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    CO2 地質(zhì)封存項(xiàng)目環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)估體系初步研究

    2023-01-28 07:51:02付葆春
    山西化工 2022年8期
    關(guān)鍵詞:咸水環(huán)境監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)

    付葆春,許 媛

    (1.濰坊市生態(tài)環(huán)境局臨朐分局,山東 濰坊 262600;2.濰坊市臨朐生態(tài)環(huán)境監(jiān)控中心,山東 濰坊 262600)

    引言

    作為減少溫室氣體排放和應(yīng)對(duì)全球變暖的主要手段,CO2地質(zhì)封存是我國(guó)最重要的地質(zhì)封存方式。CO2能否穩(wěn)定、安全、無(wú)泄漏儲(chǔ)存是評(píng)價(jià)CO2儲(chǔ)存項(xiàng)目成功與否的重要指標(biāo)[1]??紤]到封存CO2地點(diǎn)的上覆巖層可能存在一定的地質(zhì)構(gòu)造,CO2在封存后可能會(huì)上移到如斷層、陷落柱這種復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)中,進(jìn)而進(jìn)入地表,影響地面的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)。研究表明,地質(zhì)監(jiān)測(cè)手段是檢驗(yàn)CO2封存是否安全的一個(gè)主要方式,但是目前的監(jiān)測(cè)手段僅限于某一方面的地層,因此本文介紹了一種多維度CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)估體系,并對(duì)其可行性進(jìn)行了評(píng)估。

    1 環(huán)境監(jiān)測(cè)體系的指標(biāo)描述

    1.1 CO2 垂直運(yùn)移監(jiān)測(cè)

    將CO2封存到咸水層中,很有可能出現(xiàn)CO2朝著水平或者垂直方向的位移情況,從安全角度來(lái)看,垂直方向的二氧化碳排放危害更大。這是因?yàn)?,在逐漸上升的過(guò)程中,CO2泄漏的可能性更高。圖1 為神華CO2在地下的運(yùn)移范圍,其中,VSP 表示垂直地震剖面監(jiān)測(cè)手段,因其具有分辨率高、投資成本較低的優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用到CO2封存項(xiàng)目中。表1 則記錄了CO2在不同層位的分布結(jié)果。

    表1 CO2 在不同層位的分布結(jié)果

    由圖1 可知,CO2注入地層后,CO2水平位移幅度范圍從2013 年的350 m 增加到2014 年的400 m,整體向外擴(kuò)散。地震波變化的最小蓋層深度為1 500 m,且蓋層無(wú)CO2向上滲漏。因此,將蓋層的埋藏深度大小當(dāng)作CO2達(dá)到安全封存標(biāo)準(zhǔn)的最大封存深度,一旦蓋層的深度降低,就意味著出現(xiàn)CO2泄露的可能就會(huì)逐漸增大。

    圖1 CO2 在地下的運(yùn)移范圍示意圖

    1.2 地下水

    根據(jù)飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn),正常飲用水的pH 值應(yīng)保持在6.5~8.5 范圍內(nèi)[2]。當(dāng)密封在鹽水層中的CO2泄漏時(shí),將對(duì)周?chē)叵滤a(chǎn)生非常不利的影響。由于溶于水中的CO2絕大多數(shù)以分子的形式存在于水中,僅有一小部分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生了碳酸。當(dāng)生成碳酸后,水中會(huì)出現(xiàn)一定濃度的氫離子,氫離子會(huì)降低地下水體的pH 值。pH 值的降低會(huì)更加有利于CO2的溶解,進(jìn)而就將地下水變成了碳酸溶液。存在于咸水層中的大部分巖石都含有一定量的碳酸鹽、硅酸鹽等礦物,在酸性條件下,這類物質(zhì)極其不穩(wěn)定,溶于水后污染水體。

    從2011 年以來(lái),各研究人員就針對(duì)神華CO2封存場(chǎng)地一定范圍內(nèi)的200 m 深的地下水展開(kāi)了連續(xù)性的監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)的結(jié)果如下:地下水體的pH 值在7.6~8.5 的范圍內(nèi),水的硬度在52 mg/L~286 mg/L;并且CO2的注入并沒(méi)有影響這兩個(gè)值的大小。所以,為了進(jìn)一步驗(yàn)證CO2的注入會(huì)引起水質(zhì)的變化,針對(duì)pH 值以及硬度的變化范圍,將這兩個(gè)量安全等級(jí)范圍進(jìn)行了定義,具體為:pH 值的變化范圍為5~8.5;硬度的變化范圍為50 mg/L~700 mg/L。

    1.3 CO2 濃度與通量

    作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,土壤生態(tài)系統(tǒng)也會(huì)受到CO2泄露的影響。隨著泄漏的CO2擴(kuò)散到土壤中,會(huì)增加土壤中CO2的濃度和通量,導(dǎo)致缺氧環(huán)境,這是非常不利的[2]。它不僅會(huì)影響土壤氣體成分、土壤生物和理化性質(zhì)的變化,同時(shí)還可能抑制植物以及農(nóng)作物的生長(zhǎng),具體表現(xiàn)為對(duì)植物的莖葉或者作物的果實(shí)產(chǎn)生一定程度的負(fù)面影響。為此,根據(jù)CO2濃度分布與對(duì)應(yīng)的毒性大小,具體針對(duì)CO2封存后泄露的地區(qū)按濃度分成了3 類,即,致死區(qū)(CO2體積分?jǐn)?shù)大于10%)、重傷區(qū)(CO2體積分?jǐn)?shù)大于4%)以及吸入反應(yīng)區(qū)(CO2體積分?jǐn)?shù)大于1%)[3]。2011 年以來(lái),神華CO2咸水層封存工程范圍內(nèi)近地表CO2濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,地表土壤大部分CO2質(zhì)量濃度為0.786 mg/L,遠(yuǎn)低于吸入反應(yīng)區(qū)。

