晋城区煤层气井产气阶段排出水对环境的影响研究

张 强，王紫襄，李明亮，周晓婷，夏 拓

（中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州221008）

1 引言

煤层气是由煤层生成并主要以吸附状态储集于煤层中的一种非常规天然气，其主要成分是甲烷，煤矿俗称为瓦斯。在煤层气的开采过程中，需采取排水降压以降低煤层中静压，这部分水量较大，而且持续时间较长，Rice和Fisher统计了美国多个地区单个煤层气井平均产水量［1］，在美国煤层气开采区，单井排水量为3.98～66.62m3／d，总气水比值为5.75m3／103m3，“十二五”规划我国煤层气地面井产气量160亿m3，每开采1000m3的煤层气排水量按照5.75m3计算，则煤层气开采排水量将高达0.92亿m3／年。

本文通过对沁水盆地的水样进行化验，对其可能造成的环境影响进行了相关研究。

2 水质分析

2.1 物理分析

经过对寺河、潘庄、樊庄等地的煤层气井排出水的水质分析和资料收集，水质物理分析结果见表1。

由表1可见，晋城区各煤层气井排出水的物理性质差别不大，多为无色透明状，无浑浊物，个别水质有少量悬浮物，口味为微咸或无味。

表1 晋城区水质物理分析结果

2.2 化学分析

经过对SHX104－1、PZP01－1、FZ－001、FZ006煤层气井排出水做的水样分析和资料收集，可以发现其中有K＋、Na＋、Ca2＋、Mg2＋、Fe2＋、Fe3＋、NH＋4、Cl－、F、SO2－4、HCO－3、CO2－3、NO－3、NO－2、OH－等离子，其中K＋、Na＋占到阳离子总量的92%～96%，其次为Ca2＋、Mg2＋，含微量Fe2＋、Fe3＋、NH＋4，阴离子以HCO－3为主，约占阴离子总量的85%～90%，其次为Cl－，再次为SO2－4、CO2－3，其中PZP01－1井含有F－，重金属离子中只对SHX104－1井做了Pb和Cu离子检测，分别0.94mg／L、0.02mg／L，研究区产气阶段排出水的 pH值范围为6～9，矿化度1500mg／L左右，总硬度较低，总体而言，采出水最明显的特征是高矿化度、高盐度。

3 排出水对环境的影响

3.1 对土壤及植物的影响

3.1.1 晋城地区土壤状况

晋城地区土壤可分为8个土类，在布局上大体可分为4种类型：①宜牧土壤，分布于沁水的舜王坪和阳城的圣王坪；②宜林土壤，分布于沁水、阳城、陵川中山地带；③宜农、林、牧综合利用的土壤，分布于沁河、丹河两大水系之间的分水岭和沁河以西，丹河以东的低山土丘及黄土丘陵地带；④宜农土壤，分布于沁河、丹河两岸的一、二级阶地和泽州盆地，是全市农作物高产的主要土壤。

3.1.2 研究区气候及降水条件

研究区属暖温带湿润大陆性季风气候区，受大陆性季风影响强盛而持久，四季分明，冬长夏短，雨热同季，四季之中，春季干燥多风；夏季炎热多雨，降水量年际变化大；秋季温和凉爽，阴雨稍多；冬季寒冷雪少。降水量在624.6～180.8mm之间，年平均降水日数为90～98d。

3.1.3 影响土壤养分平衡

土壤养分含量高利于作物生长，增加产量，但也存在污染隐患，含量低则不能满足作物需要，导致产量减少、地力亏损。土壤氮、磷、钾含量的高低，不仅关系到作物产量的高与低，还直接关系到土壤结构好与坏，供肥能力的强与弱。

氮素是土壤肥力中最活跃的因素之一，也是世界农业生产中的一个主要限制因子。研究区水样中含有氨离子和硝酸态的氮，其中硝酸态的氮的积累是有害的，应该引起注意。

钾素是植物生长需要的仅次于氮素的重要元素。它可以促进叶绿素的合成，控制叶片上气孔的开放，提高光合作用效率，而且是许多酶的活化剂，还可以增强作物的抗逆性能，改善作物品质。水样中K＋、Na＋占阳离子总量的92%～96%，K＋含量很高，长期排放可提高土壤中的钾的含量。

长期排放煤层气井采出水，基本没有提高土壤耕层中磷素含量，而大大提高氮素、钾素含量，为作物的良好生长奠定了基础。不过，土壤硝态氮的累积，对土壤环境以及食品安全带来了一定的威胁。

