頁巖氣開發(fā)的水資源與綠色發(fā)展面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

夏 軍，吳 霞

(1. 武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072; 2. 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 中國科學(xué)院陸地水循環(huán)及地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101; 3. 北京市水科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100048)

0 引 言

水與能源關(guān)系是國際研究熱點(diǎn)。頁巖氣開發(fā)為解決國家能源問題開辟了新的途徑，但是其開發(fā)需要大量水資源，且由此引起的區(qū)域水資源系統(tǒng)及生態(tài)系統(tǒng)的可能影響是國內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)問題[1-2]。中國既是一個能源缺乏，也是一個水資源缺乏的國家，水資源安全和能源安全息息相關(guān)。能源具有可替代性，高新科技的發(fā)展促使能源轉(zhuǎn)型，而水資源不具有可代替性，能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整可能受限于水資源。在全球能源格局演變形式下，非常規(guī)能源——頁巖氣有望成為新的天然氣能源。與此同時，區(qū)域尺度的水資源系統(tǒng)也發(fā)生著變化。另外，由于發(fā)展中國家生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識不健全，生態(tài)環(huán)境脆弱性加劇。中國西南地區(qū)在氣候變化背景趨勢下，水資源系統(tǒng)有趨向干旱趨勢[3]。同時，伴隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類生產(chǎn)、生活活動與能源-水資源系統(tǒng)的關(guān)系日益密切。因此，開展四川盆地南部(簡稱“川南”)頁巖氣井區(qū)能源開采與區(qū)域生態(tài)環(huán)境關(guān)系的研究，對于認(rèn)識區(qū)域水資源系統(tǒng)和能源開采承載關(guān)系，規(guī)避由于非常規(guī)能源開采變化而引發(fā)的災(zāi)害、生態(tài)破壞，以及保護(hù)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展、維護(hù)人與自然的和諧相處意義重大。

1 研究意義與背景

1.1 頁巖氣開發(fā)對支撐國家能源戰(zhàn)略發(fā)展具有重要意義

能源是一個國家發(fā)展的驅(qū)動力，是民生最基本的需求。中國是一個缺乏石油和天然氣的國家，可能面臨氣候變化和相對能源短缺的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。作為全球最大的煤炭消費(fèi)國、第二大石油消費(fèi)國和第四大天然氣消費(fèi)國[4]，煤炭一直是中國能源消耗的主要燃料(圖1)。近年來，隨著環(huán)境保護(hù)政策推動及低碳經(jīng)濟(jì)的驅(qū)使，中國正在努力將其以煤為主的能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍鍧嵖沙掷m(xù)的能源系統(tǒng)，以緩解不斷增加的環(huán)境壓力。盡管近年來全球能源市場出現(xiàn)了顯著的疲軟趨勢，但中國的能源消費(fèi)仍將持續(xù)增加，預(yù)計(jì)到2040年中國能源消費(fèi)將占全球能源消費(fèi)總量的22%[6]。

數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[5]圖1 中國1978～2017年能源消費(fèi)總量及構(gòu)成Fig.1 Energy Consumption and Composition from 1978 to 2017 in China

頁巖氣是從頁巖層中開采出來的天然氣，是近幾十年來新興的非常規(guī)能源，具有儲量豐富、溫室氣體排放低和空氣污染小等特征[7]。2016年，美國能源信息署(EIA)世界能源初步評估結(jié)果顯示全球頁巖氣儲量約為214.56×1012m3，中國頁巖氣儲量(31.57×1012m3)位于世界頁巖氣儲量首位[7]。隨著水平鉆井和水力壓裂技術(shù)的進(jìn)步，美國頁巖油氣能源革命使其國際能源地位發(fā)生了改變，也直接影響了國際能源局勢。2012年1月5日，中國國土資源部已發(fā)布文件將頁巖氣列為獨(dú)立礦種[8]；2016年9月30日，國家能源局印發(fā)的《頁巖氣發(fā)展規(guī)劃(2016～2020年)》提出2020年力爭實(shí)現(xiàn)頁巖氣產(chǎn)量達(dá)到300×108m3，2030年頁巖氣產(chǎn)量達(dá)到(800～1 000)×108m3[9]。

