四川地区天然气开采对土壤渗透性的影响

冯迪，胡雨村，王龙(1．北京林业大学水土保持学院，100083，北京;．西南油气田公司，610041，成都)



四川地区天然气开采对土壤渗透性的影响

冯迪1，2，胡雨村1†，王龙2
(1．北京林业大学水土保持学院，100083，北京;2．西南油气田公司，610041，成都)

摘要:土壤的渗透性是评价土壤涵养水源功能的重要指标之一，为明确天然气开采不同工程类型扰动后对土壤层的不同年限水文生态效应及其水源涵养功能的影响，以天然气开采为例，分析其建设活动对3类地貌类型、4种工程类型、4段年限内的研究区样地土壤渗透系数的影响情况。采用相关性分析及回归分析方法，分析天然气开采对土壤渗透系数的影响。结果表明:1)天然气开采对土壤渗透系数有一定的影响，但是这种影响随着建成年限的增长而逐渐减弱，到第5年基本得以恢复;2)通过对不同地貌、不同工程类型的土壤渗透系数随年限变化情况进行拟合，表明采用3次多项式拟合效果最好，R2均大于0.95，与实测数据有极显著的相关性，可用来预测渗透系数未来的变化趋势;3)渗透系数与土壤的化学性质相关性方面全氮最为显著，与土壤的重金属含量相关性方面铅最为显著。

关键词:天然气开采;土壤渗透性;土壤化学性质;土壤重金属含量

项目名称:中国石油西南油气田分公司科学研究与技术开发项目“川渝地区天然气开采水土保持功能影响研究”(201403011 01)

土壤的保水作用能延长径流时间，洪峰期可降低流量，枯水期可保持供给，起到调节河流水位的作用，并提供当地植物生长的必要条件。土壤中的水分通过地表蒸发、植物蒸腾等方式回到大气，是生物圈水分调节，维护生态系统平衡不可缺少的一部分［1 5］。土壤渗透性是土壤保水能力的评价指标之一，也是土壤侵蚀的主要影响因素之一［6 10］。目前大量对土壤的渗透性的研究［11 18］表明，土壤渗透性越强，地表径流愈小，水土流失量也愈小。以往学者建立的 Horton、Green-Ampt等模型及公式［19 20］，能够准确的模拟土壤入渗过程，为后人的研究奠定了基础。

目前关于开发建设活动对土壤渗透性影响方面的研究较少，特别是天然气开采对土壤渗透性的影响及恢复方面的研究更是鲜有耳闻;但在天然气开发建设的实际情况中，井场及管线施工对周围地表土壤大量扰动，改变了土壤原有的物理性质与化学性质，对土壤渗透性产生的影响不容忽视［21］。本文以四川地区天然气开发重点区块为研究对象，分析不同建成年限、不同工程区域、不同地貌条件下的土壤渗透性，定量得出天然气开发对土壤渗透性的破坏，构建土壤渗透性与建成年限的回归模型，确定土壤渗透性恢复至正常水平的年限，揭示土壤化学性质与重金属含量对土壤渗透性的影响机理，为后续天然气开采对土壤涵养水源功能的影响研究提供参考。

1　研究区概况

研究区为位于四川省境内(E 103°42'～106° 32'，N 30°26'～31°37')的遂宁安岳磨溪气田、绵阳梓潼气田，2个气田地理位置距离较近。该地区气候类型为为亚热带季风湿润气候。遂宁安岳磨溪气田年平均气温16.7～17.4℃，年平均降水量909～1 097 mm，相对湿度80% ～82%，属于盆地中部丘陵低山地区，地貌类型单一，土壤类型分别为新积土、紫色土、黄壤土及水稻土4类;绵阳梓潼气田年平均气温 15.0～17.0℃，年平均降水量 963～1 132 mm，相对湿度72% ～83%，地势西北高，东南低，地形起伏显著，山地面积比例较大，土壤以紫色土为主。研究区内林地、植被发育良好，属亚热带常绿阔叶林、亚热带竹林，有构树(Broussonetia papyrifera)、槐树(Sophora japonica)、巨桉(Eucalyptus grandis)、马尾松(Pinus massoniana)、榕树(Ficus microcarpa)、水杉(Metasequoia glyptostnobcides)、鹅观草(Elymus kamoji)、毛茛(Ranunculus japonicus)、三叶草(Galium odoratum)、桑树(Morus albs)、小叶榕(Ficus microcarpa)等树种。

2　材料与方法

2.1实验样地

选取3种不同地貌:山区、丘陵、平原;5种不同工程区域:站场、管道、污水池、道路及对照;4种不同建成年限:0～1、1～5、5～10及10年以上，各年限内分别选取2～3个样地，共计选取150个样地。2.2实验方法

