涪陵焦石壩頁巖氣開采區(qū)土地?fù)p毀的生態(tài)風(fēng)險評價

張 虹, 張代鈞, 盧培利

1 重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室, 重慶 400044 2 重慶師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院, 重慶 401331 3 三峽庫區(qū)地表過程與環(huán)境遙感重點實驗室, 重慶 401331

涪陵焦石壩頁巖氣開采區(qū)土地?fù)p毀的生態(tài)風(fēng)險評價

張 虹1,2,3, 張代鈞1,*, 盧培利1

1 重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室, 重慶 400044 2 重慶師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院, 重慶 401331 3 三峽庫區(qū)地表過程與環(huán)境遙感重點實驗室, 重慶 401331

頁巖氣在勘探、開采、集輸過程中對周邊生態(tài)系統(tǒng)會產(chǎn)生直接或間接影響。通過構(gòu)建頁巖氣開采土地?fù)p毀生態(tài)風(fēng)險因果鏈識別井場、運輸?shù)缆芳凹敼芫€等風(fēng)險源,基于最小阻力模型定量分析土地?fù)p毀的生態(tài)累積影響；選取了植被覆蓋度、生態(tài)服務(wù)價值及土壤肥力等因子表征區(qū)域生態(tài)重要性,土壤侵蝕度、石漠化敏感性及水環(huán)境敏感性等表征生態(tài)脆弱性,綜合評價區(qū)域生態(tài)敏感度,并以此為風(fēng)險受體,實現(xiàn)涪陵焦石壩頁巖氣開發(fā)區(qū)的生態(tài)風(fēng)險評價。2012—2015年末,涪陵焦石壩頁巖氣產(chǎn)建區(qū)鉆井?dāng)?shù)量快速增加,分布廣,頁巖氣開發(fā)對區(qū)域生態(tài)累積影響擴(kuò)大。2015年末,區(qū)域一半以上面積為中、高生態(tài)風(fēng)險區(qū)(146.56km2,55.8%),主要分布于南部烏江河谷及北部低山區(qū),前者水環(huán)境敏感度高,后者巖溶發(fā)育度高,土壤侵蝕度高,石漠化敏感；該區(qū)域內(nèi)大規(guī)模頁巖氣開發(fā)將面臨水環(huán)境污染、生境破壞、土壤退化、石漠化加重及生物多樣性減少等生態(tài)風(fēng)險,是生態(tài)環(huán)境管理及風(fēng)險防范的重點方面。研究結(jié)果可為區(qū)域生態(tài)安全建設(shè)提供科學(xué)的參考。

頁巖氣開發(fā)；土地?fù)p毀；生態(tài)敏感度；生態(tài)風(fēng)險；涪陵焦石壩

Abstract： Regional ecosystems can be impacted, directly or indirectly, by exploration, extraction, collection, and transportation of shale gas. By establishing an ecological risk cause-effect chain based on land destruction caused by shale gas development at Fuling Jiaoshiba, China, well sites, transportation roads, and pipe lines were identified as risk sources. On the basis of a minimum resistance model, the cumulative ecological impacts of land destruction were quantitatively analyzed. Vegetation coverage, ecosystem service value, and soil fertility were then selected as the characteristics of important ecological value, and soil erosion, stony desertification sensitivity, and aquatic environment sensitivity were selected as indices of ecological vulnerability. By synthesizing important ecological value and ecological vulnerability indices, the regional ecological sensitivity was evaluated. By combining the cumulative ecological impacts with regional ecological sensitivity, an assessment of regional ecological risk was carried out. In the period 2012 to 2015, there were a large number of shale gas drilling wells scattered across the Fuling Jiaoshiba region at Chongqing, China, and the cumulative ecological impact of shale gas development was very significant. By the end of 2015, more than half of the region was classified as areas of middle or high ecological risk (146.56 km2, 55.8%). These areas were mainly located in the southern Wujiang River Valley and the northern low mountain region. The southern Wujiang River Valley is a highly sensitive aquatic environment, whereas the northern low mountain region is highly sensitive to soil erosion and Karst rocky desertification. With the progression of shale gas development, the region will be exposed to water pollution, habitat destruction, soil degradation, aggravated rocky desertification, loss of biodiversity, and other ecological risks, which are key aspects of ecological environment management and risk prevention. These results provide references for development of ecological security measures for shale gas development at Fuling Jiaoshiba, China.

