張曉娟，李旭峰，張楊

（中國地質調查局水文地質環(huán)境地質調查中心，河北保定071051）

利用遙感和GIS技術的CO2地質儲存選址研究

張曉娟，李旭峰，張楊

（中國地質調查局水文地質環(huán)境地質調查中心，河北保定071051）

CO2地質儲存是減少CO2排放、緩解溫室效應的主要途徑之一。針對CO2地質儲存場地的選擇對于工程安全及穩(wěn)定的重要性，該文基于CO2地質儲存理論，建立了CO2地質儲存工程場地選址指標體系，并利用遙感技術獲取相應評價指標，基于GIS指標空間加權疊加分析法，從安全性、經(jīng)濟性角度進行了CO2地質儲存工程場地適宜性評價，得到了適宜性分區(qū)圖。我國第一個深部咸水層CO2地質儲存工程就建立在本次評價為適宜區(qū)的地區(qū)，目前工程運行很好。由此，本文方法可以為今后的CO2地質儲存工程選址提供很好的參考。

CO2地質儲存；選址指標；GIS空間分析；遙感解譯；D－InSAR技術

0 引 言

CO2地質儲存［1－3］是當前國際公認的減少溫室氣體排放的有效途徑之一。CO2地質儲存場地的合理選擇，是實現(xiàn)長期、安全儲存CO2的前提。開展CO2地質儲存工程非常重要的一步是儲存場地的選擇，場地選擇的成功與否直接決定了儲存工程的使用壽命和安全性等關鍵問題。如果CO2地質儲存場地的選擇失當，會帶來諸多不利影響甚至造成難以彌補的損失。

2005年我國開展了CO2地質儲存潛力估算［4］，結果表明中國深部咸水含水層的CO2儲存能力遠遠大于其他介質如煤層、油氣盆地等，約占總儲存量的98.64%。根據(jù)我國陸域盆地地質條件特征，我國深部咸水含水層地質儲存規(guī)劃選址分為四個階段，分別為國家級、盆地級、工程場地級［5－6］。第一、第二階段主要是對國家級和盆地級地質儲存潛力進行評價，第三階段重點是在選擇出可供地質儲存的圈閉或地區(qū)的基礎上，對圈閉內各地質時代形成的儲蓋層做精細描述和刻畫，通過一系列分析，優(yōu)選出CO2地質儲存目標靶區(qū)，第四階段是在優(yōu)選出的具有一定儲量并且適宜CO2地質儲存的場地開展工程選址工作。

本研究主要針對第四階段的選址工作開展的，利用遙感技術的優(yōu)勢，采用相應算法進行選址指標信息的提?。?］，在此基礎上，基于GIS強大的空間分析功能進行多指標的場址優(yōu)選［8］。

1 CO2地質儲存目標靶區(qū)場地概況

該目標靶區(qū)位于內蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗附近，面積約2000km2，是經(jīng)過前期廣泛收集分析鄂爾多斯盆地構造、沉積格局、儲層分布、蓋層穩(wěn)定性、地溫梯度、壓力及水文地質等資料基礎上，優(yōu)選出的較適宜CO2地質儲存的目標靶區(qū)［9］。該區(qū)與陜北黃土高原西北緣相連，總體地貌類型為丘陵，其中西部為白堊系丘陵，主要包括內蒙古伊金霍洛旗部分，東部及東南部為黃土丘陵，主要包括陜西省神木縣部分。區(qū)內溝谷發(fā)育，并構成三級水系，丘陵區(qū)被普遍切割，從而形成了崗嶺縱橫、川谷交錯、溝壑發(fā)育的地貌景觀。丘間發(fā)育有平緩谷地，低洼處為內陸湖泊。經(jīng)分析，該地區(qū)主要有三疊系下統(tǒng)劉家溝組、二疊系上統(tǒng)石千峰組、二疊系中統(tǒng)石盒子組、二疊系下統(tǒng)山西、太原組、奧陶系下統(tǒng)馬家溝組、奧陶系下統(tǒng)馬家溝組五個主力儲層，分布在地下1300m至2700m深度之間，具備良好的深部儲存CO2的地質條件，且具備一定的儲存能力。

2 CO2地質儲存工程場地選址原則

CO2地質儲存場地選擇的基本原則是滿足儲存量的要求、有合適的儲蓋層組合、安全性、經(jīng)濟性等。本次工作是在經(jīng)過前期儲蓋組合評價優(yōu)選出具有一定儲存量的儲蓋組合區(qū)進一步開展的工程選址工作，因此重點考慮安全性、經(jīng)濟性等要素。

