南川页岩气开发区污染防治措施及其环境保护效果研究

李成龙，潘俊鸥，包 凯，高涣杰，谢凯玲，卢培利

（1.中国石化华东油气分公司重庆页岩气有限公司，重庆408400；2.重庆大学环境与生态学院，重庆408400）

页岩气藏渗透率低，水平井、丛式井以及水力压裂是主体开发技术，造成了页岩气开发比常规天然气开发更大的资源消耗和生态环境影响[1-6]。页岩气开采产生的废水主要包括钻井废水、压裂返排液、采气废水等，产量较大，水质复杂，处理难度高，处理不当可能引发地表水、地下水和土壤污染[7-11]；水基岩屑和油基岩屑等固体废弃物产生量大，处理成本高，堆存、转运和处理处置过程对地下水、土壤和大气环境具有潜在威胁[12-13]；钻井和压裂（试气）噪声会对周边声环境产生短期不利影响[14]；页岩气开采过程中，燃油机械和热水炉等燃烧产生的废气可能对大气环境产生影响[15]；建设井场、道路、废水池、管线、集气站等占用土地，破坏地表植被，改变土壤结构，对生态环境产生影响[16-18]。美国作为最早进行页岩气商业开发的国家，开发过程对区域地表水和地下水等环境质量产生了影响[19-21]。随着页岩气开发方式的改进，我国在返排水处理与回用，普通岩屑处理与资源化利用，油基岩屑资源回收与处置，噪声与废气治理等方面取得了积极进展，有效减少了进入环境的污染物。但是，由于我国页岩气开发处于起步阶段，且集中在川渝地区，开发过程的生态环境影响机制、环境风险后果、污染防治的工程技术与管理规范都亟待完善[22-23]。因此，对页岩气开发区域环境质量进行持续的跟踪监测是检验污染防治措施效果的有效手段，也是认识长期累积环境影响的重要依据。

南川页岩气开发区域包括重庆市的彭水县、武隆区与南川区。项目区属喀斯特地形，地貌地形破碎，目标层即含气地层为志留系底部的下志留统龙马溪组，地下水基本为裸露型碳酸盐岩岩溶水，大部分区域内岩溶地下水埋藏较浅，局部地带岩溶水埋藏较深。页岩气井部署区域均为偏僻地区。目前，南川页岩气开发区已经进入规模化开发期，完钻80口井，其中，南川区是主力区，已投产40口井，累计产气量约11×108m3，日产气量约240×104m3。在对南川页岩气开发区域的污染防治措施进行总结，并对开发区域地下水环境、地表水环境、大气环境、声环境和土壤环境进行跟踪监测后，基于监测结果，采用单因子指数对区域环境质量进行了评价，同时，进行了不同年份监测结果的比较评估，以期为我国页岩气开发环境保护措施的有效性和对累积性环境影响的认识提供基础信息。

1 南川页岩气开发区污染防控措施

1.1 污染源与环境影响简述

页岩气勘探开发主要分为4个环节：①钻前；②钻井及压裂试气；③地面工程；④采气。消耗的主要环境资源包括土地资源和水资源。采用工程分析的方法，针对每一环节的活动、使用材料和设备等，从废水、废气、噪声、固体废弃物、生态影响这5个方面识别出污染源（表1）。各污染源的生态环境影响特性见表2。

表1 各施工作业环节污染源Table1 Pollution sources in construction operations of shale gas development

表2 污染源环境影响分析Table2 Analysis of environmental impact of pollution sources of shale gas development

1.2 污染防控措施

在近几年的开发进程中，南川页岩气开发区形成了源头预防优先、资源化利用其次和末端治理兜底的生态环境保护思路，主要防护和治理措施见表3。

对于地下水和土壤污染，重点措施是清水钻井液的使用、钻井工程的防护和重点区域的防渗；对于地表水，形成了“均质缓冲池+AAO法（厌氧-缺氧-好氧活性污泥法）-MBR法（膜生物法）+芬顿氧化+中和沉淀”的物化-生化联合处理工艺，并进行了工程应用；对于岩屑，主要采取资源化利用的方式进行处理。

