页岩气井场区域土壤重金属含量特征及生态风险评价

李 炎，田冬梅，赖 星，孟晓霞，袁 林，许 瑶，徐 敏，伍 钧*

（1.四川农业大学环境学院，成都 611130；2.四川省环境保护科学研究院，成都 610041）

目前，开采页岩气主要采用水力压裂技术，即将化学物质和大量水、泥沙的混合物，用高压注入地下井，压裂附近的岩石构造，进而收集天然气[1]。页岩气的开采存在一定的环境污染隐患：首先含有化学试剂的压裂液注入地下可能污染地下水，返排液中含有高度矿化的地层水[2]，如处置不当会对生态环境造成极大的危害，尤其是对周围土壤环境的影响。其次，页岩气开采压裂作业完成后有15%～80%的返排液会排至地面[3]，这些返排液中含有大量的添加剂、碳氢化合物、重金属、盐分及放射性物质等多种化学物质[4-5]，若渗透到土壤中，将会对土壤造成严重影响。最后，钻井废水遇降雨漏排事故，会使附近农田土壤、地表水体水质受到不同程度的污染[6]。有关研究表明，工业区、油田井场周边土壤存在一定程度的重金属污染，具有较高的生态风险[7-8]，工业活动可能对区域重金属积累有一定影响[9]。而我国页岩气勘查开发处在探索试验阶段[10]，页岩气开采对井场周围土壤环境的影响鲜有报道，因此对页岩气井场周围土壤重金属进行调查并开展生态风险评价研究具有重要意义。

本文拟对不同功能阶段及集气中心站4 个页岩气井场外围区域土壤进行采样分析，探究土壤中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb 的含量，并采用单因子指数、内梅罗综合污染指数与潜在生态风险指数对井场周围土壤重金属进行评价，旨在为页岩气开采的土壤环境影响提供基础数据及环境污染风险预测，为页岩气产业可持续发展提供数据支撑。

1 材料和方法

1.1 研究区域概况

研究区域位于四川省某页岩气开采区，该地区地势南高北低，地形为狭长形，海拔最高处1 642 m，最低处310 m，境内层峦叠嶂，山脊多呈锯齿形，长岗状；地体多由石灰岩和紫色页岩组成，岩溶地形特征明显，多溶洞、漏斗、石笋、石灰岩等。丘陵和平坝面积小，以中低山地为主，有少数岩溶冲积坝。当地属亚热带气候，年平均气温18.2 ℃，年总降水量1 143.6 mm，年日照总时数829.8 h。

1.2 土壤样品采集与测定

为了探究页岩气整个开采过程对周围土壤重金属的影响，选取两个不同开采阶段的井场S1、S3，一个含油基处理站的特殊井场S2 及未进行开采但收集整个地区页岩气的井场S4 共4 个具有代表性的井场为研究对象（见表1），在每个井场外部以井场为中心，按照随机、均匀、等量的原则采集井场四周200 m 内0～20 cm 深度土壤样品。采样中尽量避开外来土层，每个样品采用随机多点混合、四分的方法采集。土壤样品分布情况如图1所示。样品带回实验室后，挑出动植物残体、石块、结核等杂物，风干，过100 目筛，装袋备用。土壤样品各重金属含量参照土壤和沉积物14 种金属元素的测定方法进行分析测定[11]。

1.3 污染评价方法

以各井场对照点平均值为参比值，采用单因子指数法、内梅罗综合污染指数法、潜在生态风险指数法评价页岩气开采井场区域土壤重金属污染情况。

表1 采样方案Table 1 Sampling scheme

图1 研究区采样分布图Figure 1 Sampling distribution map of the study area

1.3.1 单因子指数法及内梅罗综合污染指数法

土壤污染程度采用单因子指数法及内梅罗综合污染指数法[12]进行评价，污染等级划分标准见表2。

式（1）中Pi为土壤重金属元素i 的环境质量指数；Ci为元素i 的实测含量；Si为元素i 的参比值。

式（2）中P 为土壤综合污染指数；Pimax为土壤中单项污染物的最大污染指数；Piave为土壤中各污染物的平均污染指数。

1.3.2 潜在生态风险指数法

1.3.3 参比值的确定

选用区域内各井场外围2 000 m 外少受人为活动干扰的没有进行农业种植的、土壤类型相同的9 个自然土壤样点作为对照样点。样品采集和实验方法与本文1.2 节相同。计算各重金属元素检测值的算术平均值作为参比值。与四川省土壤背景值[15]相比各种金属元素含量均不同程度高于四川省土壤背景值，具备一定区域特点，可作为评价的参比值（表4）。

1.4 数据处理

试验数据处理采用Excel 2013 软件分析处理。

2 结果与分析

2.1 重金属含量分析

4 个页岩气井场周围土壤中重金属含量见表5。由表5可知，4 个井场各重金属元素平均含量均低于参比值，但各井场均存在部分样点重金属元素含量略高于参比值，其中超过参比值的样点数量及倍数最高的为S2 井场。各井场采样点土壤重金属含量与《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准筛选值》[16]相比，S1、S3、S4 井场部分样点 Cd 超标，超标倍数分别为 0.41～1.35、0.05～1.50、0.14～1.07，点位超标率分别为60.00%、66.67%、77.78%。S2 井场部分样点 As、Cd 超标，超标倍数分别为 0.07～0.45、0.15～3.48，超标率分别为 14.28%、56.52%。Cd 为井场周围土壤主要超标元素，4 个井场周围土壤Cd 平均含量表现为 S2=S3＞S4＞S1，其中 S2、S3 井场周围土壤Cd 含量相对较高，但均低于参比值，表明页岩气开采对井场周围土壤重金属含量无明显影响。

