Analysis of hydrogeolgical characteristics and water environmental impact pathway of typical shale gas exploration and development zones in Sichuan Basin,China

Studying the influence of shale gas exploration and development on groundwater environment is the basis of guiding water environment protection in the process of shale gas exploration and development. Groundwater environmental pollution is concealed, complex and persistent. Once it is difficult to control the pollution, the current commercial shale gas development zones in Sichuan Basin that are mostly located in karst areas and highly sensitive to groundwater will be vulnerable to the impact of shale gas exploration and development. Based on the hydrogeological conditions of shale gas exploration and development area and combined with engineering analysis of exploration and development, various risk pathways that may affect the groundwater environment during process of shale gas exploration, mining well construction, mining operations and other stages were identified in this paper. Some existing risk pathways were proved by verification of typical areas and should not be ignored. Based on the actual situation of typical areas, the countermeasures of groundwater environmental protection in the process of shale gas exploration and development in karst areas were discussed. It is believed that the ground-water environment can be better protected by strengthening administration, research and application of new technologies, precise design, hydrogeological conditions, and research and feedback of groundwater environmental protection.     

重庆涪陵页岩气勘查开发区岩溶水文地质结构研究

通过对页岩气勘查开发区碳酸盐岩分布特征、岩溶发育规律及岩溶水的赋存与动力循环过程展开研究,采用系统分析法,归纳出平缓单斜型单层、背斜褶曲型多层、向斜褶曲型单层和断裂型四种岩溶水文地质结构,其中平缓单斜型单层和背斜褶曲型多层水文地质结构区岩溶介质类型主要为管道-裂隙型,地下水径流畅通,易导致岩溶水污染。     

重庆涪陵页岩气勘查开发区环境地质调查进展

紧密结合国家非常规能源勘探开发的重大战略,聚焦重庆涪陵页岩气勘查开发区环境地质调查工作,总结了研究区岩溶发育特征与分布规律,评价了涪陵页岩气开发区区域水资源量和地下水质量。在此基础上,收集分析国内外资料,梳理了页岩气勘查开发所引发的6类环境(地质)问题及勘查、钻井、压裂、开采、闭井等5个阶段需关注的地质环境问题或风险等,其中涪陵页岩气勘查开发区主要诱发水土污染、地质灾害和大气污染等环境(地质)问题; 基本识别了2种地下水污染模式、3种污染类型及可能的地下水污染风险途径; 初步确定了涪陵页岩气勘查开发区污染指示性特征因子,并形成了页岩气勘查开发区地质环境影响评价指标体系,可指导页岩气勘查开发的环境地质调查。该研究为页岩气国家新型清洁能源的绿色开发和开发区生态文明建设提供支撑。     

重庆涪陵页岩气勘查开发区环境地质调查进展

紧密结合国家非常规能源勘探开发的重大战略,聚焦重庆涪陵页岩气勘查开发区环境地质调查工作,总结了研究区岩溶发育特征与分布规律,评价了涪陵页岩气开发区区域水资源量和地下水质量。在此基础上,收集分析国内外资料,梳理了页岩气勘查开发所引发的6类环境(地质)问题及勘查、钻井、压裂、开采、闭井等5个阶段需关注的地质环境问题或风险等,其中涪陵页岩气勘查开发区主要诱发水土污染、地质灾害和大气污染等环境(地质)问题; 基本识别了2种地下水污染模式、3种污染类型及可能的地下水污染风险途径; 初步确定了涪陵页岩气勘查开发区污染指示性特征因子,并形成了页岩气勘查开发区地质环境影响评价指标体系,可指导页岩气勘查开发的环境地质调查。该研究为页岩气国家新型清洁能源的绿色开发和开发区生态文明建设提供支撑。     