供试土壤为紫色土，通过野外实验测得各样地平均土壤渗透系数，通过室内实验测得各样地土壤化学指标:pH、有机质、速效氮、速效磷、速效钾及全氮，土壤重金属含量:砷(As)、汞(Hg)、铅(Pb)、镉(Cd)、铬(Cr)及锌(Zn)。在进行渗透试验以及土样采集时，取地表10 cm以下土壤。

渗透系数采用双环法测定［22］;土壤化学指标及重金属含量参考国家土壤环境质量标准进行测定［23］。

2.3数据处理

数据处理与分析运用Excel 2010和SPSS 20.0统计软件。

3　结果与分析

3.1土壤渗透性特征分析

土壤渗透性主要由渗透系数表示，渗透系数越大，表明该土壤渗透性能越好，径流损失越少，保水保土效果越好。通过实验测得的渗透系数结果如图1所示。

图1　土壤渗透系数变化曲线Fig．1　Variation curve of soil infiltration coefficient

各地貌类型下站场及道路工程区域的土壤渗透系数随着建成年限的增长逐渐提高，而污水池及管道工程区域的土壤渗透系数则随年限增长逐渐降低，对照工程区域的土壤渗透系数年际变化不大(图1)。

在建成0～1年时间内，污水池及管道工程区域的土壤渗透系数最高，而站场、道路及对照工程区域的土壤渗透系数差异较小。随着时间推移，建成1～5年，污水池及管道工程区域的土壤渗透系数大幅度降低，而其他工程区域土壤渗透系数变化较小。最大值与最小值之间的差距最小为最小值的2倍，远小于0～1年的差异。建成5年以后，各地貌类型各工程区域土壤渗透系数变化幅度均较小，渗透系数最大值与最小值之间的差异保持在最小值的5倍左右，远小于0～1年的差异。

根据天然气开采的施工工艺，得出渗透系数变化的主要原因有:站场及道路工程区域在建设初期因夯实及车辆碾压等原因，土壤较为密实，渗透系数较小，建成后被车辆碾压情况减少，土壤出现超固结回弹，加之雨水冲刷及植物生长等原因，使得渗透系数逐渐增大;污水池及管道工程区域则因建设期间采用松土回填，未经夯实或夯实不完全，土壤较为疏松，渗透系数较大，随着土体自身沉降等原因，土壤逐渐紧实，渗透系数逐渐降低;对照工程区域因未被扰动，故渗透系数未出现明显变化。

通过分析各工程区域土壤渗透系数随着建成年限的变化情况以及各工程区域土壤渗透系数值之间差异的变化情况，可得:天然气开采对站场、管道、污水池及道路工程区域土壤渗透系数有一定的影响，但随着时间的推移，这种影响会逐渐恢复。在建成第5年，各工程区域渗透系数已经基本恢复到对照工程区域的状态，说明天然气开采对土壤渗透系数造成的影响在建成第5年基本恢复。

3.2不同年限下土壤渗透性过程拟合

为研究土壤渗透系数随着建成年限增长的变化趋势及预测今后的变化情况，现对土壤渗透系数变化情况进行趋势线拟合，以建成年限为自变量，土壤渗透系数值为因变量，分别拟合不同地貌不同区域的渗透系数随时间的变化曲线。其中，建成年限分为4个阶段:0～1、1～5、5～10及10年以上，每个阶段土壤渗透系数值为2～3个，则每条曲线由8～12个值点构成，结合目前的曲线形式，分别采用线性、多项式、幂指数3种方式进行拟合(表1)。

表1　渗透系数回归拟合结果Tab．1　Fitting results of infiltration coefficient regression

当分别采用线性、多项式以及幂指数对不同地貌不同区域的土壤渗透系数随建成年限变化进行拟合时，3次多项式拟合效果最好，R2均＞0.95，表明该多项式与实测数据有极显著的相关性。幂指数拟合效果次于多项式，但优于线性相关，回归拟合 R2均＞0.7，与实测数据有较高的相关性。线性回归拟合效果最差，回归拟合R2在0.3～0.8之间，拟合效果不理想。

综上所述，采用多项式对不同地貌不同区域的土壤渗透系数随年限变化情况进行拟合效果最好，可以用来验证或预测未来更长时间内各工程类型区渗透系数随年限变化的趋势，以便更清晰的了解工程扰动后土壤渗透性恢复情况。

3.3土壤化学性质及重金属质量分数对土壤渗透性的影响

设土壤有机质的质量分数为X1，pH为X2，速效氮、速效磷、速效钾、全氮、砷、汞、铅、镉、铬和锌的质量分数分别为X3～X12，土壤渗透系数为Y。分别将X1～12与 Y进行相关性分析(表2)。

