水环境与污染课件

水環境與污染第一節水圈第一節水圈一、水圈與水環境（一）水圈水是地球上分佈最廣和最重要的物質，是參與生命的形成和地表物質能量轉化的重要因素。水也是人類社會賴以生存和發展的自然資源。地球上的水以汽態、液態和固態三種形式存在於空中、地表與地下，成為大氣水、海水、陸地水(包括河水、湖水、沼澤水、冰雪水、土壤水、地下水)，以及存在於生物體內的生物水，這些水不停運動和相互聯繫著構成水圈。地球上水的總儲量約為1.38×109km3，其中海洋占97.41％，覆蓋了地球表面積的71％。淡水僅占地球總水量的2.59％，而其中又大約有70％以上屬固態水——冰，儲存在極地和高山上。只有不到30%的淡水存在於地下、湖泊、土壤、河流、大氣等之中(見圖)。全球水分布由此可見，水圈是指地球上被水和冰雪所佔有或覆蓋而構成的圈層。考慮到大氣水分與地下水，水圈的上限可為對流層頂，下限為深層地下水所及的深度。地球上的水迴圈是形成水圈的動力。在地球上只有在水迴圈的作用下，才能把各個特徵不同的水體聯繫起來形成水圈。水圈的水與大氣圈、生物圈、岩石圈、土壤圈之間有極密切的關係，並形成各種方式的水交換。（二）水環境

1．水體的概念

在自然界中水的積聚體稱為水體，是地表水圈的重要組成部分。具體地講，它是指以相對穩定的陸地為邊界的天然水域，包括有一定流速的溝渠、江河和相對靜止的塘堰、湖泊、水庫、沼澤，以及受潮汐影響的三角洲與海洋。水體是一個完整的生態系統，其中包括水、水中的懸浮物、溶解物、底質和水生生物等。水體類型可劃分為海洋水體(包括海、洋)和陸地水體(如河流、湖泊等)。水體也可以其流動性劃分為流水水體和靜水水體，前者如河流，後者如湖泊、沼澤。從廣義上理解，水體也可以包括地下水體。2．水環境《環境科學大辭典》的解釋是：“水環境是地球上分佈的各種水體以及與其密切相連的諸環境要素如河床、海岸、植被、土壤等。”它的獨特函義是：“水環境是構成環境的基本要素之一，是人類賴以生存和發展的重要場所，也是受人類干擾和破壞最嚴重的地區。”

水環境可根據其範圍的大小分為區域水環境（如流域水環境、城市水環境等）、全球水環境。對某個特定的地區而言，該區域內的各種水體如湖泊、水庫、河流和地下水等，應視為該水環境的重要組成部分，因此，水環境又可分為地表水環境和地下水環境。地表水環境包括河流、湖泊、水庫、池塘、沼澤等；地下水環境包括泉水、淺層地下水和深層地下水等。當前，水環境污染已成為世界上重要的環境問題之一。所以對水環境進行合理利用和保護，是環境保護和研究的主要內容。二、水迴圈與水量平衡（一）水迴圈地球上各種形態的水，在太陽輻射和地心引力作用下，不斷地運動迴圈、往復交替（見圖）。水迴圈示意圖地球表面的水在太陽輻射能和地心引力的相互作用下，水分不斷地蒸發和蒸騰，並汽化為水蒸氣，上升到空中形成雲，又在大氣環流的作用下傳播到各處，遇到適當的條件時即成為雨或雪而降落到海洋和陸地。這些降落下來的水分，一部分滲入地下，成為土壤水或地下水；一部分經植物吸收後再經枝葉蒸騰進入大氣層；一部分可直接從地面蒸發而發散；一部分可能順地表徑流匯入江、河、湖泊流入海洋，再經過水面蒸發進入大氣圈。這種過程循環往復、永無止境，稱做自然界的水分迴圈。水迴圈是一個巨大的動態系統，它將地球上各種水體連接起來構成水圈，使得各種水體能夠長期存在，並在迴圈過程中滲入大氣圈、岩石圈和生物圈，將它們聯繫起來形成相互制約的有機整體。水迴圈的存在使水能周而復始的被重複利用，成為再生性資源。水迴圈的強弱直接影響到一個地區水資源開發利用的程度，進而影響到社會經濟的可持續發展。（二）水量平衡通過水的迴圈，包括蒸發、降水、滲透及徑流，地球上的水不斷循環往復，在全球範圍內蒸發與降水的總量是平衡的。三、地表水體（一）海洋（二）河流：在陸地表面上接納、彙集和輸送水流的通道稱為河槽，河槽與在其中流動的水流統稱為河流。河流是地球上水分迴圈的重要路徑，是與人類關係最密切的一種天然水體。流域：是河流的集水區域，即由分水線所包圍的區域。分隔兩個相鄰流域的山嶺或河間高地叫分水嶺。分水嶺上最高點的連線叫分水線，是流域的邊界線。分水線所包圍的面積稱為流域面積或集水面積。（三）湖泊

1、湖泊富營養化的定義：富營養化是指水體在外界條件的影響下，由於營養鹽類不斷積聚，引起水體內部物理、化學性狀不斷改變，水生生態系統發生相應的演替。並由生物生產力低的狀態逐步向生物生產力高的狀態過渡的現象。湖泊富營養化過程的初始階段，湖體中營養鹽比較少。溶解氧豐富，生物生產力水準低。湖泊呈現貧營養型特徵。隨著時間的推移，自外部進入湖中的營養鹽類逐漸積聚，湖水中營養物質增多，湖泊生物生產能力提高，生物量增加。水中溶解氧含量下降，水色發暗，透明度降低，水生生物種群組成逐步由適合富營養狀態下的種群所代替，湖泊相應由貧營養型發展為中營養型，進而演變為富營養型。富營養化現象發展到—定階段，表現為浮游藻類的異常增殖。以藍綠藻類為主的水藻泛浮水面，嚴重時形成“水花“或“湖靛”。在迎風湖岸或湖灣處，糜集水面的藻類可成糊狀薄膜，湖面呈暗綠色，透明度極低，可散發出腥臭味。而且還會分泌出大量藻類毒素，抑制魚類和其他生物的生長，對人畜造成危害，並嚴重污染環境。自本世紀50年代以來，湖泊富營養化現象已成為世界範圍內重要的水環境污染問題。2、影響富營養化的主要因數(1)營養因數是指浮游生物等生長所必須的各種營養鹽類。據測定，每增殖1g藻類，大約消耗0.009g磷、0.063g氮、0.07g氫、0.358g碳、0.496g氧以及Mn、Fe、Cu、Mo等各種微量元素。藻類的生長會因湖水中某種元素不足而受到抑制，該規律稱為最低量定律，這種元素稱為限制性元素。在上述元素中，C、H、O三種元素來源廣泛，因此，湖水中N、P的含量與補給量成為影響藻類繁殖的主要限制性因數。據計算，每1gN可增殖10.8g藻類，每1gP可增殖78克藻類。由此可見，水體中N、P含量直接決定藻類的繁殖速度，因而影響到湖泊富營養化進程。其中P是最主要的限制性因數。（2）環境因數湖水中營養元素的來源與環境有密切關係。通常位於山區的湖泊，其N、P的補給有限，所以常處於貧營養狀態；位於平原上的湖泊，由於水中營養元素補給豐富，所以常處於中營養型或富營養型狀態。在城市或工業區附近的湖泊，由於城市生活污水和工業廢水中常含有大量的N、P等營養物質，以致加快了湖泊富營養化進程。3、富營養化的類型及判別標準由於影響富營養化現象的因素很複雜，在不同的生態環境條件下，水體之間富營養化的程度存在很大差別。同一水體在不同階段也可能相差十分懸殊。為了研究富營養化演替規律，一般將富營養化現象分為貧營養型、中營養型及富營養型三種基本類型。其間又可細分出幾個亞型，如特貧營養型、貧一中營養型、中一富營養型等。富營養化現象涉及面廣，因而難以制定出為化學、生態學、地學、環境學都能接受的統一分類標準。一般是選取與富營養化關係密切的參數。如湖水透明度和水色，水中N、P負荷，DO、COD、BOD以及藻類種群、生物量或葉綠素a的含量等作為評價指標，制定判別標準，區分不同類型。DO（dissolvedoxygen）：溶解氧濃度√

COD（chemicaloxygendemand）BOD（biochemicaloxygendemand）具體做法上有的側重N、P營養因數；有的側重藻類種群構成與葉綠素等生物學指標；有的選擇透明度及化學性狀指標。多數採用3—5種以上的參數進行綜合分析。四、地下水

