夏 军(1954-)，男，湖北广水人，武汉大学教授，博士研究生导师，工学博士，中国科学院院士，

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0 引 言

水与能源关系是国际研究热点。页岩气开发为解决国家能源问题开辟了新的途径，但是其开发需要大量水资源，且由此引起的区域水资源系统及生态系统的可能影响是国内外关注的热点问题[1-2]。中国既是一个能源缺乏，也是一个水资源缺乏的国家，水资源安全和能源安全息息相关。能源具有可替代性，高新科技的发展促使能源转型，而水资源不具有可代替性，能源结构的调整可能受限于水资源。在全球能源格局演变形式下，非常规能源——页岩气有望成为新的天然气能源。与此同时，区域尺度的水资源系统也发生着变化。另外，由于发展中国家生态环境保护意识不健全，生态环境脆弱性加剧。中国西南地区在气候变化背景趋势下，水资源系统有趋向干旱趋势[3]。同时，伴随着社会经济的发展，人类生产、生活活动与能源-水资源系统的关系日益密切。因此，开展四川盆地南部(简称“川南”)页岩气井区能源开采与区域生态环境关系的研究，对于认识区域水资源系统和能源开采承载关系，规避由于非常规能源开采变化而引发的灾害、生态破坏，以及保护生态环境的可持续发展、维护人与自然的和谐相处意义重大。

1研究意义与背景

1.1 页岩气开发对支撑国家能源战略发展具有重要意义

能源是一个国家发展的驱动力，是民生最基本的需求。中国是一个缺乏石油和天然气的国家，可能面临气候变化和相对能源短缺的严峻挑战。作为全球最大的煤炭消费国、第二大石油消费国和第四大天然气消费国[4]，煤炭一直是中国能源消耗的主要燃料(图1)。近年来，随着环境保护政策推动及低碳经济的驱使，中国正在努力将其以煤为主的能源系统转变为清洁可持续的能源系统，以缓解不断增加的环境压力。尽管近年来全球能源市场出现了显著的疲软趋势，但中国的能源消费仍将持续增加，预计到2040年中国能源消费将占全球能源消费总量的22%[6]。

数据来源于文献[5]图1 中国1978～2017年能源消费总量及构成Fig.1 Energy Consumption and Composition from1978 to 2017 in China

页岩气是从页岩层中开采出来的天然气，是近几十年来新兴的非常规能源，具有储量丰富、温室气体排放低和空气污染小等特征[7]。2016年，美国能源信息署(EIA)世界能源初步评估结果显示全球页岩气储量约为214.56×1012m3，中国页岩气储量(31.57×1012m3)位于世界页岩气储量首位[7]。随着水平钻井和水力压裂技术的进步，美国页岩油气能源革命使其国际能源地位发生了改变，也直接影响了国际能源局势。2012年1月5日，中国国土资源部已发布文件将页岩气列为独立矿种[8]；2016年9月30日，国家能源局印发的《页岩气发展规划(2016～2020年)》提出2020年力争实现页岩气产量达到300×108m3，2030年页岩气产量达到(800～1 000)×108m3[9]。

1.2水资源在能源发展中的重要地位

水资源是一种稀缺的、不可替代的资源，是生命100%的生存必需品，特别是未受到污染的淡水资源。水资源分布的不均匀性导致水资源的短缺呈现很明显的局部性特征。根据不同的用途，水资源具有不同的使用方式，而且各种使用方式之间是具有竞争性的。目前全球的水资源70%以上主要是用于农业生产，因此，缺水问题极有可能在造成干渴之前首先转变为饥饿，到2025年将可能存在50%的世界人口生活在缺水区域[10]。

2014年，联合国发布《世界水资源发展报告2014:水与能源》，正式将能源发展与水资源承载能力联系起来，并号召世界各国政府在制定能源发展政策时要考虑到水资源承载能力。中国水资源时空分布不均匀，南多北少，差距悬殊，且能源分布与缺水地区高度吻合。页岩气资源储量丰富区域(四川盆地和塔里木盆地)水资源状况或季节性明显，或总量短缺严重。供水可能成为页岩气井生产的障碍，特别是在干旱半干旱地区和季节性缺水地区[1]。

1.3页岩气开发影响水资源综合利用

页岩气能源的大规模开发，水力压裂和水平井等关键技术被广泛地应用到页岩层开采过程中，导致的环境问题主要包括淡水资源消耗[2]、区域供给压力增加[11]、地表水和地下水污染[12]等。

目前页岩气井生产用水主要是淡水。根据美国能源部统计，Marcellus页岩气田每口钻井平均用水量为1.480×104m3[13]，Barnett页岩气田每口钻井用水量为1.893×104m3[14](表1)。水资源在页岩气井生命周期的各个阶段均发挥着重要作用，包括页岩气井的钻探和投产阶段。水力压裂过程中水循环主要包括5个过程：①水源地取水；②化合物混合；③注井；④产出水收集；⑤污废水处理及回收利用(图2)。页岩气井的钻探周期较短(24 h作业，一个水平井需4～5周，再加3～5 d的水力压裂处理)，钻探期间需要消耗大量的当地地表水或地下水等水资源，极有可能影响当地生产、生活及生态用水。