滇东南泸江流域岩溶地下水质量及污染影响因素研究

泸江流域是滇东南典型的喀斯特断陷盆地发育区,主干水系连接着多个断陷盆地及坡立谷.根据最新的地下水污染调查资料,流域喀斯特地下水质量总体以Ⅲ类为主,水质超Ⅲ类的岩溶水点中,东部多,西部少,且暗河占比最大,岩溶泉次之,机井最小.主要污染源是工矿企业及城镇生活垃圾污染源,研究分析了污染影响因素为环境水文地质条件的差异、污染源类型及排污强度、岩溶含水层防污性能的强弱程度和岩溶地下水污染机制的不同.详细阐述了岩溶地下水主要污染机制为落水洞或岩溶洞管灌入污染机制、溶隙溶孔含水介质渗透污染机制及浅覆盖型岩溶含水层越流渗漏污染机制.针对性的提出了3条防治对策:一是调整工业布局,切实减少、杜绝污染源;二是调查污染源及污染途径,重视环境水文地质条件对污染物迁移转化的影响;三是编制地下水开发与保护规划,制定相应的管理措施,有效保护水源.     

A risk evaluation model for karst groundwater pollution based on geographic information system and artificial neural network applications

The risk analysis on karst groundwater pollution is a research hotspot in current international hydrogeological field as well as the premise of preventing and controlling groundwater pollution. According to the characteristics of groundwater pollution in the typical study area, the study selected main-control factors of risk evaluation on karst groundwater pollution in mountainous areas at first. Based on this, the research determines the method for quantifying the factors and established a risk evaluation index system for karst groundwater pollution. To overcome drawbacks of the method for determining weights of factors in traditional evaluation method, the study determines the structure of the artificial neural network model by combining the selected evaluation factors. And also, the weight coefficients of evaluation factors on each layer are calculated. On this basis, the model for evaluating the risk of karst groundwater pollution is established. Moreover, the risk zoning evaluation map of groundwater pollution in the typical study area is prepared after conducting the weighted stacking of various sub-layers using the geographic information system. The method applied in the study can comprehensively and objectively reflect that the groundwater pollution is controlled by multiple factors and reveal the nonlinear characteristic of the pollution process. Additionally, the evaluation result is institutive and visible, which can provide a certain basis and reference for relevant researches.     

水力压裂对地下水影响的深部脆弱性评价

为评价区块尺度页岩气开采过程中深部污染物对上部含水层的污染风险,基于“源-途径-驱动力-受体”概念模型,采用层次分析法构建了页岩气开采对地下水影响的深部脆弱性评价指标体系.利用该体系对贵州省某页岩气开采区块进行了评价,结果表明:评价区地下水深部脆弱性以低和较低为主,两者面积占研究区总面积的69.15%,主要分布于研究区西北部、中部及东南部,中间层厚度是影响评价结果的主要指标.该评价体系能够评估页岩气开采区地下水深部脆弱性,丰富了现有地下水脆弱性评价体系,可为区块内页岩气井的布设选址及地下水环境保护提供技术支撑.      

南方岩溶地区1∶5万水文地质环境地质调查技术要点分析

通过总结南方岩溶地区水文地质环境地质综合调查和地下水开发利用示范6个方面成果,得出南方岩溶地区水文地质环境地质条件具有10个特性:岩溶发育受层组结构类型、地质构造格局和水动力条件等因素控制的综合性,岩溶地下水分布的非均一性,岩溶含水介质由孔、隙、缝、管、洞构成的多重性,岩溶地下水流运动的多相性,岩溶地下水动态变化的剧变性,岩溶水资源时间分布的季节性,干旱与洪涝的交替性,岩溶地下水污染的隐蔽性,岩溶地下水的深埋性,岩溶地下水与生态经济的相关性;论述了对碳酸盐岩层组结构类型、构造演化与岩溶发育期次、岩溶形态组合关系、表层岩溶带、岩溶地下水系统、岩溶地下河、主要环境地质问题和岩溶水资源开发利用条件8个关键科学问题调查研究的技术要点。      