埋藏在土壤、岩石空隙中各種不同形式的水統稱為地下水。地下水是地球上水循環系統中的重要環節，它與大氣水、地面水相互聯繫，也是水資源的重要組成部分。（一）地下水垂向層次結構的基本模式如前所述，地下水流系統的空間上的立體性，是地下水與地表水之間存在的主要差異之一。而地下水垂向的層次結構，則是地下水空間立體性的具體表徵。典型水文地質條件下，地下水垂向層次結構的基本模式。自地表面起至地下某一深度出現不透水基岩為止，可區分為包氣帶和飽和水帶兩大部分。

其中包氣帶又可進一步區分為土壤水帶、中間過渡帶及毛細水帶等3個亞帶；飽和水帶則可區分為潛水帶和承壓水帶兩個亞帶。從貯水形式來看，與包氣帶相對應的是存在結合水（包括吸濕水和薄膜水）和毛管水；與飽和水帶相對應的是重力水（包括潛水和承壓水）。在地面以下，根據土壤、岩石含水量是否飽和可分為兩個帶：即地下水面以上的包氣帶及地下水面以下的飽水帶。飽水帶：重力水在重力作用下向下運動，聚積於不透水層上，使這一帶岩石的所有空隙都充滿水分，故這一帶岩石稱飽水帶。主要是重力水。包氣帶：飽水帶以上的土壤岩石空隙，除存在吸著水、薄膜水、毛管水外，大部分空隙充滿空氣，所以稱包氣帶。它是大氣水、地面水與地下重力水相互轉化的過渡帶。地下水按埋藏條件可分為：上層滯水、潛水、承壓水

上層滯水是存在於包氣帶中局部隔水層之上的重力水。上層滯水的分佈範圍不廣，補給區與分佈區基本上一致，主要補給來源為大氣降水和地下水，主要耗損方式是蒸發和滲透。上層滯水接近地表，受氣候、水文影響較大，故水量不大而季節變化強烈。承壓水是指充滿於兩個穩定隔水層之間的含水層中的地下水。

按儲存空隙的種類可分為：孔隙水、裂隙水、岩溶水所謂含水層是指貯存有地下水，並在自然狀態或人為條件下，能夠流出地下水來的岩體。由於這類含水的岩體大多呈層狀、故名含水層，如砂層、砂礫石層等。亦有的含水岩體呈帶狀、脈狀甚至是塊狀等複雜狀態分佈，對於這樣的含水岩體可稱為含水帶、含水體或稱為含水岩組。對於那些雖然含水，但幾乎不透水或透水能力很弱的岩體，稱為隔水層，如質地緻密的火成岩、變質岩，以及孔隙細小的葉岩和粘土層均可成為良好的隔水層。實際上，含水層與隔水層之間並無一條截然的界線，它們的劃分是相對的，並在一定的條件下可以互相轉化。如飽含結合水的粘土層，在尋常條件下，不能透水與給水，成為良好的隔水層；但在較大的水頭作用下，由於部分結合水發生運動，粘土層就可以由隔水層轉化為含水層。（三）潛水（1）特徵潛水是埋藏在地表以下，第一個穩定隔水層之上，具有自由表面的重力水。潛水的自由表面叫潛水面（潛水面：包氣帶和飽水帶之間的界限，就是潛水面）；其絕對標高稱為潛水位；潛水位至地面的距離叫潛水埋藏深度；自潛水面向下到隔水層頂板之間的距離稱為含水層的厚度；潛水埋藏淺，較易開發，被人們廣泛應用。一般民用井多挖到潛水含水層。潛水面之上，一般均無穩定的隔水層，因之大氣降水或地表水可通過包氣帶直接補給潛水，所以潛水易受污染。潛水一般埋藏在第四紀疏性沉積物的孔隙中，其埋藏深度及含水層厚度各處不一，相差很大。山區潛水埋藏較深，含水層厚度差異大。平原區潛水埋藏淺，一般僅數米，含水層厚度差異較小。同一地區，潛水埋藏深度及含水層厚度也因時而異，在多雨季節，含水層厚度增大，埋藏深度亦小；乾旱季節則相反。潛水受當地氣候變化的影響較大。在乾旱、半乾旱地區，潛水埋藏深度小時，潛水蒸發可導致土壤鹽漬化，在地形低平地區，潛水位高時，可引起土壤沼澤化。（2）潛水的動態潛水的動態是指潛水位、水量、水溫和水質等隨時間的變化。它反映潛水水量與熱量的補給與消耗的平衡關係。當水量補給大於消耗時，潛水的儲量增加，水位上升；當消耗量大於補給量時，潛水的儲量減少，水位相應下降。在我國，一般夏季半年高溫多雨，補給量大於排泄量，潛水儲量增加，水位上升，水溫升高，礦化度稍有降低。冬季半年低溫少雨，補給量小於排泄量，潛水儲量減少，水位下降，水溫降低。潛水位最低的季節，—般均出現在雨季之前，此時氣溫回升，蒸發增大，補給減少，礦化度稍有增加。另一類則是人類為了有效地保護和改善地下水資源，改善水質，控制地下漏斗以及地面沉降現象的出現，而採取的一種有計畫、有目的的人工回灌。在我國水資源供需矛盾比較突出的一些北方省區，以及過量開採地下水的大中城市，也開展了這方面的工作。如河北省的南宮“地下水庫”回灌工程，設計總蓄水量達4.8億米3，可調蓄水量達1億米3以上。上海市採用人工回灌方法，控制由於過量開採深層地下水而引起的地面沉降，取得了舉世矚目的成就。第二節水體污染一、天然水質背景值天然水從本質上看，應屬於未受人類排汙影響的各種天然水體中的水。這種水目前的範圍在日益減少，只有在河流的源頭、荒涼地區的湖泊、深層地下水、遠離陸地的大洋等處，才可能取得代表或近似代表天然水質的天然水。儘管如此，我們仍可以從這樣的天然水中，發現和得到一些有用的規律和現象。水是自然界中最好的溶液，天然物質和人工生成的物質大多數可溶解在水中。因此可以認為，自然界並不存在由H2O組成的“純水”。在任何天然水中，都含有各類溶解物和懸浮物，並且隨著地域的不同，各種水體中天然水含有的物質種類不同，濃度各異。但它卻代表著天然水的水質狀況，故稱其為天然水質背景值，或水環境背景值。從水迴圈來看，天然水是在其迴圈過程中改變了其成分與性質的。在太陽輻射的熱力作用下，由海洋水面蒸發的水蒸氣，雖近純水，但它在空中再凝結成雨滴時，則需有凝結核。在大氣層中可做凝結核的物質有海鹽微粒、土壤的鹽分、火山噴出物和大氣放電產生的NO和NO2等。因此，從雨水開始天然水中已含有各種化學成分，如Cl-、SO42-、CO3-、HCO3-、NO3-、Ca2+、Mg2+、NH4+、I、Br等。雨水補給到各水體中，其化學成分會進一步增多。下表列出了天然水中含有的各種物質：受到人類活動影響的水體，其水中所含的物質種類、數量、結構均會與天然水質有所不同。以天然水中所含的物質作為背景值，可以判斷人類活動對水體的影響程度，以便及時採取措施，提高水體水質，使之朝著有益於人類的方向發展。二、水體污染與水體污染源（一）水體污染的概念當前對水體污染的概念有幾種，一種意見是水體受人類活動或自然因素的影響，使水的感官性狀、物理化學性能、化學成分、生物組成以及底質情況等方面產生了惡化，稱為“水污染”。第二種意見是：排入水體的工業廢水、生活污水及農業徑流等的污染物質，超過了該水體的自淨能力，引起的水質惡化稱為“水污染”。第三種意見是：污染物質大量進入水體，使水體原有的用途遭到破壞謂之水污染。以上幾種意見各有長處，但都不夠全面或不夠確切。從天然水的性質可知，各種水體中的水均為一種成分複雜的溶液，其中含有各類溶解物質，而並非純的H2O。因此，對水污染的定義，不能僅從其含有什麼物質及其含量來界定。其次，我們研究水污染的目的是為了保護水源，以便更好地利用水資源，因此，水污染定義又必須與水的使用價值聯繫起來。這樣，水體污染可以定義為：“污染物進入河流、海洋、湖泊或地下水等水體後，使水體的水質和水體沉積物的物理、化學性質或生物群落組成發生變化，從而降低了水體的使用價值和使用功能的現象。”這樣就同我們的用水要求聯繫起來了，也使我們保護水體有一定的目的，即不使其失去使用價值。（二）水體污染源1、水體污染源的含義和分類水體污染源是指造成水體污染的污染物的發生源。通常是指向水體排入污染物或對水體產生有害影響的場所、設備和裝置。按污染物的來源可分為天然污染源和人為污染源兩大類。水體天然污染源是指自然界自行向水體排放有害物質或造成有害影響的場所。諸如岩石和礦物的風化和水解、火山噴發、水流沖蝕地表、大氣降塵的降水淋洗、生物(主要是綠色植物)在地球化學迴圈中釋放物質都屬於天然污染物的來源。例如，在含有螢石、氟磷灰石等礦區，可能引起地下水或地表水中氟含量增高，造成水體的氟污染。長期飲用此種水可能出現氟中毒。水體人為污染源是指由人類活動形成的污染源，是環境保護研究和水污染防治的主要對象。人為污染源體系很複雜，按人類活動方式可分為工業、農業、交通、生活等污染源；按排放污染物種類不同，可分為有機、無機、熱放射性、重金屬、病源體等污染源，以及同時排放多種污染物的混合污染源；按排放污染物空間分佈方式，可以分為點源和非點源。水污染點源是指以點狀形式排放而使水體造成污染的發生源。一般工業污染源和生活污染源產生的工業廢水和城市生活污水，經城市污水處理廠或經管渠輸送到水體排放口，作為重要污染點源向水體排放。這種點源含污染物多，成分複雜，其變化規律依據工業廢水和生活污水的排放規律，即有季節性和隨機性。

