作为政策基础的科学:以水力压裂为例

太阳能、风能、智能电网和储能经常是当前能源创新的主要话题。然而，这些技术都没有使美国的能源格局达到大规模水力压裂(fracking)的程度。这种能源提取过程正在从全国各地的地下储层中释放以前无法获得的原油和天然气。由于水力压裂技术，美国国内40年的原油产量下降趋势出现逆转，2018年美国的原油产量超过以往任何时候。天然气产量也同样飙升，由于新发现的过剩，美国即将成为天然气净出口国，这在其历史上尚属首次。对许多人来说，这种创纪录的石油和天然气生产速度并没有什么值得庆祝的，因为它反映了人们对导致地球变暖的化石燃料的持续依赖，而现在有更清洁、无碳的替代品来为我们的家庭照明、为我们的工业提供动力和为我们的汽车提供燃料。然而，水力压裂技术使石油和天然气储量丰富且价格低廉，即使向可再生能源过渡的基础设施和政治障碍被消除，这些能源也难以抗拒。不管你喜不喜欢，在可预见的未来，我们可能会被石油和天然气以及生产它们的技术所困。

公众对水力压裂的看法是由两方面的争议决定的。一方面，水力压裂行业淡化了水力压裂的风险，另一方面，公民声称水力压裂及其相关活动污染了空气、污染了饮用水，并破坏了景观。

公众对水力压裂的看法是由两方面的争议决定的。一方面，水力压裂行业淡化了水力压裂的风险，另一方面，公民声称水力压裂及其相关活动污染了空气、污染了饮用水，并破坏了景观。这种紧张关系在十多年前的宾夕法尼亚州尤其明显，当时水力压裂法被推上了全国的舞台。视频显示，房主们点燃了含有甲烷的自来水，抗议的市民们拿着绿色井水罐，可能是附近的水力压裂作业污染了井水。工业界反驳说，污染发生在水力压裂作业开始之前，他们对此不负责任。支持水力压裂法的社区的人们很害怕，希望专家们能理解这个问题。虽然专家很容易找到，但事实、数据和明确的答案缺乏。水力压裂和配套技术的应用已经远远超过了阐明其对水质的潜在影响所需的科学。

如今，十多年过去了，人们对水力压裂的担忧仍在酝酿之中，但已不再是媒体频繁报道的主题。为什么水力压裂法从全国范围内消失了?是一些人预言的环境破坏没有实现，还是社区只是简单地适应了这种做法带来的破坏和风险?新科学是否带来了决策和政策，消除了人们在水力压裂热潮早期阶段遇到的脆弱性?通过借鉴宾夕法尼亚州的经验，我对这些问题进行了探讨，并利用这些经验教训制定了一种基于科学的方法来管理水力压裂活动，因为它们将继续发展到21世纪。

宾夕法尼亚州的经历:好的、坏的和不愉快的

页岩天然气繁荣振兴了许多宾夕法尼亚州的小城镇，这些小城镇长期以来一直遭受萎缩的预算和服务，消失的工作和流亡人口。不过，不是每个人都很开心。居民对流量咆哮的人们感到沮丧，这是拖着淡水和废物往返钻井场地的缓慢移动卡车的浪涌引起的，而靠近钻井场地的人对噪音，明亮的灯光和灰尘毫无准备。安装在居民之间的紧张局势，持有有利可图的天然气租赁，而被迫忍受天然气发展不便，而不会受益于金融意外收获。公众越来越越来越关心它的水。

水力压裂是一种饥渴的技术。在任何地方，从400万到800万加仑的水被喷射到地下，以水力压裂一个水平气井。在宾夕法尼亚州，大部分的水是从河流和小溪中抽取的，这导致人们担心这些水道——尤其是流量较小的小溪——可能会被抽干，以支持水力压裂。幸运的是，宾夕法尼亚州环境保护局和州际流域委员会已经制定了保护河流不被过度取水的规定。根据独立的科学评论，这些规定似乎正在实现它们的目的。

