环境科学导论第3章 水体环境及水体污染

1、l 第一节第一节 水体环境和水体污染概述水体环境和水体污染概述l 1 1、水资源与水循环水资源与水循环 。 p 水资源与水环境 江河湖海中一切淡水、咸水江河湖海中一切淡水、咸水 土壤水、浅层和深层地下水土壤水、浅层和深层地下水 南北两极冰帽和各大陆高山冰川中的冰南北两极冰帽和各大陆高山冰川中的冰 大气圈中的水蒸气和水滴大气圈中的水蒸气和水滴 生物体内的水生物体内的水地球上的水p 水资源与水环境地球上的总水量天然水量并不等于可利用水量，水资源则一般仅指地球表层中天然水量并不等于可利用水量，水资源则一般仅指地球表层中可供人类利用并逐年得到更新的那部分水量资源。可供人类利用并逐年得到更新的那部分水量

2、资源。 如大气降水，江河、湖泊、水库、土壤和含水层的淡水如大气降水，江河、湖泊、水库、土壤和含水层的淡水 。p 水资源与水环境我国的水资源分布我国的淡水资源总量约我国的淡水资源总量约2.8万亿立方米，居世界第六位万亿立方米，居世界第六位人均淡水占有量人均淡水占有量2220立方米，被列为立方米，被列为13个贫水国家之一。个贫水国家之一。人均淡水是世界平均水平的人均淡水是世界平均水平的1/4，美国的，美国的1/5，加拿大的，加拿大的1/48目前我国有目前我国有400多个城市缺水，多个城市缺水，110个城市严重缺水个城市严重缺水 海洋蒸发水汽输送地表径流地表蒸发降水地下径流降水入渗水水 循循 环环

3、示示 意意 图图p 水资源与水环境水的自然循环水的自然循环p 水资源与水环境l 全球水分循环全球水分循环：地球表面的水分不断地蒸发和蒸腾，地球表面的水分不断地蒸发和蒸腾，并汽化为水蒸汽，上升到空中形成云，又在大气环流并汽化为水蒸汽，上升到空中形成云，又在大气环流的作用下传播到各处，遇到适当的条件时即成为雨或的作用下传播到各处，遇到适当的条件时即成为雨或雪而降落到海洋和陆地。雪而降落到海洋和陆地。 降落到陆地的水分降落到陆地的水分（1）一部分直接从地面蒸发；）一部分直接从地面蒸发； （2）一部分渗入地下，成为土壤水或地下水；）一部分渗入地下，成为土壤水或地下水；（3）一部分植物根系吸收，经叶片蒸

4、腾作用进人大气；）一部分植物根系吸收，经叶片蒸腾作用进人大气；（4）一部分可能顺地表径流汇入江、河、湖泊流入海）一部分可能顺地表径流汇入江、河、湖泊流入海 洋，再经水面蒸发进入大气圈。洋，再经水面蒸发进入大气圈。l 天然水的化学成分决定于它的形成环境天然水的化学成分决定于它的形成环境. 一方面一方面决定与水接触的物质的成分和溶解度；决定与水接触的物质的成分和溶解度；另一方面另一方面决定决定于发生在水环境中的物理化学作用进行的条件。于发生在水环境中的物理化学作用进行的条件。 在天然水中进行的化学及物理化学作用主要有：在天然水中进行的化学及物理化学作用主要有：l（1）固体物质的溶解和沉淀；固体物质

5、的溶解和沉淀；l（2 2）酸碱反应；）酸碱反应；l（3 3）氧化）氧化还原作用；还原作用；l（4 4）固体物质与水中离子成分之间的交换反应；）固体物质与水中离子成分之间的交换反应；l（5 5）有机物的矿化作用；）有机物的矿化作用；l（6 6）生物化学作用等。）生物化学作用等。 l 上述各种作用，在自然界表现出水与周围介质的上述各种作用，在自然界表现出水与周围介质的相互作用，或富集各种离子和分子，或从水中析出。相互作用，或富集各种离子和分子，或从水中析出。p 水资源与水环境天然水的物质组成天然水的物质组成 水（水（H2O） 溶解物质溶解物质 胶体物质胶体物质 悬浮物质悬浮物质 分类分类主要物质主

6、要物质悬浮物质悬浮物质细菌、藻类及原生动物；细菌、藻类及原生动物；泥沙、黏土等颗粒物泥沙、黏土等颗粒物胶体物质胶体物质硅、铝、铁的水合氧化物胶体物质；硅、铝、铁的水合氧化物胶体物质；黏土矿物胶体物质；黏土矿物胶体物质；腐殖质等有机高分子化合物腐殖质等有机高分子化合物溶解物质溶解物质氧、二氧化碳、硫化氢、氮等溶解气体；氧、二氧化碳、硫化氢、氮等溶解气体；钙、镁等卤化物、碳酸盐、硫酸盐等盐类；钙、镁等卤化物、碳酸盐、硫酸盐等盐类；可溶性有机物可溶性有机物p 水资源与水环境天然水的化学组成天然水的化学组成又称为主要离子、恒量元素、保守成分。又称为主要离子、恒量元素、保守成分。 淡水中常量成分占水体溶

7、解盐类总量的淡水中常量成分占水体溶解盐类总量的90%以以上，八大离子主要有上，八大离子主要有 K+、Na+、Ca2+、Mg2+ HCO3-、CO32-、SO42-、Cl- 海水中常量成分占海水中溶解盐类的海水中常量成分占海水中溶解盐类的99.8%99.9%，其比例及排序几乎不变，其比例及排序几乎不变 Na+、Mg2+、Ca2+、K+、Sr2+、 Cl-、SO42-、HCO3-（CO32-）、）、 Br-、H3BO3、F-。常量成分常量成分溶解气体溶解气体营养元素营养元素有机物质有机物质微量元素微量元素有毒物质有毒物质常量成分常量成分p 水资源与水环境天然水的化学组成天然水的化学组成 除了除了N

