煤层气田产出水灌溉对土壤性质的影响

呼佳宁　李向东　冯启言

摘要：煤层气开采与利用过程中排放出大量的煤层气产出水，对周围土壤、水环境造成威胁，因此，煤层气田产出水的资源化利用值得关注和研究。通过检测和分析山西沁水盆地柿庄南煤层气产区的煤层气产出水水质特征以及周围农田土壤的基本理化指标，结合室内土柱模拟灌溉试验，分析煤层气田产出水灌溉对土壤环境的影响。结果表明：煤层气田产出水呈现高盐、高矿化度、高氟的水质特征，灌溉土壤270 d后，土壤含水率随深度出现先增高后降低的规律，最大值出现在60～80 cm土层；土壤pH值根据灌溉水水质的不同呈现出与含水率变化相反的规律；土壤钠吸附率（SAR值）、电导率（EC值）高于土壤初始值，最大值出现在0～40 cm土层，土壤保水能力下降，土壤表层出现钠质化、盐渍化现象；F离子在土壤表层0～40 cm出现累积的现象，部分高于土壤初始值，但未超出山西省土壤背景值。

关键词：煤层气田产出水；农田土壤；农业灌溉；土壤柱；土壤理化性质

中图分类号：S274；X53 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2016）07-0459-04

煤层气是指与煤炭伴生、以吸附方式赋存于煤层中的天然气，亦称为煤层天然气，其主要成分是甲烷气体。随着社会对能源要求的不断提高，燃气在能源结构中的比重不断增大，煤层气的开采利用极大地弥补了煤炭利用的缺陷。煤层气的开采既有效减少了甲烷气体的排空现象，同时在燃烧利用阶段污染物的排放量也远远低于燃煤的排放量，这对降低全球温室效应有着重要的意义，因此，煤层气作为一种清洁高效的新型能源正受到越来越多的重视[1-2]。

煤层气在产生、储存、开采的过程中均会与煤层中的水分混合共生，开采过程中往往需要通过排出大量的煤层水来释放压力，这些水被称为煤层田产出水[3]。煤层田产出水在漫长的地质历史时期与周围环境进行各种物理化学反应，其水质因煤层气开采区、煤层地质演变程度的不同而存在一定的差异，其中生产阶段产出水主要以高矿化度、高盐度为特征，并含有少量重金属[4-5]，例如沁水盆地南部枣庄区块的某煤层气田产出水中Na+浓度高达3 700 mg/L，矿化度高达 58 000 mg/L，并且检测出少量锶、锂、硼、钡、铁等元素[6]。

随着煤层气的不断开采和利用，产生的大量煤层气田产出水成为学者们关注的热点。例如美国亚拉巴马州曾将矿化度低于2 000 mg/L的产出水直接排放，美国还有地区将矿化度大于2 000 mg/L的产出水经过沉淀后用于灌溉和畜牧[7]，水质较差的产出水经过处理后可以回注含水层，还有一部分产出水需要进行进一步的处理后排放[8-13]。许多科学家曾开展微咸水灌溉、海水灌溉以及污水灌溉研究，如杨树青利用微咸地下水灌溉土壤后，土壤盐度有一定的增加，但是当土壤盐分基本维持平衡时，土壤盐分虽然略有增加，但是不会对土壤环境造成较大的影响[14]。唐奇志利用海水灌溉土壤后发现，0～5 cm土层土壤盐分变化剧烈，较高浓度海水灌溉后土壤出现盐渍化，通过海水、淡水交替灌溉后盐渍化不明显[15]。Ganjegunte等利用煤层气田产出水长时间灌溉土壤发现，土壤电导率（EC）、钠吸附率（SAR）有显著的提高，土壤存在盐渍化的风险，并且表层土壤盐度累积明显[16]。由于很多农村地区直接将煤层气田产出水用于农田灌溉，但是我国目前缺乏煤层气产出水灌溉土壤的研究，土壤环境存在隐患。本研究结合煤层气田产出水高盐、高矿化度的特征，参照其他研究者的研究模式，设计土壤柱淋溶试验，旨在探讨煤层气田产出水灌溉后土壤理化性质的变化及其用于农业灌溉的可行性。

