氣田項目土壤保護(hù)和涵養(yǎng)水源功能價值研究

王 龍 薛元杰 于 辰 陳 楊 周 微

(中國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)

0 引 言

2022年,我國天然氣產(chǎn)量達(dá)2 178億m3,同比增長6.4%,已連續(xù)六年達(dá)到百億立方米增產(chǎn)[1]。隨著天然氣的增產(chǎn),氣田建設(shè)活動擾動地表、損壞地表植被、破壞土壤結(jié)構(gòu)、影響生態(tài)環(huán)境等問題,已引起人們越來越多的關(guān)注,特別是在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能方面,專家學(xué)者展開了大量研究與探討。

1997年,Daily[2]列出生命支持系統(tǒng)必須的13項功能,包括大氣和水的凈化、洪澇干旱的緩解、廢物的去毒和降解、土壤及肥力的形成和更新、作物蔬菜傳粉、潛在農(nóng)業(yè)害蟲的控制等。Costanza[3]在評估全球生態(tài)服務(wù)功能時,也提出了17種生態(tài)服務(wù)功能:大氣調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、干擾調(diào)節(jié)、水分調(diào)節(jié)、水資源供應(yīng)、侵蝕與沉積物滯留控制等。2004年,我國學(xué)者李建勇等[4]在前人研究基礎(chǔ)上,對生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)行擴(kuò)充,將其劃分為4大類23種功能。2007年,余新曉等[5]在前人基礎(chǔ)上,針對水土保持專業(yè),將生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)行再次分類,包括保護(hù)和涵養(yǎng)水源、保護(hù)和改良土壤、固碳釋氧、凈化空氣和防風(fēng)固沙5個功能。

土壤保護(hù)和涵養(yǎng)水源功能是一項重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[6],土壤質(zhì)地疏松,孔隙度高,儲水能力強(qiáng)[7],土壤中的水分通過地表蒸發(fā)、植物蒸騰等方式回到大氣,是生物圈水分調(diào)節(jié),生態(tài)系統(tǒng)維護(hù)不可缺少的一部分[8]。本研究旨在通過實驗測得土壤比重、容重及質(zhì)量含水率,計算土壤飽和持水量,確定天然氣建設(shè)項目對土壤保護(hù)和涵養(yǎng)水源功能的破壞量,從而得到該功能的價值。

1 研究區(qū)概況

四川天然氣開采區(qū)域地處云貴高原與四川盆地邊緣山地過渡區(qū)域的斜坡地帶,總體屬于高、中山地貌,區(qū)域內(nèi)溝谷縱橫,地形崎嶇,地面海拔一般為400～1 300 m;四川省大部分地區(qū)位于濕潤季風(fēng)氣候區(qū),溫和濕潤、冬冷夏熱、春暖秋涼、四季分明,年均氣溫12.6～19℃,1月份最冷,一般氣溫為3～8℃,7月份最熱,一般氣溫為26～39℃;年降水量豐沛,年均達(dá)1 132 mm,但時空分配不均;河流水系發(fā)育良好,水資源以河川徑流最為豐富,河床窄、落差大、險灘多、流速急,水能資源豐富;土壤以紫色土為主,同時還有黃壤土及水稻土。

2 材料與方法

2.1 材 料

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(qū)內(nèi)選取三種地貌類型:山區(qū)、丘陵、平原;四種建成年限:0～1,1～5,5～10,10年以上;五種工程區(qū)域:站場、管道、污水池、道路及對照,共計60個處理,每個處理選擇2～3個樣地,共計150個樣地。

2.2 方 法

土壤保護(hù)和涵養(yǎng)水源功能主要指土壤保持水源的能力,這一能力可從飽和持水量這一指標(biāo)進(jìn)行體現(xiàn)。飽和持水量計算公式如下:

Wt=Pthρw

(1)

Pt=1-γ/(Gsγw(1+ω))

(2)

式中:Wt為土壤飽和持水量,t/m2;Pt為總孔隙度,%;h為土層厚度,m,按0.5 m計;Gs為土壤比重;γ為土壤容重,N/m3;γw為水的容重,N/m3;ρw為水的密度,t/m3;ω為土壤質(zhì)量含水率,%。

