上海地质调查研究院张玮论文

何中发 夏晨

（上海市地质调查研究院，上海200072）

摘要：环境地球化学调查是一项与生态环境保护、城市规划、农业发展等关系密切的基础性调查工作。上海市环境地球化学特征显示，地球化学元素可分为均匀分布型、相对分异常型、分异型、强分异型、极强分异常型，同时主城区、新建城区、烟尘工业区、城郊蔬菜种植区表现不同的地球化学特征。提出地球化学资料在住宅建设生态、生态环境友好型土地利用方面应用的展望。

关键词：上海市；环境地球化学；成果应用

环境地球化学是环境科学的重要分支学科。它是研究环境中化学物质（天然和人为释放的）迁移转化规律及其与环境质量和人类健康关系的学科。是以化学元素在自然界循环为主线，强调自然环境现象的发生机制和演化规律。环境地球化学的重要任务之一就在于及时地研究现代环境的化学变化过程及其趋势，在地球化学的基础上，更加深入地研究组成人类环境的各个系统的地球化学性质［1～5］。

目前很多大型城市地区都面临一定的环境地球化学问题。比如，城市化和工业化进程的加快，造成城市饮用水源地水质的下降，城市大气中颗粒悬浮物的增加，城市土壤污染、侵蚀、酸化和硬化以及土壤生物和植被退化等一系列较为严重的城市环境问题，直接危及到城市居民的健康和安全［6～10］。为了摸清上海市环境地球化学的现状特征，2005年9月上海市环境地球化学调查项目正式启动。在上海市开展环境地球化学工作面临着如何在城市地区更好的采集样品的难题，同时如何使研究成果更好的服务于上海市的城市发展也是值得关注的问题。本文首先简单的介绍了上海市环境地球化学特征，然后就如何服务于城市发展和城市建设提出一定的应用设想。

1 研究区概况

上海位于长江三角洲前缘，太湖平原东侧。其南靠杭州湾，东濒东海，北枕长江入海口，地理位置十分优越，交通便捷。陆地面积6340km2，包括长江水面及沿海沿江滩涂在内，总面积7823km2。上海地区主体部分是三角洲平原，相对高差3～4m。但依地貌形态及其成因，又可划分位西部湖沼平原、北部沿江平原、东部滨海平原、长江口沙岛平原。在西南部湖沼平原区和杭州湾一带，有局部星散残丘保留，多数海拔50～70m。陆域地区最高为天马山，海拔高度97m。

2 样品采集与测试

2.1 样品采集

表层土壤样品：采样密度1个点/km2，中心城区可适当加密取样，采集深度为0～20cm，4km2分析一个组合样。深层土壤样品：采样密度1个点/4km2，规定采样深度为200cm以下，16km2分析一个组合样。

湖泊表层沉积物样品：采样密度1个点/4km2，在入海口或入湖口附近适当加密取样，采集深度为0～20cm。样品不进行组合。湖泊深层沉积物样品：采样密度1个点/16km2，规定采样深度为1.5m，对于沉积物小于1.5m的地方，以采集深层湖积物最底部样品为主。样品不进行组合。

地表水：非城区采样密度1个点/16km2，在黄浦江、苏州河等水系的上、中和下游分别布设1～2个采样点。浅层地下水：1个点/16km2。

2.2 样品分析测试

土壤和湖泊沉积物样品分析测试：分析测试项目为中国地质调查局规定的有关土壤样品52元素（全量）及有机碳和pH值共计54项指标。

水体样品分析测试：除按照中国地质调查局规定的21项必测项目外，针对上海市实际情况又选测了10项别的指标，共计31项指标。

3 上海市土壤环境地球化学特征

3.1 表层土壤元素总体区域分布特征

土壤表层元素分布总体受区域地质母质环境、土壤表层发生层、自然生态环境、环境污染以及自身化学性质等复杂因素制约，表现出区域上显著的变异特征。上海地区受自身特殊的环境要素制约，显示出符合自身特点的地球化学变异特征。对其按照区域变异特性分解，大体划分出以下5种类型。

