四川盆地區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 安全環保與技術監督研究院，四川 成都 610041)

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四川盆地區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 安全環保與技術監督研究院，四川 成都 610041)

天然氣田；土壤飽和持水量；恢復年限；化學成分；主成分分析；四川

四川盆地區天然氣儲量豐富，在開采過程中，會擾動地表、破壞土壤物理結構，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，試驗測定研究區內不同地貌類型、不同工程區域、不同工程建成年限的土壤飽和持水量變化情況，結果表明：開采活動結束1～5 a內，平原、山區、丘陵地貌下的站場、管道、污水池及道路區域土壤飽和持水量可以恢復到建設前的狀態，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α，并構建土壤飽和持水量與綜合參數α的線性回歸模型，可為四川地區天然氣開采對土壤飽和持水量的影響研究提供理論依據。

土壤的水源涵養功能是一項重要的生態服務功能[1]。土壤飽和持水量則是反映土壤涵養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，建設活動是其中的一個重要因素，因為建設活動會改變地表結構，破壞地表植被，進而對土壤飽和持水量造成影響，從而影響土壤涵養水源的功能。四川地區天然氣資源豐富，據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，在生產期間幾乎不產生固體廢棄物，對地表破壞較小，但是在建設期間，天然氣站場及管道建設會擾動土壤，改變土壤物理性質、降低周邊植被覆蓋率，從而導致土壤飽和持水量發生變化。本文以四川盆地區天然氣田為研究區，試驗測定研究區內不同地貌類型、不同工程區域、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年限。

1　研究區概況

研究區為四川省的安岳縣、梓潼縣境內，介于東經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，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。研究區植被發育良好，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，分別在研究區內選取山區、丘陵、平原3種地貌類型，0～1、1～5、5～10、>10 a(各年限內分別選取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，土壤容重采用環刀法測定，土壤質量含水率采用烘干法測定。

2.3數據處理

采用Excel 2010和SPSS(20.0)統計軟件進行試驗數據處理。

3　結果與分析

3.1土壤飽和持水量分析

根據密度、容重等試驗結果，計算得到飽和持水量值，繪制不同工程區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　平原地區土壤飽和持水量變化曲線

圖2　山區土壤飽和持水量變化曲線

圖3　丘陵地區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、各工程區域的土壤飽和持水量差異極大，污水池和管道區域土壤飽和持水量最大，站場和道路區域最小，對照區域處于中間水平。隨著時間的推移，污水池和管道工程區域的土壤飽和持水量逐漸減小，而站場和道路工程區域的土壤飽和持水量則逐漸增加，對照工程區域飽和持水量變化較小。對照工程區域與其他工程區域土壤飽和持水量值差異在1%～3%之間。

建成1～5 a內，對照工程區域與其他工程區域土壤飽和持水量的差異一直維持在5%以內，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。出現這種變化大致有以下兩點原因：不同地貌類型區自然環境不同；不同地貌類型區土壤質地不同。山區森林覆蓋率高，10 a之后植被恢復程度高于平原及丘陵地區，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，各工程區域土壤飽和持水量已經基本恢復到建設前的狀態。

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測今后的變化情況，現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域的飽和持水量隨時間的變化曲線。結合目前的曲線形式，本次分別采用線性回歸、多項式、冪指數三種方式進行擬合。擬合結果見表1。

表1　飽和持水量回歸擬合結果

注：|R2|越大，說明殘差平方和越小，模型的擬合效果越好。

根據擬合結果可以看出，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

設土壤有機質含量為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進行相關性分析，結果見表2。

表2　土壤化學性質與飽和持水量相關關系矩陣

注：**表示在 0.01水平(雙側)上顯著相關。

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

結果表明：有機質的增加可以改善土壤結構[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，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]。

根據以上分析結果，選擇與土壤飽和持水量極顯著相關的因子，即有機質含量(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相關的土壤化學性質在第一主成分中表達了絕大多數信息。其方程為

α=0.479α1-0.474α2+0.501α3+0.546α4

根據分析結果，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。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　語

通過野外調查及室內試驗，分析了不同工程建成年限、不同工程區域、不同地貌類型的土壤飽和持水量，并結合相關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，結論如下：①天然氣開采對站場、管道、污水池及道路工程區域飽和持水量有一定的影響，隨著工程建成年限的增長，各工程區域土壤飽和持水量逐漸與對照工程區域持平，在建成后1～5 a內各工程區域土壤飽和持水量與對照工程區域基本相等，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。②對各工程區域采用不同方式進行擬合，結果表明多項式對不同地貌類型、不同工程區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情況。③土壤飽和持水量與pH值、有機質含量、全氮含量、速效磷含量均有相關關系。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程度及恢復年限，但本研究仍有不足之處：①由于在地類劃分時，僅將地類根據地形劃分，而未在地形基礎上對占地類型(如耕地、林地等)進行細分，加之土壤取樣具有隨機性，因此本研究結果僅對所取土樣具有代表性，而對于實際規律仍需進行驗證。②在工程建成年限的選取上時間尺度較大，得出的恢復年限較為寬泛。在今后的研究中，應在本結論的基礎上，對占地類型進行細分，并在1～5 a基礎上將工程建成年限進一步細化，以求得到更為精確的結論。

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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項目水土保持研究工作。

2015-07-06