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水力压裂对环境的影响

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水力压裂
Shale gas drilling rig near Alvarado, Texas
Shale gas drilling rig near Alvarado, Texas
靠近阿尔瓦拉多（德克萨斯州）（英语：Alvarado, Texas）的页岩气钻机。
国家（英语：Fracking by country）
环境影响（英语：Environmental impact of fracking）
法规（英语：Regulation of fracking）
工艺
政治

水力压裂对环境的影响（英语：Environmental impact of fracking）涉及的方面有土地利用、水资源耗用、空气排放（包括甲烷排放（英语：methane emssions））、卤水和压裂液泄漏、水污染、噪音污染以及健康问题。水力压裂对人类健康的最大风险是其产生的水和空气污染。[1]研究工作已确定水力压裂会对人类健康产生负面影响，并推动气候变化。[2][3][4]

压裂液中含有支撑剂（英语：fracking proppants）和添加剂（英语：List of additives used for fracking），尤其是后者，包括有已知的有毒化学物质，以及未知，但可能有毒的物质。[5]而在美国，此类添加剂又被使用的公司视为商业秘密而不予披露。缺乏对此类化学品的了解，让制定风险管理政策和研究其对健康影响的工作变得复杂。[6][7]此类化学品在其他司法管辖区（例如英国）必须公开，并不得在应用时产生危害。[8]

由于水力压裂需要大量用水，在缺水地区会造成问题。在允许水力压裂作业的地区，地表水可能会因有关液体溢出，以及建造和维护不当的废弃物坑而造成污染。[9]此外，如果压裂液和地层液在压裂过程中逸出，地下水也会受到污染。由于压裂作业的地层远低于地下水层，压裂液向上运移而造成地下水污染的可能性甚微，即使是经历长期也是如此。[10][11]采出水（英语：produced water）（回流或是钻孔产生的流体，其中含有如矿物质和盐的溶解物）可透过注入不透水的地下层、利用市政和商业废水处理和排放，以及油井或油田的自给式系统循环处理，作未来压裂之用。[12]甲烷有可能会泄漏到地下水和空气中​​，欧盟国家的旧井与依据最近的欧盟立法规定所钻取的油气井相比，会逸出更多的甲烷，是个大问题。[13]

水力压裂会导致人工地震（称为微地震（英语：Microquake））发生。这类的震级太小（通常为M-3到M-1，或写为Mw-3到Mw-1），无法在地表检测到。然而可比拟的流体处理井（在美国经常用于处理几个行业的污染废弃物）已在俄克拉荷马州和其他州造成高达560万次的地震。[14]

目前世界各国政府（夹在来自相关产业，以及来自反水力压裂团体的压力之间）正在制定监管框架，来评估和管理水力压裂对环境和健康产生的风险。[15][16]:3–7 一些国家如法国，采取的是预防原则，禁止水力压裂。[17][18]英国的监管框架则认为如果遵照有效法规，并采最佳实践的做法，可将与水力压裂相关的风险控制住。[15]一些针对此做过综合分析的学者建议，为避免水力压裂造成进一步的负面影响，业者必须更加遵守法规和安全程序。 [19][20][21]

气体排放

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在2012年有份为欧盟制作，关于水力压裂潜在风险的报告。说明风险“来自钻井时的甲烷排放、柴油烟雾和其他有害污染物、臭氧前体或从水力压裂设备（如压缩机、泵和阀门）产生的气味” 。溶解在返排水中的气体和水力压裂液也会产生气体排放的风险。[13]有项针对新开发的压裂气井做过为期一年的研究，每周测量各种空气污染物，并检测到非甲烷的烃（碳氢化合物）、二氯甲烷（一种有毒溶剂）和多环芳香烃。这些污染物已被证明会影响胎儿的发育。[22]

水力压裂影响到空气质量，继而对急性和慢性呼吸系统疾病（包括哮喘（由空气中的颗粒物、臭氧以及钻井和运输设备排出的尾气引起）和慢性阻塞性肺病的恶化造成影响。例如位于玛西勒斯地层（英语：Marcellus Formation）的社区中哮喘发病率较高，儿童、经常在户外活动的年轻人和老年人尤其容易受到伤害。美国职业安全与健康局（英语：Occupational Safety and Health Administration）（OSHA）还提出对在水力压裂现场工作人员，因接触空气中二氧化硅，对呼吸系统产生长期影响的担忧。矽肺可能与全身性自体免疫的发生有关联。[23]

