基于模糊綜合判別的煤層氣井采排水水質(zhì)評價

李江江 張貝貝 蘇雪峰 劉 巖 劉俊英 高彩霞

(1.中國石油天然氣集團公司煤層氣開采先導(dǎo)試驗基地，河北 062552;2.中石油華北油田公司勘探開發(fā)研究院，河北 062552；3.中國礦業(yè)大學(xué)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083)

1 引言

在煤層氣的開采過程中，通過抽排煤層中的承壓水來降低煤儲層壓力，使煤層中吸附的CH4氣體釋放出來，即排水降壓采氣的過程，排水降壓是目前煤層氣生產(chǎn)的唯一措施。這部分水量較大，而且持續(xù)時間較長，Rice和Fisher(2003)對美國多個地區(qū)單個煤層氣井平均產(chǎn)水量進行統(tǒng)計分析研究，得出美國煤層氣開采區(qū)的單井排水量為3.98～66.62m3/d，總水氣比值為5.75m3/103m3，“十二五”規(guī)劃我國煤層氣地面產(chǎn)量將達到160億m3，按照每開采1000m3的煤層氣產(chǎn)水5.75m3計算，煤層氣采排水水量將高達0.92億m3。

我國煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，2005年煤層氣地面開發(fā)氣量僅為3.0×107m3，2010年煤層氣地面開發(fā)產(chǎn)量突破了1.5×109m3，而2012年煤層氣地面產(chǎn)量達到2.57×109m3。煤層氣產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展將不可避免的對生態(tài)環(huán)境、地表水環(huán)境及地下水環(huán)境產(chǎn)生一定的不利影響。煤層氣采排水直接排放影響土壤質(zhì)量，造成土壤板結(jié)、土壤中鹽分含量上升，影響植物正常生長，同時采排水進入地下水，在短時間內(nèi)對地下水影響可能較小，但是長期排放必將污染地下含水層，地下含水層污染將很難治理，因此必須對煤層氣采排水進行處理和綜合利用。

楊海亮(2007)通過鉆孔過程和排采過程，探討了煤層氣地面開發(fā)對地下水以及地表水環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響，并提出了針對性的防護對策和措施，張云霞(2011)對煤層氣采排水進行了水質(zhì)檢測分析，并提出采排水水質(zhì)情況隨排水時間增加逐漸好轉(zhuǎn)，張強等(2012)對晉城區(qū)煤層氣井產(chǎn)氣階段排出水對土壤及生態(tài)環(huán)境等影響。前人對采排水排放影響均做了定性的分析研究，而未通過水質(zhì)評價方法對采排水具體污染進行定量分析。

煤層氣采排水的處理和綜合利用中，水質(zhì)評價必不可少，水質(zhì)評價結(jié)果將為采排水水處理設(shè)備和工藝選擇以及水資源開發(fā)利用的整體規(guī)劃，提供科學(xué)的依據(jù)。水質(zhì)的評價方法很多，如單因子評價法、綜合指數(shù)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、灰色聚類法、模糊綜合評價法等。模糊綜合評價法是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評標(biāo)方法對水質(zhì)評價中的一些模糊性問題進行定量化處理，根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論將定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價。和世超(2008)、潘妍妍(2010)等都將此方法成功運用到了礦井水水質(zhì)評價中。本文針對水質(zhì)分析數(shù)據(jù)分級的模糊性和不確定性，引入模糊綜合評判方法，對柳林地區(qū)煤層氣井采排水水質(zhì)進行評價。

2 模糊綜合判別

模糊綜合判別是模糊數(shù)學(xué)在決策分析中的一種應(yīng)用。在模糊環(huán)境中，運用模糊集合概念權(quán)衡各種因素，給對象優(yōu)劣以綜合評價的方法。決策目標(biāo)為對各待選方案的優(yōu)劣做出評判。評判活動由待評估因素(性能指標(biāo))和評語兩方面構(gòu)成，由于一般涉及多種因素，必須進行綜合評判。因素和評語一般都有模糊性，需用模糊集合和模糊關(guān)系(矩陣)刻畫待評估因素和評語，并用相應(yīng)的運算描述評判活動，并做出帶有模糊性的結(jié)論。

2.1 評價因子

記評價因子的集合為：U={u1，u2，…，um}，其中，ui(i=1，2，…，m)為參與評價的6個因子；評價等級的集合為：V={v1，v2，…，vn}，其中，vj(j=1，2，…，n)為參與評價因子的n個評價等級。

2.2 隸屬度函數(shù)

每個評價因子隸屬于不同評價等級的程度稱為隸屬度，記為rij。第i個評價因子的實測值為xi；第i個評價因子所對應(yīng)的第j級的評價標(biāo)準(zhǔn)值為sij。隸屬度函數(shù)見表1。