安全性。避開可能引起CO2泄露的活動斷裂、廢棄的深井等逃逸通道；避開地質災害頻發(fā)或有地質災害隱患地段，本示范區(qū)主要避開采煤塌陷區(qū)，雖然采煤基本在100m以淺，對于深部的CO2儲存不構成影響，但是基于安全角度，距離采煤塌陷區(qū)越遠越好；風向也會直接影響CO2運移方向，因此首先工程選址需要避開人口密集地，并且位于人口密集地的下風口的高處，以防萬一發(fā)生CO2泄露對當?shù)鼐用窠】翟斐捎绊?；選址應在地勢較高處，CO2式量為44，而空氣為29（標準大氣壓條件下），因此若大量CO2溢出會位于空氣的最底層，并且有向地勢低洼處運移的趨勢，工程建在高處CO2容易擴散，因此應選擇建立在地勢高洼處。

經(jīng)濟性。距離碳源越近越好，可以降低運輸成本；工程場地選則的土地利用程度越低經(jīng)濟。

3 CO2地質儲存工程場地選址指標體系

基于CO2地質儲存工程場地選址原則及遙感技術的特點，確定了選址指標分別為：與采煤塌陷區(qū)距離、與活動斷裂距離、與居民點距離、土地利用程度、地貌類型、與碳源距離、地勢、地形坡度等8個場地評價指標（表1）。

在鄂爾多斯盆地選取典型主力儲層組合（山西組＋石盒子組＋石千峰組＋劉家溝組），模擬了固定速率（105t／年）注入CO2和固定壓力（1.3P0，P0為水靜力平衡后最上儲層的壓力）注入CO2兩種情形下，20年和100年內，注入的CO2在地下深部空間里運移的情況，模擬結果為注入20年時，CO2在徑向上大約擴散700m～800m，100年時，CO2擴散到大約距離注入井900m［10］。

本次各指標適宜程度區(qū)間的選擇則參考此模擬結果。為確保絕對安全，采煤塌陷區(qū)距離及距離活動斷裂距離的極限值定為注入100年擴散最大距離的三倍，即將距離這兩項指標3km以內的范圍定為不適宜區(qū)，其他較不適宜、一般適宜、較適宜、適宜4個等級的距離按照研究區(qū)內最大距離平均分配；與居民地距離，研究區(qū)位于毛烏素沙漠南緣，居民點分布較少，將距離居民點1km以內的范圍定為不適宜區(qū)，其他較不適宜、一般適宜、較適宜、適宜4個等級的距離按照研究區(qū)內最大距離平均分配；地貌類型，水庫、常年性河流及季節(jié)性河流及河道內不適宜開展工程建設，半固定沙丘受風向和風力影響，會一定程度影響工程建設及后期的維護，定位較不適宜，研究區(qū)內的基巖丘陵區(qū)，由于地形切割比較嚴重，起伏較大，相對地勢相對平坦的固定沙丘區(qū)，定為較適宜，固定沙丘地區(qū)，地形起伏很小，適合工程的建設；地勢越高，越利于CO2的擴散，以海拔1150m為起點，50m為間距，分別賦予較不適宜、一般適宜、較適宜、適宜；地形坡度越小，工程建設難度和成本越小，以25°作為不適宜的極限坡度，5°為間隔，分別賦予較不適宜、一般適宜、較適宜、適宜；建設工程地點土地利用程度直接決定工程的場地建設成本，利用程度越低，越適宜工程建設；與碳源距離越近，則運輸成本越低，根據(jù)研究區(qū)的面積，將30km定為極限距離，以5km為間隔，分別賦予較不適宜、一般適宜、較適宜、適宜?；诖?，建立了CO2地質儲存工 程場地選址指標體系，如表1所示。

表1 CO2地質儲存工程場地選址指標體系

4 工程場地選址指標遙感解譯

4.1 地形地貌遙感解譯

研究區(qū)位于陜北黃土高原與毛烏素沙漠的過渡地帶，區(qū)內海拔標高1100m～1300m，大的地貌成因類型屬于長期遭受侵蝕剝蝕的高原地貌。研究區(qū)北部主要地貌形態(tài)為龍崗狀沙堆平原，地貌形態(tài)比較簡單，多光譜遙感數(shù)據(jù)ETM衛(wèi)星影像能夠很好地區(qū)分，基于監(jiān)督分類方法的最大似然比分類法分類原理［11］，利用固定沙丘、半固定沙丘、基巖丘陵、河流漫灘與階地、風積沙漠5個地貌類型在ETM圖像上所展現(xiàn)的不同色調、紋理等信息，成功區(qū)分此類地物，分類精度達到93%。

