馮迪，胡雨村，王龍(1．北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京;．西南油氣田公司，610041，成都)

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四川地區(qū)天然氣開采對(duì)土壤滲透性的影響

馮迪1，2，胡雨村1?，王龍2
(1．北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京;2．西南油氣田公司，610041，成都)

摘要:土壤的滲透性是評(píng)價(jià)土壤涵養(yǎng)水源功能的重要指標(biāo)之一，為明確天然氣開采不同工程類型擾動(dòng)后對(duì)土壤層的不同年限水文生態(tài)效應(yīng)及其水源涵養(yǎng)功能的影響，以天然氣開采為例，分析其建設(shè)活動(dòng)對(duì)3類地貌類型、4種工程類型、4段年限內(nèi)的研究區(qū)樣地土壤滲透系數(shù)的影響情況。采用相關(guān)性分析及回歸分析方法，分析天然氣開采對(duì)土壤滲透系數(shù)的影響。結(jié)果表明:1)天然氣開采對(duì)土壤滲透系數(shù)有一定的影響，但是這種影響隨著建成年限的增長(zhǎng)而逐漸減弱，到第5年基本得以恢復(fù);2)通過對(duì)不同地貌、不同工程類型的土壤滲透系數(shù)隨年限變化情況進(jìn)行擬合，表明采用3次多項(xiàng)式擬合效果最好，R2均大于0.95，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有極顯著的相關(guān)性，可用來預(yù)測(cè)滲透系數(shù)未來的變化趨勢(shì);3)滲透系數(shù)與土壤的化學(xué)性質(zhì)相關(guān)性方面全氮最為顯著，與土壤的重金屬含量相關(guān)性方面鉛最為顯著。

關(guān)鍵詞:天然氣開采;土壤滲透性;土壤化學(xué)性質(zhì);土壤重金屬含量

項(xiàng)目名稱:中國石油西南油氣田分公司科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目“川渝地區(qū)天然氣開采水土保持功能影響研究”(201403011 01)

土壤的保水作用能延長(zhǎng)徑流時(shí)間，洪峰期可降低流量，枯水期可保持供給，起到調(diào)節(jié)河流水位的作用，并提供當(dāng)?shù)刂参锷L(zhǎng)的必要條件。土壤中的水分通過地表蒸發(fā)、植物蒸騰等方式回到大氣，是生物圈水分調(diào)節(jié)，維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)平衡不可缺少的一部分［1 5］。土壤滲透性是土壤保水能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，也是土壤侵蝕的主要影響因素之一［6 10］。目前大量對(duì)土壤的滲透性的研究［11 18］表明，土壤滲透性越強(qiáng)，地表徑流愈小，水土流失量也愈小。以往學(xué)者建立的 Horton、Green-Ampt等模型及公式［19 20］，能夠準(zhǔn)確的模擬土壤入滲過程，為后人的研究奠定了基礎(chǔ)。

目前關(guān)于開發(fā)建設(shè)活動(dòng)對(duì)土壤滲透性影響方面的研究較少，特別是天然氣開采對(duì)土壤滲透性的影響及恢復(fù)方面的研究更是鮮有耳聞;但在天然氣開發(fā)建設(shè)的實(shí)際情況中，井場(chǎng)及管線施工對(duì)周圍地表土壤大量擾動(dòng)，改變了土壤原有的物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)，對(duì)土壤滲透性產(chǎn)生的影響不容忽視［21］。本文以四川地區(qū)天然氣開發(fā)重點(diǎn)區(qū)塊為研究對(duì)象，分析不同建成年限、不同工程區(qū)域、不同地貌條件下的土壤滲透性，定量得出天然氣開發(fā)對(duì)土壤滲透性的破壞，構(gòu)建土壤滲透性與建成年限的回歸模型，確定土壤滲透性恢復(fù)至正常水平的年限，揭示土壤化學(xué)性質(zhì)與重金屬含量對(duì)土壤滲透性的影響機(jī)理，為后續(xù)天然氣開采對(duì)土壤涵養(yǎng)水源功能的影響研究提供參考。

