水 体 环 境
  学习目标
1. 掌握水体污染物质的来源和水体污染的主要污染物。
2. 理解生化需氧量、化学需氧量、总有机碳量、总需氧量的概念。
3. 理解污染物在水体中的运动特征及河流水体中污染物扩散的稳态解。
4. 掌握水体中耗氧有机物进行降解时的基本概况和水体富营养化过程及危害。
5. 掌握重金属在水体中的迁移转化规律。
6. 掌握水环境质量标准、水环境污染防治对策和常规的废水处理方法。水是人类生活和生产活动中不可缺少的物质资源，水资源对于社会可持续发展具有重要的影响。2004年报告显示，全球年人均水资源开采量约为650m3，我国人均为430m3；全球年人均水资源消耗量为8870m3，我国仅为2240m3，可见水资源开采速度远远跟不上人们的用水量。全球的大河如尼罗河、黄河、科罗拉多河，由于过度的使用水资源，一般在旱季难以流入海洋，导致湿地和内陆水系干涸。此外，我国水污染问题日益突出，已经成为制约我国社会和经济发展的重大问题，积极开展水污染控制技术研究，对于推动我国水污染控制技术的跨越发展、控制水污染、改善水环境、确保水安全以及促进社会、经济和环境的协调发展具有重要意义。本章比较系统地介绍了水体的污染源、污染物，以及水质指标和水质标准，重点介绍水体中污染产生的原因和危害、水体的污染特点和污染物在水体中的迁移转化规律。
3.1 水体环境概述
3.1.1 天然水在环境中的循环
1. 水循环及其基本过程  
地球上各种形态的水，在太阳辐射、重力等作用下，通过蒸发、水汽输送、凝结降水、下渗以及径流等环节，不断地发生相态转换和周而复始运动的过程，称为水循环。地球上各类水体，通过水循环形成了一个连续而统一的整体。由于海洋是地球上水的主要源地，因此水循环过程可以设想从海洋的蒸发开始，蒸发的水汽升入空中，并被气流输送到各地，大部分留在海洋上空，少部分深入内陆，在适当条件下，这些水汽凝结成降水。其中，海面上的降水直接回归海洋，降落到陆地表面的雨雪，除部分重新蒸发回到空中外，另一部分经植物的截留、地面拦蓄、下渗等环节转化为地表和地下径流，最后亦汇入海洋，构成全球性的巨大的、统一的、连续有序的动态大系统。
环境科学概论第3章 水体环境2. 水循环机理
 (1)  水循环服从于质量守恒规律。水循环从实质上讲是物质与能量的传输、储存和转化过程，并且整个过程具有连续性。
 (2)  水循环的基本动力是太阳辐射和重力作用。在常温常压条件下，水的三相变化是水循环的前提条件，地理环境、海陆分布等外部环境制约着水循环的路线、规模与强度。
 (3)  水循环广及整个水圈，并深入大气圈、岩石圈及生物圈，同时通过无数条路线实现循环和相变。
 (4)  从全球看，水循环是个闭合系统，但从局部地区看水循环却是开放系统。
 (5)  地球上的水在循环过程中。总携带着一些物质一起运动，不过这些物质并不像水那样构成完整的循环系统，因此通常讲的水文循环，仅指水分的循环，简称水循环。
3. 水循环的类型
水循环按不同途径与规模，分为大循环和小循环。
(1) 大循环
大循环又称外循环或海陆间循环，指发生在全球海洋与陆地间的水交换过程。海洋表面蒸发的水汽，随着气流运动被输送到陆地上空。在一定条件下形成降水降落到地面。落到地面的大气降水，一部分被植物截流，大部分沿地表流动，形成地表径流，还有一部分下渗形成地下径流。在这一过程中，除一部分通过蒸发返回大气，绝大部分最终都流回海洋，从而实现海陆间循环，维持着海陆间水量的相对平衡(见图3-1). 
(2) 小循环
小循环又称内部循环，是指发生于海洋与大气之间，或陆地与大气之间的水交换过程。前者称海洋小循环，后者称陆地小循环。海洋小循环是指从海洋表面蒸发的水汽，在海洋上空凝结致雨，直接降落到海面上的过程；陆地小循环指陆地表面和植物蒸腾蒸发的水汽，在陆地上空成云致雨，降落至地表的循环过程。这种循环由于缺少直接流入海洋的河流，因此与海洋水交换较少，具有一定的独立性(见图3-1). 
