涪陵焦石镇页岩气开发区地下水质量评价

吉盼盼,孙建平,朱继良

(1.河北地质大学水资源与环境学院,河北 石家庄 050031；2.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心,河北 保定 071051)

涪陵页岩气开发区位于重庆市涪陵城东焦石镇一带，是首批国家页岩气勘查开发示范区，在2014年已经进入商业化生产阶段[1]。2015年底，涪陵页岩气田建成，截至2016年9月，涪陵页岩气田累计开钻321口，投产215口，年生产能力达5.449×109m3，日生产能力达1.651×107m3，累计生产页岩气达6.64×109m3，销售页岩气达6.371×109m3[2]。页岩气勘查开发过程中，所使用的浅部钻井液、深部钻井液及钻屑、返排液、开采液和甲烷等，在开采、运输、处置、处理不当或发生事故等情况下，会对页岩气井场附近地下水造成污染[3-8]。而地下水的质量直接关系到涪陵页岩气开发区的经济建设，且与人民的生活息息相关，因此亟需开展页岩气开发对当地水环境影响的评价研究。为此，本文拟利用单因子指数法和模糊数学法对涪陵焦石镇页岩气开发区浅层地下水质量进行评价，综合分析水环境质量状况，为地下水开发利用和污染防治提供科学依据。

1　研究区概况

研究区位于重庆市涪陵城东焦石镇片区，处于四川盆地和盆边山地过渡带，面积约350 km2。该地区构造上处于大耳山背斜西翼，出露三叠系下统大冶组(T1d)、嘉陵江组(T1j)，三叠系中统巴东组(T2b)、上统须家河组(T3xj)以及侏罗系的珍珠冲组(J1z)的地层，其中三叠系下统嘉陵江组纯质灰岩为浅部主要含水岩组。研究区处于亚热带湿润季风气候区，多年平均气温为18.1℃，多年平均日照数为1 248.1 h，相对湿度多年平均值为79%，无霜期历年平均值为317.4 d,多年平均降水量为1 105 mm，降水量时空分布不均，年内降水主要集中于5～9月份，占全年降水量的65%左右，4、10、11月份为平水期，占全年降水量的25% 左右，1、2、3、12 月份为枯水期，占全年降水量的10%左右[9]。研究区地面高程为138～1 000 m，由于岩性和构造的差异，区内主要出现两种地貌：东南部以溶丘谷地低山地貌为主，主要由嘉陵江组纯质碳酸盐岩、巴东组不纯碳酸盐岩组成，约占研究区面积的90%，页岩气井场也主要分布在该区，具有北东高、西南低的特点，地面高程多在300～700 m，相对切割深度一般为50～150 m，区内主要河流为麻溪河及其多级支流，最终排泄至乌江，乌江在区外呈不规则“S”型向西北部的长江排泄；西北部以构造侵蚀地形地貌为主，主要由珍珠冲组及须家河组碎屑岩组成，属四川盆地边缘，约占研究区面积的10%，区内主要分布长江的多级小型支流。

研究区包含浅部地下含水层和区域深部地下多层含水层。本次研究取样点全部为浅层地下水点，主要包括浅层岩溶水点、部分为浅部碎屑岩裂隙孔隙地下水点，所以本文仅描述浅部地下含水层的水文地质特征。