在土壤化学性质方面，土壤渗透系数与土壤pH值呈极显著负相关，与有机质和全氮的质量分数均呈现极显著正相关，与速效磷呈显著正相关，与速效氮、速效钾的质量分数相关性不显著;土壤渗透系数与砷、铅及锌的质量分数呈显著正相关，与汞、镉、铬的质量分数相关性关系不显著。

表2　土壤化学性质及重金属质量分数与渗透系数相关关系矩阵Tab．2　Correlation matrix of soil chemical properties，heavy metal content and infiltration coefficient

结果表明，pH值与土壤渗透性呈极显著负相关，这与前人研究成果［24 25］一致，原因在于 pH值越大，土壤中含有的交换性钠含量越大，土粒越分散，土壤黏重闭结，通透性就越差，不利于水分的流通与保持。全氮、速效磷和有机质的质量分数等几个主要化学性质指标数值对土壤渗透系数影响都比较显著，不仅决定土壤肥力的大小，而且关系到土壤渗透能力的强弱。

重金属中砷、铅、锌的质量分数与土壤渗透系数呈显著相关，说明此3种重金属含量、土壤饱和持水量和土壤渗透系数有一定的相关关系;但是目前未有权威的重金属含量与土壤饱和持水量及土壤渗透系数之间影响机理的研究，仍待论证。

根据以上相关分析结果，本文将与土壤渗透系数极显著或显著相关的因子 X1、X2、X4、X6、X7、X9、X12等7个因子分为土壤化学性质、土壤重金属质量分数2类进行主成分分析。

表3　土壤化学性质主成分分析Tab．3　Principal component analysis of soil chemical properties

土壤化学性质主成分分析(表3)表明，第1主成分方差贡献率为57.29%，其中以全氮质量分数的负荷量最大，为0.823，pH的负荷量最小，但也高达0.717，均大于其他主成分。表明与土壤渗透系数相关的土壤化学性质在第1主成分中表达了绝大多数信息。其方程为 α=0.479X1－0.474X2+ 0.501X4+0.546X6。

表4　土壤重金属质量分数主成分分析Tab．4　Principal component analysis of soil heavy metal content

土壤重金属含量主成分分析(表4)表明，第1主成分方差贡献率为57.30%，其中以铅的质量分数负荷量最大，为0.793，锌的质量分数负荷量最小，但也高达0.695，均大于其他主成分。表明与土壤渗透系数相关的土壤重金属在第1主成分中表达了绝大多数信息。其方程为 β=0.593X7－0.605X9+ 0.530X12。

根据分析结果，α和β分别定义为化学性质和重金属成分参数。以化学成分及重金属成分的标准化主成分得分为自变量，土壤渗透系数(Y)为因变量，分析得到回归方程:Y=0.000 37α－0.000 18β+ 0.000 89(R2=0.630，P=0.001)。

4　结论与讨论

1)通过室外实验，分析得到不同建成年限、不同区域、不同地貌的土壤渗透系数随建成年限的变化情况，表明天然气开采对站场、管道、污水池及道路工程区域土壤渗透系数有一定的影响，但是这种影响随着建成年限的增长逐渐减弱，到第5年基本恢复。

2)在回归拟合模型中，多项式对不同地貌不同区域的土壤渗透系数随建成年限变化情况的拟合效果最好，R2均＞0.95，可以用来验证或预测未来更长时间内各工程类型区土壤渗透系数随建成年限变化的趋势。

3)通过土壤化学性质及重金属质量分数12项因子对土壤渗透性的影响进行相关性分析表明，有机质、全氮的质量分数及砷、铅的质量分数对土壤渗透系数影响显著。再将筛洗出的显著因子综合进行主成分回归分析，全氮的质量分数负荷最大，在土壤化学性质对渗透性影响中起到主要作用;铅的质量分数在重金属方面表现最为突出。

由于实验过程中研究时间及工程特点等因素的制约，天然气项目的开采时间阶段仍有待细化，下一步研究中将加强对开采10年后的天然气工程项目更细致划分及跟踪，以期弥补某细微时间段的空白，达到更精准的研究效果。

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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

中图分类号:S152.7

文献标志码:A

文章编号: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

第一作者简介:冯迪(1984—)，女，博士。主要研究方向:水土保持与荒漠化防治。E-mail:21886226@qq．com

通信作者†简介:胡雨村(1958—)，男，博士，教授。主要研究方向:山地灾害和水土保持。E-mail:huyucun@bjfu．edu．cn