水污染非點源，在我國多稱為水污染面源，是以面積形式分佈和排放污染物而造成水體污染的發生源。坡面徑流帶來的污染物和農田灌溉水是水體污染的重要來源。目前造成湖泊等水體的富營養化，主要是由面源帶來的大量氮、磷等所造成。2、幾種水體污染源的特點（1）生活污染源是指由人類消費活動產生的污水，城市和人口密集的居住區是主要的生活污染源。人們生活中產生的污水，包括由廚房、浴室、廁所等場所排出的污水和汙物。生活污水中的污染物，按其形態可分為：①不溶物質，這部分約占污染物總量的40%，它們或沉積到水底，或懸浮在水中。②膠態物質，約占污染物總量的10%。③溶解質，約占污染物總量的50%。這些物質多為無毒的含無機鹽類氯化物、硫酸鹽、磷酸和鈉、鉀、鈣、鎂等重碳酸鹽。有機物質有纖維素、澱粉、糖類、脂肪、蛋白質和尿素等。此外，還含有各種微量金屬（如Zn、Cu、Cr、Mn、Ni、Pb等）和各種洗滌劑、多種微生物。一般家庭生活污水相當渾濁，其中有機物約占60%，pH值多大於7，BOD5為100-700mg/L。（2）工業污染源工業污水是目前造成水體污染的主要來源和環境保護的主要防治對象。在工業生產過程中排出的廢水、污水、廢液等統稱工業廢水。廢水主要指工業用冷卻水；污水是指與產品直接接觸、受污染較嚴重的排水；廢液是指在生產工藝中流出的廢液。工業廢水由於受產品、原料、藥劑、工藝流程、設備構造、操作條件等多種因素的綜合影響，所含的污染物質成分極為複雜，而且，在不同時間裏水質也會有很大差異。工業污染源如按工業的行業來分，則有冶金工業廢水、電鍍廢水、造紙廢水、無機化工廢水、有機合成化工廢水、煉焦煤氣廢水、金屬酸洗廢水、石油煉製廢水、石油化工廢水、化學肥料廢水、制藥廢水、炸藥廢水、紡織印染廢水、染料廢水、制革廢水、農藥廢水、制糖廢水、食品加工廢水、電站廢水等。各類廢水都有其獨特的特點。（3）農業污染源是指由於農業生產而產生的水污染源，如降水所形成的徑流和滲流把土壤中的氮、磷和農藥帶入水體；由牧場、養殖場、農副產品加工廠的有機廢物排入水體，它們都可使水體水質惡化，造成河流、水庫、湖泊等水體污染甚至富營養化。農業污染源的特點是：面廣、分散、難於治理。三、水體污染物造成水體的水質、底質、生物質等的品質惡化或形成水體污染的各種物質或能量均可能成為水體污染物。從環境保護角度出發，可以認為任何物質若以不恰當的數量、濃度、速率、排放方式排入水體，均可造成水體污染，因而就可能成為水體污染物。所以水體污染物包括的範圍非常廣泛。另一方面，在自然物質和人工合成物質中，都有一些對人體或生物體有毒、有害的物質，如Hg、Cr、As、Cd和酚、氰化物等，均為已確認的水體污染物。從環境保護的角度，根據污染物的物理、化學、生物學性質及其污染特性，可將水體污染物分為以下幾種類型。（一）無機無毒物質無機無毒物質主要指排入水體中的酸、堿及一般的無機鹽類。酸主要來源於礦山排水及許多工業廢水，如化肥、農藥、粘膠纖維、酸法造紙等工業的廢水。鹼性廢水主要來自堿法造紙、化學纖維製造、制堿、制革等工業的廢水。酸性廢水和鹼性廢水可相互中和產生各種鹽類；酸性、鹼性廢水亦可與地表物質相互作用，也生成無機鹽類。所以，酸性或鹼性污水造成的水體污染必然伴隨著無機鹽的污染。酸性和鹼性廢水的污染，破壞了水體的自然緩衝作用，抑制著細菌及微生物的生長，妨礙著水體自淨，腐蝕著管道、水工建築物和船舶。同時，還因其改變了水體的pH值，增加了水中的一般無機鹽類和水的硬度等。（二）無機有毒物質√

這類物質具有強烈的生物毒性，它們排入天然水體，常會影響水中生物，並可通過食物鏈危害人體健康。這類污染物都具有明顯的累積性，可使污染影響持久和擴大。最典型的無機有毒物質是重金屬，但也包括As、Se等非金屬元素，它們都有程度不同的毒性。密度在5g/cm3以上的金屬統稱為重金屬，從環境污染方面所說的重金屬，主要是指汞、鎘、鉛、鉻以及類金屬砷等生物毒性顯著的重金屬，也指具有一定毒性的一般重金屬如鋅、銅、鈷、鎳、錫等。目前最引起人們注意的是汞、鎘、鉻等。重金屬隨廢水排出時，即使濃度很小，也可能造成危害。由重金屬造成的環境污染稱為重金屬污染。重金屬污染的特點表現在以下幾方面：√（1）水體中的某些重金屬可在微生物作用下轉化為毒性更強的金屬化合物，如汞的甲基化作用就是其中典型例子；（2）生物從環境中攝取重金屬可以經過食物鏈的生物放大作用，在較高級生物體內成千萬倍地富集起來，然後通過食物進入人體，在人體的某些器官中積蓄起來造成慢性中毒，危害人體健康；（3）在天然水體中只要有微量重金屬即可產生毒性效應，一般重金屬產生毒性的範圍大約在1—10mg/L之間，毒性較強的金屬如汞、鎘等，產生毒性的品質濃度範圍在0.0l—0.001mg/L之間。重金屬的污染有時會造成很大的危害。例如，日本發生的水俁病（汞污染）和骨痛病（鎘污染）等公害病，都是由重金屬污染引起的。1．汞[Hg（Ⅱ

）]汞的毒性很強，而有機汞化合物的毒性又超過無機汞。無機汞化合物如HgCl2、HgO等不易溶解，因而不易進入生物組織；有機汞化合物如烷基汞（CH3Hg一、C2H5Hg一）、苯基汞（C6H5Hg一）等，有很強的脂溶性，易進入生物組織，並有很高的蓄積作用。無機汞在水體中易沉積於底層沉積物中，在微生物作用下可轉化為有機汞而進入生物體內，再通過食物鏈作用逐漸濃集，最後影響到人體。汞在無脊椎動物體中的富集可達10萬倍，日本的水俁病就是人長期吃富集甲基汞的魚而造成的。2、鎘[Cd（Ⅱ

）]鎘的化合物毒性很大，蓄積性也很強，動物吸收的鎘很少能排出體外。受鎘污染的河水用作灌溉農田，可引起土壤鎘污染，進而污染農作物，最後影響到人體。日本的痛痛病就是吃了被含鎘污水生產的稻米所致。鎘進入人體後，主要貯存在肝、腎組織中不易排出。鎘的慢性毒性主要使腎臟吸收能力不全，降低機體免疫能力及導致骨質疏鬆、軟化，如骨痛病所出現的骨萎縮、變形、骨折等。3、鉻[Cr（Ⅵ