图3-1 水循环
4. 水循环的意义
 (1)  水循环不仅将地球上的各种水体组合成连续、统一的水圈，而且在循环过程中渗入大气圈、岩石圈与生物圈，将地球上的四大圈层联系在一起，形成相互联系、相互制约的统一整体。因此水循环深刻地影响着地球表层结构的形成，以及今后的演化与发展。
 (2)  地球上的水循环是巨大的物质和能量流动，是具有全球意义的能量传输过程。水循环通过对地表太阳辐射能的重新再分配，使不同纬度热量收支不平衡的矛盾得到缓解。
 (3)  水循环是海陆间联系的主要纽带。海洋通过蒸发，源源不断地向大陆输送水汽，形成降水，进而影响陆地上的一系列的物理、化学和生物过程；而陆地上的径流，又源源不断地向海洋输送大量的泥沙、有机质和各种营养盐类，从而影响海水的性质、海洋沉积、海洋生物等。
 (4)  水循环不断塑造地表形态。水循环过程中的流水以其持续不断的冲刷、侵蚀作用、搬运和堆积作用，以及水的溶蚀作用，在地质构造的基底上重新塑造了全球的地貌形态。
 (5)  由于存在水循环，水才能周而复始地被重新利用，成为可再生资源。水循环的强弱和时空变化，是制约一个地区生态环境平衡和失调的关键，是影响地区内生物体活动的主要因子。对同一地区来说，水循环强弱的时空变化，又是造成本地区洪、涝、旱等自然灾害的主要原因。
地球表面的水在太阳辐射能和地心引力的相互作用下，水分不断地蒸发和蒸腾，并汽化为水蒸气，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雪而降落到海洋和陆地。这些降落下来的水分，一部分渗入地下，成为土壤水或地下水；一部分经植物吸收后再经枝叶蒸腾进入大气层；一部分可直接从地面蒸发而发散；一部分顺地表径流汇入江、河、湖泊流入海洋，再经水面蒸发进入大气圈。这种过程循环往复、永无止境，称为自然界的水分循环。水循环是地理环境中最重要、最活跃的物质循环之一。
通过水的循环，包括蒸发、降水、渗透及径流，地球上的水不断循环往复，在全球范围内蒸发与降水的总量是平衡的。
目前世界各国每年所消耗的淡水约2088km3，连同可以循环使用的水，总量约为3300km3/a，约占全球全年总径流量的90%，其余10%的淡水流到海洋中。因而从全球角度来看水资源是丰富的。但是，随着世界人口的不断增加和工农生产的迅速发展，人类对水量的需求日益增多，而水资源的利用和水量分布极不平均，可用的水源和人口分布不成比例关系。与此同时，人类利用水资源时，又使未经处理的废水和废物排入水体造成人为的水质污染。因此，水资源供应不足是世界各国所面临的严重问题。
地球上每年参加水循环的总水量约5000km3(折合水深1130mm)。大气对流层中的水分总量约12.9万km3(折合水深25mm)。这些水分通过蒸发和降水每年平均更换约45次，即更新期约8天。河川径流的更新期约16天。沼泽和湖泊的循环更新期较长，分别为5年和17年。其他水体更新期更长，深层地下水为1400年、海洋为25年、极地冰川可达9700年。可见，不同水体的循环速度差异很大。
水是一切生命机体的组成物质，也是生命代谢活动所必需的物质，又是人类进行生产活动的重要资源。地球上的水分布在海洋、湖泊、沼泽、河流、冰川、雪山，以及大气、生物体、土壤和地层。水的总量约为1.4×1013m3，其中96.5%在海洋中，约覆盖地球总面积的70%。陆地上、大气和生物体中的水只占很少一部分。 
地球上的水圈是一个永不停息的动态系统。在太阳辐射和地球引力的推动下，水在水圈内各组成部分之间不停地运动着，构成全球范围的海陆间循环(大循环)，并把各种水体连接起来，使得各种水体能够长期存在。海洋和陆地之间的水交换是这个循环的主线，意义最重大。在太阳能的作用下，海洋表面的水蒸发到大气中形成水汽，水汽随大气环流运动，一部分进入陆地上空，在一定条件下形成雨、雪等降水，大气降水到达地面后转化为地下水、土壤水和地表径流，地下径流和地表径流最终又回到海洋，由此形成淡水的动态循环。这部分水容易被人类社会所利用，具有经济价值，正是我们所说的水资源。 