尽管用于水力压裂的取水并没有给宾夕法尼亚的溪流和河流带来过度的压力，但当工业试图将这些用过的水放回去时，问题就出现了。在压裂作业中，10%到80%的注入水会迅速从井中返出，因此，在整个作业周期内，油井将继续以较慢的速度产水。这种废水含盐量非常高，通常比海水含盐量高3到5倍，可能含有自然产生的放射性物质，如镭，以及各种碳氢化合物。特别是在马塞勒斯页岩开发的早期阶段，大部分废水从钻井现场用卡车运来，经废水处理设施处理后排放到溪流和河流中。

处理厂没有配备处理这些含盐废水的设备。问题始于2008年，当时对宾夕法尼亚州西南部莫农加海拉河的监测显示，这条河的盐度越来越高，溴化物的含量也越来越高，溴化物是致癌的溴化消毒副产物(Br-DBPs)形成的前体。这一发现令人震惊。莫农加希拉河为十几个为100万人口服务的饮用水工厂提供了水源。当时，有几家工厂报告称，它们的成品水中Br-DBPs含量很高。这个问题超出了莫农加希拉山脉，并且持续存在。两年后，匹兹堡水和下水道管理局观察到，在分配系统的饮用水中Br-DBPs急剧增加，这与溴化物水平上升有关，这是由于部分处理的马塞勒斯页岩卤水排放到阿勒格尼河及其支流。

通过在环境中不受控制的释放释放的释放物，钻井液和废水进入环境中，对故意排出的恐惧症的恐惧被复合。流动线，储存坑和储罐泄漏是钻井场所不受控制的释放的最常见原因。货运事故和非法倾销导致了散发液和废水的异地释放。近1,300次溢出，释放超过一百万加仑的各种液体，向宾夕法尼亚州的环境保护部门报告到2005年至2014年期间。来自法医分析的证据，虽然不是明确的，但其中一些溢出物中的污染物被浸出地下水挖掘住宅饮用水供水。此外，一小部分无意的释放导致废水和液压压裂解决方案传递到流中。

石油泄漏和河流盐碱化引发了监管机构和公众的焦虑，但地下发生的事情要戏剧性得多，比其他任何问题都更激起了人们对水力压裂的反感。在位于宾夕法尼亚州北部无尽山脉的小镇迪莫克，人们在18户家庭的废水处理井中发现了危险的高含量甲烷。甲烷是从马塞勒斯页岩中抽取的天然气的主要成分。房主指责附近的天然气井是由卡伯特石油和天然气公司钻探和水力压裂的。甲烷对家庭供暖和发电非常有利，但它在饮用水中的存在没有任何好处。虽然甲烷无毒，但它是可燃的，它的气体逸出到封闭的空气空间，在水井顶部可以导致爆炸。迪莫克居民诺玛·菲奥伦蒂诺(Norma Fiorentino)在2009年她的水井爆炸时亲身经历了这种现象。幸运的是，她的供水系统是唯一的受害者。当地和全国的媒体广泛报道了这场灾难。卡伯特石油天然气公司最终与18名房主达成了和解，但作为和解条款的一部分，他们不需要承认对污染负有责任。

迪莫克事件后发表的第一项科学研究受到了相当大的关注，甚至进入了公众讨论。通过利用化学指纹技术，科学家们将Dimock附近地区收集的60个地下水样本中的甲烷来源归因于工业活动。其他科学家则反驳道，他们用数据证明，早在水力压裂技术出现之前，甲烷就已经在宾夕法尼亚州北部的淡水含水层中自然地无处不在地存在了。这两组结论并不相互排斥。地下水中有天然的甲烷来源，这并没有让工业摆脱困境。甲烷对地下水的污染已被明确地追溯至页岩气的开发。宾夕法尼亚州最近的一项环境记录分析显示，2004年至2015年间，在马塞勒斯页岩钻探的39口井允许甲烷运移，影响了108个饮用水供应。但是，与普遍的看法相反，水力压裂过程本身并不是罪魁祸首。相反，薄弱环节是建造不良和密封的气井，这使得天然气——无论是来自马塞勒斯页岩还是来自上覆的基岩地层——沿着气井外部向上渗透，进入可作为饮用水的地下水含水层。