3.1.1 均匀分布类型

变异系数（CV）≤25％，包括砷、硼、钡、铍、铈、钴、氟、镓、锗、镧、锂、锰、铌、镍、铷、钪、锶、钍、钛、铊、铀、钒、钇、锆、硅、铁、铝、钠、钾、镁等30种元素，区域内基本表现出均匀分布，含量变差不大。直方图统计，这些元素中多数元素含量基本服从正态分布，含量区间窄小，变差不大。这些元素的分布主要受自然地质背景影响，与城市化的进程关系不密切。

3.1.2 相对分异型

25％＜CV值≤50％，包括溴、碘、氮、磷、钙、碳和有机质。这些组分，表现出在全区土壤表层较弱的分异特征，含量有不大的变化范围。含量统计直方图显示，本组元素多数呈对数正态分布，其中基本呈标准。这些元素在区域上的分布特征与土壤类型有非常好的吻合关系。其中溴和碘的高含量地区主要分布沿海地带，氮、磷、钙的高含量地区主要分布在上海市西南部的湖沼相沉积地区，碳和有机质的高含量地区主要分布在农业开发强度大的松江、青浦和金山等地方。

3.1.3 分异型

50％＜CV值≤75％，仅包括铋、铬、铜、硫四元素。统计显示，铬虽属该类，但分异程度并非很高。全区直方图上，铋、铜表现为二重母体分布的型式，表现为原始分布上有着两种不同的分布区，即原生背景场和城市人类活动扰动叠加场。其中铋、铬的高含量地区主要分布在吴淞工业区，铜的高含量地区主要分布在沿黄浦江的一些大型造船基地附近，而硫的高含量地区则主要分布在老居民区比较集中的地方，如黄浦、杨浦等地方。

3.1.4 强分异型

75％＜CV值≤100％，仅包括硒、钨、锌等三元素。显示出这些元素更强的区域变异，含量具更大的变差。全区直方图上，硒、钨基本显示为对数正态分布，带有较强的左偏性质，锌则显示为二重母体分布。硒的高含量地区与人口最密集的地区有比较好的吻合关系，钨的高含量地区主要分布在桃浦、吴淞等工业化开展早的地方，锌的高含量地区主要分布在吴淞、上钢三厂等地方。

3.1.5 极强分异型

CV值＞100％，包括银、金、镉、氯、汞、钼、铅、锑、锡等九元素。直方图上，九元素基本表现为二重母体分布，其一母体反映为土体内上述元素的基本分布特征，另一母体为异常母体，反映为区内的人类活动扰动作用的叠加特征。这些元素分异分布类型与城市建设开发强度的高低有一定的联系，其中，汞、镉和铅的高含量地区主要分布在中心城区等城市化相对高的地方。

3.2 上海市主要生态区土壤环境现状

总的看，上海地区土壤受人为扰动比较重，本文根据遥感影像解译全市共划分出11个类别的生态区，并依据地球化学数据全数据的分区进行了统计，获得了各生态区土壤现状情况的基础资料，其中将主要的生态区分述如下：

3.2.1 中心城区

这里指的是上海老城区，范围限在黄埔、卢湾、徐汇、长宁、静安、普陀、闸北、虹口、杨浦等区上世纪80年代前的居民密集区，面积260km2。总体上，老城区表层土壤显示出大量元素富集，按富集系数（K大于1.5）和变异系数选取有：铋、汞、镉、硒、锌、银、锡、铬、金、磷、硫、铅、碳、有机炭、铜、钼、钨、氟、锑、铈、氯及磷、氮等。以上组分在中心城区的富集特点，一是形成的异常组合元素最多；二是多数元素含量达到最高；三是主要富集元素均形成面状分布；四是形成因素复杂。