1 材料与方法

1.1 样品采集

水样、土样采自山西沁水盆地的柿庄南部，该地区煤层气产量丰富，是我国煤层气开发投入规模最大、研究程度最高的煤层气生产区之一[17]。区内煤层气勘探开采的主要煤层是二叠系山西组3#煤层、石炭系太原组15#煤层。煤层气田水样Ⅰ直接采自煤层气产出水排水口，水样Ⅱ采自煤层气产出水的蓄水池，地表水采自采样区域内自然水体，水样采集后用 2.5 L 聚乙烯桶密封保存，1周内送检。土壤采自采样区域内远离煤层气产区的农田土壤，采样点见图1，分别在0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 5个深度依次采集土壤，并密封保存。

1.2 分析方法

水样离子含量应用IC离子色谱仪检测，元素含量采用电感耦合等离子体质谱仪检测，由中国矿业大学现代分析与计算中心的专业人员负责检测。土壤含水率采用烘干法进行测定；土壤pH值采用电位法测定；土壤电导率（EC）采用DS-11A型电导率仪测定；土壤元素含量采用原子荧光分光光度计检测。

土壤SAR值通过式（1）计算：

1.3 土壤柱淋溶试验

研究采用室内土壤柱模拟灌溉试验，土壤柱采用内径150 cm、厚0.5 cm的PVC管，顶端密封，密封盖中部设计直径5 mm的圆孔，外插PVC管用于进水。土壤柱高度为 100 cm，分别在距离顶端20、40、60、80、100 cm处设置采样口，土壤柱底部设有排水口，灌溉饱和后水分可经排水口排出，试验装置设计见图2。

土壤装填时，各层土壤与土壤采集深度对应，土壤装填质量M计算公式：

M=ρV/（1-W）。

式中：V为体积，cm3；M为土壤装填质量，g；ρ为密度，g/cm3；W为土壤含水率，%。

经计算，每层土柱体积为3 532.5 cm3，土壤容重为 1.35 g/cm3，根据土样每层的含水率计算得到土壤柱0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土壤层填装的土壤质量分别为5.75、5.96、6.19、6.44、6.36 kg。设置4组土壤淋溶柱模拟试验，4组土壤柱编号分别为A、B、C、D，土壤柱试验设计见表1。灌溉周期为270 d，所有土壤柱采用蠕动泵进行慢速淋滤灌溉，进水速率为20.8 mL/h，每个土壤柱的灌溉水总量为13.5 L。灌溉试验结束后，测定每个土壤柱各层土壤pH值、含水率、钠吸附比（SAR）、电导率（EC）、氟（F）离子含量。

2 结果与分析

2.1 煤层气田产出水水质评价

对水样和土样进行分析，得到基本理化性质。由表2可见，煤层气田产出水样品中的电导率（EC）、含盐量（TDS）、pH值均高于地表水，基于HJ 332—2006《食用农产品产地环境质量评价标准》，水样大部分指标在标准限值之内，例如毒性金属砷（As）、镉（Cd）、汞（Hg）、铬（Cr）、铜（Cu）等含量均低于检测限，锌（Zn）、铅（Pb）虽有检出但均低于标准限值，达到了农田灌溉水的标准，但是水样中F离子的含量明显超标，这很有可能与在地下煤层的构成和抽取过程中混入的杂质有关。同时还可以看出，煤层气田产出水Ⅰ中Na+含量、Ca2+含量、HCO-3含量、EC值、土壤全盐含量（TDS）、pH值均高于煤层气田产出水Ⅱ，说明排水口的产出水经过蓄水池沉淀后，由于土壤对产出水有一定净化作用，部分离子迁移到土壤环境中去，水体碱度也有所下降，水质更加接近于天然水体。