宾夕法尼亚州的监管回应

页岩气蓬勃发展之初遇到的问题，并不像批评人士和媒体有时所描述的那样，是完全缺乏监管造成的。宾夕法尼亚不是一个蛮荒的西部，在那里，水力压裂公司随意经营，化石燃料生产在缺乏环境保护的情况下不受限制。事实上，该州的监管框架是建立在一个多世纪的传统油气开采经验之上的，在此期间，在马塞勒斯页岩上下的含油气地层中钻了数十万口井。而且，尽管有害因素确实存在，但大多数天然气生产商并没有对环境漠不关心，而是制定了旨在保护地表水和地下水的做法。然而，无论是国家还是行业，都没有充分准备好应对水力压裂技术迅速扩散所带来的新的管理挑战。

随着人们对水力压裂相关影响认识的提高，监管界的反应是加强旨在保护淡水和人类健康的政策。为了解决地表水盐度上升的问题，该州禁止将马塞勒斯公司的废水运往市政处理厂，除非这些废水经过新的、更严格的标准预处理。储存和包含废水、钻井液和压裂解决方案的法规也得到了更新，以降低钻井现场不可控排放的可能性。该州还发布了新的油井建设规则，旨在减少甲烷泄漏和运移的发生率。此外，该州增加了气井与供水的保护后退距离，建立了对压裂化学品的披露要求，并扩大了运营商对饮用水污染的责任推定。

这些监管上的改进并没有让宾夕法尼亚州变得明朗。石油和天然气活动对私人供水的影响频率已经下降，但仍顽固地保持在零以上。在监管加强后的五年里，美国环境保护部(Department of Environmental Protection)记录了132起由页岩气开采引起的供水污染新案例。这个数字可能低估了问题的真实程度，因为工业和供水受损的房主之间达成的和解协议不需要披露。随着气井、管道和配套基础设施的老化，以及行业实践的发展，以最小化成本和最大化化石燃料回收，淡水质量和供应可能会面临新的威胁。

宾夕法尼亚州的经验表明，只要化石燃料继续从地下开采出来，保护淡水资源不受水力压裂的挑战就会以这样或那样的形式持续存在。要应对这一挑战，至少在一定程度上要依靠管理和政策方法，更好地在决策中利用数据和科学。

智能管理需要良好的测量和完善的科学

不确定性仍然存在。如果我们要改进非传统石油和天然气发展的管理，必须承认真相。最多，尽管也许不是全部，但已经确定了对淡水资源的主要风险已经确定。然而，这些风险已经违规了。此外，旨在防止已知污染原因的政策和实践的有效性尚未得到彻底证明。这些缺点不仅仅是宾夕法尼亚州问题。他们扰乱了现在液压压裂的10个其他国家的其他国家。所谓的专家意见没有对这种困境的补救措施。

在这种不确定性中，管理应该适应。自适应管理不是新的。也不是IT试验和错误。相反，自适应管理是一种科学，数据驱动的学习方式。它是一个迭代过程，通过识别可能解决规定问题的行动或管理干预，然后监测这些干预措施的结果，然后进行调整以解决其任何不足之处的调整。根据需要重复的过程，建立了解并导致持续改进。这种自适应框架可以解决众多的管理目标，包括通过气井钻井降低地下水污染的风险，从而最大限度地减少了从完成的井的流动气体迁移，并限制了井场施工期间流的沉积物径流。

适应性管理的成功依赖于利益相关者的参与。工业界必须与管理人员，特别是来自环境团体的科学家合作来执行它。这种合作的历史记录不是特别好，但有令人鼓舞的迹象和合理的理由让我们抱有希望。

