典型地区环境地质指标研究
一、研究区概况大庆市位于松嫩平原中部，黑龙江省西部，属松花江流域，是我国最大的石油、石化生产基地。现辖肇州、肇源、林甸、杜尔伯特四个县，以及萨尔图、让胡路、龙凤、红岗、大同五个区，总面积21 219 km2，截至2006年10月18日，总人口数为265.7万人，工业企业1000余家。其中市区面积5107 km2，人口121.2万。大庆市区行政区划主要构成如表7-5所示，地理位置如图7-1所示。表7-5 大庆市区行政区划表（2004年）图7-1 大庆市区行政区划图（一）地质与地形地貌大庆市在地质构造上属松辽盆地，它位于松辽盆地北部，处于松花江、嫩江一级阶地上，地层沉积厚度达6000 m以上。在漫长的地质构造运动作用下，大庆市地下岩层形成两侧为凹陷的构造——三肇凹陷和齐家古龙凹陷，中部为隆起构造——大庆长垣构造。大庆长垣是松辽盆地中央坳陷区北部的一个大型背斜构造带，南北长140 km，东西最宽处约70 km。正是被称为“大庆长垣”的构造，孕育了大庆油田的主体，长垣之上，自北而南有喇嘛甸、萨尔图、杏岗村、太平屯、高台子、葡萄花和敖包塔7个油田。从第四纪地质构造上来看，大庆市可以分为：冲击层、低漫滩堆积层、第四系水系、风积层、高漫滩堆积层、洪积（冲积）层和全新统，见表7-6。表7-6 大庆市第四纪构造及其面积全市地势东北高、西南低，一般地面高程在126～165 m之间，自然坡降在1/5000至1/3000左右，相对高差较小，为10～39 m，境内无山无岭，地貌表现为坡状起伏的低平原。从地貌成因类型及形态特征看，大庆大面积为冲积洪积湖积低平原，局部为冲积洪积河漫滩、风积沙丘地貌。冲积洪积湖积低平原分布于大庆市中部广大地区，地形平缓，表现为坡状起伏：冲积洪积河漫滩呈条带状分布于沿江地带，地势平坦，地面湿润，并分布有较多季节性泡沼和沼泽湿地及小块的残留阶地；风成沙丘呈北西-南东向条带状分布，大部分现已固定或半固定。在地势稍高多为平缓的漫岗，其上植被发育较差，平地上多为耕地、草原，间有许多面积不大的盐碱小丘；低处多为排水不畅的季节性积水洼地和低位沼泽，以及大大小小的碱水泡子。（二）气候大庆市地处北温带欧亚大陆东缘大陆季风气候区，属于半湿润与半干旱区域，受蒙古内陆冷空气和海洋暖流季风的共同影响。春季多大风，少雨干燥；夏季短暂，受太平洋高压气团影响，雨热同季，高温多雨；秋季日照长，常有早霜；冬季漫长，受高空西北气流控制，严寒少雪。市区多年平均气温3.2℃，1月份平均气温-19.6℃，7月份平均气温22.8℃，极端最低气温-37.7℃，极端最高气温37.4℃。无霜期140天，年平均日照时数为2826h。季节性大风明显，年平均风速3.9m/s。大庆市气候灾害最主要的是干旱，特别是春季，春季降水不到全年的15%。由于年内降水分配不均，强度大，降低了降水的有效性，造成夏、秋洪涝灾害。此外，低温寒冷、霜冻、冰雹、大风出现的频率较高，造成程度不同的其他灾害。（三）土壤大庆市区土壤是在特定的地貌、成土母质、气候、水文、植被等成土因素的综合作用下形成的。草原土壤占市区总土地面积的 18.64%，是主要的耕地土壤；水文土壤主要有草甸土和沼泽土，其中草甸土占市区总土地面积的52.23%。大庆地区特殊的自然地理环境使区内土壤既有一般的成土规律，又有特殊的隐域性成土方式。第四纪粘土、亚粘土为主的沉积物，决定了大庆地区土壤的基本性质，即具有温带平原土壤系列的基本特点。根据土壤普查资料，大庆市土壤共分 6 个土类，13 个亚类、13 个土属，28 个土种。（四）植被大庆市天然植被主要由草甸草原、低地盐化草甸和沼泽构成。草甸草原是松嫩平原的主要组成部分，分布在漫岗、缓坡地和低平地上，植物主要以中早生的多年生草本植物为建群种，并以丛生和根茎型禾草占优势。禾本科主要有羊草、贝加尔针茅、野古草、隐子草和洽草等；豆科有兴安胡枝子、细叶胡枝子、五脉山薰豆、首箱、草木裤、山野豌豆等，杂草类主要有篙属、萎陵属杂草。植被盖度多在65%以上，草层平均厚度50 cm左右，亩产干草约100～150 kg。此类草场是畜牧生产主要割草场和放牧地。低地盐化草甸在大庆市有一定面积的分布，多处在地势低洼地带，与草甸草原植被呈镶嵌分布。植被由盐中生和早中生禾草、杂草类组成，主要植物有星星草、碱茅、羊草、芦苇、野黑麦、盐生凤毛菊、碱蓬、碱高等，植被盖度60-80%，草层平均高55 cm，亩产干草70 kg。此类草地主要作为放牧场。沼泽植被在大庆市有小面积分布，主要在长年积水或季节性积水的内地闭流洼地、无尾河散流低地和江滩洼地，植物主要有芦苇、小叶樟、三棱草、苔草等组成，芦苇是最常见的类型，植被盖度在80-100%，生长高度150～250 cm，产量很高，主要用于造纸工业。除了占优势的草本植物外，在西部风沙土区还有野生的蒙古杏、榆树等树种分布，现已遭受严重破坏。沿江地区还有天然的山杏、榆树、灌木柳等。不过目前，大庆市天然植被己有很大一部分被开垦为农田，并在村镇周围和农田边缘种植了大量的杨树。保持天然植被的地段多为干早贫膺的沙地、较重的盐碱地以及沼泽地等。另有一部分植被由于油田开发而受到严重破坏。（五）水文1.降水大庆市夏季降水量丰沛，冬季降水稀少。多年平均降水量为380～470 mm，最大降水量为664 mm，最小降水量为213 mm。年内降水量分配不均，主要集中在7～8月份，约占全年降水量的55%。大气降水明显表现为年际变化大、年内分配不均，并呈现夏季丰水、冬季枯水、春秋过渡的特点。2.地表水大庆市地表水资源表现为明显的闭流区特征。境内湖泊、泡沼星罗棋布，但很多泡沼多为碱性泡子，碱性强、盐分含量高，未经处理不能做灌溉用水。市区内无天然河流，松花江、嫩江从西南部边缘通过。省内两条最大的无尾河——乌裕尔河和双阳河的尾部逐渐消失在林甸和杜蒙县的大片苇塘和湿地中，大气降雨都汇集到低洼处，形成许多季节性沼泽地，全市有常年水泡208个，其中市区有156个。地表水系由引水系统、排水系统和诸多泡沼组成。引水系统包括三条以嫩江水位水源的北部、中部、南部引嫩工程和相应的蓄水工程组成，蓄水工程主要包括大庆水库、红旗水库、龙虎泡水库、北湖、东湖等。日供水能力117万m3。排水系统有南线排水和东线排水组成，东线由石化总厂污水管线进入清肯泡，南线主要是指安肇新河排水系统。3.地下水大庆市已探明地下有四个含水系统，即主要由第四系林甸组、泰康组及第三系大安组、白垩系明水组构成。因含水层受古沉积环境影响，其结构特征、埋藏条件、补给、径流条件差异很大，各含水层富水性差别较为明显。总体而言，含水厚度在10～40 m之间，顶板埋深为35～60 m，一般单井出水量为20～50 t/h，地下水可开采量为每年9.6亿m3。大庆市各含水层为低矿化度重碳酸氢钠（NaHCO3）型水，但主要指标有明显的差异。在含水层之间，总溶解性固体由高到低依次为大安组、泰康组、林甸组、明水组，总硬度由高到低依次为泰康组、林甸组、明水组、大安组，锰含量由高到低依次为明水组、泰康组、林甸组、大安组，氟含量由高到低为林甸组、泰康组、大安组、明水组，pH值由高到低依次为明水组、林甸组、大安组、泰康组。总的情况分析，明水组水质最好，大安组水质次之，第四系、泰康组水质一般。在平面分布上的总体情况是，大庆长垣以东地区水质好于以西地区。（六）石油天然气大庆市位于松辽盆地的中心部位，是中生代至新生代时期的一个大沉积盆地，地下有丰富的石油天然气资源。截至 2001 年底，共发现探明石油地质储量 56.2 亿t，已动用地质储量 47.9 亿t，已开发的含油面积 2123.77 km2，占大庆市总面积的 41.59%。大庆市天然气资源也较为丰富，天然气地质储量 548.22 亿m3。二、大庆市水土环境变化影响、状态和后果分析及环境地质指标研究综观大庆市水土环境恶化的各种相关因素，其主要成因为：大庆市地处松嫩平原腹地，地质环境脆弱；油田的开发、建设活动加剧了市区水质和土壤的污染，造成区域地下水位持续大幅下降，导致土地资源流失，土地利用结构发生变化等一系列水土环境问题。（一）气象大气降水情况表现为年际变化大、年内分配不均的特征，并呈现夏季丰水、冬季枯水、春秋过渡的特点。