研究区内的岩溶地下水埋藏较浅，一般溶蚀洼地、条形溶蚀谷地的地下水水位埋深小于30 m，溶蚀丘陵、低山区域内地下水水位埋深在30～50 m，麻溪河右岸山脊处地下水水位埋深在50～100 m。研究区东部大耳山背斜轴部为岩溶中山地貌，大耳山南部受麻溪河切割，地面高程在700～1 000 m，相对切割深度为400～800 m，垂直岩溶形态较发育。区内所取岩溶地下水点均赋存于嘉陵江组和巴东组地层中。嘉陵江组地层以灰、浅灰色薄—中厚层灰岩夹盐溶角砾岩、白云岩、白云质灰岩为主，分布在大耳山背斜西翼，地表、地下岩溶形态发育，主要有溶丘、洼地、溶蚀谷地、落水洞、漏斗、天窗、地下暗河、溶洞等[10]。岩溶区内除大耳山背斜的地形起伏较大外，其他岩溶区地层较平缓，补给区与排泄区高差一般仅数十米，水力坡度也不大。区内大泉或地下暗河在嘉陵江组集中出露，流量一般为10～300 L/s，地下径流模数为3～6 L/(s·km2)，共有6条地下暗河，包括下焦石、老场、老龙洞、观音洞、洞口湾、白涛地下暗河，主要接受大气降水和地表水补给，雨后流量变大，动态变幅达10～50倍，流域内的落水洞、洼地、天窗等为暗河的主要补给通道。其中，观音洞地下河在页岩气钻井后流量明显减小，目前流量仅为35.8 L/s。地表与地下水转化频繁，如洞口湾地下河，地表水在干龙坝进入地下补给地下水，于罗云坝洼地边缘洞口湾出露地表。受南北两侧河流切割的影响，地下水总体由中部向南北两个方向径流，多呈顺层运动，但在局部的条形溶蚀谷地，地形由于受到地表水的强烈切割，使得地下水向较低的洼地、河流分流排泄，如下焦石地下河受麻溪河切割，由北向南出露于下焦石一带。由于在相邻不同高程上洼地的分布，来自较高地带的地下水可补给较低的洼地中的地下河，如洞口湾地下河在洞口湾出露后，补给老场地下河，在罗云坝东北老场排泄[11]。巴东组和大冶组地层溶蚀强度较低，岩溶发育弱，无岩溶大泉及地下暗河出露。巴东组、大冶组和嘉陵江组在滞水能力相对较强的各岩溶洼地及地形较平缓的斜坡地带分布表层岩溶泉，流量一般为0.1～3.0 L/s，主要接受大气降雨补给，径流途径较短、流量较不稳定，雨季流量较大，旱季流量较小甚至干枯[12]。表层岩溶泉系统内地下水多以分散岩溶泉的形式排泄于地表，其补给面积相对较小，一般不超过1 km2，具有就近下渗补给、径流、排泄的特点。岩溶区主要以重碳酸盐型水(重碳酸钙型、重碳酸钙镁型)为主，pH值为7.4～8.2，硬度(以CaCO3计)为307～457 mg/L，矿化度为177～569 mg/L，电导率为360.09～748.90 μs/cm。

研究区西部碎屑岩区由三叠系上统须家河组、侏罗系下统珍珠冲组的砂岩、泥岩及页岩等组成，地下水贮存于孔隙、构造裂隙及风化裂隙中，地下水水位埋深较浅。地貌上多构成单面山或脊状丘陵，易形成自流斜地，具层间承压的特点，以大气降雨补给为主，出露的泉少，流量普遍小于1 L/s，岩层富水性中等。区内洞口湾地下暗河补给区除包括东南侧的岩溶补给区外，还包括西北侧的碎屑岩补给区。研究区碎屑岩区以重碳酸硫酸盐型水、硫酸盐型水为主。其中，重碳酸硫酸盐型水pH值为7.7～7.9，硬度为24～68 mg/L，矿化度为52～79 mg/L，电导率为66.41～155.56 μs/cm；硫酸盐型水pH值为6.9左右，硬度为91 mg/L左右，矿化度为107 mg/L左右，电导率为180.06 μs/cm左右。

2　研究方法

2. 1　样品采集与分析

本研究参照《区域地下水污染调查评价规范》(DZ/T 0288-2015)[13]，于2015年8～9月在区域控制的基础上，以研究区各页岩气井场为中心，结合地下含水层类型及结构、水流方向和水文地质条件等因素进行样品采集，取样点位置见图1。

