气田项目土壤保护和涵养水源功能价值研究

王 龙 薛元杰 于 辰 陈 杨 周 微

(中国石油西南油气田分公司安全环保与技术监督研究院)

0 引 言

2022年,我国天然气产量达2 178亿m3,同比增长6.4%,已连续六年达到百亿立方米增产[1]。随着天然气的增产,气田建设活动扰动地表、损坏地表植被、破坏土壤结构、影响生态环境等问题,已引起人们越来越多的关注,特别是在生态系统服务功能方面,专家学者展开了大量研究与探讨。

1997年,Daily[2]列出生命支持系统必须的13项功能,包括大气和水的净化、洪涝干旱的缓解、废物的去毒和降解、土壤及肥力的形成和更新、作物蔬菜传粉、潜在农业害虫的控制等。Costanza[3]在评估全球生态服务功能时,也提出了17种生态服务功能:大气调节、气候调节、干扰调节、水分调节、水资源供应、侵蚀与沉积物滞留控制等。2004年,我国学者李建勇等[4]在前人研究基础上,对生态服务功能进行扩充,将其划分为4大类23种功能。2007年,余新晓等[5]在前人基础上,针对水土保持专业,将生态服务功能进行再次分类,包括保护和涵养水源、保护和改良土壤、固碳释氧、净化空气和防风固沙5个功能。

土壤保护和涵养水源功能是一项重要的生态系统服务功能[6],土壤质地疏松,孔隙度高,储水能力强[7],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,生态系统维护不可缺少的一部分[8]。本研究旨在通过实验测得土壤比重、容重及质量含水率,计算土壤饱和持水量,确定天然气建设项目对土壤保护和涵养水源功能的破坏量,从而得到该功能的价值。

1 研究区概况

四川天然气开采区域地处云贵高原与四川盆地边缘山地过渡区域的斜坡地带,总体属于高、中山地貌,区域内沟谷纵横,地形崎岖,地面海拔一般为400～1 300 m;四川省大部分地区位于湿润季风气候区,温和湿润、冬冷夏热、春暖秋凉、四季分明,年均气温12.6～19℃,1月份最冷,一般气温为3～8℃,7月份最热,一般气温为26～39℃;年降水量丰沛,年均达1 132 mm,但时空分配不均;河流水系发育良好,水资源以河川径流最为丰富,河床窄、落差大、险滩多、流速急,水能资源丰富;土壤以紫色土为主,同时还有黄壤土及水稻土。

2 材料与方法

2.1 材 料

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三种地貌类型:山区、丘陵、平原;四种建成年限:0～1,1～5,5～10,10年以上;五种工程区域:站场、管道、污水池、道路及对照,共计60个处理,每个处理选择2～3个样地,共计150个样地。

2.2 方 法

土壤保护和涵养水源功能主要指土壤保持水源的能力,这一能力可从饱和持水量这一指标进行体现。饱和持水量计算公式如下:

Wt=Pthρw

(1)

Pt=1-γ/(Gsγw(1+ω))

(2)

式中:Wt为土壤饱和持水量,t/m2;Pt为总孔隙度,%;h为土层厚度,m,按0.5 m计;Gs为土壤比重;γ为土壤容重,N/m3;γw为水的容重,N/m3;ρw为水的密度,t/m3;ω为土壤质量含水率,%。

其中,土壤比重采用比重瓶法测定,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。为保证实验数据的准确性,采样时在同一个样地进行3次重复采样,采样两两距离为2 m,呈等边三角形分布,结果取3次采样实验平均值。

3 结果与分析

3.1 实验结果

不同地貌土壤饱和持水量变化曲线见图1。

图1 不同地貌土壤饱和持水量变化曲线

通过实验及计算,得到不同样地土壤饱和持水量结果,用样条曲线的形式表示各工程区域随着建成年限增加时土壤饱和持水量的变化趋势。由图1可知,天然气开采对站场、管道、污水池及道路工程土壤饱和持水量有一定的影响,特别是在天然气项目建成1年内,各地貌各区域土壤饱和持水量差异较大;随着时间的推移,这种影响会逐渐恢复,在第5年工程区域土壤饱和持水量基本恢复到建设前的状态。

污水池和管道区域在0～1,1～5年时间段内,土壤饱和持水量均大于对照样地,表明污水池和管道在建成年限5年内对土壤饱和持水量有一定的增益作用,而站场及道路则表现为破坏作用。

3.2 土壤保护和涵养水源功能破坏总量

根据土壤饱和持水量结果表,可计算得出在恢复年限(5年)内站场及道路与对照样地之间饱和持水量的差值(污水池及管道建设对饱和持水量有一定的增益作用,差值记为零)。

表1所计算得出的饱和持水量差值仅为单次土壤饱和时站场、道路与对照样地土壤饱和持水量的差异。但单次降雨土壤达到饱和后,由于水分下渗、植物吸收、株间蒸发等原因,土壤又会从饱和状态变为非饱和状态,直到下一次足量降雨,再次达到饱和。因此站场、道路与对照土壤多次饱和的贮水量差值的总和,才是天然气开采对站场及道路土壤保护和涵养水源功能的破坏总量。