KeyWords: shale gas development; land destruction; ecological sensitivity; ecological risk; Fuling Jiaoshiba

頁巖氣是指賦存于有生烴能力的泥巖及頁巖中,以吸附及游離狀態(tài)存在的非常規(guī)天然氣,具有自生自儲、吸附成藏、隱蔽聚集等地質(zhì)特點[1-2]。目前,水平鉆井及水力壓裂是頁巖氣開采的核心技術(shù),由此帶來眾多環(huán)境問題,并逐步受到國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注,主要集中在頁巖氣開采的大量耗水、水環(huán)境污染、甲烷釋放等方面[3- 4]。同時,頁巖氣開采土地占用量大,地表擾動強(qiáng)度高,一方面井場、道路及集輸管線等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需要大量用地,另一方面,頁巖氣鉆井密度大,約1口/ km2,是常規(guī)天然氣鉆井密度的10倍。短期內(nèi)劇烈的人為地表擾動,使得區(qū)域面臨土壤污染、地表侵蝕、植被破壞、景觀破碎、局部生態(tài)失衡等潛在生態(tài)風(fēng)險[5-7],而生態(tài)風(fēng)險評價則可定量預(yù)測頁巖氣開采對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生風(fēng)險的可能性,并評估該風(fēng)險的可接受程度,是區(qū)域生態(tài)環(huán)境管理及風(fēng)險防范的重要依據(jù)[8]。

目前,生態(tài)風(fēng)險評價已成為生態(tài)系統(tǒng)綜合評估的關(guān)鍵問題和宏觀生態(tài)學(xué)的熱點研究方向之一[9]。從單因子、小尺度[4-5]的生態(tài)風(fēng)險評價發(fā)展到區(qū)域性、大尺度、多因子的綜合評價[10-11]；風(fēng)險受體從人體健康發(fā)展到種群群落[12]、生態(tài)系統(tǒng)[13-14]及景觀格局[15-16]；評價過程也逐步完善,含受體分析、風(fēng)險源分析、暴露與危害分析及風(fēng)險綜合評價[17]；應(yīng)用領(lǐng)域眾多,如工業(yè)、農(nóng)業(yè)、礦產(chǎn)、旅游等[18-21]。

中國南方海相頁巖發(fā)育區(qū)是迄今評價認(rèn)為最有前景的頁巖氣區(qū),區(qū)域水資源相對豐富,也是中國頁巖氣優(yōu)先開采區(qū)。但區(qū)域地少人多,地貌以丘陵、山地為主,降雨充沛,水土流失嚴(yán)重,局部巖溶發(fā)育強(qiáng)烈,石漠化程度高,生態(tài)環(huán)境脆弱敏感。與其他國家地廣人稀的平原開采區(qū)相比,該地區(qū)生態(tài)環(huán)境更易受人類活動的影響,短期內(nèi)大規(guī)模頁巖氣開采,使得區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)一步下降,生態(tài)安全受到一定威脅[22]。目前,頁巖氣開采的生態(tài)環(huán)境問題研究仍以定性為主,僅少量定量評價[6-7,23],但從風(fēng)險源、風(fēng)險受體及其相互作用的綜合生態(tài)風(fēng)險評價尚未看到,使得區(qū)域生態(tài)環(huán)境管理缺乏針對性,一定程度上降低了生態(tài)風(fēng)險防范的有效性。

為此,本文以涪陵焦石壩頁巖氣產(chǎn)建區(qū)為例,借助遙感影像,結(jié)合區(qū)域?qū)嵉卣{(diào)研資料,通過因果鏈模型,分析頁巖氣開采區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的破壞方式,以井場、運輸?shù)缆贰⒓敼芫€等工程占地土地?fù)p毀作為風(fēng)險源,以生態(tài)敏感度為風(fēng)險受體,實現(xiàn)區(qū)域生態(tài)風(fēng)險的定量評價和空間差異可視化,并對比2012年頁巖氣開采初期與2015年末的區(qū)域生態(tài)風(fēng)險,進(jìn)一步認(rèn)識頁巖氣開采的生態(tài)風(fēng)險異質(zhì)格局及時空演變特征,為區(qū)域生態(tài)環(huán)境管理及生態(tài)安全格局構(gòu)建提供科學(xué)的參考,以期為頁巖氣開采區(qū)的生態(tài)風(fēng)險空間防范提供借鑒。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

