环境学概论
环境科学概论
第一章绪论
第一节环境、环境问题和环境科学的产生
1．环境（Environment）
1.1 什么是环境
环境，就词义而言，是指周围的事物，环境总是相对于某一个主体而言，从这一角度上讲，环境是一个相对的概念，它会随着―主体‖的变化而改变。
―环境‖一词，作为一个专门术语，同样会随着学科的不同而具有不同的含义。例如，对于生态学，由生态学的经典定义：―研究生物之间及其生物和环境之间相互关系的科学‖，不难看出生态学中的环境是相对于生物这一主体而言的外部世界，它包括光照、水分、土壤，温度、地形地貌等。什么是环境科学中的环境？对于伴随着20世纪50年代前后―环境问题‖，更确切地说是―环境污染问题‖的第一次高潮的出现而逐渐发展起来，并逐渐扩大其研究内容的环境科学来说，其主体是人类。
环境科学中的―环境‖的定义应该是以人为主体的外部世界的全部。这里的外部世界包括人类已经认识到的，直接或间接影响人类生存与发展的周围事物。它包括非生物环境（Physical environment）（大气环境、水环境、土壤环境），也包括生物环境（Biological environment）。
1.2 与环境密切相关的概念
(1) 生态（Ecology）
1866年德国博物学家E. Haeckel在《普通生物形态学》》中的最经典的定义：―研究生物之间及其生物和环境之间相互关系的科学‖，
1972年现代著名生态学家E.P.Odum在《生态学基础》中的定义：―生态学为研究自然界的构造和功能的科学‖。
当前，生态一词也越来越多地被作为一个修饰词而广泛应用，这时它更多地强调的是：生物系统（包括人类）与环境系统之间的一种和谐关系。
生态保护、生态平衡、生态运动、生态经济、生态工业、生态文明等。
如：生态工业强调的是工业这种人类的行为应与环境相协调，而应该不向环境排入过量的污染物。
(2) 自然资源（Natural resources）
自然资源的定义人们引用较多的是联合国环境规划署UNEP (United Nations Environmental Programme) 给出的定义：在一定时间、地点条件下能够发生经济价值，以提高人类当前和未来福利的自然环境因素和条件。
自然资源和自然环境的区别：自然资源是自然环境的一个子集，自然资源只是自然环境中对人类生活和生存有用的部分。被污染的环境、火山环境应该不能说是自然资源。
自然资源的分类
按照能否被耗尽分为：可耗竭资源和不可耗竭资源。如石油和阳光。
根据再生能力分为：可再生资源和不可再生资源。
可再生资源：指可借助生长、繁殖或自然循环而不断地更新的自然资源，包括生物资源、水资源和土壤资源（有的文献也将土壤资源称为半可再生资源）。
不可再生资源：指在对人类有意义的时间尺度内不能在再生，其形成过程远远大于被人类消耗的过程。主要包括化石能源、金属和非金属。
2．环境问题（Environmental Issue）与环境科学
所谓环境问题是指由于人类活动作用于人们周围的环境所引起的环境质量变化，这种变化反过来对人类的生产、生活和健康产生不利的影响。
环境问题：污染性环境问题（大气污染、水污染、土壤污染等）和非污染性环境问题（森林面积锐减、土地退化和荒漠化、生物多样性减少等）
2.1 环境问题的两次高潮
1、环境问题的第一次高潮（1950—1980）：特点是局部环境问题
20世纪中叶前后，震惊世界的环境污染（Environmental pollution）（在日本称为环境公害）事件接连发生，其标志是发生在这一段时间内的―八大公害事件‖，标志着环境问题第一次高潮的出现。―八大公害‖事件（1）伦敦烟雾事件（2）洛杉矶光化学烟雾事件（3）马斯河谷烟雾事件（4）多诺拉烟雾事件（5）四日事件（6）水俣甲基汞事件（7）富山锌污染骨痛事件（8）米糠油多氯联苯事件
伦敦烟雾事件：时间:1952年12月主要污染物: SO2,烟尘危害:5天内4000人死亡原因:SO2与烟尘作用生成H2SO4，吸入肺部形成条件:工厂多、雾天、逆温天气
几大重大事件（1）1962年，美国海洋科学家R. Carson （卡尔逊）《Silent Spring》《寂静的春天》。（2）1972年6月5日-16日在瑞典斯德哥尔摩举行了第一次人类环境会议。会议通过了划时代的历史性文献《人类环境宣言》（Declaration on Human Environment），即斯德哥尔摩宣言。如果将今天的的时代称为―具有强烈环境意识的时代‖，第一次人类环境会议便是这个时代的里程碑。（3）《Limit to Growth》《增长的极限》罗马俱乐部于1972年发表了其年度研究报告《增长的极限》。该报告一针见血地指出环境所面临的危机和人类社会在自身发展中面临的困境，使得人类不得不对发展中的人类与环境的关系重新进行思考。
2、环境问题的第二次高潮（80年代中期—）
进入20世纪80年代中期，环境问题除了以前人们所主要关注的局部或叫地区性环境污染（如水域污染、城市大气污染）以外，又有了新的变化。
（1）发达国家已基本解决了其本土范围内的地区性局部环境污染问题与生态破坏问题，而广大的发展中国家正面临着逐渐严重的区域性局部环境污染和生态破坏问题；
举例：日本的大气、海湾环境的完全好转；美国的―黑沙尘暴‖问题的解决；中国的城市大气，湖泊水污染的日益严重。
（2）全球性和区域性环境问题开始受到重视
A全球性大气环境污染问题：温室效应加剧与全球变暖、臭氧层耗损、酸沉降;B非污染性环境问题：森林面积锐减、生物多样性减少、土地荒漠化;C突发性、灾难性环境污染事件(1984年12月印度博帕尔农药（异氰酸甲酯）泄露事件;1986年4月26日前苏联的乌克兰切尔诺贝利核电站泄露);D化学品的污染及越境转移
联合国环境与发展大会
1992年6月3日至4日，联合国在巴西里约热内卢举行―联合国环境与发展大会‖。183个国家的代表团的代表出席了会议，102位国家元首或政府首脑亲自与会。
与1972年旨在唤醒人们环境意识的斯德哥尔摩人类环境会议相比，这次会议不但提高了对环境问题认识的广度和深度，而且把环境问题与经济、社会发展结合起来，树立了环境与发展相互协调的观点，提出了未来发展的正确道路，被普遍接受的"可持续发展战略"。
几个重要文件:A环境与发展方面国家和国际行动的指导性文件《里约环境与发展宣言》;B 21世纪在环境问题上战略行动的文件《二十一世纪议程》《21 Agenda》；C旨防止全球气温变暖的《气候变化框架公约》;D推动保护生物多样性的《生物多样性公约》
20世纪全人类共同保护地球环境的三大宣言
一、1972年，《人类环境宣言》
二、1982年，《内罗毕宣言》为了纪念联合国人类环境会议10周年，促使世界环境的好转，国际社会成员国于1982年5月10日至18日在内罗毕召开了人类环境特别会议，并通过了《内罗毕宣言》。在充分肯定了《斯德哥尔摩人类环境宣言》的基础上，针对世界环境出现的新问题，提出了一些各国应共同遵守的新的原则。
三、1992年，《里约环境与发展宣言》世界首次"环境与发展大会"宣言
两次高潮的比较
一、影响的空间范围不同:第一次高潮主要在西方国家（工业化发达国家）、局部性的小范围
的环境问题;第二次全球性的大范围的乃至全球性的环境问题和资源耗竭，发达和发展中国家都受到影响。
二、关注影响对象的不同:第一次对人体健康状况的影响；第二次不只以上，更关注对社会经
济发展的影响
第2节环境科学（Environmental Sciences）内容、分科和发展
2.1环境科学的形成、发展与分科
环境科学，或叫环境研究（Environmental Study）是一个新兴的、以人类-环境系统为研究对象的学科领域或研究领域，现阶段其学科体系尚不定型。这里以环境科学的发展为线索，介绍环境科学的形成和分科。
1、第一阶段或叫第一类环境学科分支
从已有的传统学科中分化出来，以专门研究环境问题的某一个侧面为目的的学科分支。20世纪50年代，许多西方发达国家遭受到了严重的环境污染问题，因而明确提出了environmental pollution 和环境公害的新概念，用以概括和反映人类与环境关系的失调，并将其作为专门的研究领域加以研究，以试图解决环境污染问题。
2、第二阶段或叫第二类环境学科分支
以整个―人类—环境系统‖为研究对象，强调综合，形成了不属于旧的传统学科，仅为环境科学、环境研究所特有的学科研究领域。这些新的研究领域虽然也同样应用了传统学科的一些手段和方法，但是，它们已明显不同于以上那些直接从传统学科中分化出来的学科分支，而是以解决某一环境问题，以评价、规划和管理人类—环境系统的最佳方案为目的发展起来的。例如环境质量评价学、环境系统分析、环境规划管理等。它们已不再属于某一传统学科，而具有很强的综合性。
2.2 环境科学的特点