夏季受东南季风的影响降水量丰沛，占全年降水量的60%左右；冬季在干冷东北风控制下降水稀少，仅占全年的4%～6%，见表7-7、7-8。表7-7 大庆市区代表站降水量系列丰枯评定表表7-8 大庆市区主要代表站多年平均降水量分配表对于潜水含水层，水位变化受降雨影响较大，丰水位出现在8～9月份，枯水期多出现在4～5月份，图7-2是市区一潜水含水层地下水位与降雨量的关系曲线图。（二）水文地质大庆市含水层主要由第四系林甸组、泰康组及第三系大安组、白垩系明水组构成。因含水层受古沉积环境影响，其结构特征、埋藏条件、补给、径流条件差异很大，各含水层富水性差别较为明显，根据地下水含水层特征及埋藏条件可将区域内地下水分为富水区、中等富水区、弱富水区和贫水区四个区域，以大庆长垣为界，将规划区分为西部含水层系统及东部含水层系统，东部明水组缺失边界以南为东南部含水层系统。图7-2 地下水位与降雨量的关系曲线1.齐齐哈尔组潜水含水层岩性为冲积和湖相沉积的细粉砂层。在低平原地区发育，岩性为黄土状亚粘土、亚粘土、粉细砂，潜水含水层底板埋深一般在5.0～30.0 m之间。赋存孔隙潜水，含水层厚度2.50～8.50 m，水位埋深2.5～8.3 m，渗透系数0.6～3.2 m/d，单井涌水量3/d，水质类型为低矿化淡水-微咸水。2.大兴屯组潜水含水层岩性为冲积相沉积的地层。在区域高平原地区发育，岩性为黄土状亚粘土、亚粘土、粉细砂，赋存孔隙潜水，含水层厚度0.50～5.50 m，水位埋深3.5～6.5 m 渗透系数0.8～2.5 m/d，单井涌水量3/d，水质类型为低矿化淡水-微咸水。3.林甸组承压含水层主要由河流相沉积细砂、砂砾石组成。除大庆长垣顶部缺失外，油田大部分地区都有分布，以油田西部发育最好。油田东部只有龙凤—卧里屯一带分布。在油田西部，埋深深度和厚度均自东向西，自南向北加深增厚，在前进水源以南地区逐渐变薄。厚度一般都在10.0 m以上，大部分地区都在20.0～60.0 m之间。少数在75～80 m之间。含水层颗粒粗大，分选较好，有效孔隙度大，透水性强，富水性较强。300 mm井管单井出水量为3615～5462 m3/d。林甸组含水层是规划区主要开采层位之一，其原始静水位埋深在3.0～10.0 m之间，目前，在降落漏斗范围内，水位埋深在15～25.42 m之间。水质类型为低矿化度的重碳酸钠型水。4.泰康组承压含水层岩性主要是含砾细砂和含砾中粗砂，自上而下由细变粗，呈明显河流相沉积。上部以中细砂和粉细砂为主，底部为厚层状含砾中粗砂。含水层只分布于大庆油田的西侧地区，与上覆第四系砂砾石层之间有一层分布不稳定的亚土、粘土和粉砂交互层，沉积发育比较稳定，厚度为5.0～20.0 m，且分布不稳定粘土或亚粘土互层相隔，沉积缺失而形成天然的“天窗”。通过弱透水层和“天窗”，使第四系林甸组含水层与该含水层相连通，水利联系较为密切，可视为同一含水层系统。5.第三系大安组孔隙承压含水层该含水层受沉积构造运动影响，分布不稳定，含水层较薄，厚度在3.0～8.0 m之间，含水层岩性为含砾砂岩，胶结松散，颗粒较细，孔隙较小，富水性略差。单井出水量为800～1000 m3/d。矿化度为240～660 mg/l，水质类型为重碳酸钠型水。6.白垩系明水组孔隙承压含水层又分为明水组二段承压含水层和明水组一段承压含水层。前者沉积时受构造运动影响，分布不稳定，多以透镜体分布。含水层单层较多，一般2～10层。单层厚度在3.0～26.0 m之间，累计厚度在10.0～80.0 m之间，局部最厚可达100 m。含水层岩石颗粒较细，孔隙较小，富水性略差。单井出水量为430～1700 m3/d。矿化度为300～700 mg/l，水质类型为重碳酸钠型水。后者与明水组二段含水层平面分布范围基本一致，含水层沉积特征受构造运动的影响很小，分布稳定性较好，特别是其上部含水层呈连续分布，沉积发育良好。含水层单层数较明水组二段少，一般为1～8个单层，单层厚度在3.0～29.0 m之间。含水层累计厚度为在5.0～55.0 m之间，局部地区最厚可达66.5 m。明水组一段含水层发育较为稳定、厚度为20 m左右，灰黑色泥质砂岩，砂岩分为上下两部分。其中上部发育良好，单层厚度较大，区域分布十分稳定，岩石颗粒较粗，有效孔隙度较大，富水性较强。而下部则发育较差，分布也不稳定，在三肇凹陷东部，发育相对较好。在龙凤、东水源地区，该含水层在油田开发初期可喷出地面10余m。目前，漏斗范围内最大降深在地面以下50 m。单井开采量为400～1000 m3/d，矿化度为300～800 mg/l，总硬度为96～500 mg/l（以CaCO3计）。（三）地表水质地表水是大庆市水资源的重要组成部分。大庆市的地面水体主要由江河、“三引水系”、自然泡沼、人工湖库和排水渠系共五部分组成。由于大庆以石油开采和石油化工为主体产业结构特点，结合大庆地区地表水体中的主要超标项目，选择了DO、COD、BOD5、挥发酚、CN-、石油类、总砷、六价铬、总镉、氨氮10个为地表水环境质量评价因子。江河：由表7-9可见，区内松嫩两江，仅在中部引嫩干渠渠首及肇源站段为Ⅲ类地表水体，其他站段为Ⅳ级水体。江水的环境质量主要受到沿途纳污及江水自净条件的影响。从北部拉哈站段水体为4.6级，到中部引水渠首江水由于自净作用综合级数变为3.60级，至江桥站段由于途中接纳了齐齐哈尔市的污水排放使江水综合级数上升到4.14级。至古恰，松花江接纳库里泡4.87级的排水后江水由4.10级上升为4.69级。各断面环境监测资料统计表明，松嫩两江主要超标项目是化学耗氧量、生化需氧量、石油类物质。乌裕尔河和双阳河因受其上游各县污水排放的影响，水质较差。其综合级数分别为5.79和5.38级。属Ⅴ类地表水体。主要超标项目有化学耗氧量、生化耗氧量和石油类物质。引水系统：中部引嫩干渠和北部引嫩总干渠质量分别为Ⅲ级（3.67级）和Ⅳ级（4.6级）。大庆水库和红旗水库为Ⅲ级地表水体。综合级数分别是3.31级和3.9级。据不同水期的监测资料分析，大庆水库枯、平、丰水期综合级数变化明显，主要表现为枯水期水质最差，丰水期水质较好，可达Ⅱ类地表水标准。排水渠：安肇新河和西部排水干渠为大庆市排水主干系统，并汇合于大同，而后注入库里泡。排水系统承泄大庆市的城市污水和工业废水。安肇新河源于王花泡滞洪区，与东排干，中央排干和兴隆排干构成东部排水系统并串联于中内泡。主要接纳萨尔图区、龙凤区和红岗区及大同区的部分污水。水质较差。综合级数显示，东排干为4.93级，中央排干为5.84级，安肇新河为5.44级。西部排水总干渠北起大庆水库，南到民荣泡南端入安肇新河，全103.4km。设计流量10m3/s。具有油田排水，工业排水、农田灌溉等功能。西部排水干渠北部水质较好，基本符合Ⅲ级地表水体标准，其间串联于哑葫芦泡，东卡梁泡和八百垧泡后，接受了让胡路区、红岗区和大同区的污水排入，几个断面的综合级数都在5.8级以上，污染较为严重。湖泡：大庆地区湖泊众多，是地表水环境系统的重要组成部分，多数湖泊具有纳污功能，城市污水、工业废水、地表径流是这些湖泡的主要补给，有的湖泊也有来自地下水潜水的补给，如莲环湖等，使这些湖泊终年不干，得以存在，湖泊是污水的汇集地，也是区内污染最为严重的区域。据断面监测，串联于安肇新河的中内泡1998年丰水期综合级数为8.06级，枯水期竟高达15.44级。大庆市与水环境密切相关的二十几个湖泡，除王花泡、八百垧泡、莲环湖、库里泡为Ⅳ级地表水体外，其余皆为Ⅴ级水体或超Ⅴ级水体。其中污染最为严重的是：老猪泡、中内泡、周瞎子泡、民荣泡、陈家大院泡。表7-9 大庆市地表水体质量评价结果表综上所述，大庆地区地表水体的污染以化学耗氧量、生化需氧量、石油类、有机污染为主，其次为总氮和总磷超标元素。地表水体污染的主要原因是城市生活污水和工业废水的排入造成的。其次地表径流水质也是影响湖泊、河流水质的一个重要方面。