表1 单位面积饱和持水量与对照样地差值t/(m2·a)

采用如下公式可计算站场及道路区域土壤保护和涵养水源功能的破坏总量。

Rj=αNCjy

(3)

其中N=Y/W

式中:Rj为站场或道路保护和涵养水源功能的破坏总量,t/m2;α为经验系数,取0.75;N为复蓄次数;Cj为站场或道路饱和持水量与对照工程区域不同年限差值的平均值,t/m2;y为恢复年限,a;Y为建设所在地年均降雨量,mm;W为对照工程区域土壤从全干达到饱和时所需降雨量,取0～1,1～5年各地貌处理的平均值,mm。结果见表2。

表2 站场及道路保护和涵养水源功能的破坏总量

3.3 土壤保护和涵养水源功能补偿价值量

土壤保护和涵养水源功能主要表现在截留雨水,防止雨水随地表径流汇入江河,将本地区降雨截留在本地区内。目前,土壤保护和涵养水源功能的价值评估方法主要有替代市场技术以及模拟市场技术,具体来说包括恢复和防护费法、影子工程法、旅行费用法、市场价值法等[9]。其中市场价值法适用于数据足够全面,有直接市场价格的情况;旅行费用法主要用于核算生态系统游憩的价值,可信度较低;恢复和防护费法是对破坏进行基本恢复的价值,计算价值量最低[10]。

结合土壤保护和涵养水源功能的特点,借鉴张振明[11]、余欣晓[5]、盛莉[12]等研究成果,本文采用影子工程法对土壤保护和涵养水源功能破坏价值进行计算,原因如下:①被截留雨水难以直接估算其水土保持功能价值;②土壤截留水源与修建水库存蓄水源有一定的相似性。

因此本文采用水库建设单位库容投资进行估算。计算公式如下:

V=R×P`库

(4)

P`库=di×P库

(5)

式中:V为被破坏的土壤保护和涵养水源功能量化的值,元/m2;R为每年保护和涵养水源功能的破坏量,t/m2;P`库为水库建设单位库容折算投资,元/t;di为地形修正系数,i=1,2,3,分别代表平原、丘陵、山区,其中d1=0.80,d2=1.00,d3=1.20;P库为水库建设单位库容投资,元/t,2021年四川省单位库容投资为31.29 元/t。

破坏土壤保护和涵养水源功能补偿价值结果见表3。

表3 破坏土壤保护和涵养水源功能补偿价值结果

3.4 分 析

1)管道及污水池的建设对土壤保护和涵养水源功能有一定的增益作用,主要原因是该区域建设对土壤进行翻松,增大土壤孔隙度,增强土壤保水能力。

2)天然气开采导致站场、道路区域土壤保护和涵养水源功能有所降低,主要原因是站场及道路的建设会对土壤进行碾压,导致该区域土壤形成超固结土,但随着时间推移,土壤将逐渐恢复到样地状态。

3)样地地下水水位可能对土壤饱和持水量有一定的影响,由于本阶段实验未进行地下水水位测定,应在下一阶段的实验中增加地下水影响实验。

4 结 论

根据室内外实验及数据分析,研究了不同建成年限、不同地貌类型、不同工程区域的土壤保护和涵养水源功能的破坏情况,并利用影子工程法计算了补偿价值,结论如下。

1)天然气开采对站场、管道、污水池及道路的饱和持水量有一定的影响,其中站场及道路为负面影响,管道及污水池为正面影响。各区域建成5年后均基本能恢复到对照样地的水平。

2)管道及污水池对土壤保护和涵养水源功能的补偿价值为零;站场、道路工程区域因天然气项目建设导致的土壤保护和涵养水源功能破坏补偿价值在平原地区分别为13.38,13.92元/m2;丘陵地区分别为6.90,6.90元/m2;山区地区分别为13.11,16.39元/m2。

结合本研究结果的分析及结论,在下一阶段的工作中,应继续开展以下研究。

1)本研究在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,下一步应对不同地貌、不同工程区域开展持续定点实验,以求得到更为精确的结论。

2)应补充地下水对土壤保护和涵养水源功能的影响实验,探讨地下水对该功能的影响机理。

3)继续细化地貌分类,增加四川地区盆地及喀斯特地貌。

4)土壤保护和涵养水源功能属于生态系统服务功能中的一部分,为进一步计算生态系统服务功能补偿价值,接下来还应继续进行保护和改良土壤功能、固碳释氧功能等补偿价值的研究。