A．综合性和交叉性:综合性和交叉性是环境科学的最大特征。涉及到自然科学、社会科学和工程科学，是一个由多学科到跨学科的庞大科学体系。它的建立是从传统学科中经过分化、重组、综合和创新的过程形成的，具有很强的综合性。
B．学科的新兴性和不定型性:一般认为环境科学从诞生至今也就是50年的历史，因此，对于环境科学的学科体系给以明确的回答还有一定的困难，环境科学还属于一个年轻、蓬勃发展的学科和研究领域。
2.3 环境科学的任务
环境科学的任务在于揭示人类与环境相互作用的基本规律。人类与环境构成了一对矛盾，环科的任务就是揭示这对矛盾的实质，研究二者之间的辨证关系，掌握其发展规律，调控二者之间物质、能量与信息的交换过程，寻求解决矛盾的途径和方法，以求人类-环境系统的协调和可持续发展。
第二章大气环境及污染问题
第一节大气的结构和组成
1.1 大气垂直结构
根据大气在垂直方向上温度和化学成分的变化，可将大气圈分五层: (第14页，图2-1)
1. 对流层：是大气的最低层，其厚度随纬度和季节而变化, 该层的特点：
A．温度随高度升高而递减，大约每上升100米，温度降低0.6度。
B．由于近地面空气受地面辐射的影响而增温膨胀上升，上层冷空气下降，所以在垂直方向上形成强烈对流；
C．密度大，占大气总质量的3/4；
D．主要的天气现象均发生在该层。
在对流层中，因受地表的影响不同，又可分为两层。
（1）摩擦层或边界层：1-2 km以下，受地表机械、热力作用强烈。排入大气的污染物绝大部分活动在该层。因此是环境科学重点研究的气层。
（2）自由大气层：在1-2km以上，受地表影响变小，主要的天气过程如雨、雪的形成均出现在此层。
对流层是与人类关系最为密切的大气气层。
2．平流层:对流层顶到约50km的大气层。
（1）同温层：在平流层下层，30-35 km以下，，温度随高度降低变化较小，气温趋于稳定。（2）臭氧层：在30-35 km以上，温度随高度升高而升高。这是因为在该范围内，有厚约20公里的臭氧。臭氧吸收太阳紫外线，使该层温度升高。
平流层特点：
(1) 大气平流运动显著；
(2) 空气比下层稀薄，水气、尘埃少，大气透明度好。
3.中间层:平流层顶到80km高度。温度随高度增加而下降。该层有强烈的垂直对流运动，又称高空对流层。
4.热层（暖层，电离层）:80km到800 km。温度随高度升高而迅速上升。
5.逃逸层（逸散层）：热层以上的大气层。由于空气受地心引力极小，气体及微粒可以从这层飞出地球重力场而进入太空逸散。
1.2 大气的组成
第2节大气污染和污染物
2.1大气污染（atmospheric pollution）：指由于自然或人为的过程，使得大气中的一些物质的含
量达到有害的程度，以至影响到生态系统的平衡，严重威胁着人类健康和经济发展，这种现象称为大气污染。
2.2 大气污染物的来源
（1）天然污染源：排放火山灰、二氧化硫、硫化氢等的活火山，自然溢出煤气和天然气的煤田和油田，放出有害气体的腐烂的动植物、森林火灾、沙尘暴等（天然污染源造成的大气污染，目前还不能较好地控制）。
（2）人为污染源：燃料（能源）的燃烧、向大气释放出污染物的工业生产过程、交通运输过程和农业活动。
人为污染源分类：1）按污染源特性：A 固定源：位置固定，如化工厂；B 流动源：位置不断移动，如汽车。2）按污染源排放方式：A 点源：集中于一点：如工厂的烟囱源；B 线源：集中在一条线上，如城市交通主干线；C 面源：低矮成片燃煤居民区，湖泊周围大量施化肥的农田
2.3 大气污染物：由于人类活动或自然过程排入大气，并对人体、生物或环境产生有害影响的物质。
按其存在状态可概括为两大类：（1）气溶胶状态污染物（2）气体状态污染物。
按照污染物形成的过程分为：（1）一次污染物（2）二次污染物
一次污染物：直接从污染源排放出来的污染物质，如二氧化硫、一氧化碳、一氧化氮、颗粒物等。二次污染物：一次污染物在大气中相互作用，经化学反应或光化学反应形成的与一次污染物的物理、化学性质完全不同的新的大气污染物，其毒性比一次污染物更强。常见的有：硫酸及硫酸盐气溶胶、硝酸及硝酸盐气溶胶、臭氧等。
主要大气污染物
A 气溶胶状态污染物：在大气污染研究中，气溶胶指悬浮在大气中的固体粒子和液体粒子，种类组成复杂，对人体影响较大。其粒径为：0.002~100微米。大气环境（化学）学研究的重点。
常见的气溶胶污染物及监测指标
（1）总悬浮颗粒（Total suspended particle TSP）：指悬浮于大气中，粒径小于100μm的所有固体颗粒物，包括飘尘和降尘。它是悬浮在大气中的各种粒子的总称，也是大气污染监测和评价中的一个重要指标。
（2）可吸入粒子（Inhale particle IP）：粒径≤15μm的粒子。国际标准化组织ISO (International standard organization ) 将IP定为粒径≤10μm的粒子。
（3）飘尘：指大气中粒径小于10μm的固体颗粒物，能长期漂浮在大气中，可被人吸收，可扩散较远距离，有时也称浮游粒子或可吸入颗粒物。
（4）降尘：指大气中粒径大于30μm的固体颗粒物，因重力作用，在短时间内可因自身重力沉降到地面。
（5）粉尖（dust）：指悬浮于气体介质中的小固体颗粒，受重力作用可发生沉降，但在一定的时间内能保持悬浮状态。其直径一般为1-100μm左右。粉尘种类很多，如石英粉尘、煤粉及各种金属粉尘等。
B 气体状态污染物:气体状态污染物是指以分子状态存在的气体污染物，简称气态污染物。气态污染物很多，主要有5类：（1）含硫化合物（2）含碳化合物（3）含氮化合物（4）碳氢化合物
（5）卤素化合物
气态污染物还可以分为一次污染物和二次污染物。
硫氧化合物
二氧化硫是主要的硫氧化物，是大气中数量较大，影响范围较广的一种气态污染物。二氧化硫的污染主要表现在它在大气中易被氧化成三氧化硫，再与水分子结合生成硫酸分子，进而形成酸雨。大气中二氧化硫主要来自含硫燃料（主要是含硫的煤）的燃烧过程，如采暖、发电；冶炼厂和石油精练厂也排放大量的二氧化硫。
煤的含硫量：0.5-6%，石油的含硫量：0.5-3%，含硫量低的煤称环保煤。
含碳化合物
CO、CO2是各种大气污染物中发生量最大的一类污染物。CO2是大气中的正常组分，但随着浓度的不断增加，会造成温室效益的加剧。CO（煤气中毒）燃料非充分燃烧时。
CO的天然污染源包括：（1）甲烷的转化，生命有机体分解产生的甲烷经羟基的氧化可形成CO（2）海水中CO的挥发（3）森林火灾
氮氧化物（NOx ）
氮氧化物种类很多，造成大气污染的主要是NO和NO2，NO进入大气后可缓慢氧化成NO2。在大气中存在O3等强氧化剂或催化剂的作用下，其氧化速度加快。NO2的毒性约是NO的5倍。NO2参与光化学反应形成光化学烟雾后，毒性更大。
氮氧化物的主要人为源是机动车、煤和天然气的燃烧以及化肥厂和炸药厂。
氮氧化物的天然源包括生物机体腐烂形成硝酸盐，经细菌分解产生NO等途径。
碳氢化合物（HC）
大气中的碳氢化物主要指C1~C8可挥发的所有碳氢化合物，又称烃类。甲烷CH4 是大气中含量最大的HC，甲烷本身是一种无害烃，但因它是一种温室气体，目前倍受关注。
甲烷（methane）主要是由于土壤中厌氧细菌使土壤中的有机物底质分解而形成，因此，水稻田和各种天然湿地是目前甲烷的产生源。
此外，还有大量的非甲烷烃，多数对人和其他生物有毒有害，有的甚至致畸、致癌，
碳氢化合物还是形成光化学烟雾的重要成分。
卤素化合物
大气中以气态存在的卤素化合物大致有三类:(1)卤代烃、(2)氟化物、(3)其他含氯化合物（如氯气和氯化氢）。主要关注的是卤代烃中的氟氯烃类CFCs和含溴的卤代烷烃。它们既是破坏臭氧层物质，也是温室气体（具有极强的吸收红外线的能力，所以增加一个CFCs分子相当于增加104个CO2分子造成的温室效应。）氟氯烃类或称氟利昂类（CFCs）化合物
其中最重要的是一氟三氯甲烷（CFC-011）和二氟二氯甲烷（CFC-012）。
氟氯烃类的命名：CFC-011，第一个数字表示（碳原子数减1），第二个数字表示（氢原子数加1），第三个数字表示氟原子数，则CFC-011就是分子中含有1个C，0个H和1个氟，因此，CFC-011分子中有1个氟，3个Cl，当然还含1个C，所以，称为一氟三氯甲烷。
含溴的卤代烷烃，商业名称为Halon（哈龙），特种消防灭火剂，为破坏臭氧层物质。
CFCs和含溴的卤代烷烃的来源：无自然源，都是人为源，主要是用于致冷剂、气溶胶喷雾剂、电子工业的溶剂、制造塑料的泡沫发生剂和消防灭火剂等。
2.4 大气污染的类型
(1)还原型（伦敦型烟雾)：属于还原型污染物(低价化合物,可失去电子)的大气污染。经常发生在使用煤炭为主，同时也消耗石油的地区，主要污染物是二氧化硫、一氧化碳和颗粒物。在低温、静风、高湿并伴有逆温的气象条件下，污染物扩散受阻，在低空聚集形成烟雾。最早在英国的伦敦发生，因其持续时间最长、最典型、危害最严重，所以目前习惯称为―伦敦型烟雾‖。