图1　研究区水文地质简图及取样点位置图Fig.1　Hydrogeological sketch map and sampling points in the study area

研究区57组水样均为浅层天然地下水点，其中岩溶水点54组，占总样的94.74%；碎屑岩裂隙孔隙水点3组，占总样的5.26%。采用500 mL的聚氯乙烯瓶收集水样，取样瓶用待取水润洗3遍后取样，样品在规定时间内送至国家地质实验检测中心和重庆地质矿产研究院测试。

研究区地下水中阴离子及部分阳离子检测方法参考《地下水质检验方法》(DZ/T 0064—1993)；地下水中钠离子检测方法参考《煤矿水中钾离子和钠离子的测定方法》(MT/T 252—2000)；地下水中溶解性总固体(TDS)离子检测方法参照《煤矿水中可溶性固体的测定方法》(MT/T 366—2007)；地下水中重金属元素(Ba、Cd、Cr、Cu、Mn、Mo、Zn、Fe)含量检测参考《饮用天然矿泉水检测方法》(GB/T 8538—2008)，镭检测方法参照 《水中镭-226的分析测定》(GB 11214—1989)，铀检测方法参照 《地下水质检验方法——等离子体质谱法测定锂等39个元素》(DZ/T 0064.80—1993)。检测仪器分别为等离子质谱仪(PE300D)、等离子光谱仪(PE8300)、氡(镭)分析仪(PC-2000)、等离子体质谱仪(NexION300D)等。

2. 2　评价因子与标准

页岩气勘查开发潜在的主要污染物有：浅部钻井液、深部钻井液及钻屑、返排液、开采液和甲烷气体等。其中，返排液携带高矿化度、高辐射的深部地下水及甲烷气体，往往与深部钻井液及钻屑一起被收回。通过甲烷气体带到地面的液体可能包括水力压裂液、残留的地层盐分和天然存在的地层咸水的混合物[14]。本研究采集了中石化放喷池(稳定投产前的废气点火水池)中的液体，部分因子超出《地下水水质标准》(DZ/T 0290—2015)[15]和《区域地下水污染调查评价规范》(DZ/T 0288—2015)的Ⅲ级标准限值,具体情况详见表1。

表1　放喷池废液相关因子的浓度值及超标倍数Table 1　Values of related factors of wastewater in flare pit

由表1可见，就常规因子而言，放喷池废液部分因子的浓度远高于页岩气开发区未受到污染的浅层地下水点的浓度，是高矿化度水，其中TDS、氯、钠、钡、镉、铬(六价)、锰、铁、浊度、电导率均超标。对比常规因子,即可判定页岩气开发区浅层地下水是否受到深部钻井液及钻屑、返排液等高矿化度液体的污染。

综上所述，本文以涪陵区地下水水质资料为基础，参照《区域地下水污染调查评价规范》(DZ/T 0288—2015)，选取TDS、总硬度、硫酸根、氯、钠、钡、镉、铬(六价)、铜、锰、锌、钼、铁，共计13项无机常规化学因子作为主要评价因子，单因子评价中，还包括3项现场测试因子：pH值、浊度、电导率，共计16项因子。评价因子的限值及各类水用途参照《地下水水质标准》(DZ/T 0290—2015)的Ⅰ～Ⅴ级标准限值，其中电导率的标准值参考《区域地下水污染调查评价规范》(DZ/T 0288—2015)的Ⅰ～Ⅴ级标准限值。

2. 3　评价方法

本文采用单因子指数法和模糊数学法对研究区浅层地下水质量分别进行评价。单因子指数法为常规评价方法[16-17]，是为了判别各单项超标因子，与上述放喷池废液等单项因子进行对比分析污染来源。模糊数学法主要用于水质综合评价，相对于常规综合评价方法，该方法可以对地下水水质评价过程中的不分明性加以描述，将一些边界不清、不易定量的因素定量化，其综合评价结果更科学[18-19]，所以本文利用模糊数学法对研究区浅层地下水质量进行综合评价，最终结合实际调查情况评定水质级别。