研究區(qū)位于四川盆地東南邊緣重慶市中部,介于107°24′—107°37′E,29°31′— 29°46′N 之間,面積262.8km2。地勢北高南低,海拔130—830m。地質(zhì)構(gòu)造屬川東高陡褶皺帶包鸞—焦石壩背斜帶焦石壩構(gòu)造,地層產(chǎn)狀平緩,斷層不發(fā)育,有利于大規(guī)模頁巖氣開采。區(qū)域為典型的喀斯特地貌,土地利用以耕地為主,林地次之,植被類型有馬尾松(PinusmassonianaLamb)、柏木(CupressusfunebrisEndl)、青岡(Cyclobalanopsismultinervis)、毛竹(Phyllostachyspubescens)等；土壤類型以石灰土為主,占區(qū)域面積的65.43%；區(qū)域嘉陵江組(T1j)、雷口坡組(T2l)等碳酸鹽巖出露,巖溶發(fā)育強(qiáng)烈,地下水豐富,局部地區(qū)水土流失嚴(yán)重,屬土壤侵蝕及石漠化高度敏感區(qū)；另外,烏江縱穿區(qū)域,磨溪河、后溪河等支流水系縱橫,地下水埋藏淺(<50m),水環(huán)境敏感。研究區(qū)氣藏地層為志留系龍馬溪組,區(qū)內(nèi)動用儲量1694.7×108m3,2012—2015年,共建63個平臺253口井,單井平均井深4600m,2015年末產(chǎn)能50×108m3,工程占地面積14.39km2,占研究區(qū)面積的5.5%。

研究所需主要數(shù)據(jù)： 2011年10月23日landsat5 TM,2015年10月21日的landsat8 OLI影像127/39幅(來源于中國科學(xué)院地理空間數(shù)據(jù)云)；土地分類及風(fēng)險源識別輔助數(shù)據(jù)Google earth高分影像(精度2.39m)； 2012年、2015年土壤侵蝕圖(1∶5萬)(來源于重慶市林業(yè)局)；DEM(30m),土壤類型圖(1∶5萬),涪陵區(qū)土壤志(來源于重慶市水利局)及涪陵焦石壩頁巖氣產(chǎn)建區(qū)相關(guān)資料。為了便于運算,所有空間數(shù)據(jù)采用30m×30m柵格單元,并統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成高斯克呂格投影。

2 研究方法

2.1 土地?fù)p毀的生態(tài)風(fēng)險因果鏈

頁巖氣鉆前勘探、鉆井、壓裂試氣、采氣集輸?shù)日麄€開發(fā)過程,都會對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生直接和間接的危害或影響,作用過程復(fù)雜,包括:(1)鉆前井場平整,新建井口、廢水池、壓裂水池、放噴池、道路,設(shè)備運輸安裝等活動引起的地表植被破壞,生境退化,土地利用方式改變,水土流失等；(2)井場作業(yè)過程中產(chǎn)生含酸性、堿性、毒性或重金屬等成分的廢水、固體廢棄物的潛在污染,噪聲污染、光污染等；(3)輸氣管線、集氣站及閥室等建設(shè)的臨時性占地及永久占地,致使區(qū)域地表植被損毀,土壤的理化性質(zhì)改變,農(nóng)業(yè)、林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)等受到影響,動植物減少等。頁巖氣開采過程是區(qū)域生態(tài)風(fēng)險的施加者,土地?fù)p毀是風(fēng)險的直接來源,區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)則是風(fēng)險承受者,在此基礎(chǔ)上,將風(fēng)險誘因、風(fēng)險源、風(fēng)險受體和作用后果間的相互關(guān)系以因果鏈的形式表征,構(gòu)建以頁巖氣開采過程為紐帶的因果鏈模型(圖1)。

圖1 頁巖氣開采土地?fù)p毀的生態(tài)風(fēng)險因果鏈Fig.1 The ecological risk cause-effect chain of land destruction in shale gas development

2.2 生態(tài)風(fēng)險評價方法

頁巖氣開采過程中,人類活動越頻繁,地表擾動越大,生態(tài)環(huán)境影響越大；另外,區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)越脆弱,抵抗外界影響及自身生態(tài)恢復(fù)能力越弱,生態(tài)風(fēng)險越大。故以研究區(qū)頁巖氣開采土地?fù)p毀的累積影響及生態(tài)系統(tǒng)敏感度兩個方面構(gòu)建生態(tài)風(fēng)險評估模型。