（四）地下水水质大庆油田自开发以来，就以地下水作为主要的供水水源，由于地下水的大量开采，在开采区形成大面积水位降落漏斗，漏斗中心位于前进水源地附近，而且随着开采量不断增加，漏斗中心水位降落也相应增大，在许多水源地，如前进水源、齐家水源、让胡路水源、喇嘛甸水源、红卫星水源等水源地的水化学成分发生了变化，地下水的、硬度、Fe和Mn均有升高的趋势。主要化学成分的情况如下：1.Cl-离子大庆市地下水中氯离子含量较低，大部分为Ⅰ级水，小于地下水环境质量标准规定的Ⅰ级水（50mg/L）。Ⅱ级水分布在齐家水源、喇化水源、西水源喇嘛甸水源一带。2离子大庆市地下水中硫酸根含量大部分较低，为Ⅰ级水，低于地下水环境质量标准规定的50mg/l。Ⅱ级水分布在杏二水源、南二水源，龙凤水源等地。Ⅲ级水主要分布在齐家水源地、西水源和让湖路水源地。只在喇化、西水源、喇嘛甸水源的个别井点达到Ⅳ级和Ⅴ级水。3.Fe离子大庆市地下水中铁离子的含量普遍较高，多数井点达到了Ⅳ级和Ⅴ级，即超过饮用水水质标准（0.3mg/l）。铁的分布基本分成三个区，西部地下水中铁含量较高，为Ⅴ级水，中部铁含量主要为Ⅳ级水，而东部地下水中铁含量相对较低，其中北水源、东水源、龙凤水源至农牧厂一带的地下水中铁含量较低，为Ⅰ级水，是白垩系明水组含水层。红卫星水源、喇嘛甸水源中部分井点及大同等地的地下水为Ⅳ级水，西部地区铁含量普遍较高。4.Mn离子根据锰含量的高低，可将大庆市地下水分为东西两个区。西区锰含量较高，多数为Ⅳ级水，个别地方为Ⅰ级水，如林甸的庆丰等地；而东部地区地下水中锰含量较低，大多为Ⅰ级水，如北水源、东水源、龙凤水源至农牧厂一带的明水组含水层，长垣西侧的西水源、红卫星水源、南水源、南二水源、前进水源等水源地部分井点为Ⅰ级水。5离子大庆市地下水中硝酸根含量大部分为Ⅰ级水，小于2mg/l。6.F-离子氟离子含量基本分为两个区，西部地区含水层中含量较低，大部分为Ⅰ级水，包括绿色草原、胡吉吐莫、古龙、新肇、古恰等地，林源、新华、大兴和肇源等地也为Ⅰ级水，而东部一些地区氟含量较高，为Ⅳ级水甚至Ⅴ级水。7.TDS大庆市地下水中溶解性总固体含量低的Ⅰ级水（2，从动态分析可以发现，水量和水位呈直线的相关，漏斗的分布直接受地下水开采量控制，漏斗中心水位已经由最初的地面以下9 m，下降至现在的45.6 m，平均每年下降0.96 m（图7-3、表7-10）。开采区在1972年开采量达约1.0亿m3时，地下水位埋深19.62 m，使地下水位下降9～14 m，地下水降落漏斗开始扩大，从1972年起开采量逐年增加，到1976年开采量达1.48亿 m3，降落漏斗影响面积2500 km2，开采强度达5920m3/km2·年，漏斗中心水位埋深达29.50 m，此时降漏斗迅速发展面积扩大，1986年地下水开采2.0亿m3，漏斗中心水位埋深达34.24 m，从1986～1988年之间，开采量减少，到1988年开采量为1.7亿 m3，漏斗中心水位相应有所回升，漏斗中心水位埋深33.28 m，1989年以后地下水开采量逐年增加，漏斗水位又随之下降，到1996年达2.4亿m3，水位埋深为45.6 m，水位总下降约30 m，1997年地下水开采量为2.3亿m3，形成北起林甸花园乡，南到采油七厂，西起新店，东到大庆长垣西侧，漏斗中心位于独立屯水源及相邻地区降落漏斗，漏斗面积4000 km2，开采强度达6.57×103 m3/km2·年。东部漏斗区：地下水主要开采目的层为明水组白垩系含水层，有集中开采水源10座，开采区1970年上开采量达0.28亿m3，地下水位埋深25.00 m，地下水降落漏斗扩大，到1984年开采量达0.32亿m3，漏斗中心水位达33.50m，1984年以后逐年增加开采量，1992年开采量达0.38亿m3，漏斗中心水位持续下降为42 m，到1997年水位下降到53.4m，开采强度达6.51万m3/km2·年，形成了北起青龙山奶牛场，南到安达畜牧农场，东起安达中本乡，西至缺乏边界的长约50 km，东西宽30 km的降落漏斗1560 km2，见图7-4、表7-11。图7-3 西部开采区开采量与水位变化的关系表7-10 西部漏斗区水源井开采量与水位的变化关系统计表图7-4 东部开采区开采量与水位变化的关系表7-11 东部漏斗区水源井开采量与水位的变化关系统计表（六）土地利用结构2001 年大庆市区耕地面积 2042.16 km2，占总土地面积的 39.96%，牧草地面积 1486.97km2，占总土地面积的 29.10%，水域面积 431.96 km2，占总土地面积的 8.45%，建设用地 400.86km2，占总土地面积的 7.84%，未利用地733.34 km2，占总土地面积的 14.35%。与 1990 年相比（表7-12），11年期间耕地面积净增 285.1 km2，年增长率 1.48%，牧草地面积减少 85.39 km2，平均每年递减 0.49%，水域面积减少 51.54 km2，年递减率 0.96%，建设用地增加 105.82 km2，年增长率 3.26%，未利用地减少 258.56 km2，平均每年递减2.37%。1979年到1990 年期间，耕地增加 314.61km2，平均年增长 1.98%，牧草地减少 933.37km2，平均每年以 3.10%的速度减少，水域面积增加78.94 km2，年均增长 1.63%，建设用地增加 149.98 km2，年均增长 8.62%，未利用地增加 398.98 km2，年均增加 5.61%。其中各区1990、2001年土地利用情况见表7-13、表7-14。表7-12 大庆市区土地利用类型统计表表7-13 大庆市区1990年各区土地利用类型统计表表7-14 大庆市区2001年各区土地利用类型统计表1979 到 1990 年的 11 年期间研究区耕地主要去向是转化为草地、居民点和未利用地，同时大量的草地转变为耕地、水域、居民点和未利用地，未利用地一少部分转变为居民点和耕地，大部分变成草地和水域用地。土地利用类型复杂的转换过程，说明这一时期区域土地利用十分剧烈，人类的干扰活动是强烈而持续的。主要是由于大庆油田正处于中兴鼎盛时期，一方面要保证产量，油井不断加密，占用了大量的耕地、草地，被占用的土地建了油井和输油管线以后不能再耕种和放牧形成了大面积的未利用地。另一方面大量人口的迁入和人口的自然增长使得城市建设的步伐不断加快，油田占用土地以后，剩余的草地或被城市用地占用，或者被开垦成耕地。而水域面积的增加主要是来自于草地和未利用地，则可能是由于气候条件适宜，降水量增加导致地势低洼处形成季节性积水的原因。居民点和建设用地主要转变为草地和未利用地，主要原因是在油田区内建造的临时居民点搬迁出油田。1990 年到 2001 年期间，土地利用类型的相互转化，主要表现为：草地面积因开垦耕地和城市建设占用继续减少，耕地面积继续增加，城市建设用地增加，20世纪80年代形成的未利用地有一部分转化为天然草地，大面积的天然水域萎缩变为未利用地，这与20世纪90 年代大庆气候逐渐变干有着密切的关系。（七）土壤质量大庆市及周边地区的土壤中，石油烃均值含量达78.01 mg/kg（背景值为48.36mg/kg），污染率为60%；挥发酚均值0.048 mg/kg（背景值为0.032mg/kg），污染率为48%；总铅均值为24.34mg/kg（背景值为15.42mg/kg），污染率为43%；硫化物均值为0.13mg/kg（背景值为0.07mg/kg），污染率25%。上述资料明显反映了大庆及周边地区的土壤已遭受不同程度的污染。虽然石油类污染物在土壤中经3～5a即可降解；但这些物质可通过食物链进入人畜体内，从而危害人体健康。这些污染物来源于油田开发区和石油化工区的钻井及输油管线冒漏、井喷漏；石油化工厂的泄漏及废气废液的排放和原材料堆放等；另外石油钻井的废液泥浆也是土壤污染的一个重要因素。每口井产生的废液约60～80m3，20世纪80年代以前全部就地掩埋；以后2万多口井液按80%回收，剩余140万m3井液就地掩埋。这些井液毒性大，颗粒小，呈黏稠状，对土壤构成了严重威胁。（八）水资源衰减大庆全市地表水域面积42万hm2，地下水可开采量每年为9.6亿m3。