作者：李瑞敏 王轶 曹峰 徐慧珍 刘永生 郝春明 马忠社 郭海全 赵更新 曹淑萍 李文伟 刘峰川 刘久荣 林健 许益青
中图分类号：P641.1; X143 文献标志码：A 文章编号：1671-2552（2010）08-1194-07
Li R M, Wang Y, Cao F, Xu H Z, Liu Y S, Hao C M, Ma Z S, Guo H Q, Zhao G X, Cao S P, Li W W, Liu F C, Liu J R,
Lin J, Xu Y Q. Some issues related to soil-groundwater environment research in northern Haihe plain, China. Geological Bulletin of China, 2010, 29(8):1194-1200
Abstract： Northern Haihe plain in situated within the semi-arid region of China is still being more and more arid. Proluvio-fluvial plain, fluvial plain, fluvial-marine plain is in deposit sequence from hillside to seashore in northern Haihe plain. The contents of Ca, Mg and F in soil are high, and Se, Mo and I are low. The soil is featured by weak alkaline and is now acidizing. The unconfined groundwater is fresh or fresh-salty and weak alkaline but being basification. Together with natural driving force, artificial driving force has becoming one of the important driving forces to the evolution of soil-groundwater environment, which plays different role in different area. The soil environment is good and the groundwater environment is not good. But both of them are being aggravated. Key words：northern Haihe plain; soil-groundwater environment; some scientific problems; evolution and driving forces
20 世纪，粮食、资源、能源这些支撑人类社会经济发展的基本要素首先受到国际社会、政府和科学界的高度重视，接着水资源短缺、环境污染等问题逐步进入人们的视线。1972 年在瑞典斯德哥尔摩召开的联合国人类环境会议上通过了《人类环境宣言》，标志着环境问题已经成为新的关注点。2009年在丹麦哥本哈根召开的世界气候大会使环境问题再度聚焦。
地球表层水、土介质既是支撑人类生存的基本资源，也是人类生存的基本环境，而且与大气环境有着密切的联系和互动。中国针对土壤、地下水、地表水、大气等不同介质均有大量的研究成果[1-7]，但对水土介质的联系，特别是对区域水土地质环境关注不够。本文试图以海河平原北部地区为例，基于地下水长期监测的数据和最新的土壤地球化学调查数据，提出了对区域水土地质环境的总体认识，希望与读者共同交流讨论。
海河平原北部地区北抵燕山，南至保定、沧州一带，西邻太行山，东濒渤海，介于经度114°30′~118°30′、纬度37°25′~40°45′之间，面积约5.15×104km2。包括北京市、天津市和河北省保定、沧州、廊坊3 市的全部平原区, 以及河北省唐山市陡河以西的平原地区。区内主要城市有北京、天津、保定、廊坊、沧州等，人口密集，历史悠久，交通便利，工农业发达，社会经济发展较快。
1 半干旱自然地理环境和干化问题
海河平原北部地区多年平均降水量569.3mm（1951—2008 年），全年降水的60%～80%集中在6—9月，年均蒸发量1600~2000mm。区内主要雨量站（北京、天津、保定、沧州）的观测记录[8]显示，自1951 年以来，每10 年平均降水量（图1-a）和累计多年平均降水量（图1-b）均呈明显减小的趋势。
海河流域主要河流包括潮白河、蓟运河、北运河、永定河、大清河、子牙河、南运河等，于天津汇入海河，东流入渤海。近年来，海河流域主要河流来水量显著减少[9]，较多年平均偏少8 成以上，大部分中小河流河道干涸（表1）。历史上当地洼、淀众多，主要有白洋淀、北大港、南大港、团泊洼、文安洼、大黄堡洼、七里海、黄庄洼、宝坻洼等，但近期文安洼、黄庄洼、宝坻洼已经干涸，其他洼淀面积也已大大缩减或靠人工输水维系。
总之，海河平原北部地区属于半干旱自然地理环境，但在自然和人为因素共同作用下，特别是近几十年来在人类活动的强烈干预下，现代自然地理环境明显干化，已经从以河流呈树状汇集、洼淀湖泊众多、自然-人工复合生态系统为特征的地理景观，迅速演变为以河流几近干涸、洼淀靠人工补给维系、自然生态系统几乎消失的人工生态系统为主的地理景观。
图1 海河平原北部地区多年平均降水量的变化
Fig. 1 Variation of average rainfall in northern Haihe plain
表1 海河流域汛期（6—9 月）主要水文站平均流量
Table 1 Average flux of major hydrologic stations of Haihe in flood season(from Jun. to Sep.)
