李 康，赵学亮，袁爱军，李旭峰

(中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北保定071051)

近几年来，空气中二氧化碳的大量排放所产生的温室效应越来越明显，成为世界气象问题的一个难题，将二氧化碳储存到地下被认为是最为有效的解决温室气体排放的方法。美国、英国、日本、挪威、加拿大等发达国家已经开展此类工程项目，并且相关技术也比较成熟［1］，我国于2010年开始在内蒙古鄂尔多斯盆地地区实施和建设了全国第一个二氧化碳地质储存示范工程项目，该项目是通过一口灌注井将临界状态下的二氧化碳打入地下2000多m具有储存二氧化碳能力的地层。但是在长期的地下储存中，二氧化碳会从裂缝、井筒、断层等泄露，或者以其他方式扩散到储层之外，对环境造成不利的影响［2］。为了减少或者避免这些潜在的危险，项目组通过遥感监测、非人工源地震监测、水准测量、时移VSP监测、环境监测等技术手段来对二氧化碳储盖层的完整性、二氧化碳运移及分布情况及可能对环境造成的影响进行监控。作者将对二氧化碳地质储存的环境监测的监测方案进行重点阐述。

1 环境监测工作的开展

随着二氧化碳地质储存的进行，不能排除二氧化碳的潜在的逃逸危险，环境监测是最直接，也是最有效的方法之一。因此，需要对封存区二氧化碳浓度的变化及相关环境因素进行定期监测，以便对二氧化碳发生泄漏的风险性进行评估，使其泄漏的风险降低到最低。根据项目的需要，结合当地气候环境、地质条件等实际情况，开展了大气环境、土壤表层环境、地下水和地表水环境的监测。

2 大气环境监测

2.1 监测点布设的原则

(1)应相对均匀分布，覆盖整个受到影响的区域，但是在下风向多设置，上风向少设置监测点;

(2)点位要有代表性，即全部点位测得浓度的平均值要能代表覆盖区域的总体浓度平均值;

(3)根据区域内环境的不同划分几个功能区，如地裂缝、废气井等，要重点监测;

(4)特殊区域要加密布点;

(5)各监测点之间设置条件尽可能一致，如监测点的海拔、植被情况等，使各监测点获得的数据具有可比性;

(6)设置监测点尽量远离烟囱、建筑、道路等影响因素;

(7)随着监测工作的进行，监测点位可以根据实际情况进行增减。

2.2 监测点的布设

依据环境空气质量监测规范［3］，大气二氧化碳浓度监测布点应用同心圆多方位布点法。同心圆多方位布点法适用于孤立源所在地风向多变的情况。

具体布点方法是:以灌注井为圆心，划出16或8个方位的射线和若干不同半径的同心圆，同心圆圆周与射线的交点即为监测点。根据客观条件和需要，往往是在主导风向的下风向方位布点密些，而其他方位疏些，根据风向，东南方向进行加密。确定同心圆半径的原则是在预计的高浓度区及高浓度与低浓度交接区应密些，其他则疏些。画圈的距离是250m、500m、1000m、2000m。由上面原则，每圈设定12个点位，共48个点位。

结合实际情况，在灌注井示范区的东侧，距离近4km的采煤塌陷区加设5个监测点;在示范区内部灌注井、两口监测井和二氧化碳缓冲罐处加设4个监测点。大气监测点布局如图1所示。

2.3 监测方案的设计

大气环境监测主要在查明当时气象条件的情况下对空气中CO2浓度进行监测，监测的项目包括:时间、温度、湿度、风速、风向、大气压、云量、大气稳定度和CO2浓度。

由于泄露首先是对地表的生物产生影响，故大气CO2浓度监测主要监测近地表1.5m内的大气CO2浓度［4］。分别对距地面高度 20cm、50cm、80cm、110cm、140cm的大气CO2浓度进行监测，由于大气温度对CO2浓度的影响比较大，故也对大气温度进行相应高度的监测。

监测频率设定为每个月1次，确保在每个月的月末监测，且监测的时间要保持固定，这样采集的数据才更具有可比性。

监测仪器选用便携式手持红外气体分析仪EGM－4和便携式小型气象站Kestrel 4000。

EGM－4是依据红外监测的手段［5］，利用CO2吸收激光电波束的红外光谱特性，可以测量接近地面空气中1.5m以下的CO2浓度，其检测范围是10万ppm，精度为1ppm。

便携式小型气象站Kestrel 4000用来监测大气环境，包括温度、湿度、风速、大气压等因子。

3 土壤表层CO2通量监测

土壤中的植物生长所需CO2在土壤气体中的比例一般为0.2% ～4%，如果泄露的CO2导致比例超过5%就会对动植物生长产生危害，超过20%会导致植物死亡。

为了及时发现CO2逃逸的可能性，确定CO2的逃逸量，判断CO2的来源，将损失降低到最小，进行土壤二氧化碳通量的监测是很必要的。

3.1 土壤监测点的布设

碳源对土壤气体的影响范围没有空气的大，故监测布点采用网格布点法，以示范工程场区为中心，监测1km2的范围，根据实际监测情况，如有需要可以扩大监测范围。

网格布点法是测量土壤环境常用的布点方法，这种布点法是将点位设在两条直线的交点处或者方格中心，监测区域地面划分为若干均匀网状方格。网格大小按照示范工程场地周围的地理环境设置，以200m的间距设置网格，每条线6个点，共36个点，监测1km2的范围。考虑到可能对示范区内的影响较大，故在示范区内中心位置加密4个点。