）]無機化合物有二價、三價、六價三種，六價鉻化合物毒性最大。六價鉻具強氧化性，對皮膚、粘膜有強烈腐蝕性。在慢性影響上，六價鉻有致畸、致突變與致癌等作用。4、砷（As）砷是傳統的劇毒物，As2O3即砒霜，對人體有很大毒性。長期飲用含砷的水會慢性中毒，主要表現是神經衰弱、腹痛、嘔吐、肝痛、肝大等消化系統障礙。並常伴有皮膚癌、肝癌、腎癌、肺癌等發病率增高現象。

5、氰化物無機氰化物主要來源於游離的氫氰酸（HCN），CN-在酸性溶液中就可生成HCN而揮發出來。各種氰化物分離出CN-及HCN的難易程度不同，因而毒性也不相同。氰的毒性主要表現在破壞血液，影響運送氧和氫的機能而致死亡。（三）有機無毒物有機無毒物主要指耗氧有機物。天然水中的有機物一般是水中生物生命活動產物。人類排放的生活污水和大部分工業廢水中都含有大量有機物質，其中主要是耗氧有機物如碳水化合物、蛋白質、脂肪等。這些物質的共同特點是，沒有毒性，進入水體後，在微生物的作用下，最終分解為簡單的無機物質，並在生物氧化分解過程中消耗水中的溶解氧。因此，這些物質過多地進入水體，會造成水體中溶解氧嚴重不足甚至耗盡，從而惡化水質，並對水中生物的生存產生影響和危害。耗氧有機物種類繁多，組成複雜，因而難以分別對其進行定量、定性分析。因此，一般不對它們進行單項定量測定，而是利用其共性，如它們比較易於氧化，故可用某種指標間接地反映其總量或分類含量。氧化方式有化學氧化、生物氧化和燃燒氧化等，都是以有機物在氧化過程中所消耗的氧或氧化劑的數量來代表有機物的數量。在實際工作中，常用下列指標來表示水中有機物的含量，即化學需氧量（COD）、生物化學需氧量（即生化需氧量BOD）、總有機碳量（TOC）、總需氧量（TOD）等。1、化學需氧量（COD）指用化學氧化劑氧化水中有機污染物時所需的氧量，以每升水消耗氧的毫克數表示（mg/L）。COD值越高，表示水中有機污染物污染越重。目前常用的氧化劑主要是高錳酸鉀和重鉻酸鉀。高錳酸鉀法（簡記CODMn

），適用於測定一般地表水，如海水。重鉻酸鉀法（簡記CODCr

）對有機物反應較完全，適用於分析污染較嚴重的水樣。目前，國際標準化組織（ISO）規定，化學需氧量指CODCr，而CODMn為高錳酸鹽指數。2、生化需氧量（BOD）在人工控制的條件下、使水樣中的有機物在微生物作用下進行生物氧化，在一定時間內所消耗的溶解氧的數量，可以間接地反映出有機物的含量，這種水質指標稱為生物化學需氧量。以每升水消耗氧的毫克數表示（mg/L）。生化需氧量越高，表示水中耗氧有機污染越重。

由於微生物分解有機物是一個緩慢的過程，通常微生物將耗氧有機物全部分解需20天以上，並與環境溫度有關。生化需氧量的測定常採用經驗方法，目前國內外普遍採用在20℃條件下培養5天的生物化學過程需要氧的量為指標，記為BOD5。有機污染物的生物化學氧化作用分為兩個階段完成：第一階段：主要是有機物轉化為無機物的二氧化碳、水和氨等，反應式：RCH（NH2）COOH+O2=RCOOH+CO2+NH3第二階段：主要是氨被轉化為亞硝酸鹽和硝酸鹽，反應式：2NH3+3O2=2HNO3+2H2O2HNO2+O2=2HNO3因氨已是無機物，它的進一步氧化對水體污染的影響較小，所以廢水的生化需氧量通常只指第一階段有機物生物化學氧化所需的氧量。生物氧化不如化學氧化進行得徹底，而五日生物化學氧化又只是一部分生化需氧量，它大約只占最終生化需氧量的65%—80%。所以BOD5比COD值要低得多，只能相對反映可氧化有機物的含量。3、總有機碳量（TOC）這是近年來發展起來的一種快速測定方法，它包含了水體中所有有機物的含碳量。測定方法是在特殊的燃燒器中，以鉑為催化劑，在900℃溫度下，使水樣氣化燃燒，燃後測定氣體中CO2含量，從而確定水樣中的碳元素總量。在此總量中減去無機碳元素含量，即可得總有機碳量。是評價水體需氧有機物的一個綜合指標。TOC雖可以總有機碳元素量來反映有機物總量，但因排除了其他元素，仍不能直接反映有機物的真正濃度。3、總需氧量（TOD）水中有機物中除含有機碳外，尚含有H、N、S等元素。當有機物全部被氧化時，C被氧化為CO2

，而H、N、S則被氧化為H2O、NO和SO2等。此時氧化所需的氧量稱為總需氧量。在水質狀況基本相同的情況下，BOD5和TOC或TOD之間存在一定的相關關係。特別是TOC和TOD與BOD之間，通過實驗建立相關，則可快速測定出TOC，從而推算出其他有機物污染指標。（四）有機有毒物質有機有毒污染物質的種類很多，且這類物質的污染影響、作用也不同。現僅舉幾種略作介紹：1、酚類化合物酚是芳香族碳氧化合物，苯酚是其中最簡單的一種。酚類化合物是有機合成的重要原料之一，具有廣泛的用途。酚作為—種原生質毒物，可使蛋白質凝固，主要作用於神經系統。水體受酚污染後，會嚴重影響各種水生生物的生長和繁殖，使水產品產量和品質降低。

2、有機農藥包括殺蟲劑、殺菌劑和除草劑等。從化學結構上，有機農藥可分為有機氯、有機磷和有機汞三大類。有機氯農藥的特點是水溶性低而脂溶性高，易在動物體內累積，對動物和人體造成危害。

3、聚氯聯苯（PCB）

PCB是一種化學性能極為穩定的化合物。它進入人體主要蓄積在脂肪組織及各種臟器內。日本的米糠油事件，就是人食用被PCB污染了的米糠油而導致中毒的。

4、多環芳烴類多環芳烴是指多環結構的碳氫化合物，其種類很多，如苯並芘、二苯並芘、苯並蒽、二苯並蒽等。其中以苯並（α）芘（簡記BαP）最受關注，3，4-苯並（α）芘已被證實是強致癌物質之一。在地表水中，已知的多環芳烴類有20多種，其中有七八種具有致癌作用，如苯並蒽、苯並芘等。（五）放射性物質天然的放射性同位素238鈾、226鎦、232釷等一般放射性都很微弱，對生物沒有什麼危害。人工的放射性污染主要來源於鈾礦開採和精煉、原子能工業、放射性同位素的使用等。放射性污染物，如238鈾、226鎦、90鍶、137銫、60鈷等，通過水體可影響生物，灌溉農作物亦可受到污染，最後可由食物鏈進入人體。放射性污染物放出的α、β、γ