2.2.1 綜合生態(tài)風(fēng)險評估

綜合生態(tài)風(fēng)險值 ERV(ecological risk value)是區(qū)域生態(tài)風(fēng)險大小的定量表征,它是各類土地?fù)p毀擾動過程綜合作用于生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)果,可通過土地?fù)p毀生態(tài)累積影響系數(shù)CEI(cumulative effect index)和生態(tài)敏感度ESI(ecological sensitivity index)進(jìn)行度量。計算方法如下：

ERVi=CEIi×ESIi

(1)

其中,ERVi是研究區(qū)第i個評價單元的綜合生態(tài)風(fēng)險值；CEIi是第i個評價單元的累積影響系數(shù)；ESIi是第i個評價單元的生態(tài)敏感度值；i為 30 m×30 m 的柵格單元。

2.2.2 土地?fù)p毀累積影響程度

土地?fù)p毀累積影響系數(shù)(CEI)用于表征頁巖氣開采過程中不同類型土地?fù)p毀對生態(tài)系統(tǒng)的作用大小,采用土地?fù)p毀擾動強(qiáng)度[17](β)及其對外擴(kuò)散耗費系數(shù)[20](SCC)進(jìn)行量化,值越高,土地?fù)p毀的累積危害越大。計算方法如下：

CEIi=βi×(1-SCCi)

(2)

式中,CEIi第i個評價單元的土地?fù)p毀累積影響系數(shù),βi第i個評價單元的土地?fù)p毀擾動強(qiáng)度,SCCi土地?fù)p毀擾動強(qiáng)度對第i個評價單元的擴(kuò)散耗費系數(shù)。

土地?fù)p毀擾動強(qiáng)度β是通過選取不同風(fēng)險表征因子,結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況,采用因子對比法及序關(guān)系法[24],判別各因子的風(fēng)險貢獻(xiàn)率,計算不同類型土地?fù)p毀生態(tài)影響程度。具體步驟如下：

(1)根據(jù)各類土地?fù)p毀可能造成的潛在風(fēng)險,建立風(fēng)險因子集合R并排序,R={大量耗水、水污染、水土流失、生境破壞/退化、石漠化、生物多樣性減少、土壤污染/退化、甲烷泄露、揚塵污染、噪聲污染、光污染、放射性污染}；

表1 涪陵焦石壩頁巖氣產(chǎn)建區(qū)土地?fù)p毀風(fēng)險表征因子權(quán)重

(3)各類土地?fù)p毀及生產(chǎn)環(huán)節(jié)會產(chǎn)生不同潛在風(fēng)險,根據(jù)風(fēng)險表征因子權(quán)重,計算每類土地?fù)p毀擾動程度,公式如下：

(3)

2.2.3 生態(tài)敏感度評價

生態(tài)敏感度(ESI)用于表征區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)對維系良好生態(tài)環(huán)境的重要性及抵抗風(fēng)險能力大小[25],本文從生態(tài)重要性EIV(ecological important value)及生態(tài)脆弱性EVI(ecological vulnerability index)兩個方面定量評價區(qū)域生態(tài)敏感度,公式如下：

ESIi=EIVi+EVIi

(4)

其中,ESIi為第i個評價單元的生態(tài)敏感度,EIVi為第i個評價單元的生態(tài)重要性,EVIi為第i個評價單元的生態(tài)脆弱性。

(1)生態(tài)重要性(EIV)

參考已有研究成果[11,15,25],并結(jié)合涪陵焦石壩實際生態(tài)環(huán)境特征,選擇植被覆蓋度、生態(tài)服務(wù)價值、土壤肥力表征區(qū)域生態(tài)重要性。

① 植被覆蓋度 反映區(qū)域植物群落覆蓋地表狀況的一個綜合量化指標(biāo)[26],植被覆蓋度越高,生態(tài)系統(tǒng)越重要,通過NDVI計算得到。

