四川盆地区天然气开采对土壤饱和持水量的影响

王　龙，银小兵，吕晓航，廖　婧

(中国石油西南油气田分公司 安全环保与技术监督研究院，四川 成都 610041)



四川盆地区天然气开采对土壤饱和持水量的影响

王龙，银小兵，吕晓航，廖婧

(中国石油西南油气田分公司 安全环保与技术监督研究院，四川 成都 610041)

天然气田；土壤饱和持水量；恢复年限；化学成分；主成分分析；四川

四川盆地区天然气储量丰富，在开采过程中，会扰动地表、破坏土壤物理结构，从而影响土壤饱和持水量。以四川省的安岳县和梓潼县天然气田为研究区，试验测定研究区内不同地貌类型、不同工程区域、不同工程建成年限的土壤饱和持水量变化情况，结果表明：开采活动结束1～5 a内，平原、山区、丘陵地貌下的站场、管道、污水池及道路区域土壤饱和持水量可以恢复到建设前的状态，且可以采用三次多项式对土壤饱和持水量的变化情况进行拟合，用以预测今后的变化趋势；通过主成分分析法，得到土壤饱和持水量化学成分综合参数α，并构建土壤饱和持水量与综合参数α的线性回归模型，可为四川地区天然气开采对土壤饱和持水量的影响研究提供理论依据。

土壤的水源涵养功能是一项重要的生态服务功能[1]。土壤饱和持水量则是反映土壤涵养水源能力的重要指标，指的是土壤孔隙全部充满水时所持的水量，即土壤所能容纳的最大持水量[2]。土壤饱和持水量影响因素很多，建设活动是其中的一个重要因素，因为建设活动会改变地表结构，破坏地表植被，进而对土壤饱和持水量造成影响，从而影响土壤涵养水源的功能。四川地区天然气资源丰富，据全国第二次油气资源评价，四川天然气资源总量为7.2万亿m3，可采储量为2.49万亿m3[3]。虽然天然气属于清洁能源，在生产期间几乎不产生固体废弃物，对地表破坏较小，但是在建设期间，天然气站场及管道建设会扰动土壤，改变土壤物理性质、降低周边植被覆盖率，从而导致土壤饱和持水量发生变化。本文以四川盆地区天然气田为研究区，试验测定研究区内不同地貌类型、不同工程区域、不同工程建成年限的土壤饱和持水量变化情况，旨在得出土壤饱和持水量的影响机理和恢复年限。

1　研究区概况

研究区为四川省的安岳县、梓潼县境内，介于东经103°42′～106°32′和北纬30°26′～31°37′之间。两地气候类型均为亚热带季风湿润气候。安岳县年均气温16.7～17.4 ℃，年均降水量909～1 097 mm，属盆地中部丘陵低山地区，主要分布新积土、紫色土、黄壤土及水稻土等4个土类。梓潼县年均气温15.0～17.0 ℃，年均降水量963～1 132 mm，地势西北高、东南低，地形起伏显著，山地面积较广，土壤以紫色土为主。研究区植被发育良好，植被类型为亚热带常绿阔叶林、亚热带竹林。

2　研究方法

2.1试验样地

为研究天然气开采对土壤饱和持水量的影响，分别在研究区内选取山区、丘陵、平原3种地貌类型，0～1、1～5、5～10、>10 a(各年限内分别选取2～3个样地)4种工程建成年限，站场、管道、污水池、道路及对照5种工程区域，共计150个样地。

2.2试验方法

饱和持水量计算采用马歇尔等[4]提出的公式

上二式中：Wt为土壤饱和持水量；Pt为总孔隙度；h为土层厚度；Gs为土壤密度；γ为土壤容重；ρw为水的密度；ω为土壤质量含水率。

其中，土壤密度采用比重瓶法测定，土壤容重采用环刀法测定，土壤质量含水率采用烘干法测定。

2.3数据处理

采用Excel 2010和SPSS(20.0)统计软件进行试验数据处理。

3　结果与分析

3.1土壤饱和持水量分析

根据密度、容重等试验结果，计算得到饱和持水量值，绘制不同工程区域随年限变化的土壤饱和持水量变化趋势，如图1—3所示。

图1　平原地区土壤饱和持水量变化曲线

图2　山区土壤饱和持水量变化曲线

图3　丘陵地区土壤饱和持水量变化曲线

从图中可以看出，在工程建成初期，各地貌类型、各工程区域的土壤饱和持水量差异极大，污水池和管道区域土壤饱和持水量最大，站场和道路区域最小，对照区域处于中间水平。随着时间的推移，污水池和管道工程区域的土壤饱和持水量逐渐减小，而站场和道路工程区域的土壤饱和持水量则逐渐增加，对照工程区域饱和持水量变化较小。对照工程区域与其他工程区域土壤饱和持水量值差异在1%～3%之间。

建成1～5 a内，对照工程区域与其他工程区域土壤饱和持水量的差异一直维持在5%以内，基本上达到了相同水平。平原地貌类型土壤在建成10 a后饱和持水量有逐渐下降的趋势，山区地貌类型土壤饱和持水量有逐渐上升的趋势，丘陵地貌类型土壤饱和持水量基本上保持不变。出现这种变化大致有以下两点原因：不同地貌类型区自然环境不同；不同地貌类型区土壤质地不同。山区森林覆盖率高，10 a之后植被恢复程度高于平原及丘陵地区，因植物有改良土壤的功效，故土壤饱和持水量增加。

