地质储存CO2泄漏对土壤包气带热性质的影响研究

摘要

全球气候变暖已经是毋庸置疑的事实，温室效应已经在全世界范围内引起了关注。CO2地质储存是一种缓减碳排放行之有效的途径，但是CO2地质储存并不是绝对安全的，存在着逃逸泄漏的风险。逃逸的CO2入侵包气带将带来土壤热性质的变化。土壤包气带热参数直接控制着大气环境和土壤的热量交换与水分运动，进而影响土壤的生态环境。
　　本研究采用人工模拟CO2在包气带中泄漏的方法来研究土壤包气带热参数对高浓度CO2的响应规律。实验共分两部分，室外部分为直径1m，高度3.3m的大型实验筒实验。分别利用浓度为5?104ppm、10?104 ppm、15?104 ppm的CO2从底部通入不同黄土填装模式的实验筒。实验筒通入气体一年后，将实验介质分层采样，测试其土壤热导率、体积热容量、热扩散速率。室内部分利用纯度为99.99％的流量为150mL/min的CO2通入实验筒（h=175cm,d=67.5cm），在线监测含水率、负压等热性质相关因素来研究CO2对土壤热性质的影响。实验结果表明：
　　（1）室外实验区在实验设定的CO2浓度范围内(5?104-15?104ppm)，从低区到高区随CO2浓度升高，包气带热导率平均值由0.9 W·m-1·K-1减小到0.5 W·m-1·K-1，体积热容量由1.5 MJ·m-3·K-1减小到1.2 MJ·m-3·K-1，热扩散率也随CO2浓度的升高而降低。
　　（2）在室外实验区的中浓度区(10?104ppm)，从实验筒的上部到下部热导率呈递减状态，由最高处的1.0 W·m-1·K-1减小到下部区域的0.4 W·m-1·K-1。此区域为热导率的一个敏感区。
　　（3）CO2的通入影响了体积热容量与含水率的线性关系，低浓度区具有最好的线性关系，线性回归相关系数R2为0.7419，中浓度区线性相关系数R2不足0.5。这说明高浓度CO2改变了土壤三相的组成比例。
　　（4）在室内实验区，通过对实验组和对照组进行在线动态监测，CO2通入后实验组四个探头处的含水率相比对照组都出现了不同程度的下降。其中实验组4号点处的含水率由通气前的0.315m3·m-3降为0.295 m3·m-3，含水率降幅最大。
　　（5）在室内实验区，实验组由于CO2的通入改变了4个探头处温度的大小顺序，1号点由四个监测点中温度的最小值变为4个点中的最大值。