1　研究區(qū)概況

研究區(qū)為位于四川省境內(nèi)(E 103°42'～106° 32'，N 30°26'～31°37')的遂寧安岳磨溪?dú)馓铩⒕d陽梓潼氣田，2個(gè)氣田地理位置距離較近。該地區(qū)氣候類型為為亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候。遂寧安岳磨溪?dú)馓锬昶骄鶜鉁?6.7～17.4℃，年平均降水量909～1 097 mm，相對(duì)濕度80% ～82%，屬于盆地中部丘陵低山地區(qū)，地貌類型單一，土壤類型分別為新積土、紫色土、黃壤土及水稻土4類;綿陽梓潼氣田年平均氣溫 15.0～17.0℃，年平均降水量 963～1 132 mm，相對(duì)濕度72% ～83%，地勢(shì)西北高，東南低，地形起伏顯著，山地面積比例較大，土壤以紫色土為主。研究區(qū)內(nèi)林地、植被發(fā)育良好，屬亞熱帶常綠闊葉林、亞熱帶竹林，有構(gòu)樹(Broussonetia papyrifera)、槐樹(Sophora japonica)、巨桉(Eucalyptus grandis)、馬尾松(Pinus massoniana)、榕樹(Ficus microcarpa)、水杉(Metasequoia glyptostnobcides)、鵝觀草(Elymus kamoji)、毛茛(Ranunculus japonicus)、三葉草(Galium odoratum)、桑樹(Morus albs)、小葉榕(Ficus microcarpa)等樹種。

2　材料與方法

2.1實(shí)驗(yàn)樣地

選取3種不同地貌:山區(qū)、丘陵、平原;5種不同工程區(qū)域:站場(chǎng)、管道、污水池、道路及對(duì)照;4種不同建成年限:0～1、1～5、5～10及10年以上，各年限內(nèi)分別選取2～3個(gè)樣地，共計(jì)選取150個(gè)樣地。2.2實(shí)驗(yàn)方法

供試土壤為紫色土，通過野外實(shí)驗(yàn)測(cè)得各樣地平均土壤滲透系數(shù)，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)得各樣地土壤化學(xué)指標(biāo):pH、有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀及全氮，土壤重金屬含量:砷(As)、汞(Hg)、鉛(Pb)、鎘(Cd)、鉻(Cr)及鋅(Zn)。在進(jìn)行滲透試驗(yàn)以及土樣采集時(shí)，取地表10 cm以下土壤。

滲透系數(shù)采用雙環(huán)法測(cè)定［22］;土壤化學(xué)指標(biāo)及重金屬含量參考國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)定［23］。

2.3數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理與分析運(yùn)用Excel 2010和SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)軟件。

3　結(jié)果與分析

3.1土壤滲透性特征分析

土壤滲透性主要由滲透系數(shù)表示，滲透系數(shù)越大，表明該土壤滲透性能越好，徑流損失越少，保水保土效果越好。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得的滲透系數(shù)結(jié)果如圖1所示。

圖1　土壤滲透系數(shù)變化曲線Fig．1　Variation curve of soil infiltration coefficient

各地貌類型下站場(chǎng)及道路工程區(qū)域的土壤滲透系數(shù)隨著建成年限的增長(zhǎng)逐漸提高，而污水池及管道工程區(qū)域的土壤滲透系數(shù)則隨年限增長(zhǎng)逐漸降低，對(duì)照工程區(qū)域的土壤滲透系數(shù)年際變化不大(圖1)。

在建成0～1年時(shí)間內(nèi)，污水池及管道工程區(qū)域的土壤滲透系數(shù)最高，而站場(chǎng)、道路及對(duì)照工程區(qū)域的土壤滲透系數(shù)差異較小。隨著時(shí)間推移，建成1～5年，污水池及管道工程區(qū)域的土壤滲透系數(shù)大幅度降低，而其他工程區(qū)域土壤滲透系數(shù)變化較小。最大值與最小值之間的差距最小為最小值的2倍，遠(yuǎn)小于0～1年的差異。建成5年以后，各地貌類型各工程區(qū)域土壤滲透系數(shù)變化幅度均較小，滲透系數(shù)最大值與最小值之間的差異保持在最小值的5倍左右，遠(yuǎn)小于0～1年的差異。