1.2 水資源在能源發(fā)展中的重要地位

水資源是一種稀缺的、不可替代的資源，是生命100%的生存必需品，特別是未受到污染的淡水資源。水資源分布的不均勻性導(dǎo)致水資源的短缺呈現(xiàn)很明顯的局部性特征。根據(jù)不同的用途，水資源具有不同的使用方式，而且各種使用方式之間是具有競爭性的。目前全球的水資源70%以上主要是用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，因此，缺水問題極有可能在造成干渴之前首先轉(zhuǎn)變?yōu)轲囸I，到2025年將可能存在50%的世界人口生活在缺水區(qū)域[10]。

2014年，聯(lián)合國發(fā)布《世界水資源發(fā)展報(bào)告2014:水與能源》，正式將能源發(fā)展與水資源承載能力聯(lián)系起來，并號召世界各國政府在制定能源發(fā)展政策時要考慮到水資源承載能力。中國水資源時空分布不均勻，南多北少，差距懸殊，且能源分布與缺水地區(qū)高度吻合。頁巖氣資源儲量豐富區(qū)域(四川盆地和塔里木盆地)水資源狀況或季節(jié)性明顯，或總量短缺嚴(yán)重。供水可能成為頁巖氣井生產(chǎn)的障礙，特別是在干旱半干旱地區(qū)和季節(jié)性缺水地區(qū)[1]。

1.3 頁巖氣開發(fā)影響水資源綜合利用

頁巖氣能源的大規(guī)模開發(fā)，水力壓裂和水平井等關(guān)鍵技術(shù)被廣泛地應(yīng)用到頁巖層開采過程中，導(dǎo)致的環(huán)境問題主要包括淡水資源消耗[2]、區(qū)域供給壓力增加[11]、地表水和地下水污染[12]等。

目前頁巖氣井生產(chǎn)用水主要是淡水。根據(jù)美國能源部統(tǒng)計(jì)，Marcellus頁巖氣田每口鉆井平均用水量為1.480×104m3[13]，Barnett頁巖氣田每口鉆井用水量為1.893×104m3[14](表1)。水資源在頁巖氣井生命周期的各個階段均發(fā)揮著重要作用，包括頁巖氣井的鉆探和投產(chǎn)階段。水力壓裂過程中水循環(huán)主要包括5個過程：①水源地取水；②化合物混合；③注井；④產(chǎn)出水收集；⑤污廢水處理及回收利用(圖2)。頁巖氣井的鉆探周期較短(24 h作業(yè)，一個水平井需4～5周，再加3～5 d的水力壓裂處理)，鉆探期間需要消耗大量的當(dāng)?shù)氐乇硭虻叵滤人Y源，極有可能影響當(dāng)?shù)厣a(chǎn)、生活及生態(tài)用水。

表1 不同頁巖氣田鉆井用水量比較

圖件引自文獻(xiàn)[22]圖2 頁巖氣開采水循環(huán)Fig.2 Water Cycle During Shale Gas Production

在頁巖氣開采過程中，開采井的需水量迥異，影響用水總量的因素包括壓裂水平段的深度、長度和數(shù)量。水平段越長，壓裂過程中的用水量就越大[21]。水力壓裂階段的最大用水量可超過用水總量的90%，而壓裂后的設(shè)備維護(hù)(沖洗和清潔)和頁巖氣產(chǎn)氣維護(hù)階段用水量僅占用水總量的0.1%～0.8%。干旱半干旱地區(qū)或季節(jié)性缺水地區(qū)，頁巖氣的開采對其影響程度更大。目前，中國已實(shí)現(xiàn)頁巖氣商業(yè)性開發(fā)的地區(qū)主要是四川和重慶等地。氣候變化情景下，中國西南地區(qū)極端干旱事件增加，而頁巖氣開發(fā)用水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于傳統(tǒng)油氣開發(fā)用水量。

1.4 頁巖氣開發(fā)利用過程中的生態(tài)環(huán)境影響問題

頁巖氣資源開發(fā)的蓬勃發(fā)展不僅消耗大量的水資源，也會產(chǎn)生大量的廢棄物，廢棄物的過度堆積會對生態(tài)環(huán)境造成新的威脅[23]。頁巖氣資源開發(fā)伴隨的廢棄物容易導(dǎo)致水污染、土壤污染及重金屬積累污染等環(huán)境問題，也會對人類的生存帶來威脅，特別是壓裂回流水污染問題，已經(jīng)引起世界多地的高度關(guān)注[24]。