模糊数学评价是以模糊数学为基础，引入隶属度矩阵和权重因子矩阵的概念，对水质因子进行总体判别[20]。具体评价过程如下：

(1) 计算隶属度矩阵R。隶属度矩阵R为m×n矩阵，其中m表示评价因子的总项数(本文取13)，n表示水质评价总级别数(本文取5)，本文采用降半梯形分布法来计算隶属度矩阵的每个元素rij，其具体计算公式如下：

第一(j=1)级水质的隶属度函数为

(1)

第j(1

(2)

最后一级(j=n)的隶属度函数为

(3)

式中：i为评价因子数，可取1，2，…，m；j为水质评价级别数，可取1，2，…，n；Si,j为第i个因子的第j级水质标准(mg/L)；Ci为第i个因子的实测浓度值(mg/L)。

(2) 计算权重矩阵A。权重矩阵A为m列的行矩阵，由各个评价因子的权重分配构成的向量，反映各个评价因子在地下水质量中所占的比重，一般采用污染物浓度超标加权法计算权重[21]，超标大者权重亦大，但由于各因子相邻的两级标准值增长不同，会出现单项因子评价级别大者的权重反而小于单项因子评价级别小者的情况，所以本文对传统模糊数学法进行修正，采用相对距离法计算权重[22]，具体计算公式如下：

(4)

式中：Wi为第i个因子的权重；其他符号意义同上。

将各个评价因子的权重计算结果Wi进行归一化处理，具体计算公式如下：

(5)

式中：ai为第i个因子归一化处理后的权重值;其他符号意义同上。

(3) 综合评价。综合隶属度矩阵B是隶属度矩阵R和权重矩阵A通过特定算子相乘而得到，即B=A·R。本文算子采用相乘相加模型M(·，⊕)，具体计算公式如下：

(6)

式中：bj为综合隶属度矩阵元素；其他符号意义同上。

最后，取max{b1，b2,…,bn}作为地下水质量的评价级别。

3　研究结果与分析

本文通过处理分析研究区浅层地下水的原始数据，剔除了4组可靠性差的地下水样数据[23]，并对剩余的53组地下水样数据进行了地下水质量评价。

3. 1　单因子指数法的评价结果

研究区浅层地下水质量单因子指数法的评价结果见表2。

表2　研究区地下水质量单因子指数法评价结果Table 2　　　　Evaluation results of groundwater quality in the study area by the single gene index method

由表2可见，研究区浅层地下水中仅硬度和浊度2项评价因子超标，其他评价因子均达标。其中，根据原始数据发现，3个地下水点的硬度值超出了《地下水水质标准》(DZ/T 0290—2015)Ⅲ类标准限值10～50 mg/L，属轻微超标，且钙镁含量高，为极硬水，评价等级为Ⅳ级；浊度为现场测试因子，研究区地下水点浊度超标率较高，超标率达47.17%，分析认为浊度对人为活动影响较敏感，瞬时检测超标率高，尤其是岩溶区，浊度变化大且快，影响了其代表性。

3. 2　模糊数学法的评价结果

研究区模糊数学法的评价结果为：研究区53组浅层地下水样中，Ⅰ类水有40组，占水样总量的75.47%；Ⅱ类水有11组，占水样总量的20.76%；Ⅴ类水有2组，占水样总量的3.77%；无Ⅲ、Ⅳ类水。

3. 3　讨论与分析

研究区部分浅层地下水样的硬度、浊度超标，但表1中所列的异常因子如TDS、氯离子、钠、钡、镉、铬(六价)、锰、铁、电导率均未超标，浊度虽部分超标，并不具代表性；所有地下水样的矿化度(26.46～752.20 mg/L)均较低，为低矿化度水；经调查发现地下水中未检测出甲烷气体；地下水中铀含量(0.007～1.85 μg/L)低于美国EPA标准[24]，镭活度(≤0.02 Bq/L)低于《地下水水质标准》(DZ/T 0290—2015)的Ⅰ级标准限值，均处于安全值范围之内。综上可见，研究区浅层地下水点未受到深部钻井液及钻屑、返排液等高矿化度液体及甲烷气体的污染。