由表3可以看出，各层试验土壤基本指标的标准差较小，各层土壤性质基本稳定，随着土层深度的增加，SAR值、EC值、F离子含量呈现出升高后降低的趋势，在20～60 cm土层出现最大值。F离子含量低于山西省土壤背景值，说明试验所用土壤未受到污染。

2.2 煤层气田产出水灌溉对土壤含水率的影响

土壤含水率是农耕土壤的重要指标，由图3可以看出，利用不同水源长期灌溉后，各个土壤柱中平均含水率范围在27%～31%之间，灌溉后土壤含水率明显增加，增加幅度呈现出C>D>B>A的规律。 其中淡水灌溉后土壤含水率最高，土柱D采取煤层气田产出水和淡水交替灌溉，淡水对产出水的盐含量有一定的稀释作用，同时对土壤中盐分有淋洗作用。从图3可整体看出，4种水灌溉的土壤柱在纵向上含水率变化规律一致，均呈现出先增加后降低的趋势，最大值均出现在60～80 cm土壤层，这是因为在灌溉过程中由于重力作用，水分下移，但是随着深度的增加，下层土壤容重增大，孔隙率减小，水分下移量减小，因此含水率最大值出现在中下层。

2.3 煤层气田产出水灌溉对土壤pH值的影响

由图4可以看出，pH值变化趋势与含水率变化相反，煤层气田产出水灌溉土壤后土壤pH值高于土壤初始值，地表水灌溉后土壤pH值低于土壤初始值，并且呈现出A>B>D>C的规律。由于土壤中pH值的变化与土壤中Na+、HCO-3含量有正相关性，说明煤层气田产出水灌溉土壤后，大量强碱、弱酸盐进入土壤，导致土壤pH值上升，地表水灌溉土壤后，对土壤中Na+、HCO-3起到一定的冲刷作用，导致土壤pH值下降。

土柱A土壤pH值自上而下依次减小，表层土壤pH值明显高于初始值，说明土柱A中土壤盐分主要积累在上层土壤中，产出水对上层土壤盐碱度影响较大。同时，土柱A灌溉的煤层气田产出水有较高的HCO-3浓度，大量的HCO-3易与土壤中Ca2+、Mg2+等离子发生沉淀反应，进一步影响了盐分向下层土壤的迁移，造成上层土壤pH值高于下层土壤的现象。土柱B土壤pH值自上而下呈现出先升高后降低的趋势，最大值出现在40～60 cm土层，这可能是因为在灌溉过程中土壤盐分随着水流向下移动，导致土壤柱中下层pH值大幅度增加；随着水流下移，中下层土壤孔隙率减小，迁移到底层土壤中的盐分减少，下层土壤pH值出现下降趋势。土柱A、B土壤pH值分布差异可能与煤层气田产出水中含盐量差异有关。土柱D土壤pH值变化规律基本与土柱B保持一致，在0～60 cm土层，土柱D的土壤pH值低于土柱A、B，说明煤层气田产出水和地表水交替灌溉有效降低了产出水对表层土壤盐碱度影响。土柱C中土壤pH值与初始值相比有所降低，说明灌溉淡水对土壤起到了排水洗盐的作用，降低了土壤盐碱度。

2.4 煤层气田产出水灌溉对土壤钠吸附率、电导率的影响

土壤钠吸附率常用来表征土壤钠质化的情况，土壤中SAR值过高，会出现黏土颗粒散凝、保水能力下降、土壤退化的现象。由图5可以看出，土柱A、B、D的土壤SAR值均高于地表水灌溉的土柱C，地表水灌溉土壤的SAR值基本没有变化，说明土柱A、B、D的土壤均受到煤层气田产出水的影响，3个土柱均在0～40 cm土壤层SAR值的升高幅度最大。