② 生態(tài)服務(wù)價值 通過生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程和功能直接或間接得到的生命支持產(chǎn)品、服務(wù)、自然資產(chǎn)等都含與其相應(yīng)的價值。本文利用Landsat5 TM、Landsat8 OLI影像,并輔助高清Google地圖解譯,將研究區(qū)土地系統(tǒng)分為耕地、林地、草地、水域、農(nóng)村居民用地、工礦用地等6類；基于單位面積價值當(dāng)量因子的方法[27],計算區(qū)域的生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量[28- 29](表2)。

表2 涪陵焦石壩頁巖氣產(chǎn)建區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量

③土壤肥力 直接反映區(qū)域生物物質(zhì)的優(yōu)質(zhì)適產(chǎn)、可持續(xù)供給植物養(yǎng)分以及抵御侵蝕的能力[30]。本文的土壤類型、土種及分布來自于涪陵區(qū)土壤志,土壤養(yǎng)分、微量元素等土壤肥力相關(guān)參數(shù)來自中國土壤科學(xué)數(shù)據(jù)庫。

(2)生態(tài)脆弱性(EVI)

考慮頁巖氣開采特點的同時,參照生態(tài)紅線,選擇土壤侵蝕度、石漠化敏感度及水環(huán)境敏感度表征區(qū)域生態(tài)脆弱性。

①土壤侵蝕度 土壤侵蝕是巖溶地區(qū)面臨的主要生態(tài)問題,大規(guī)模頁巖氣開采地表擾動大,加快土壤退化。根據(jù)修正的通用土壤侵蝕方程(USLE)[31],獲得土壤侵蝕強(qiáng)度分布特征。

②石漠化敏感度 石漠化是區(qū)域水土流失后地表呈現(xiàn)石質(zhì)化的現(xiàn)象,是喀斯特地區(qū)最為嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題[32]。研究區(qū)為典型的喀斯特地區(qū),局部石漠化程度高,參照《生態(tài)功能區(qū)劃技術(shù)規(guī)程》中石漠化敏感性評價方法,結(jié)合實地調(diào)查,完成區(qū)域石漠化敏感度評價。

③ 水環(huán)境敏感度 頁巖氣開采的水壓裂耗水量大,返排量大,壓裂液含近百種化學(xué)試劑,給區(qū)域水環(huán)境帶來威脅。研究區(qū)地處巖溶區(qū),地下水豐富,巖層孔隙裂隙發(fā)育,地下水極易污染,運用魏興萍[33]等修正的RISK模型實現(xiàn)區(qū)域地下水脆弱性分級；另外,區(qū)內(nèi)烏江縱穿,地表水環(huán)境脆弱。根據(jù)頁巖氣開采環(huán)境影響評價方法,結(jié)合區(qū)域水域的生態(tài)功能,實現(xiàn)地表水環(huán)境敏感度分級(表3)。

表3 涪陵焦石壩頁巖氣產(chǎn)建區(qū)地表水環(huán)境敏感度分級標(biāo)準(zhǔn)

(3)生態(tài)敏感度綜合評價

將以上6個評價因子標(biāo)準(zhǔn)化,并在專家打分的基礎(chǔ)上,結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H,采用層次分析法,設(shè)置判斷矩陣,獲得各指標(biāo)權(quán)重(表4),判斷矩陣一致性檢測CR=0.025,小于0.1,權(quán)重較合理。

表4 涪陵焦石壩頁巖氣產(chǎn)建區(qū)生態(tài)敏感度評價指標(biāo)判別矩陣

指標(biāo)兩兩比較,甲比乙重要5,較重要3,同等重要1,2,4為中間值,相反,取倒數(shù)

3 結(jié)果分析

3.1 生態(tài)擾動累積影響

根據(jù)風(fēng)險表征因子權(quán)重(表1),運用公式(3)計算區(qū)域井場、道路及集輸管線等土地?fù)p毀的擾動影響程度β(表5),考慮到茂密的植被可以有效阻止土地?fù)p毀對周邊生態(tài)擾動,故以土地?fù)p毀為源,植被覆蓋度為阻力面,借助ARCGIS中的Cost Distance模塊計算對外擴(kuò)散耗費系數(shù)SCC,運用公式(2)分別計算得到2012年、2015年涪陵焦石壩頁巖氣產(chǎn)建區(qū)土地?fù)p毀的生態(tài)擾動累積影響(圖2)。