矿山水土污染与防治对策研究

矿山水土环境污染是采矿活动引发的主要环境地质问题之一。我国矿山数量众多,水土污染比较普遍,尤以金属矿山最为严重,矿山水土污染防治是今后开展国土空间生态保护修复的重要内容。基于全国矿山地质环境摸底调查成果资料,对矿业活动不同阶段的水土污染风险以及不同矿山的水土污染类型、特征和污染物迁移演化规律等进行了研究。分析指出:矿业活动过程包括勘探、建矿、开采、洗选、冶炼等多个阶段,而水土污染风险贯穿于矿业活动全过程,不同阶段的污染风险不同;矿产资源开发造成的水土污染物类型、特征因开采的矿产类型不同而不同,呈现出特征污染物与矿体母岩的高度相关性;矿山及其周边污染物的迁移作用受污染物自身的物理化学性质和外界环境条件的影响,在矿山长期持续开采条件下矿山水土污染物存在累积效应,而矿产资源集中开采区的污染物扩散表现出叠加效应。通过对某典型水土环境污染案例的分析研究,初步证实了上述推断。根据我国矿山水土环境污染多发性和复杂性的特点,建议今后开展矿山水土污染防治工作应区分不同类型矿山、不同地质环境条件、不同污染物特征、不同污染程度,采取分类施策、系统修复、标本兼治的对策,以实现矿山环境明显改善。     

我国煤矿区矿井水污染问题及防控技术体系构建

煤炭开采必然产生大量的矿井涌水,我国目前的矿井水整体上表现出水质相对较差、水处理成本较高等问题。首先明确了我国典型矿区矿井水水质的主体特征:常规离子是造成矿井水水质差的主要化学组分;矿井水中有毒有害物质占比小,且基本优于地下水Ⅲ类水质量标准。其次,详细探讨了我国矿井水水质形成、演化的几个科学问题,包括不同水文地质结构下物理–化学作用所起的主导作用,时间效应对水质演化的影响,微生物群落结构特征及其与环境因素的相关关系,水动力场–化学场–微生物场–温度场的多场耦合问题等。接着重点介绍矿井水污染防控的技术方法,以减少矿井突(涌)水量和水资源保护为前提,以实现煤–水双资源协调开采、煤炭绿色开采为目标,以矿井水“阻断、减量、保护”为主要防控思路,围绕煤矿区矿井水阻断技术、污染负荷减量技术、污染区修复治理等科学问题展开分析;通过各种现有技术、方法、工艺,最大可能地降低吨煤矿井水处理成本,如采用井下预处理、地面深度处理、超深回灌封贮、生态资源化利用等。最后,提出研发煤矿区地下水及污染物的阻断材料和吸附材料、注浆装备、监测设备、投料设备、原位取样检测设备等,形成我国煤矿区矿井水污染防控技术体系。该技术体系的构建可对煤矿绿色开采、煤矿区深层地下水污染防控、闭坑矿井水污染防控、矿区地下水资源及生态环境保护利用等提供理论及技术支撑。      

Characterising the vertical separation of shale-gas source rocks and aquifers across England and Wales (UK)

Shale gas is considered by many to have the potential to provide the UK with greater energy security, economic growth and jobs. However, development of a shale gas industry is highly contentious due to environmental concerns including the risk of groundwater pollution. Evidence suggests that the vertical separation between exploited shale units and aquifers is an important factor in the risk to groundwater from shale gas exploitation. A methodology is presented to assess the vertical separation between different pairs of aquifers and shales that are present across England and Wales. The application of the method is then demonstrated for two of these pairs—the Cretaceous Chalk Group aquifer and the Upper Jurassic Kimmeridge Clay Formation, and the Triassic sandstone aquifer and the Carboniferous Bowland Shale Formation. Challenges in defining what might be considered criteria for ‘safe separation’ between a shale gas formation and an overlying aquifer are discussed, in particular with respect to uncertainties in geological properties, aquifer extents and determination of socially acceptable risk levels. Modelled vertical separations suggest that the risk of aquifer contamination from shale exploration will vary greatly between shale–aquifer pairs and between regions and this will need to be considered carefully as part of the risk assessment and management for any shale gas development.     

