四川盆地區(qū)天然氣開采對土壤飽和持水量的影響

王　龍，銀小兵，呂曉航，廖　婧

(中國石油西南油氣田分公司 安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院，四川 成都 610041)

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四川盆地區(qū)天然氣開采對土壤飽和持水量的影響

王龍，銀小兵，呂曉航，廖婧

(中國石油西南油氣田分公司 安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院，四川 成都 610041)

天然氣田；土壤飽和持水量；恢復(fù)年限；化學成分；主成分分析；四川

四川盆地區(qū)天然氣儲量豐富，在開采過程中，會擾動地表、破壞土壤物理結(jié)構(gòu)，從而影響土壤飽和持水量。以四川省的安岳縣和梓潼縣天然氣田為研究區(qū)，試驗測定研究區(qū)內(nèi)不同地貌類型、不同工程區(qū)域、不同工程建成年限的土壤飽和持水量變化情況，結(jié)果表明：開采活動結(jié)束1～5 a內(nèi)，平原、山區(qū)、丘陵地貌下的站場、管道、污水池及道路區(qū)域土壤飽和持水量可以恢復(fù)到建設(shè)前的狀態(tài)，且可以采用三次多項式對土壤飽和持水量的變化情況進行擬合，用以預(yù)測今后的變化趨勢；通過主成分分析法，得到土壤飽和持水量化學成分綜合參數(shù)α，并構(gòu)建土壤飽和持水量與綜合參數(shù)α的線性回歸模型，可為四川地區(qū)天然氣開采對土壤飽和持水量的影響研究提供理論依據(jù)。

土壤的水源涵養(yǎng)功能是一項重要的生態(tài)服務(wù)功能[1]。土壤飽和持水量則是反映土壤涵養(yǎng)水源能力的重要指標，指的是土壤孔隙全部充滿水時所持的水量，即土壤所能容納的最大持水量[2]。土壤飽和持水量影響因素很多，建設(shè)活動是其中的一個重要因素，因為建設(shè)活動會改變地表結(jié)構(gòu)，破壞地表植被，進而對土壤飽和持水量造成影響，從而影響土壤涵養(yǎng)水源的功能。四川地區(qū)天然氣資源豐富，據(jù)全國第二次油氣資源評價，四川天然氣資源總量為7.2萬億m3，可采儲量為2.49萬億m3[3]。雖然天然氣屬于清潔能源，在生產(chǎn)期間幾乎不產(chǎn)生固體廢棄物，對地表破壞較小，但是在建設(shè)期間，天然氣站場及管道建設(shè)會擾動土壤，改變土壤物理性質(zhì)、降低周邊植被覆蓋率，從而導致土壤飽和持水量發(fā)生變化。本文以四川盆地區(qū)天然氣田為研究區(qū)，試驗測定研究區(qū)內(nèi)不同地貌類型、不同工程區(qū)域、不同工程建成年限的土壤飽和持水量變化情況，旨在得出土壤飽和持水量的影響機理和恢復(fù)年限。

1　研究區(qū)概況

研究區(qū)為四川省的安岳縣、梓潼縣境內(nèi)，介于東經(jīng)103°42′～106°32′和北緯30°26′～31°37′之間。兩地氣候類型均為亞熱帶季風濕潤氣候。安岳縣年均氣溫16.7～17.4 ℃，年均降水量909～1 097 mm，屬盆地中部丘陵低山地區(qū)，主要分布新積土、紫色土、黃壤土及水稻土等4個土類。梓潼縣年均氣溫15.0～17.0 ℃，年均降水量963～1 132 mm，地勢西北高、東南低，地形起伏顯著，山地面積較廣，土壤以紫色土為主。研究區(qū)植被發(fā)育良好，植被類型為亞熱帶常綠闊葉林、亞熱帶竹林。

2　研究方法

2.1試驗樣地

為研究天然氣開采對土壤飽和持水量的影響，分別在研究區(qū)內(nèi)選取山區(qū)、丘陵、平原3種地貌類型，0～1、1～5、5～10、>10 a(各年限內(nèi)分別選取2～3個樣地)4種工程建成年限，站場、管道、污水池、道路及對照5種工程區(qū)域，共計150個樣地。