其中,土壤比重采用比重瓶法測定,土壤容重采用環(huán)刀法測定,土壤質(zhì)量含水率采用烘干法測定。為保證實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,采樣時在同一個樣地進(jìn)行3次重復(fù)采樣,采樣兩兩距離為2 m,呈等邊三角形分布,結(jié)果取3次采樣實驗平均值。

3 結(jié)果與分析

3.1 實驗結(jié)果

不同地貌土壤飽和持水量變化曲線見圖1。

圖1 不同地貌土壤飽和持水量變化曲線

通過實驗及計算,得到不同樣地土壤飽和持水量結(jié)果,用樣條曲線的形式表示各工程區(qū)域隨著建成年限增加時土壤飽和持水量的變化趨勢。由圖1可知,天然氣開采對站場、管道、污水池及道路工程土壤飽和持水量有一定的影響,特別是在天然氣項目建成1年內(nèi),各地貌各區(qū)域土壤飽和持水量差異較大;隨著時間的推移,這種影響會逐漸恢復(fù),在第5年工程區(qū)域土壤飽和持水量基本恢復(fù)到建設(shè)前的狀態(tài)。

污水池和管道區(qū)域在0～1,1～5年時間段內(nèi),土壤飽和持水量均大于對照樣地,表明污水池和管道在建成年限5年內(nèi)對土壤飽和持水量有一定的增益作用,而站場及道路則表現(xiàn)為破壞作用。

3.2 土壤保護(hù)和涵養(yǎng)水源功能破壞總量

根據(jù)土壤飽和持水量結(jié)果表,可計算得出在恢復(fù)年限(5年)內(nèi)站場及道路與對照樣地之間飽和持水量的差值(污水池及管道建設(shè)對飽和持水量有一定的增益作用,差值記為零)。

表1所計算得出的飽和持水量差值僅為單次土壤飽和時站場、道路與對照樣地土壤飽和持水量的差異。但單次降雨土壤達(dá)到飽和后,由于水分下滲、植物吸收、株間蒸發(fā)等原因,土壤又會從飽和狀態(tài)變?yōu)榉秋柡蜖顟B(tài),直到下一次足量降雨,再次達(dá)到飽和。因此站場、道路與對照土壤多次飽和的貯水量差值的總和,才是天然氣開采對站場及道路土壤保護(hù)和涵養(yǎng)水源功能的破壞總量。

表1 單位面積飽和持水量與對照樣地差值t/(m2·a)

采用如下公式可計算站場及道路區(qū)域土壤保護(hù)和涵養(yǎng)水源功能的破壞總量。

Rj=αNCjy

(3)

其中N=Y/W

式中:Rj為站場或道路保護(hù)和涵養(yǎng)水源功能的破壞總量,t/m2;α為經(jīng)驗系數(shù),取0.75;N為復(fù)蓄次數(shù);Cj為站場或道路飽和持水量與對照工程區(qū)域不同年限差值的平均值,t/m2;y為恢復(fù)年限,a;Y為建設(shè)所在地年均降雨量,mm;W為對照工程區(qū)域土壤從全干達(dá)到飽和時所需降雨量,取0～1,1～5年各地貌處理的平均值,mm。結(jié)果見表2。

表2 站場及道路保護(hù)和涵養(yǎng)水源功能的破壞總量

3.3 土壤保護(hù)和涵養(yǎng)水源功能補(bǔ)償價值量

土壤保護(hù)和涵養(yǎng)水源功能主要表現(xiàn)在截留雨水,防止雨水隨地表徑流匯入江河,將本地區(qū)降雨截留在本地區(qū)內(nèi)。目前,土壤保護(hù)和涵養(yǎng)水源功能的價值評估方法主要有替代市場技術(shù)以及模擬市場技術(shù),具體來說包括恢復(fù)和防護(hù)費法、影子工程法、旅行費用法、市場價值法等[9]。其中市場價值法適用于數(shù)據(jù)足夠全面,有直接市場價格的情況;旅行費用法主要用于核算生態(tài)系統(tǒng)游憩的價值,可信度較低;恢復(fù)和防護(hù)費法是對破壞進(jìn)行基本恢復(fù)的價值,計算價值量最低[10]。