8、2、O2、CO2外，还有惰性气体外，还有惰性气体He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn。海水中也含有少量。海水中也含有少量H2，在水，在水交换较差的水底有时也有游离的交换较差的水底有时也有游离的H2S存在。对于存在。对于部分受污染地区，水中可能还有污染气体（如硫部分受污染地区，水中可能还有污染气体（如硫氧化物、氮氧化物等）。氧化物、氮氧化物等）。 溶解气体的含量与水的温度、水中动物代谢活溶解气体的含量与水的温度、水中动物代谢活动有关；其含量有明显的昼夜、季节、周年变化动有关；其含量有明显的昼夜、季节、周年变化特点和显著的水层差异。特点和显著的水层差异。常量成分常量成分溶解气体溶解气体营养元素营养元

9、素有机物质有机物质微量元素微量元素有毒物质有毒物质p 水资源与水环境天然水的化学组成天然水的化学组成 主要包括与水生生物生长有关的一些元素，如N、P、Si等。营养元素多以复杂的离子形式或以有机物的形式存在于水体中。营养元素在水体中含量通常较低，受生物影响较大，有时又称为“非保守成分”或“生物制约元素”。常量成分常量成分溶解气体溶解气体营养元素营养元素有机物质有机物质微量元素微量元素有毒物质有毒物质p 水资源与水环境天然水的化学组成天然水的化学组成 水体中的有机物可分为颗粒态有机物和溶解态有机物两大类。一般1升水有机物中仅几毫克。包括糖类、脂肪、蛋白质及降解有机物等； 有机物对水质及水生生物有着

10、多方面错综复杂的影响，适量有机物的存在是使水质维持一定肥力的重要条件，而过量有机物的存在将会使水质恶化。 常量成分常量成分溶解气体溶解气体营养元素营养元素有机物质有机物质微量元素微量元素有毒物质有毒物质p 水资源与水环境天然水的化学组成天然水的化学组成 除了常量元素和营养元素以外的其他元素（如同位素等），仅占总含盐量的0.1%左右；微量元素中的Fe、Mn、Cu等与生物的生长有着密切的关系，称为“微量营养元素”。 常量成分常量成分溶解气体溶解气体营养元素营养元素有机物质有机物质微量元素微量元素有毒物质有毒物质p 水资源与水环境天然水的化学组成天然水的化学组成 天然水中的有毒物质，主要是由于地球化

11、学异常和水体内部物质循环失调而生成并积累的毒物，如重金属、重金属、放射性同位素、硫化氢、氨、低放射性同位素、硫化氢、氨、低级胺类及赤潮生物的有毒分泌物级胺类及赤潮生物的有毒分泌物等。 有毒物质在浓度较低时就会对水生生物产生毒性作用，并破坏生态系统的平衡；其毒性的大小与该物质的存在形式有关，并受到多中水体物理化学性质的影响。常量成分常量成分溶解气体溶解气体营养元素营养元素有机物质有机物质微量元素微量元素有毒物质有毒物质 河水化学成分受多种因素的影响河水化学成分受多种因素的影响（1）受河流集水面积内被侵蚀的岩石性质影响；（2）受河流的流动过程中补给水源成分的影响；（3）流域面积地区的气候条件的影响

12、；（4）受生物活动影响。 （1）河水的含盐量一般在）河水的含盐量一般在100200 mg/L左右，左右，世界河流平均含盐量约为世界河流平均含盐量约为100 mg/L，我国河流，我国河流平均含盐量约为平均含盐量约为 166 mg/L。 （2）清洁的河水中含有大量的）清洁的河水中含有大量的溶解氧溶解氧，而污染，而污染缺氧富含好氧有机污染物的河水中可能会含有缺氧富含好氧有机污染物的河水中可能会含有大量的大量的H2S和和NH3。l水体水体：相对稳定的以陆地为边界的天然水域，相对稳定的以陆地为边界的天然水域，包括河流、湖泊、沼泽、水库和海洋等。水包括河流、湖泊、沼泽、水库和海洋等。水体不仅包括水，还包括

13、水中的悬浮物质、溶体不仅包括水，还包括水中的悬浮物质、溶解物质、底泥及水生生物等完整的生态系统，解物质、底泥及水生生物等完整的生态系统，它是地表被水覆盖的它是地表被水覆盖的自然综合体自然综合体。 指当污染物进入河流、湖泊、海洋或地下水指当污染物进入河流、湖泊、海洋或地下水等水体后，使水和水体底质的物理、化学性质等水体后，使水和水体底质的物理、化学性质或生物群落组成发生变化，从而降低了水体的或生物群落组成发生变化，从而降低了水体的使用价值。使用价值。 什么是水体污染？什么是水体污染？一组描绘我国水环境污染的卫星照片一组描绘我国水环境污染的卫星照片天津大沽排污河入海口天津大沽排污河入海口p 水污染

14、 一组描绘我国水环境污染的卫星照片一组描绘我国水环境污染的卫星照片一组描绘我国水环境污染的卫星照片一组描绘我国水环境污染的卫星照片日照城市污水进入东海日照城市污水进入东海p 水污染 一组描绘我国水环境污染的卫星照片一组描绘我国水环境污染的卫星照片潍坊市入海河流对比潍坊市入海河流对比p 水污染 一组描绘我国水环境污染的卫星照片一组描绘我国水环境污染的卫星照片芜湖河流进入长江芜湖河流进入长江p 水污染 一组描绘我国水环境污染的卫星照片一组描绘我国水环境污染的卫星照片合肥市区流出的河水汇入巢湖合肥市区流出的河水汇入巢湖p 水污染 一组描绘我国水环境污染的卫星照片一组描绘我国水环境污染的卫星照片太湖蓝

15、藻太湖蓝藻小湾里取水口滇池蓝藻滇池蓝藻p 水污染 p 水污染 水污染现象水污染现象水污染现象水污染现象l20052005年年1111月月1313日，中石油吉林石日，中石油吉林石化公司双苯厂发生爆炸事故，造化公司双苯厂发生爆炸事故，造成约有成约有100100吨苯吨苯类污染物进入松花类污染物进入松花江水体江水体 ，苯类是对人体健康有危，苯类是对人体健康有危害的有机物害的有机物, ,引发重大水环境污染引发重大水环境污染事件。事件。l影响：哈尔滨停水四天影响：哈尔滨停水四天 ，引起市，引起市民恐慌，民恐慌，400400万市民抢购饮用水和万市民抢购饮用水和食品，更有人决定离市避难食品，更有人决定离市避难