模糊数学法评价的优点在于采用隶属度来评价地下水水质，并考虑了权重，使综合评价结果更科学[25]，初始的评价结果显示研究区浅层地下水水质全部达标。但是在实际走访调查中发现，在钻井期间，研究区两岩溶水点(G005、G018)水体发黄，表层有油质漂浮物，是钻井设备漏失的油体沿钻穿的岩溶通道进入地下含水层，水体因井漏受到污染，钻井结束后，污染减轻。井漏还可造成钻井液沿钻穿的岩溶通道进入地下含水层，若补漏不当，补漏泥浆也可沿岩溶通道进入含水层。水体表面可见明显的油质漂浮物，说明油体已泄漏，但由于钻井液和补漏泥浆没有明显的表观污染特征，具体成分未知，需要进一步检验相关因子，但理论上不排除这两种污染源漏失的可能性。钻井时主要形成“导管+三个开次”井身结构：导管段、一开、二开直井段；二开斜井段；三开水平井段。2014年涪陵区12-X页岩气井的导管段钻深约150 m，一开直井段钻深约1 000 m[26]，不同气井的各开采钻井深度可能略有不同，两个受污染水点露头与井场平台高差不超过20 m，钻漏深度可能在导管段至多一开直井段，两个开次所使用的钻井液均为清水钻井液，本文列出了研究区两个岩溶水点导管段和一开直井段两个开次可能的污染途径示意图，见图2和图3。

本次模糊数学法评价中所选取的评价因子为天然无机化学和毒理学因子，不包括人工毒理学因子，

图2　　　　研究区两个岩溶水点G005和G018导管段污染途径示意图Fig.2　　　　Pollution pathway schematic diagram of duct section at G005 and G018 karst water points in the study area

图3　　　　研究区两个岩溶水点G005和G018一开直井段污染途径示意图Fig.3　　　　Pollution pathway schematic diagram at the first open mining depth of straigh drilling at G005 and G018 karst water points in the study area

检测因子有限。研究区两个岩溶水点(G005、G018)模糊数学法的评价级别均为Ⅱ级，但根据实际调查状况，G005、G018两个岩溶水点水体表面有油体，油体为人工毒理性成分，说明水体已受到污染，所以把评价级别调为Ⅴ级(不宜作饮用水源，研究区其他用水可根据使用目的选用)。其他水点均无污染情况，评价结果符合实际。研究区浅层地下水质量的最终评价结果见表3。

由表3可见，目前涪陵焦石镇页岩气开发区的浅层地下水质量总体较好，但部分浅层地下水点因钻井平台井漏而受到污染，占水样总数的3.77%，所取水样达标率为96.23%。

表3　研究区浅层地下水质量的评价结果Table 3　　　　Evaluation results of shallow groundwater quality in the study area

4　结论与建议

涪陵焦石镇页岩气开发区地下水质量综合评价结果显示：研究区浅层地下水质量总体较好，浅层地下水点未受到深部钻井液及钻屑、返排液等高矿化度液体及甲烷气体的污染，但部分浅层地下水点受到页岩气井场平台设备漏失的油体或浅部钻井液、补漏泥浆的污染,污染水点不适宜饮用。

目前，研究仅涉及研究区浅层地下水点，建议近期和中远期应加强研究区深部地下水水质的监测，研究页岩气开发对周边水体的长远影响。由于研究区检测因子全为无机因子，而页岩气勘查开发中的潜在污染源中还包含多种有机因子，因此建议测定研究区地下水水样的有机因子，进一步确定污染源，并对污染点进行长期监测，掌握其污染程度等关键信息，便于为后期治理恢复研究提供依据。

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