3.2.2 新建城区

指上世纪80年代后期尤其改革开放来新发展的城区，面积312km2。

本次调查，新城区土壤地球化学分布的比较复杂，元素地域性变化较大。据统计，本类区富集元素包括银、金、铋、镉、氯、铜、汞、碘、钼、铅、硫、锑、硒、锡、钨、锌等15种元素，其中富集度最大的元素为镉、汞、金、汞、锡、碘等。镉的富集度高，K值达2.65；变异系数大，CV值达442.41％；区内有全区首高的高达20000μg/g；分析其原因，很可能是老厂区固体污染物所致。其次为钼，属于一种强烈的不均匀分布，变异系数CV值122.5％，最高值量9.64μg/g。总体看，本类生态区处在老城区外围，土壤污染态势相对于老城区具有递降态势。

3.2.3 烟尘工业区

本次调查，将宝钢、上钢一厂、上钢三厂的烟尘工业独立划出，借以调查工业烟尘对附近土壤的的质量的影响效应。总计划出面积160km2，除厂区外，也包括厂区附近烟尘集中沉降的大概范围，排放物不仅仅是降尘，还有工厂排放的固体排放物、污水等。由本次调查，烟尘工业区土壤受人为污染影响程度仅仅弱于上海中心城区，从污染强度和元素组合两方面评定，排在第二位。据资料统计结果，本类生态区受污染的元素有：银、金、铋、镉、铬、铜、汞、锰、钼、铅、锑、锡、钨、锌、铁、钛、镍、锗、钙、钡等，非金属元素砷、氯、氟、碘、磷、硫、硒、碳、有机质等，共计29项指标，比中心城区多出8项。具有特征性的是类如钙、钡、锶、氟等在其他环境下表现平稳，在此类生态区也出现了高量分布。

该生态区的第二个特征是：银、金、镉、汞、钼、铅、锡、钨、锌等元素均达区域背景的2倍以上，且呈总体较高。分析认为，这种特征是由于该类工业区固体排放物、污水系统污染是一方面，长期的工厂粉尘和烟尘飘落对周围的均一性污染可能是更重要的方面。

3.2.4 城郊老蔬菜地

主要为城近郊环城的老蔬菜地，面积312km2。《上海土壤》将这部分土壤定为菜园灰潮土，是长期种植蔬菜，土壤耕作活动强烈，施肥、灌水频繁，土壤肥力高的一种土壤。但也因不当施肥灌溉和农药喷洒，致使土壤污染严重。本次调查显示区内银、金、铋、镉、铬、铜、汞、氟、碘、锰、钼、磷、铅、硫、锑、锡、硒、锶、钨、锌、钙、碳和有机质含量偏高，其中银、金、汞、钼、铅、硫、锑、锡、硒、钨、锌都在区域背景值的2倍以上，镉接近于2倍。且除银显示为极强变异外，这些偏高量分布元素（组分）变异并不强烈，只达到相对分异～分异～强分异程度，说明老菜地遭受了较均匀的偏高扰动量，但总体又比中心城区、烟尘工业区偏低。迄今，按照土壤环境指标标准，以汞、镉、铅、铜的分级临界值计，本类区土壤几乎全部属二类土壤，少量三类土壤。

3.3 上海市城市土壤中一些重要无机、有机指标相关性研究

城市土壤中的各个指标之间具有密切的关联，对上海市城市地区表层土壤中的一些重要无机、有机指标进行研究，这些指标为：pH值、有机碳含量、有机质含量、含水量、As、Cd、Cr、Cu、Hg、Mn、Nb、P、Pb、S、Sb、Se、Sn、Zn、HCH、DDT、PAHs等，研究结果如下：

（1）在HCH、DDT、PAHs等有机污染物中，HCH异构体之间、DDT衍生物之间、PAHs分量之间大都具有显著的相关关系。

（2）As、Cd、Cr、Cu、Hg、Mn、Nb、P、Pb、S、Sb、Se、Sn、Zn中Hg、Nb与其他元素不具有明显的相关关系，As、Cd、Pb与Cr、Cu、Mn、S、Sb、Se、Zn具有显著的相关关系。

（3）有机碳、有机质、S与大多重金属具有显著的相关关系；pH值与重金属、有机污染物等相关关系不明显；pH值与有机质、有机碳具有负的相关关系；含水量与重金属、有机污染物、pH值等指标不具有相关关系。