“在英国，所有石油和天然气生产者都必须尽量减少气体排放，然后方可取得能源和气候变化部（英语：Department of Energy and Climate Change） (DECC) 的开采许可。天然气只能在紧急的情况下才排放。”[24]

此外，如果使用卡车运输水力压裂用水，也会造成气体排放。[25]采用管道供水可降低卡车运水的需求。[26]

宾夕法尼亚州环境保护部（英语：Pennsylvania Department of Environmental Protection）所发布的一份报告，显示石油和天然气作业而导致的辐射暴露可能性很小。[27]

空气污染是在水力压裂井现场工作者须特别注意的问题，因为存放回流的容器和露天水坑的化学排放物会与钻井四周复合空气浓度相结合。[23]水力压裂作业中使用的化学物质中有37%具有挥发性，会经空气传播。[23]

田纳西大学诺克斯维尔分校土木与环境工程系的研究人员Chen和Carter使用大气扩散模式 (AERMOD) 来估计距离排放源5英里至180英里半径之内地区的潜在排放暴露浓度。[28]研究团队检查60,644口水力压裂井的排放，发现“结果显示，不同钻井使用的化学物中，对工人潜在吸入单位风险（inhalation unit risks (IUR)），在急性非癌症、慢性非癌症、急性癌症和慢性癌症分别为12.41%、0.11%、7.53%和5.80%。急性和慢性癌症风险主要来自20英里半径内的化学品容器的排放。” [28]

气候变化

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水力压裂是气候变化的驱动因素。[4][29]然而经由水力压裂开采的天然气是否比传统气井生产的会导致更高的气体排放，是个有争议的问题。一些研究发现，在完井压裂过程中有甲烷会随压裂液一起返回地表，水力压裂造成的排放量因此会更高。根据不同的压裂处理，从开采到燃烧过程的排放量会比开采传统天然气高出3.5%–12%。[30]

特别是康乃尔大学教授Robert W. Howarth发表一篇研究报告，声称发现页岩气对全球变暖的影响比石油或是煤炭要严重得多，而引起一场争论。[31]其他研究人员对Howarth的分析提出批评，[32][33]批评者中包括Cathles等研究人员，他们对于页岩气造成污染的估计数字要低得多。[34]一份在2012年由业界资助所出版的报告，撰写者包含美国能源部所属的国家可再生能源实验室的研究人员，称燃烧页岩气用来发电时，排放量与所谓的“常规井”天然气排放量“非常相似”，低于燃烧煤炭排放量的一半。[12]

几项关于天然气开发和生产生命周期中估计甲烷泄漏的研究，所测得的泄漏率有甚大的差距。[35][36][37]根据美国国家环境保护局（EPA）的温室气体排放数据，甲烷泄漏率约为1.4%。[38]而由非营利环境倡导机构环境保护基金（英语：Environmental Defense Fund）所发起在16处不同地点对天然气生产中甲烷泄漏的评估,[39]发现天然气生产过程关键阶段的泄漏排放（英语：fugitive emissions）明显高于EPA国家排放数据（英语：emission inventory）中的数值，泄漏的数量达到天然气总产量的2.3%。[35]

耗用水资源

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每口要做水力压裂的钻井用水数量为120至350万美制加仑（4,500至13,200立方米），大型项目使用的则多达500万美制加仑（19,000立方米）。[40]当同一口井需要重新压裂时，就需使用额外的水。[41][42]一口井在其生命周期内平均用水可达到300到800万美制加仑（11,000到30,000立方米）。[43]根据隶属牛津大学的牛津能源研究所（英语：Oxford Institute for Energy Studies）的数据，欧洲因为当地页岩深度平均是美国的1.5倍，而需要用到更多的压裂液。[44]虽然公布的数字可能看来甚大，但与大多数地区的总用水量相比，仍然很小。在缺水的德克萨斯州进行的一项研究显示，“页岩气的用水量不到全州取水量的1%；但影响会因不同地点水资源的多寡和不同需求间的竞争而有差异。”[45]