由于采油过程中过量开采地下水，造成区域地下水位下降，在大庆长垣附近已经产生两个区域性水位下降漏斗，漏斗面积分别为：4500 m2、1600 m2（包括林甸、杜蒙、安达部分），中心水位下降分别为36.00 m、44.00 m。由于漏斗范围内承压含水层压力较小，可能导致地面沉降和地面塌陷。据不完全统计，自20世纪70年代开始，大庆市地下水水位年均下降16～19m。至2005年底，西部地区地下水水位埋深达48173m，而原始静水位埋深仅210～1010m。（九）土地退化大庆市土地沙化、盐碱化及草原“三化”问题突出。据大庆市人大常委会数据，全市2.12万km2土地，荒漠化土地面积已达8279 km2，占土地总面积的47%。由于土地沙化和盐碱化，使土壤黑土层变薄，有机质含量降低。据调查，大庆垦前黑土层厚度为40cm，垦后黑土层厚度仅为15～20cm。大庆现有1034万亩草原，由于连年干旱，载畜量过大，原生土壤高含碱性，“三化”面积已达810万亩，占总面积的78%。（十）水文湿地面积萎缩问题显现。据黑龙江日报2006年报道，大庆市拥有湿地120万公顷，占全国已知湿地总面积的3.12%，接近1/30。大庆湿地发育的环境基础为流速缓慢的河溪、淡水湖泊及相邻的沼泽地，湿地类型属河流及河漫滩沼泽湿地、湖泊及周边沼泽湿地、草甸沼泽湿地。其中沼泽、苇地等 14.43 万亩，水域 41.87万亩。主要分布在肇源县、杜蒙县、林甸县和市区。由于油田的深度开发，油田范围不断向外延伸，大量的湿地被开发利用。随着石油化工的发展，污染排放物加剧，“落地油”及钻井过程中产生化学泥浆和洗井废水使得许多湿地变成了泥浆地、排污地、废水排放池等。土壤、植被及湿地水体的大面积污染。（十一）水土环境污染大庆是我国著名的油都，在贡献高额利润的同时，也对当地水土环境产生了极大的破坏。最为突出的表现就是水土环境污染。2004年度，大庆市排放废水12414.0万t，其中工业废水7799.04万t，生活污水4615万t。工业废水中主要的污染物有COD、BOD5、SS、氨氮、石油类、硫化物、挥发酚、CN、砷、六价铬、铅等。由于境内无江无河，除每年约7000万t的污水经净化处理重新利用外，其余全部排入地表泡沼中，致使分布于大庆市境内大部分纳污泡沼皆为V级水或劣V级水。另外，对纳污泡渠一定范围内浅层地下水样的检测发现，色度、浊度、总硬度、铁、锰、氟化物、高锰酸盐指数、溶解性总固体超标。其中，铁、锰、氟化物超标反映受原生地质环境影响。而色度、浊度、总硬度和高锰酸盐指数超标，表明受人为活动所致。水体受到污染的同时，土壤污染也不容小觑。油田石油化工区、石油开发区土壤污染比较严重，污染物排量大、浓度高、毒性强，且在土壤中存留时间长，难于降解，并能通过食物链在人体内蓄积而影响人体健康。污染来源主要有钻井泥浆、钻井岩屑及石油开采过程中的落地原油。1995年，区域土壤污染调查时发现，主要的污染物为石油总烃、酚类和硫化物及重金属元素铅、铜等。2005年，重点对石油开发区内的土壤中（面积196km2）重金属元素展开调查，发现污染程度呈增加趋势。
典型地区环境地质指标研究
为研究和验证草地退化环境地质指标体系，选择典型的草地退化地区开展工作。锡林郭勒草原是我国北方退化比较严重的典型草原之一，因此选择该地区进行环境地质指标研究。锡林郭勒盟（简称锡盟）草原属于欧亚太陆草原区，位于我国四大草原之一的内蒙古自治区中部，地处北纬41°31′～46°45′；东经111°51′～119°58′。锡林郭勒盟草原是闻名中外的草原之一，由森林草原、草甸草原、典型草原，荒漠草原和草原沙地五大部分组成。锡林郭勒盟草原是我国北方地区一道重要的绿色屏障，长期以来一直阻止着来自中亚草原和我国西部沙尘的东侵，对京、津周边及整个华北地区生态环境保护起着十分重要的作用。锡林郭勒盟草原整体环境特征是，草原自然景观目前基本保存完好，是世界上保存较大的天然草场之一。一、研究区概况（一）地貌锡林郭勒盟地处内蒙古高原中部，是一个以高平原为主体，兼有多种地貌单元组成的地区。由于中新生代陆相沉积，尤其是新生代河湖相和风成砂、风成黄土的掩盖，致使其原始褶皱山区地形不显著，再加其经过长期的剥蚀、风化、准平原化作用，山的相对高差仅为数十米，最大不过数百米，缺乏高峻的山脉和明显的沟壑，形成老年期地貌。锡林郭勒盟地域辽阔，地势坦荡，高差较小，海拔一般在900～1300m之间。高原上切割甚微，以风蚀作用为主。全境地势南高北低，自西南向东北缓缓倾斜，平均海拔1000m以上。最高山峰为与赤峰市交界的古如格苏乌拉，海拔1967m；最低处在东乌珠穆沁旗宝拉格苏木奈日木德勒嘎查以南，海拔为839.7m。（二）气候锡林郭勒盟地处中纬度内陆，终年为西风环流控制，以中纬度天气系统影响为主，而季风环流影响则视季节变化而定。冬季风影响时间长，夏季风不易到达，且影响时间短。盟内地貌类型比较齐全，并以高原为主体，南部有阴山山脉横亘，东部有大兴安岭呈北东东-南南西向延伸。由于地形和山脉的屏障作用，以及所处的地理位置，使锡盟区域内受极地大陆气团控制时间较长，冬季风影响较大，具有干旱、少雨、寒暑剧变的典型大陆性气候特征。锡林郭勒盟草原属于中温带半干旱大陆气候，气候的基本特征是：冬季漫长而寒冷，夏季温热少雨，春秋季节多大风，昼夜温差大，降水量少，雨热同季。年均降水量在200～400mm，多集中在6～8月，占年降水量的70%左右。降水变率较大，表现在年际间降水分配不均衡，多雨年和少雨年相差悬殊，降水变化具有不稳定性、非均一性和不匀调性，造成草原出现春旱、夏旱和春夏连旱，影响牧草生长和产量；年平均温度在0～4℃之间，分布趋势自西南向东北递减，极端最高气温39.9℃，极端最低气温-42.4℃，是我国日温差较大的地区；年平均无霜期100～136d，大部分终霜期在6月中上旬，初霜期在9月上旬；年均蒸发量在1500～3000mm，大部分地区蒸发量为降水量的6～10倍，是造成土壤干旱的重要原因；日照时数2900～3200h，是我国太阳辐射较为丰富的地区之一；年平均风速4～5.5m/s，全年大风日数60～100d（6～8级），大部分地区属富风区。（三）水文1.地表水锡林郭勒盟东部的大兴安岭和南部的阴山山地相连构成了分水岭，以北为高原内陆水系，以南为外流水系。全盟主要有滦河水系、乌拉盖水系和呼尔查干诺尔水系等，流域面积58 096km2。其中滦河为外流水系，其他为内陆水系。锡林郭勒盟是内陆湖泊聚集的地区之一。据统计有大小湖泊多达1363个，总蓄水量3554亿m3。其中淡水湖泊672个，蓄水量20亿m3。由于锡盟气候干旱，风力较强，在湖泊的成因类型上，以风蚀湖为最多，其次是构造湖。湖水补给主要靠降雨，地下水补给较少，因此每年发生着有规律的变化，当雨季来临时，水位上升，湖面扩大，其他季节湖水下降，许多小湖干涸。2.地下水锡盟地下水资源比较丰富，经初步探明估算，年补给量54亿m3，可开发量1554亿m3。可分为山地丘陵、熔岩台地、山间盆地、沙地等4个水文地质单元。中蒙边界、东乌珠穆沁旗北部、锡林浩特以东、二连浩特以东的低山及波状丘陵地区，水位埋深一般小于5m，水量较大，总溶解固体小于1g/l；阿巴嘎旗-锡林浩特东南一带的熔岩台地地区，水位埋深为30～70m，或大于70m，总溶解固体小于1g/l，为重碳酸盐-钠-镁型水。锡林浩特南部灰腾西里熔岩台地，潜水位埋深大于70m，富水性较小，为缺水地区；乌珠穆沁盆地、二连盆地等山间盆地地区，为境内第四系孔隙水、承压水较富水地区，水位埋深随地形变化，总溶解固体一般为1～2g/l；浑善达克沙地地区地下水受降水、凝结水和丘陵裂隙水补给，水量较小，水质较差，总溶解固体在盐碱湖周围可高达73g/l。（四）土壤1.土壤类型在锡林郭勒草原中部草原植被下，广泛分布着栗钙土，它是锡盟最主要的土被组成部分。大体在东乌珠穆沁旗满都宝力格以西至苏尼特右旗朱日和一线以东，占据广大的低山丘陵、山间平地和高平原。除此之外，锡盟还分布有灰色森林土、灰褐土、黑钙土、草甸土、棕钙土、风砂土、沼泽土等土壤类型。2.理化性及肥力锡盟土壤质地可分为4类：沙土类、壤土类、粘壤土类和粘土类。