水循环是联系地球各圈和各种水体的纽带，是调节器，它调节了地球各圈层之间的能量，对冷暖气候变化起到了重要的作用。水循环是“雕塑家”，它通过侵蚀，搬运和堆积，塑造了丰富多彩的地表形象。水循环是“传输带”，它是地表物质迁移的强大动力和主要载体。更重要的是，通过水循环，海洋不断向陆地输送淡水，补充和更新陆地上的淡水资源，从而使水成为可再生的资源。
当前已经把水循环看作为一个动态有序系统。按系统分析，水循环的每一环节都是系统的组成部分，也是一个亚系统。各个亚系统之间又是以一定的关系互相联系的，这种联系是通过一系列的输入与输出实现的。例如，大气亚系统的输出--降水，会成为陆地流域亚系统的输入；陆地流域亚系统又通过其输出--径流，成为海洋亚系统的输入等。以上的水循环亚系统还可以细分为若干更次一级的系统。 
水循环把水圈中的所有水体都联系在一起，它直接涉及自然界中一系列物理的、化学的和生物的过程。水循环对于人类社会及生产活动有着重要的意义。水循环的存在，使人类赖以生存的水资源得到不断更新，成为一种再生资源，可以永久使用；使各个地区的气温、湿度等不断得到调整。此外，人类的活动也在一定的空间和一定尺度上影响着水循环。研究水循环与人类的相互作用和相互关系，对于合理开发水资源、管理水资源，并进而改造大自然具有深远的意义。
3.1.2 天然水的组成
在自然界中，完全纯净的水是不存在的。天然水与周围的物质接触而发生相互作用，许多物质可以通过溶解等途径进入水体。在复杂循环过程中，进入水体的各种物质也会部分地离开水体。所以天然水实际上是一种溶液，而且是成分极其复杂的溶液。
除水本身外，天然水中的物质组成主要包括溶解的气体、各种离子、微量元素、生源物质、胶体物质以及悬浮颗粒等。
 (1)  主要气体
水中溶解的主要气体是氮气(N2)、氧气(O2)、二氧化碳(CO2)等，还有甲烷(CH4)、氢气(H2)、硫化氢(H2S)等微量气体。
O2和CO2的意义最大。它们影响水生生物的生存、繁殖，水中物质的溶解、反应等化学行为，以及微生物的生化行为。水生动物吸收O2，放出CO2。水生植物吸收CO2，进行光合作用放出O2。水中动植物残骸的腐烂也消耗O2。天然水中O2含量变动范围一般是0～14mg/L，河水和湖水中CO2含量一般低于20～30mg/L. 
天然水中还含少量的H2S，其来源于含硫蛋白质的分解及硫酸盐类的还原作用，还有火山喷发等。但一般地表水中H2S含量极低，深层地下水、矿泉水中含量较高。
 (2)  主要离子
水中溶解的主要离子有9种: 钾离子(K+)、钠离子(Na+)、钙离子(Ca2＋)、镁离子(Mg2＋)、铁离子(Fe3+)、氯离子(Cl-)、硫酸根离子(SO2-4)、碳酸氢根离子(HCO-3)、碳酸根离子(CO2-3)等。这9种离子可占水中溶解固体总量的95%～99%以上。
天然水中氢离子(H＋)在水中含量较低，大多数天然水的pH值为6.8～8.5. 
 (3)  微量元素
天然水中的微量元素有Br、I、F以及含量极微的Cu、Co、Ni、Cr、As、Hg、V、Mn、Zn、Mo、Ag、Cd、B、Sr、Ba、Al、Au、Be、Se等元素，及放射性元素如Ra、Rn等。天然水中，Hg的含量为0.001～0.1mg/L, Cr含量小于0.01mg/L。在河流和淡水湖中，Cu的含量平均为0.02mg/L, Co为0.0043mg/L, Ni为0.001mg/L. 
