现与社会经济相关的指标，而CO2地质储存工程是一个与社会经济相关联的复杂工程，本次研究针对CO2地质储存工程的特殊性提出了经济性指标与社会环境指标补充完善指标体系。

3.3数据来源

本次研究中各评价指标原始数据的确定是在各种文献资料[24～25]与相关报告的基础上给出，主要报告来源有《安徽省油气资源评价》、《安徽省石油地质基本特征及含油气远景评价的初步探讨》、《安徽北部中新生代沉积盆地分析》、《合肥盆地石油地质与地球物理特征研究及进展》、《合肥盆地中新生代构造演化与油气地质特征》与《中国地震动峰值加速度区划图及安徽省主要断裂(带)和震中分布图》等。

3.4确定指标权重

3.4.1量化评价指标

对已建立的评价指标按照不同级别进行划分(表1)，并根据划分标准对原始数据进行1～9标度的评分，结果如表2所示。

3.4.2计算指标权重

通过变异系数法计算各指标权重大小，具体结果如表3所示。从权重分布上看，在准则层中对CO2地质储存适宜性影响最大的是技术性指标，其占比重最大为0.605，而安全性指标占比最小为0.093；在领域层中，水文地质条件所占权重最大为0.256，而断裂条件所占比重最小为0.019；在评价指标层面上，碳源规模占比最大为0.098，深大断裂发育情况指标权重最小为0。值得注意的是，由于各盆地构造和地壳稳定性方面的指标级别相似或相同，对于各盆地优先级别影响程度较小，故其安全性指标权重占比很小。

3.5TOPSIS模型排序

通过利用TOPSIS模型所计算出的贴合度大小，并以此作为依据对研究区盆地单元CO2地质储存适宜性进行优劣排序，计算结果见表4。

4 评价结果与分析

根据以上结果可看出，安徽省盆地CO2地质储存适宜性大小依次为阜阳盆地、合肥盆地、沿江盆地、潜山盆地、古沛盆地、泗县盆地、宣-广盆地、五河盆地、休宁盆地以及蒿沟盆地。其中因阜阳盆地与合肥盆地排名靠前，应考虑首选安徽省盆地CO2地质储存的远景目标区为上述两个盆地。

合肥盆地与阜阳盆地之所以为首选盆地原因在于：两者盆地发育面积远大于其他研究盆地，都属于中型盆地地区。阜阳盆地为在前寒武系基底之上发育起来的古生代—新生代叠合盆地[26]，受新生界地质构造影响，沉积最大埋深大于8 000 m，盖层厚度较大但厚度差异较大，最厚达4 000 m，古生界盖层厚度比较稳定，其中上古生界平均厚度为2 000～2 400 m。合肥盆地是由古近系定远组上段泥岩组成的上部盖层，厚度达1 400 m；由白垩系响导铺组、朱巷组上段泥岩组成的下部盖层，厚度亦大于1 000 m，且两者盆地均发育有多套生储盖组合。断裂密度总体稀疏且都处于火山的不发育地区，地壳整体处于较为稳定地区适宜CO2地质储存工程建造。阜阳盆地地下水类型多为多层孔隙水，径流缓慢，地下水的更新速度较慢因而地下水不易携带CO2进入大气环境。

蒿沟盆地与休宁盆地的排名最为靠后的原因在于：蒿沟盆地的盆地发育面积与单位面积推定潜力均较小以及盆地沉积深度较浅，直接反映出该盆地CO2储存能力较差；而休宁盆地属皖南山区，其主要为基岩裂隙水分布区，地形切割程度大，地下水交替作用强裂，因而地下水携带CO2逃逸的可能性较大。此外，休宁盆地整体受苏浙皖赣大断裂和宁国—绩溪—歙县大断裂以及祁门—歙县大断裂所控制，区域构造运动作用明显，断裂与垂直节理发育明显，而导致其盆地完整性较差。