等射線可損害人體組織，並可蓄積在人體內造成長期危害，促成貧血、白血球增生、惡性腫瘤等各種放射性病症。（六）生物污染物質主要來自生活污水、醫院污水和屠宰肉類加工、制革等工業廢水。主要通過動物和人排泄的糞便中含有的細菌、病毒及寄生蟲類等污染水體，引起各種疾病傳播。四、水體污染類型與危害由於排入水體中的污染物種類繁雜，所以它們對水體的污染作用也是千差萬別的。因此，在水體污染研究和水污染防治上，都需對水體污染進行分類，以便確定各種污染類型的特點與危害。（一）感官性狀污染1．色澤變化天然水是無色透明的。水體受污染後可使水色發生變化，從而影響感官。如印染廢水污染往往使水色變紅，煉油廢水污染可使水色黑褐等等。水色變化，不僅影響感官，破壞風景，有時還很難處理。2．濁度變化水體中含有泥沙、有機質、微生物以及無機物質的懸浮物和膠體物，產生混濁現象，以致降低水的透明度，而影響感官甚至影響水生生物的生活。3．泡狀物許多污染物排入水中會產生泡沫，如洗滌劑等。漂浮於水面的泡沫，不僅影響觀感，還可在其孔隙中棲存細菌，並造成生活用水污染。4．臭味水體發生臭味是一種常見的污染現象。水體惡臭多屬有機質在嫌氣狀態腐敗發臭，屬綜合性惡臭，有明顯的陰溝臭。惡臭的危害是使人憋氣、噁心、水產品無法食用、水體失去旅遊功能等。（二）有機污染主要指由城市污水、食品工業和造紙工業等排放含有大量有機物的廢水所造成的污染。這些污染物在水中進行生物氧化分解過程中，需消耗大量溶解氧，一旦水體中氧氣供應不足，則使氧化作用停止，並引起有機物的厭氧發酵，分解出CH4、H2S、NH3等氣體，散發出惡臭，污染環境，毒害水生生物。（三）無機污染酸、堿和無機鹽類對水體的污染，首先是使水的pH值發生變化，破壞其自然緩衝作用，抑制微生物生長，阻礙水體自淨作用。同時，還會增大水中無機鹽類和水的硬度，給工業和生活用水帶來不利影響。酸堿污染來源工業生產。鹼性廢水主要來自造紙、制革、煉油、化纖、制堿和金屬加工等工業；酸性廢水來自硫酸和硝酸製造及礦山排水。酸雨是水體酸化的重要原因。（四）有毒物質污染各類有毒物質，如酚類、氰化物、Hg、Cd、As、有機農藥等，進入水體後，在高濃度時，會殺死水中生物；在低濃度時，可在生物體內富集，並通過食物鏈逐級濃縮，最後影響到人體。水中有機毒物，主要有酚類、多氯聯苯（PCB）和農藥等有機物。水中酚主要來自焦化廠、煤氣廠和某些化工廠。多氯聯苯（PCB）是一種全球性污染物，廣泛用作防燃添加劑、介電液體和液壓流體等。PCB為難降解污染物，可以在水體中長期保留，故又稱持久性污染物。重金屬可通過食物鏈逐級富集起來。重金屬進入人體後往往蓄積在某些器官中，造成慢性累積中毒。水中的重金屬主要來自金屬礦開採、冶金、電鍍等工業排放的廢水和廢渣。非金屬無機毒物，主要有氰化物、氟化物等。水體中氰化物來自電鍍、礦石浮選、化工、煉焦及高爐煤氣等工業排放的生產廢水。各類有毒物質、如酚類、氰化物、Hg、As、有機農藥等．進入水體後，在高濃度時．會殺死水中生物；在低濃度時，可在生物體內富集，並通過食物鏈逐級濃縮，最後影響到人體。（五）富營養化污染含植物營養物質的廢水進入水體後，會造成水體富營養化，使藻類大量繁殖，並大量消耗水中的溶解氧，從而導致魚類等窒息和死亡。其次，水中大量的NO3-、NO2-若經食物鏈進入人體，將危害人體健康，或有致癌作用。

（六）油污染沿海及河口石油的開發、油輪運輸、煉油工業廢水的排放等，會使水體受到油污染。油的污染不僅不利於水的利用，而且當油在水面形成油膜後，影響氧氣進入水體，對生物造成危害。此外，油污染還破壞海灘休養地、風景區的景觀與鳥類的生存。（七）熱污染熱電廠等的冷卻水是熱污染的主要來源。這種廢水直接排入天然水體，可引起水溫升高，造成水中溶解氧減少，還會使水中某些毒物的毒性升高。水溫升高對魚類的影響最大，可引起魚類的種群改變與死亡。（八）病原微生物污染生活污水、醫院污水以及屠宰肉類加工等污水，含有各類病毒、細菌、寄生蟲等病原微生物，流入水體會傳播各種疾病。水中污染物對人體的危害汙染物對人體健康的影響汞使用被污染的水產品，產生甲基汞中毒，頭暈，肢體末梢麻木，記憶力減退，神經錯亂，甚至死亡，還影響孕婦的胎兒畸形鉛使用含鉛食物，會影響酶及正鐵血紅素合成，影響神經系統，鉛在骨骼及腎臟中積累，有潛在的長期影響鎘進入骨骼造成骨疼病，骨骼軟化萎縮,已發生病理性骨折，最後飲食不進，於疼痛中死亡砷影響細胞新陳代謝，造成神經系統病變鉻鉻進入體內，分佈於肝、腎中，出現肝炎氰化物飲用含氟水後，引起中毒，導致神經衰弱，頭痛，頭暈、乏力、耳鳴、震顫、呼吸困難，甚至死亡多環芳烴長期處於高濃度的多環芳烴環境中，會致癌酚類引起頭痛，頭暈、耳鳴、嚴重時口唇發紫、皮膚濕冷、提問下降、肌肉痙攣、尿量減少、呼吸衰竭可分解有機物這類污染物為病菌提供了生存條件，進而影響人體健康、致病菌引起傳染病，如霍亂、痢疾、肝炎、細菌性食物中毒硝酸鹽、亞硝酸鹽引起嬰兒血液系統疾病等氟化物超過1毫克/升，發生齒斑、骨骼變形放射性物質經常與放射性物質接觸會引起疾病，甚至會遺傳多氯聯苯損傷皮膚，破壞肝臟油類使水體失去飲用價值第四章水環境與污染第二節水體污染2004年中國環境狀況公報淡水環境

2004年七大水系的412個水質監測斷面中，Ⅰ～Ⅲ類、Ⅳ～Ⅴ類和劣Ⅴ類水質的斷面比例分別為：41.8％、30.3％和27.9％，七大水系總體水質與去年基本持平，珠江、長江水質較好，遼河、淮河、黃河、松花江水質較差，海河水質差。主要污染指標為氨氮、五日生化需氧量、高錳酸鹽指數和石油類。湖泊水庫水質

2004年監測的27個重點湖庫中，滿足Ⅱ類水質的湖庫2個，占7.5％；Ⅲ類水質的湖庫5個，占18.5％；Ⅳ類水質的湖庫4個，占14.8％；Ⅴ類水質湖庫6個，占22.2％；劣Ⅴ類水質湖庫10個，占37.0％。其中“三湖”（太湖、巢湖、滇池）水質均為劣Ⅴ類。主要污染指標是總氮和總磷。專案廢水排放量（億噸）COD排放量（萬噸）氨氮排放量(萬噸)年度合計工業生活合計工業生活合計工業生活2000415.2194.2220.91445704.5740.5

2001432.9202.6230.31404.8607.5797.3125.241.383.92002439.5207.2232.31366.9584782.9128.842.186.72003460212.4247.61333.6511.9821.7129.740.489.32004482.4221.1261.31339.2509.7829.513342.290.8年度增減率（%）4.845.50.4-0.40.92.54.51.72004年，四大海域比較，黃海和南海水質總體上較好，一、二類海水比例較高，分別達到83.4%、77.8%。與上年相比，黃海一、二類海水比例上升14.7個百分點，南海上升19.8個百分點。渤海一、二類海水比例為40.4%，與上年比較減少了9.6個百分點；四類和劣四類海水占45.3%，增加了12.0個百分點。主要污染因數為無機氮、活性磷酸鹽、石油類。東海無一類海水，二類海水比例為17.2%，與上年比較下降了13.2個百分點；四類和劣四類海水占61.3%，上升了6.9個百分點。渤海和東海污染有加重趨勢。赤潮2004年全海域共發現赤潮96次，較上年減少23次。赤潮累計發生面積26630平方公里，較上年增加83.0%，其中大面積赤潮集中在東海。全海域共發生100平方公里以上的赤潮34次，其中500平方公里以上的赤潮16次，接近或超過500平方公里的赤潮10次，均比上年增加。有毒赤潮生物引發的赤潮20餘次，面積約7000平方公里，主要有毒赤潮生物為米氏凱倫藻、棕囊藻等。2004年，全國共發生漁業污染事故1020起，造成直接經濟損失10.8億元。其中，海洋漁業污染事故79起，污染面積約2.8萬公頃，造成直接經濟損失約8.9億元，其中特大漁業污染事故（經濟損失在1000萬元以上）7起；內陸水域漁業污染事故941起，污染面積約21.1萬公頃，造成直接經濟損失1.9億元。經濟損失在1000萬元以上的特大漁業污染事故3起，經濟損失超過100萬元的重大漁業污染事故14起。2004年，因環境污染造成可測算天然漁業資源經濟損失36.5億元，其中內陸水域天然漁業資源經濟損失8.6億元，海洋天然漁業資源經濟損失為27.9億元。五、水體的自淨作用（一）自淨作用的概念所謂水體的自淨作用，是指受污染的各種水體在物理、化學和生物等作用下，水中污染物濃度自然降低的過程。水體自淨作用往往需要一定的時間，一定範圍的水域以及適當的水文條件。另一方面，還決定於污染物的性質、濃度以及排放方式等。一般說來，水體自淨過程包括稀釋、混合、沉澱、揮發、中和、氧化還原、化合分解、吸附凝聚等物理、化學和生物化學過程，其中以物理和生物化學過程為主。因此，按作用機理，水體自淨過程可分為物理自淨、化學自淨和生物自淨三個方面，統稱為廣義的自淨作用。√1、物理自淨物理自淨是指污染物進入水體後，只改變其物理性狀、空間位置，而不改變其化學性質、不參與生物作用。如污染物在水體中所發生的混合、稀釋、擴散、揮發、沉澱等過程。通過上述過程，可使水中污染物的濃度降低，使水體得到一定的淨化。物理自淨能力的強弱取決於水體的物理條件如溫度、流速、流量等，以及污染物自身的物理性質如密度、形態、粒度等。物理自淨對海洋和容量大的河段等水體的自淨起著重要作用。2、化學自淨化學自淨是指污染物在水體中以簡單或複雜的離子或分子狀態遷移，併發生了化學性質或形態、價態上的轉化，使水質亦發生了化學性質的變化，但未參與生物作用。如酸、堿中和、氧化—還原、分解—化合、吸附—解吸、膠溶—凝聚等過程。這些過程能改變污染物在水體中的遷移能力和毒性大小，亦能改變水環境化學反應條件。影響化學自淨的環境條件：酸鹼度、氧化還原電勢、溫度、化學組分等，污染物自身的形態和化學性質對化學自淨也有很大影響。