(4) 生源物质
天然水中有磷酸根(PO3-4)、硝酸盐(NO-3)、亚硝酸盐(NO-2)、铵盐(NH+4)等水生植物必需的养分，其中含氮离子在一定条件下可以相互转化。
(5) 胶体
天然水中还存在着主要由动植物残骸分解产生的有机物质和土壤中富敏酸、胡里素等进入水体，它们多数以胶体状态存在，少数溶解在水中，其成分非常复杂。
(6) 悬浮物质
水中的悬浮颗粒主要是沙粒、粘土等，也包括浮游动物、浮游植物和各种细菌类等。
受人类活动影响的水体所含的物质种类、数量、结构均与天然水质有所不同。以天然水中所含的物质作为背景值，可以判断人类活动对水体的影响程度，以便及时采取措施，提高水体水质，使之朝着有益于人类的方向发展。
3.1.3 各类天然水的水质特点1. 大气降水  大气降水由海洋和陆地蒸发的水蒸气凝结而成，以雨、雪等形式降落地面。它的组成很大程度上取决于地区条件，如靠近海岸处的降水可能混入风卷入的海水飞沫，其中Na＋、Cl-含量较高；内陆降水可混入大气中的灰尘、细菌以及各种污染物质。一般初降雨水或干旱地区雨水中杂质较多，而长期降雨后或湿润地区雨水中杂质较少。但总的来说，大气降水是杂质很少而矿化度很低的软水。
雨水的pH值一般为5.6～7.0, pH=5.6是饱和CO2的酸度，pH值低于此值的雨水称为酸雨。酸雨主要是排放到大气中的硫氧化物、氮氧化物生成的硫酸、硝酸等造成的。我国酸雨分布已从20世纪80年代初期的西南局部地区扩展到长江以南大部分城市和乡村，并向北方发展。
酸雨腐蚀材料，损害森林，破坏水生和陆生生态环境，并造成农作物减产。酸雨会使湖泊变酸，水生生物死亡。酸雨对生态系统的危害还表现在酸雨浸渍土壤，使土壤变得贫瘠，降低生态系统的初级生产力。酸雨腐蚀岩石矿物，使水体中的重金属和铝的含量增加，最终影响人的健康。
2. 河水
河水的化学成分受多种因素的影响，例如河流集水面积内被侵蚀的岩石性质、流动过程中补给水源的成分、流域面积内的气候条件以及水生生物活动等。河水的含盐量多在100～200mg/L左右，一般不超过500mg/L。河水中各种主要离子的比例为Ca2＋>Na＋, HCO-3>SO2-4>Cl-，但也有例外。河水中的溶解氧通常呈饱和状态，但当河水受到有机物和无机还原性物质的污染时会出现缺氧，这些污染物被氧化分解后又可恢复正常。
3. 湖泊水
湖泊是由河流和地下水补给而形成的，水的组成成分与湖泊所处的水文、气候、地质、生物等条件密切相关。湖泊有着与河流不同的水文条件，湖水流动缓慢而蒸发面积大，通常水体相对稳定，在蒸发量大的地区可形成咸水湖。湖水中主要离子的比例一般为Ca2＋>Na+, HCO-3>SO2-4>Cl-，少量Na＋>Ca2＋，个别的有SO2-4> HCO-3，而Cl-> HCO-3是咸水湖的特点。
湖水中的生物营养元素N、P非常重要，过多地排入N、P会造成湖泊的富营养化，使藻类大量繁殖，藻类死亡分解要消耗大量溶解氧，使湖泊水质恶化。
水库是人工形成的湖泊，其水质规律基本与湖泊相似，但在水交换快时，水质规律类似于河流。
4. 地下水
地下水是以滴状液体充填于构成地壳的岩石及沉积物空隙中的水，是降水经过土壤和地层的渗流而成的。部分河水和湖水也会通过河床和湖床的渗流而成为地下水的一个来源。
由于地下水经过土壤和地层的渗透、过滤，几乎全部去除了从空气和地面带来的颗粒杂质，因此，地下水是比较透明、无色的，有极少悬浮物质、极少细菌，温度较低且变化幅度小。但水可溶解与其接触的土壤和地层，溶入较多的矿物质。而且在渗透过程中，一些有机物会被细菌分解成无机盐类，这也增加了地下水的含盐量。分解产生的CO2、H2S等还会使水具有还原性，可溶解Fe、Mn等金属，使它们以低价离子进入水中，因此，有的地下水含Fe、Mn较多。此外，水中原有的溶解氧常在地层下被有机物氧化所耗尽，故地下水往往缺少溶解氧。
