化学]04第四章水循环.ppt

,第四章 水环境,4.1水循环 4.2水污染 4.3水资源管理,4.1 水循环 4.1.1 历史的回顾 4.1.2 水循环 4.1.3 地球的贮水库,4.1 水循环 地球上的大量物质中，水对生命来说是最重要的一种。水占人体重量的65，水在许多维持生命的过程中起介质作用。水对整个社会的作用是决定性的，不亚于它对人体健康的作用。在运输、发电，粮食生产与加工，制造业和废物的处理中，水的功能是最基本的。如果没有水，这些活动就简直不能进行。,虽然水生生态系统能在有足够时间的条件下，去除其中的一些废物，但是很多物质，例如某些农药一旦进入水生环境就很难被分解。这些污染物存留在水中，不仅关系到人类本身，而且关系到许多依赖清洁水生环境生存的生物。,另外，在未污染的水生腐殖食物中，某些特殊微生物为人们提供了一个不花钱的水净化“设备”。但是在污染的环境中，上述的微生物和其它很多水生生物被消灭了，结果形成了污染，并增加了一些人们不需要的耐污染的水生生物。对于水，我们关心的焦点不仅在于水的质量，而且在于随着人口继续增长，供水能力可能会减小。我们可以从短期干早时所受的苦难，来推想长期缺水所带来的影响。,4.1.1 历史的回顾 浏览一下世界地图可以看出，大部分人类都定居在与河流、湖泊或海洋邻近的地区。这不是一种巧合，它说明人类的文明完全依赖于充足的供水。 通过历史研究，揭示了水在人类文明发展和现代社会进化中的作用。,随着农业的发展，人们发现了灌溉的优越性。在灌溉的土地上生产出多余的粮食，最终促成部落之间的贸易。这些商业上的最初贸易是早期文明的起源。随着文明的发展，产生了城市。 公共供水的概念变得越来越复杂。公共用水最初取自邻近的河流或浅井,后来政府提供经费建设输水道系统，把遥远的水源输送到发展中的城市。 随着文明的发展，水上运输比陆地运输价格低廉。船运货物比骆驼或马队有较大的载量。由于欧洲许多河流是可以通航的，所以欧洲的文明大大超过了地中海地区。 水力的利用标志着工业革命的开始。随后多种用途的蒸汽发动机的发明，彻底地革新了制造业和运输业。,虽然，今天仅有几台蒸汽发动机仍在运转，但是，这种非凡的发动机的接替者汽轮机已在世界范围内多数的电厂中使用。随着电的出现，电厂需要大量的冷却水。甚至当动力转变到以核能和矿物燃料为来源时，水的作用也不会减少。从原始时期至今，水一直是推动人类文明的动力。 在产业革命时期，随着技术的重大进步，在许多新的制造工业中部需要水。,事实上，我们对水的依赖性，近百年中不断地在增加。 4.1.2 水 循 环 数百年来，地球上水的总量实际上是恒定的。每年有很少量的水蒸气从大气层的上部损失掉。但是，这个损失能够通过火山爆发喷出的水蒸汽来补偿。地球上的水以固、液、汽三种状态出现，并且全部分布在海洋、大气和陆地贮库中；表6.1表明地球上水的分布。,表4-1 水在地球上的分布,海洋是最大的贮库，其余大量的水以冰川的形式被固定在南北极和高山的冰川。相对来说，湖泊、河流、地下水，生物和大气中所含的水量是很少的。而我们使用的水是取自其中的很小部分。幸运的是但我们依赖的水资源得到连续不断地更新。 水不停地在这些贮库中转移。这种水的运动方式称为水循环(hydrologic cycle)。如图所示。基本途径简述如下，水从海洋和陆地蒸发上升形成云。雨和雪从云中降落到地面供给河流，河流流入海洋。,空气- 水的相互作用 太阳能维持水循环，使大气层中的水和所有其它水的贮库保持联系。来自太阳的能量通过两个过程：蒸发和升华(evaporation and sublimation)使水从海洋和陆地向大气层运动。在蒸发过程牛，水在低于沸点温度时从液体变成气体。在升华过程中，水不经过液态直接从固体变成气体。当水蒸发或升华时，水从低能级到高能级，因此需要输入能量。这种输入能量是从太阳得到的。,水通过冷凝作用 (Condensation)和沉积作用(deposition)从大气层返回陆地或海洋。在冷凝过程中，水(以微滴的形式)从蒸气变成液体，在沉积过程中，水从蒸气直接变成固体(冰晶)。在这两个过程中，水从高能级到低能级、释放出能量，以雨、雪、小冰球和冰雹形式的降水过程(Processes）是大气中的水从云返回到地球表面的主要途径。 水循环包括水从一个贮库到另一个贮厍连续不断地转移。,这个循环必不可少的作用是水能从气态变成液态、再变成固态。换句话说，由于水汽化(蒸发或升华，水从陆地和海洋向大气层移动，并且由于水冷凝，水从大气层以雨和雪的形式又回到陆地和海洋。这种蒸发、冷凝作用的过程称为蒸馏作用(distillation)。它是自然界水的净化过程。在蒸馏过程中，冷凝的水比它未蒸馏以前纯净，水中悬浮物和溶解的物质（包括海盐)被留下来。通过这种净化机制，水从海洋蒸发出，最后以淡水落到陆地上，补充了陆地上的贮库。,蒸馏作用同样也能净化由于人类活动引起污染的水。 地球和大气之向水的交换依赖于水改变形态的能力和空气含水的能力。从蒸发的概念来说，蒸发是在大气和水体之间的交界面上发生的水分子的连续不断地交换，一些分子离开水表面，以气态形式进入大气，而另一些水分子离开大气，以液态形式返回水的表面。