根據(jù)天然氣開采的施工工藝，得出滲透系數(shù)變化的主要原因有:站場(chǎng)及道路工程區(qū)域在建設(shè)初期因夯實(shí)及車輛碾壓等原因，土壤較為密實(shí)，滲透系數(shù)較小，建成后被車輛碾壓情況減少，土壤出現(xiàn)超固結(jié)回彈，加之雨水沖刷及植物生長(zhǎng)等原因，使得滲透系數(shù)逐漸增大;污水池及管道工程區(qū)域則因建設(shè)期間采用松土回填，未經(jīng)夯實(shí)或夯實(shí)不完全，土壤較為疏松，滲透系數(shù)較大，隨著土體自身沉降等原因，土壤逐漸緊實(shí)，滲透系數(shù)逐漸降低;對(duì)照工程區(qū)域因未被擾動(dòng)，故滲透系數(shù)未出現(xiàn)明顯變化。

通過分析各工程區(qū)域土壤滲透系數(shù)隨著建成年限的變化情況以及各工程區(qū)域土壤滲透系數(shù)值之間差異的變化情況，可得:天然氣開采對(duì)站場(chǎng)、管道、污水池及道路工程區(qū)域土壤滲透系數(shù)有一定的影響，但隨著時(shí)間的推移，這種影響會(huì)逐漸恢復(fù)。在建成第5年，各工程區(qū)域滲透系數(shù)已經(jīng)基本恢復(fù)到對(duì)照工程區(qū)域的狀態(tài)，說明天然氣開采對(duì)土壤滲透系數(shù)造成的影響在建成第5年基本恢復(fù)。

3.2不同年限下土壤滲透性過程擬合

為研究土壤滲透系數(shù)隨著建成年限增長(zhǎng)的變化趨勢(shì)及預(yù)測(cè)今后的變化情況，現(xiàn)對(duì)土壤滲透系數(shù)變化情況進(jìn)行趨勢(shì)線擬合，以建成年限為自變量，土壤滲透系數(shù)值為因變量，分別擬合不同地貌不同區(qū)域的滲透系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線。其中，建成年限分為4個(gè)階段:0～1、1～5、5～10及10年以上，每個(gè)階段土壤滲透系數(shù)值為2～3個(gè)，則每條曲線由8～12個(gè)值點(diǎn)構(gòu)成，結(jié)合目前的曲線形式，分別采用線性、多項(xiàng)式、冪指數(shù)3種方式進(jìn)行擬合(表1)。

表1　滲透系數(shù)回歸擬合結(jié)果Tab．1　Fitting results of infiltration coefficient regression

當(dāng)分別采用線性、多項(xiàng)式以及冪指數(shù)對(duì)不同地貌不同區(qū)域的土壤滲透系數(shù)隨建成年限變化進(jìn)行擬合時(shí)，3次多項(xiàng)式擬合效果最好，R2均＞0.95，表明該多項(xiàng)式與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有極顯著的相關(guān)性。冪指數(shù)擬合效果次于多項(xiàng)式，但優(yōu)于線性相關(guān)，回歸擬合 R2均＞0.7，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有較高的相關(guān)性。線性回歸擬合效果最差，回歸擬合R2在0.3～0.8之間，擬合效果不理想。

綜上所述，采用多項(xiàng)式對(duì)不同地貌不同區(qū)域的土壤滲透系數(shù)隨年限變化情況進(jìn)行擬合效果最好，可以用來驗(yàn)證或預(yù)測(cè)未來更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)各工程類型區(qū)滲透系數(shù)隨年限變化的趨勢(shì)，以便更清晰的了解工程擾動(dòng)后土壤滲透性恢復(fù)情況。

3.3土壤化學(xué)性質(zhì)及重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)土壤滲透性的影響

設(shè)土壤有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為X1，pH為X2，速效氮、速效磷、速效鉀、全氮、砷、汞、鉛、鎘、鉻和鋅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為X3～X12，土壤滲透系數(shù)為Y。分別將X1～12與 Y進(jìn)行相關(guān)性分析(表2)。