3.1.4 天然水的性质1. 碳酸平衡  CO2在水中形成酸，可与岩石中的碱性物质发生反应，并可通过沉淀反应变为沉积物而从水中除去。在水和生物体之间的生物化学交换中，CO2占有独特的地位，溶解的碳酸盐化合态与岩石圈、大气圈进行均相、多相的酸碱反应和交换反应，对于调节天然水的pH值和组成起着重要作用。
在水体中存在着CO2、H2CO3、HCO-3和CO2-3等4种化合态，常把CO2和H2CO3合并为H2CO3。因此，水中H2CO3-HCO-3-CO2-3体系可用下面的反应表示: CO2+H2OH2CO*3
H2CO*3HCO-3+H+
HCO-3CO2-3+H+2. 天然水中的碱度和酸度
碱度是指水中能与强酸发生中和作用的全部物质，亦即能接受质子H+的物质总量。组成水中碱度的物质可以归纳为3类: ①强碱，如NaOH、Ca(OH)2等，在溶液中全部电离生成OH-离子； ②弱碱，如NH3、C6H5NH2等，在水中部分发生反应生成OH-离子； ③强碱弱酸盐，如各种碳酸盐、重碳酸盐、硅酸盐、磷酸盐、硫化物和腐殖酸盐等，它们水解时生成OH-或者直接接受质子H+。弱碱及强碱弱酸盐在中和过程中不断继续产生OH-离子，直到全部中和完毕。
和碱相反，酸度是指水中能与强碱发生中和作用的全部物质，亦即放出H＋或经过水解能产生H＋的物质的总量。组成水中酸度的物质也可归纳为3类:①强酸，如HCl、H2SO4、HNO3等； ②弱酸，如CO2、H2CO3、H2S、蛋白质以及各种有机酸类； ③强酸弱碱盐，如FeCl3、Al2(SO4)3等。
3. 天然水体的缓冲能力
天然水体的pH值一般为6～9，而且对某一水体，其pH值几乎保持不变，这表明天然水体具有一定的缓冲能力，是一个缓冲体系。一般认为，各种碳酸化合物是控制水体pH值的主要因素，并使水体具有缓冲作用。但最近研究表明，水体与周围环境之间发生的多种物理、化学和生物化学反应，对水体的pH值也有着重要的作用。但无论如何，碳酸化合物仍是水体缓冲作用的重要因素。因而，人们时常根据它的存在情况来估算水体的缓冲能力。
3.1.5 当前主要的水环境问题
水是人类生存和发展不可替代的资源，是经济和社会可持续发展的基础，已成为世界关注的战略问题之一。
当前主要的水环境问题: 一是水资源短缺；二是水污染；三是用水的极大浪费；四是地下水过量开采。
我国是一个洪涝灾害频繁、水资源短缺、水生态环境脆弱的国家。新中国成立后，我国水利事业发展迅速，有效地促进了经济发展和社会进步，取得了举世瞩目的成就。在对水资源进行开发利用治理的同时，注重水资源的节约和保护工作，基本形成了与社会主义现代化建设相适应的水资源开发、利用、管理与保护体系。 
随着城镇建设和乡镇工业的发展，用水需求量增加，地下水过量开采，引起地面沉降。长三角地面沉降大于200mm的范围近1万km3，上海、苏锡常和杭嘉湖的最大累计沉降量分别达到2.63、1.80、0.82m。针对该地区经济快速发展所面临的地下水开发与地面沉降的问题，国土资源部已提出了把地下水开采量从12.7亿m3/a调整为1.96亿m3/a的方案。研究表明，从保护地质环境、合理开发利用地下水的角度考虑，在江苏境内，安全的地下水开采量为每年6660万m3，主要可以在第一和第三承压层采水；上海境内，8370万m3，分别在4个承压层不同程度地采水；浙江境内，4590万m3，在第一、第二、第三承压层采水。如果能够保证这一开采量，情况可以得到一定程度的控制。