另一方面，土壤或水中某些特殊离子被植物吸收、聚积到一定程度时，也会引起作物损伤，一般情况下，当某些离子随着土壤水被作物吸收，又在水的蒸腾作用中在叶子上积累到足以损伤作物的程度时，就产生了毒害［2，3］。灌溉水中的毒性离子通常是氯离子和钠离子，且含量都很高，氯很容易随土壤水而移动，被作物吸收，然后随蒸腾作用最终积聚在叶子上，当叶子中的含氯量超过作物的耐受性，就产生了伤害症状，使叶子灼伤或叶组织干枯而坏死；钠的典型毒性症状是叶子灼伤，枯黄和沿着叶子外缘的组织坏死，不同的是钠的积聚达到毒性浓度需要一段时间（几天或几周），症状首先出现在老叶子上，从外缘开始，当症状加重时，逐步地在叶脉间向叶子的中央发展。如果任其废水大量长时间的排放入土壤中，将导致钠和氯在土壤中的平均含量，最终被植物吸收，是植物本身的钠和氯的含量上升，使植物发生毒变症状。

3.1.4 影响土壤容重

土壤容重对土壤的透气性、持水能力、入渗性能、土壤抗侵蚀能力和溶质迁移等方面都有着较大的影响。同时，土壤容重还是用来表征土壤肥力的重要指标之一，它在一定程度上反映了土壤的松紧程度。土壤容重的变化会影响到土壤的孔隙状况，因此可以改变土壤水分的入渗规律和养分运移的情况。有研究表明，随着营养物质的不断积累，同时也造成了土壤板结，土壤紧密化的现象，直接影响到了作物的生长和发育，同时影响土壤对环境的协调能力。

此外，研究区产气阶段排出水的矿化度在1500mg／L左右，总硬度较低，曾有前人以棉花为例进行生长期观察，并证明，当矿化度达到1～2g／L时，棉花产量开始下降。随矿化度增加，产量相应减少，矿化度分别为：1～2、2～4、4～6g／L，减产率分别为4.5%、11.5%、31%，水稻比棉花的耐碱性差，所以矿化度较低时，开始出现产量减少的趋势，表明高矿化度影响农作物产量，使农作物产量减少。同时，研究区如此高的矿化度的水如果长期排放入土壤，势必会造成土壤的矿化度增高，导致的土壤积盐、板结硬化，不利于土壤团粒结构形成和养分活化积累，还使得土壤密实度增加，影响土壤根部的呼吸作用，导致植物根部腐烂坏死，最终导致植物死亡，这也是不容忽视的。

3.1.5 影响土壤重金属含量

据研究，重金属会使蛋白质发生不可逆转的变性，植物细胞膜和里面都有蛋白质，重金属会使细胞发生病变，失去原有的活性，使植物生长受到严重影响［4］。某些过量的有害重金属能与植物细胞原生质中的蛋白质结合，即便减少死亡细胞的含量，也能置换植物酶蛋白质中的某些金属元素，使酶的活性受到抑制，产生阻碍呼吸等系列代谢过程，影响植物生长。

根据资料，含铜污水灌溉农田，其最高允许量应在2.0mg／L左右，含铅污水灌溉农田，其最高允许量应在1.0mg／L左右，通过对SHX104－1井做了Pb和Cu离子检测，分别为0.94mg／L、0.02mg／L，皆未超过排放最高指标，但是在少雨季节时，如果长期排放，势必会增加土壤中原有的重金属含量，打破原来的平衡，对当地农作物和植物造成严重的损害。例如土壤含铜过高时，可极显著地降低苹果叶片叶绿素含量。对于作物危害主要积累在根部，造成根系发育恶化，减弱了根对各种营养成分的吸收。并且危害的程度随着超标程度的增加而增大。

3.1.6 影响土壤pH 值

在众多受关注的土壤理化性质中，土壤pH值也是一个非常重要的指标，酸性水使土壤酸化，能直接或间接地阻碍作物的生长发育，可使许多重金属盐类的溶解度增大，使土壤中有害金属的毒性加剧，碱性水不仅可使土壤造成次生盐碱化，并能使土壤板结，物理性状恶化，影响作物生长。通常，受到煤层气采出水灌溉的土壤与该区域没有收到过煤层气采出水灌溉的土壤相比具有较高的pH值，这正是受到煤层气井采出水的影响。研究区产气阶段排出水的pH值范围为6～9，偏于碱性，植物可接受的正常的pH值范围是6.5～8.5，一方面，煤层气采出水的pH值范围为6～9，基本上在植物可以接受的范围内，另一方面排放水的pH值对土壤pH值的影响是十分缓慢的，所以煤层气井采出水对植物的影响不大［5］。