蒙陕矿区地下水环境系统及采掘扰动

针对蒙陕矿区煤炭资源高强度开发与地下水为核心支撑的生态环境保护所面临的诸多问题,根据蒙陕矿区地质与水文地质结构特征,从地下水系统与水环境相关概念内涵及其相互依存关系出发,提出了地下水环境系统的概念;并从系统的空间结构特征、行为属性及其功能控制要素特征入手,将地下水环境系统细分为"结构控制层"、"水力驱动层"和"外围扰动层"3层结构;分析研究了不同结构层的功能、作用、主要组成要素及其状态表征指标,通过分析煤炭采掘活动与地下水环境系统相关结构要素的互馈机理,得出采煤活动通过对地下水环境系统中"结构控制层"的扰动进而导致"水力驱动层"的响应是诱发地下水环境系统演变的根本原因。      

南方岩溶区地下水资源特征与水资源保障对策

【研究目的】中国南方岩溶地区干旱缺水等问题异常突出,岩溶地下水赋存和分布的复杂,开发利用率低,基于多年调查研究工作为基础,系统总结南方岩溶区地下水资源特征,研讨水资源保障对策。【研究方法】基于南方岩溶区地下水资源特点、地下水系统类型、地下水系统空间结构的叠置性和时空分布不均性分析,提出南方岩溶区水资源保障对策。【研究结果】南方岩溶区可从以下三方面充分发挥地下水资源安全保障作用,一是掌握地下水赋存分布规律,发挥分散供水和应急供水作用;二是加强调蓄工程建设,解决水资源时空分布不均问题;三是建立与生态重建和经济发展相结合的地下水资源可持续利用模式。【结论】南方岩溶区地下水赋存条件复杂,具有表层带岩溶水系统、岩溶地下河与管道流系统、岩溶大泉系统以及分散排泄地下水系统多种类型,规模大小不一,开发利用形式多样;在垂向上具有叠置性,水空分布严重不均;开发利用潜力较大。在地球科学系统论的指导下,查明岩溶水资源赋存分布规律,科学评价地下水资源量,因地制宜制定水资源开发利用和保护方案,为脱贫攻坚、生态文明建设和乡村振兴提供技术支撑。创新点：以系统水文地质环境地质综合调查和地下水开发利用示范工作为基础,系统总结南方岩溶区地下水资源特点;针对岩溶区水资源安全保障问题,分析其主要原因,提出了水资源保障对策。     

岩溶区尾矿库渗漏机理与综合防治技术——以环江北山铅锌矿尾矿库为例

岩溶区尾矿库渗漏是矿山引发环境污染的主要途径之一,其形成机理复杂、治理难度大,已成为矿业开发中的重大隐患。岩溶区尾矿库渗漏是复杂的、多因素共同作用的结果。渗漏虽然受多种因素的影响,但其发生主要是由上部附加应力作用、下部岩溶发育程度和地下水侵蚀（掏蚀）作用3个影响因素决定。文章在总结和分析前人研究的基础上,结合北山铅锌矿尾矿库最新调查成果,通过调查分析尾矿库的地质构造、岩溶发育特征、工程地质条件、水文地质条件等因素,对影响尾矿库渗漏的3个主要因素逐一分解,研究了深层与浅层渗漏的形成机理与破坏机制,结果表明尾砂堆积、高水头压力等产生的附加应力导致了库底岩土体支撑应力的破坏,频繁、大幅度的水位波动以及地下水侵蚀（掏蚀）作用产生的负压效应引发岩溶管道的连通,是导致尾矿库渗漏的主要原因。通过螺栓堵塞技术、配制有机充填材料封堵渗漏通道、地下水引流、坡面防护等措施对渗漏区进行了治理,取得了较好的防渗效果。      