2.2試驗方法

飽和持水量計算采用馬歇爾等[4]提出的公式

上二式中：Wt為土壤飽和持水量；Pt為總孔隙度；h為土層厚度；Gs為土壤密度；γ為土壤容重；ρw為水的密度；ω為土壤質(zhì)量含水率。

其中，土壤密度采用比重瓶法測定，土壤容重采用環(huán)刀法測定，土壤質(zhì)量含水率采用烘干法測定。

2.3數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和SPSS(20.0)統(tǒng)計軟件進行試驗數(shù)據(jù)處理。

3　結(jié)果與分析

3.1土壤飽和持水量分析

根據(jù)密度、容重等試驗結(jié)果，計算得到飽和持水量值，繪制不同工程區(qū)域隨年限變化的土壤飽和持水量變化趨勢，如圖1—3所示。

圖1　平原地區(qū)土壤飽和持水量變化曲線

圖2　山區(qū)土壤飽和持水量變化曲線

圖3　丘陵地區(qū)土壤飽和持水量變化曲線

從圖中可以看出，在工程建成初期，各地貌類型、各工程區(qū)域的土壤飽和持水量差異極大，污水池和管道區(qū)域土壤飽和持水量最大，站場和道路區(qū)域最小，對照區(qū)域處于中間水平。隨著時間的推移，污水池和管道工程區(qū)域的土壤飽和持水量逐漸減小，而站場和道路工程區(qū)域的土壤飽和持水量則逐漸增加，對照工程區(qū)域飽和持水量變化較小。對照工程區(qū)域與其他工程區(qū)域土壤飽和持水量值差異在1%～3%之間。

建成1～5 a內(nèi)，對照工程區(qū)域與其他工程區(qū)域土壤飽和持水量的差異一直維持在5%以內(nèi)，基本上達到了相同水平。平原地貌類型土壤在建成10 a后飽和持水量有逐漸下降的趨勢，山區(qū)地貌類型土壤飽和持水量有逐漸上升的趨勢，丘陵地貌類型土壤飽和持水量基本上保持不變。出現(xiàn)這種變化大致有以下兩點原因：不同地貌類型區(qū)自然環(huán)境不同；不同地貌類型區(qū)土壤質(zhì)地不同。山區(qū)森林覆蓋率高，10 a之后植被恢復(fù)程度高于平原及丘陵地區(qū)，因植物有改良土壤的功效，故土壤飽和持水量增加。

通過以上分析可以得出：天然氣開采對站場、管道、污水池及道路工程區(qū)域土壤飽和持水量有一定的影響，但隨著時間的推移，這種影響會逐漸消失。在建成1～5 a內(nèi)，各工程區(qū)域土壤飽和持水量已經(jīng)基本恢復(fù)到建設(shè)前的狀態(tài)。

3.2不同年限土壤飽和持水量過程擬合

為研究土壤飽和持水量隨著年限增長的變化趨勢及預(yù)測今后的變化情況，現(xiàn)對飽和持水量變化情況進行趨勢線擬合，以年限為自變量，飽和持水量為因變量，分別擬合不同地貌不同區(qū)域的飽和持水量隨時間的變化曲線。結(jié)合目前的曲線形式，本次分別采用線性回歸、多項式、冪指數(shù)三種方式進行擬合。擬合結(jié)果見表1。

表1　飽和持水量回歸擬合結(jié)果

注：|R2|越大，說明殘差平方和越小，模型的擬合效果越好。

根據(jù)擬合結(jié)果可以看出，三次多項式擬合效果最好，R2均大于0.95。線性回歸擬合和冪指數(shù)擬合效果相近，其中回歸擬合效果最不理想。

3.3土壤化學成分對土壤飽和持水量的影響

設(shè)土壤有機質(zhì)含量為X1，pH值為X2，速效氮含量為X3，速效磷含量為X4，速效鉀含量為X5，全氮含量為X6，土壤飽和持水量為Y。將X1～X6與Y進行相關(guān)性分析，結(jié)果見表2。

