一种测量二氧化碳对土壤环境影响的装置和方法与流程

本发明涉及环境监测领域，尤其涉及一种测量二氧化碳对土壤环境影响的装置和方法。

背景技术：

全球气候变化所引起的环境问题给人类带来前所未有的挑战，在引起气候变化的原因之中，作为温室效应气体的二氧化碳的排放问题越来越突出，因此不将二氧化碳排放入大气的处置技术引起了越来越多的关注。二氧化碳捕集和封存（CCS）作为一项新兴的、具有大规模应用潜力的二氧化碳处置技术，为化石能源使用的二氧化碳近零排放提供了一种可能。同时，随着勘探开发的不断进行，我国特低渗油藏探明储量增加。特低渗油藏作为我国主要油藏类型，由于储层物性差，注水开发难度大、弹性开发递减快、采收率低，油藏整体开发效果差。二氧化碳驱油是三次采油技术的前沿发展方向之一，同时也是一个最具开发价值的二氧化碳应用领域。

从技术层面来说，虽然二氧化碳捕集和地质埋存技术已趋成熟，但制约其大规模推广应用的原因主要在于埋存的安全性和其安全监测的经济性。CCS工程的经济性可以通过不断的技术创新和实施碳税得到改善，但是对二氧化碳地下埋存的安全性问题（即可能会发生渗漏）公众一直存在担心和质疑。未来封存的二氧化碳量级有可能达到亿吨级，如果封存的二氧化碳发生渗漏逸散到大气中，那么封存效果则会适得其反，造成显著的气候变化。除此之外，如果地下浅层的二氧化碳浓度升高，不仅会对植物和动物造成致命伤害，还会污染地下水，给人类的生产、生活、生态系统带来巨大损害。因而如何有效预防、监测和控制二氧化碳渗漏，确保二氧化碳封存的安全性，已成为二氧化碳封存技术研究的一项重要内容。在二氧化碳地质封存示范项目中，二氧化碳渗漏风险分析、渗漏监测技术和封堵技术等的研究就受到了越来越多的重视。目前来看，对二氧化碳封存地区的土壤、水指标变化情况进行检测，来推测是否发生了二氧化碳泄漏是可行的。但是，土壤、水的监测指标很多，各个指标随二氧化碳泄漏的变化规律及程度也不同怎么知道某地区是否发生了二氧化碳泄漏，或者是泄漏速率如何，都没有灵敏反应、便捷测量的环境要素指标。

技术实现要素：

本发明是针对现有技术所存在的不足，而提供了能将不同埋深的土壤在各种温度下、各种二氧化碳流量影响下，不同时间里发生的指标变化很方便地测量出来的测量二氧化碳对土壤环境影响的装置和方法。

本发明得技术方案为：设计了由依次连通的二氧化碳气罐、流量阀、容纳取样土壤的土壤容器组成的装置，且为土壤容器配备了控温装置，以用于测量各个地区不同的地深在春夏秋冬不同季节的温度，在不同的二氧化碳泄漏速率下，取样土壤的指标变化，以便为检测埋存二氧化碳的地区是否有二氧化碳泄漏以及如果有泄漏的情况下泄漏速率如何提供参照数据。

具体为，本发明提供了一种测量二氧化碳对土壤环境影响的装置，包括二氧化碳气罐，所述二氧化碳气罐连通有流量阀，所述流量阀设置有1.0L/min和0.1L/min两个量程；所述流量阀连通有土壤容器，所述土壤容器为直径为600mm，高度为1000mm的有机玻璃空腔圆柱体，所述流量阀连通所述土壤容器的底部，所述土壤容器内部的底部设置有鹅卵石层；所述土壤容器外部设置有控温装置。

一种基于上述的测量二氧化碳对土壤环境影响的装置的测量二氧化碳对土壤环境影响的方法，包括以下步骤：

步骤1：在各季节，取样设定深度的土壤，并将土壤铺设于所述鹅卵石层上；

步骤2：将土壤容器内部的温度调整到设定温度；

步骤3：开通流量阀，以设定流量向所述鹅卵石层供二氧化碳气体，以便二氧化碳气体均匀进入到设置在所述鹅卵石层上的取样土壤；

步骤4：分别在开通流量阀的时间为0h、4h、8h、12h、16h、20h、24h、28h、32h、36h、40h、44h、48h时，对取样土壤的水分、pH值、有机碳、电导率、SO₄^2-、CO₃^2-、HCO₃^-以及有效态Na、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Pb、Cr、Cu、细菌总数、全氮、速效磷进行测量，并纪录。