頁巖氣井經(jīng)水力壓裂，開井生產(chǎn)一段時間后會產(chǎn)生返排液和產(chǎn)出水，這兩種液體統(tǒng)稱為回流水[25]。回流水的體積占原來注入高壓液體的比例差異很大，其比例可能為10%～70%[26]，成分中含有化學(xué)添加劑、烴類化合物、重金屬和高總?cè)芙庑怨腆w(TDS，Bakken地層產(chǎn)出水的TDS值為73 000～377 000 mg·L-1)(圖3～5)[27]?；亓魉畛Ｒ姷墓芾矸桨甘窃倮?需要很少處理)、再循環(huán)(涉及更多處理)或通過注入深井處理[28]。處理方法因地而異，取決于廢水的數(shù)量和質(zhì)量，以及處理和處置設(shè)施的可用性[29]。頁巖氣井產(chǎn)生的回流水的數(shù)量和質(zhì)量是決定在不損害環(huán)境的情況下重復(fù)使用和管理廢水的關(guān)鍵因素[30]。

1.5 頁巖氣開發(fā)應(yīng)與水資源可持續(xù)利用需求結(jié)合

中國擁有世界上最多的可開采頁巖氣資源，頁巖氣勘探開發(fā)正處于快速發(fā)展階段，但中國60%以上的可開采頁巖氣資源都分布在較為缺水或季節(jié)性缺水地區(qū)。川南地區(qū)蘊(yùn)藏豐富的可開采海相頁巖層[31]，水資源豐富，但季節(jié)性缺水明顯。目前川南產(chǎn)權(quán)區(qū)頁巖氣投產(chǎn)井462口(數(shù)據(jù)截止到2019年9月)，現(xiàn)開采用水統(tǒng)計(jì)值為2 006.08×104m3。若頁巖氣開采井的數(shù)量持續(xù)增加(如五位數(shù)以上的鉆井規(guī)模)，水力壓裂對川南水資源的影響將持續(xù)增大，并會對地區(qū)水資源用水分配產(chǎn)生持續(xù)影響。

圖件引自文獻(xiàn)[22]圖3 壓裂液成分Fig.3 Composition of Fracturing Fluid

圖件引自文獻(xiàn)[32]圖4 四川珙縣上羅鎮(zhèn)寧201鉆井平臺鉆井返排液Fig.4 Drilling Back and Draining Fluid of Ning201 Drilling Platform in Shangluo Town of Gongxian County, Sichuan

圖5 水力壓裂后1～40 d回流和產(chǎn)出水中的TDS、K+Na、Ca和Cl離子濃度變化Fig.5 Ion Concentrations Variation of TDS, K+Na, Ca and Cl in Flowback and Produced Water from 1 to 40 d After Hydrofracture

頁巖氣開發(fā)無可避免地會遇到擠占當(dāng)?shù)鼐用裆钣盟?、工業(yè)和農(nóng)業(yè)用水的問題，正確合理地評估頁巖氣井的鉆探與水力壓裂用水、區(qū)域水資源供水能力及工農(nóng)業(yè)正常用水之間的競爭關(guān)系對于保障開采區(qū)水資源安全具有重大的科學(xué)和社會意義。頁巖氣開發(fā)需要注重保護(hù)水資源和生態(tài)環(huán)境，避免過度占用水資源和造成環(huán)境污染。

2 頁巖氣能源綠色發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)

2.1 返排液水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)零散，需要加強(qiáng)系統(tǒng)研究

進(jìn)入21世紀(jì)以來，頻發(fā)的極端氣候事件，特別是嚴(yán)重的干旱事件，增加了區(qū)域水資源量的不確定性[3]。國家經(jīng)濟(jì)體的發(fā)展及全球氣候變化影響，低碳能源需求缺口，頁巖氣等低碳天然氣能源需要大力發(fā)展。同時，隨著世界人口的增多，居民生活水平提高，人均能源與水資源需求量大幅增加。在過去的50年里，全球的水資源消耗量增加了3倍多，而伴隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口的進(jìn)一步增多，這一比例將繼續(xù)呈上升趨勢[10]。頁巖氣能源開采消耗大量的地表淡水資源，可能會引發(fā)更多且更為嚴(yán)重的區(qū)域性干旱事件。