3、生物自淨生物自淨是指水體中的污染物經生物吸收、降解作用而發生消失或濃度降低的過程。如污染物的生物分解、生物轉化和生物富集等作用。水體生物自淨作用也被稱為狹義的自淨作用。主要指懸浮和溶解於水體中的有機污染物在微生物作用下，發生氧化分解的過程。在水體自淨中，生物化學過程占主要地位。生物自淨與生物的種類、環境的水熱條件和供氧狀況等因素有關。（二）有機物的生物降解過程有機污染物在水體中的降解過程是通過化學氧化、光化學氧化和生物化學氧化來實現的，其中生物氧化在有機物降解中起著主要的作用。耗氧有機物進入水體後，在微生物作用下發生生物化學氧化分解。在好氣（有氧）條件下，好氣性微生物利用水中的溶解氧使有機物發生好氣分解，這是水體中有機物生物氧化的主要途徑；在厭氣（無氧）條件下，厭氣性細菌利用有機物分子內的氧，使有機物發生厭氣氧化分解。1、好氣環境下有機物的分解在好氣環境下，耗氧有機物被生物氧化分解。例如，碳水化合物被微生物在細胞膜外水解，由多糖轉化為二糖並透入細胞膜內；在細胞外部或內部，二糖再水解為單糖，單糖首先轉化為丙酮酸而最終氧化為水和二氧化碳。L0ttc10（a）耗氧有機物的分解特性圖a為耗氧有機物在水溫20℃時的累積耗氧曲線，在這條曲線的中部出現變化，這是由於有機物中含碳化合物先發生氧化分解，而後含氮化合物發生分解所致。曲線前半部稱為第一階段BOD，或稱碳化階段；曲線後半部稱為第二階段BOD，或稱氮化階段或硝化階段。通常測定的BOD5，往往只是反映一階BOD，因為從第一階段反應結束到第二階段反應開始約需10—14天。當延長圖a的第一階段反應曲線，其趨於一定值。該值被稱為第一階段最終BOD，或稱最終生化耗氧量（UOD）。當把圖a作一變換畫成圖b，UOD即為Lo，它隨著時間的推移而降低，其與河流中所測的BOD衰減過程是一致的。（備註：大部分污染物在水體中遷移和轉化的同時發生衰減變化。水中污染物經轉化、衰減而降低，同時水體恢復清淨，由此構成水體的自淨過程。）在去除有機物的反應上，它們基本上符合一級動力學反應，即有機物濃度降低的速度同某一時間剩餘有機物的濃度成正比：可推得：在有機物生化降解的硝化階段，是有機物中含氮化合物通過一系列的轉化完成的。這個階段所消耗的氧稱為氮化需氧量。在硝化階段中，氨氮與氧反應的定量關係如下：對有機物分解的硝化階段，其反應也基本上符合一級動力學反應，因此亦可寫出硝化反應動力學方程：6-106-11當t時（t＞tc）碳化加硝化的總耗氧量為：t'時的硝化耗氧量為6-126-132．厭氣環境下有機物的分解在缺氧環境中，有機物在嫌氣性細菌作用下發生厭氣分解，該過程如下圖所示在厭氣分解過程中，複雜有機物在產酸細菌作用下分解為有機酸；若條件適宜，有機酸可進一步發生甲烷發酵，生成最終產物CH4和CO2。複雜有機物質（碳水化合物、脂肪、蛋白質等）產酸細菌有機酸產甲烷細菌CH4+CO2有機物的厭氣分解過程（三）有機物降解與水體氧平衡1．溶解氧平衡耗氧有機物對水體造成的危害，主要表現在其降解過程中需消耗水中的溶解氧，此後，它的降解產物如N、P等又可引起水體富營養化，以致又破壞水體的氧平衡。河流溶解氧下垂曲線（氧垂曲線）:（1）耗氧、複氧、虧氧對有機污染的河流來講，溶解氧下垂曲線是河流中存在的耗氧作用和複氧作用的綜合反映，它對評價河流污染及控制污染有十分重要的意義。河流中的耗氧作用主要是耗氧有機物降解時耗氧，此外還包括水生生物的呼吸、底泥厭氣分解產生的有機酸和還原性氣體釋放到水中以及廢水中還原性物質等引起水體耗氧。河流的複氧作用主要是大氣複氧，其次是水生植物(藻類)的光合作用產氧。虧氧（dissolved

oxygen

deficit）亦稱“缺氧量”。水體中飽和溶解氧和現存溶解氧的差。單位是mg/L。耗氧愈多，虧氧量愈大，同時由大氣補充水中的氧量也愈多。（2）氧垂曲線√有機物排入河流後，經微生物降解而大量消耗水中的溶解氧，使河水虧氧；另一方面，空氣中的氧通過河流水面不斷地溶入水中，使溶解氧逐步得到恢復。所以耗氧與複氧是同時存在的，污水排入後，DO曲線呈懸索狀態下垂，故稱為氧垂曲線。√當污水未進入河流前，河水中的大氣複氧量與水中生物的耗氧量近似相等，溶解氧處於飽和狀態。c：臨界點a：DO最大虧缺溶解氧下垂曲線示意圖當河流接納了耗氧有機物後，微生物對其氧化分解需消耗大量的氧，使得大氣複氧來不及補充，水中溶解氧含量下降，這時水中的耗氧速度大於複氧速度；隨著水中有機物減少，耗氧量減少，水中複氧量相應增加，此時水中耗氧速度等於複氧速度，氧垂曲線出現最低點，稱該點為臨界點；C點處，DO量最小，虧氧量最大。其後，因有機物大為減少，耗氧速度小於複氧速度，氧垂曲線逐漸上升。√複氧曲線下垂曲線耗氧曲線時間DO飽和百分數ca溶解氧下垂曲線示意圖a：DO最大虧缺c：臨界點2、氧平衡模式描述河流水質的第一個模型是由斯特裏特（H.Streeter）和菲爾普斯（E.Phelps）在1925年提出的，簡稱S-P模型，S-P模型迄今仍得到廣泛的應用，它也是各種修正和複雜模型的先導和基礎。S-P模型用於描述一維穩態河流中的BOD—DO的變化規律。該模型對研究氧垂曲線，臨界點溶解氧含量以及到達臨界點的時間或距離，對河流水質控制與規劃等都有重要的應用價值。下麵僅對S—P模型及其解作簡單介紹。Streeter—Phelps認為，穩態條件下，一維均勻河流水質模型的基本方程為：其中：L—污染物質的濃度x—河段距離D—彌散係數S—源漏項U—河段平均流速他們從以下兩個方面的假設推導出BOD—DO模型：（1）對式6-14中的S，只考慮好氧微生物參加的BOD衰減反應，並認為該反應為一級動力學反應。因此，S=-k1L（2）對河水中的DO而言，認為耗氧的原因只是由BOD衰減反應所引起，且BOD衰減速率等於DO減少速率。同時認為，河水中DO恢復的速率與水中的氧虧成正比，並只考慮大氣複氧作用。因此，在DO方程中S項就成為：S=

-k1L+k2（CS-C）（3）反應速度是恒定的。根據以上假定，一維穩態河流水質模型可以用BOD和DO兩組方程來表達：ss226-15給定邊界條件L（0）=L0，C（0）=C0，式（6-15）和式（6-16）的解析解分別為：考慮彌散作用時：忽略彌散作用時：由S-P模型可以推求河流污染斷面起始濃度為L0和C0時，沿河下游各點的溶解氧濃度值以及臨界點處的DO濃度和距離。即可由dc/dx=0，求得臨界溶解氧濃度Cc和臨界距離Xc，其公式為：（6-19）（6-20）第五章生物圈與生態環境第一節生物圈與生物多樣性