表5 涪陵焦石壩頁巖氣產(chǎn)建區(qū)土地?fù)p毀擾動影響程度

結(jié)果表明：從2012年頁巖氣開采初期到2015年末,隨著頁巖氣的開采規(guī)模不斷擴(kuò)大,涪陵焦石壩頁巖氣產(chǎn)建區(qū)土地?fù)p毀擾動強(qiáng)度明顯增大,從北部擴(kuò)展到整個研究區(qū),景觀破碎度提高,植被對其擴(kuò)散阻力小,生態(tài)影響累積作用大。2015年末,涪陵頁焦石壩巖氣產(chǎn)建區(qū)土地?fù)p毀面積14.39km2,井?dāng)?shù)達(dá)253口,井密度約1口/km2,且分布廣；區(qū)域內(nèi)林地面積110.34 km2,占研究區(qū)面積41.99%,但零星分布,對于工程生態(tài)影響向外擴(kuò)散有一定阻力作用,但不明顯。

3.2 生態(tài)敏感度

按照表4的評價因子及權(quán)重,借助ArcGIS空間數(shù)據(jù)疊加,完成2012、2015年區(qū)域生態(tài)敏感度評價,結(jié)果按數(shù)據(jù)自然斷點分成3個區(qū),即生態(tài)敏感低值區(qū)、中值區(qū)、高值區(qū)(表6,圖3)。

表6 涪陵焦石壩頁巖氣產(chǎn)建區(qū)生態(tài)敏感度分區(qū)表

圖3 涪陵焦石壩頁巖氣產(chǎn)建區(qū)生態(tài)敏感度分布圖Fig.3 The ecological sensitivity of the shale gas production region in Fuling Jiaoshiba

(1)從數(shù)量上看,2012—2015年末,區(qū)域生態(tài)敏感均以中值為主,分別占總面積的48.3%,43.3%；生態(tài)敏感高值區(qū)增加了21.24 km2(8.2%)。近年的頁巖氣的大規(guī)模開采,井場、道路、管線等工程占地增加,造成區(qū)域植被破壞、景觀破碎,局部地區(qū)的水土流失加重,部分生態(tài)敏感低、中值區(qū)轉(zhuǎn)成高值區(qū)。

(2)從分布上看,2012年生態(tài)敏感高值區(qū)零星分布,而2015年明顯集聚于研究區(qū)南、北部,總體格局呈南、北地區(qū)高,中部低(圖3)。南部烏江兩岸河谷地區(qū),海拔約350m左右,坡度小于15°,土壤類型以黃壤為主,有機(jī)質(zhì)含量約1.63%,土體較厚,保水保肥力較強(qiáng),養(yǎng)分含量較高,水、肥、氣、熱狀況協(xié)調(diào),適宜耕種,除部分烏江防護(hù)林外,土地利用以耕地為主,生態(tài)重要性較高；區(qū)域頁巖氣開采用水取自烏江,短時間大量用水,對烏江水生態(tài)安全造成一定威脅,且壓裂過程耗水量大,返排量大,如壓裂液、返排液等存儲、處理、利用不當(dāng),將造成水污染,區(qū)域地表水環(huán)境敏感度高。北部地區(qū)海拔800m左右,坡度大于15°,土壤類型以石灰土為主,土地利用以耕地為主,巖溶發(fā)育度高,屬石漠化高敏感區(qū),植被恢復(fù)能力弱,生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)能力差,生態(tài)敏感度高。生態(tài)敏感中值區(qū)主要分布于中部磨溪河、后溪河兩側(cè)河谷,該區(qū)巖溶發(fā)育度較高,地下水豐富,土壤類型以石灰土為主,質(zhì)地為壤質(zhì)粘土,表層碳酸鈣含量6%以上,土層淺薄,土壤侵蝕以中度為主,頁巖氣沿河開采易造成水環(huán)境污染,呈中度敏感。磨溪河、后溪河河谷外的低山丘陵區(qū)屬生態(tài)敏感低值區(qū),坡度15—25°,土壤與裸巖鑲嵌分布,不連片,生物富集較強(qiáng),土質(zhì)松軟,植被類型以松、杉、竹為主,呈零星分布,土壤侵蝕以輕度為主,生態(tài)系統(tǒng)相對穩(wěn)定。