四川盆地自2007年已開始頁巖氣勘探開發(fā)。2012年，國家能源局和國家發(fā)展和改革委員會聯(lián)合發(fā)文同意設(shè)立國家級頁巖氣示范區(qū)(長寧、威遠(yuǎn)和昭通頁巖氣示范區(qū))，具體實(shí)施工作是由中國石油天然氣集團(tuán)公司開展。2012年以來(截至到2019年9月6日)，長寧頁巖氣示范區(qū)投產(chǎn)井?dāng)?shù)達(dá)到162口，威遠(yuǎn)頁巖氣示范區(qū)投產(chǎn)井?dāng)?shù)199口，昭通頁巖氣示范區(qū)投產(chǎn)井?dāng)?shù)101口(圖6)。由圖6可知，2014～2019年川南頁巖氣井產(chǎn)業(yè)處于發(fā)展階段，特別是2018和2019年頁巖氣井?dāng)?shù)量增加趨勢明顯，頁巖氣井產(chǎn)業(yè)處于發(fā)展時期。

柱狀圖上的數(shù)字為頁巖氣井的數(shù)量圖6 2014～2019年威遠(yuǎn)、長寧和昭通頁巖氣井?dāng)?shù)量變化Fig.6 Quantitative Variations of Shale Gas Wells in Weiyuan, Changning and Zhaotong from 2014 to 2019

圖7 川南頁巖氣井產(chǎn)出水月尺度變化箱形圖Fig.7 Box-plots of Monthly Scale Variations of Flowback Water for Shale Gas Wells in South Sichuan

頁巖氣儲存于極低孔滲烴源巖地層中，最普遍的開采技術(shù)主要是多級水力壓裂和水平井技術(shù)[33]。研究表明，中國川南頁巖氣研究區(qū)主要是水質(zhì)影響比較大，水量影響較小[34-35]。目前長寧、威遠(yuǎn)及昭通頁巖氣示范區(qū)正在投產(chǎn)運(yùn)行的頁巖氣井依然處于正常生產(chǎn)早期，大部分頁巖氣井沒有結(jié)束返排期。威遠(yuǎn)頁巖氣井?dāng)?shù)據(jù)主要是W202和W204區(qū)塊，長寧頁巖氣井平臺散落，昭通頁巖氣井主要是YS108區(qū)塊(圖7)?，F(xiàn)階段國內(nèi)外有關(guān)返排液形成機(jī)理存在部分研究成果，但開采區(qū)塊分散，國內(nèi)外學(xué)者所獲取的返排水水質(zhì)數(shù)據(jù)零散，導(dǎo)致其回收利用等方面的研究存在信息不對稱[36]。

2.2 油服公司生產(chǎn)數(shù)據(jù)獲取有難度，需改進(jìn)數(shù)據(jù)共享問題

盡管目前在頁巖氣與水資源分析、水-頁巖作用機(jī)理、頁巖氣成因分布及地球化學(xué)等方面已開展了一些工作，但對于頁巖氣能源開采科學(xué)研究方面，受地質(zhì)條件差異、勘探技術(shù)水平以及其他客觀原因限制，系統(tǒng)需耗水評估和生態(tài)環(huán)境影響研究難度較大。其主要原因是現(xiàn)場資料獲取困難，國內(nèi)外僅有針對頁巖氣田的生產(chǎn)耗水研究，限制了對頁巖氣井返排水污染定量評估。

