一種測量二氧化碳對土壤環境影響的裝置和方法與流程
2023-12-05 22:52:46 1
本發明涉及環境監測領域，尤其涉及一種測量二氧化碳對土壤環境影響的裝置和方法。
背景技術：
全球氣候變化所引起的環境問題給人類帶來前所未有的挑戰，在引起氣候變化的原因之中，作為溫室效應氣體的二氧化碳的排放問題越來越突出，因此不將二氧化碳排放入大氣的處置技術引起了越來越多的關注。二氧化碳捕集和封存（CCS）作為一項新興的、具有大規模應用潛力的二氧化碳處置技術，為化石能源使用的二氧化碳近零排放提供了一種可能。同時，隨著勘探開發的不斷進行，我國特低滲油藏探明儲量增加。特低滲油藏作為我國主要油藏類型，由於儲層物性差，注水開發難度大、彈性開發遞減快、採收率低，油藏整體開發效果差。二氧化碳驅油是三次採油技術的前沿發展方向之一，同時也是一個最具開發價值的二氧化碳應用領域。
從技術層面來說，雖然二氧化碳捕集和地質埋存技術已趨成熟，但制約其大規模推廣應用的原因主要在於埋存的安全性和其安全監測的經濟性。CCS工程的經濟性可以通過不斷的技術創新和實施碳稅得到改善，但是對二氧化碳地下埋存的安全性問題（即可能會發生滲漏）公眾一直存在擔心和質疑。未來封存的二氧化碳量級有可能達到億噸級，如果封存的二氧化碳發生滲漏逸散到大氣中，那麼封存效果則會適得其反，造成顯著的氣候變化。除此之外，如果地下淺層的二氧化碳濃度升高，不僅會對植物和動物造成致命傷害，還會汙染地下水，給人類的生產、生活、生態系統帶來巨大損害。因而如何有效預防、監測和控制二氧化碳滲漏，確保二氧化碳封存的安全性，已成為二氧化碳封存技術研究的一項重要內容。在二氧化碳地質封存示範項目中，二氧化碳滲漏風險分析、滲漏監測技術和封堵技術等的研究就受到了越來越多的重視。目前來看，對二氧化碳封存地區的土壤、水指標變化情況進行檢測，來推測是否發生了二氧化碳洩漏是可行的。但是，土壤、水的監測指標很多，各個指標隨二氧化碳洩漏的變化規律及程度也不同怎麼知道某地區是否發生了二氧化碳洩漏，或者是洩漏速率如何，都沒有靈敏反應、便捷測量的環境要素指標。
技術實現要素：
本發明是針對現有技術所存在的不足，而提供了能將不同埋深的土壤在各種溫度下、各種二氧化碳流量影響下，不同時間裡發生的指標變化很方便地測量出來的測量二氧化碳對土壤環境影響的裝置和方法。
本發明得技術方案為：設計了由依次連通的二氧化碳氣罐、流量閥、容納取樣土壤的土壤容器組成的裝置，且為土壤容器配備了控溫裝置，以用於測量各個地區不同的地深在春夏秋冬不同季節的溫度，在不同的二氧化碳洩漏速率下，取樣土壤的指標變化，以便為檢測埋存二氧化碳的地區是否有二氧化碳洩漏以及如果有洩漏的情況下洩漏速率如何提供參照數據。
具體為，本發明提供了一種測量二氧化碳對土壤環境影響的裝置，包括二氧化碳氣罐，所述二氧化碳氣罐連通有流量閥，所述流量閥設置有1.0L/min和0.1L/min兩個量程；所述流量閥連通有土壤容器，所述土壤容器為直徑為600mm，高度為1000mm的有機玻璃空腔圓柱體，所述流量閥連通所述土壤容器的底部，所述土壤容器內部的底部設置有鵝卵石層；所述土壤容器外部設置有控溫裝置。
一種基於上述的測量二氧化碳對土壤環境影響的裝置的測量二氧化碳對土壤環境影響的方法，包括以下步驟：
步驟1：在各季節，取樣設定深度的土壤，並將土壤鋪設於所述鵝卵石層上；
步驟2：將土壤容器內部的溫度調整到設定溫度；
步驟3：開通流量閥，以設定流量向所述鵝卵石層供二氧化碳氣體，以便二氧化碳氣體均勻進入到設置在所述鵝卵石層上的取樣土壤；
步驟4：分別在開通流量閥的時間為0h、4h、8h、12h、16h、20h、24h、28h、32h、36h、40h、44h、48h時，對取樣土壤的水分、pH值、有機碳、電導率、SO42-、CO32-、HCO3-以及有效態Na、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Pb、Cr、Cu、細菌總數、全氮、速效磷進行測量，並紀錄。
其中,所述步驟2的設定溫度為取樣土壤所在地的測量土壤時對應的季節，如春天、夏天、秋天、冬天的平均溫度。
所述步驟3的設定流量分別為0.04L/min、0.08L/min、0.2L/min、0.4L/min、0.6L/min、0.8L/min。