沙土质地为砂砾占多数，土壤保水力小，保肥力低，土温易变化，主要分布在浑善达克和嘎亥额勒苏沙地及其周边地区；壤土质地较均匀，粉沙粒较高，通透性好，保水保肥力较低，易干旱、风蚀或沙化，主要分布于东乌珠穆沁旗、西乌珠穆沁旗、镶黄旗，太仆寺旗、多伦县面积也较多；粘壤土多分布于乌拉盖盆地、额吉淖盆地和沿河低平地，质地均匀，保水肥性性能好，抗旱能力强；粘土类中粘粒占优势，质地粘重，结构致密，土壤保水肥能力较强，通透性差，多分布于大兴安岭山地和其他旗县丘间洼地、湖盆低地上。锡盟绝大部分呈微碱性，从区域分布上看，其特点是从东到西pH值有增高的趋势。中部丘陵、台地及沙地pH 7～8.5为微碱性土壤，西部高原地区有些土壤pH>8.5偏碱性，此外，多数低洼地都为碱性。锡盟土壤有机质含量变幅在8.57%～0.66%之间，其分布特点为：山地土壤有机质含量是从上至下递减，而地带性土壤有机质含量是从东向西呈递减趋势，即黑钙土→栗钙土→棕钙土。锡盟土壤全氮含量的分布特点是：土壤全氮与有机质含量成正相关，碱解氮与全氮含量亦成正相关。在分布上与有机质相似，即由东向西有递减趋势。锡盟土壤速效磷较缺，大部分土类含量均低于5×10-6。速效钾含量较为丰富，大部分土类含量均高于150×10-6。（五）植被锡盟属中文带半干旱、干旱大陆性气候，在这种气候条件下形成的地带性植被基本类型是典型草原，除典型草原外，全盟还分布有草甸草原、森林草原、荒漠草原和沙地草原等。典型草原的代表群系在锡盟共有8个，大针茅草原（Form.Stipa grandis）、克氏针茅草原（Form.Stipa Krylovii）、羊草草原（Form.Leymus chinensis）、糙隐子草草原（Form.Cleistogenes squarrosa）、冰草草原（Form.Agropyron cristatum）、冷蒿草原（Form.Artemisia frigida）、百里香草原（Form.Thgmus serpyllum L.Var.asiaticus）。二、锡林郭勒草原草地退化环境地质指标研究锡林郭勒草原是我国著名的四大草原之一，曾以水草丰美而著称于世。锡盟草场退化、沙化和生态环境恶化问题日益严重。调查资料表明，目前全盟风蚀沙化面积达1216万km2，占全盟草原总面积的64%。其中：轻度风蚀沙化面积5127万km2，中度风蚀沙化面积413万km2，强度风蚀沙化面积1148万km2。植被覆盖率由1984 年的3515%下降到1997 年的2712%。水土流失呈加剧趋势，全盟轻度以上水土流失面积1712万km2，占总土地面积的8112%；中度以上水土流失面积12 107万km2，占5619%。浑善达克沙地从1949 年到1995 年沙漠化面积由2157万km2增加到3105万km2，平均每年以100 km2 多的速度增加，而流动沙丘由1960 年的172 km2 增加到目前的3000 km2。综观锡林郭勒盟草原退化的各种相关因素，其退化主要成因为：干旱缺水，草水矛盾突出，草场的人口和牲畜负载加大，草畜矛盾增强。连年干旱使天然牧草生长高度、产量和牧草覆盖度下降趋势呈几何增长。在造成锡盟草场沙化退化的诸多因素中，连年持续干旱，水资源缺乏是主要矛盾。草地退化的过程中不可避免的伴随着土壤性质的变化，包括土壤理化性质质变化、土壤养分流失、土壤肥力下降等。据研究表明，草原植被覆盖度下降，使土壤中进入的有机质减少，分解速度加快.向脱腐殖质化发展，引起水分含量减少，结构趋向单粒化，矿质化过程加强，可溶性盐逐渐积累，盐渍化趋势增加，同时水分蒸发加强，土壤变干，肥力下降，土壤向退化方向发展。（一）气候降水锡林郭勒盟是自治区主要牧区和饲草基地，降水量分布是自东南向西北减少，南部4个旗（县）及西乌珠穆沁旗一带平均降水量300～390mm，由此向西北递减，二连浩特市只有140多mm。因此，干旱频率也是自东南向西北增大。从近50年的降水量统计数据来看：1953～2006年的53年中锡林浩特区域性轻旱（降水量距平百分率为0～-25%）共发生14年，中旱（降水量距平百分率为-25%～-75%）11年，大旱（降水量距平百分率为>-75%）2年，轻旱频率26.4%，中旱频率20.8%，大旱频率3.8%，干旱累积频率为51%。1955～2006年的51年中西乌珠穆沁旗区域性轻旱共发生18年，中旱8年，轻旱频率35.3%，中旱频率15.7%，干旱累积频率为51%。结果表明：锡林郭勒盟区域性轻旱发生的几率较大，中旱的几率次之，大旱的几率最小。按年际分析：锡林浩特区域在1982～1986年、1999～2002年间均为旱季年。西乌珠穆沁旗1962～1968年、1970～1973年、1975～1977年、1999～2006年间均为旱季年。因此，草地群落长期都处于水分严重亏缺状态，植物生长会被大大地抑制，种类趋于单一化。这是草地退化的重要因素之一。（二）地表水文降水是草地生长水分的主要来源，地表的河流和湖泊则是水分的蕴存之所。地表河流流域面积的变化以及湖泊面积的变化甚至消亡，从很大程度上指示着气候与降水的变化，从而也能够指示草地退化的过程。由于连年干旱锡林郭勒草原一些湖泊由于水源补给不足，水面缩小甚至枯竭，如查干淖尔（湖名）50年代水面1270 km2 ，至今湖面缩小了20 km2。国家级自然保护区核心区达里诺尔湖面积为228.84 km2 ，储水量约16亿m3 ，水环境以含盐量高、碱度大为主要化学特征。随着生态环境的破坏、湖水蒸发量的逐年增加，湖泊水质有明显恶化趋势。变化趋势是由淡水→半咸水→咸水→盐湖的方向发展。研究表明：达里诺尔湖水位呈稳定的波动性变化，而且水质pH值主要受降水的影响，在20年间，pH值一般在9.30～9.80之间，呈缓慢上升趋势。比较1975年与1996～1998年研究结果，水体含盐量，总碱度、级离子、钠离子、高锰酸盐指数等主要化学因子均呈上升趋势。图4-2 锡林浩特和西乌珠穆沁旗多年降水量距平百分率表4-12 达里诺尔湖水化学因子浓度变化结果主湖区经过二十几年的变化，主要化学因子变化幅度在2.6%～198.1%之间，其中含盐量增加8.6%，总碱度增加11.1%，钠离子增加13.3%，钙离子、高锰酸盐指数比1975年增加1倍以上，镁、氯离子均有增加。锡林河是内蒙古自治区锡林郭勒草原上较大的一条内陆河流。发源于苏克斜鲁山黄岗梁山前的翁湖附近的白音察干诺尔滩地，流向锡林浩特而在其西北注入白音诺尔。锡林河全长175km，在锡林浩特水库以上长135km。据1965年资料，其中锡林河在锡林浩特年平均流量为0.745s/m3，多年平均水量0.2349亿m3。而近年来，由于气候波动和人为活动造成的影响，锡林河下游近40km的河段已几近枯竭，水量急剧下降。（三）地下水作为草地生长的地下水分“仓库”，地下水对植物的生长发展有着更为直接的作用。研究表明，地下水位埋深很大程度上决定着地表植被的生长状况。锡林浩特地区地下水动态类型为降水—渗入—蒸发型。地下水资源的补给来源主要是降水以及地表水渗入。影响因素以降水量为主，其次是蒸发和地下水开采强度。资料表明，锡林浩特地区雨季地下水普遍升高，但上升幅度与上升开始时间及持续并到达峰值的时间在不同地段并不一致。沿锡林河附近地下水埋深较浅，上升幅度也较大，但受河水的影响和上游水库的调控有滞后现象。而其他区地下水埋深浅的地方上升反映较快，而在蒸发作用强烈、农牧业灌溉的夏、秋季节，由于降雨的作用相对变小，促使地下水水位下降。说明地下水位受降水和蒸发等因素的约束。该地区近几年地下水位持续下降，其主要原因是降水量偏少，补给量不足，而蒸发量和各项用水量有增无减造成的。（四）地形特征前述地貌对植被分布具有一定控制作用，不同的地貌形态上的植被分布具有一定的规律性，从而抑制生态环境恶化的能力也不尽相同。而地表形态的变化诸如地表裸土面积、浮沙面积的变化，可从状态上指示草地及土地的退化过程。波状起伏的地面形态使草地的分布在类型上和高度、盖度等都各有差异。据实地调查研究表明，在相对起伏的地形中，植被的覆盖度随着高程的增加而呈减少趋势，平均高度也趋于下降，位于丘状地形的顶部的植被普遍覆盖度最低，而在丘状地形间的沟壑，草地往往较为丰盛，因为地形的关系，这些地方往往是地表水和地下水水流汇集地，植物生长的水分条件较为充分，而地点若处于一个相对的阴面，蒸发强度将很大程度地下降，易于水分的保持。