由于施工數(shù)據(jù)的限制，以往的頁巖氣井產(chǎn)業(yè)綜合管理評估及經(jīng)濟(jì)效益評估研究均較少。水足跡評估模型可將水質(zhì)和水量耦合量化評估，但原始觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性以及未來數(shù)據(jù)的估算方法均會對模型結(jié)果產(chǎn)生較大的影響；施工現(xiàn)場對返排水處理過程可能會對評估結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重影響；地質(zhì)差異和施工技術(shù)的改進(jìn)也會導(dǎo)致開采井?dāng)?shù)量規(guī)模的預(yù)測存在差異[34]。因此，后續(xù)研究中應(yīng)鼓勵數(shù)據(jù)公開透明，以便對未來的油井耗水過程進(jìn)行更嚴(yán)格的評估。美國能源信息署(EIA)、環(huán)境保護(hù)署(EPA)等公益機(jī)構(gòu)公布的數(shù)據(jù)是整體區(qū)塊年度數(shù)據(jù)，除了部分試驗(yàn)井有公開數(shù)據(jù)外，具體單井位置和單井生產(chǎn)數(shù)據(jù)是由施工企業(yè)保存，并沒有公開可獲取渠道。國內(nèi)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)同樣面臨數(shù)據(jù)缺乏透明度，給科學(xué)研究帶來了阻力。

2.3 地區(qū)經(jīng)濟(jì)條件存在差異，需加強(qiáng)廢污水管理的法規(guī)建設(shè)

頁巖氣井生產(chǎn)過程中的主要環(huán)境影響表現(xiàn)為：①水資源消耗大；②返排水對土壤、地表水及地下水的污染威脅；③產(chǎn)生油基和水基巖屑污染威脅；④在鉆井階段，土地資源被占用等。對應(yīng)的環(huán)境影響過程為：頁巖氣開發(fā)造成的水資源消耗可能增加區(qū)域水資源短缺的風(fēng)險(xiǎn)[35]；返排水的不當(dāng)處理會造成土壤污染和重金屬污染；油基巖屑和水基巖屑處置不當(dāng)或未處理會引起不可逆轉(zhuǎn)的土壤污染；開采過程引起的水土資源占用會給當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)帶來威脅，造成動植物等生境改變。大排量、高污染返排水也給企業(yè)和環(huán)境負(fù)荷增加了負(fù)擔(dān)，其排放處理及循環(huán)利用都是熱點(diǎn)研究問題，也是頁巖氣能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的困境之一。

而中國能源領(lǐng)域的法律法規(guī)尚不完善。當(dāng)前處理與頁巖氣開發(fā)相關(guān)的違法違規(guī)事件的主要依據(jù)僅有《中華人民共和國水法》、《中華人民共和國水污染防治法》和《中華人民共和國水污染防治法實(shí)施細(xì)則》及環(huán)境保護(hù)部門規(guī)范性文件《石油天然氣開采業(yè)污染防治技術(shù)政策》和《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則：陸地石油天然氣開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目》。然而，這些法律法規(guī)中并沒有針對頁巖氣井開發(fā)導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境問題的實(shí)際可操作規(guī)定。政府部門需聯(lián)合企業(yè)部門進(jìn)行監(jiān)督管理，設(shè)置環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時有效地傳遞水質(zhì)監(jiān)測和土壤監(jiān)測數(shù)值；政府部門可以立法并實(shí)施獎懲機(jī)制，以規(guī)范頁巖氣開發(fā)企業(yè)的行為。

3 未來能源綠色發(fā)展的機(jī)遇與思考

頁巖氣井規(guī)模有效開發(fā)經(jīng)驗(yàn)對于推動中國的非常規(guī)能源勘探進(jìn)程具有積極作用。隨著常規(guī)油氣資源的消耗，全球油氣資源開發(fā)已經(jīng)發(fā)展為由傳統(tǒng)為主向常規(guī)與非常規(guī)并重發(fā)展的局面。非常規(guī)油氣資源開發(fā)的特殊性決定其對生態(tài)環(huán)境的影響較常規(guī)油氣資源更大，甚至可能造成地質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變，進(jìn)而引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害等次生災(zāi)害。能源發(fā)展和社會經(jīng)濟(jì)息息相關(guān)，能源的經(jīng)濟(jì)效益決定了企業(yè)的開采能動性，頁巖氣能源發(fā)展綜合風(fēng)險(xiǎn)管理措施制定時應(yīng)充分考慮到企業(yè)利潤、區(qū)域生態(tài)環(huán)境和國家能源安全的重要性。