英国皇家学会和皇家工程院所发表的报告指出，为一口井做水力压裂所用到的水大约相当于一座1,000兆瓦燃煤发电厂运作12小时所耗用者。[15]英国廷德尔气候变化研究中心中心（英语：Tyndall Centre）在2011年发表的报告估计，要支持每年90亿立方米（320×109立方英尺/年）的天然气生产，需要用到125至165万立方米（44×106至58×106立方英尺）的水，[46]这数字相当于全国总取水量的0.01%。

人们对在缺水地区进行水力压裂，不断增加的用水量表示担忧。而用于水力压裂的水必须从溪流、市政供水、水力发电、娱乐用水和水生生物所需者分流而来。[47]水力压裂需大量水，引发干旱地区如南非半沙漠自然区（英语：Natural region）卡鲁，[48]和北美经常发生干旱的德克萨斯州[49]的担忧。有时还可能须利用水管从远处引水过来。[50]

国家可再生能源实验室在2014年对天然气发电的生命周期分析得出的结论是，大型水力压裂井生产的天然气发电量每兆瓦时的用水为249美制加仑 (gal/MWhr)（由玛西勒斯地层（英语：Marcellus Formation）生产者）和272美制加仑之间（由巴涅特页岩（英语：Barnett Shale）生产者）。每兆瓦时发电量的耗水量，大型水力压裂井比传统陆上井消耗的197美制加仑多出52到75加仑（差距为26%到38%之间）。[51]

一些业者已开发出可减少用水的压裂技术，[52]而采用二氧化碳、液态丙烷或其他气体来减少用水量。[53]使用后，丙烷会恢复为气态，可再收集和重复使用。据报导，气体压裂除能节水之外，也对岩层造成较小的损害，而岩层损害后会阻碍生产。[52]把返排水回收，可重复使用，[30]而把用水总量降低，并减少处置废水的需求。但这种技术相对昂贵，因为在每次重复使用之前必须将水处理，而且某些类型设备的使用寿命会因此缩短。[54]

水污染

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压裂液

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美国业者所使用的水力压裂液含有支撑剂、放射性示踪剂和其他添加剂，其中许多具有毒性。[5]水力压裂所使用的化学品中的大多数很常见且通常无害，但有些是致癌物质。[5]在美国用作水力压裂添加剂的2,500种产品中，有652种含有29种化合物中的一种或是多种，而这些化合物是已知或可能的人类致癌物质，因其对人体健康有风险，而被美国联邦《安全饮用水法案（英语：Safe Drinking Water Act）》列为危险物质，或被联邦《清洁空气法案（英语：Clean Air Act (United States)）》列为危险空气污染物。[5]在2011年发表的另一项研究报告指出，美国在天然气作业使用的632种化学品中，只有353种在科学文献中有充分描述。[23]一项评估压裂作业所使用的化学品对健康影响的研究，发现有73%的化学品会产生6到14种不等的负面健康影响，包括皮肤、眼睛和感觉器官损伤；呼吸窘迫（包括哮喘）；消化道和肝脏疾病；大脑和神经系统损害；癌症；和对生殖系统的负面影响。[55]

耶鲁大学公共卫生学院（英语：Yale School of Public Health）在2016年所做的一项广泛研究，发现水力压裂涉及或是释放的大量化学物质具有致癌性。[56]在这项研究中确定的119种化合物中，“44%是水污染物……已被证实会，或是可能会致癌。”但占大多数的化学品仍缺乏足够数据以证实其致癌潜力，也凸显这块领域仍有知识差距，而有进一步研究其致癌性以及致癌风险的需要。[56]

欧盟监管制度要求全面披露所有压裂液中添加剂的资料。[6]根据欧盟2006年有关地下水的指令，“为保护整体环境，特别是人类健康，必须避免、防止或减少地下水中有害污染物的浓度。”[57]在英国，只有“在应用中不产生危害”的化学品才能获得环境署（英语：Environment Agency）（隶属于环境、食品和乡村事务部）的使用许可。[8]