在實驗中，結合項目的實際情況，篩選出CO2洩漏後可能會對土壤理化性質產生影響的項目作為土壤監測指標，非金屬指標為土壤水分、pH、有機碳、電導率、SO42-、CO32-、HCO3-、細菌總數、全氮、速效磷，金屬指標為有效態Na、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Pb、Cr、Cu。
對溫度的控制。在春夏秋冬四個季節不同溫度下模擬CO2洩漏，對土壤水分、pH、有機碳、電導率、SO42-、CO32-、HCO3-以及有效態Na、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Pb、Cr、Cu、細菌總數、全氮、速效磷進行監測，記錄土壤各指標的變化，統計出監測指標依據數據。
對時間的控制。模擬CO2洩漏時間分別為0h、4h、8h、12h、16h、20h、24h、28h、32h、36h、40h、44h、48h，對土壤水分、pH、有機碳、電導率、SO42-、CO32-、HCO3-以及有效態Na、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Pb、Cr、Cu、細菌總數、全氮、速效磷進行監測，記錄土壤各指標的變化，統計出監測指標依據數據。
對洩漏速率的控制。模擬CO2洩漏速率為小、大兩個流量範圍，小流量為分別為0.04L/min、0.08L/min，大流量分別是0.2L/min、0.4L/min、0.6L/min、0.8L/min，對土壤水分、pH、有機碳、電導率、SO42-、CO32-、HCO3-以及有效態Na、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Pb、Cr、Cu、細菌總數、全氮、速效磷進行監測，記錄土壤各指標的變化，統計出監測指標依據數據。
土壤監測項目包括非金屬指標共9項，金屬指標共10項，具體監測方法如表1：
表1 土壤監測項目及方法
本方案的有益效果可根據對上述方案的敘述得知，結構簡單，設計合理，能將不同埋深的土壤在各種溫度下、各種二氧化碳流量影響下，不同時間裡發生的指標變化很方便地測量出來，以掌握各埋存二氧化碳地區不同埋深的土壤在各季節發生不同程度二氧化碳洩漏以及洩漏時間的依據，從而更加科學地監控是否發生了二氧化碳洩漏，以及初步判斷洩漏情況。
在埋存二氧化碳研究中，特別是具有環保和經濟雙重效益的油藏二氧化碳嚴重，埋存二氧化碳滲漏途徑及其風險分析，建立油藏二氧化碳埋存滲漏模型，分析其洩漏機制，確定特定儲層二氧化碳封存滲漏的規律及地面監測布點方法；以及通過改變二氧化碳洩漏的各參數監測各地區土壤、水各項目變化情況的實驗，確定二氧化碳洩漏至地面時各地區土壤、水環境要素各指標的變化規律，篩選出其中能夠敏感、迅速表徵洩漏狀況的監測指標，並在以上研究基礎上提出相應的環境監測方案；開展二氧化碳封存安全監測數據處理方法研究，完成數據預處理、特徵提取、數據關聯、信息融合等方法的研究，並設計配套的資料庫及數據分析方法，最終建立一套完整的科學規範、經濟可行的二氧化碳封存洩漏安全監測評估指標體系，至關重要。這一切的一個基礎就是本方案針對各地區土壤指標以及土壤指標在各種溫度下、各種二氧化碳流量影響下，不同時間裡發生的指標變化的數據依據。
選擇直徑為600mm，高度為1000mm的有機玻璃空腔圓柱體作為土壤容器，足夠容納滿足實驗厚度和截面積的土壤。流量閥設置有1.0L/min和0.1L/min兩個量程，而且提供0.04L/min、0.08L/min、0.2L/min、0.4L/min、0.6L/min、0.8L/min流量，是根據直徑為600mm，高度為1000mm的有機玻璃空腔圓柱體裡容納的土壤，而選擇針對性的洩漏流量。土壤下方設置述鵝卵石層，且流量閥也連通的是土壤容器的底部，以便二氧化碳通過鵝卵石的縫隙擴散均勻洩漏到被檢測土壤中。測量中選擇的時間段，也是經過實驗篩選的時間，二氧化碳與土壤的反應，是緩慢反應，因此，時間之間的的間隔為4小時。由於每個地區土壤的指標存在差異，因此在每個地區都選擇儘可能多的指標，以便得到各地區最有利的判斷數據依據。控溫裝置是儘量模擬取樣土壤在取樣地的溫度，因為土壤容器的溫度和取樣地的溫度有差異，特別是深度處於地表下的取樣地。