一、生物圈最早提出生物圈這一概念的時間是在1875年，由奧地利地質學家休斯(E.Suess)提出的，生物圈是指地球上有生命活動的領域及其居住環境的整體。生物圈從本質上看，就是指有生物生存的範圍，因此包括地球上的全部生物及其生存環境。這一概念將生命活動與生存環境融為一體，充分反映了生物與環境共存不可分割的一面。關於生物圈的說明：1、地球上凡是有生物分佈的區域都屬於生物圈範圍。2、生物圈是由生物與非生物環境組成的具有一定結構和功能的統一整體，是高度複雜而有序的系統，不是鬆散無序的集合體3、生物圈是地球上最大的多層次生態系統，結構和功能不斷變化，並不斷趨於相對穩定狀態。生物圈是一個複雜開放的系統，從空間上來看，地面以上23km的高空，下至12km的深處，都有生命的蹤跡，但絕大部分生物通常生存在陸地之上，海洋表面之下各約100m厚的範圍內；從時間上來看，生物圈是一個逐漸演替、逐漸進化、逐漸完善的系統，是生物圈內各要素長期相互作用的過程；從生物圈的活力來看，生物圈主要由生命物質、生物生成性物質和生物惰性物質所組成。生命物質，又稱活質，是所有生物體的總和。據估計，生物的生命物質約1.8×1012t，這樣大的物質量與地球的大小相比較，只不過像地球表面一層薄膜，這些生物體的生活必需品是類似的，即參與細胞結構及維持能量代謝的營養物質。生物生成性物質則是由生命物質所產生的有機—礦化作用和有機作用的生成物，如煤、石油、泥炭、土壤有機質等。生物惰性物質是指大氣低層的氣體、沉積岩、粘土礦物和水；從生物圈的環境結構來分，生物圈的環境由大氣圈、水圈、土壤岩石圈所構成。所以說，生物圈是一個複雜的、全球性的開放系統，是一個生命物質與非生命物質的自我調節系統。它的形成是生物界與水圈、大氣圈及岩石圈（土圈）長期相互作用的結果。二、生物圈的特徵生物圈內的大氣圈、岩石圈、水圈之間通過氣流、輻射、蒸發、降水等過程，不斷進行能量交換、物質迴圈。生物的生命活動促進了能量流動及物質迴圈，並使生物的生命活動產生種種變化，環境因生命活動發生變化，又推動生物適應環境。在生命與環境不斷作用的生物圈中，生命與環境是其兩大要素，相互依存，環境為生物提供能量、水分、溫度及各種營養元素。生物在利用這些條件生存、發展的同時，也回歸於環境。生物圈不同層次間可有一定程度的補償和調節，從而形成了生物圈的相對穩定和可塑性。生物圈的功能與多種生物集團參與能量交換、物質迴圈有關，是各個生態系統之間相互作用的結果，也是生物圈的物質體現。而生物及生物多樣性，則是生物圈最普遍的特徵之一。第二節生態系統一、生態系統生物圈中有多種類型的生態系統，典型的如森林、灌叢、草原、濕地和海洋等。各種類型的生態系統為不同的動物、植物和微生物提供著獨特的生存和繁衍的條件。

完整的生態系統中有四大角色：√1)

生產者，如植物和光合細菌。它們在有陽光和水的自然條件下，能自行將來自土壤和空氣中的簡單化合物合成為複雜有機物；

2)

消費者，如草食動物和肉食動物。它們依賴食用植物或動物而生長、繁衍。它們直接或間接地將生產者產生的有機物變成了自己的身體，把自己的糞便和屍體排向大自然；

3)

分解者，如細菌和真菌類微生物。它們能將消費者的糞便和屍體分解成簡單化合物，使物質流動在大自然中形成迴圈；

4)

無生命物質，如空氣、水、陽光、簡單化合物。它們是生產者能持續合成有機物的必要條件。二、生物多樣性√

生物多樣性是一個描述自然界多樣性程度的概念，它涉及到生態系統、物種及某一特定群體的基因的數量和頻率，是生物在長期的環境適應過程中逐漸形成的一種生存策略。

1992年《生物多樣性公約》把生物多樣性定義為：所有來源的形形色色的生物體（其來源包括陸地、海洋及其他水生生態系統）及其構成的生態綜合體。換言之，生物多樣性是一個地區所有生物體及環境的豐富性和變異性，是一個地區內遺傳（基因）、物種和生態系統多樣性的總和。

包括遺傳（基因）多樣性、物種多樣性、生態系統多樣性和景觀多樣性4個層次。√（1）遺傳多樣性(geneticdiversity)

遗传多样性是生物多样性的重要组成部分。广义的遗传多样性是指地球上生物所携带的各种遗传信息的总和。这些遗传信息储存在生物个体的基因之中。因此，遗传多样性也就是生物的遗传基因的多样性。任何一个物种或一个生物个体都保存着大量的遗传基因，因此，可被看作是一个基因库（Genepool）。一個物種所包含的基因越豐富，它對環境的適應能力越強。基因的多樣性是生命進化和物種分化的基礎。狹義的遺傳多樣性主要是指生物種內基因的變化，包括種內顯著不同的種群之間以及同一種群內的遺傳變異（世界資源研究所，1992）。此外，遺傳多樣性可以表現在多個層次上，如分子、細胞、個體等。在自然界中，對於絕大多數有性生殖的物種而言，種群內的個體之間往往沒有完全一致的基因型，而種群就是由這些具有不同遺傳結構的多個個體組成的。

（2）物種多樣性(speciesdiversity)

指地球上一定时空范围内生物物种的丰富性及其形成、发展、演化、时空分布格局和生态分化与适应机制等的多样化。它是生物多样性在物种水平上的各种表现形式。研究某一地區的物種多樣性時，不僅要計算其物種數量即物種豐富度，更重要地還要估算生物分類群多樣性。此外，對某一個地區單獨的、古老孑遺的生物分類群和特有現象—特有科、特有屬和特有種等亦應給以較高的評價和充分的注意（陳靈芝，2001）。物種多樣性是衡量一定地區生物資源豐富程度的一個客觀指標。在闡述一個國家或地區生物多樣性豐富程度時，最常用的指標是區域物種多樣性。區域物種多樣性的測量有以下三個指標：①物種總數，即特定區域內所擁有的特定類群的物種數目；②物種密度，指單位面積內的特定類群的物種數目；③特有種比例，指在一定區域內某個特定類群特有種占該地區物種總數的比例。（3）生態系統多樣性（ecosystemdiversity）

生态系统的多样性主要是指地球上生态系统组成、功能的多样性以及各种生态过程的多样性，包括生境的多样性、生物群落和生态过程的多样化等多个方面。其中，生境的多樣性是生態系統多樣性形成的基礎，生物群落的多樣化可以反映生態系統類型的多樣性。

（4）景觀多樣性

是指一定時空範圍內景觀生態系統類型的豐富性及各景觀生態系統中不同類型的景觀要素在空間結構、功能機制、時間動態方面的多樣化和複雜性。景觀多樣性是較生態系統多樣性更高一層次的多樣性。景觀多樣性主要包括斑塊多樣性、類型多樣性和格局多樣性三種類型。斑塊多樣性是指景觀中斑塊的數量、大小、形狀的多樣性和複雜性；類型多樣性是指景觀中不同的景觀類型（如農田、森林、草地等）的豐富度和複雜度；格局多樣性是指景觀類型空間分佈的多樣性及各類型之間以及斑塊與斑塊之間的空間關係和功能聯繫的多樣性。簡單地說：生物多樣性表現的是地球上千千萬萬種生物和它們生存的環境。生物多樣性具有很高的價值，最為寶貴的是：它是大自然造就的基因資源庫。每一個物種都有一套自己獨特的基因，這是物種在漫長的進化過程中既順應了自然，又保留下了自己物種特性的基因組合，極為珍貴，而且不可再生。對於人類的使用價值來說，許多植物成分是人類治療疾病所離不開的藥物成分。人類在日常生活中使用的各類纖維、油脂、芳香油、去污劑、膠和建築材料等，就能來自大自然中多種不同的生物資源。所以說，充滿了生物多樣性的地方是一座巨大的、可再生的資源寶庫。