其中,所述步骤2的设定温度为取样土壤所在地的测量土壤时对应的季节，如春天、夏天、秋天、冬天的平均温度。

所述步骤3的设定流量分别为0.04L/min、0.08L/min、0.2L/min、0.4L/min、0.6L/min、0.8L/min。

在实验中，结合项目的实际情况，筛选出CO₂泄漏后可能会对土壤理化性质产生影响的项目作为土壤监测指标，非金属指标为土壤水分、pH、有机碳、电导率、SO₄2^-、CO₃^2-、HCO₃^-、细菌总数、全氮、速效磷，金属指标为有效态Na、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Pb、Cr、Cu。

对温度的控制。在春夏秋冬四个季节不同温度下模拟CO₂泄漏，对土壤水分、pH、有机碳、电导率、SO₄^2-、CO₃^2-、HCO₃^-以及有效态Na、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Pb、Cr、Cu、细菌总数、全氮、速效磷进行监测，记录土壤各指标的变化，统计出监测指标依据数据。

对时间的控制。模拟CO₂泄漏时间分别为0h、4h、8h、12h、16h、20h、24h、28h、32h、36h、40h、44h、48h，对土壤水分、pH、有机碳、电导率、SO₄^2-、CO₃^2-、HCO₃^-以及有效态Na、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Pb、Cr、Cu、细菌总数、全氮、速效磷进行监测，记录土壤各指标的变化，统计出监测指标依据数据。

对泄漏速率的控制。模拟CO₂泄漏速率为小、大两个流量范围，小流量为分别为0.04L/min、0.08L/min，大流量分别是0.2L/min、0.4L/min、0.6L/min、0.8L/min，对土壤水分、pH、有机碳、电导率、SO₄2^-、CO₃^2-、HCO₃^-以及有效态Na、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Pb、Cr、Cu、细菌总数、全氮、速效磷进行监测，记录土壤各指标的变化，统计出监测指标依据数据。

土壤监测项目包括非金属指标共9项，金属指标共10项，具体监测方法如表1：

表1 土壤监测项目及方法

本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，结构简单，设计合理，能将不同埋深的土壤在各种温度下、各种二氧化碳流量影响下，不同时间里发生的指标变化很方便地测量出来，以掌握各埋存二氧化碳地区不同埋深的土壤在各季节发生不同程度二氧化碳泄漏以及泄漏时间的依据，从而更加科学地监控是否发生了二氧化碳泄漏，以及初步判断泄漏情况。

在埋存二氧化碳研究中，特别是具有环保和经济双重效益的油藏二氧化碳严重，埋存二氧化碳渗漏途径及其风险分析，建立油藏二氧化碳埋存渗漏模型，分析其泄漏机制，确定特定储层二氧化碳封存渗漏的规律及地面监测布点方法；以及通过改变二氧化碳泄漏的各参数监测各地区土壤、水各项目变化情况的实验，确定二氧化碳泄漏至地面时各地区土壤、水环境要素各指标的变化规律，筛选出其中能够敏感、迅速表征泄漏状况的监测指标，并在以上研究基础上提出相应的环境监测方案；开展二氧化碳封存安全监测数据处理方法研究，完成数据预处理、特征提取、数据关联、信息融合等方法的研究，并设计配套的数据库及数据分析方法，最终建立一套完整的科学规范、经济可行的二氧化碳封存泄漏安全监测评估指标体系，至关重要。这一切的一个基础就是本方案针对各地区土壤指标以及土壤指标在各种温度下、各种二氧化碳流量影响下，不同时间里发生的指标变化的数据依据。