4.2 活動斷裂遙感解譯

區(qū)內以緩慢的上升運動為主，褶皺、斷裂構造十分微弱，地面高差相對較小，主要構造形跡為節(jié)理裂隙、基巖呈向西傾斜、傾角平緩的單斜構造。地表和埋藏一定深度的斷裂，由于力學性質，活動特征和伸展形態(tài)及其相關的兩側自然景觀的不同，其反射太陽電磁波譜的能量就存在差異，從而構成其特有的線性特征［12］，在充分分析研究區(qū)內線性影像特征的基礎上，判釋節(jié)理裂隙11條（圖3）。

4.3 采煤塌陷區(qū)遙感解譯

研究區(qū)地貌類型為高平原、沙丘、丘陵等地貌，地表巖性單一，區(qū)內不具備崩塌滑坡泥石流等地質災害形成條件，區(qū)內為煤礦區(qū)，針對這個問題，采用了目前已經(jīng)成功用于滑坡、地震變形、火山活動以及由于開采石油、煤、地下水等人類活動所引起的地表沉降等問題的D－InSAR技術［13－14］，開展了采煤塌陷區(qū)的排查。

本次研究采用的二軌法D－InSAR技術。二軌法工作原理是采用工作區(qū)地表變化前后的兩幅Radarsat－2圖像生成干涉條紋圖ψd，再利用事先獲取的DEM數(shù)據(jù)模擬地形相位圖ψsim，從干涉條紋圖中消除地形信息就得到地表的形變信息ΔR（公式1），數(shù)據(jù)差分干涉處理流程如圖1所示。

圖1 二軌法D－InSAR數(shù)據(jù)處理流程

采用2010年10月18日獲取的雷達影像作為主影像，選擇2010年12月29日獲取的雷達影像為從影像，配準方法選擇強度互相干算法，所獲取的2期雷達衛(wèi)星影像質量很好，配準誤差平均小于0.2個像元，將配準好的影像進行干涉處理，生成干涉圖；采用DEM數(shù)據(jù)模擬地形相位；將模擬結果與干涉結果進行差分，去除地形引起的相位；繼而進行相位解纏，將相位由主值或相位差值恢復為真實值，在此過程中，為去除相位噪聲、干涉相位的不連續(xù)造成的影響，進行了自適應濾波處理，最后生成監(jiān)測區(qū)的地表形變圖，見圖2。由圖2可以看出，在研究區(qū)內存在10處典型的采煤塌陷區(qū)?？紤]到CO2地質儲存工程的安全性，在今后進行CO2選址時應避開采煤塌陷地段。

圖2 工作區(qū)地表形變D－InSAR監(jiān)測結果

4.4 土地利用程度遙感解譯

研究內90%以上的土地為裸地或人工林，且人口稀少，在烏蘭木倫河谷有鐵路、與煤炭有關的經(jīng)營活動以及部分農(nóng)田，總體上，利于CO2地質儲存（圖3）。

圖3 示范區(qū)遙感綜合解譯圖

4.5 其他要素信息提取

地勢及地形坡度通過利用研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)，利用GIS的三維空間分析模塊，將其量化為表1的相應指標。

圖4 CO2地質儲存工程場地選址結果

5 CO2地質儲存工程場地適宜性評價

基于以上遙感解譯結果，基于GIS的重分類模塊，將其轉變?yōu)樵u價指標，利用GIS空間分析模塊，基于CO2地質儲存工程場地選址指標體系，進行指標疊加分析，進而得到研究CO2地質儲存灌注場地適宜性評價結果圖（圖4），在適宜性評價結果圖上人工圈劃出8處適宜開展CO2地質儲存工程的場地范圍。

6 結束語

本次研究通過建立CO2地質儲存工程場地選址指標體系，利用遙感技術解譯相關指標，采用GIS的空間分析模塊生成CO2地質儲存工程場地適宜性區(qū)劃，在此基礎上圈定工程建設選址靶區(qū)。其中，我國第一個煤基全流程深部咸水層儲存工程——神華集團CO2捕獲與儲存示范工程［15］，就建設在評價等級為適宜的一處區(qū)域，該工程2010年底建設安全運行至今。實踐證明，利用遙感和GIS相結合，能夠從安全性和經(jīng)濟性角度為CO2地質儲存工程選址提供很好的參考。

鑒于我國CO2地質儲存研究處于起步階段，工程選址指標體系在今后的研究與實踐過程中有待進一步改進和完善。

［1］ 谷麗冰，李治平，侯秀林.二氧化碳地質埋存研究進展［J］.地質科技情報，2008，27（4）：80－81.