（2）氧化型（石油烟雾，或汽车尾气型烟雾）：指汽车、工厂等污染源排入大气的烃类化合物（HC）和氮氧化物等一次污染物，在阳光的作用下发生光化学反应，生成臭氧、醛、酮、过氧乙酰硝酸酯（PAN）等二次污染物，这些二次污染物具有强的氧化性，对人体的刺激十分强烈。洛杉矶光化学烟雾就是典型的氧化型污染。
第三节 大气环境中污染物的化学转化
大气污染的化学转化：当污染物进入大气环境，在扩散、输送过程中，在一些条件（阳光、温度）的影响下，污染物之间以及污染物与空气原有组分之间进行化学反应，形成新的二次污染物，这一过程称为大气污染物的化学转化。包括光化学反应过程和热化学反应过程。当前较关注的是氮氧化物和气态硫化物（ SO2 ）转化的过程。
发生的化学反应是：（1）光化学反应（2）生成硫酸盐气溶胶的反应
3.1 光化学反应特征
大气中存在的吸光物质（氧气、臭氧、NO2、等）的原子、分子、自由基或离子，它们吸收光子所引发的反应，称为光化学反应。光化学反应过程包括初级过程和次级过程。
初级过程是指吸光物质吸收光量子，形成激发态物质：A + hv → A*（A*为的A 激发态） 次级过程：受激活物质进一步发生的反应。
3.2 氮氧化物在大气中的化学转化
NO 和NO2在大气环境的化学反应过程，在大气污染中作用较大。NO2的光分解和所生成的O3在光化学烟雾的形成过程中十分重要。
（一） NO2的光分解化学反应：NO2 + hv (290-430nm) =NO + O* O* + O2 =O3
该反应是O3在大气中的唯一化学反应源。但生成的O3会与NO 再反应又生成NO2 形成一个循环化学反应。O3 +NO =NO2 + O2
（二） NO2的化学反应
（1）可以与一系列的自由基，如: OH, HO2（过氧化氢）, RO 2（过氧烷基）和RO 等发生化学反应。如：NO2 + OH = HNO3
该反应是大气中气态硝酸的主要来源，在白天反应发生。
（2） NO2与O3的反应 NO2 + O3 =NO3 + O2 该反应是大气中NO3的主要来源。
3.3 光化学烟雾及其形成
1、光化学烟雾的定义
含有氮氧化物和烃类化合物的大气，在阳光中紫外线的照射下发生光化学反应所生成的臭氧、醛、酮、过氧乙酰硝酸酯（PAN ）等二次污染物的混合物被称为光化学烟雾。特征是烟雾呈兰色，具有强氧化性，刺激人的眼睛，伤害植物的叶子，能使树木开裂，使大气能见度降低。首次光化学烟雾事件于1940年发生在美国的洛杉矶。中国兰州西固地区。 （图2-4）。
2、 两个实验（第33页，图2-5， 2-6）
3、光化学烟雾的形成机制
大气中的烃类化合物和NOx 在光照条件下形成光化学烟雾，其机理是非常复杂的。烃类化合物和氮氧化物的相互作用主要包括以下2个关键步骤过程：
第一步：NO2的光化学分解是光化学烟雾形成的起始反应：低层大气中的其它气态化合物（NO 、O2、N2、CO ）都不吸收紫外线发生光化学分解，但当大气中出现NO2污染物，在光化学作用下，直接光解生成O3，但生成的O3会与NO 再反应又生成NO2，进而形成了NO 和NO2与O3之间的化学循环，这时还不能生成光化学烟雾。
第二步：碳氢化合物的加入是产生光化学烟雾的关键：NO2和O3与NO 之间的化学循环，要使O3能在大气中不断积累，必须存在着能使NO 向NO2转化，从而使NO2浓度不断提高，NO 浓度不断减少的因素。实验证明，当大气中又出现碳氢化合物时，以上的NO2和O3与NO 之间的化学循环和均衡即被打破，许多过氧自由基使的大气中的NO 快速向NO2转化，O3的浓度大大增加，并随同生成一系列的中间和最终产物，如臭氧、醛、酮、过氧乙酰硝酸酯（PAN ）等二次污染物，从而导致光化学烟雾的生成。
光化学烟雾的形成概括总结
一、12个反应方程式
光化学烟雾的形成的简化机制可用12个反应概括： (1) 引发反应（NO2和O3与NO 之间的化学循环反应） （2）基反应 M
NO O NO M O M O O O
NO hv NO +→++→+++→+23322
（3）终止反应（最终产物的生成）
二、概括总结 由上述反应式可以看出，光化学烟雾的形成过程是由一系列复杂的链式反应组成的，是以N02光解生成O*的反应为引发，导致了臭氧的生成。由于碳氢化合物的存在，促使NO 向NO2的快速转化，在此转化中自由基(特别是HO 基)起了重要的作用，致使不需要消耗臭氧，就能使大气中的NO 转化成NO2，NO2又继续光解产生臭氧，同时转化过程中产生的自由基又继续与碳氢化合物反应生成更多的自由基，如此继续不断地进行链式反应，直到NO 或碳氢化合物消失为止。所产生的醛类、O3 ，PAN 等二次污染物是最终产物。
4、 形成的环境条件
（1）光化学烟雾发生的地理条件
对于纬度高的地区，由于光线通过大气层的路径加长，受到大气颗粒散射而损失的光线多，致使小于430钠米光很难到达地面，所以不易发生光化学烟雾。另外，一般夏季发生光化学烟雾的可能性比冬季大。一般发生在大气相对湿度较低，有逆温层存在，污染高峰出现在中午或稍后。
（2）光化学烟雾发生的污染源条件
光化学烟雾的形成是因为人类活动向大气中排入大量的NOx 和碳氢化合物，因此，以石油为原料的工厂排气和汽车尾气等污染源的存在是形成光化学烟雾的前提。
3.4 酸雨的形成
酸雨指pH 小于5.6的酸性大气降水，包括雨、雪、冰雹、露、霜和雾等（美国采用pH 值小于5）。广义的酸沉降包括干沉降和湿沉降，干沉降主要是酸性颗粒物的直接降落，湿沉降即通常所说的酸雨。酸雨是目前国际上十分重视的一个区域性环境问题，在欧洲大陆和北美大陆较为明显。 形成机理：形成酸雨的主要污染物是SO2和NOx 等，二者在大气环境中分别转化为硫酸和硝酸，并随雨水降落在地球表面。
酸沉降的危害：第一 对陆地生态系统的不利影响，主要表现在以下两个方面：⑴ 直接损害植物的叶面，特别是树木和农作物的叶面，⑵ 对土壤化学结构产生影响，增加了土壤中一些离子的溶解度，洗提土壤的养分并产生如铝离子这样的有毒离子，通过迳流很可能影响到饮用水。第
二 对水生生态系统的影响，降低江河湖泊水体的pH 值，导致水生生物的受损害，其次，还可对材料与人体健康造成不利影响。
硫氧化物在大气中的化学转化:主要是二氧化硫在大气中的光化学氧化和催化氧化。
SO2 → SO3 → H2SO4
二氧化硫是燃料燃烧排放的主要大气污染物之一。在通气条件好和光照较弱的情况下，一般对人类无危害，但当浓度大且在较强光照情况下，会被氧化成硫酸或硫酸盐气溶胶，并多以湿沉降的形式（又称为酸雨）降落到地球表面，危害人类健康和生态系统安全。
二氧化硫在大气中的氧化作用主要通过2种途径：光化学氧化和催化氧化。
(1)催化氧化：清洁大气中SO2氧化的速度很慢，但在含有金属盐（铁、锰）的气溶胶雾滴中发生催化氧化反应，速度将大大提高。 (2) 光化学氧化：SO2可在太阳光下发生光化学氧化反应，加快氧化过程,并由SO3进一步生成硫酸 . (3) 二氧化硫的直接光化学氧化 32222222222222222)()(HNO
NO OH CO RO
NO NO O O RC HO
RCHO NO NO RO HO
NO NO HO CO HO RO hv RCHO
O H O O RC OH RCHO O
H RO OH RH →+++→+++→++→+++→++→++→+22222222)()()()()(NO O O RC NO O O RC PAN NO O O RC NO O O RC +→→+4
2222222SO H O O H SO ??→?++催化???????→→→→→O
+ SO SO O + SO M
+ SO M + SO SO 400nm)~(340nm h + SO 单重态 SO 340nm)~(290nm h +SO 342232321 23221 2三重态
μμ
二氧化硫的间接光化学氧化 二氧化硫在光化学反应活跃的大气中可与一些强氧化自由基（如OH 基、RO 基、RO2基等）反
应而被氧化，生成三氧化硫。 NOx 氧化
NOx 的氧化过程与SO2催化氧化相同，NOx 在空气湿度大并存在金属杂质和NH3的条件下，生成硝酸和硝酸盐，并最终形成气溶胶，进入降雨中形成酸雨。
国外酸雨中硫酸和硝酸之比约为2:1，我国硝酸含量不到硫酸的1/10。说明我国的能源结构以煤炭为主。雨水中除含有酸性物质之外，还有从空气中洗涤下来的碱性物质，其中主要有土壤粒子、氨等。酸、碱物质会发生中和反应，酸度是酸、碱物质相平衡的结果。
第4节 影响大气污染的气象条件和地理因素
4.1 温度层结
气温垂直递减率：气温随高度的升高而下降的数值，通常以气温垂直递减率r 来表示。
干绝热递减率（rd ）：干空气块或未饱和的湿空气块在绝热条件下每升高单位高度（通常取单位高度为100米）所造成的温度下降数值称为rd ，一般为0.98k/100m.