选择直径为600mm，高度为1000mm的有机玻璃空腔圆柱体作为土壤容器，足够容纳满足实验厚度和截面积的土壤。流量阀设置有1.0L/min和0.1L/min两个量程，而且提供0.04L/min、0.08L/min、0.2L/min、0.4L/min、0.6L/min、0.8L/min流量，是根据直径为600mm，高度为1000mm的有机玻璃空腔圆柱体里容纳的土壤，而选择针对性的泄漏流量。土壤下方设置述鹅卵石层，且流量阀也连通的是土壤容器的底部，以便二氧化碳通过鹅卵石的缝隙扩散均匀泄漏到被检测土壤中。测量中选择的时间段，也是经过实验筛选的时间，二氧化碳与土壤的反应，是缓慢反应，因此，时间之间的的间隔为4小时。由于每个地区土壤的指标存在差异，因此在每个地区都选择尽可能多的指标，以便得到各地区最有利的判断数据依据。控温装置是尽量模拟取样土壤在取样地的温度，因为土壤容器的温度和取样地的温度有差异，特别是深度处于地表下的取样地。

附图说明

图1为本发明测量二氧化碳对土壤环境影响的装置的结构示意图；

图中，1、二氧化碳气罐；2、流量阀；3、土壤容器；4、鹅卵石层；5、控温装置；6、取样土壤。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。

如图1所示，本实施例是一种测量二氧化碳对土壤环境影响的装置，包括二氧化碳气罐1，二氧化碳气罐1连通有流量阀2，流量阀2设置有1.0L/min和0.1L/min两个量程；流量阀2连通有土壤容器3，土壤容器3为直径为600mm，高度为1000mm的有机玻璃空腔圆柱体，流量阀2连通土壤容器3的底部，土壤容器3内部的底部设置有鹅卵石层4；土壤容器3外部设置有控温装置5。

以及一种基于上述的测量二氧化碳对土壤环境影响的装置的测量二氧化碳对土壤环境影响的方法，包括以下步骤：

步骤1：取样设定地表的土壤，并将土壤铺设于鹅卵石层4上；

步骤2：将土壤容器3内部的温度调整到设定温度；

步骤3：开通流量阀2，以设定流量向鹅卵石层4供二氧化碳气体，以便二氧化碳气体均匀进入到设置在鹅卵石层4上的取样土壤6；

步骤4：分别在开通流量阀2的时间为0h、4h、8h、12h、16h、20h、24h、28h、32h、36h、40h、44h、48h时，对取样土壤的水分、pH值、有机碳、电导率、SO₄^2-、CO₃^2-、HCO₃^-以及有效态Na、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Pb、Cr、Cu、细菌总数、全氮、速效磷进行测量，并纪录。

其中，步骤2的设定温度为山东省北部的地表土壤的春天、夏天、秋天、冬天的平均温度，分别为14摄氏度、23摄氏度、15摄氏度和6摄氏度。

步骤3的设定流量分别为0.04L/min、0.08L/min、0.2L/min、0.4L/min、0.6L/min、0.8L/min。

在实验中，结合项目的实际情况，筛选出CO₂泄漏后可能会对土壤理化性质产生影响的项目作为土壤监测指标，非金属指标为土壤水分、pH、有机碳、电导率、SO₄2^-、CO₃^2-、HCO₃^-、细菌总数、全氮、速效磷，金属指标为有效态Na、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Pb、Cr、Cu。

对温度的控制。在春夏秋冬四个季节不同温度下模拟CO₂泄漏，对土壤水分、pH、有机碳、电导率、SO₄^2-、CO₃^2-、HCO₃^-以及有效态Na、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Pb、Cr、Cu、细菌总数、全氮、速效磷进行监测，记录土壤各指标的变化，统计出监测指标依据数据。

对时间的控制。模拟CO₂泄漏时间分别为0h、4h、8h、12h、16h、20h、24h、28h、32h、36h、40h、44h、48h，对土壤水分、pH、有机碳、电导率、SO₄^2-、CO₃^2-、HCO₃^-以及有效态Na、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Pb、Cr、Cu、细菌总数、全氮、速效磷进行监测，记录土壤各指标的变化，统计出监测指标依据数据。

对泄漏速率的控制。模拟CO₂泄漏速率为小、大两个流量范围，小流量为分别为0.04L/min、0.08L/min，大流量分别是0.2L/min、0.4L/min、0.6L/min、0.8L/min，对土壤水分、pH、有机碳、电导率、SO₄2^-、CO₃^2-、HCO₃^-以及有效态Na、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Pb、Cr、Cu、细菌总数、全氮、速效磷进行监测，记录土壤各指标的变化，统计出监测指标依据数据。

土壤监测项目包括非金属指标共9项，金属指标共10项，具体监测方法如表1。

本发明未经描述的技术特征能够通过或采用现有技术实现，在此不再赘述，当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。