（4）苯并［a］芘和PAHs与有机质、有机碳、P、Se具有显著的相关关系，苯并［a］芘、PAHs、HCH、DDT等有机污染物与重金属间相关性不明显。

4 上海市土壤环境地球化学调查成果应用展望

上海市环境地球化学调查项目所覆盖的区域面积广泛，涉及的环境介质相对比较全面，测试分析的指标比较系统，应用领域非常宽广。在这里只针对城市人居环境建设及土地规划方面的应用作一简单介绍。

4.1 住宅建设生态指标研究

随着经济的发展人们对居住环境的要求越来越高，于是近年来国外流行的绿色建筑应运而生，所谓绿色建筑是指能充分利用环境自然资源，并以不触动环境基本生态平衡为目的而建造的一种生态住宅建筑。它除对建筑结构、建筑材料、绿化面积、生活垃圾处理、环境噪声等有较高要求外，对居住区的土壤环境也有较高的质量限制条件。结合上海市土壤环境地球化学调查成果，提出适合上海市的人居环境建设方面的土壤环境标准体系。可从土壤的放射性水平、土壤中重金属及有机污染物含量水平等3个方面来考虑，选出具体的指标，确定具体某个指标的分级标准，最后综合制定出人居环境土壤质量标准体系。

4.2 生态环境友好型土地利用模式研究

生态环境友好型的土地利用模式，就是按照土地的自然生态条件和环境承载力，进行土地规划，优化配置土地资源，使不同功能用地之间的位置关系与比例关系协调，增强土地利用集约程度，从而实现经济效益、生态效益的双丰收。

生态环境友好型的土地利用模式的总体目标：土地资源利用率显著提高，土地可持续发展能力不断增强，生态环境明显改善，土地利用与经济发展和社会进步和谐统一。充分利用和挖掘已经获得的全市土壤环境地球化学信息，为生态环境友好型土地利用模式的研究奠定坚实的基础。

5 结束语

环境地球化学调查作为一项基础性、公益性、全局性的地质调查工作，可为研究生态环境、农业发展、居民健康、土地资源利用等问题提供比较有针对性的第一手素材［12］。如何充分发掘环境地球化学调查数据中蕴涵的生态地质环境信息，使之更好的服务地方建设与社会发展需要，是摆在相关地学科技人员的一项长期而艰巨的任务［13］。另外全国各省市地区环境差异巨大，如何在服务于地方城市建设上体现当地的特色也是目前迫切要解决的问题之一。

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The Environmental Geochemical Characteristicsand Application of Geological Achievements

He Zhongfa, Xia Chen

(Shanghai Institute of Geological Survey, Shanghai 200072)

Abstract: Environmental geochemistrical investigation is a basic survey subject which is nearly correlative with ecological environmentalprotection, municipal programming and agricultural development. The environmental geochemistrical characteristics show that geochemistricalelements are classified into equably distributing-type, oppositely abnormal distributing-type, abnormal distributing-type, doughty abnormaldistributing-type and greatly doughty abnormal distributing-type. Synchronously , the geochemistrical characteristics the main city zone, newcity zone, soot industrial area and suburban vegetable plantation display the different geochemistrical characteristics. The paper expatiate thatthe geochemistrical data vista in the appliance of howff building ecology and friendly ecological environmental land use.

Key words: Shanghai City; Environmental geochemistry; Achievement application

一、内容概述

从20世纪60年代开始，上海开始系统地开展地面沉降调查及监测工作，采用的技术方法主要包括钻探、水准测量、基岩标分层标测量、地下水位动态监测等。

目前，上海地面沉降监测的技术方法有：地下水动态监测，一、二等水准测量，基岩标、分层标测量，GPS测量，InSAR测量，自动化监测系统等。

1.地下水动态监测

全市有地下水监测井450口，分别监控潜水和6个不同深度承压含水层地下水位（水质和水温）的变化规律（图1）。

图1 地下水位监测井及监测数据

2.一、二等水准测量

水准测量是利用水准仪提供的“水平视线”，测量两点间高差，从而由已知点高程推算出未知点高程（图2）。

技术特点：精密水准测量的优点是水准点埋设费用低、水准网布设灵活，能够较迅速地获取较小区域（甚至是人口密集区）的沉降信息；其不足是勘察区域面积较大时，观测周期长，投入人力资源大，人力成本较高，实时性较差。