注：引自水利部海河水利委员会水文局,2004
2 山麓堆积-河流沉积-海陆交互作用下的平原地貌地质环境及演化问题
海河平原北部地区地势总体自西—西北—北向东—东南—南方向倾斜，大体呈半环状，地形坡度逐步变缓，地面高程从山麓地带的100m下降到滨海平原几近0m海平面。
受太行山-燕山山地构造抬升、华北平原构造沉降作用，黄河-海河河流沉积作用和海陆交互作用的共同影响，发育自太行山、燕山山脉的河流携带着泥沙冲出山口，形成沿山麓断续分布的、大小不同的、不同时期交互叠置的冲洪积扇，其中以永定河冲洪积扇最大；冲洪积扇前缘发育了一系列串珠状的洼地，自西南向东北分别为白洋淀、文安洼、大黄堡洼、宝坻洼等；在中部泛滥冲积平原区，河流改道频繁，古河道高地和河间洼地总体呈北东向展布；滨海平原发育贝壳堤和泻湖湿地，如天津塘沽贝壳堤和北大港、南大港、团泊洼、七里海湿地等，即是海陆交互作用的结果。因此，从山麓到滨海依次形成了山麓堆积-河流沉积-海陆交互作用为主的堆积环境[4]，可划分为冲洪积平原、泛滥冲积-冲湖积平原、冲海积平原3 种地貌形态（图2）。
由于气候变干、自然植被破坏、耕作、大量修建拦蓄水库、平原区河道大规模整治等的影响，海河平原山前地带以轻微侵蚀为主，中部平原自然堆积-侵蚀作用基本被人为搬运改造所替代。滨海地带受气候变暖、海平面上升、极端恶劣天气、港口建设、滨海养殖业快速发展等的影响，滨海平原的海岸带环境变化较快。
3 高Ca、Mg、F-低Se、Mo、I-弱碱性的土壤地球化学环境及酸化问题
在全国尺度上，海河平原北部地区深层土壤地球化学环境（表2）以高Ca-Mg-F、低Se-Mo-I、弱碱性为特征，Ti、Li、Mn、Al、Cd、Cu、Co、B 等与全国土壤背景值[10]基本相当。表层（现代）土壤地球化学环境仍以高Ca-Mg-F、低Se-Mo-I、弱碱性为特征，但pH 值由8.52 下降到8.22，平均下降了0.3，表明土壤已经发生酸化。表层土壤S 发生明显累积，已超过深层土壤S 含量的1 倍以上，表层土壤N 含量也明显高于深层，说明土壤SOx的累积可能是造成土壤酸化的主要因素。另外，Corg、Se、Hg、P、Br、Cd在表层土壤中均表现为显著累积，已达到深层土壤含量的1.5～3.38 倍。
在研究区内，深层土壤的pH 值和Ti、Si、Al、K、Sr、Ba、P 的含量在空间上的变化最小，变异系数均在0.02～0.07 之间；而Corg 和I、Br、S、Se 的含量在空间上变化最大，变异系数均在0.26～0.36 之间。表层土壤的pH 值和Ti、Si、Al、K、Sr、Ba 的含量在空间上的变化仍然最小，变异系数均在0.02～0.06之间；而Hg、Br、Cl、I、S 的含量在空间上的变化最大，变异系数均在0.2～1.28 之间。由于后生地球化学作用（包括人类活动）的影响，表层土壤Hg、Cl 分布的不均匀性明显加剧；人类活动对P 含量的影响仅限于表层土壤，而对Corg 和Se 的影响已波及深层土壤。
图2 海河平原北部地区表层堆积物成因类型及时代[4]
Fig. 2 Surface layer deposit genetic types and ages in northern Haihe plain
4 淡水-微咸水-弱碱性的潜水环境及碱化问题