16、. .p 水污染 太湖及巢湖蓝藻事件5. 5. 水体污染物的来源水体污染物的来源点污染源面污染源工业点源工业点源城镇点源城镇点源规模养殖规模养殖农田面源农田面源农村生活农村生活分散养殖分散养殖地表径流地表径流土壤和地下水土壤和地下水v 污染量大污染量大v 成分复杂成分复杂v 感官不佳感官不佳v水质水量多变水质水量多变水环境污染源水环境污染源点污染源点污染源面污染源面污染源一头牛产生的污水超过一头牛产生的污水超过2222人的生活废水人的生活废水, , 一头猪产一头猪产生的废水相当于生的废水相当于7 7人人畜禽粪便年排放量达畜禽粪便年排放量达3030多多亿亿t, t, 相当于工业固废的相当于工业固

17、废的2 2倍以上倍以上畜禽粪便随意排放畜禽粪便随意排放, ,导致导致大量氮、磷流失大量氮、磷流失, ,造成水造成水体污染体污染工业点源工业点源城镇点源城镇点源规模养殖规模养殖农田面源农田面源农村生活农村生活分散养殖分散养殖地表径流地表径流土壤和地下水土壤和地下水p 水污染 水环境污染源水环境污染源点污染源点污染源面污染源面污染源工业点源工业点源城镇点源城镇点源规模养殖规模养殖农田面源农田面源农村生活农村生活分散养殖分散养殖地表径流地表径流土壤和地下水土壤和地下水 化肥、农药流失，氮磷和有毒物质污染水环境20052005年化肥施用量年化肥施用量 中中 国国341kg/hm341kg/hm2 2

18、欧欧 盟盟225kg/hm225kg/hm2 2 法法 国国203.2kg/hm203.2kg/hm2 2 美美 国国110.5kg/hm110.5kg/hm2 2我国化肥当季利用率低，氮肥我国化肥当季利用率低，氮肥3030 磷肥磷肥2020沈阳应用生态研究所副所长武志杰沈阳应用生态研究所副所长武志杰 l排入到水体的化学污染物可以分为四大类型：排入到水体的化学污染物可以分为四大类型：l （A A）无机无毒物）无机无毒物 （B B）无机有毒物）无机有毒物l （C C）耗氧有机物）耗氧有机物 （D D）有机有毒物）有机有毒物 l l (A)无机无毒物无机无毒物l酸酸：矿山排水、冶金和金属加工酸性洗

19、液排入水中：矿山排水、冶金和金属加工酸性洗液排入水中l碱碱：制碱业、碱法造纸、制革业废水：制碱业、碱法造纸、制革业废水l氮、氮、 磷磷：生活污水、农田排水，造成水体的富营养生活污水、农田排水，造成水体的富营养化污染。化污染。l重金属重金属（汞（汞Hg、铅、铅Pb、砷、砷As等）：排入到水中不易消失，毒等）：排入到水中不易消失，毒性强性强. . 汞产生毒性的浓度：汞产生毒性的浓度：0.01-0.001mg/L, , 可通过食物链，可通过食物链，并经过生物放大作用，进入人体，对人体健康造成危害并经过生物放大作用，进入人体，对人体健康造成危害 。l 某些重金属可在微生物的作用下转化为毒性更强某些重金

20、属可在微生物的作用下转化为毒性更强的金属化合物，的金属化合物，金属甲基化。金属甲基化。 l氰化物氰化物：氰化物是指含有氰化物是指含有氰基氰基 (CN(CN- -) )的化合的化合物，为剧毒物质。物，为剧毒物质。l 水体中氰化物主要来源于电镀废水、焦水体中氰化物主要来源于电镀废水、焦炉和高炉的煤气洗涤水，制药等各种工业废炉和高炉的煤气洗涤水，制药等各种工业废水。水。l 水体中含氰化物水体中含氰化物0 .1mgL L能杀死虫类，能杀死虫类，0.3-0.5mgL时，鱼类中毒死亡。时，鱼类中毒死亡。 定义定义：生活污水和某些工业废水中含有碳水化合生活污水和某些工业废水中含有碳水化合物、蛋白质、脂肪和木

21、质素等有机化合物，在微生物、蛋白质、脂肪和木质素等有机化合物，在微生物作用下最终可分解为简单的无机物质，这些有机物作用下最终可分解为简单的无机物质，这些有机物在分解过程中需要消耗水中大量的溶解氧物在分解过程中需要消耗水中大量的溶解氧（dissolved oxygen DO），影响水质，故称耗氧有），影响水质，故称耗氧有机物。机物。l 水中水中DO耗尽，耗尽， 有机物又被厌氧微生物分解，有机物又被厌氧微生物分解，产生甲烷（产生甲烷（CH4）、硫化氢（）、硫化氢（H2S）、氨（）、氨（NH3）等）等恶臭物质，使水变质发臭。恶臭物质，使水变质发臭。 l 耗氧有机物通常以耗氧有机物通常以BOD5表示，

22、一般，表示，一般，BOD5低低于于3mg/L时，水质较好；达到时，水质较好；达到7.5mg/L时，水质不好；时，水质不好；大于大于10mg/L时，水质已经很差，鱼类已不能生存时，水质已经很差，鱼类已不能生存。 (1) 酚类化合物酚类化合物：水体中的酚主要来自煤气、炼焦、：水体中的酚主要来自煤气、炼焦、石油化工等工业废水中的苯酚，即挥发性酚。酚类石油化工等工业废水中的苯酚，即挥发性酚。酚类属于可被降解的有毒有机物。规定属于可被降解的有毒有机物。规定1类水挥发酚最高类水挥发酚最高允许浓度为允许浓度为0.002mg/L，4类地面水最高允许浓度为类地面水最高允许浓度为0.01 mg/L。 酚：羟基直接

