浅水区海底碳封存化学监测技术：基于羽流扩散模型与pH异常检测的监测策略优化

为解决浅水区海底碳封存(CCS)监测中CO2泄漏检测受自然变异干扰的难题，澳大利亚研究团队创新性地结合基线监测数据与二维拉格朗日羽流扩散模型，提出以pH变化≥0.01为阈值、4 hr-1采样频率的优化监测方案。该研究首次量化了5-50 t CO2d-1泄漏率下影响区域的长宽比(5:1)，为近岸CCS项目提供了关键设计参数，成果发表于《International Journal of Greenhouse Gas Control》。

　　

在全球积极推进碳中和的背景下，海底碳封存(CCS)技术被视为缓解气候变化的重要方案。然而，封存CO₂的潜在泄漏风险始终是公众关注的焦点，特别是在生态敏感的浅海区域。传统监测方法面临两大挑战：一是海水CO₂浓度存在显著自然波动，二是泄漏的CO₂会快速稀释，使得微小泄漏难以识别。更棘手的是，不同海域的水动力条件和生态环境差异巨大，现有监测标准难以普适。

针对这一科学难题，澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)领衔的研究团队选择维多利亚州吉普斯兰盆地20米浅水区为研究对象，该区域正规划建设Pelican海底封存设施。研究人员创新性地将现场观测与数值模拟相结合：通过锚系浮标CCS_OA_08和Saildrone无人船获取长达半年的pH、fCO₂、温度、盐度基线数据；同时开发二维拉格朗日羽流模型，模拟5-50 t CO₂d^-1泄漏情景下溶解CO₂的扩散规律。关键技术包括：(1)采用CO2SYS程序计算溶解无机碳(DIC)与碱度；(2)构建25米分辨率的400 km²网格模型，每小时释放160个示踪粒子；(3)基于现场ADCP流速数据驱动模型；(4)设置0.01-0.02 pH单位的多级检测阈值。

【异常检测】研究发现，在反向潮汐流作用下，泄漏CO₂会形成碎片化羽流，产生显著高于背景值的瞬时浓度波动。通过分析pH时间序列的一阶差分，确定4 hr^-1采样频率可有效识别≥0.01 pH变化（图6）。例如15 t CO₂d^-1泄漏时，距源850米处固定传感器可记录到12次超过该阈值的事件（表1）。

【传感器覆盖】羽流影响区呈显著各向异性，长宽比达5:1（图8）。60天持续泄漏后，10 t CO₂d^-1的泄漏可使0.5 km²区域pH降低≥0.01，沿岸检测距离达450米，而垂直岸线方向仅90米（图9）。研究首次量化了流速与影响区域的负相关关系：30 t CO₂d^-1泄漏时，平均流速每增加0.1 m/s，影响面积缩小15%（图10）。

【环境风险】基于0.1 pH变化的环境影响阈值，模型预测45 t CO₂d^-1泄漏的生态影响范围仅625 m²，显著小于此前预期。这为CCS项目的环境风险评估提供了定量依据。

该研究的创新价值在于突破了传统生态系统模型的局限，通过分离背景变异与泄漏信号，建立了适用于浅水区的快速评估框架。提出的"高频采样+梯度分析"策略，相比绝对浓度监测更适应动态海洋环境。研究揭示的羽流形态各向异性特征，为优化传感器布设提供了理论依据——在吉普斯兰这类沿岸流主导区域，跨岸方向的传感器间距应控制在90米以内。这些成果不仅直接支持澳大利亚CarbonNet项目的监测设计，也为全球近岸CCS监测提供了可借鉴的方法论。值得注意的是，虽然模型预测的环境影响范围较小，但作者强调这高度依赖本地水文条件，不同海域需重新参数化。未来研究可结合三维模型与生物地球化学过程，进一步提升预测精度。