在对流层中，气温垂直变化的总趋势是随着高度的增加气温逐渐降低：（1）地面是近地面大气的主要和直接的热源（2）水汽和固体杂质的分布从低空向高空减少，水汽和固体杂质吸收地面辐射的能力很强，从而使近地面温度高于上层。
温度层结：大气中气温在垂直方向上的分布称为温度层结。
大气中温度层结有四种类型：（1）气温随高度增加而递减，即r > 0，称为正常分布层结或递减层结；（2）气温垂直递减率等于或近似等于干绝热递减率，即r = rd ，称为中性层结；（3）气温不随高度变化，即r = 0，称为等温层结；（4）气温随高度增加而增加，即r < 0，称为逆温。
4.2 大气稳定度:污染物在大气中的扩散与大气稳定度有密切关系，大气稳定度是指在垂直方向上
大气稳定的程度。可以用气温垂直递减率与干绝热递减率之差来判别。
举例:一个空气块的运动
假如一空气块由于某种原因受到外力的作用，产生了上升或下降运动后，可能发生三种情况：(1)当外力去除后，气块就减速并有返回原来高度的趋势，称这种大气是稳定的；(2)当外力去除后，气块加速上升或下降，称这种大气是不稳定的；(3)当外力去除后，气块被外力推到那里就停到那里或作等速运动，称这种大气是中性的。
大气稳定度可以用气温垂直递减率与干绝热递减率之差来判别。 一个空气气块在大气中运动的加速度计算公式为： 当r – rd >0 时， a > 0, 大气不稳定(正常温度层结)
当r – rd <0 时， a < 0, 大气稳定(等温、逆温层结)
当r = rd 时， a = 0, 大气是中性
一般来说，r 越大，大气越不稳定，反之， 大气越稳定。
4.3 逆温层:气温随高度增加而增加的气层，即r < 0 或r =0，称为逆温层，等温层可视为逆温层
的一个特例。
大气近地面层空气的温度的变化主要受地面长波辐射的影响。大气温度层结一般是r > 0 ，但在特定的条件下，也会发生r < 0或r = 0的现象，即发生了逆温或等温现象。
根据大气稳定度分析，发生逆温时，大气是稳定的。逆温层的存在，大大阻碍了气温的垂直运动，所以也将逆温层称为阻挡层。
污染气体多积聚在逆温层下面，往往导致严重大气污染。 .
逆温的类型：根据逆温生成的过程，可将逆温分为（1）辐射逆温、（2）下沉逆温、（3）平流逆温、（4）锋面逆温、（5）湍流逆温等五种。其中辐射逆温和平流逆温与大气污染的关系最密切。 辐射逆温：在晴空无云（少云）的夜晚，当风速较小（< 3m/s ）时，地面因强烈的有效辐射的减少而很快冷却，近地面气层冷却最为强烈，较高的气层冷却较慢，因而形成了自地面开始逐渐向上发展的逆温层，称为辐射逆温。以冬季最强。
4
223SO H O H SO →+??????→??→??→?+422332M 222M 2SO H O H + SO SO +HO O + HOSO HOSO SO OH z T g a d ?-=γγ
辐射逆温的生成过程见图（第39页图2-8）。
4.4不同温度层结下的烟型 翻卷型烟型 平展型烟型 上升型烟型
4.5大气的水平运动：大气的水平运动对于大气污染物的第一个作用就是输送作用，第二个作用是对污染物浓度的冲淡稀释作用。
产生大气运动的5种外力：水平气压梯度力、重力、摩擦力、地转偏向力和惯性离心力。
水平气压梯度力：大气在大气气压场中要受到气压场的作用，我们将单位质量空气在气压场中受到的作用力称为气压梯度力。其中，水平方向的气压梯度力被称为水平气压梯度力，它是大气水平运动的主要动力。
4.6 大气湍流：大气的上下左右无规则摆动运动称为大气湍流（大气乱流）。
成因：（A ）由于垂直方向温度分布的不均匀性引起的热力湍流，它的强度取决于大气稳定度。（B ）由于垂直方向上风速分布的不均匀性和地面粗糙度引起的机械湍流， 它的强度取决于风速梯度和地面粗糙度。
作用：湍流具有极强的扩散能力，风速越大，湍流越强，污染物的扩散速度就越快，污染物的浓度也越低。
4.7 影响大气污染的地理因素
影响大气污染的主要地理因素有：（1）地形和地物的影响（2）局地环流（包括山谷风，海陆风和城市热岛环流）的影响。
A 、地形地物的影响（1）山脉（2）高大建筑物：在建筑物背风面局部形成涡流。
B 、局地环流的影响：由于地形的差异，往往会造成地表热力性质的不均匀性，进而形成各种局地环流，局地环流的形成对当地的大气污染的形成作用较为明显。
城市热岛环流：由于城市温度经常比农村高(特别是夜间)气压比乡村低，所以可以形成一种从周围农村吹向城市市区的特殊的局地风，称为城市热岛环流或城市（郊）风。这种风在市区汇合就会产生上升气流。因此，若城市周围有较多产生大气污染物的工厂，就会使污染物在夜间向市中心输送，造成严重污染，特别是夜间城市上空有逆温层存在。
产生城乡温度差异的主要原因:(1)城市人口密集、工业集中，能耗水平高(2)城市覆盖物(如建筑、水泥路面等)热容量大，白天 吸收太阳辐射热，夜间放热缓慢，使低层空气变暖(3)城市上空笼罩一层烟雾和CO2，吸收地面长波辐射。
第5节 大气污染物扩散模式
有界大气扩散：大气污染物排放源多位于近地面或接近地面的大气边界层，因此，污染物在大气中的扩散多在边界层中进行，并受到地面的影响，我们称这种大气扩散为有界大气扩散。
5.1 一般高斯扩散模式
高斯(Gaussion)扩散模式是大气扩散模式中最为著名和应用最广泛的大气扩散模式，其中，点源高斯扩散模式又最为常用。
1、高斯扩散模式的坐标系:原点为地面源排放点或高架源排放点在地面的投影点，x 轴向为平均风向, y 轴在水平面上垂直于x 轴，正向在x 轴的左侧，Z 轴垂直于水平面oxy ，向上方为正向，即为右手坐标系。
2、高斯扩散一般模式成立的假设条件：A 污染物浓度在y 轴和z 轴上的分布符合正态分布；B 在全部空间中风速是均匀和稳定的；C 源强是连续均匀的（mg/s ）；D 污染物在扩散过程中质量是守恒的，化学性质是稳定的，不发生沉降现象；E 排放源周边地区较平坦开阔
3、高架连续点源高斯扩散模式及几种常见的形式
(1) 高架连续点源高斯扩散模式的一般形式：
式中：Q 为污染源的源强（mg /s ）；H 为有效烟囱高度(m)；U 为烟囱实际高度处的平均风速(m/s)；δy,δz 为y 轴和z 轴上的扩散系数（即污染物浓度在y 轴和z 轴上正态分布的标准偏差）；C (x ,y, z, H) 为污染源下风向任一点(x, y, z) 处的污染物浓度(mg / m3 )。 几种特殊形式 (1) 下风向地面任何一点的污染物浓度 (z = 0)
]}2)(exp[]2)(){exp[2exp(2);,,(22