23、与芳香环相连的化合物叫做酚酚：羟基直接与芳香环相连的化合物叫做酚。（2 2）有机农药）有机农药：一般属于难降解有机物。与化肥施用一般属于难降解有机物。与化肥施用一样，农药只有一小部分能作用于靶生物，大部分一样，农药只有一小部分能作用于靶生物，大部分通过降雨与径流进入水体。我国在通过降雨与径流进入水体。我国在1983年明令禁止年明令禁止生产和使用生产和使用DDT和六六六。和六六六。 （3 3）多环芳烃多环芳烃( (PAH) )：多环芳烃（多环芳烃（分子中含有一分子中含有一个以上苯环的化合物称为多环芳烃个以上苯环的化合物称为多环芳烃），由石油、），由石油、煤等及木材在不完全燃烧或高温处理条件下产煤

24、等及木材在不完全燃烧或高温处理条件下产生，排人大气后经沉降到达地表，或通过废水生，排人大气后经沉降到达地表，或通过废水直接排放进入水体。直接排放进入水体。 多环芳烃是重要致癌物质多环芳烃是重要致癌物质, ,美国美国EPA将将16种种PAHs化合物列为优先控制的化合物列为优先控制的PAHs萘萘苊芴菲蒽萤蒽芘苯并a蒽苯并b萤蒽苯并k萤蒽苯并a芘茚并1,2,3-c,d芘二苯并a,h蒽苯并g,h,i苝菲芘苯并a芘 （4 4）多氯联苯）多氯联苯( (PCB) )：多氯联苯是联苯上的氢多氯联苯是联苯上的氢被氯置换后生成物的总称。被氯置换后生成物的总称。多氯联苯广泛用于多氯联苯广泛用于电器绝缘材料等，是一种

25、电器绝缘材料等，是一种稳定性极高的合成化稳定性极高的合成化学物质学物质 。进入。进入肌体不易排泄，会引起皮肤和肌体不易排泄，会引起皮肤和肝脏损害。随着水体水分循环，肝脏损害。随着水体水分循环，PCBPCB污染已成污染已成为环境污染影响最具代表性的物质。为环境污染影响最具代表性的物质。 l联苯：多环芳烃的一类，联苯：多环芳烃的一类，l苯环间以单一化学键相连，苯环间以单一化学键相连，l如二甲基联苯。如二甲基联苯。 持久性有机污染物持久性有机污染物(persistent organic pollutions. POPs): 指一类具有半挥发性、难降解、高脂溶性等指一类具有半挥发性、难降解、高脂溶性等

26、理化性质，可以进行远距离甚至全球尺度的迁移扩散，理化性质，可以进行远距离甚至全球尺度的迁移扩散，并通过食物链在生物体内浓缩积累，对人体和环境产并通过食物链在生物体内浓缩积累，对人体和环境产生毒性影响的有机污染物。生毒性影响的有机污染物。l 一一 POPs的种类：如的种类：如DDT， 多氯联苯、二恶英多氯联苯、二恶英l 二二 POPs的基本特征的基本特征l A持久性持久性l B生物积累性：低水溶性，高脂溶性生物积累性：低水溶性，高脂溶性l C半挥发性：能够从水体或土壤中以蒸气的形半挥发性：能够从水体或土壤中以蒸气的形式进入大气环境或吸附在大气颗粒物上，远距离迁移，式进入大气环境或吸附在大气颗粒物

27、上，远距离迁移，又不永久停留在大气中，可重新沉降在地表。又不永久停留在大气中，可重新沉降在地表。l D 高毒性高毒性 （5）洗涤剂）洗涤剂：洗涤剂广泛应用于生活和工业，排入水洗涤剂广泛应用于生活和工业，排入水体中的洗涤剂的量愈来愈大，逐渐显示出对水环境体中的洗涤剂的量愈来愈大，逐渐显示出对水环境的恶劣影响。的恶劣影响。l 洗涤剂对水体污染表现为：洗涤剂对水体污染表现为：l 一一 是当水体中含洗涤剂达到是当水体中含洗涤剂达到0.5mgL时，水面时，水面上将浮起一层泡沫，破坏自然景观，影响着大气中上将浮起一层泡沫，破坏自然景观，影响着大气中的氧向水中溶解交换。水体中的洗涤剂的氧向水中溶解交换。水体

28、中的洗涤剂10mgL时时鱼类就难以生存鱼类就难以生存.l 二二 是洗涤剂中均含有以是洗涤剂中均含有以磷酸盐磷酸盐为主的增净剂，为主的增净剂，因而可导致水体的富营养化，使水体恶化，变质；因而可导致水体的富营养化，使水体恶化，变质；l 三三 是洗涤剂中的表面活性剂会使水生动物的感是洗涤剂中的表面活性剂会使水生动物的感官功能减退，甚至丧失觅食或避开有毒物质的能力，官功能减退，甚至丧失觅食或避开有毒物质的能力，使水生动物丧失生存本能。使水生动物丧失生存本能。 表征水体污染指标项目较多，可分为三大类表征水体污染指标项目较多，可分为三大类：l第一类：第一类：物理性水质指标物理性水质指标lA A感官物理性状

29、指标：如温度、色度、嗅味、浊度感官物理性状指标：如温度、色度、嗅味、浊度等。等。lB B 其它物理性状指标。如悬浮固体、电导率等。其它物理性状指标。如悬浮固体、电导率等。l第二类：化学性水质指标第二类：化学性水质指标l A A一般的：一般的：pHpH、硬度、各种阴阳离子等。、硬度、各种阴阳离子等。l B B有毒污染物浓度：重金属、氰化物、多环芳烃。有毒污染物浓度：重金属、氰化物、多环芳烃。l C C耗氧有机物含量指标：耗氧有机物含量指标：CODCOD、BODBOD、TOC TOC 等。等。 l 第三类：生物学水质指标第三类：生物学水质指标l 细菌总数、总大肠杆菌数、各种病原细菌和病毒细菌总数、