5 结论

(1)CO2地质储存为CO2减排提供了一条新的途径。由于CO2地质储存是一个复杂系统，本次研究以针对安徽省内CO2减排需要为目的，以省内主要盆地单元为研究对象，以影响储存介质为深部含水层CO2地质储存适宜性的地质条件为核心，并统筹考虑影响CO2地质储存适宜性的多重效应，建立起了包括4个准则层、13个领域层和24个评价指标所构成的评价指标体系，该指标体系的建立对于安徽省筛选CO2地质储存工程初步选址具有一定的意义。

(2)本次研究采用客观评价的方法对于CO2地质储存适宜性进行评价。引入变异系数法对指标权重的确定，克服了主观对指标权重评定影响；利用TOPSIS模型对安徽省盆地CO2地质储存适宜性优先级别进行排序，避免了人为划定适宜性评价等级对于评价结果的影响。

(3)根据研究结果，安徽省盆地储存CO2地质储存适宜性依次为：阜阳盆地、合肥盆地、沿江盆地、潜山盆地、古沛盆地、泗县盆地、宣—广盆地、五河盆地、休宁盆地以及蒿沟盆地，其中阜阳盆地与合肥盆地可作为CO2地质储存的优先考虑盆地。

表3 安徽省盆地二氧化碳地质储存适宜性指标权重表Table 3 Suitability index weight of geological storage of CO2 in the basins of Anhui Province

准则层权重领域层权重评价指标权重技术性指标0605盆地发育条件0112盆地面积0050盆地沉积深度0062地热地质条件0047地热流值0016地温梯度0030水文地质条件0256孔隙度0088渗透率0046深部含水层平均厚度0038地下水交替程度0084储存潜力0093推定潜力0035单位面积推定潜力0058盖层条件0097盖层岩性0027盖层层数0024盖层厚度0046安全性指标0093断裂条件0019断裂密度0019深大断裂发育情况0地震条件0054地震动峰值加速度0029地震烈度0007历史地震最大震级0018火山条件0020火山发育区0020经济性指标0196碳源条件0098碳源规模0098运输条件0025可能的运输方式0025直接经济条件0073捕获、运输、基建成本0073社会环境指标0106社会认可条件0040公众认可度0040制度条件0066法律法规体系建设0066

表4 安徽省二氧化碳地质储存适宜性评价结果表Table 4 Suitability evaluation results of geological storageof CO2 in the basins of Anhui Province

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责任编辑：汪美华

SuitabilityevaluationofgeologicalstorageofCO2
insedimentarybasinofAnhuiProvince

WANG Qixin1, MA Chuanming2, HUA Mengjian3, ZHOU Aiguo2

(1.SchoolofGeologicalSurvey,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan，Hubei430074,China; 2.SchoolofEnvironmentalStudies,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan，Hubei430074,China; 3.TsinghuaUniversityHighSchool,Beijing100084,China)

Geological storage of CO2has become one of the effective ways for reducing greenhouse gas emissions. Regional suitability evaluation of geological storage of CO2is the basis of choosing sites of construction of geological storage of CO2. Establishment of proper evaluation index systems and selection of reasonable evaluation methods play a crucial role in the suitability evaluation of geological storage of CO2. For the propose of CO2reduction needs of Anhui Province, according to the actual geological conditions of the study areas and from the multiple aspects of associated CO2geological storage, the research built an evaluation index system of four aspects, which include security, technicality, economy and social environment. The variation coefficient method is introduced to determine the weight and the TOPSIS model is used for ranking the suitability of CO2geological storage basin in the study areas. The results of the evaluation show that the Fuyang Basin and the Hefei Basin are prior selection for geological storage of CO2. The evaluation results provide a scientific evidence for preliminary choosing engineering construction of geological storage of CO2.

geological storage of CO2; suitability; variation coefficient method; TOPSIS model

X701.7

A

1000-3665(2017)05-0121-10

马传明(1975-)，男，副教授，博士，主要从事水文地质学的教学与科研工作。E-mail:bjmcm@163.com

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.05.19

2016-12-10;

2017-02-28

国家科技支撑计划项目(2012BAJ11B04)

王齐鑫(1993-)，男，硕士研究生，水文地质学方向。E-mail:cug_wqx2016@126.com