2222z z y z y H z H z y U Q H z y x C δδδδδπ+-+---=)22(exp[);0,,(2222z y z y H y U Q H y x C δδδδπ+-=
(2) 下风向烟流中心线地面任何一点污染物浓度 (z = 0, y = 0)
(3)地面轴线最大污染物落地浓度
出现地面轴线最大浓度点时的Z 轴的扩散系数为δz ∣x C max = H/ 将上式代入到地面轴线浓度计算公式, 可得出 (4) 地面连续源高斯扩散模式 令高架连续点源高斯扩散模式的一般形式中的H = 0, 便得到地面连续源在其下风向任何一点(x, y,
z)的污染物浓度值计算公式： 由以上地面连续源高斯扩散模式，可得出地面源的地面任何一点（x, y, 0）和地面轴线上任何一点
（x, 0,0）的污染物浓度扩散模式： 5.2 TSP 扩散—沉积模式（高斯倾斜烟流扩散模式）
在以上一般高斯模式中，认为颗粒物的粒径小于10微米，因此，其沉降作用可以忽略。当颗粒物的粒径大于10微米时，颗粒物除了随平流场运动以外，还由于重力下沉作用，使得烟羽的中轴线逐渐向地面倾斜，为了反映颗粒物的沉降作用，必须在以上一般高斯扩散模式基础上加以修改，即得到高斯倾斜烟流扩散模式。 其中，α为可沉降颗粒物(10~100um )在TSP 中所占的比重，0< α <1；vs 为颗粒物沉降速度， vs 由斯托克公式计算： VS = 式中： ρ：颗粒物的密度(g/cm3) ；g ：重力加速度(980cm/s )；d ：颗粒物平均粒径（cm ） ； u ：空气的粘滞系数（1.8×10-2g/m·s ）
5.4 高斯扩散模式中各参数的估算
1、有效源高（烟羽的有效高度）：从烟囱中排出的烟气，由于具有一定的向上初始速度和高于周围大气的温度，因此，排出后，烟气将会上升。
有效源高：指烟囱本身的高度与烟气抬升高度之和： He = Hs +△H
2、影响烟气抬升高度的因素
（1）烟气的抬升首先决定于具有的初始动能和浮力：初始动能决定于烟囱的内直径和排气速度；浮力决定于烟气与周围大气的温度差。 （2）烟气的抬升决定于烟气与周围大气混合的速率
烟气与周围大气混合的越快，烟气所具有的初始动能和热量损失的也越快，从而抬升的高度也越低。决定烟气与周围大气混合速率的主要因素是周边大气的平均风速和湍流强度，平均风速越大，湍流强度越强，混合就越快，烟气抬升的就越低。
（3）温度层结的影响：稳定的温度层结对烟气抬升有抑制作用。
3、烟气抬升高度计算公式
估算烟气抬升高度的方法很多，下面介绍几种由现场观测资料分析总结的几个最常用的烟气抬升高度经验计算公式.
A ． 霍兰德公式
根据3个电厂的烟囱的实测资料数据为依据推导出来的经验公式。一般认为适用于中小型工厂的烟囱在大气稳定度为中性的情况，计算烟气抬升高度。霍兰德认为如大气稳定度为不稳定时，应将计算结果增加10-20%，稳定时则应减少10-20%。霍兰德公式曾风靡一时， 但现在许多人认为该公式计算的结果往往偏低。
霍兰德公式表达式一：H = )
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z y z UH Q eUH Q H x C δδδδπ?=?=22m ax 234.02);0,0,()2exp()2exp()0;,,(2222z
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7.25.1(d T T T u d
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式中 H ： 烟气的抬升高度(m )；VS ： 烟囱气体排出的速度(m/s )； d ： 烟囱的出口处直径(m ) ；u ： 烟囱口高度的平均风速(m/s )；TS: 烟气的绝对温度(k )；Ta ：周围大气的绝对温度(k ) 霍兰德公式表达式二 H = 1.5 d + 其中，Qh 为烟气热排放速率(J/s ) ，在不同高度的风速，一般按照以下公式估算：u = α·v0 其中， v0 指距地面10米处的平均风速，α是修正系数，具体值见下表 .
B. 摩西——卡森公式
适用于大型烟源（排放烟气热量大于8.36 ×106J/s ）, 有风（u s > 1m/s ）的情况下，计算公式为： H = 式中：
为排放烟气热量(J/s)；C1和 C2为系数，是大气稳定度的函数，见下表。
C ．布里格斯公式
适用于静风条件下（ux <1m/s ），霍兰德公式不适用，这时需采用布里格斯公式： H = 1.4
式中：ΔT/ΔZ 为大气竖向温度梯度(℃/m)，一般白天取0.003℃/m ，夜晚取0.01℃/m.；QH 为排放烟气热量(J/s)
4、大气稳定度的划分
大气稳定度是影响污染物在大气中扩散的一个十分重要的因素。
大气处于不稳定状态，气流上下运动强烈，烟气扩散迅速，地面上空不易聚集污染物；大气处于稳定状态，一般出现逆温层，烟气不易扩散，污染物积聚在地面上空，形成严重的大气污染。 在高斯扩散模式中，直接受到大气稳定度影响的参数为扩散系数δy,δz 。
目前用的较多的大气稳定度分类有帕斯奎尔法(Pasquill)和吕查得松 (Richardsm) 法。
帕斯奎尔法(Pasquill)：帕斯奎尔根据地面风速、日照量、云量等参数，将大气的稳定度从极不稳定到稳定划分为A 、B 、C 、D 、E 、F 六个稳定度级别。A 为极不稳定，B 为不稳定，C 为弱不稳定，D 为中性，E 为弱稳定，F 为稳定。A 一B 表示按A 、B 级的数据内插。夜间前后各1小时作为中性，即D 级稳定度。夜间定义为日落前l 小时至日出后l 小时。
该方法根据一般的气象参数确定大气稳定度等级，应用较方便。此方法只适合开阔的平原地区。城市因地面粗糙度较大和有热岛效应，不适用。帕斯奎尔稳定度级别划分表（第52页）
5、 扩散系数δy,δz 的估算
扩散参（系）数δy,δz 是高斯扩散模式中重要的参数。扩散参（系）数δy,δz 是由污染源到下风向计算点在x 轴上距离x 和大气稳定度共同决定的.目前确定扩散系数δy,δz 最常用的方法包括:(1)帕斯奎尔模型法
(2)帕斯奎尔-吉福德曲线法（即P-G 曲线法）(3)我国国标中规定的方法 A ．帕斯奎尔模型法
δy = (a1 ln x +a2) x δz = 0.465 exp (b1 + b2ln x +b3 ln2x)
式中 x : 距污染源下风向的距离（m ）;a1, a2, ,b1, b2, b3 分别是大气稳定度的函数，为常数.