受日照、蒸发量的影响，阴坡的植被覆盖度普遍高于阳坡，据研究表明，进入20世纪90年代以来，锡林浩特草原沙化趋势加剧，流动沙丘的面积每年增加14.3 km2。沙地中植被覆盖度由20世纪60年代的阳坡30%～40%、阴坡60%～70%减少到现在的阳坡10%、阴坡30%～40%。另外受风蚀作用，迎风面草地分布高度较低，背风面高于迎风面。（五）土壤理化性质土壤的理化性包括土壤的物理性质和化学性质。土壤的物理特性主要指土壤温度、水分含量及土壤质地和结构等，土壤化学特性主要是指土壤化学组成、有机质的合成和分解、矿质元素的转化和释放、土壤酸碱度等。为了验证土壤理化性质质对草地退化的影响，在内蒙古锡林浩特白音希勒牧场典型草原区进行了实地调查（详见本节附录“野外调查方法”），调查面积约240km2，定位调查点59个，对研究区内的地形地貌、土壤、水文和植被进行了详细调查。表4-13 内蒙古锡林浩特白音希勒牧场典型草原区调查点一览表续表1.土壤物理性质（1）质地与结构。锡盟草原的土壤质地可分为沙土类、壤土类、粘壤土类和粘土类等，沙土土壤保水力小，保肥力低，土温易变化；壤土质地较均匀，粉沙粒较高，通透性好，保水保肥力较低，易干旱、风蚀或沙化；粘壤土质地均匀，保水肥性性能好，抗旱能力强；粘土类质地粘重，结构致密，土壤保水肥能力较强，通透性差。土壤结构有团粒状、粒状、屑粒状、柱状、块状和核状等，对植物出苗和扎根以团粒状土壤最好，粒状、屑粒状、柱状次之，核状和块状土壤不良。据内蒙古锡林浩特白音希勒牧场典型草原区实地调查结果，该地区土壤以砂土、亚砂土为主，个别地点为轻亚粘土，颗粒相对较粗，沙粒含量较多，土壤团聚性较差，亦发生土壤沙化。（2）颗粒组成。覆盖草场表面的土壤是一种性质变化很大的多孔性物质，它的固相组成——土壤的颗粒大小构成土壤骨架，反映了土壤的质地。随着草地退化的加剧，土壤颗粒组成发生变化，黏粒含量趋于减少，砂粒增多。不同粒径对土壤团粒结构形成和保水保肥的贡献不同，黏粒的减少抑制了土壤的膨胀、可塑性及离子交换等物理性质。据内蒙古锡林浩特白音希勒牧场典型草原区实地调查结果显示，多数地点土壤为砂土或亚砂土，土壤黏粒含量较低，砂粒占优势，土壤易沙化。（3）含水量。土壤水分是土壤中最重要的组成物质之一。通常说来，土壤水分的运动与土壤温度相应，要受到入渗、排水、蒸发和根系吸水等过程中大通量的液相干扰。草地退化过程中，土壤含水量下降，尤其是上层（0～20 cm）土壤含水量下降明显。据内蒙古锡林浩特白音希勒牧场典型草原区实地调查结果，未显示表层土壤含水率与草地退化程度之间的直接关系，但据前人研究结果，低水分土壤（含水率5%～7%）与高水分土壤（含水率8%～10%）对牧草的生长发育状况和产草量有很大影响，结果显示：高水分土壤产草量约为低水分土壤的一倍。而白音希勒牧场调查地点土含水率大都在0.5～5.5之间，含水率相对较低，可视为草原趋于退化的一个相关因素。（4）容重。土壤容重体现了土壤的紧实度，与土壤的孔隙度、透气性和渗透率成反比。随着草地退化程度的加剧，土壤容重呈上升趋势。土壤容重的增加必然影响土壤中水分和空气的移动及植物根系的发育。而严重退化阶段0～5 cm土层容重最小。说明潜在沙漠化时下层土壤微生物、动物的扰动作用使土壤变得疏松，容重较小，而严重沙漠化时土壤表层风蚀严重，植被较少，颗粒物的吹失与回落，致使土壤变得松散干燥，容重最小。据内蒙古锡林浩特白音希勒牧场典型草原区实地调查结果显示，在未退化草地，地面表层（0～5 cm）的土壤容重普遍在1.2～1.5g/cm3之间，最低达0.81g/cm3（PC30调查点，未退化草地）。而随着退化的程度增加，土壤容重呈上升趋势，最大值为2.07 g/cm3（PC36调查点，轻度沙化草地）。2.土壤的化学性质酸碱度。土壤的酸碱度是土壤盐基的综合反映，同时与土壤水分含量有关。据前人研究表明，农作物和牧草需要pH7.0～8.5的微碱性土壤，低于或高于此pH值时，植物生长受抑制。据内蒙古锡林浩特白音希勒牧场典型草原区的实地调查结果显示，绝大多数土壤pH值在7.20～8.64范围内，只在个别地点土壤呈酸性或pH值高于9.0。说明该地区的土壤从pH的角度来说还是比较适宜植物的生长。（六）土壤养分土壤养分主要取决于土壤矿物质及有机质的数量和组成。通过对内蒙古锡林浩特白音希勒牧场典型草原区采集的171个土壤样本的元素相关分析，结果显示，全氮、有效氮与总碳含量间呈极其显著的正相关，全氮与有效氮之间也呈显著正相关，说明土壤有机质中均含一定比例的氮素，并且其中一定的比例可以转化为植物可以利用的有效氮。通过对不同深度的土壤元素相关性分析，以51个土壤样本的N元素为例，呈一定的正相关，表明土壤的成土环境相似，成土过程相同，从而导致元素在土壤剖面上的迁移和转化的过程和程度相近。另外分析数据表明，表层土壤的全氮、全磷等元素含量都比较低，属养分条件很差的土壤，是土壤趋于退化的重要表现。通过变异系数分析，171个样本中全氮和全磷含量存在较大的变异性，变异系数分别为73.11%和43.11%，说明土壤有退化趋势，具有退化草场的特征。表4-14 内蒙古锡林浩特白音希勒牧场典型草原区土壤部分营养元素相关矩阵（样本数=171）表4-15 内蒙古锡林浩特白音希勒牧场典型草原区不同层次的土壤N元素相关性分析（样本数=57）1.土壤有机质与营养元素土壤有机质是土壤肥力的重要物质基础，它直接影响着土壤的理化性质和生物活性，是反映土壤肥力状况和供肥特征的决定性因素。目前，反映土壤有机质状况的指标多种多样，包括有机质数量、活性和腐殖质品质指标等。土壤中全N含量代表了能提供给植物所需N的最大潜力。随着沙漠化梯度的增加，土壤全N含量呈降低趋势。土壤中有机质的C/N比是一个重要的指标，若C/N比很大则在其矿化作用的最初阶段就不可能对植物产生供N的效果，因为微生物的同化量会超过矿化作用所提供的有效N量，有可能使植物缺 现象更为严重。但若C/N比很小则在其矿化作用一开始就能供应植物所需的有效N量。因此C/N 比对植物的生长有着至关重要的作用。草原沙漠化过程中，土壤C/N比呈增加趋势，说明伴随着土壤C，N的显著下降，质地变粗，植物N素供应不足更为突出。据蒙古锡林浩特白音希勒牧场典型草原区内的土壤元素相关性表明，Corg（有机碳）与全N之间存在显著的正相关，171个样本的C/N平均值为9.766，变异系数为60.12%，在空间上的表现并不一致。多数样本的C/N值在7～15范围内波动，个别样本达到40～50，说明在该地区某些地点草地已经开始趋于退化，甚至有土壤沙化的效应。图4-3 内蒙古锡林浩特白音希勒牧场典型草原区土壤Corg-N相关性（样本数=171）2.土壤微量元素生物体是由60多种元素所组成，其中C、H、O、N、Ca、P、Mg、Na等含量较大的元素，称为宏量元素。而占生物体总重量0.01%以下的如Fe、Zn、Cu、Mn、Cr、Se、Mo、Co、F等，为微量元素。微量元素虽然在生物体内的含量不多，但与生物体的生存和健康息息相关。它们的摄入过量、不足或缺乏都会不同程度地引起生物体生理的异常或发生疾病。微量元素最突出的作用是与生命活力密切相关，能发挥巨大的生理作用。而这些微量元素必须直接或间接地由土壤供给。到目前为止，已被确认与人体健康和生命有关的必需微量元素有18种，即Fe、Zn、Cu、Mn、Cr、Se、Co、I、Ni、F、Mo、V、Sn、Si、Sr、B、Ru、As等。对内蒙古锡林浩特白音希勒牧场典型草原区的57处地点的0～20cm表层土壤的B、Mo、Cu、Zn、Fe、Mn等6种微量元素的有效态分析，6种微量元素含量平均值大小顺序为Mn>Fe>Zn>Cu>B>Mo，且Mn和Fe的含量远高于其他4种元素，也远远高出全国均值。另外4种元素的均值均小于全国均值水平。表4-16 内蒙古锡林浩特白音希勒牧场典型草原区表层土壤6种微量元素有效态含量 单位：μg/g据锡盟盟志的记载，锡盟土壤的6种微量元素有效态变幅如表4-17所示。