3.2 对地下水的影响

3.2.1 沁水盆地南部地下水文特征

山西沁水盆地南部地区含水层主要为碳酸盐岩、砂岩和松散沉积层，隔水层主要为泥质岩类，某些地段特定层位的致密碳酸盐岩也能起到一定阻水作用。含水层与隔水层形成完整的具有补给、径流、排泄的地下水系统条件。其地层地下水富水程度相对较高，水质类型以HCO3·SO4－Ca·Mg型为主，且随含水层埋深增大，水化学类型由 HCO3·SO4－Ca·Mg型向SO4－Ca·Mg型转化［6］。该地区地下水矿化度高达1500mg／L，且盐度较高，总硬度相对较低。

3.2.2 煤层气开采对地下水系统影响

煤层气开采对地下岩溶水环境影响分为两个方面，一方面是开采活动对地下水系统结构和流场的影响，沁水盆地煤系地层富水性弱，出水量较小。一般开采初期排水量较大，后期排水量逐渐减少。该区煤系地层深埋地下水，补给条件较差，煤层气井排水将导致其周边区域煤系地层地下水水位下降，长期的采气排水施工也可能使断裂带附近地下水流场发生改变，使得越流补给煤系地层地下水的水量增加，但反补给的水量很有限，且随着采气排水的结束，煤系地层水位会逐渐恢复，补排关系将逐步恢复。另一方面与采区下伏岩溶水系统的发育状况有关。由于地层岩溶发育程度不均，在不同区域岩溶水赋存的层位、富水性及水压值等存在很大差异。

煤层气开采也会使得煤系地层浅埋露头区排泄量减少，局部补排关系发生变化；而且造成煤系地层裂隙承压水向上越流量减少甚至逆转，进而影响浅层地下水。

煤层气的开发对岩溶地下水系统影响微弱，且影响是阶段性的，随着煤层气井的关闭，影响将基本消除［7］。

3.2.3 煤层气开采对地下水水质的影响

由于研究区域的处理方式一般为注入到含水层，所以水质的好坏直接影响到含水层的水质，2011年10月4日在PZP01－1、SHX104－1等井出水口进行了采样。监测结果显示煤层气井抽采排水水质，pH值8左右，矿化度较高达1500mg／L以上，水质类型属HCO－3K＋Na型，总硬 度 70mg／L 左 右，负硬 度 900mg／L～1500mg／L，为典型的煤系地层地下水水质特征，排水水质总体主要反应矿化度较高，其他有害元素均未超过限制，水质符合污水综合排放标准一级标准的要求，所以对地下水水质影响不大。

3.3 煤层气井采出水处理方案分析

现有煤层气井采出水的处理技术主要包括直接排入地表水体、修筑蓄水池并处理、注水到含水层和直接用于土壤灌溉系统［8］等处理方法，研究区域的处理方式一般为修筑蓄水池过滤后注入到含水层，此种方法对于晋城地区较为合理。

4 结语

（1）晋城区煤层气井排出水有明显的高矿化度和高盐度，且排出水中的某些元素含量不很稳定，在开采初期和中后期离子含量有很大变化，pH值和硬度一般不超过国家标准。

（2）煤层气井长期排放废水会造成土壤积盐、板结硬化，土壤紧密化的现象直接影响土壤生物和作物的生长发育，进而影响土壤对环境的协调能力，造成土壤污染，干旱季节也可能会造成土壤中重金属的积累。

（3）煤层气井排放废水中钠和氯的含量都较高，植物吸收后会发生毒变症状，水中重金属长期在土壤中积累也会影响到植物的正常生长，土壤盐碱化会严重减少植物根系的氧气利用和根系周围的通气性，使耐盐、钠等一些外来物种逐渐占据优势，成为优势种。

（4）水中所含物质大多无害，水质符合污水综合排放标准一级标准的要求，因此对地下水造成的影响不大，即使有微弱的影响，当煤层气井停止运营时，也会慢慢恢复常态。

［1］ Rice C A.Production waters associated with the Ferron coalbed methane fields，central Utah：chemical and isotopic composition and volumes［J］.International Journal of coal Geology，2003（56）：141～169.

［2］ RS艾尔斯.农用水质［M］.北京：中国农业科技出版社，1988.

［3］ 赵香梅，田富银，黄金连.浅析农用灌溉水质问题［J］.青海环境，2001，11（3）：136～137.

［4］ 王云宝.农业灌溉水质指标参考综述［J］.黑龙江水利科技，2006，34（1）：56～57.

［5］ 师荣光，王德荣，赵玉杰，等.城市再生水用于农田灌溉的水质控制指标［J］.中国给水排水，2006，22（18）：100～104.

［6］ 王红岩，张建博.沁水盆地南部煤层气藏水文地质特征［J］.煤田地质与勘探，2001，29（5）：33～36.

［7］ 岳鹏翼.晋城潘庄区块煤层气开采对地下水环境影响分析［J］.水资源管理，2010（4）：25～26.

［8］ 崔岩山，琚宜文.煤层气采出水水质及其对土壤和植物影响研究进展［J］.环境科学与技术，2011（11）：25～30.