3.2 土壤CO2通量监测方案

应用汉莎科学EGS－4 CO2气体分析仪进行监测，在开机之前，将SRC－1土壤呼吸室连接在EGM－4仪器上，并且接好进气管和出气管。SRC－1呼吸室上的电信号插头，连接到EGM－4分析仪的I/O端口上，管子上标有“R”的气路管与ESM－4分析仪上的进气口“GAS IN”相连接，另一根管子接到出气口“GAS OUT”上。

连接好土壤呼吸室后开机，预热到55℃之后开始测量土壤二氧化碳通量。

土壤气体CO2通量监测方法:打开电源开关，屏幕上显示1REC，按1键，仪器进入预热状态，预热完毕后，屏幕上显示“SOIL RESP.DATA RECORD 1ALL 2END”，其中，1ALL是全数据存储，2END是存储最终结果。通常选择存储最终结果，按2键后显示 “DATA FITTING1LINEAR2QUAD”，其 中1LINEAR是线性处理，2QUAD是二次方程处理，在呼吸速率不是非常高时采用线性处理方式。按1键，之后按“Y”键，将土壤呼吸室置于土壤表面，这时呼吸室的风扇高速运转，向外吹风，将室内的高浓度的CO2气体交换出来，等待15m的时间后按“Y”键开始测量，得到土壤气体CO2通量。每个点位重复三次以上操作，取平均值。

监测频率为每个月监测1次，全年共计12次。

4 地下水及地表水检测

CO2泄露对浅层地下水及地表水的影响主要有:导致pH值降低，酸性增强;增加水中微量元素的富集程度;矿体重金属进入饮用地下水引起重金属污染;高含盐量的卤水进入蓄水层，破坏水质。所以对地下水及地表水的监测目的是判断是否发生CO2逃逸;判断CO2的来源;判断CO2逃逸对浅层水水质的影响。

4.1 监测点布设

在示范工程场区周围5km范围内，依据《地下水环境监测技术规》(HJ/T64－2004)的有关要求，和当地地下水流向及地势的高低情况，确定监测点的位置。

4.2 监测方法

地下水及地表水的检测分为两部分，包括现场检测和实验室检测。

(1)现场监测应用美国哈希便携式多参数水质分析仪。现场监测的参数有水位、水温、气温、pH值、电导率、TDS(矿化度)等。

水位检测:通过带刻度的浮子式水位仪测量。

pH值测量:连接pH探头到便携式多参数水质分析仪，将探头插入被测液体内，开机，稳定后按6键，就开始测量pH值，等待几分钟，听到仪器滴滴作响，就可以读取数据了，按“READ”键读取数据。

电导率、TDS、水温的测量:取下 pH探头，插上检测电导率、TDS等的探头，按4键，开始测量，等待1min，听到仪器滴滴作响，就可以读取数据，按“READ”键读取数据。

(2)实验室通过大型水质仪器进行水样的全分析检测。测试指标包括 pH值、K+、Na+、Ca2+、 Mg2+、 总 Fe、 Mn、 F－、 Cl－、 NO2－、NO3－、S、HC、C、OH－、矿化度等。水样送测试单位后，由测试单位按照国家、部门、行业有关标准严格执行。

5 小结

以上二氧化碳地质储存的环境监测方法经过2a的实施，取得了一定的成果，能够初步了解二氧化碳地质储存对当地大气、土壤、地下水及地表水的一定程度影响，对二氧化碳的逃逸具有监视作用，如果逃逸发生了，可以达到预警的功能，将逃逸造成的损失降低到最小。

［1］METZ B，DAVIDSON O，CONINCK H，et al.IPCC Special Report on CO2Capture and Storage［M］.Cambridge，UK:Cambridge University Press，2005:195 －276.

［2］张森琦，刁玉杰，程旭学，等，二氧化碳地质储存逃逸通道及环境研究［J］.冰川冻土，2010，32(6):1251－1261.

［3］国家环保总局公告2007年第四号.环境空气质量监测规范(试行)［S］.

［4］许志刚，陈代钊.CO2地下埋存分布状况及环境影响的监测［J］.气候变化研究进展，2008，4(6):363 －368.

［5］赵学亮，郭建强，史云，等.二氧化碳地质储存动态监测［J］.环境监控与预警，2011，6(3):4－7.

［6］刘立新，周凌晞，张晓春，等.我国4个国家级本底站大气CO2浓度变化特征 ［J］.中国科学，2009，39(2):222－227.

［7］Emberley S，Hutcheon I，Shevaller M，et al.Geo－chemical monitoring of fluid－rock interaction and CO2storage at the Weyburn CO2－injection enhanced oil recovery site，Saskatchewan，Canada［J］.Energy，2004，29(9 －10):1393 －1401.