表4-17 锡盟土壤的6种微量元素有效态变幅 单位：×10-6可以看出，该地区的B、Mo、Zn元素的有效态含量均低于元素缺乏的临界值；另外，该地区的有效Fe和有效Mn的含量，远远超出上述范围，其原因有待进一步探究。从植物中微量元素的含量分析可以看出，B、Mo、Cu 3种元素含量的均值均在正常范围之内，Zn元素含量略低于正常范围；而Fe和Mn的含量均值远远高出正常含量的范围，这应与土壤中的Fe和Mn的含量过高有一定的关系；另外也不排除植物本身的因素，可能使不同植物间的元素含量有较大差别。表4-18 内蒙古锡林浩特白音希勒牧场典型草原区植物体中6种微量元素有效态含量 单位：μg/g植物体内元素含量的变化往往存在相关性，从表4-19中可以看出，Fe和Mn、Fe和Zn、Fe和Cu、Cu和Zn之间存在显著正相关，Fe和Mo、Cu和Mo之间表现为负相关，但不明显，其余元素之间均为正相关。表4-19 内蒙古锡林浩特白音希勒牧场典型草原区植物体内6种微量元素相关性分析（样本数=57）针对上述研究结果，该地区的Fe元素和Mn元素过于富集，是否影响该地区的植被演化和退化，有待于进一步调查与监测。附：野外调查工作方法一、工作区概况试验在内蒙古锡林郭勒盟白音锡勒牧场典型草原区内进行。该区位于东经116°30′～116°45′，北纬43°33′～43°40′，海拔1215 m；属温带半干旱大陆性气候，春季干旱少雨，风大沙多，冬季寒冷而漫长；年均温0℃，气温日较差大，年均降水量300～450 mm，降水变率大，70%的降水集中在7、8、9三个月，年均日照时数2600 h，无霜期170 d左右，年均风速3.2 m/s，大风日数71 d，以4、5月份最为频繁。该区主要植被类型为“大针茅+羊草”典型草原。地带性土壤为栗钙土。锡林河由东向西穿越该区。二、工作方法（一）工作总则校验区基本工作比例尺为1∶50000，基本采样密度为1点/4km2。沿锡林河间隔约20km布置数个横向剖面，每剖面设置3-4个样点。（二）样点调查1.植被调查：每样点设置1个（5m×5m）样方，分别测定各样方内的植被覆盖度，优势草种的比例，平均植物株高。并取优势草种样品。2.土壤调查：每样点挖取1个深50cm的土壤剖面，用洛阳铲分0～10cm、20～30cm、40～50cm分别取样，另在0～10cm用铝盒取土壤原状样。3.水文调查：收集提取样点附近存在的地表水和地下水样品。三、数据采集（一）植被调查与测试1.植被覆盖度：目测法。2.优势草种比例：目测法，选择占样方内所有植被70%以上的1～2种优势草种，分别估测其比例。3.平均植物株高：随机抽取5～10株植物测量其自然高度，取平均值。4.优势草种样品测试：包括元素全量分析14项：Cd、Pb、Cr、Ni、As、Hg、Cu、Zn、Fe、Mn、B、Mo、Se、F。测定方法采用原子荧光光谱法（AFS）、等离子体光谱法（ICP-OES）、等离子体质谱法（ICP-MS）、离子选择性电极（ISE）等。（二）土壤调查与测试1.土壤剖面调查与描述：根据挖取的剖面绘制柱状图，并进行描述。2.土壤颗粒组成测定：采用筛分法。3.含水量测定：采用土工试验方法。4.土壤元素测试（1）全量分析24项：pH、TOC、N、P、K、Na、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn、B、Mo、Ni、Pb、Cd、Cr、As、Hg、Si、Al、Se、F。（2）有效态分析13项：碱解氮、有效磷、速效钾、有效硼、有效钼、有效铜、有效锌、有效铁、有效硅、有效锰、有效硫、交换性钙和交换性镁；（3）离子交换态分析（含水溶态和离子交换态）1项：Cd、Pb、Cr、Ni、As、Hg、Se。（4）测定方法采用原子荧光光谱（AFS）、发射光谱法（ES）、等离子体质谱法（ICP-MS）、压片法X-射线荧光光谱（XRF）、离子选择性电极法（ISE）、氧化热解气相色谱法、等离子体光谱法（ICP-OES）、氧化热解电位法等。（三）水文调查与测试地表水样与地下水样测试：包括As、Hg、Ni、Pb、Cr、Cd、Cu、F、Se、Zn、N、P、K、Na、Ca、Mg、Cl、等22项离子。测定方法采用等离子质谱（X-series）、原子荧光（AFS-230）、等离子光谱（IRIS）等。
研究现状及发展趋势
80年代中后期以来，随着人们对环境问题的重视和可持续发展思想的影响，对地下水的开发利用越来越多地综合考虑社会、经济、环境等制约因素，所建立的管理模型更多地体现了社会、经济、环境协调发展的原则。计算机以及求解管理模型的数学规划算法的进展，也促进了管理模型的发展。从模型的研究内容上，主要集中在地表水-地下水联合调度、地下水量-水质综合管理、地下水可持续利用管理模型的研究上；从模型结构上，多目标和非线性管理模型是当前及今后研究的重点和难点。一、地下水-地表水联合调度管理模型地下水和地表水都是水资源的重要组成部分，并具有有机的联系，从系统的观点来看，在开发利用中必须考虑两者之间的联系，寻求最优联合调度方案，可发挥地表水和地下水各自的特点，来达到充分开发水资源潜力、提高水资源利用率、降低开发成本的目的。联合调度的优点在于：①利用含水层的调节库容和两种水资源时空分布的差异，增大水资源可利用量：②发挥包气带和含水层的过滤和吸附等净化作用，提高供水质量；③利用含水层的保温功能和地表水与地下水的温度差，储存能量，节约能源。由于两种水资源的分布、运动等特性的差异，建立真正意义上的联合调度模型并不容易。大多数研究者将河流作为源汇项来处理，如Morel-Seytoux（1975）提出了与地下水单位脉冲响应函数类似的河流-含水层响应函数，Daubert and Young（1982）运用该函数建立了地下水经济管理模型。由于地表水存在着明显的随机性，因而建立随机地表水-地下水管理模型更为实用（Maddock,1974）。Onta等（1991）建立多阶段地表水-地下水联合调度模型，利用两个系统时间分布的差异提高水资源利用率。二、地下水量-水质综合管理模型水资源的管理包括了水量和水质两个方面，对水质管理模型的重视，主要由于以下三个原因：①可持续发展的要求，人们对地下水环境（污染）问题更加重视；②各种途径对地下水的污染日益严重和显著；③利用包气带和含水层的自然净化能力和巨大的环境容量，研究污水排放和处理的最佳途径，如污水土地处理系统。地下水量-水质综合管理模型可用于确定最优污水排放标准、排放量、水力捕获井的最优布局和抽水量等地下水质控制问题。水质模拟模型本身十分复杂，建模要将地下水水量模拟模型和水质模拟模型一起耦合到水质管理模型之中，这样常产生高度非线性、多阶段、大型数学规划问题，目前对于复杂的地下水质管理模型求解仍十分困难。Willis（1976a）首先建立地下水稳定水质管理模型，Willis（1976b）和Futagami（1976）用嵌入法建立非稳定地下水水质管理模型，Gorelick和Remson（1982b）使用单位浓度响应矩阵建立地下水水质管理模型，这些模型用来确定污水最优排放标准和最大污染质排放量。Gorelick和Remson（1982a）用迭代法确定最优污水灌注量。近来的遗传算法用于求解高度非线性的水质管理模型，是一种非常有益的尝试。Yoon和Shoemaker（1998）建立了生物恢复地下水水质非线性管理模型，分别用遗传算法、分解随机进化对策算法、直接搜索法和基于导数的优化方法求解同一非线性管理模型，并进行了比较。Sawyer和Lin（1998）对随机约束规划在地下水管理模型中的应用进行了综述，用响应矩阵法建立了地下水污染控制管理模型，由于考虑固定费用问题和约束矩阵及右端项的随机性，使该模型转化为求解确定型混合整数非线性规划问题。这种数学规划问题求解难度较大，该研究用遗传算法求解。水力捕获（hydraulic capture）控制地下水污染是指被污染含水层适当位置设置抽水井，截获被污染的地下水，阻止部分被污染的地下水向供水水源地流动。通过建立地下水水力管理模型，对地下水水位和流速进行控制，可达到最优控制地下水污染的目的。