2 南川页岩气开发区生态环境保护效果

2.1 环境质量监测与评价方法

重庆市南川区境内的溪河主要属于乌江及长江水系，地表径流量18.07×108m3，其中地下水量2.65×108m3，水利资源蕴藏量17.96×104kW。

2017年和2018年，对南川页岩气开发区内的地表水环境质量、地下水环境质量、大气环境质量、声环境质量和土壤环境质量各进行了一期监测。采样和监测按照各要素环境影响评价导则中的监测规范进行。在大青河、乌江、蟹塘河等地表水设置5个监测断面，于平/枯水期（11月份）连续监测3 d，每天取样1次。监测因子有pH值、COD（化学需氧量）、BOD（5生化需氧量）、氨氮、硫化物、石油类、硫酸盐及氯化物。采用单因子指数法进行地表水环境质量现状评价，评价公式如下：

式中：Si为第i种污染物的评价指数；Ci为第i种污染物的最大监测值，mg/L；Coi为第i种污染物的评价标准，mg/L。

pH值评价模式：

式（2）—式（3）中：SpH为pH值的单项污染指数；pHsd为地表水水质标准中规定的pH值下限；pHsu为地表水水质标准中规定的pH值上限；pHj为在j监测点处实测pH值。

在矿区内选取四处地下水监测点：1#地下水裂隙出水点、2#溶洞出水点、3#地下水裂隙出水点、4#溶洞出水点。连续监测2 d，每天取样1次，监测因子有pH值、COD、BOD5、氨氮、硫化物、石油类、硫酸盐及氯化物，采用单项水质指数进行评价。

南川区地属中亚热带湿润季风气候区，具有气候温和，雨量充沛，湿度较大，无霜期长，云雾多，日照少，风速小等气候特点，区域全年静风最多且无明显主导风向。根据开发区地理位置，布设4个环境空气监测点，连续监测7 d的SO2、NO2、PM10日均值与H2S小时浓度值。

采用占标率对项目建设区大气环境质量现状进行评价，计算公式为：

表3 南川页岩气开发区生态环境防护和治理措施Table3 Measurements of ecological and environmental protection from shale gas development in Nanchuan area

式中：Pi为第i个污染物的最大地面浓度占标率，%。

在井场场界和敏感点共布设30个噪声监测点，在页岩气开采施工期间，考虑昼间等效声级和夜间等效声级，对监测因子（pH值、石油烃、铅、六价铬、挥发酚）连续监测2 d，昼夜各监测1次。选择典型井场，在井场上游与下游共布置5个土壤监测点，每个监测点采用梅花布点法分别取样1次。采样深度根据可能造成的污染情况确定，原则上最深不超过50 cm。

2.2 环境质量监测与评价结果

2.2.1 地表水环境质量

2018年南川页岩气开发区域各地表水体监测断面的监测因子浓度值均满足国家标准GB 3838—2002《地表水环境质量标准》的Ⅲ类标准限值，硫化物均未检出（表4），表明截至2018年，页岩气开发未造成地表水污染。

为了反映年际变化，将2017年和2018年各断面水质监测指标的最大评价指数进行对比（图1），结果表明：除了4#和5#断面的pH值评价指数、COD 评价指数和氨氮评价指数上升外，其他因子的评价指数并未发生年际上升情况。3#断面的COD和BOD5的评价指数上升相对显著且趋势一致，但这2个指标并非页岩气开采的特征指标。而页岩气开发废水的特征因子硫酸盐和氯化物的评价指数并未发生年际上升，且均处于较低水平，说明区域页岩气开发未导致区域地表水水质发生明显不利变化。

图1 2017年和2018年南川页岩气开发区域监测断面地表水质量评价指数比较Fig.1 Comparison of assessment index of surface water in Nanchuan shale gas development area in 2017 and 2018

2.2.2 地下水环境质量

2018年南川页岩气开发区地下水监测结果（表5）显示，各监测因子浓度均符合国家标准GB/T 14848—2017《地下水质量标准》，且特征因子氯化物和硫酸盐浓度处于较低水平，石油类未检出，表明页岩气开发区域周边地下水水质并未受到污染。

对比其中3个监测点2017年和2018年监测结果的评价指数（图2），除氨氮的评价因子上升外，pH值、CODMn、硫酸盐和氯化物的评价指数并未随着区域页岩气开发而上升，由于氨氮并非页岩气开发的特征因子，表明区域页岩气开发未导致地下水水质产生明显不利变化。

表4 2018年监测的南川页岩气开发区地表水监测点监测结果Table4 Test results of surface water environment in Nanchuan shale gas development area in 2018（mg/L）