［2］ 孫亮，陳文穎.CO2地質封存選址標準研究［J］.生態(tài)經(jīng)濟，2012，（7）：33－34.

［3］ 葛秀珍，崔秀凌，范基姣.CO2地質儲存研究現(xiàn)狀與啟示［J］.中國人口·資源與環(huán)境，2012，22（11）：66－67.

［4］ ZHANG H T，WEN D G，LI Y L，et al.Conditions for CO2geological sequestration in China and some suggestions［J］.Geological Bulletin of China，2005，24（12）：1107－1110.

［5］ 郭建強，張森琦，刁玉杰，等.深部咸水層CO2地質儲存工程場地選址技術方法［J］.吉林大學學報（地球科學版），41（40）：1084－1087.

［6］ 張森琦，郭建強，刁玉杰，等.規(guī)?；畈肯趟畬覥O2地質儲存選址方法研究［J］.中國地質，38（6）：1640－1643.

［7］ GE L，XIAN S，KUN F，et al.Interactive geospatial object extraction in high resolution remote sensing images using shape－based global minimization active contour model［J］.Pattern Recognition Letters，2013，34（10）：1186－1195.

［8］ ALEKSANDAR R，ILIJA C，DJORDJE L.GIS based multi－criteria analysis for industrial site selection［J］.Procedia Engineering，2014，69：1054－1063.

［9］ 郭建強，范基姣，賈小豐，等.全國二氧化碳地質儲存潛力與適宜性評價［R］.中國地質調查局地質調查項目，2012：174－183.

［10］ 李天福，王福剛.二氧化碳地質儲存的機理與數(shù)值模擬研究［R］.中國地質調查局地質調查項目，2012：339－357.

［11］ 張曉娟，楊英健，蓋利亞，等.基于CART決策樹與最大似然比法的植被分類方法研究［J］.遙感信息，2010，25（2）：88－90.

［12］ 卓寶熙.工程地質遙感判釋與應用［M］.北京：中國鐵道出版社，2002.

［13］ BERARDINO P，F(xiàn)ORNARO G，LANARI R，et al.A new algorithm for surface deformation monitoring based on small baseline differential SAR interferograms［J］.Remote Sens，2002，40：2375－2383.

［14］ YAN Y，DOIN M P，LOPEZ－QUIROZ P，et al.Mexico city subsidence measured by InSAR time series：Joint analysis using PS and SBAS approaches［J］.Remote Sens，2012，5：1312－1326.

［15］ 李旭峰，張曉娟，刁玉杰，等.二氧化碳地質儲存示范工程［R］.中國地質調查局地質調查項目，2013，7：266－269.

Site Selection of CO2Geology Storage Based on Remote Sensing and GIS Technique

ZHANG Xiao－juan，LI Xu－feng，ZHANG Yang

（Center for Hydrogeology and Environmental Geology Survey，CGS，Baoding071051）

The carbon dioxide geological storage is one of the best methods to reduce carbon emission and alleviate the greenhouse effect.It is very important to choose the site of carbon dioxide storage.Therefore，this paper built the site selection index system of carbon dioxide geology project，generated the base data of evaluation by remote sensing technology，set up the suitability evaluation for carbon dioxide geology project site based on the spatial weighted stack analysis method，and obtained suitability zoning maps.The first carbon dioxide storage project in deep saline water layer has been built in the area which was evaluated as suitable region by this research，and it is running well to this day.This technology can provide a good reference for carbon dioxide project site selection at both sides of safety and economy in future.

carbon dioxide geology storage；site selection index；GIS spatial analysis；remote sensing interpretation；D－InSAR technology

10.3969／j.issn.1000－3177.2015.04.021

P66

A

1000－3177（2015）140－0121－04

2014－05－20

2014－10－13

中國地質調查局地質調查項目（1212011087128、1212011087127）。

張曉娟（1981—），女，高級工程師，研究方向為3S技術在二氧化碳地質儲存領域的應用與研究。

E－mail：zxj＿3004＠sina.com