30、总大肠杆菌数、各种病原细菌和病毒。 （1）化学耗氧量）化学耗氧量（COD: Chemical Oxygen Demand ）l 定义：指在规定的条件下，使单位体积指在规定的条件下，使单位体积(1升升)水样中的有机物被氧化所需要消耗的水样中的有机物被氧化所需要消耗的氧化氧化剂剂的量。可以反映水体中有机污染程度。的量。可以反映水体中有机污染程度。l 测定方法测定方法：高锰酸钾法（高锰酸钾法（KMnO4）和重铬）和重铬酸钾法酸钾法(KCr(KCr2 2O O7 7) )两种（两种方法测定的同一水两种（两种方法测定的同一水样的结果是不同的，必须注明所使用的方样的结果是不同的，必须注明所使用的方法）法）

31、.l 以高锰酸钾做氧化剂测得的值也称以高锰酸钾做氧化剂测得的值也称高锰高锰酸钾指数酸钾指数。耗氧有机物污染指标耗氧有机物污染指标l（2）生物化学需氧量，简称生化需氧量生物化学需氧量，简称生化需氧量l（BOD，Biochemical Oxygen Demand）l 指在好气条件下，水体中有机物经微生物分解成指在好气条件下，水体中有机物经微生物分解成CO2和和H2O的过程的过程所需消耗所需消耗溶解氧的量溶解氧的量。它是间接反。它是间接反映水体中耗氧有机物污染的最常用指标之一映水体中耗氧有机物污染的最常用指标之一。l BOD愈愈高，高，表示水体中耗氧有机污染物愈多。表示水体中耗氧有机污染物愈多。微生

32、物分解有机物是一个缓慢的过程，分解一般需要微生物分解有机物是一个缓慢的过程，分解一般需要较长的时间较长的时间. .l 目前，通常采用在目前，通常采用在2020培养培养5 5天测定的耗氧量天测定的耗氧量为为标准，标准， 记为记为BODBOD5 5， 研究认为，研究认为，BODBOD5 5约为总约为总BODBOD的的65%-65%-80%80%。 l第一阶段：氧化阶段，有机物转化为二氧化碳、水第一阶段：氧化阶段，有机物转化为二氧化碳、水和氨和氨 l第二阶段：第二阶段：硝化阶段，主要是氨进一步被转化为亚硝化阶段，主要是氨进一步被转化为亚硝酸盐与硝酸盐硝酸盐与硝酸盐。该步反应在第一阶段反应开始该步反应

33、在第一阶段反应开始1010天以后才开始进行。天以后才开始进行。 l 污水的生物化学需氧量只是指的第一阶段氧化污水的生物化学需氧量只是指的第一阶段氧化需要的氧量，主要是有机物中碳被氧化的需氧量。需要的氧量，主要是有机物中碳被氧化的需氧量。 3222223222232HNOOHNOOHHNOONH3222)(NHCORCOOHOCOOHNHRCH（3 3）总有机碳总有机碳（TOC，Total Organic Carbon） l 包括水中包括水中所有有机物质的含碳量所有有机物质的含碳量，是评价，是评价水体有机污染的一个综合指标。水体有机污染的一个综合指标。 可用可用红外吸收红外吸收法或法或 TOCT

34、OC仪仪快速测定。快速测定。l （4）总需氧量总需氧量（TOD，Total Oxygen Demand） 指把水体有机物中的指把水体有机物中的碳、氮、硫、氢等元碳、氮、硫、氢等元素全部氧化时所需氧的总量素全部氧化时所需氧的总量。 TOD测定仪。 水体的自净作用和水环境容量水体的自净作用和水环境容量 水体自净水体自净: 指受污染的各种水体在物理、化学和指受污染的各种水体在物理、化学和生物等作用的影响下，污染物浓度或总量生物等作用的影响下，污染物浓度或总量自然降低自然降低的过程。它是消除水环境中污染物的一个重要途径。的过程。它是消除水环境中污染物的一个重要途径。 按作用机理可分为按作用机理可分为物

35、理自净、化学自净和生物物理自净、化学自净和生物自净自净三类。三类。 （1） 物理自净物理自净：指水体中污染物浓度的降低是：指水体中污染物浓度的降低是由稀释、挥发、沉淀等物理作用所引起的结果。由稀释、挥发、沉淀等物理作用所引起的结果。 物理自净能力的强弱取决于水体的物理及物理自净能力的强弱取决于水体的物理及水文条件，如温度、流速、流量等，以及污染水文条件，如温度、流速、流量等，以及污染物自身的物理性质，如密度、形态、粒度等。物自身的物理性质，如密度、形态、粒度等。 （2）化学自净化学自净：指水环境中污染物浓度的降指水环境中污染物浓度的降低。是由酸碱中和、氧化还原、分解化合等低。是由酸碱中和、氧化

36、还原、分解化合等化学作用造成的。化学作用造成的。 这些过程能够改变污染物在水体中的迁移这些过程能够改变污染物在水体中的迁移能力和毒性大小，也能改变水环境化学反应能力和毒性大小，也能改变水环境化学反应条件条件，使使污染物发生化学性质或形态、价态污染物发生化学性质或形态、价态上的转化，水质向好的方面变化。上的转化，水质向好的方面变化。 生物自净生物自净：水环境污染物浓度的降低，主要是由于生物作水环境污染物浓度的降低，主要是由于生物作用所引起的污染物的分解、转化和富集等现象。主要包括：用所引起的污染物的分解、转化和富集等现象。主要包括： （1)1)悬浮和溶解于水体中的有机污染物在微生物的作用下，悬浮

37、和溶解于水体中的有机污染物在微生物的作用下，发生氧化分解的过程。发生氧化分解的过程。 淡水生态系统中的生物净化以细菌为主，需氧微生物在淡水生态系统中的生物净化以细菌为主，需氧微生物在水体溶解氧十分充足的条件下，能够将悬浮和溶解在水体中水体溶解氧十分充足的条件下，能够将悬浮和溶解在水体中的有机物分解成简单、稳定的无机物（二氧化碳和水等），的有机物分解成简单、稳定的无机物（二氧化碳和水等），使水体得到净化。使水体得到净化。 影响水体生物自净的主要因素是水中的溶解氧浓度和温影响水体生物自净的主要因素是水中的溶解氧浓度和温度等，其中度等，其中水中大量的溶解氧是维持水生生物生存和净化能水中大量的溶解氧是