土壤发生钠质化的SAR阈值为13 mmol1/2/L1/2，由图5可以看出，土柱A在0～60 cm土壤层已经出现土壤钠质化的现象，60～80 cm土壤层有发生钠质化的风险；相似地，土柱B在0～40 cm土层也已经发生钠质化现象。土壤发生钠质化现象，说明土壤中盐分增加，土壤胶体中Na+离子浓度增加，导致土壤胶体稳定性降低、分散性增加，分散的土壤黏粒进入土壤空隙中，导致土壤孔隙度减小、容重增加，使得土壤中水分流动性变差，盐分富集，含盐量增高，所以出现本试验中A、B土壤柱含水率、SAR值相反的变化趋势。土柱D中土壤虽然受到煤层气田产出水的影响，SAR值与土壤初始值和淡水灌溉的土壤相比有所升高，但是由于土柱D配合淡水灌溉，土壤的SAR值在6.5～8.3 mmol1/2/L-1/2范围波动，土壤未发生钠质化现象。

由图6可以看出，土柱A、B的土壤电导率大幅度增加，明显高于土壤初始值和土柱C，其变化趋势与土壤钠吸附比基本一致。结果表明：当EC值≥4 000 μS/cm的土壤发生盐渍化，土柱A在0～60 cm的土壤均已发生盐渍化，土柱B在20～40 cm土壤虽然没有发生盐渍化，但是有发生盐渍化的潜在风险，说明利用煤层气田产出水灌溉土壤会使土壤明显表现出盐分累积的现象，导致土壤盐碱度大幅度增加。土柱D土壤EC值呈现缓慢上升趋势，说明煤层气田产出水配合地表水灌溉可以把土壤中盐分冲刷至底层，但是底层EC值与土壤初始值相比相差不大，土柱D没有出现较多的盐分积累现象。土柱C利用地表水灌溉，各层土壤EC值与土壤初始值几乎没有差异，没有表现出盐分累积的现象。

2.5 煤层气田产出水灌溉对土壤中F离子含量的影响

由图7可以看出，利用煤层气田产出水灌溉后，土柱A、B在0～40 cm土层的F离子含量基本高于土壤初始值，但是增加幅度不明显；60～100 cm土层F离子含量与土壤初始值相比差异较小，说明煤层气田产出水灌溉土壤后导致F离子在土壤表层累积。煤层气田产出水灌溉的A、B土柱，盐分在表层土壤积累，高浓度HCO-3导致Ca2+、Mg2+等离子沉淀，使F离子积聚在0～40 cm土壤层中，难以在下层土壤中沉积。由于地表水的淋滤作用，C、D土柱0～60 cm土壤层中的F离子含量有所下降，底层土壤中的F离子含量有缓慢上升的趋势。土壤对氟离子有一定的吸附作用，当未达到吸附容量时用高氟水灌溉使得土壤氟离子含量增加，若用淡水灌溉（氟离子浓度低）使得土壤呈现氟离子解吸的状态，从而导致淡水灌溉下土柱表层土壤氟离子含量有所下降，淋滤到底层，土壤又呈现吸附状态，导致氟离子浓度上升。由图7还可以看出，所有土柱的F离子含量均未超过山西省的土壤背景值（476 mg/L），但是由于灌溉水的高氟污染特性，土壤中F离子的后续累积效应有待进一步探讨。

3 讨论与结论

本研究利用山西沁水盆地柿庄南煤层气田出水进行室内土柱模拟试验，研究煤层气田产出水对土壤性质的影响，经过 270 d 的长期灌溉，得出如下结论：（1）沁水盆地柿庄南煤层气田出水为高盐、高氟、高矿化度水质，没有明显的重金属污染现象，沉淀后水质有所改善。煤层气田产出水灌溉土壤后，土壤理化性质受到影响，0～40 cm表层土壤出现盐碱度变大、保水能力下降、pH值增大、F元素累积的现象，并且土壤出现钠质化和盐渍化。（2）煤层气田产出水配合地表水灌溉土壤，可以有效减轻土壤盐碱化风险，对土壤的影响较小，但是由于煤层气产出水中F离子超标，该产出水不可以直接用于农业用水，可以考虑用作绿化或者景观用水，同时还需要长期的灌溉试验以及水质处理研究，以期找到安全可行的煤层气田产出水灌溉模式，解决农业生产缺水难题。

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