图2 2017年和2018年南川页岩气开发区域地下水监测点质量评价指数比较Fig.2 Comparison of assessment index of groundwater in Nanchuan shale gas development area in 2017 and 2018

2.3 大气环境质量

南川页岩气开发区域空气质量监测点2018年监测结果（表6）显示，SO2、NO2、PM10浓度值均能满足对应功能区的质量标准，H2S 浓度值满足国家标准GBZ 2.1—2019《工作场所有害因素职业接解限值 第1 部分：化学有害因素》所示大气中有害物质的最高容许浓度限值，且污染因子浓度处于较低水平，表明开发区监测点空气质量没有受到页岩气开发活动排放的废气污染。

从其中2个监测点在2017年和2018年监测的各个空气质量因子的评价指数的比较来看（图3），评价指数的年际变化并不显著，没有显著上升趋势，表明区域页岩气开发未导致大气环境质量发生明显不利变化。

表5 2018年南川页岩气开发区地下水监测点监测结果Table5 Test results of groundwater environment in Nanchuan shale gas development area in 2018（mg/L）

表6 2018年南川页岩气开发区监测点空气环境监测结果Table6 Test results of ambient air quality in Nanchuan shale gas development area in 2018（mg/m3）

图3 2017年和2018年南川页岩气开发区域大气监测点质量评价指数比较Fig.3 Comparison of assessment index of atmospheric environment in Nanchuan shale gas development area between 2017 and 2018

2.4 声环境质量

2018年，对南川页岩气开发区域的井场场界和环境敏感点的30个监测点的声环境监测结果显示：各监测点昼、夜间噪声值均满足国家标准GB 3096—2008《声环境质量标准》的2 类声环境功能区环境噪声限值要求，说明区域声环境质量较好，受到页岩气开发的噪声影响较小。

对其中6个监测点2017年和2018年进行区域声环境质量监测的结果进行对比（表7），有4个对比点昼间声环境监测值上升比较明显，这主要是受钻前和钻井活动的影响，但这种声环境的变化不具有长期性和累积性，随着页岩气开发进入采气期后会消失。

表7 2017年和2018年南川页岩气开发区域声环境质量对比Table7 Comparison of noise environment in Nanchuan shale gas development area in 2017 and 2018 dB（A）

2.5 土壤环境质量

2018年监测的南川页岩气开发区土壤环境质量现状结果（表8）显示，各监测点铅浓度低于国家标准GB 15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》中风险筛选值，石油烃浓度低于国家标准GB 36600—2018《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》中风险筛选值，六价铬和挥发酚未检出，说明区域土壤环境质量未因页岩气开发而造成污染。其中2个监测点在2017年和2018年的土壤环境质量对比（表9）显示，除1#监测点土壤中石油烃含量略有升高外，其他因子均有所降低，且石油烃变化幅度极小，低于天然环境背景浓度值，说明区域土壤环境质量未因页岩气开发而发生明显变化。

表8 2018年南川页岩气开发区土壤环境监测结果Table8 Test results of soil environment in Nanchuan shale gas development area in 2018

3 结论

为了了解页岩气开发污染防治措施在防控区域环境污染方面的有效性，以及为认识累积性环境影响提供支撑，对南川页岩气开发区的地表水环境质量、地下水环境质量、大气环境质量、声环境质量和土壤环境质量进行了跟踪监测，采用单因子指数进行了环境质量评价，通过年际比较评估了质量变化情况，得出如下主要研究结论。

1）2018年监测的环境现状结果表明：南川页岩气开发区的各环境质量监测因子（地表水、地下水、大气、声和土壤）均能满足相应功能区的环境质量标准，区域页岩气开发未造成各环境要素的污染。

2）2017年和2018年监测结果对比表明：南川页岩气开发区各环境质量监测因子的评价指数，尤其是氯化物等特征因子的评价指数未发生明显年际变化，表明区域环境质量也未因页岩气开发受到明显不利影响。

表9 2017年和2018年南川页岩气开发区域土壤环境质量对比Table9 Comparison of soil environment in Nanchuan shale gas development area between 2017 and 2018

3）南川页岩气开发区环境质量保持达标并且无明显年际变化，表明当前采用的污染防治措施能够有效保障区域环境不受污染。但持续性与累积性环境影响尚需更长时间的跟踪监测与评价。