技术指标：一、二等水准测量按照《地面沉降水准测量规范》（DZ/T0154-95）执行。

3.基岩标、分层标测量

基岩标和分层标测量是进行地面沉降监测的重要技术手段，是地面沉降分析研究和制定相应措施的基础。

基岩标是埋设在地下完整基岩上的特殊观测点，可以作为地面沉降测量的高程控制点。基岩标作为高程控制测量的基准，可减少传递误差，提高测量精度。分层标是根据土层的性质，埋设在地下不同深度土层和含砂层中的特殊观测点，是世界上公认的测量松散土层变形量的措施，广泛应用于松散土层的精确变形测量（图3）。技术特点：基岩标的优点是精度最高，能提供所有地面沉降监测研究工作的基准点；其不足主要是建设费用高（一般需要上百万元，甚至几百万元），建设工序较多，质量要求较高，场地落实困难。为此，应根据地面沉降监测的实际需要，基岩标的规划与建设需要详细论证。

图2 水准测量外业现场

图3 上海南浦大桥分层标组

分层标主要用于监测从地面至地下垂向上不同深度、不同土层的压缩变形，变形量记录比较全面、完整，一般与基岩标配合使用，以基岩标、分层标组形式配对规划。其优点是可监测某一特定区域如沉降漏斗或某一点的垂向上不同深度的变形，获得立体空间上的变形量，若配以地面沉降自动化监测系统，将可以获得实时、连续土层的变形量；其主要不足是建设费用高。

技术指标：基岩标作为地面沉降监测基准，精度级别是最高的。

分层标测量分为人工测量、自动化测量两种。根据《地面沉降水准测量规范》，人工测量的精度一般为0.3mm。

4.GPS测量

GPS测量是利用全球定位系统（Global Positioning System，GPS）在远离变形区的适当位置，选择或建立一个基准站，在变形区内设置若干个监测点，在基准站和监测点上分别安置GPS接收机，进行连续观测，并将观测数据进行分析和处理（图4）。

图4 GPS 基准站

技术特点：观测时间短，人工作业劳动强度低，观测作业简便，测站间无须通视，布点灵活，可以在任何时间、地点和天气状况下进行全天候连续监测，定位精度高，较高的作业自动化水平等。

技术指标：按照《全球定位系统（GPS）测量规范》（GB/T18314-2001）中B级网要求，按平均15km边长推算，高差的误差为34mm，实际结果为大地高程变化量精度在5mm左右。

5.InSAR测量

雷达干涉测量技术（InSAR）将合成孔径雷达（SAR）成像原理和干涉测量技术相结合，利用雷达回波信号所携带的相位信息精确测量地表某一点的高程信息及其微小变化。其原理是通过两副天线同时观测（单轨道双天线模式）或两次重复观测（单天线重复轨道模式）来获得同一区域的重复观测数据，即单视复数影像对，这是InSAR进行高程提取或形变监测的数据源。

技术特点：InSAR技术具备可以同时获取点、线、面的沉降量，投入人力资源少等特点，已经显示出用于地面沉降研究的广阔前景和巨大潜力。其不足之处也很明显，主要是目前InSAR技术不是很成熟，尚处研究阶段，距大范围的推广应用还有一段时间。

技术指标：上海地区InSAR监测试验结果表明，InSAR技术在垂向的精度可以达到±3.7mm，目前仍正在进行试验研究中。

6.自动化监测系统

在分层标、水位孔上安装自动化设备，实现分层标土体变形、水位变化自动观测、记录、传输、数据库录入等功能，进一步提高了分层标、水位测量自动化程度（图5，图6）。

图5 地面沉降自动化监测设施原理图

图6 地面沉降监测数据采集、传输系统示意图

技术特点：地面沉降自动化监测系统的优点是精度高、连续、实时、自动记录、自动传输、无人值守且可以任意设置数据采集时间、同时监测不同土层的沉降，有利于从变形量中分离出每个土层的变形量，计算不同土层对总沉降量的贡献，有利于研究地面沉降的原因、机理和机制。地面沉降自动化监测系统主要不足为一次性建设费用较高，因此比较适合选定有代表性的典型区域如沉降漏斗中心、漏斗边缘等。因其高昂的建设费用，目前主要还是用于点状对象的监测上。