在地球的陸地生態系統中，生物多樣性最為豐富的區域是熱帶雨林。那裏生活著世界上50%的物種。但由於森林砍伐、濫捕亂獵和環境污染，全世界的物種在以每天幾十種的速度消失。這是地球資源的巨大損失，因為一個物種滅絕之後，永不再生，而消失的物種還會通過生物鏈引起其他物種的消失。所以，保護生物多樣性是當今保護地球環境的重大課題之一。三、生物鏈生物鏈指的是：由動物、植物和微生物互相提供食物而形成的相互依存的鏈條關係。這種關係在大自然中很容易看到。比如：有樹的地方常有鳥，有花草的地方常有昆蟲。植物、昆蟲、鳥和其他生物靠生物鏈而聯繫在一起，相互依賴而共存亡。生物鏈的例子常常就在我們身邊，而且使人類受益非淺。比如：植物長出的葉和果為昆蟲提供了食物，昆蟲成為鳥的食物源，有了鳥，才會有鷹和蛇，有了鷹和蛇，鼠類才不會成災……。當動物的糞便和屍體回歸土壤後，土壤中的微生物會把它們分解成簡單化合物，為植物提供養分，使其長出新的葉和果。就這樣，生物鏈建立了自然界物質的健康迴圈。生物鏈也可以理解為自然界中的食物鏈，它形成了大自然中“一物降一物”的現象，維繫著物種間天然的數量平衡。

人類與大自然也通過食物鏈而連接著。人的食物主要來自植物和動物。而動植物是從自然環境中得到營養才生長而成的。如果這些動植物含有了來自環境污染的成分，人吃了就有危險。拿水產魚類來說，如果自然界有了汞的污染，而土壤中的有些微生物可以把汞轉變成有機汞，魚類吃了這樣的微生物就會把有機汞儲存在身體中，而人吃了這樣的魚，汞就會進入人的神經細胞中，人就會得可怕的水俁病。水俁病是人類污染環境，而污染物最終通過食物鏈進入人體並嚴重傷害人的健康的最典型的例子。四、生態平衡生態平衡指的是生態系統中，通過生物鏈和其他自然因素來維繫的一種平衡狀態，它包括兩方面的穩定：

1）生物種類的組成和數量比例相對穩定；

2）非生物環境條件（如：空氣、陽光、水、土壤等）相對穩定。生態平衡是一種動態平衡。比如，一個生物種群中的個體會不斷死亡和新生，但從總體上看，整個種群數量沒有劇烈變化，因此系統保持相對穩定。

生態系統一旦失去平衡，會發生非常嚴重的連鎖性後果。例如，五十年代，我国曾发起把麻雀作为四害来消灭的运动。然而，在麻雀被大量捕殺之後的幾年裏，卻出現了嚴重的蟲災，使農業生產受到巨大的損失。後來科學家們發現：麻雀在大自然中要吃大量的蟲子。麻雀被消滅了，天敵沒有了，蟲子就大量繁殖起來。結果出現蟲災爆發，引起農田絕收的慘痛後果。生態平衡是大自然經過了很長時間才建立起來的動態平衡。一旦受到破壞，有些平衡就無法重建了，帶來的惡果可能是靠人的努力而無法彌補的。因此人類要尊重生態平衡，幫助維護這個平衡，絕不要輕易去干預大自然，引起這個平衡被打破。

第三節生物入侵一、生物入侵的概念一種生物以任何自然或人為作用的方式傳入其原產地以外的國家或地區，並在那裏繁殖，建立自然種群，這種生物被稱為外來種。如果外來種在當地適宜氣候、豐富的食物供應和缺少天敵抑制的條件下，得以迅速增殖，並形成對本地物種的生存危脅，就稱為生物入侵。二、生物入侵的危害

1、對本地生物多樣性的影響。外來生物在新的生境中或是沒有天敵的抑制而迅速增殖，或是通過與本地物種爭奪生存空間、捕食本地物種等方式，破壞原有生態系統的平衡，影響本地物種多樣性。

2、外來種在其侵入區內，除了直接的生存競爭對當地生物多樣性進行干擾外，還通過改變植物初級生產力、土壤營養和水分、群落的結構、動態以及穩定性等方式對當地生態系統產生影響。

3、對當地社會經濟的危害。外來種對社會經濟的影響首先表現在增加農業病蟲害防治費用或直接造成水產和林業資源的破壞，導致巨額的經濟損失。三、生物入侵的主要途徑

1、人為有意識地引進物種。

2、進出口貿易和入境旅遊。

3、船舶壓載水的攜帶傳播。這方面的典型例子有：歐洲斑馬貝被引進北美五大湖，造成貝類的瘋長，佈滿當地水下建築和下水道，為控制污染和清除這些貝類，花費了幾十億美元；美國櫛水母被壓載水引進到黑海和亞速海，導致了當地鯷魚幾近滅絕和當地漁業的蕭條等。

4、邊境農副產品走私。邊境農副產品走私，尤其是水果和種苗走私，是危害經濟和生態安全的一大毒瘤。不僅偷逃國家巨額關稅，還為外來有害生物大開方便之門，大大削弱了國家檢疫機構的把關作用。由於水果是地中海實蠅的重要寄主，我國早於1981年11月就禁止從受地中海實蠅之害的78個國家和地區進口水果。但據有關部門的調查發現，有十幾個地中海實蠅疫區國家的二十多種走私水果長期佔據著我國的水果市場，給我國的水果生產構成了嚴重危脅。

水葫蘆，亦稱“鳳眼蓮”，是一種水生飄浮植物，原產於南美洲，50年前被引進中國，曾被用作豬飼料，但因其“近乎瘋狂”的繁殖速度而氾濫成災，造成水質污染，降低水產品產量，因而被列為“世界十大害草”之一。雲南昆明為治理滇池裏的水葫蘆，近年已花費40多億元。每年夏秋之間，江河裏的水葫蘆大肆氾濫。食人魚又名食人鯧，原產於亞馬遜河，外表妖豔，性情殘暴，能夠在短時間內將大於自己體積幾倍，甚至幾十倍的動物吃掉。專家認為，食人魚若流入我國江河，會造成一場生態災難。小龍蝦原名克氏原螯蝦，它們的原產地是中、南美洲，20世紀30-40年代我國從日本引進，而日本則是更早從美國引進。克氏原螯蝦的適應性強、食性廣、幼體成活率高，擅長在堤壩上打洞。目前世界各地都有養殖，並在野外形成數量巨大的種群，在我國長江中下游以及華南分佈很廣。非洲蝸牛，學名褐雲瑪瑙螺，也就是人們常說和常食用的東風螺、菜螺、花螺、法國螺。非洲大蝸牛是一種繁殖很快的大型陸生貝類，它們危害農作物、蔬菜，危害生態系統，而且還是許多人畜寄生蟲和病原菌的中間宿主。危險的牛蛙原產美洲的牛蛙，由於大量養殖和逃逸，目前在我國已經有相當數量的野外種群。它們的適應性和繁殖力也都很強，由於沒有相關的研究，我們現在還不知道牛蛙對中國土著的兩栖類有多大的威脅，很可能有些已經造成的生態損失將是無法挽回的。“如果有一天我們在野外見到巴西龜，那中國的龜就危險了！”國家林業局瀕危野生動植物進出口管理辦公室的範志勇先生這樣預言。因為適應性和繁殖力都很強的巴西龜會對中國本土的野生龜構成很大威脅，我國目前已經停止了所有被甲小於10釐米龜類的進口。如果您家養了巴西龜，千萬不要隨便把它們放生野外！美國白蛾嚴重危害林木、果樹和農作物，近年來被國家林業局列為6大工程治理害蟲之一。據瞭解，美國白蛾本來是在美國以及北美地區，由於美國的生態環境保持了一定的均衡，加之當地白蛾的天敵就有不下百種，因此沒有形成大規模的危害。然而，第二次世界大戰開始後，隨著美軍的征戰，軍用物資的包裝箱、木材等物品跨國運輸，也把美國白蛾帶到了世界各地，但白蛾的天敵卻沒有跟隨美軍出征。白蛾擺脫了天敵的控制，便在新的地域裏瘋狂作惡，使受害國幾乎談“白”色變。我國發現美國白蛾是在上個世紀的70年代末期，先是遼寧的丹東、營口一帶，然後在其他一些地區相繼發現。現在中國很多個城市，包括瀋陽、唐山、秦皇島、煙臺、上海等一些城市都有白蛾的蹤跡。美國白蛾是嚴重危害植物的罪魁禍首。薇甘菊學名假澤蘭，是一種攀援植物，繁殖能力極強。發生危害的種屬原產於南美洲，60年代被引入印尼植物園用於橡膠園的地面覆蓋，借助於當地溫暖潮濕的泥土，很快在印尼、馬來西亞、菲律賓、泰國等地蔓延開來，給種植香蕉、茶葉、可哥、水稻等經濟作物的農民造成了重大損失。薇甘菊所“到”之處，像被子一樣包裹樹木，覆蓋花草，受其侵害的植物或者被絞殺、重壓致死，或者因缺少陽