王　龍，銀小兵，呂曉航，廖　婧

(中國(guó)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(kāi)采對(duì)土壤飽和持水量的影響

王龍，銀小兵，呂曉航，廖婧

(中國(guó)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(xué)成分；主成分分析；四川

四川盆地區(qū)天然氣儲(chǔ)量豐富，在開(kāi)采過(guò)程中，會(huì)擾動(dòng)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(yàn)測(cè)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(kāi)采活動(dòng)結(jié)束1～5 a內(nèi)，平原、山區(qū)、丘陵地貌下的站場(chǎng)、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(xiàng)式對(duì)土壤飽和持水量的變化情況進(jìn)行擬合，用以預(yù)測(cè)今后的變化趨勢(shì)；通過(guò)主成分分析法，得到土壤飽和持水量化學(xué)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(kāi)采對(duì)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(xiàng)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(biāo)，指的是土壤孔隙全部充滿水時(shí)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(dòng)是其中的一個(gè)重要因素，因?yàn)榻ㄔO(shè)活動(dòng)會(huì)改變地表結(jié)構(gòu)，破壞地表植被，進(jìn)而對(duì)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(guó)第二次油氣資源評(píng)價(jià)，四川天然氣資源總量為7.2萬(wàn)億m3，可采儲(chǔ)量為2.49萬(wàn)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(duì)地表破壞較小，但是在建設(shè)期間，天然氣站場(chǎng)及管道建設(shè)會(huì)擾動(dòng)土壤，改變土壤物理性質(zhì)、降低周邊植被覆蓋率，從而導(dǎo)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(yàn)測(cè)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(jī)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(fēng)濕潤(rùn)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(gè)土類。梓潼縣年均氣溫15.0～17.0 ℃，年均降水量963～1 132 mm，地勢(shì)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(yàn)樣地

為研究天然氣開(kāi)采對(duì)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(gè)樣地)4種工程建成年限，站場(chǎng)、管道、污水池、道路及對(duì)照5種工程區(qū)域，共計(jì)150個(gè)樣地。

2.2試驗(yàn)方法

飽和持水量計(jì)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(cè)定，土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定，土壤質(zhì)量含水率采用烘干法測(cè)定。

2.3數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和SPSS(20.0)統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果，計(jì)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(shì)，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(chǎng)和道路區(qū)域最小，對(duì)照區(qū)域處于中間水平。隨著時(shí)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(chǎng)和道路工程區(qū)域的土壤飽和持水量則逐漸增加，對(duì)照工程區(qū)域飽和持水量變化較小。對(duì)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(duì)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(dá)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(shì)，山區(qū)地貌類型土壤飽和持水量有逐漸上升的趨勢(shì)，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(diǎn)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(guò)以上分析可以得出：天然氣開(kāi)采對(duì)站場(chǎng)、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(shí)間的推移，這種影響會(huì)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(guò)程擬合

為研究土壤飽和持水量隨著年限增長(zhǎng)的變化趨勢(shì)及預(yù)測(cè)今后的變化情況，現(xiàn)對(duì)飽和持水量變化情況進(jìn)行趨勢(shì)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(shí)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(xiàng)式、冪指數(shù)三種方式進(jìn)行擬合。擬合結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　飽和持水量回歸擬合結(jié)果

注：|R2|越大，說(shuō)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(xiàng)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(xué)成分對(duì)土壤飽和持水量的影響

設(shè)土壤有機(jī)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(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　土壤化學(xué)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(fù)相關(guān)，與有機(jī)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(jī)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(fù)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(jī)質(zhì)含量(α1)、pH值(α2)、速效磷含量(α3)、全氮含量(α4)，然后進(jìn)行主成分分析。

表3　土壤化學(xué)成分主成分分析

化學(xué)成分主成分分析結(jié)果表明，第一主成分方差貢獻(xiàn)率為57.29%，其中以全氮的負(fù)荷量最大，為0.823，pH值的負(fù)荷量最小，但也高達(dá)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(xué)性質(zhì)在第一主成分中表達(dá)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(xué)成分含量的主成分，可定義為化學(xué)成分參數(shù)。以化學(xué)成分的標(biāo)準(zhǔn)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(yǔ)

通過(guò)野外調(diào)查及室內(nèi)試驗(yàn)，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(kāi)采對(duì)土壤飽和持水量功能的影響，結(jié)論如下：①天然氣開(kāi)采對(duì)站場(chǎng)、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(zhǎng)，各工程區(qū)域土壤飽和持水量逐漸與對(duì)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(duì)照工程區(qū)域基本相等，此后保持同一變化趨勢(shì)，說(shuō)明天然氣開(kāi)采對(duì)土壤飽和持水量的影響在1～5 a即可恢復(fù)。②對(duì)各工程區(qū)域采用不同方式進(jìn)行擬合，結(jié)果表明多項(xiàng)式對(duì)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(jìn)行擬合效果最好，可以用來(lái)驗(yàn)證或預(yù)測(cè)未來(lái)土壤飽和持水量情況隨年限變化的趨勢(shì)，從而更清晰地了解工程擾動(dòng)后土壤功能恢復(fù)情況。③土壤飽和持水量與pH值、有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、速效磷含量均有相關(guān)關(guān)系。對(duì)土壤化學(xué)成分進(jìn)行主成分分析，得到化學(xué)成分第一主成分表達(dá)方程，并以化學(xué)成分的標(biāo)準(zhǔn)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(guò)以上分析，能夠初步得到天然氣開(kāi)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(shí)，僅將地類根據(jù)地形劃分，而未在地形基礎(chǔ)上對(duì)占地類型(如耕地、林地等)進(jìn)行細(xì)分，加之土壤取樣具有隨機(jī)性，因此本研究結(jié)果僅對(duì)所取土樣具有代表性，而對(duì)于實(shí)際規(guī)律仍需進(jìn)行驗(yàn)證。②在工程建成年限的選取上時(shí)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(duì)占地類型進(jìn)行細(xì)分，并在1～5 a基礎(chǔ)上將工程建成年限進(jìn)一步細(xì)化，以求得到更為精確的結(jié)論。

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(責(zé)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(kāi)發(fā)項(xiàng)目水土保持研究工作。

2015-07-06