Misirli和Yazicigil（1997）对用水力捕获法建立管理模型进行了综述，并对一假想的有供水水源、受到污染的含水层建立了六种控制地下水污染、保证供水的地下水管理模型。所建立的模型分别用二次规划、线性规划和混合整数规划求解，并对计算结果进行了比较。三、地下水可持续开发利用管理模型地下水系统是一个复杂的自然-人工复合系统，它与社会、经济、环境、生态、地表水系统都有着密切的联系，因此，地下水资源的开发利用和科学管理，要综合考虑以上因素。水资源的开发利用，特别是区域水资源的开发利用是十分复杂的，水量和（或）水质不是追求的唯一目标，更多地考虑社会、经济和环境等对水资源的要求，仅仅用地下水水力或水质管理模型无法解决。从可持续发展角度考虑，建立地下水管理模型的原则可归纳为：①水均衡原则，保证地下水资源的永续利用；②双向选择原则，即水资源的规划和管理应适应地区发展，而地区发展规划应考虑水资源条件；③产业平衡原则，水资源的合理配置应使国民经济按比例协调发展；④经济-环境协调发展原则，水资源的开发利用和经济的发展，不能对环境造成严重破坏。为了建立地下水可持续开发利用管理模型，不仅要对地下水系统的自然属性进行研究，而且要深入研究地下水的环境效应和社会属性，主要有以下四个方面：①地下水资源-经济研究，研究地下水资源的价值、开发成本及供水效益等；②地下水-环境影响评价，研究地下水开发利用对环境产生的影响，建立地下水环境指标体系；③地下水环境-经济评价，评价地下水环境影响的经济效应，建立环境经济指标体系；④根据区域发展规划和水资源条件，进行水资源供需平衡分析。管理模型的建立，实际就是将地下水、环境和经济三个系统耦合，作为一个整体考虑。Gorelick（1983）将这类模型称为地下水政策评价与分配模型，从建模方法上又分为三种：水力-经济响应模型、模拟-优化耦合模型和谱系模型。谢新民（1991）、朱文彬等（1994）运用大系统理论建立地下水资源系统经济管理模型，邵景力等（1994）将国民经济投入产出模型与地下水管理模型耦合，所得到的管理方案不仅是地下水最优开采方案，而且还有与水有关的产业结构调整方案和地表水取水方案。这类模型涉及因素众多，管理模型通常是多目标和（或）非线性的大型数学规划问题（见下文）。四、多目标地下水管理模型多目标管理模型更能体现地下水系统层次性和多目标性，模型不仅能提供地下合理开发利用最优方案，而且可作为宏观经济和环境规划的决策依据，因而更具实用性和可操作性。70年代以来，多目标管理模型用于解决水资源的规划问题（Haimes和Hall,1974;Co-hon和Marks,1975），80年代以后，随着对地下水系统研究的不断深入、地下水模拟技术及其与管理模型耦合技术的发展，多目标规划才出现在地下水管理问题中。与单目标相比，多目标地下水管理模型有如下特点（邵景力等，1998）：（1）各目标间的度量单位多是不可公度的，有些目标甚至很难给出定量指标，如供水的社会效益、环境效应等。用单目标优化方法很难处理不可公度的多目标问题。（2）各目标间的权益通常是相互矛盾的，这是构成多目标问题存在的基本特征。多目标问题总是以牺牲一部分目标的利益来换取另一些目标的改善。单一目标的最优并不代表系统整体最优。（3）多目标问题的优化解不是唯一的。多目标规划的任务是考虑经济、社会、环境、技术等因素，权衡各目标的利弊，从多个“有效解”中寻求各目标都能接受的“满意解”。（4）多目标规划可以充分发挥分析者和决策者各自的作用。在现代管理中，分析者的任务是根据决策者的要求建立管理模型，提供多个各有利弊的方案，作为决策者决策的依据。决策者的任务是站在更高的层次上，兼顾各方面利益，从众多可选方案中确定决策方案。多目标问题类型多，无统一的数学形式，故没有通用的求解方法。针对不同的管理模型和目标评价准则，应采用相应的解法。一个特例是线性层次目标规划可用于解决大型多目标规划问题，该方法是目前最常用的多目标规划方法。邵景力等（1998）运用线性目标规划求解包头市地下水-经济-环境多目标管理模型。Willis和Liu（1984）首次用响应矩阵法建立多目标地下水管理模型。Datta和Peralta（1986）将代替价值交换法用于地下水-地表水联合调度的多目标管理问题中，两个相互矛盾的目标为最小抽水费用和最大抽水量。Bogardi等（1991）采用一种交互式多目标决策方法求解地下水多目标管理问题，有三个目标函数：总抽水量最大、抽水降深最小和总抽水费用最低。El Magnouni和Treichel（1994）建立了线性多目标地下水管理模型，他们采用逐段线性规划求出最佳协调解，这种方法也可通过迭代求解类似潜水含水层管理这样的非线性多目标规划问题。Ritzel等（1994）用遗传算法求解多目标地下水污染控制问题。五、非线性地下水管理模型地下水管理模型的非线性问题是普遍存在的，产生非线性的原因主要由两个，其一是系统状态的非线性，由于分布参数管理模型要与地下水系统模拟模型联立形成数学规划问题，产生了非线性的管理模型。如潜水含水层模拟模型即为非线性的，地下水流场非稳定和（或）未知条件下，对流-弥散方程中有速度和浓度的乘积，为非线性项。二是管理问题的非线性，如目标函数和某些特殊约束条件的非线性。非线性管理模型能更精确地描述地下水系统及其管理问题，因而提高可模型结果的精度和可信度。但由于非线性规划问题没有统一的模式，在可行域内有可能存在多个局部最优解，因而到目前为止，没有通用的、高效的求解方法，要根据管理模型的结构特点和规模，选择合适的求解方法。线性化是解决非线性问题最简单的方法，如Bear（1979）、Gorelick和Remson（1982b）、Ratzlaff（1992）等。通过迭代将非线性管理模型转化为求解一系列线性规划模型亦是解决非线性问题的有效方法之一，如Aguado和Remson（1974）用预测-校正法通过反复迭代求解潜水含水层地下水管理问题；Willis和Newman（1977）用求解一系列线性规划替代非线性目标函数、线性约束条件的非线性规划问题；Willis（1983）通过反复运用潜水含水层模拟模型校正单位脉冲响应矩阵，解决潜水含水层的管理问题；Gorelick和Remson（1982a）迭代求解线性规划得到最优污水灌注量。对于目标函数往往是决策变量的二次多项式，若模拟模型和其他约束条件为线性的，则形成二次规划问题。二次规划有统一的表示形式和通用解法，是非线性管理模型中最常用的求解方法之一。如Aguada和Remson（1980）、Lefkoff和Gorelick（1986）、Misirli和Yazicigil（1997）等均是用二次规划求解管理模型。在管理模型为高度非线性条件下，上述方法均不是有效的算法，这类问题是目前地下水管理模型研究的热点和难点。人工智能算法（又称进化算法，evolutionary algorithms,EA）为求解高度非线性规划问题开拓了广阔的前景，其优点是可得到全局最优解，通用性强，缺点是这些算法均为并行计算，计算工作量巨大，规模稍大的管理模型用一般PC机无法完成计算工作。这类方法主要包括遗传算法（genetic algorithm,GA）、分解随机进化对策（derandomized evolutionary strategy,DES）、模拟退火法（simulated annealing）等，在地下水管理模型中的应用可参阅有关文献（Dougherty和Marryott,1991;Ritzel和Eheart,1994;Rogers和Dowla,1994;McKinney和Lin,1994;Taghavi等，1994;Morshed和Kaluarachchi,1998；邵景力等，1999）等研究。此外，常用于解非线性规划的方法还有直接搜索法（主要有修整单纯形法、Nelder-Mead单纯形法、并行方向搜索法）和基于导数的优化方法（如约束优化的隐式筛选法等）。这方面研究可参阅有关文献（Karatzas和Pinder,1993;Varljen和Shafer,1993;Minsker和shoemaker,1996;Emch和Yeh,1998）。