海河平原北部地区潜水含水层由冲洪积-冲湖积-冲积-冲海积序列沉积作用所形成。潜水以大气降水补给为主，以人工开采和蒸发排泄为主，由燕山-太行山山前向渤海湾汇流的潜水流场由于向各洼地汇流、开采水源地汇流而呈复杂化的态势；潜水水位埋深自山前地带的20m左右逐步变浅到渤海湾沿岸的0～2m，水位变幅山前地区为3～5m/a，中部地区为0.3～1.5m/a，滨海地区几乎没有变化，山前地带潜水水位呈持续下降的趋势，多年平均下降幅度为1～2m/a，局部地区潜水含水层已经呈疏干状态，如保定一亩泉水源地潜水含水层已经疏干。
由山前冲洪积扇-中部冲积平原-滨海平原，潜水矿化度由小于0.5g/L 过渡到1.0～2.0g/L，再过渡到2.0g/L 以上，潜水水化学类型演化序列为重碳酸盐型—重碳酸硫酸盐型—硫酸盐氯化物型—氯化物硫酸盐型—氯化物型，但由于人类活动的影响，局部地区水化学类型有变异和复杂化的特点，人口密集的大中型城市如北京、天津等，潜水中硝酸盐、亚硝酸盐含量明显增高，Hg、Cr、Cd、Zn、Pb 等均有检出。
表2 海河平原北部地区表层土壤、深层土壤地球化学环境统计参数
Table 2 Geochemical parameters of the top soil and the deep-layer soil in northern Haihe plain
注：氧化物、C、Corg 含量为%,Hg 含量为10-9,其他元素为10-6
潜水呈弱碱性，pH 值平均为7.74。根据地下水监测历史资料（表3）分析，1980 年代初期（1980—1982）潜水的pH 值平均为7.38，近年来（2005—2008）已经变为7.74，25 年间潜水的pH 值总体上升了0.36，呈现碱化趋势。由于潜水水位普遍下降，土地盐渍化明显减轻，除渤海湾沿岸地带盐碱地呈带状分布外，冲洪积平原内部的盐碱化土地呈小斑块、斑点状分布[1，11]；由于改水措施已实施约30 年，地方性氟中毒症普遍减轻[12]。
表3 海河平原北部地区潜水pH 值统计参数
Table 3 pH value and its parameters of unconfined groundwater in northern Haihe plain
5 自然、人为双重驱动及驱动差异问题
土壤粒度和矿物分析结果显示，从山前到滨海，粉细砂、粉砂质颗粒（0.075～0.01mm）的含量由75%下降到65%，而粘粒（＜0.002mm）的含量由7%增加到20%；土壤矿物成分由以造岩矿物石英、长石为主演变为以次生粘土矿物伊利石为主，稳定性较好的造岩矿物石英也退居第二位，充分显示了水动力分异控制下的原生沉积环境特征。相应地，山前冲洪积平原区以高Si、低Cl-Br-I-S-Ca-Mg 为特征，滨海平原则以低Si、高Cl-Br-S-I-Mg 为特征，印证了土壤地球化学环境从山前平原到滨海平原的自然演化规律。永定河冲洪积扇和滹沱河冲洪积扇高Sr低Ti、F，洼地地带低Si 高F，玉田—丰南一带Al-Ti-NI-Mn-Li-Co 含量极高，主要受物质来源的控制，也都是自然作用的结果。