在土壤化學(xué)性質(zhì)方面，土壤滲透系數(shù)與土壤pH值呈極顯著負(fù)相關(guān)，與有機(jī)質(zhì)和全氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，與速效磷呈顯著正相關(guān)，與速效氮、速效鉀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)性不顯著;土壤滲透系數(shù)與砷、鉛及鋅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)，與汞、鎘、鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)性關(guān)系不顯著。

表2　土壤化學(xué)性質(zhì)及重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)與滲透系數(shù)相關(guān)關(guān)系矩陣Tab．2　Correlation matrix of soil chemical properties，heavy metal content and infiltration coefficient

結(jié)果表明，pH值與土壤滲透性呈極顯著負(fù)相關(guān)，這與前人研究成果［24 25］一致，原因在于 pH值越大，土壤中含有的交換性鈉含量越大，土粒越分散，土壤黏重閉結(jié)，通透性就越差，不利于水分的流通與保持。全氮、速效磷和有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)等幾個(gè)主要化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)數(shù)值對(duì)土壤滲透系數(shù)影響都比較顯著，不僅決定土壤肥力的大小，而且關(guān)系到土壤滲透能力的強(qiáng)弱。

重金屬中砷、鉛、鋅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤滲透系數(shù)呈顯著相關(guān)，說明此3種重金屬含量、土壤飽和持水量和土壤滲透系數(shù)有一定的相關(guān)關(guān)系;但是目前未有權(quán)威的重金屬含量與土壤飽和持水量及土壤滲透系數(shù)之間影響機(jī)理的研究，仍待論證。

根據(jù)以上相關(guān)分析結(jié)果，本文將與土壤滲透系數(shù)極顯著或顯著相關(guān)的因子 X1、X2、X4、X6、X7、X9、X12等7個(gè)因子分為土壤化學(xué)性質(zhì)、土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)2類進(jìn)行主成分分析。

表3　土壤化學(xué)性質(zhì)主成分分析Tab．3　Principal component analysis of soil chemical properties

土壤化學(xué)性質(zhì)主成分分析(表3)表明，第1主成分方差貢獻(xiàn)率為57.29%，其中以全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的負(fù)荷量最大，為0.823，pH的負(fù)荷量最小，但也高達(dá)0.717，均大于其他主成分。表明與土壤滲透系數(shù)相關(guān)的土壤化學(xué)性質(zhì)在第1主成分中表達(dá)了絕大多數(shù)信息。其方程為 α=0.479X1－0.474X2+ 0.501X4+0.546X6。

表4　土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)主成分分析Tab．4　Principal component analysis of soil heavy metal content

土壤重金屬含量主成分分析(表4)表明，第1主成分方差貢獻(xiàn)率為57.30%，其中以鉛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)負(fù)荷量最大，為0.793，鋅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)負(fù)荷量最小，但也高達(dá)0.695，均大于其他主成分。表明與土壤滲透系數(shù)相關(guān)的土壤重金屬在第1主成分中表達(dá)了絕大多數(shù)信息。其方程為 β=0.593X7－0.605X9+ 0.530X12。

根據(jù)分析結(jié)果，α和β分別定義為化學(xué)性質(zhì)和重金屬成分參數(shù)。以化學(xué)成分及重金屬成分的標(biāo)準(zhǔn)化主成分得分為自變量，土壤滲透系數(shù)(Y)為因變量，分析得到回歸方程:Y=0.000 37α－0.000 18β+ 0.000 89(R2=0.630，P=0.001)。

4　結(jié)論與討論

1)通過室外實(shí)驗(yàn)，分析得到不同建成年限、不同區(qū)域、不同地貌的土壤滲透系數(shù)隨建成年限的變化情況，表明天然氣開采對(duì)站場(chǎng)、管道、污水池及道路工程區(qū)域土壤滲透系數(shù)有一定的影響，但是這種影響隨著建成年限的增長(zhǎng)逐漸減弱，到第5年基本恢復(fù)。

2)在回歸擬合模型中，多項(xiàng)式對(duì)不同地貌不同區(qū)域的土壤滲透系數(shù)隨建成年限變化情況的擬合效果最好，R2均＞0.95，可以用來驗(yàn)證或預(yù)測(cè)未來更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)各工程類型區(qū)土壤滲透系數(shù)隨建成年限變化的趨勢(shì)。