38、维持水生生物生存和净化能力的基本条件。力的基本条件。 (2) (2) 一些水生植物一些水生植物，如浮萍、凤眼莲、芦苇、香蒲等，如浮萍、凤眼莲、芦苇、香蒲等，能够吸收水中的汞、镉能够吸收水中的汞、镉等重金属甚至一些难降解的有机物污等重金属甚至一些难降解的有机物污染物，使水质得到改善。染物，使水质得到改善。 水环境容量水环境容量: 一定水体所能容纳污染物的最大一定水体所能容纳污染物的最大负荷量负荷量。 水环境容量大小水环境容量大小与水体所处的自净条件（流量、与水体所处的自净条件（流量、流速）、水体中的生物组成，以及污染物本身的性流速）、水体中的生物组成，以及污染物本身的性质等密切相关。质等密切相关

39、。 l 污染物在水流作用下产生的迁移作用。只改变污染物在水流作用下产生的迁移作用。只改变水流中污染物的位置。水流中污染物的位置。lFxx方向方向(河流水流方向河流水流方向)上污染物推迁移通量；上污染物推迁移通量；lux x方向上水流速度的分量方向上水流速度的分量; C 污染物河流水体中的浓度。污染物河流水体中的浓度。xxFu c(1) 分子扩散分子扩散 扩散扩散是由于物理量在空间上存在梯度使之在空是由于物理量在空间上存在梯度使之在空间上趋于均化的物质迁移现象。间上趋于均化的物质迁移现象。 分子扩散：某一环境介质（如水）中的污染物分子扩散：某一环境介质（如水）中的污染物由于分子的无规则运动，从高

40、浓度区向低浓度区的由于分子的无规则运动，从高浓度区向低浓度区的运动过程。运动过程。 服从服从费克第一定律费克第一定律，即单位时间内通过单位面，即单位时间内通过单位面积的溶解物质的质量与扩散物质的浓度梯度成正比。积的溶解物质的质量与扩散物质的浓度梯度成正比。 xmCIEx Cx（2 2）湍流扩散）湍流扩散 湍流扩散湍流扩散：水体湍流场中质点的各种状态的瞬水体湍流场中质点的各种状态的瞬时值相对于其平均值的随机脉动而导致的扩散现象，时值相对于其平均值的随机脉动而导致的扩散现象，湍流扩散同样会引起的物质从高浓度区域向低浓度湍流扩散同样会引起的物质从高浓度区域向低浓度区域运动区域运动。 其扩散规律同样服

41、从费克第一定律，其扩散规律同样服从费克第一定律，（3）弥散）弥散 弥散运动是由于水流横断面上实际的流速的不弥散运动是由于水流横断面上实际的流速的不均匀性所造成的均匀性所造成的。 其通量变化符合以下公式：其通量变化符合以下公式： 2xXCIDx l 进入水环境中的污染物可分为：进入水环境中的污染物可分为：保守物质和非保保守物质和非保守物质守物质。l 保守物质保守物质：指进入水环境后，只是随着水流的运：指进入水环境后，只是随着水流的运动而改变其所处的位置，并由于扩散作用降低其初始动而改变其所处的位置，并由于扩散作用降低其初始浓度，但并不因此改变其总量。重金属、很多高分子浓度，但并不因此改变其总量。

42、重金属、很多高分子有机化合物属于保守物质有机化合物属于保守物质。l 非保守物质非保守物质：指进入水环境后，不但随着水流的运指进入水环境后，不但随着水流的运动而改变其所处的位置，由于扩散作用降低其浓度，动而改变其所处的位置，由于扩散作用降低其浓度，还由于自身的衰减或化学反应使其总量不断减少。如还由于自身的衰减或化学反应使其总量不断减少。如可以生化降解的有机污染物。可以生化降解的有机污染物。l l 试验和实际观测数据均证明，污染物浓试验和实际观测数据均证明，污染物浓度在水环境中的衰减过程基本上符合度在水环境中的衰减过程基本上符合一级反一级反应动力学方程应动力学方程：lK反应速度常数反应速度常数dc

43、ktdt （1 1）污染物的混合过程）污染物的混合过程l 污染物进入河流后，与河水的混合过程污染物进入河流后，与河水的混合过程（区域）大体可分为三个阶段（区）：（区域）大体可分为三个阶段（区）： 竖相混合区（水深方向）竖相混合区（水深方向） 横向混合区（河宽方向）横向混合区（河宽方向） 纵向混合区（水流方向）纵向混合区（水流方向）l lA A、竖向混合区、竖向混合区：是指从排污口或释放点到污：是指从排污口或释放点到污染物在水深方向充分混合的阶段。染物在水深方向充分混合的阶段。l B B、横向混合区、横向混合区：是污染物在河流横向方向达：是污染物在河流横向方向达到均匀分布的混合阶段。河宽方向，这

44、个阶段到均匀分布的混合阶段。河宽方向，这个阶段所需要的距离长的多。所需要的距离长的多。l C、纵向（河流方向）纵向（河流方向）完全充分混合区完全充分混合区：是从：是从污染物在河流横断面上充分混合以后开始算起，污染物在河流横断面上充分混合以后开始算起，一直延伸到整个河长。一直延伸到整个河长。这一阶段河流任一断面这一阶段河流任一断面上的污染物浓度是上的污染物浓度是相等相等的，但沿河流方向不的，但沿河流方向不同断面上浓度值是同断面上浓度值是变化变化的的。 l 在河流污染水质模型中，存在着从三维在河流污染水质模型中，存在着从三维到一维模型的划分，即从复杂的三维模型到到一维模型的划分，即从复杂的三维模型

45、到简单的一维河流水质模型简单的一维河流水质模型。l 三维河流水质模型三维河流水质模型：同时考虑沿河流水：同时考虑沿河流水深方向、河流横断面方向和河流水流方向深方向、河流横断面方向和河流水流方向3个个方向的污染物浓度的变化的模型。方向的污染物浓度的变化的模型。l 二维河流水质模型二维河流水质模型：仅考虑沿河流横断面：仅考虑沿河流横断面方向和河流水流方向方向和河流水流方向2个方向（个方向（X，Y轴方向）轴方向）的污染物浓度的变化的模型。的污染物浓度的变化的模型。l 一维河流水质模型一维河流水质模型：仅考虑在河流水流：仅考虑在河流水流方向方向1个方向（个方向（X轴方向）的污染物浓度的变轴方向）的污染