Q 4/1H Q 83)(-???Z T ?u V S u
Q H ??-31056.9x
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第6节环境标准
6.1 环境标准的定义
环境标准是有关控制污染、保护环境的各种标准的总称。它是国家为了保护人民身体健康，促进生态的良性循环，根据环境政策和法规，在综合分析自然环境特征、生物学毒理实验，污染控制的经济能力和技术可行性的基础上，对环境中污染物的允许含量及污染源排放污染物的数量和浓度所作出的规定。
环境标准是进行环境监督、环境监测和实施环境管理的重要依据。
6.2 环境标准的发展概述
环境标准的建立和发展在一定程度上反映了一个国家环境保护法律建设状况和社会经济发展水平。英国工业革命发展最早，环境污染对其影响也较早，早在1863年，英国为了防止大气污染就制定了世界上第一个附有污染物排放量限制的法律《碱业法》。20世纪中叶，随着震惊世界的环境污染事件接连在工业发达国家发生，这些国家认识到了需要采用立法的手段来防止环境污染，环境标准也就随着环境法的建立而不断发展。环境标准和环境法密切相关。
我国随着第一次环境保护会议在1973年的召开，环境法的建立和环境标准的建立逐步得到重视。1973年制定了我国第一个环境标准《工业三废排放试行标准》。1979年，全国人大通过了《中华人民共和国环境保护法》（试行）之后，我国环境保护事业进入了一个新阶段.上个世纪80年代，相继制定了大气、地表水、地下水、饮用水、噪声等一系列的环境保护法规和相应的环境标准。90年代制定了固体废物防治法和相应的环境标准。
6.3环境标准体系
按照环境要素分：大气、水、噪声、土壤、环境质量标准。
按照用途分：环境质量标准、污染物排放标准、污染物控制技术标准、污染警报标准等。
我国环境标准分类:(1) 环境质量标准(2) 污染物排放标准(3) 环境监测、分析和统计方法标准(4)环境监测样品标准(5)环境保护基础标准
环境质量标准：是各类环境标准的核心，是对各环境要素中主要污染物的最高允许浓度值作出的限制性规定，是进行环境管理的依据。
污染物排放标准：是以实现环境质量标准为目标，对污染源排入环境中的污染物浓度作出的限制，是控制污染物排放量的依据，也是环境管理部门执法的依据。
我国环境质量标准一般分为3级，一级要求最高，也最严格，达到一级的地区的环境质量最好。第267页的大气环境质量标准和第273页的地面水环境质量标准。同样，一类环境质量地区的环境质量最好，如国家自然保护区、风景游览区等.
6.4 环境质量标准制订的原则
(1) 科学性: 以环境基准为主要依据.
(2) 可行性:经济和技术水平是决定各国环境质量标准不同的原因。
环境基准: 通过对环境中各种污染物浓度对人体、生物的危害影响进行综合分析，必要时进行生物毒理学实验和流行病调查，来分析污染物剂量与环境效应、人群健康之间的相关性。通常将这些相关性研究的结果称为环境基准。
环境基准和环境标准的区别
环境基准：是科学实验和社会调查的研究结果，是环境污染物与特定对象之间―剂量—反应‖关系的科学总结，不考虑社会、经济和技术等人为因素。
环境标准：环境标准是以环境基准为依据，考虑社会、经济和技术等人为因素，经过综合分析而制定的，并由政府颁布的具有法律效力的法规。
作业：
1、有一个火力发电站，烟囱高度为100m，烟囱的出口直径为5m，烟气的排出速度为：13.5m/s，烟气的温度为114℃，周围大气的温度为15℃，烟气出气口平均风速为4m/s，利用霍兰德公式求烟气的抬升高度和有效源高。
2、某一高架连续点源烟囱的有效源高为180m，排烟量为4.1×104m3/h，排烟中的SO2浓度为1000cm3/m3，烟囱口处的平均风速为5m/s，在发生地面轴线最大浓度公式中的δy = δz=7m，求该高架源在地面轴线上的最大落地浓度是多少（mg/m3）？（1摩尔二氧化硫为64克，22.4升气体为1摩尔）
3、某火力发电站有一个高度为60m的烟囱，排出的SO2为800kg/h，烟囱的出口直径为3m，地面10m处的平均风速为4m/s，烟气的出口速度为20m/s，烟气温度为130℃，空气温度为10℃，求在大气稳定度为中性的情况下，地面轴线上可能出现的最大浓度及最大浓度点距发电站的距离。
第三章水体环境及水体污染
第一节水体环境和水体污染概述
1、天然水在环境中的循环
自然界（全球）水分循环：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。降落到陆地的水分：（1）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；（3）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、湖泊流入海洋，再经水面蒸发进入大气圈。
2、天然水的化学组成
天然水中的溶质成分可大略地分为5组：
1）溶解气体：O2、CO2、CH4、H2S等；2）主要离子：阴离子---Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-阳离子----K+、Na+、Ca2+、Mg2+；3）微量元素：天然水中含量低于10-3%的阴离子（如I-、Br-、F-）、微量金属离子及放射性元素等；4）生源物质：在成因上与生命活动有关的物质，主要是N、P化合物；5）胶体：无机胶体和有机胶体。（SiO2·H2O，Al2O3 ,腐殖质胶体）;此外，还有悬浮物（如细菌、藻类、原生动物、泥沙、黏土及其它不溶物质）。
3、水体和水体污染的定义
水体：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，它是地表被水覆盖的自然综合体。
水体污染：指主要是由于人类活动排放的污染物进入水体中，使水和水体底泥的物理、化学性质或生物群落组成发生变化，从而降低了水体的使用价值，这种现象称为水体污染。
水污染典型案例-----花江水环境污染
起因：2005年11月13日，中石油吉林石化公司双苯厂发生爆炸事故，造成大量苯类污染物进入松花江水体，引发重大水环境污染事件。约有100吨苯类污染物进入松花江水体，苯类是对人体健康有危害的有机物
影响：哈尔滨停水四天，引起市民恐慌，400万市民抢购饮用水和食品，更有人决定离市避难. 水污染典型案例--太湖无锡蓝藻事件
4、水体污染物质的来源
水体污染来源一般分点源和面源两种形式。
点源主要指工业污染源和生活污染源，其变化规律服从工业生产废水和城镇生活污水的排放规律，即季节性和随机性。
面源主要是农村污水和灌溉水，农田施用化肥和农药，灌溉后排出的水经径流中含有化肥和农药，对水生生态系统影响较大，如富营养化和农药污染等。
（1）工业废水：工业企业在生产过程中排出的废水，包括工艺过程用水、机械设备冷却水、烟
气洗涤水、设备和场地清洗水及生产废液等。不同类型的废水含有不同的污染物，会造成不同的污染效应，如采矿、选矿及金属冶炼废水会造成重金属污染；而造纸废水排放的造纸黑液（在生产中最后排出原料中的非纤维素部分）有机污染。
（2）生活污水：人们日常生活中产生的各种污水的混合液。
（3）农业退水：农作物栽培、牲畜饲养、食品加工等过程中排出的污水和液态废物、农药和化肥。
5、水体污染的主要化学污染物
排入到水体的化学污染物可以分为四大类型：（A）无机无毒物（B）无机有毒物（C）耗氧有机物（D）有机有毒物
(A)无机无毒物
酸：矿山排水、冶金和金属加工酸性洗液排入水中
碱：制碱业、碱法造纸、制革业废水
氮、磷：生活污水、农田排水，造成水体的富营养化污染。
(B)无机有毒物
重金属（汞Hg、铅Pb、砷As等）：排入到水中不易消失，毒性强. 汞产生毒性的浓度：0.01-0.001mg/L, 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。甲基汞可以通过胎盘屏障，因此当孕妇摄取富含甲基汞的鱼、贝类，可使胎儿在胎内接收过量的甲基汞，出生后则成为胎儿性水俣病患儿
氰化物：氰化物是指含有氰基(CN-)的化合物，为剧毒物质。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，制药等各种工业废水。水体中含氰化物0 .1mg／L能杀死虫类，0.3-0.5mg／L时，鱼类中毒死亡。
(C)耗氧有机物：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，故称耗氧有机物。
水中DO耗尽，有机物又被厌氧微生物分解，产生甲烷（CH4）、硫化氢（H2S）、氨（NH3）等恶臭物质，使水变质发臭。
耗氧有机物通常以BOD5表示，一般，BOD5低于3mg/L时，水质较好；达到7.5mg/L时，水质不好；大于10mg/L时，水质已经很差，鱼类已不能生存。
(D)有机有毒物
(1) 酚类化合物：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。酚类属于可被降解的有毒有机物。规定饮用水挥发酚浓度小于0.001mg/L，水源水的最大允许浓度是0.002 mg/L，地面水最高允许浓度为0.01 mg/L。
酚：羟基直接与芳香环相连的化合物叫做酚。
（2）有机农药：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，大部分通过降雨与径流进入水体。我国在1983年明令禁止生产和使用DDT和六六六。
（3）多环芳烃(PAH)：多环芳烃（分子中含有一个以上苯环的化合物称为多环芳烃），由石油、煤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，或通过废水直接排放进入水体。多环芳烃是重要致癌物质。
（4）多氯联苯(PCB)：多氯联苯是联苯上的氢被氯置换后生成物的总称。多氯联苯广泛用于电器绝缘材料等，是一种稳定性极高的合成化学物质。进入肌体不易排泄，会引起皮肤和肝脏损害。随着水体水分循环，PCB污染已成为环境污染影响最具代表性的物质。
联苯：多环芳烃的一类，苯环间以单一化学键相连，如二甲基联苯。
POPs 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，对人体和环境产生毒性影响的有机污染物。
一．POPs的种类：如DDT，多氯联苯、二恶英
二．POPs的基本特征:A．持久性B．生物积累性：低水溶性，高脂溶性C．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，又不永久停留在大气中，可重新沉降在地表。D ．高毒性
（5）洗涤剂：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的恶劣影响。
洗涤剂对水体污染表现为：
一是当水体中含洗涤剂达到0.5mg／L时，水面上将浮起一层泡沫，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>10mg／L时鱼类就难以生存.