3.1 加強(qiáng)能源開采與綠色發(fā)展的系統(tǒng)思維、系統(tǒng)治理、系統(tǒng)管控的戰(zhàn)略規(guī)劃

能源發(fā)展的最終目標(biāo)是維護(hù)國家能源安全和保障經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展。頁巖氣能源發(fā)展用水量估算及其生態(tài)環(huán)境影響評估等已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。頁巖氣能源規(guī)模性開發(fā)會給區(qū)域生態(tài)環(huán)境帶來一定程度的負(fù)面影響。因此，系統(tǒng)評估頁巖氣開發(fā)的社會經(jīng)濟(jì)效益及其生態(tài)環(huán)境影響，應(yīng)提出未來變化情景下頁巖氣開發(fā)區(qū)社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的適應(yīng)性管控措施，這對于保障區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)影響綜合評估涉及到水資源系統(tǒng)、土地系統(tǒng)及生態(tài)系統(tǒng)，因此，在開展評估之前，不僅需要頁巖氣能源產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益評估，更需要對研究區(qū)水資源水質(zhì)、水量需耗量、土地利用等要素的時空過程進(jìn)行分析，并根據(jù)國家能源規(guī)劃和能源需求確定頁巖氣能源規(guī)劃管理方案。

基于經(jīng)濟(jì)生態(tài)學(xué)的概念，可將頁巖氣能源費(fèi)用系統(tǒng)分解為外部系統(tǒng)和內(nèi)部系統(tǒng)兩個部分(圖8)。其中，內(nèi)部系統(tǒng)是直接費(fèi)用，主要包括水資源取水費(fèi)用、HSE工程費(fèi)用、實(shí)際鉆井和地面工程投資費(fèi)用等；外部系統(tǒng)是間接費(fèi)用，主要考慮頁巖氣能源開采對生態(tài)環(huán)境的隱形影響，如開采過程造成的水污染、土壤污染、重金屬污染、地表破環(huán)及生境改變等問題。企業(yè)追求的效益最大化，即在不考慮外在生態(tài)環(huán)境費(fèi)用及技術(shù)可實(shí)現(xiàn)前提下，區(qū)域頁巖氣能源最大規(guī)模開采，盡可能達(dá)到最大開采井?dāng)?shù)。而區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能及價值是不可忽略的限制因素。在能源安全目標(biāo)下，政府期望達(dá)到的應(yīng)當(dāng)是頁巖氣能源的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)規(guī)模開采，即額外增長的邊際效益剛好等于這種增長引起的生態(tài)系統(tǒng)功能下降的邊際成本時的經(jīng)濟(jì)規(guī)模。頁巖氣能源綠色可持續(xù)發(fā)展理念是指在定量增長不超過環(huán)境承載力的前提下，滿足人類欲望的能力得到質(zhì)的改善。

3.2 整合多種管理手段，引入市場機(jī)制，優(yōu)化水資源配置效率

水資源在頁巖氣能源發(fā)展中扮演著重要的角色，是水力壓裂技術(shù)的驅(qū)動力。對其管理應(yīng)該整合多種手段，包括納入市場機(jī)制的水價規(guī)劃管理，以發(fā)揮市場優(yōu)化配置效率。頁巖氣井生產(chǎn)過程對于水資源系統(tǒng)的潛在影響，運(yùn)營企業(yè)有必要采取保護(hù)措施減少區(qū)域未來的干旱風(fēng)險(xiǎn)和用水危機(jī)。政府可以制定有效的水資源管理策略和調(diào)控政策。例如，提供理論依據(jù)調(diào)整階梯水價制度，以增強(qiáng)企業(yè)的節(jié)水積極性；構(gòu)建水法框架和限制用水范圍等。通過市場和價格機(jī)制配置供給和激勵企業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)意愿來減少企業(yè)成本的增加?？梢愿纳扑毫压?jié)水和回收重復(fù)利用回流水技術(shù)，并在考慮水可利用性和生態(tài)保護(hù)的情況下制定發(fā)展計(jì)劃。

2018年，中國不同省份的工業(yè)水資源價格在1.87元·m-3至6.50元·m-3之間(http:∥www.h2o-china.com/price/)，不到美國和德國工業(yè)水價(53元·m-3)的10%(https:∥www.globalwaterintel.com/)。中國的水價體系還沒有充分考慮不同行業(yè)的用水差異和需求，可能缺乏調(diào)節(jié)市場能力，進(jìn)而導(dǎo)致水資源的不合理開發(fā)利用。運(yùn)營商的最終追求是最大程度地實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)回報(bào)，包括水成本和頁巖氣井生產(chǎn)收益之間的權(quán)衡[37]。階梯水價系統(tǒng)(其中價格根據(jù)所消耗的水量增加)和行業(yè)中的廢水排放罰款可能是直接激勵運(yùn)營商減少用水量并提高其回收利用和廢水處理效率的有效手段。有效節(jié)水的企業(yè)應(yīng)給予相應(yīng)補(bǔ)貼，以激勵其加大水資源和生態(tài)環(huán)境保護(hù)力度。