回流

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经注入地层的压裂液，少于一半会以回流或是以生产后期卤水的形式被回收，在许多情况下，回收率会少于30%。[58]当压裂液流回井中时，除用过的压裂液外，还含有溶解物，如矿物质和卤水。[59]在某些情况下，还会依据特定的地层而含有铀、镭、氡和钍。[60]估计在返回地面的压裂液占比在15-20%到30-70%之间。[58][59][61]

管理这些液体（通常称为采出水）的方法可透过注入不透水的地下层、利用市政和商业废水处理和排放，以及油井或油田的自给式系统循环处理，作未来压裂之用。[12][59][62][63]目前有建议使用真空多层薄膜蒸馏（英语：Membrane distillation）系统作为一种更有效的处理手段。[64]但需要处理的大量废水和污水厂的不当配置已成为美国某些地区的问题。水力压裂作业产生的废水部分经由公共污水处理厂处理，但这些污水处理厂不具备去除放射性物质的设备，也未被要求对此做测试。[65][66]

采出水泄漏和随后的地下水污染也存在致癌物的风险。研究模拟BTEX（苯、甲苯、乙苯和二甲苯）和萘在不同深度与地下水重叠的土壤因采出水溢出，发现地下水中的苯和甲苯预计会达到影响人类健康的浓度。[67]苯是种已知的致癌物质，短期内会影响中枢神经系统，长期接触会影响骨髓、造血、免疫系统和泌尿生殖系统。[68][69]

地表泄漏

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与水力压裂相关的液体发生地表泄漏，主要是由于设备故障或人为错误所造成。[9]

废水蒸发池中的挥发性化学物质会蒸发进入大气中，或是随废水溢出。径流也有最终进入地下水系统的可能。如果装载有水力压裂化学品和废水的卡车在前往水力压裂现场或是处置目的地的途中发生事故，也会导致地下水污染。[70]

在不断演进中的欧盟立法里面，要求“成员国应确保设施的建造方式能够防止可能的的地表泄漏和溢出，然后进入土壤、水或空气中。”[71]不得设置蒸发和露天废水池。法规要求把所有污染途径识别出以及做缓解处理。所有钻孔平台必须符合防止化学品泄漏的标准。在英国，钻孔场地需要达到全面禁止气体泄漏的程度，只有在紧急情况下才允许排放甲烷。[72][73][74]

甲烷

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2014年9月出版的《美国国家科学院院刊》发布一项研究报告，表示甲烷污染可能是由已知已发生泄漏的井，影响到邻近井的缘故。但此非由水力压裂所造成，而是因为管路中套管胶结不良所造成。[75][76]

地下水受到甲烷污染，对水质有不利影响，在极端情况下可能有爆炸的风险。[77]杜克大学研究人员进行的一项科学研究发现，包括水力压裂在内的气井钻探活动与饮用水遭到甲烷污染具有高度相关性。[77]根据麻省理工学院能源倡议 （MIT Energy Initiative）[78]在2011年的研究，“有证据显示天然气（甲烷）会侵入某些地方的淡水区，很有可能是由于少数业者的完井操作不达标，即固井作业品质不佳或因套管损坏所造成。”[79]2013年杜克大学的另一项研究显示，无论是构造缺陷（钻孔上部的水泥密封不完备，以及深层的钢衬层有缺陷），再加上当地地质的特殊性，都可能导致甲烷渗入水中；后种原因也可能把注入的压裂液释放到含水层。[80]在如宾夕法尼亚州等地区，常见废弃的气井和油井把甲烷导引到地表的情事。[81]

卡博特能源公司（英语：Coterra）采用更大的样本数量来验证杜克大学的研究，发现甲烷浓度与地形有关（在低洼地区的读数最高），而非距离远近的问题。他们使用更精确的同位素分析，发现在水井中的甲烷既来自受到水力压裂的地层，也来自较浅的地层。[82]科罗拉多州石油和天然气保护委员会对水井拥有者的投诉做检查，发现一些水井含有与石油和天然气井无关的生物源甲烷，但另一些水井含有热成因甲烷，是由石油和天然气井的套管泄漏而来。[83]在2012年2月发表的一篇评论并未发现在注入阶段的水力压裂会导致地下水污染的直接证据，并认为那些报告的问题是由于压裂液或废弃物储存装置的泄漏而发生；评论称某些地区水井中的甲烷可能是由自然界所产生。[84][85]