二是洗涤剂中均含有以磷酸盐为主的增净剂，因而可导致水体的富营养化，使水体恶化，变质；三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，使水生动物丧失生存本能。
6、水体水质污染指标
表征水体污染指标项目较多，可分为三大类：
第一类：物理性水质指标:A．感官物理性状指标：如温度、色度、嗅味、浊度、透明度等。B．其它物理性状指标。如悬浮固体、电导率等。
第二类：化学性水质指标:A．一般的：pH、碱度、各种阴阳离子等。B．有毒污染物浓度：重金属、氰化物、多环芳烃。C．耗氧有机物含量指标：COD、BOD、TOC 等。
第三类：生物学水质指标:细菌总数、总大肠杆菌数、各种病原细菌和病毒。
耗氧有机物污染指标
（1）生物化学需氧量，简称生化需氧量（BOD，Biochemical Oxygen Demand）:指在好气条件下，水体中有机物经微生物分解成CO2和H2O的过程所需消耗溶解氧的量。它是间接反映水体中耗氧有机物污染的最常用指标之一.BOD愈高，表示水体中耗氧有机污染物愈多。微生物分解有机物是一个缓慢的过程，完全分解一般需要20天以上.目前，通常采用在20℃培养5天测定的耗氧量为标准，记为BOD5，研究认为，BOD5约为总BOD的70%。
（2）化学耗氧量（COD，Chemical Oxygen Demand）：指在规定的条件下，使单位体积(1升)水样中的有机物被氧化所需要消耗的氧化剂的量。可以反映水体中有机污染程度。测定方法有高锰酸钾法（KMnO4）和重铬酸钾法(KCr2O7)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法）.以高锰酸钾做氧化剂测得的值也称高锰酸钾指数。
BOD5 < COD; BOD < COD
耗氧有机物生化氧化作用的2个阶段
第一阶段：氧化阶段，有机物转化为二氧化碳、水和氨
第二阶段：硝化阶段，主要是氨进一步被转化为亚硝酸盐与硝酸盐。该步反应在第一阶段反应开始10天以后才开始进行。
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。（3）总有机碳（TOC，Total Organic Carbon）：包括水中所有有机物质的含碳量，是评价水体有机污染的一个综合指标。可用红外吸收法或TOC仪快速测定。
（4）总需氧量（TOD，Total Oxygen Demand）：指把水体有机物中的碳、氮、硫、氢等元素全部氧化时所需氧的总量。
第二节污染物在水中的扩散
1、污染物在河流中的混合输移过程
自然界不同的水体运动的规律不相同，因此，排入到河流、湖泊、河口和海湾等水体的污染物的扩散规律是不同的。下面介绍河流中污染物的扩散规律。
（1）污染物的混合过程
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）：
竖相混合区（水深方向）横向混合区（河宽方向）纵向混合区（水流方向）
A、竖向混合区：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。一般由于河深度
比宽度小，所以污染物排入河流后，在比较短的距离（时间）内就达到了在竖向的均匀混合。在进行竖向混合时，同时也进行着横向混合过程。
B 、横向混合区：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，这个阶段所需要的距离长的多。
C 、纵向（河流方向）完全充分混合区：是从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。这一阶段河流任一断面上的污染物浓度是相等的，但沿河流方向不同断面上浓度值是变化的。
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简单的一维河流水质模型。
三维河流水质模型：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3个方向的污染物浓度的变化的模型。
二维河流水质模型：仅考虑沿河流横断面方向和河流水流方向2个方向（X ，Y 轴方向）的污染物浓度的变化的模型。
一维河流水质模型：仅考虑在河流水流方向1个方向（X 轴方向）的污染物浓度的变化的模型。
（2）污染物的输移过程
污染物进入河流后，会产生两种运动方式：：推流（平流）和非推流。
推流：污染物在河流流速的推动下，沿着水流方向运动的现象。只改变水体中的污染物位置，并不降低污染物浓度。
非推流运动包括两种形式的质点和水流之间的相互混合，即扩散和弥散，它们可以降低污染物的浓度。
3、污染物的衰减和转化
进入水环境中的污染物可分为：保守物质和非保守物质。
保守物质：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，并由于分散作用降低其初始浓度，但并不因此改变其总量。重金属、很多高分子有机化合物属于保守物质。
非保守物质：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，由于分散作用降低其浓度，还由于自身的衰减或化学反应使其总量不断减少。如可以生化降解的有机污染物。
第三节 河流的水质模型
3.1 三维河流水质模型到一维河流水质模型
(1) 稳态的定义:稳态的概念在简化复杂的水质模型方面十分重要，所谓的河流污染研究中的稳态的含义包括水力学状态的稳态和水质状态的稳态2个方面。
水力学状态的稳态：（A ）河流处于稳定的流动状态，即流速不变。（B ）均匀的河道，整个河道的河道条件和水文条件均一。
水质状态的稳态:（A ）污染源的源强不变（B ）污染物完全混合后，污染物在某一空间位置（断面）的浓度不随时间的变化而变化，即在时刻t1, 某一空间位置的浓度为C ，在时刻t2, 该位置的污染物浓度仍为C 。
(2) 河流三维水质方程
式中：c: 污染物浓度;Vx, Vy , Vz ： x, y, z 三个方向水流的速度分量;DX, DY , DZ ： x, y, z 三个方向污染物的扩散系数;S(x,y,z,c,t) 由于沉淀、吸附作用引起的污染物的衰减
(3) 稳态河流一维水质模型: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，可由三维水流运动方程和稳态条件得出.
在稳态假设条件下：Vx, 不变
某段河段DX 为常数 )
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一级衰减 k1：污染物衰减系数 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 可以得出一维水质模型： 二阶的偏微分方程， 在边界条件（结合初始条件）：
以上方程的解为： exp=exponent （指数函数）; 可按下式计算：
Q: 河流流量;q: 排入河流中的污水的流量;C1: 河流中污染物的本底浓度;C2: 污水中的污染物的浓度 在扩散作用忽略不计的情况下，即 = 0 = 例题分析：向一条河流稳定地排放污水, 污水量q = 0.15m3/s, BOD5浓度为30mg/L, 河流流量Q =5.5m3/s, 流速 ux = 0.3m/s, BOD5本底浓度为0.5mg/L, BOD5的衰减速度常数 K=0.2d-1, 纵向弥散系数Dx =10m2/s, 问排放点下游10km 处的BOD5浓度?