46、物浓度的变化的模型。化的模型。l 3.1 三维河流水质模型到一维河流水质模型三维河流水质模型到一维河流水质模型l l(1) (1) 稳态的定义稳态的定义l 稳态的概念在简化复杂的水质模型方面十分重稳态的概念在简化复杂的水质模型方面十分重要，河流污染研究中稳态的含义包括要，河流污染研究中稳态的含义包括水力学状态的水力学状态的稳态稳态和和水质状态水质状态的稳态的稳态2个方面。个方面。l 水力学状态的稳态水力学状态的稳态： l（A）河流处于稳定的流动状态，即流速不变。）河流处于稳定的流动状态，即流速不变。l（B）均匀的河道，整个河道水文条件均一。）均匀的河道，整个河道水文条件均一。l l l 水质状

47、态的稳态水质状态的稳态l l（A）污染源的源强不变）污染源的源强不变l（B）污染物完全混合后，污染物在某一空）污染物完全混合后，污染物在某一空l 间位置（断面）的浓度不随时间的变间位置（断面）的浓度不随时间的变l 化而变化，即在时刻化而变化，即在时刻t1, 某一空间位置某一空间位置l 的浓度为的浓度为C，在时刻，在时刻t2, 该位置的污染该位置的污染l 物浓度仍为物浓度仍为C。 l(2) 河流三维水质方程河流三维水质方程 式中：式中：c: 污染物浓度污染物浓度l Vx, Vy , Vz ： x, y, z 三个方向水流的速度分量三个方向水流的速度分量l DX, DY, DZ ： x, y, z

48、 三个方向污染物的弥散系数三个方向污染物的弥散系数l S(x,y,z,c,t) 由于沉淀、吸附作用引起的污染物由于沉淀、吸附作用引起的污染物的衰减的衰减 ),()()()()()()(tczyxSzcDzycDyxcDxcvzcvycvxtczyxzyxl (3) 一维河流水质模型一维河流水质模型l 一维河流水质模型在水质预测和规划中应用的一维河流水质模型在水质预测和规划中应用的最多。它只考虑水流方向污染物浓度的变化，可由三最多。它只考虑水流方向污染物浓度的变化，可由三维水质模型和稳态条件得出维水质模型和稳态条件得出. .l 在稳态假设条件下：在稳态假设条件下：l l Vx 不变不变 l l

49、某段河段某段河段DX为常数为常数 l 一级衰减一级衰减 k1：污染物衰减系数 xcvcvxxx)(22)(xcDxcDxxx ckS1l 在污染物完全充分混合阶段，污染物在某一空间在污染物完全充分混合阶段，污染物在某一空间位置的浓度不随时间而改变位置的浓度不随时间而改变 l可以得出一维水质模型可以得出一维水质模型：l l二阶的偏微分方程，二阶的偏微分方程， 在边界条件（结合初始条件）：在边界条件（结合初始条件）：l l l以上方程的解为：以上方程的解为： 0tc0122ckxcvxcDxx000cxccxl l l可按下式计算可按下式计算：lQ: 河流流量河流流量lq: 排入河流中的污水的流量

50、排入河流中的污水的流量lC1: 河流中污染物的本底浓度河流中污染物的本底浓度 C2: 污水中的污染物的浓度污水中的污染物的浓度 )411 (2exp210 xxxxxvDkDvxccqQcqcQc210l在弥散作用忽略不计的情况下在弥散作用忽略不计的情况下，l即即 = 0 l l =xD xc0c)exp(1xvxk l例题分析例题分析：l 向一条河流稳定地排放污水向一条河流稳定地排放污水, 污水量污水量q = 0.15m3/s, BOD5浓度为浓度为30mg/L, 河流流量河流流量Q =5.5m3/s, 流速流速 ux= 0.3m/s, BOD5本底浓度为本底浓度为0.5mg/L, BOD5

51、的衰减速度常数的衰减速度常数 K=0.2d-1, 纵纵向弥散系数向弥散系数Dx=10m2/s, 问排放点下游问排放点下游10km处的处的BOD5浓度浓度? l1、 耗氧有机物的生物降解耗氧有机物的生物降解l 河水中耗氧有机物因生物降解所造成的浓度变化河水中耗氧有机物因生物降解所造成的浓度变化可用以下的一级方程式表达可用以下的一级方程式表达：l L = L0 e-K tl L： t时刻的有机物的生物化学需氧量时刻的有机物的生物化学需氧量l L0 ：初始时刻有机物的总生物化学需氧量：初始时刻有机物的总生物化学需氧量l K：耗氧耗氧有机物降解速度常数。有机物降解速度常数。 l 对上式求导数，可得：对

52、上式求导数，可得：l l l l该式即为该式即为菲尔甫斯定律菲尔甫斯定律：某一时刻的有机某一时刻的有机物的生物氧化分解速度与该时刻的有机污物的生物氧化分解速度与该时刻的有机污染物的量成正比染物的量成正比。LkdtdLBALLtkln1对于一条河流的两个断面对于一条河流的两个断面A和和B，k值等于：值等于：l2、大气复氧大气复氧l 复氧过程（再暴气过程）复氧过程（再暴气过程）：耗氧有机物排入河流，因其耗氧有机物排入河流，因其耗氧作用造成水中溶解氧下降到饱和浓度值以下，水体便从耗氧作用造成水中溶解氧下降到饱和浓度值以下，水体便从大气中吸收氧气以补充水中消耗的溶解氧。大气中吸收氧气以补充水中消耗的溶