在2013年发表的另一篇评论说，水力压裂并非无污染地下水的风险，并描述在水力压裂地点邻近的私人水井中检测到甲烷，而发生到底是由钻井还是自然界所造成的争议。[86]

放射性同位素

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主条目：天然放射性物质（英语：Naturally occurring radioactive material）

在页岩矿床中[66]会有天然放射性物质 (NORM)，例如镭、氡、[87]铀和钍的存在。[60][88][89]与石油和天然气一起产生并被带到地表的卤水有时会含有天然放射性物质；许多来自页岩气井的卤水均含有这些物质。[66][90][91]EPA和北达科他州的监管机构认为，水力压裂作业如果不遵循正确的程序，回流中的放射性物质对钻井现场和废弃物处理场的工作人员，以及在附近生活或工作的人是个潜在的危害。[92][93]宾夕法尼亚州环境保护部的一份报告说从事石油和天然气业务时接触辐射的可能性很小。[27]

土地利用

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在英国，2013年12月由DECC提出的战略环境评估报告显示，在拥挤地区钻井平台间的距离，可设定为5公里，每个平台占地最多可达3公顷（7.4英亩）。每个平台可有24个单独的钻孔。这些平台所占的面积相当于土地总面积的0.16%。[94]在2015年发表一项关于费耶特维尔页岩（英语：Fayetteville Shale）的研究发现，成熟的气田影响到大约2%的土地面积，并造成边缘效应栖息地的显著增加。每个钻井平台平均影响的土地为3公顷（约7英亩）[95]研究显示这些已对美国生态系统服务（即自然界为人类提供的功效）产生每年超过2.5亿美元的成本。[96]

地震

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水力压裂会导致人工地震（称为微地震）发生。而微地震也会被用来绘制压裂所影响到的地层水平和垂直范围。[97]这些微地震的震级通常太小而无法在地表检测到，最大的微地震的矩震级仅约为-1.5 (Mw)（约相当于一罐1美制加仑的牛奶从柜子上堕入地板所产生者）。[98]

水力压裂诱发地震

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截至2016年8月，已知至少有9起因水力压裂而导致断层重新激活的案例，而地震强度足以让住在地表的人感受到：在加拿大，阿尔伯塔省发生3起（M4.8[99]M4.4[100]和M4.4[101]）和英属哥伦比亚省发生3起（M4.6，[102]M4.4[103]和M3.8[104]）、在美国，俄克拉荷马州发生1起（M2.8[105]）和俄亥俄州发生1起（M3.0），[106]和在英国，兰开夏郡发生2起（M2.3和M1.5）。 [107]

污水处理井诱发地震

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根据美国地质调查局（USGS），在美国大约30,000口用于弃置石油和天然气作业废液的井中，只有一小部分曾诱发足以引起公众关注的地震。 [14]虽然这些地震的震级很小，但USGS表示无法保证不会发生更大的地震。[108]此外，地震的频率一直在增加。 2009年，横跨阿拉巴马州和蒙大拿州的地区发生50次M3.0级以上的地震，2010年发生87次。同一地区在2011年发生134次，比在20世纪发生的地震次数增加6倍。[109]也有人担心地震可能会把原先未足以耐震的地下油气和输水管线，以及油气井损坏。[108][110]

USGS在2012年发布的一项研究报告称，美国中部的M3级及以上地震发生率“正显著”增加中，从2001年开始到2011年，其频率达到20世纪水准的6倍。总体增长与一些特定地区的地震增加有关联：科罗拉多州南部的{{le|拉顿盆地|Raton Basin｝｝（当地有开采煤层气活动），以及俄克拉荷马州中部和南部以及阿肯色州中部的产气区。[111]虽然分析显示这种增加“几乎能肯定是人为所导致”，但USGS指出：“我们的研究显示实际的水力压裂过程少有是导致有感地震的直接因素。”据说增加废水注入处理井的次数是最有可能造成地震增加的原因。[14]将石油和天然气作业产生的废水（包括水力压裂产生的废水）注入处理井中可能会导致更大的低震级震颤，最高震度可达3.3Mw。[98]