通过以上分析可以得出：天然气开采对站场、管道、污水池及道路工程区域土壤饱和持水量有一定的影响，但随着时间的推移，这种影响会逐渐消失。在建成1～5 a内，各工程区域土壤饱和持水量已经基本恢复到建设前的状态。

3.2不同年限土壤饱和持水量过程拟合

为研究土壤饱和持水量随着年限增长的变化趋势及预测今后的变化情况，现对饱和持水量变化情况进行趋势线拟合，以年限为自变量，饱和持水量为因变量，分别拟合不同地貌不同区域的饱和持水量随时间的变化曲线。结合目前的曲线形式，本次分别采用线性回归、多项式、幂指数三种方式进行拟合。拟合结果见表1。

表1　饱和持水量回归拟合结果

注：|R2|越大，说明残差平方和越小，模型的拟合效果越好。

根据拟合结果可以看出，三次多项式拟合效果最好，R2均大于0.95。线性回归拟合和幂指数拟合效果相近，其中回归拟合效果最不理想。

3.3土壤化学成分对土壤饱和持水量的影响

设土壤有机质含量为X1，pH值为X2，速效氮含量为X3，速效磷含量为X4，速效钾含量为X5，全氮含量为X6，土壤饱和持水量为Y。将X1～X6与Y进行相关性分析，结果见表2。

表2　土壤化学性质与饱和持水量相关关系矩阵

注：**表示在 0.01水平(双侧)上显著相关。

分析结果显示：土壤饱和持水量与土壤pH值呈极显著负相关，与有机质、速效磷、全氮含量呈极显著正相关，与速效氮、速效钾含量关系不显著。

结果表明：有机质的增加可以改善土壤结构[5]，提高土壤的持水能力[6]；且pH值与土壤饱和持水量呈极显著负相关，原因在于pH值越大，土壤中含有的交换性钠含量越大，通透性就越差，不利于水分的流通与保持[7-8]。

根据以上分析结果，选择与土壤饱和持水量极显著相关的因子，即有机质含量(α1)、pH值(α2)、速效磷含量(α3)、全氮含量(α4)，然后进行主成分分析。

表3　土壤化学成分主成分分析

化学成分主成分分析结果表明，第一主成分方差贡献率为57.29%，其中以全氮的负荷量最大，为0.823，pH值的负荷量最小，但也高达0.717，表明与土壤饱和持水量及渗透系数相关的土壤化学性质在第一主成分中表达了绝大多数信息。其方程为

α=0.479α1-0.474α2+0.501α3+0.546α4

根据分析结果，α代表土壤化学成分含量的主成分，可定义为化学成分参数。以化学成分的标准化主成分得分为自变量，土壤饱和持水量(Y)为因变量，得到回归方程Y=0.007α+0.196(R2=0.619，P=0.000 1)。

4　结　语

通过野外调查及室内试验，分析了不同工程建成年限、不同工程区域、不同地貌类型的土壤饱和持水量，并结合相关性分析及回归分析等方法，研究了天然气开采对土壤饱和持水量功能的影响，结论如下：①天然气开采对站场、管道、污水池及道路工程区域饱和持水量有一定的影响，随着工程建成年限的增长，各工程区域土壤饱和持水量逐渐与对照工程区域持平，在建成后1～5 a内各工程区域土壤饱和持水量与对照工程区域基本相等，此后保持同一变化趋势，说明天然气开采对土壤饱和持水量的影响在1～5 a即可恢复。②对各工程区域采用不同方式进行拟合，结果表明多项式对不同地貌类型、不同工程区域的土壤饱和持水量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土壤饱和持水量情况随年限变化的趋势，从而更清晰地了解工程扰动后土壤功能恢复情况。③土壤饱和持水量与pH值、有机质含量、全氮含量、速效磷含量均有相关关系。对土壤化学成分进行主成分分析，得到化学成分第一主成分表达方程，并以化学成分的标准化主成分得分为自变量，土壤饱和持水量为因变量，得到回归方程。

通过以上分析，能够初步得到天然气开采后土壤饱和持水量恢复程度及恢复年限，但本研究仍有不足之处：①由于在地类划分时，仅将地类根据地形划分，而未在地形基础上对占地类型(如耕地、林地等)进行细分，加之土壤取样具有随机性，因此本研究结果仅对所取土样具有代表性，而对于实际规律仍需进行验证。②在工程建成年限的选取上时间尺度较大，得出的恢复年限较为宽泛。在今后的研究中，应在本结论的基础上，对占地类型进行细分，并在1～5 a基础上将工程建成年限进一步细化，以求得到更为精确的结论。

[1] Shi H,Liu S R, Sun P S. The mechanism of forest adjusting and controlling agriculture environment:A Review[J]. Research of Soil and Water Conservation,2004,11(3):31-36.

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(责任编辑孙占锋)

S157.2

A

1000-0941(2016)08-0060-03

王龙(1988—)，男，四川宜宾市人，工程师，硕士，从事石油天然气田开发项目水土保持研究工作。

2015-07-06