附圖說明
圖1為本發明測量二氧化碳對土壤環境影響的裝置的結構示意圖；
圖中，1、二氧化碳氣罐；2、流量閥；3、土壤容器；4、鵝卵石層；5、控溫裝置；6、取樣土壤。
具體實施方式
為能清楚說明本方案的技術特點，下面通過具體實施方式，對本方案進行闡述。
如圖1所示，本實施例是一種測量二氧化碳對土壤環境影響的裝置，包括二氧化碳氣罐1，二氧化碳氣罐1連通有流量閥2，流量閥2設置有1.0L/min和0.1L/min兩個量程；流量閥2連通有土壤容器3，土壤容器3為直徑為600mm，高度為1000mm的有機玻璃空腔圓柱體，流量閥2連通土壤容器3的底部，土壤容器3內部的底部設置有鵝卵石層4；土壤容器3外部設置有控溫裝置5。
以及一種基於上述的測量二氧化碳對土壤環境影響的裝置的測量二氧化碳對土壤環境影響的方法，包括以下步驟：
步驟1：取樣設定地表的土壤，並將土壤鋪設於鵝卵石層4上；
步驟2：將土壤容器3內部的溫度調整到設定溫度；
步驟3：開通流量閥2，以設定流量向鵝卵石層4供二氧化碳氣體，以便二氧化碳氣體均勻進入到設置在鵝卵石層4上的取樣土壤6；
步驟4：分別在開通流量閥2的時間為0h、4h、8h、12h、16h、20h、24h、28h、32h、36h、40h、44h、48h時，對取樣土壤的水分、pH值、有機碳、電導率、SO42-、CO32-、HCO3-以及有效態Na、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Pb、Cr、Cu、細菌總數、全氮、速效磷進行測量，並紀錄。
其中，步驟2的設定溫度為山東省北部的地表土壤的春天、夏天、秋天、冬天的平均溫度，分別為14攝氏度、23攝氏度、15攝氏度和6攝氏度。
步驟3的設定流量分別為0.04L/min、0.08L/min、0.2L/min、0.4L/min、0.6L/min、0.8L/min。
在實驗中，結合項目的實際情況，篩選出CO2洩漏後可能會對土壤理化性質產生影響的項目作為土壤監測指標，非金屬指標為土壤水分、pH、有機碳、電導率、SO42-、CO32-、HCO3-、細菌總數、全氮、速效磷，金屬指標為有效態Na、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Pb、Cr、Cu。
對溫度的控制。在春夏秋冬四個季節不同溫度下模擬CO2洩漏，對土壤水分、pH、有機碳、電導率、SO42-、CO32-、HCO3-以及有效態Na、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Pb、Cr、Cu、細菌總數、全氮、速效磷進行監測，記錄土壤各指標的變化，統計出監測指標依據數據。
對時間的控制。模擬CO2洩漏時間分別為0h、4h、8h、12h、16h、20h、24h、28h、32h、36h、40h、44h、48h，對土壤水分、pH、有機碳、電導率、SO42-、CO32-、HCO3-以及有效態Na、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Pb、Cr、Cu、細菌總數、全氮、速效磷進行監測，記錄土壤各指標的變化，統計出監測指標依據數據。
對洩漏速率的控制。模擬CO2洩漏速率為小、大兩個流量範圍，小流量為分別為0.04L/min、0.08L/min，大流量分別是0.2L/min、0.4L/min、0.6L/min、0.8L/min，對土壤水分、pH、有機碳、電導率、SO42-、CO32-、HCO3-以及有效態Na、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Pb、Cr、Cu、細菌總數、全氮、速效磷進行監測，記錄土壤各指標的變化，統計出監測指標依據數據。
土壤監測項目包括非金屬指標共9項，金屬指標共10項，具體監測方法如表1。
本發明未經描述的技術特徵能夠通過或採用現有技術實現，在此不再贅述，當然，上述說明並非是對本發明的限制，本發明也並不僅限於上述舉例，本技術領域的普通技術人員在本發明的實質範圍內所做出的變化、改型、添加或替換，也應屬於本發明的保護範圍。