但是，随着人口的增长和经济社会的快速发展，水资源问题，尤其是水资源短缺与经济社会发展的矛盾已经充分暴露出来。全国平均每年因旱受灾的面积约4亿亩。正常年份全国灌区每年缺水300亿m3，城市缺水60亿m3。在缺水的同时，还存在着严重的用水浪费，全国农业灌溉用水利用系数大多只有0.4，而很多国家已达到0.7～0.8。我国工业万元产值用水量为103m3，是发达国家的10～20倍。水的重复利用率我国为50%左右，而发达国家为85%以上。水污染严重，全国年排放污水总量近600亿t，其中大部分未经处理直接排入水域。在全国调查评价的700多条重要河流中，有近50%的河段、90%以上的城市沿河水域遭到污染。水污染不仅破坏了生态环境，而且使水资源短缺问题更为严重。 
有关专家指出，严峻的水资源形势，对我国的可持续发展构成了极大的威胁。从人口增长看，2030年左右，我国人口将达到16亿，人均占有水资源量将减少1/5，降至1700m3左右。从经济增长看，今后几十年，我国经济仍将处于快速增长期，到本世纪中叶，国内生产总值要增长10倍以上，城市和工业用水将有较大幅度增长，废污水排放量也将相应增加。从城市发展看，21世纪中叶我国城市化率可能达到70%，城市水供求矛盾必将更加尖锐。从粮食生产看，我国北方产粮区水资源条件并不富余，2050年前国家需要增加1.4亿t粮食的要求，将导致水资源短缺的形势更加严峻。因此，开源节流和保护水资源的任务十分艰巨。 
水资源短缺也是制约西部大开发的主要因素。西部地区，尤其是西北地区地广水稀，水土流失严重，生态环境脆弱。水资源是该地区最具有战略意义的资源，水资源的合理开发、节约利用、有效保护是实施西部开发的重要内容。 
3.1.6 水体概念及水体污染1. 水体的概念  水体是指河流、湖泊、池塘、水库、沼泽、海洋以及地下水等水的积聚体。在环境学中，水体不仅包括水本身，还包括了水中的悬浮物、溶解物质、胶体物质、底质(泥)和水生生物等。应把它看作完整的生态系统或完整的综合自然体。水体按其类型不同可以分成陆地水体和海洋水体以及地表水体和地下水体等。
由于水的比热、蒸发热大，冰冻熔解热也大，因而使水环境下的温度变化小。水在4℃时密度最大，所以海洋、河流下面不结冰，便于水的对流，使水中营养物和气体得以流动。水的溶解性好，是水中生物营养物质的运输者和载体。水的浮力大，使许多缺乏硬骨骼作支架的动物生存于水中。在太阳辐射和地球引力的驱动下，水通过气态、液态、固态转换循环，使大气圈、生物圈和水圈之间能进行能量和物质交换，从而形成了丰富多变的自然环境以及生物与环境的协调机制。
水体有两个含义: 一般是指河流、湖泊、沼泽、水库、地下水、海洋的总称；在环境学领域中，则把水体当作包括水中的悬浮物、溶解物质、底泥和水生生物等完整的生态系统或完整的综合自然体来看。
水体还可按类型和区域划分。
按类型可分为: ①海洋水体，包括海和洋； ②陆地水体，包括地表水体(河流、湖泊等)和地下水体。
按区域是指按某一具体的被水覆盖的地段而言的。如太湖、洞庭湖、鄱阳湖，按类型划分，它们同属于陆地水体中的地表水体内的湖泊；按区域划分，它们是3个区域的3个不同的水体。又如长江、黄河、珠江，按类型划分，它们同属于陆地水体中的地表水体内的河流；但按区域划分，它们是分属3个流域的3条水系。
在水环境污染的研究中，区分“水”与“水体”的概念十分重要。例如重金属污染物易于从水中转移到底泥中，水中重金属的含量一般都不高。若着眼于水，似乎未受污染；但从水体看，可能受到较严重的污染，使该水体成为长期的初生污染源。
2. 水体污染
水体污染是指排入水体的污染物在数量上超过了该物质在水体中的本底含量和水体的环境容量，从而导致水体的物理特征、化学特征和生物特征发生不良变