結(jié)合土壤保護(hù)和涵養(yǎng)水源功能的特點,借鑒張振明[11]、余欣曉[5]、盛莉[12]等研究成果,本文采用影子工程法對土壤保護(hù)和涵養(yǎng)水源功能破壞價值進(jìn)行計算,原因如下:①被截留雨水難以直接估算其水土保持功能價值;②土壤截留水源與修建水庫存蓄水源有一定的相似性。

因此本文采用水庫建設(shè)單位庫容投資進(jìn)行估算。計算公式如下:

V=R×P`庫

(4)

P`庫=di×P庫

(5)

式中:V為被破壞的土壤保護(hù)和涵養(yǎng)水源功能量化的值,元/m2;R為每年保護(hù)和涵養(yǎng)水源功能的破壞量,t/m2;P`庫為水庫建設(shè)單位庫容折算投資,元/t;di為地形修正系數(shù),i=1,2,3,分別代表平原、丘陵、山區(qū),其中d1=0.80,d2=1.00,d3=1.20;P庫為水庫建設(shè)單位庫容投資,元/t,2021年四川省單位庫容投資為31.29 元/t。

破壞土壤保護(hù)和涵養(yǎng)水源功能補(bǔ)償價值結(jié)果見表3。

表3 破壞土壤保護(hù)和涵養(yǎng)水源功能補(bǔ)償價值結(jié)果

3.4 分 析

1)管道及污水池的建設(shè)對土壤保護(hù)和涵養(yǎng)水源功能有一定的增益作用,主要原因是該區(qū)域建設(shè)對土壤進(jìn)行翻松,增大土壤孔隙度,增強(qiáng)土壤保水能力。

2)天然氣開采導(dǎo)致站場、道路區(qū)域土壤保護(hù)和涵養(yǎng)水源功能有所降低,主要原因是站場及道路的建設(shè)會對土壤進(jìn)行碾壓,導(dǎo)致該區(qū)域土壤形成超固結(jié)土,但隨著時間推移,土壤將逐漸恢復(fù)到樣地狀態(tài)。

3)樣地地下水水位可能對土壤飽和持水量有一定的影響,由于本階段實驗未進(jìn)行地下水水位測定,應(yīng)在下一階段的實驗中增加地下水影響實驗。

4 結(jié) 論

根據(jù)室內(nèi)外實驗及數(shù)據(jù)分析,研究了不同建成年限、不同地貌類型、不同工程區(qū)域的土壤保護(hù)和涵養(yǎng)水源功能的破壞情況,并利用影子工程法計算了補(bǔ)償價值,結(jié)論如下。

1)天然氣開采對站場、管道、污水池及道路的飽和持水量有一定的影響,其中站場及道路為負(fù)面影響,管道及污水池為正面影響。各區(qū)域建成5年后均基本能恢復(fù)到對照樣地的水平。

2)管道及污水池對土壤保護(hù)和涵養(yǎng)水源功能的補(bǔ)償價值為零;站場、道路工程區(qū)域因天然氣項目建設(shè)導(dǎo)致的土壤保護(hù)和涵養(yǎng)水源功能破壞補(bǔ)償價值在平原地區(qū)分別為13.38,13.92元/m2;丘陵地區(qū)分別為6.90,6.90元/m2;山區(qū)地區(qū)分別為13.11,16.39元/m2。

結(jié)合本研究結(jié)果的分析及結(jié)論,在下一階段的工作中,應(yīng)繼續(xù)開展以下研究。

1)本研究在建成年限的選取上時間尺度較大,得出的恢復(fù)年限較為寬泛,下一步應(yīng)對不同地貌、不同工程區(qū)域開展持續(xù)定點實驗,以求得到更為精確的結(jié)論。

2)應(yīng)補(bǔ)充地下水對土壤保護(hù)和涵養(yǎng)水源功能的影響實驗,探討地下水對該功能的影響機(jī)理。

3)繼續(xù)細(xì)化地貌分類,增加四川地區(qū)盆地及喀斯特地貌。

4)土壤保護(hù)和涵養(yǎng)水源功能屬于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能中的一部分,為進(jìn)一步計算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能補(bǔ)償價值,接下來還應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行保護(hù)和改良土壤功能、固碳釋氧功能等補(bǔ)償價值的研究。