人类活动对土壤地球化学环境的影响主要表现为Corg、Se、S、Hg、N、P、Br、Cd 在表层土壤中的积累，而且影响结果在区域分布上存在明显的差异。Corg、Se、S、N、P、Br 以面状普遍积累为主，而Hg、Cd、P 除面状积累外局部高浓度积累更为突出，其中Hg、Cd 主要在城镇及其周边积累，P 主要在农业主产区积累。如北京、天津、保定城区土壤高Hg-Cu和C-Se；北京城区、北京市大兴区、天津市区东部、保定市区北部、清苑—安新一带的城市和工业区Pb、Zn 相对较高。
潜水环境的形成与演化表现为自然因素与人为因素共同作用的特点。造成区域地下水水位下降的主要原因是降雨补给量减少；上游拦蓄造成河流补给量减少；开采量增大且已经超过天然状态下的补给量；区域水位下降造成包气带厚度增大，降雨-灌溉有效补给量减少。流场也已形成了区域总体流场与局部降落漏斗流场相结合的格局。水化学类型总体演化与局部地区水化学类型复杂化共存；矿化度由山前平原到滨海平原的增加趋势与山前地带、中部平原局部地段矿化度增加相叠置；山前平原潜水的矿化度和Cl-、SO42-含量普遍升高，潜水NO3-N含量在城镇地区局部升高。
总体而言，在过去的几十年里，人类活动的影响程度明显增强，并将成为未来水土地质环境演化的重要驱动力。海河平原北部地区现代水土地质环境特征表现为自然地理地质背景总体控制下的、人类活动强烈干预的总态势，但在表现形式和区域分布上驱动强度存在明显的差异性。
6 土壤环境质量良好，但潜水环境质量较差，且均呈恶化的趋势
以研究区深层土壤元素背景值作为影响程度评价的标准值，采用单因子评价和内梅罗指数综合评价进行了分级评价。结果显示，Hg、Cd 是研究区主要的人为影响因子，中—重度影响地区主要分布在北京、天津和保定3 个市区，轻度影响地区主要分布在北京郊区、保定郊区、沧州市区、泊头市区、丰南市区、涿州市区、定兴城区等人口较密集区。
以《土壤环境质量标准（GB15618-1995）》为评价标准，单因子评价和综合评价结果显示，研究区影响土壤环境质量的主要因子是Cd、Cu、Zn、Hg、As，土壤环境质量总体良好。一、二类土壤约5×104km2，占全区面积的98.7%；三类土壤面积为704km2，仅占全区的1.3%，主要分布在天津市、清苑-安新、塘沽和宝坻东北部；未发现超三类的土壤。
以《地下水环境质量标准（GB/T 14848-93）》为评价标准，采用pH、总硬度、溶解性总固体、硫酸盐、氯化物、硝酸盐、亚硝酸盐、氟化物、碘化物、铁10 项指标对潜水环境质量进行了评价。评价结果表明，影响研究区潜水质量的指标主要是溶解性总固体、总硬度、氯化物、硫酸盐，其次是硝酸盐、氟化物等，水质以Ⅳ类、Ⅴ类水为主，水质最差的Ⅴ类水在天津地区连片分布。
综上所述，海河平原北部地区水土地质环境具有典型的从山前到滨海的区域分布与演化特征，局部地区的水土地球化学环境仍以自然成因为主或已经转变为以人为干预为主，但总体土壤地球化学环境质量良好，潜水环境质量较差。由于华北地区变暖变干和人类越来越强烈的干预，水土地球化学环境已经发生了较大的改变，而且局部地区已表现出快速变化的趋势。因此，建议系统地开展水土地质环境监测预警工作，为地质环境管理和公众提供科学的地质环境信息。
致谢：本文承蒙任福弘研究员、王瑞久研究员审阅和指导，在此表示诚挚的感谢。
参考文献
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作者简介：李瑞敏（1964-），女，博士，教授级高级工程师，从事环境地质、农业地质研究和地质环境监测。