3.3 生態(tài)風(fēng)險

運用公式(1),綜合焦石壩頁巖氣產(chǎn)建區(qū)土地?fù)p毀生態(tài)擾動程度及生態(tài)敏感度,結(jié)果按照數(shù)據(jù)自然斷點分成3個類型區(qū),即低風(fēng)險區(qū),中等風(fēng)險區(qū),高風(fēng)險區(qū)(表7),分別完成2012年、2015年生態(tài)風(fēng)險分區(qū)(圖4)。

表7 涪陵焦石壩頁巖氣產(chǎn)能建設(shè)區(qū)生態(tài)風(fēng)險分區(qū)表

圖4 涪陵焦石壩頁巖氣產(chǎn)建區(qū)生態(tài)風(fēng)險分布圖Fig.4 The ecological risk of the shale gas production region in Fuling Jiaoshiba

(1)從數(shù)量上看, 2012年,區(qū)域2/3以上面積為生態(tài)低風(fēng)險區(qū),到2015年低風(fēng)險區(qū)面積減少了近1/3(78.79 km2)；而中、高風(fēng)險區(qū)面積有所增加,從67.78 km2增到146.57km2,其中,高風(fēng)險區(qū)增加25.68 km2(9.8%)。近3年的頁巖氣開采,導(dǎo)致區(qū)域土地?fù)p毀面積擴(kuò)大,累積生態(tài)影響嚴(yán)重,涪陵焦石壩開采區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及采氣中頻繁的取水、排污等,導(dǎo)致烏江兩岸生態(tài)風(fēng)險增加。

(2)從分布上看,2012—2015年,區(qū)域南部烏江沿岸地區(qū)及中部后溪河、磨溪河河谷局部地區(qū)由低風(fēng)險轉(zhuǎn)為高風(fēng)險,北部高生態(tài)風(fēng)險區(qū)持續(xù)向外擴(kuò)張。2015年,南、北部高風(fēng)險區(qū)內(nèi),頁巖氣開采土地?fù)p毀面積達(dá)3.67km2,占類型區(qū)8.2%,井密度大,且生態(tài)敏感度高。頁巖氣開采單井用水量約2—4萬m3,短期大規(guī)模用水對烏江水域水生生物、水質(zhì)有一定影響；另外,壓裂返排液鹽分含量高達(dá)10%,如處理不當(dāng),易進(jìn)入地下、附近水域及周邊土壤,加大南部烏江及下游的水環(huán)境污染及土壤污染風(fēng)險。北部低山區(qū)的頁巖氣井場、道路、集輸管網(wǎng)等建設(shè),導(dǎo)致區(qū)域生境破碎,帶來水土流失、石漠化、生物多樣性減少等風(fēng)險。中部生態(tài)低風(fēng)險區(qū),土地利用類型以林地為主,面積64.34 km2,占類型區(qū)55.4%,局部植被覆蓋度高,一定程度上阻止了頁巖氣開采生態(tài)擾動的向外擴(kuò)散,且區(qū)域土壤侵蝕及石漠化都呈低敏感,生態(tài)系統(tǒng)相對安全。

4 結(jié)論與討論

2012—2015年末,涪陵焦石壩頁巖氣產(chǎn)建區(qū)鉆井?dāng)?shù)量迅速增多,分布廣,林地分散,植被對土地?fù)p毀危害擴(kuò)散的阻力相對較小,頁巖氣開采對區(qū)域生態(tài)影響累積作用增大。本文通過土地?fù)p毀的潛在風(fēng)險表征因子確定其生態(tài)擾動強(qiáng)度,即不同類型的土地?fù)p毀具有不同的潛在風(fēng)險,風(fēng)險表征因子具有不同的權(quán)重且為常數(shù),可實現(xiàn)各類土地?fù)p毀的生態(tài)影響程度定量化。但也存在一定問題,實際中,各類風(fēng)險表征因子的擴(kuò)散影響因素和擴(kuò)散方式各不相同,具有空間差異性；相同的土地?fù)p毀類型,由于其開采規(guī)模、開采強(qiáng)度不同,其對周邊環(huán)境擾動也有不同,道路的使用頻率及集輸管線建設(shè)規(guī)模不同,對生態(tài)影響也不同,如何實現(xiàn)各風(fēng)險因子的空間化,如何細(xì)化土地?fù)p毀的生態(tài)擾動強(qiáng)度有待進(jìn)一步研究。另外,區(qū)域地形、氣候、景觀類型、植被覆蓋度、生態(tài)兼容性等都對土地?fù)p毀生態(tài)擾動強(qiáng)度對外擴(kuò)散有影響,而涪陵焦石壩頁巖氣產(chǎn)建區(qū)屬磨溪河流域,面積偏小,地形起伏小,氣候差異不明顯,景觀破碎度較高,對比之下區(qū)域植被覆蓋度差異明顯,故以其為區(qū)域土地?fù)p毀擾動擴(kuò)散阻力因子。如今后實現(xiàn)面積較大區(qū)域的評價時,可考慮多方面綜合計算土地?fù)p毀擾動阻力。