表2 土壤重金属污染等级划分标准Table 2 Criteria of pollution grade of soil heavy metal

表3 潜在生态风险分级标准Table 3 Classification standard of potential ecological risk

表4 背景值选取Table 4 Background value selection

表5 各井场外围区域土壤重金属含量统计Table 5 Statistics of soil heavy metals in the periphery area of each well field

变异系数可以反映人类活动对重金属含量的影响程度。变异系数越大，存在点源污染可能性就越大[17]。变异系数＜0.15 为弱变异，变异系数＞0.36为强变异[18]。由表可以看出，井场S1、S2 土壤Cd 与S4 土壤Pb、Cr 均为强变异，变异系数分别为0.43、0.56、0.53、0.40。井场S3 土壤所有重金属均为中等变异与弱变异，其中Cr 具有相对较高变异系数，为0.35。4 个井场周围土壤受人为影响较大的重金属元素各不相同，其中井场S1、S2 土壤Cd 与井场S4土壤Pb、Cr 含量均受到相对较强的人为影响。

2.2 土壤重金属污染评价

4 个页岩气井场周围土壤重金属单因子及综合污染指数评价结果见表6。由表6可知，S1 井场有20.00%土壤样品Ni、40.00%土壤样品Pb 为轻度污染，S2 井场有33.34%土壤样品Cr、42.86%土壤样品Ni、38.09%土壤样品 Cu、38.10%土壤样品 Zn、33.33%土壤样品 As、42.85%土壤样品 Cd、28.57%土壤样品Pb 为轻度污染，S3 井场有38.89%土壤样品 Cr、16.66 土壤样品 Ni、22.22%土壤样品 Cd 为轻度污染，S4 井场有5.56%土壤样品Cr、22.23%土壤样品Pb 为轻度污染，但4 个井场周围土壤各重金属单因子污染指数平均值均小于1，无单一重金属污染。由综合污染指数 P 可以看出，S1、S2、S3、S4 井场重金属轻度污染样点占总样点的比例分别为10.00%、71.43%、16.66%、16.67%，但 S1、S3、S4 井场周围土壤综合污染指数平均值均小于1，无重金属污染；S2 井场周围土壤综合污染指数平均值大于1小于2，存在重金属轻度污染。

表6 各井场外围区域土壤重金属单因子及综合污染指数评价Table 6 Evaluation of single factor and comprehensive pollution index of soil heavy metals in the periphery area of each well field

2.3 潜在生态风险评价

4 个页岩气井场周围土壤重金属潜在生态风险评价结果见表7。由表7可知，各井场周围土壤重金属潜在生态危害主要来自Cd。S2、S3 井场存在19.05%、5.55%的样点属于Cd 中度风险，但4 个井场周围土壤各重金属生态风险指数平均值均小于40，属轻度风险水平。由综合潜在风险指数可以看出，各井场周围所有采样点均属于轻度风险水平。

表7 各井场外围区域土壤重金属潜在生态风险评价Table 7 Potential ecological risk assessment of soil heavy metals in the periphery area of each well field

3 讨论及结论

各井场周围土壤无单一重金属污染且单一重金属生态风险均属轻度风险，但S2、S3 井场部分样点存在Cd 中度风险，相关文献指出，Cd 一般是工业“三废”排放所致，或作为施用农药和化肥等农业活动的标识元素[12]，本研究中Cd 中度风险样点分别位于返排液处理池附近、井场周边农田，说明Cd 含量受到较大的人为活动影响。总体上，各井场综合潜在生态风险程度属轻度；S1、S3、S4 井场周围土壤无重金属污染，S2 井场周围土壤为轻度污染，且轻度污染样点均位于返排液处理池附近，可能是因为返排液遇降雨意外泄漏进而污染了周边土壤，需注意油基处理池因降雨等意外而产生的污染物泄漏等情况，做好防范措施。

各井场周围土壤重金属元素含量与《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》中的筛选值相比，重金属 Cd 为主要超标元素，其中 S1、S2、S3、S4井场分别有 60%、56.52%、72.22%、77.78%的样点Cd 含量超标。从平均值来看，4 个井场周围土壤Cd平均含量表现为S2=S3＞S4＞S1，可能是因为S2 井场含特殊油基处理站，油基处理站即废泥浆岩屑（返排液）处理处，废泥浆岩屑若不及时处置或处置不当会大量占用土地并污染土壤[19]。S3 井场属于正钻井井场，钻井过程会产生大量岩屑灰尘，可能通过大气沉降作用进入到井场周围土壤中。

总体上，各井场周围虽有部分样点土壤重金属元素含量超标，但重金属平均含量均低于当地对照参比值，表明当地土壤重金属元素背景值较高，而页岩气开采对井场周围土壤重金属含量影响不明显，但需要注意含油基处理站井场返排液的泄漏及正开采井场岩屑灰尘的处理问题，同时采取一定的防控措施降低土壤重金属的移动性，以保证粮食安全生产。