技术指标：分层标自动化监测精度平均绝对误差应不大于1mm；地下水位监测精度应为± 0.01m。

二、应用范围及应用实例

（一）应用范围

成果广泛应用于地面沉降监测。

（二）应用实例

1.一、二等水准测量

按照《地面沉降水准测量规范》（DZ/T0154-95）、《国家一、二等水准测量规范》（GB/T 12897-2006）的要求，上海地质调查研究院在全市范围内布设了一、二等高程控制网。基于基岩标，从一座基岩标至另外一座基岩标，组成大型高程控制网。

按照覆盖的区域和复测频率，高程控制网分为郊区高程控制网、中心城区（外环线以内区域）高程控制网。郊区高程控制网覆盖了包括崇明岛、横沙岛、长兴岛在内的整个上海区域，复测频率为每5年复测一次，用于全市高程控制数据的更新与发布，在图中绘制了一等水准路线图。二、三等覆盖整个郊区，目前缺少线路走向资料；中心城区（外环线以内区域）高程控制网分布在中心城区，复测频率为每1年复测一次，覆盖范围约1000km2，用于地面沉降分析和研究；两套高程控制网均以基岩标为结点，实现郊区高程控制网、中心城区高程控制网有机的统一和衔接。

2.基岩标、分层标

自开展地面沉降研究以来，高程控制网的基准点问题一直是关键性课题，有效的解决方案就是选择稳定的基岩建立基岩标。上海地质调查研究院长期从事这项工作，特别是经历了“九五”、“十五”、“十一五”等市政府重大课题大规模网点建设项目的实践检验，获得了丰富的施工和管理经验，形成了一套严密的作业流程，熟练地掌握了基岩标施工工艺，取得了基岩标实施工艺专利（专利号：ZL 012394556，证书号：第478596号）。上海地区目前已建设完成了比较完备的地面沉降监测网络，特别是“十一五”地面沉降防治工程开展以来，全市已累计建设了35座地面沉降监测站（16座实现了自动化监测），监测在基岩面以上不同深度土层的变形规律（图7至图9）。

图7 上海世博会会址地面沉降监测站

图8 地面沉降监测站自动化监测设施

3.GPS测量

2001年1月～2010年12月，上海市地质调查研究院共组织GPS一级网监测13次。其中2001年1月～2002年7月时段长为3h或6h，自2002年11月起，时段长由12h逐渐改为24h，并进一步优化了观测方案和数据处理方案，GPS监测地面沉降的精度、可靠性逐渐提高。

4.InSAR测量

图10显示了上海地区InSAR测量得到的2003年至2007年地面沉降速率图。

图9 地面沉降标组数据曲线

图10 上海幅工作区2003～2007年地面沉降D-InSAR监测速率图

三、推广转化方式

地面沉降监测技术的研究、发展、成熟和完善，为专利申报、规程、规范编制出台提供了有力的技术支撑，也为带动长三角地区乃至华北平原、西北汾渭盆地等区域地面沉降监测与防治发挥了引领和示范作用。

通过多年来对基岩标标型设计、施工便利程度、成本、适宜性、可靠性、稳定性等指标的研究，形成了一套成熟的基岩标施工工艺，并申请了专利（ZL J 2 39455.6，证书号：第478596号）。

编制的规程、规范有《地面沉降监测与防治技术规程》（DG/TJO8-2051-2008，上海市）、《地面沉降监测技术规范》（中国地质调查局）、《地面沉降测量规范》（国土资源部），为进一步规范全国地面沉降监测和防治工作做出了积极贡献。

技术依托单位：上海地质调查研究院

联系人：方正

通讯地址：上海市灵石路930号

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