3.3 加強(qiáng)安全防護(hù)，做好技術(shù)預(yù)防對策措施

在企業(yè)層面上，應(yīng)當(dāng)在鉆井開始之前就開始進(jìn)行水資源及水質(zhì)狀況評估，做好前期的HSE工作；在鉆井開始生產(chǎn)后，應(yīng)當(dāng)妥善處理水基和油基巖屑等固體污廢物和返排水；設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，定期監(jiān)測開采區(qū)附近水體水質(zhì)和土壤質(zhì)量。在政府層面上，應(yīng)為企業(yè)的頁巖氣能源開采做好保障工作；設(shè)置激勵政策和經(jīng)濟(jì)手段，鼓勵企業(yè)在保護(hù)生態(tài)環(huán)境的前提下，合理進(jìn)行頁巖氣能源開采，保障國家能源安全；建立健全的頁巖氣井生產(chǎn)管理規(guī)范和法規(guī)，保證區(qū)域人民健康和財(cái)產(chǎn)不受影響，保障頁巖氣井開發(fā)區(qū)生態(tài)環(huán)境不受到危害。

頁巖氣井應(yīng)工廠化平臺井位部署，嚴(yán)格控制工程用地。場站、管線的選址避開基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)，天然氣管道、輸水管線、光纜等地面工程應(yīng)同溝敷設(shè)以減少占地面積。在管道施工過程中，加強(qiáng)施工管理，嚴(yán)格控制車輛及施工人員的活動范圍，縮小施工作業(yè)帶，盡可能減少施工占地面積，將施工對生態(tài)環(huán)境的影響降至最低。

3.4 積極推進(jìn)能源建設(shè)綠色發(fā)展的法制建設(shè)與制度創(chuàng)新

頁巖氣能源資源儲量雖然可觀，但現(xiàn)階段中國氣價和電價依然是由國家定價，天然氣價及電價相較于其他偏低，這對于企業(yè)效益具有很大影響，小型投資商需要承擔(dān)的開采風(fēng)險(xiǎn)更大。且現(xiàn)階段中國能源領(lǐng)域的法律法規(guī)尚不完善，政府部門應(yīng)研究完善法規(guī)建設(shè)，并進(jìn)行制度管理上的創(chuàng)新。例如，聯(lián)合企業(yè)部門進(jìn)行監(jiān)督管理，立法并實(shí)施獎懲機(jī)制，以規(guī)范頁巖氣等傳統(tǒng)能源開發(fā)。

中國正值經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展時期，對能源的需求大，能源緊缺的狀況更會越來越明顯。針對非常規(guī)油氣資源開發(fā)面臨成本高、開發(fā)難度大等問題，國家扶持力度需要加大，要靈活運(yùn)用經(jīng)濟(jì)手段和激勵政策。各級政府均應(yīng)高度重視清潔能源的發(fā)展，充分發(fā)揮引導(dǎo)作用和加強(qiáng)政策的支持力度，從制度、法律、政策和社會等不同角度建立健全的體系機(jī)制。改善后的稅收政策和稅費(fèi)優(yōu)惠政策會給企業(yè)支撐，使其不至于在成本負(fù)擔(dān)過重的情況下忽視開采帶來的生態(tài)環(huán)境問題，促進(jìn)企業(yè)-生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展。

3.5 積極推進(jìn)新技術(shù)的研發(fā)，加強(qiáng)綠色發(fā)展的科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新與支撐