計算各評價因子的隸屬度，建立單因素評判矩陣R：

2.3 權(quán)重分配

考慮每個參與評價的因子對水質(zhì)的影響不同，應(yīng)有不同的側(cè)重，故對每個參與評價的因子賦予不同的權(quán)重，組成參與評價因子的權(quán)數(shù)矩陣W：

W=[w1w2… wm]

2.4 評價結(jié)果

Y=W·R=[y1y2… ym]

根據(jù)最大隸屬度原則，取y=max(yi)，即得相應(yīng)的綜合評價等級。

表1 隸屬度函數(shù)

3 應(yīng)用實例

3.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于柳林縣境內(nèi)，山西省中西部邊緣，呂梁山西麓，黃河?xùn)|岸。東與離石、中陽交界，南和石樓為鄰，西與陜西省吳堡、綏德、清澗等縣隔河相望，北和臨縣毗連。

3.2 區(qū)域地質(zhì)概況

柳林區(qū)塊內(nèi)及周邊賦存的地層自下而上有奧陶系中統(tǒng)峰峰組(O2f)；石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)、上統(tǒng)太原組(C3t)；二疊系下統(tǒng)山西組(Pls)、下石盒子組(P1x)；二疊系上統(tǒng)上石盒子組(P2s)、石千峰組(P2sh)；三疊系下統(tǒng)劉家溝組(T1l)、和尚溝組(T1h)；新生界上第三系上新統(tǒng)(N2)；第四系中更新統(tǒng)(Q2)、上更新統(tǒng)(Q3)、全新統(tǒng)(Q4)。其中煤層氣開發(fā)目標(biāo)層位為山西組的3號、4號、5號煤層和太原組的8號、9號、10號煤層。

柳林區(qū)塊大致位于離石-柳林鼻狀構(gòu)造南翼，發(fā)育有起伏小于50m的次級褶曲。區(qū)塊構(gòu)造簡單，斷裂不發(fā)育，僅在北部邊界附近發(fā)育有小型的派生斷層。地層在區(qū)塊北部向西傾斜，南部逐漸轉(zhuǎn)為向西南傾斜，總體上為一個向西或西南傾斜的單斜構(gòu)造，地層產(chǎn)狀比較平緩，傾角3°～10°。

3.3 區(qū)域水文地質(zhì)概況

柳林水文地質(zhì)分為兩種區(qū)域：黃土覆蓋的低山丘陵區(qū)和松散物堆積的河平川區(qū)。丘陵剖面多為“二元結(jié)構(gòu)”，即由上部的第四紀(jì)次生黃土、第三紀(jì)紅土礫石層和下部的三疊紀(jì)、二疊紀(jì)、石炭紀(jì)和沉積巖層組成。研究區(qū)地下水系統(tǒng)在區(qū)域上屬于寒武系-奧陶系碳酸鹽巖巖溶含水層系統(tǒng)，盆地東緣單斜式含水層亞系統(tǒng)。柳林巖溶水系統(tǒng)屬柳林泉域，有大小泉點近百個。柳林泉的形成主要是接受碳酸鹽巖裸露區(qū)降水入滲補給和河流滲漏補給，并受到地形和含水層產(chǎn)狀控制從東往西滲流的，同時由南、北兩翼向中部三川河河谷匯集，最后在柳林縣城東側(cè)受石炭、二疊系區(qū)域巖溶隔水頂板阻擋形成柳林泉。

3.4 水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)選擇

研究區(qū)煤層氣井采排水的來源主要是煤層水、上部孔隙裂隙含水層以及巖溶含水層，根據(jù)測試結(jié)果可以得出研究區(qū)水處于徑流區(qū)，主要成分為NaHCO3和NaCl，由于排出水中氯離子和總?cè)芙夤腆w均超出《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)及《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749-2006)中所允許的最高含量，因此不適合用這兩個標(biāo)準(zhǔn)來評價水質(zhì)，雖然煤層氣采排水最終主要排放到附近河流進行灌溉，但作為地下水的一部分，按照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848-93)作為評價標(biāo)準(zhǔn)較為合適。通過《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》對采排水進行污染分類，找出主要影響因子，從而針對性對采排水進行處理，使其水質(zhì)達到排放標(biāo)準(zhǔn)才能進入河流。

表2煤層氣井產(chǎn)出水水質(zhì)測量結(jié)果表單位mg/L

表3 模糊綜合評價標(biāo)準(zhǔn) 單位mg/L

以1#為例，根據(jù)上述方法，得出其單因素評判矩陣為：

各因素的權(quán)重值為：

W1=[0.002 0.158 0.007 0.231 0.968]

模糊評價矩陣為：

Y1=[0.07 0.086 0.254 0.813]

根據(jù)最大隸屬度原則，評價取值為1.18，1#井地下水水質(zhì)為Ⅴ級。

研究區(qū)11口煤層氣井地下水水質(zhì)評價結(jié)果見表4。

表4 煤層氣井地下水水質(zhì)評價結(jié)果表