    2 環(huán)境監(jiān)測(cè)體系的構(gòu)建

    2.1 各監(jiān)測(cè)指標(biāo)安全等級(jí)的設(shè)定

    根據(jù)飲用水源安全等級(jí)的分類結(jié)構(gòu),環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可分為5 個(gè)等級(jí):非常安全、安全、基本安全、不安全和非常不安全。表2 是各指標(biāo)不同安全等級(jí)的賦值范圍。

    表2 多種指標(biāo)的不同安全等級(jí)的賦值范圍

    其中,CO2垂直運(yùn)移深度的安全分類主要根據(jù)神華集團(tuán)CO2咸水層的實(shí)際蓋層深度確定,具體深度范圍為0 m~1 500 m。針對(duì)SF6 的不同安全等級(jí)允許濃度范圍,其允許的最高質(zhì)量濃度為6.5 mg/L,因此可以依照CO2的濃度安全等級(jí)的劃分結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)SF6 的安全等級(jí)進(jìn)行劃分。而地表的形變數(shù)據(jù)可以根據(jù)地表的相對(duì)形變程度來(lái)進(jìn)行安全等級(jí)的劃分,具體的地表形變數(shù)據(jù)可以依照式(1)來(lái)獲得。

    式中:h 為CO2注入?yún)^(qū)的地表形變速率,mm/a;h1為CO2注入?yún)^(qū)的地表形變速率,mm/a;h2為背景區(qū)的地表形變速率,mm/a。

    2.2 環(huán)境監(jiān)測(cè)體系安全等級(jí)的確定

    綜合指數(shù)分析法是CO2咸水層封存過(guò)程中較為常用的監(jiān)測(cè)安全評(píng)價(jià)方法,其主要是針對(duì)監(jiān)測(cè)得到的各種指標(biāo)數(shù)值開(kāi)展量化統(tǒng)一處理,同時(shí)還要考慮到各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重大小,通過(guò)式(2)來(lái)判斷所測(cè)的目標(biāo)體系究竟屬于哪一個(gè)安全等級(jí)。

    式中:Wij為咸水層監(jiān)測(cè)時(shí)的安全指數(shù);Aij為第i 年第j 指標(biāo)的權(quán)重大?。籜ij為第i 年第j 指標(biāo)的歸一化處理后的結(jié)果。

    然而,在CO2咸水層封存過(guò)程中,監(jiān)測(cè)到的安全評(píng)價(jià)指標(biāo)如下:第一,數(shù)值結(jié)果越大,相應(yīng)的安全水平指標(biāo)越高;第二,數(shù)值結(jié)果越大,相應(yīng)的安全水平指數(shù)越低。其中,值越小,指標(biāo)越安全,主要是CO2濃度和通量、地下水硬度和地表變形數(shù)據(jù)。最終,綜合考慮多種監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的安全等級(jí)以及對(duì)應(yīng)的權(quán)重大小,構(gòu)建了CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目環(huán)境監(jiān)測(cè)安全等級(jí)體系,具體如表3 所示。

    表3 安全等級(jí)范圍

    3 試算案例與討論

    在近幾年某個(gè)時(shí)間,對(duì)CO2封存區(qū)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了監(jiān)測(cè),具體監(jiān)測(cè)結(jié)果如下:地下水的pH 值為7.7,水體硬度為112 mg/L,CO2質(zhì)量濃度為0.786 mg/L,CO2到達(dá)土壤中的通量為300 mg/(m2·h)。此外,整個(gè)范圍內(nèi)不存在SF6,計(jì)算地表形變數(shù)據(jù)為1,CO2垂直運(yùn)移距離為1 500 m。由式(2)得出的相應(yīng)安全指數(shù)為0.834。由此可見(jiàn),神華CO2咸水層封存工程的安全等級(jí)為一級(jí),即非常安全。

    然而需要明確的是,基于理想條件的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)手段會(huì)得到更為精確的監(jiān)測(cè)結(jié)果,但是考慮到如CO2垂直運(yùn)移深度等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目不能達(dá)到在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的,這也就意味著本文介紹的環(huán)境評(píng)估監(jiān)測(cè)體系存在一定程度的局限性,還有待相關(guān)行業(yè)的專家及學(xué)者進(jìn)一步的研究。

    4 結(jié)論

    本文先對(duì)神華CO2咸水層的封存項(xiàng)目進(jìn)行了監(jiān)測(cè)手段以及監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析,并在此基礎(chǔ)上,引出了一種多維度CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)估體系,主要包含了地下、地表以及地上空間,這在一定程度上彌補(bǔ)了單一監(jiān)測(cè)手段獲得的數(shù)據(jù)沒(méi)有科學(xué)性的弊端。同時(shí),為了驗(yàn)證其可行性,計(jì)算了從實(shí)際案例中獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明,神華CO2咸水層封存工程處于非常安全穩(wěn)定的狀態(tài),不存在CO2封存后出現(xiàn)泄露的可能,此外也說(shuō)明了本文闡述的環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)估體系有一定的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

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