國家能源安全需求及企業(yè)能源規(guī)劃直接決定區(qū)域生產(chǎn)井的數(shù)量，與用水需求成正相關(guān)關(guān)系；單井的返排水量主要與地質(zhì)、施工單位開采技術(shù)等相關(guān)；返排水的回收利用和再循環(huán)技術(shù)會極大程度地減少返排水量，應(yīng)成為未來研究的重點(diǎn)；區(qū)域水量和水質(zhì)代表了區(qū)域能容納灰水足跡的程度，是返排水能進(jìn)行排放的重要基礎(chǔ)；企業(yè)收益分析及施工企業(yè)的技術(shù)水平間接決定頁巖氣開采井生產(chǎn)狀況和投資熱情。運(yùn)營企業(yè)施工技術(shù)在水力壓裂和頁巖氣生產(chǎn)的耗水研究中起著至關(guān)重要的作用，頁巖氣能源鉆探和生產(chǎn)用水量與設(shè)計(jì)壓裂段數(shù)成顯著正相關(guān)關(guān)系(判定系數(shù)為0.711)(圖9)。施工企業(yè)壓裂施工過程中技術(shù)的研發(fā)(合理配置壓裂液、控制水沙比等)可以減少水資源的占用，無水壓裂技術(shù)(CO2、液氮無水壓裂)等可以極大程度地減少對水資源的占用，解決區(qū)域缺水問題。技術(shù)的進(jìn)步可以促進(jìn)用水的減少，實(shí)現(xiàn)環(huán)境和產(chǎn)業(yè)的友好和諧發(fā)展，特別是從源頭控制的減阻水壓裂技術(shù)和抗鹽性化學(xué)添加劑的需求越來越迫切，迫切需要技術(shù)的進(jìn)步來彌補(bǔ)阻止能源產(chǎn)業(yè)和環(huán)境健康的短板。

頁巖氣能源屬于非常規(guī)能源，其開采耗水過程與傳統(tǒng)煤炭及常規(guī)能源(天然氣、石油)存在差異。國家能源安全需求及企業(yè)能源規(guī)劃、施工企業(yè)的技術(shù)水平、回流水的回收利用和再循環(huán)技術(shù)對引起水足跡變化的影響較大。頁巖氣的總熱值換算后用水量比常規(guī)的煤炭和油氣資源小，但由于清潔能源轉(zhuǎn)換需求，頁巖氣能源開采極有可能迎來大力發(fā)展時期，加上頁巖氣能源開采水力壓裂技術(shù)是短時間內(nèi)大量消耗水資源，所以頁巖氣能源用水量不可忽視。后續(xù)研究中可以從公共管理角度來提出適應(yīng)性管理對策，以促使現(xiàn)有的個案研究更具有普適性。同時，也可以從公共管理角度探討國家頁巖氣開采的生態(tài)環(huán)境影響管理規(guī)范。

恰逢長安大學(xué)七十周年華誕，我和我的學(xué)生吳霞博士合作撰寫這篇論文以表祝賀之意，祝長安大學(xué)在世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)中取得更大成就！我與長安大學(xué)老師一起開展過很多有益合作，比如彭建兵院士、王文科教授、錢會教授等。2016年3月，我參加了長安大學(xué)旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)收工作，實(shí)驗(yàn)室研究特色突出、研究方向及定位準(zhǔn)確、研究成果豐碩、研究人員結(jié)構(gòu)合理、人才隊(duì)伍建設(shè)成效顯著、學(xué)術(shù)交流活躍、管理有序規(guī)范、依托單位和主管部門支持有力；2019年，我參加了在長安大學(xué)舉行的第二屆流域水資源管理與綜合治理國際學(xué)術(shù)研討會，期待該會議成果能帶動長安大學(xué)水利相關(guān)專業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，為黃河流域的生態(tài)防護(hù)事業(yè)添磚加瓦；2020年9月，我還在線參加了彭建兵院士主持召開的宜居黃河科學(xué)研究計(jì)劃啟動暨陜西省黃河科學(xué)研究院成立大會，共話黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展美好前景。期待以后與長安大學(xué)有更多合作，為國家水安全和可持續(xù)利用貢獻(xiàn)智慧！

圖(a)擬合線判定系數(shù)為0.524；圖(b)擬合線判定系數(shù)為0.711圖9 單井壓裂用水量與壓裂水平段長及壓裂段數(shù)關(guān)系Fig.9 Relationships Between the Length, Number of Fracturing Horizontal Section and Hydraulic Fracturing Water Consumption per Well