噪音

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每个钻井平台（平均包含10口钻孔）在准备和进行水力压裂过程时会持续有大约800至2,500天的活动，其产生的噪音会影响到附近的居民。此外，与水力压裂相关的运输活动也会产生噪音。 [13]水力压裂作业（例如交通运输、燃烧多余气体的火焰）造成的噪声污染通常被当作是造成心理困扰以及儿童学习成绩不佳的原因。[112]由井泵产生的低频噪音会导致烦躁、不安和疲劳。[113]

英国陆上石油和天然气 (UKOOG) 是个英国当地的产业协会，UKOOG制定一份章程，其中含有降低钻井场地噪音问题的建议。[114]

安全问题

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2013年7月，美国联邦铁路总署把水力压裂化学品列为导致油罐车发生腐蚀的“可能原因”，由于油罐车锈蚀，会有造成油污染的可能性。[115]

社区影响

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受到影响的社区通常已是脆弱者，居民通常为穷人、农村人口或是原住民，这些人可能会连续几代都受到水力压裂的影响。石油公司与农民争夺资源，加剧这些人及其家庭的压力。原住民与农业社区尤其会受到水力压裂的影响，因为他们对所居住的土地有长期的感情，并赖以为生，而水力压裂将此种联系破坏。[116]美洲原住民，特别是那些生活在保留地的，会特别容易受到压裂活动的影响；当地部落一方面很想与石油公司合作以获得收入，但在另一方面又需经常进行法律斗争以保护他们的主权和土地上的自然资源。[117]

政策与科学

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主条目：水力压裂法规（英语：Regulation of fracking）

目前对于制定水力压裂监管政策，先有关于如何做风险管理的辩论，而对应的，又有如何做风险评估的辩论。[16]:3–7

这两个主要流派是根据科学的风险评估并采取措施，通过危害分析（英语：hazard analysis）而规避这些有害风险，或采用预防原则，在风险被明确识别之前就采取行动。[118]在已有水力压裂的社区中，风险评估的相关性和可靠性也在环保团体、卫生医学科学家和行业领导者之间引发辩论。有人觉得风险被夸大，认为目前的研究不足以表明水力压裂与不利健康影响之间的联系，而对另一些人来说，风险显而易见，但因经费不足而无法进行评估。[119]

从不同角度出发而会产生不同的监管方法。例如，法国和美国佛蒙特州基于预防原则而禁止水力压裂。[17][18]但美国有些州采用的是风险评估（危害分析）方法，而引起何者属于水力压裂风险的辩论。

而在英国，监管框架主要是根据政府于2012年委托皇家协会和皇家工程学院所作的研究报告而制定，这份研究报告目的是确定水力压裂的问题，并为监管机构提供建议。报告由教授罗伯特·梅尔（英语：Robert Mair, Baron Mair）领衔撰写，提出10项建议，涵盖如地下水污染、油气井完整性、地震风险、气体泄漏、水资源管理、环境风险、风险管理最佳实践等领域，还包括对监管机构和研究委员会的建议。[15][120]值得注意的是，该报告指出如果依据有效法规，同时采用最佳实践运作，相关的风险足以控制。

一份在2013年发表的评论，其结论是在美国，由于法律调查有保密条款，在环境影响研究中，经由同侪评审的研究工作会因而受到妨碍。[86]

水力压裂对环境影响的研究有许多科学上的限制。主要的是难以制定有效的监测程序和协议，有以下几个原因：

  • 不同压裂场地在生态系统、作业规模、钻井平台密度和品管措施方面具有差异性，而难以制定出标准化的检测协议。[121]
  • 随着日益增多的压裂场地开发，不同场地间相互作用的机会增加，而让影响大幅增加，其复杂性让单独针对一个场地的监测难以控制。这些累积出的影响不易衡量，因为许多发展是以非常缓慢的速率进行。[122]
  • 由于水力压裂使用到大量化学品，因此在设定基线数据时会有挑战性。此外，目前对于水力压裂液中化学物质的相互作用以及个别成分的去向尚无充分的研究。[123]

参见

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维基新闻中的相关报导：Disposal of fracking wastewater poses potential environmental problems

参考文献

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参考书目

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