涪陵焦石壩頁巖氣產(chǎn)建區(qū)地處巖溶地區(qū),生態(tài)相對脆弱,生態(tài)敏感高值區(qū)占區(qū)域面積的1/5,中值區(qū)約占一半,主要分布于烏江、磨溪河、后溪河兩側(cè)河谷及北部低山地區(qū)。區(qū)域生態(tài)敏感度越高,頁巖氣開發(fā)過程中的大量鉆井作業(yè)、工程運輸和集輸管道建設(shè)造成的生態(tài)風(fēng)險就逐年增大,是生態(tài)環(huán)境監(jiān)管及生態(tài)風(fēng)險防治的重點地區(qū)。到2015年末,生態(tài)風(fēng)險中、高值區(qū)達(dá)146.56km2,占總面積55.8%,且空間分異顯著。頁巖氣開采生態(tài)環(huán)境影響是動態(tài)的,生態(tài)風(fēng)險也是動態(tài)的,故多時序遙感影像監(jiān)測區(qū)域生態(tài)環(huán)境演變過程,實現(xiàn)區(qū)域生態(tài)風(fēng)險動態(tài)評價是可行的。

頁巖氣開發(fā)土地?fù)p毀的生態(tài)環(huán)境影響因素多、生態(tài)環(huán)境風(fēng)險大,貫穿頁巖氣勘探開發(fā)的全過程。嚴(yán)格控制及合理布設(shè)頁巖井位,盡量避開大江大河、重要生態(tài)功能區(qū)、嚴(yán)重水土流失等生態(tài)敏感高值區(qū),盡快恢復(fù)運輸?shù)缆穬蓚?cè)及集輸管線建設(shè)區(qū)的地表植被；針對頁巖氣開采中的鉆井、壓裂、試氣等排污關(guān)鍵環(huán)節(jié),加強(qiáng)井場及周邊地表水、地下水、土壤、大氣環(huán)境的監(jiān)測,控制污染物濃度在生態(tài)環(huán)境可接受范圍內(nèi)[34]。堅持空間分區(qū)、風(fēng)險分級和全過程防控的理念,管理頁巖氣開發(fā)的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險,以保障區(qū)域生態(tài)環(huán)境安全。

致謝：感謝重慶師范大學(xué)李月臣教授對本研究的幫助。

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EcologicalriskassessmentoflanddestructionbyshalegasdevelopmentatFulingJiaoshiba,China

ZHANG Hong1,2,3, ZHANG DaiJun1,*, LU Peili1

1StateKeyLaboratoryofCoalMineDisasterDynamicsandControl,Chongqing400044,China2CollegeofGeographyandTourism,ChongqingNormalUniversity,Chongqing401331,China3KeyLaboratoryofThreeGorgesReservoirRegionSurfaceProcessesandEnvironmentRemoteSensing,Chongqing401331,China

國家自然科學(xué)基金資助項目(41501582);2015年度國家環(huán)境技術(shù)管理項目(2110109);重慶教委人文社會科學(xué)項目(12SKE07);重慶市環(huán)保局科技項目(2014-0120);煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室科研基金項目(2011DA105287-ZD201505)

2016- 06- 02; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 04- 24

10.5846/stxb201606021068

*通訊作者Corresponding author.E-mail: dzhang@cqu.edu.cn

張虹, 張代鈞, 盧培利.涪陵焦石壩頁巖氣開采區(qū)土地?fù)p毀的生態(tài)風(fēng)險評價.生態(tài)學(xué)報,2017,37(17):5807- 5817.

Zhang H, Zhang D J, Lu P L.Ecological risk assessment of land destruction by shale gas development at Fuling Jiaoshiba, China.Acta Ecologica Sinica,2017,37(17):5807- 5817.