我们可以一起工作吗？

“油和水不能混合”这句谚语抓住了化石燃料工业与隶属于大学和其他研究机构的环境科学家之间的关系。这两个群体之间互动的性质通常从漠视到敌对不等。根据他们的工作描述，环境科学家一直关注非常规油气开发对水和空气质量的影响，研究表明，负面影响得到了最大的关注，但业界却对此不屑一顾。工业界对水质影响的研究做出了回应，试图抹黑这些研究，招致批评说他们更多地是在掩盖问题而不是解决问题。这种敌对关系同样伤害了工业和环境科学家。由于不合作，环境科学家无法获得监测点、操作信息和其他可以加强研究的行业数据。工业界也错失了机会，放弃了与环境科学家合作解决问题的机会，也放弃了就科学家的解释进行建设性对话的机会。每个群体都倾向于留在自己的“竖井”中，这导致了不信任，导致了僵局和分歧，从而可能使决策和更好的环境管理进程陷入瘫痪。

与产业界的合作安排，使科学评估水力压裂的影响，虽然很少，已经形成。例如，一些公司联合大学(主要由环境保护基金协调)对石油和天然气生产过程中的大气甲烷排放进行评估。在淡水方面，耶鲁大学的研究人员利用与工业界的合作，探索宾夕法尼亚州页岩气开发对地下水的潜在影响。耶鲁大学与西南能源公司签署的正式协议为其研究人员提供了Marcellus地区气井项目的时间表和位置。有了这些信息，耶鲁大学的研究人员在气井附近安装了地下水监测井，并在几口气井钻探、水力压裂并投产的两年中测量了水质的变化。

展望未来,一起

耶鲁大学/西南能源公司的研究是一个概念的证明，证明了对水力压裂相关活动的淡水影响进行协作和科学分析是可行的。但这项研究本身是不够的。它是一个模板，必须被不同地区的不同生产公司复制，并共同采用各种实践和方法。

这一科学的协调是至关重要的，这样不同研究的结果就可以进行比较，适应性管理可以进行，知识可以与决策者进行交流。一个咨询委员会——由东道国环境保护部门(或同等部门)的代表担任主席，由行业成员以及来自大学和环境组织的合格科学家组成——可以管理这一过程。

当环境政策建立在严谨的科学、严格分析的数据和坚实的事实之上时，而不必担心会惹恼利益相关方或推翻普遍的智慧，创新的解决方案往往就会出现。

当然，有人必须为这项科学支付。耶鲁/西南能源研究成本超过500,000美元，这似乎似乎昂贵但不到四分之一的费用，使一个Marcellus融入生产。中型和主要生产公司可能会选择支付这些研究，认识到这项投资有助于在当地社区内建立信任，并为基于科学的监管做出贡献，这可能对他们不那么负担。或者，或另外，州石油和天然气提取的税收可以支付科学费用。考虑到宾夕法尼亚州2018年天然气影响费的1％只会支付八项研究的第一年，类似于耶鲁和西南能源所进行的八项研究。

更多的科学是至关重要的，但光靠科学是不够的，既不能保证使用水力压裂技术的地区有清洁的饮用水，也不能决定非常规油气开发应该如何以及在哪里进行。决策机构必须倾听新科学的声音，对新科学做出反应。决策者还必须提供资源，以确保政策在发展过程中得到充分执行。我们必须对水力压裂的成本和收益做出一个真实的核算，反映出我们最好的知识。尽管科学只是解决方案的一部分，但在非常规油气开发管理中，科学的适当作用是为决策者提供可靠的环境影响信息和解决环境影响的创新方法，从而起到带头作用。当环境政策建立在严谨的科学、严格分析的数据和坚实的事实之上时，而不必担心会惹恼利益相关方或推翻普遍的智慧，创新的解决方案往往就会出现。

这是一篇由詹姆斯·摩尔庄园在这本书中，一个更好的星球：可持续未来的40个大想法赛尔斯是耶鲁大学环境学院的克利夫顿·r·马塞尔水文学教授。