53、解氧。l 复氧过程使水中溶解氧增加的速度与当时达到饱和溶解复氧过程使水中溶解氧增加的速度与当时达到饱和溶解氧所缺少的量（氧亏值）成比例氧所缺少的量（氧亏值）成比例，可用下式表示，可用下式表示：l l l l l ka：复氧系数：复氧系数 l kL：质量传递系数：质量传递系数 l A：气体扩散的表面积：气体扩散的表面积; V为水的体积为水的体积; l D：氧亏值：氧亏值l C Cs s：水中溶解氧的饱和浓度：水中溶解氧的饱和浓度 l C C： 水中溶解氧的实际浓度水中溶解氧的实际浓度 ()()LsasaK Adccck cckDdtVl 菲尔甫斯进一步给出了菲尔甫斯进一步给出了氧亏值氧亏值D D

54、变化的速度方程变化的速度方程：l l l l 该式表明：该式表明：水体中的氧亏增加速度是耗氧速度和水体中的氧亏增加速度是耗氧速度和复氧速度的代数和复氧速度的代数和。l kdL代表耗氧反应代表耗氧反应，它所造成的氧亏的增加与剩余，它所造成的氧亏的增加与剩余耗氧有机物的量（耗氧有机物的量（BOD）和耗氧速度常数成正比；）和耗氧速度常数成正比；l kaD代表复氧反应代表复氧反应，它所造成的氧亏的减少（溶解，它所造成的氧亏的减少（溶解氧的增加）与现有的氧亏和复氧速度成正比。某一时氧的增加）与现有的氧亏和复氧速度成正比。某一时刻的氧亏越大，溶解氧恢复速度也越快，则氧亏增加刻的氧亏越大，溶解氧恢复速度也越

55、快，则氧亏增加速度就越慢。速度就越慢。 DkLkdtdDadl l 饱和溶解氧浓度饱和溶解氧浓度CS受温度、气压、水受温度、气压、水中离子盐度及悬浮物含量等的影响，计算中离子盐度及悬浮物含量等的影响，计算公式很多。公式很多。l l 在在101kPa压力下，淡水中的饱和溶解压力下，淡水中的饱和溶解氧的计算公式氧的计算公式：l l T T：温度（摄氏温度）：温度（摄氏温度） TCS6 .31468l3、简单河段的、简单河段的S-P水质模型（水质模型（BOD-DO耦合模型）耦合模型）l l 简单河段简单河段：指只有一个排污口的河段。在研究单：指只有一个排污口的河段。在研究单一河段时，将排放口作为起点

56、，即定义排放口处的一河段时，将排放口作为起点，即定义排放口处的x向坐标为向坐标为0。上游河段的水质视为河流水质的本底值。上游河段的水质视为河流水质的本底值。单一河段的模型一般都比较简单，是研究各种复杂单一河段的模型一般都比较简单，是研究各种复杂模型（如多排放口河流）的基础。模型（如多排放口河流）的基础。l l 美国科学家美国科学家HWStreeter（斯特里特）和（斯特里特）和E. B. Phelps（菲尔普斯）在研究美国（菲尔普斯）在研究美国Ohio河的污染与自河的污染与自净作用时，首次建立了净作用时，首次建立了BOD-DO耦合模型耦合模型，即通常，即通常所说的所说的Streeter-Phe

57、lps模型（简称模型（简称S-P模型）模型）。l 在此基础上出现了各种在此基础上出现了各种S-P模型的修正式，使模型模型的修正式，使模型的内容和形式越来越复杂。的内容和形式越来越复杂。 l S-P模型描述模型描述一维稳态河流中的一维稳态河流中的BOD-DO的变化规律。在建立的变化规律。在建立S-P模型时，模型时，提出如下基本假设：提出如下基本假设：l （1）河流中）河流中BOD衰减和衰减和DO复氧都是复氧都是一级反应；一级反应；l （2）耗氧的原因仅是由）耗氧的原因仅是由BOD衰减反应衰减反应所引起的；所引起的；l （3）河水中）河水中DO恢复的速率与水中的恢复的速率与水中的氧亏成正比，并只考

58、虑大气复氧作用；氧亏成正比，并只考虑大气复氧作用；l 由此，耦合模型可写作：由此，耦合模型可写作： l L -河水中河水中BOD值；值；lD -河水中氧亏值；河水中氧亏值；l Kd-河水的河水的BOD衰减（耗氧）速度常数；衰减（耗氧）速度常数；l Ka-河水的复氧速度常数；河水的复氧速度常数；l t -河段内河水的流动时间河段内河水的流动时间 方程方程DODKLKdtdDBODLKdtdLadd.l在边界条件在边界条件L(0)=L0，D(0)=D0时，其解析解为：时，其解析解为：l l l式中：式中： D：河水中氧亏值：河水中氧亏值l L0-河流起始点的河流起始点的BOD值值l D0-河流起始

59、点的氧亏值河流起始点的氧亏值tKtKtKdadtKaaddeDeeKKLKDeLL000l河水溶解氧可通过下式计算：河水溶解氧可通过下式计算：l l l式中，式中，O-河水实际溶解氧值；河水实际溶解氧值；l OS -河水饱和溶解氧值河水饱和溶解氧值l l 根据根据S-PS-P氧垂公式绘制的溶解氧沿程变氧垂公式绘制的溶解氧沿程变化曲线称为氧垂曲线化曲线称为氧垂曲线。氧垂公式.00tKtKtKdadSSaadeDeeKKLKODOOl 在很多情况下，人们往往希望找到溶解氧在很多情况下，人们往往希望找到溶解氧浓度最低的点浓度最低的点临界点，也就是氧亏值最大临界点，也就是氧亏值最大的点，很显然，的点，

60、很显然，这时氧亏值变化速率应为这时氧亏值变化速率应为0 0，临界点的氧亏值（临界点的氧亏值（Dc）的计算公式为：）的计算公式为：l l式中：式中：tC-由起始点到达临界点的流动时间。由起始点到达临界点的流动时间。l CdtKadCeLKKD0近岸海域水质分布示意图近岸海域水质分布示意图2007年中国环境状况公报重点湖库营养状况重点湖库营养状况p l4.1 4.1 水体富营养化定义水体富营养化定义 l 1 1、定义、定义：由于氮、磷等植物营养物质含量过多而由于氮、磷等植物营养物质含量过多而引起的水质污染现象称为水体富营养化，一般发生引起的水质污染现象称为水体富营养化，一般发生在湖泊、江河在湖泊、