3)通過土壤化學(xué)性質(zhì)及重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)12項(xiàng)因子對(duì)土壤滲透性的影響進(jìn)行相關(guān)性分析表明，有機(jī)質(zhì)、全氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及砷、鉛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)土壤滲透系數(shù)影響顯著。再將篩洗出的顯著因子綜合進(jìn)行主成分回歸分析，全氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)負(fù)荷最大，在土壤化學(xué)性質(zhì)對(duì)滲透性影響中起到主要作用;鉛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在重金屬方面表現(xiàn)最為突出。

由于實(shí)驗(yàn)過程中研究時(shí)間及工程特點(diǎn)等因素的制約，天然氣項(xiàng)目的開采時(shí)間階段仍有待細(xì)化，下一步研究中將加強(qiáng)對(duì)開采10年后的天然氣工程項(xiàng)目更細(xì)致劃分及跟蹤，以期彌補(bǔ)某細(xì)微時(shí)間段的空白，達(dá)到更精準(zhǔn)的研究效果。

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Effects of gas exploitation on soil infiltration characteristics in Sichuan province

Feng Di1，2，Hu Yucun1，Wang Long2
(1．School of Soil and Water Conservation，Beijing Forest University，100083，Beijing，China;2．Petrochina Southwest Oil，610041，Chengdu，China)

Abstract:［Background］The goal of this study was to determine the effects of gas exploitation on soil infiltration．Soil infiltration capability is one of the most important indexes used to assess the effect of soil in water conservation，which depends on many internal and external factors，and is closely correlated with types of landform，types of project area，types of soil and so on．It is also a key factor in modeling soil water movement and erosion process．［Methods］Selecting 2 gas fields in Sichuan as the research target，we analyzed the effects of construction work during gas exploitation on soil infiltration coefficient in 3 types of landform(mountain area，hilly，and plain)，4 types of construction area(well site，sewage lagoon，roadway，pipeline，and contrast)and 4 different time periods(0－1，1－5，5－10，and＞10 years)，and used bare land as a control;2－3 samples were collected in each landform and each project area per period，thus totally 150 samples were obtained．The infiltration coefficient in each sampling site was determined in field according to national standard by measuring accumulative water quantity，and the chemical properties of the samples were measured based on the national standard of environmental quality．The principal component analysis were used to analyze the correlations of them，i．e．，the effects of gas exploitation on soil infiltration coefficient．［Results］1)Gas exploitation caused certain effects onsoil infiltration coefficient，but such effects were gradually reduced over time and completely recovered in the fifth year after construction．2)The infiltration coefficient over time in different types of landforms and projects were fitted，and the results revealed that the fitting effect was the best using the cubic polynomial with the R2＞0.95，showing a significant correlation between measured data，and it could be utilized to predict the change trend of the infiltration coefficient in the future．3)Regarding the correlation between soil infiltration coefficient and the chemical properties of soil，it was in the most significant with total nitrogen content;while on heavy metals of soil，Pb content was the most significantly correlated with the infiltration coefficient．Using soil chemical composition factors and representative factors as the independent variables of soil heavy metal content and soil infiltration coefficient as a dependent variable，the equation of variables was established．The correlation analysis of the impact of soil chemical properties and the heavy metal content factors on soil infiltration coefficient showed that the mass fraction of organic，total nitrogen，arsenic and lead had significant effect on soil infiltration coefficient．The principal component regression of significant impact factor showed that the mass fraction of total nitrogen was maximum，which played leading roles in the impact of soil chemical properties on soil infiltration coefficient;the mass fraction of lead had outstanding performance with regard to the heavy metal content．

Keywords:gas exploitation;soil infiltration capability;soil chemical properties;the contents of heavy metals

中圖分類號(hào):S152.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1672-3007(2016)03-0116-07

DOI:10．16843/j．sswc．2016．03．015

收稿日期:2015 03 04修回日期:2015 11 03

第一作者簡(jiǎn)介:馮迪(1984—)，女，博士。主要研究方向:水土保持與荒漠化防治。E-mail:21886226@qq．com

通信作者?簡(jiǎn)介:胡雨村(1958—)，男，博士，教授。主要研究方向:山地災(zāi)害和水土保持。E-mail:huyucun@bjfu．edu．cn