趵突泉泉域岩溶水典型污染组分变化特征及污染途径

济南趵突泉水闻名天下,自20世纪50年代以来岩溶地下水水质发生较大变化。利用收集与实测的近60年的水化学数据,选取矿化度、NO3-、SO42-、Cl-典型水化学指标,结合水文地质条件及人类活动影响,对山前三个典型富水地段岩溶地下水化学变化特征进行研究,并揭示泉域西部、中部、东部三个富水地段岩溶水水质污染途径。结果表明,1986年以前,三富水地段水质变化特征相似,均呈小幅增长趋势,而1986年以后差异显著。其中,西部富水地段除90年代以外,岩溶水中典型污染组分含量总体涨幅较小,地下水主要污染途径为点源—表流阶段入渗型;中部富水地段岩溶水中典型污染组分呈稳步增长趋势,地下水主要污染途径为面源—降雨间歇入渗型;东部富水地段岩溶水中常规离子组分涨幅最大,地下水主要污染途径为点源—开采越流入渗型。研究结果对泉域三个富水地段岩溶地下水保护具有重要指导意义。      

泸西喀斯特断陷盆地地表水与地下水流域边界与水动力性质

在详细调查基础上,采用系统科学及水文地质分析方法,依据地形地貌、地层岩性、地质构造、示踪试验、地下水排泄基准面、喀斯特发育条件及发育规律等剖析论证流域边界,并通过钻探及示踪试验进行验证。研究结果:（1）对泸西喀斯特断陷盆地南东部的水系统边界向北移进行了修正,证实了三塘一带深部不发育的喀斯特是地下水分水岭边界,使得泸西喀斯特断陷盆地流域的径流系统和边界圈化更加准确;（2）泸西喀斯特断陷盆地流域地表水、地下水转化频繁,地表水径流特征主要以小江河在水库、河流、伏流间的径流转化过程为体现,地下水在侵溶山区接受大气降水补给后,上层径流以泉、暗河的形式在泸西盆地底面排泄后转化成地表水,最终汇集于盆地南部、通过工农隧洞及落水洞排向小江,而下层径流则以小江水面为基准,通过深层径流排泄。      

页岩气开发的地下水环境背景值、监测指标及污染示踪方法研究——以焦石坝区块为例

页岩气开采过程中水力压裂及废水回注可能带来的环境问题受到越来越多关注。由于水力压裂开采技术涉及的污染物种类众多,因此建立敏感性监测指标对于识别潜在的地下水污染具有重要意义。本文以中国涪陵页岩气田焦石坝区块为例,首先确定了地下水环境背景值（包括水化学、同位素及溶解气）;通过页岩水与浅层地下水的端元对比,确定了地下水环境敏感性监测指标与污染示踪方法。结果显示浅层地下水TDS在146~402 mg·L-1之间,属于HCO₃-Ca·Mg型,地下水属于年轻地下水（含3 H、14C接近100 pmC）,地下水甲烷含量均小于0.01 mg·L-1,水中溶解气的甲烷（CH₄）体积比低于0.006 4%,δ13C-CH₄总体小于-50‰,为生物成因甲烷（显著区别于热成因页岩气）。涪陵页岩气田焦石坝区块页岩水TDS约为海水两倍,为大气降水成因,显著区别于北美的（蒸发）海水起源。根据页岩水和浅层地下水水文地球化学特征的差异,建立了确定地下水敏感性监测指标的框架,识别出焦石坝区块地下水敏感性指标（7项）。页岩气开发对地下水潜在的污染主要包括气体污染和溶解固体组分污染。对于气体,建立了甲烷含量及同位素组成的端元,并且应用惰性气体进行了两个端元识别;对于溶解固体组分污染,基于浅层地下水背景值数据,可利用本文给出的敏感性指标进行判别。本项研究对于中国页岩气开发的地下水环境保护具有重要的意义,有助于完善页岩气开发过程中地下水环境监测和潜在污染示踪。     