3.2河流中耗氧有机物降解和溶解氧补充及BOD-DO 耦合模型
1、 耗氧有机物的生物降解
河流中的耗氧有机物由于生物降解所产生的浓度变化可用一级反应式表达：L = L0 e-K t= L0 exp(-kt)
L ：t 时刻的耗氧有机物量; L0 ：初始时刻的耗氧有机物; K ：耗氧有机物降解速度常数。 对上式求导数，可得： 该式即为菲尔甫斯定律：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染物的量成正比。
如果以生化需氧量（BOD ）表征河流的耗氧有机物的量，则BOD 降解速度常数可由下式估算：
LA ， LB 河流上游断面A 和下游断面B 的BOD 浓度 t ： A,B 断面间的流行时间 2、大气复氧
复氧过程（再暴气过程）：耗氧有机物排入到河流中，当有机物耗氧作用使得水中的溶解氧下降到饱和浓度值以下，水体便从大气中吸收氧气，以补充水中消耗的氧，这一过程称为复氧过程。 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溶解氧的量成比例，即可用下式表示： ka ：复氧系数 D ：氧亏值 Os ：水中溶解氧的饱和浓度 O ：水中溶解氧的实际浓度 菲尔甫斯进一步给出了氧亏值D （即饱和溶解氧量减去某一时刻溶解氧量）变化的速度方程： 该式表明：水体中的氧亏增加速度是耗氧速度和复氧速度的代数和。
kdL 代表耗氧反应，它所造成的氧亏的增加与剩余耗氧有机物的量（BOD ）和耗氧速度常数成正比；kaD 代表复氧反应，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。某一时刻的氧亏越大，溶解氧恢复的速度也越快，则氧亏增加的速度就越慢。
饱和溶解氧浓度CS 受温度、气压、水中离子盐度及悬浮物含量等的影响，计算公式很多。
在101.32kPa 压力下，淡水中的饱和溶解氧的计算公式： T ：温度（摄氏温度） c k S ?-=→10=??→t c 0122=-???-???c k x
c v x c D x x 0
00=∞→=→=c x c c x )]411(2exp[210x x x x x v D k D v x c c ?+-??=q
Q c q c Q c +?+?=
2100c x D x c 0c )
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k ?-L
k dt
dL
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A L L t K ?=D k O O k dt dO a s a ?=-=)(D k L k dt
dD a d ?-?=T
C S +=6.31468
3、简单河段的S-P 水质模型（BOD-DO 耦合模型）
简单河段：指只有一个排污口的河段。在研究单一河段时，一般把排放口置于河段的起点，即定义排放口处的x 向坐标x ＝0。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，是研究各种复杂模型（如多排放口河流）的基础。
美国科学家H ．W ．Streeter （斯特里特）和E. B. Phelps （菲尔普斯）在研究美国Ohio 河的污染与自净作用时，首次建立了BOD-DO 耦合模型，即通常所说的Streeter-Phelps 模型（简称S-P 模型）。在此基础上出现了各种S-P 模型的修正式，使模型的内容和形式越来越复杂。
S-P 模型描述一维稳态河流中的BOD-DO 的变化规律。在建立S-P 模型时，提出如下基本假设：
（1）河流中BOD 的衰减和DO 的复氧都是一级反应；（2）耗氧的原因仅是由BOD 衰减反应所引起的；（3）河水中DO 恢复的速率与水中的氧亏成正比，并只考虑大气复氧作用；由此，耦合模型可写作：
L ------河水中BOD 值；D ------河水中的氧亏值； Kd-----河水中BOD 衰减（耗氧）速度常数；Ka----河水中复氧速度常数； t-------河段内河水的流动时间
在边界条件L(0)=L0，D(0)=D0时，其解析解为： 式中： D 式表示河流水中的氧亏变化规律;L0-----河流起始点的BOD 值;D0------河流起始点的氧
亏值
如果以河流的溶解氧来表示，则：
式中，O----河水中的溶解氧值；OS ---饱和溶解氧值。
根据S-P 氧垂公式绘制的溶解氧沿程变化曲线称为氧垂曲线。
在很多情况下，人们往往希望找到溶解氧浓度最低的点—临界点，也就是氧亏值最大的点，很显
然，这时氧亏值变化速率应为0，临界点的氧亏值（Dc ）的计算公式为： 式中：tC ---由起始点到达临界点的流动时间。 第四节 水体富营养化（Eutrophication ）（Naturification ）
4.1 水体富营养化定义
1、定义：在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡的现象。
富营养化是水体衰老的一种表现，也是湖泊分类与演化的一个指标。在自然条件下，湖泊也会从贫营养状态过渡到富营养状态，沉积物不断增多，先变为沼泽，再变为陆地。不过这种自然过程非常缓慢，需几千年甚至上万年。而人为排放含营养物质的工业废水或生活污水所引起的富营养化现象，可在短时期内出现。
水体出现富营养化现象时，浮游生物大量繁殖，因占优势的浮游生物的颜色不同，水面往往呈蓝色、红色、棕色、乳白色等，这种现象在江河湖泊中称为―水华‖，在海中则称为―赤潮‖。
滇池，从1985年开始，年年出现蓝藻暴发，不仅失去了原有的美学价值，而且还成为威胁人们健康的污染源
2、贫营养化和富营养化湖泊特征的比较
方程
方程DO D K L K dt dD BOD L K dt dL a d d .....................................................-=-=t K t K t K d a d t K a a d d
e D e e K K L K D e L L ----+--==00
0][氧垂公式P S e D e e K K L K O D O O t K t K t K d a d S S a a d -----=-=---...........][00C
d t K a d C
e L K K D -=0
4.2 富营养化形成的条件
大量排入的营养元素。天然水体中磷和氮的含量在一定程度上是浮游生物数量的控制因素。生活污水和化肥、食品等工业的废水以及农田排水中都含有大量的氮、磷以及其他无机盐类。
多数研究者认为，氮磷等营养元素浓度升高是藻类大量繁殖的原因，其中又以磷为关键因素。在富营养化水体中磷含量的高低决定着藻类繁殖速度和富营养化程度。
4.3 营养元素氮在水体中的转化
水体中的含氮化合物包括有机氮和无机氮两大类。含氮有机物包括蛋白质、氨基酸和尿素等，主要来自农业废弃物和城市生活污水。无机氮包括氨氮、硝态氮和亚硝态氮，其一部分来自农田退水和工业废水，一部分是有机氮经微生物分解而成。
含氮有机物在水中的降解主要包括氨化过程和硝化过程。氨化的产物是NH3和NH4+，硝化过程的产物是硝酸盐，他们都可以被植物吸收。
在缺氧的情况下，一些厌氧细菌可以把NO3-转化成气体的N2O和N2，又回到大气中，即反硝化作用。
4.4 富营养化判别指标和标准
目前一般采用的指标（判断标准）是：当水体中磷含量大于0.01~0.02 mg/L，BOD大于10 mg/L，表征藻类数量的叶绿素-a含量大于10微克/升时，湖泊为富营养化。
美国的吉克斯塔特提出的水体富营养判别指标和富营养等级。
4.5 湖泊富营养化营养物质负荷模型(湖泊富营养化完全混合箱式水质模型)
湖泊富营养化完全混合箱式水质模型最早是由沃伦威德尔在研究北美大湖时研究提出的。
箱式模型把输入湖泊的某一水质组分的总量、湖泊中该水质组分的浓度与湖泊的自然特征，如平均水深、水流停留时间等建立关系。
湖泊箱式模型并不描述发生在湖泊内的物理、化学和生物学过程，同时也不考虑湖泊和水库的热分层。箱式模型只是从宏观上研究湖泊、水库中营养物质平衡的输入一产出关系的模型。它不属于机理模型。
A、沃伦威德尔模型
对于影响物质进入湖泊并停留时间很长、水质基本处于稳定状态的湖泊和水库，可以被作为一个均匀混合的水体进行研究。沃伦威德尔假设：湖泊中某种营养物的浓度随时间的变化率，是输入、输出和在湖泊内沉积的该种营养物质的量的函数，可以用下述质量平衡方程表示：
引入冲刷速度常数r , 当 若令， 则
tw : 湖泊、水库的水停留的时间（a ）; As ：湖泊、水库的水面面积(); h: 湖泊水库的平均深度
（m ）; Lc :湖泊、水库的单位面积的营养负荷（g /m2·a ） B 、吉柯奈尔—迪龙模型式
沃伦威德尔提出的湖泊营养物浓度预测模型应用的困难在于确定营养物在水库中的沉积速度常数s 。为此，吉柯奈尔和迪龙引入了滞留系数RC 。
滞留系数RC 的定义是营养物在湖泊或水库中的沉积量除以接受量, 某种营养物质在湖中的滞留系数: = 吉柯奈尔—迪龙模型可以写作 给定初始条件
式中： q0j 第j 条支流的出流量 ;c 0j 第j 条支流的营养物质浓度(g/m3);qik 由第k 条支流输入湖库的流量（m3/a ）；c ik 第k 条支流的营养物浓度(g/m3) ;m 流入湖泊的支流数；n 流出湖泊的支流数。
第五节 重金属在水体中的迁移转与环境污染
1、重金属在水体中的污染特征
（1）属于过渡性元素：从化学性质上看，重金属大多属于元素周期表中的过渡性元素，重金属在水环境中的行为具有价态变化较多、配位络合能力强的特点，表现出对生物的毒性效应明显。
（2）重金属在水环境中的迁移转化可分为机械迁移、物理化学迁移和生物迁移三种基本类型。
（3）重金属能被生物吸收，并与生物体内的蛋白质和酶等高分子物质结合，产生不可逆的变性，导致生物体生理或代谢过程的障碍。
2、重金属元素在水体中的迁移类型
1）机械迁移：指重金属离子以溶解态或颗粒态的形式被水流机械搬运，迁移过程服从于水力学原理。2）物理—化学迁移：指重金属元素以简单的离子、络离子或可溶性分子的形式在水环境中通过一系列的物理、化学作用，如溶解-沉淀作用、氧化-还原作用、水解作用、络合与螯合作用、吸附-解吸作用等所实现的迁移。是重金属元素与化合物在水环境中迁移的最重要的形式。3）生物迁移：指重金属通过生物体的吸收、代谢、生长、死亡等过程所实现的迁移。这是一种非常c
r C S V I dt dc C Q V C S I dt dc V c
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r V R I dt dc c c ?--?=)1(t r c c c c e V
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r R I c c c c c p ?-?=?-?=)1()1(∑∑==??-=m
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n j j j c c q c q R 11001入
入出入入出滞留量J J J J J J R c =-=-=1