表2　土壤化學性質(zhì)與飽和持水量相關(guān)關(guān)系矩陣

注：**表示在 0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

分析結(jié)果顯示：土壤飽和持水量與土壤pH值呈極顯著負相關(guān)，與有機質(zhì)、速效磷、全氮含量呈極顯著正相關(guān)，與速效氮、速效鉀含量關(guān)系不顯著。

結(jié)果表明：有機質(zhì)的增加可以改善土壤結(jié)構(gòu)[5]，提高土壤的持水能力[6]；且pH值與土壤飽和持水量呈極顯著負相關(guān)，原因在于pH值越大，土壤中含有的交換性鈉含量越大，通透性就越差，不利于水分的流通與保持[7-8]。

根據(jù)以上分析結(jié)果，選擇與土壤飽和持水量極顯著相關(guān)的因子，即有機質(zhì)含量(α1)、pH值(α2)、速效磷含量(α3)、全氮含量(α4)，然后進行主成分分析。

表3　土壤化學成分主成分分析

化學成分主成分分析結(jié)果表明，第一主成分方差貢獻率為57.29%，其中以全氮的負荷量最大，為0.823，pH值的負荷量最小，但也高達0.717，表明與土壤飽和持水量及滲透系數(shù)相關(guān)的土壤化學性質(zhì)在第一主成分中表達了絕大多數(shù)信息。其方程為

α=0.479α1-0.474α2+0.501α3+0.546α4

根據(jù)分析結(jié)果，α代表土壤化學成分含量的主成分，可定義為化學成分參數(shù)。以化學成分的標準化主成分得分為自變量，土壤飽和持水量(Y)為因變量，得到回歸方程Y=0.007α+0.196(R2=0.619，P=0.000 1)。

4　結(jié)　語

通過野外調(diào)查及室內(nèi)試驗，分析了不同工程建成年限、不同工程區(qū)域、不同地貌類型的土壤飽和持水量，并結(jié)合相關(guān)性分析及回歸分析等方法，研究了天然氣開采對土壤飽和持水量功能的影響，結(jié)論如下：①天然氣開采對站場、管道、污水池及道路工程區(qū)域飽和持水量有一定的影響，隨著工程建成年限的增長，各工程區(qū)域土壤飽和持水量逐漸與對照工程區(qū)域持平，在建成后1～5 a內(nèi)各工程區(qū)域土壤飽和持水量與對照工程區(qū)域基本相等，此后保持同一變化趨勢，說明天然氣開采對土壤飽和持水量的影響在1～5 a即可恢復(fù)。②對各工程區(qū)域采用不同方式進行擬合，結(jié)果表明多項式對不同地貌類型、不同工程區(qū)域的土壤飽和持水量隨年限變化情況進行擬合效果最好，可以用來驗證或預(yù)測未來土壤飽和持水量情況隨年限變化的趨勢，從而更清晰地了解工程擾動后土壤功能恢復(fù)情況。③土壤飽和持水量與pH值、有機質(zhì)含量、全氮含量、速效磷含量均有相關(guān)關(guān)系。對土壤化學成分進行主成分分析，得到化學成分第一主成分表達方程，并以化學成分的標準化主成分得分為自變量，土壤飽和持水量為因變量，得到回歸方程。

通過以上分析，能夠初步得到天然氣開采后土壤飽和持水量恢復(fù)程度及恢復(fù)年限，但本研究仍有不足之處：①由于在地類劃分時，僅將地類根據(jù)地形劃分，而未在地形基礎(chǔ)上對占地類型(如耕地、林地等)進行細分，加之土壤取樣具有隨機性，因此本研究結(jié)果僅對所取土樣具有代表性，而對于實際規(guī)律仍需進行驗證。②在工程建成年限的選取上時間尺度較大，得出的恢復(fù)年限較為寬泛。在今后的研究中，應(yīng)在本結(jié)論的基礎(chǔ)上，對占地類型進行細分，并在1～5 a基礎(chǔ)上將工程建成年限進一步細化，以求得到更為精確的結(jié)論。

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(責任編輯孫占鋒)

S157.2

A

1000-0941(2016)08-0060-03

王龍(1988—)，男，四川宜賓市人，工程師，碩士，從事石油天然氣田開發(fā)項目水土保持研究工作。

2015-07-06