西南某岩溶区地下水系统示踪试验与解析

以西南某典型岩溶区为例,解析示踪试验在岩溶管道连通性以及获取水文地质参数中的应用。选择落水洞为投放点,分别从落水洞西侧和东侧寻找地下水出露点作为接收点,判别落水洞地下径流的实际去向以及落水洞与接收点之间的水力联系。结合Qtracer2软件对示踪试验成果进行定量解析,确定示踪剂回收率、地下水平均流速、最快流速,估算出岩溶管道结构特征和水文地质参数。结果表明:落水洞与接收点JS01、JS03之间不存在直接水力联系;落水洞与接收点JS02存在水力联系且岩溶管道极为发育,含水介质不均匀,地下水运移路径较为通畅,为典型的紊流流态;落水洞地下径流的主要方向是由西向东,但在丰水期雨量较大期间,接收点JS04能够接收到荧光素钠,说明丰水期水位上涨后两者间会有水力联系,导致部分水量向落水洞西侧排泄。     

水文地质条件对页岩气开采控制

通过对比页岩气定压开采与承压水定降深开采的相似性,建立起二者指标之间的对应关系;借鉴美国页岩储层典型参数及Barnnet页岩年产量变化规律,从水文地质的角度,建立起水文地质概念模型;利用GMS软件,对页岩气开采进行数值模拟。从模型结果看,11个拟合值中,6个相对误差在5%之内,4个在10%之内,只有一个接近20%,拟合结果较为理想。说明用水文地质方法研究页岩气开采是合理的;也表明开采过程中页岩气产量由游离气和吸附气组成,当游离气开采完毕后,产量主要由吸附气维持,解吸气还有再吸附现象。当盖层开启程度由微裂缝区的25%,50%,75%到100%依次增加时,开采年限按6 a,4 a,2 a,1 a依次减少;不同开启程度下,相同开采年的开采量也依次降低;在每种开启程度下,年产量与原来的年产量的比值也依次降低。任何侧向边界若出现断层,不论其开启程度为微裂缝区的25%,50%,75%还是100%,均达不到定压开采条件。从敏感分析可知,当页岩压裂达到一定程度时,页岩气的析出对页岩气产量影响是最关键的。最后对页岩气开采提出相应的建议。     

Water vulnerability assessment in karst environments: a new method of defining protection areas using a multi-attribute approach and GIS tools (EPIK method)

 Groundwater resources from karst aquifers play a major role in the water supply in karst areas in the world, such as in Switzerland. Defining groundwater protection zones in karst environment is frequently not founded on a solid hydrogeological basis. Protection zones are often inadequate and as a result they may be ineffective. In order to improve this situation, the Federal Office for Environment, Forests and Landscape with the Swiss National Hydrological and Geological Survey contracted the Centre of Hydrogeology of the Neuchatel University to develop a new groundwater protection-zones strategy in karst environment. This approach is based on the vulnerability mapping of the catchment areas of water supplies provided by springs or boreholes. Vulnerability is here defined as the intrinsic geological and hydrogeological characteristics which determine the sensitivity of groundwater to contamination by human activities. The EPIK method is a multi-attribute method for vulnerability mapping which takes into consideration the specific hydrogeological behaviour of karst aquifers. EPIK is based on a conceptual model of karst hydrological systems, which suggests considering four karst aquifer attributes: (1) Epikarst, (2) Protective cover, (3) Infiltration conditions and (4) Karst network development. Each of these four attributes is subdivided into classes which are mapped over the whole water catchment. The attributes and their classes are then weighted. Attribute maps are overlain in order to obtain a final vulnerability map. From the vulnerability map, the groundwater protection zones are defined precisely. This method was applied at several sites in Switzerland where agriculture contamination problems have frequently occurred. These applications resulted in recommend new boundaries for the karst water supplies protection-zones. Received: 27 October 1997 · Accepted: 4 July 1998