如果进入大气层的水分子比回到水体的水分子多，蒸发作用就产生了,降雨量和地形 由于各种形式的空气流和各种地形之间相互作用的结果，使一些地区降雨量增多，另一些地区降雨量减少：例如，和主导风向成垂直状的山脉实际形成天然屏障，导致降雨量在山的迎风面比背风面大。当空气刮向山脉的迎风面时，气温下降，相对湿度增加，产生降水。降水量是由地形特点引起的，就称为地形性降水量(logographic rainfall) 。可是在山的背风面，气流向下降并变暖，结果相对湿度降低；因此，山脉的两面形成了两个截然不同的气候区。迎风面是潮湿多雨的，而背风面则是干燥的。,在夏威夷州维阿利里山两面情况对比是非常惊人的。山的一面年平均降水量是1170毫米，而山的另一面仅仅是46毫米。在这种情况下，地形性降水导致山脉的两边有明显不同的植物和动物群落，降水量的不同同样直接影响生活供水，庄稼的种类和在周围地区建造居住房屋的类型。 水均衡预测 当水从大气以降水的形式向陆地和海洋输送时，水循环中的一个基本的次循环就已经完成。,关于水循环，通过比较水进出陆地贮库和进出海洋，我们就能了解得更多。水从各种不同的贮库输入和输出的平衡表称为水均衡预测(hydrologic budget)。 表4.2介绍了水均衡预测。从表中可以看出，每年陆地表面的降水量超过蒸发量，而在海洋，蒸发量比降水量大。因此，似乎是陆地年年获得水，而海洋则是年年损失水。可是陆地不是越来越湿润，世界的海洋也不会干涸，其原因是陆地上得到多余的降水，渗入地下，从陆地返回到海洋。,了解这个事实，对认识水污染可能的分布是重要的，因为如果陆地贮库中的水被污染了，最终某些污染物流入海洋。 4.1.3 地球的贮水库 水在从陆地到海洋的循环过程中，在不同时期常常被贮存在地下河流、湖泊或冰川等不同的贮库中。所有这些贮库是淡水的水源。我们现在研究这些宝贵的贮水库的特点和功能，以便能认清开采造成的某些影响。,表4-2 水均衡预测,地下水 降水可通过种种途径达到地表。由于降水的剧烈程度，地形和土壤的物理性质，降到地表的水一部分蒸发，剩余的渗入地下，渗入地下的过程称为渗透或者径流。 向下入渗的水一般地积蓄在地表上层土壤和地壳的岩石层中这个贮水层就称为透气层(zone of aeration)。透气层中有含有水滴和空气的毛细孔隙。多数陆地植物需要的水是由这个贮水带的上层部分土壤含水层(Belt of soil moisture)供给的，,这层的水分通过蒸发损失到大气中和被植物的根不断地吸收：植物吸收的水分最终也通过叶子的毛细孔蒸发损失到大气中；这个过程就称为蒸腾作用(transpiration)。 在重力的作用下剩余的水逐渐向下经过透气层积蓄在饱和带(zone of saturation)在饱和带中，毛细孔隙、岩石和土壤的缝隙完全被水充满这个和带形成地下水库(groundwater reservoir)；透气层和地下水库之间的分界面就称为水位(Water Table）为了提取地下水，井必须钻得相当深，穿透水位伸进饱和带。,水自流的井称为自流井(artesian wells）自流井比其它井有价值，因为不需要耗能就可抽到水。 地下水的自然流程是由渗透层流至河流和海洋等处。这种流动是非常缓慢的，通常是每年15米。因此，地下水可在流畅的，连续不断的路线中流动而不混合。 过量地开采地下水会引起井的干涸。同样严重的是当地下水受污染时，污染物会停留相当长的时间。,河流 不渗入地下也不蒸发，停留在地球表面的水即地表水，成为径流。河溪是水从陆地到海洋的循环过程中所采用的主要途径，水进入河流主要靠陆地上的降雨和冰、雪融化的漫流运动，地下水的渗出、泉水和直接降水也构成河流的流量每一条河流及其支流所流经的固定地理区域称为流域或汇水区。,湖泊 湖泊的出现是由于地形的凹陷。填满这些凹陷的水来自径流或地下水。湖泊一般都有流进和流出的河流，但是也有一些湖泊仅仅有流出的河流。或者仅仅有流进的河流，还有的湖泊既没有流进的河流也投有流出的河流，完全靠地下水补给。,湖泊尤其是大湖是特别诱人的。因为它们提供许多水资源，并在某种条件下还能提供廉价的运输条件。今天在湖泊及其周围发展的各种娱乐活动比以往任何时候都多，所以如何保护好湖泊及周寓的生态平衡，关健在于我们怎样严格地限制对湖泊的进一步开发。,冰川 冰川实际是冰河，它是水循环中径流部分进入海洋而采取的另一条途径。如今冰川构成厂最大的淡水库，但因为实际上它是难以得到的，所以这些资源还没有被利用。冰川覆盖着地球陆地表面的百分之十，其主要分布在南极洲，占全部冰川的百分之八十五，北极的格陵兰(占百分之十一)和一些高山峡谷中(占百分之四）。如果所有这些冰川融化，海洋的水位就会升高大约60米，世界上许多重要城市都将被淹没。,从地球的整个历史行，任何一个冰川的存在部有一个极不寻常的过程。就在过去的一、二百万年期间，冰川交替地扩展和退缩很多次。在九百万年以前， 百分之三十以上的地球陆地表面被冰覆盖。在北美洲，大约3公里厚的冰层覆盖着加拿大的许多地方和美国北部的一些州。 在美国北部，冰川时代给我们留下了一些有价值的东西，成千上万的湖泊，沼泽和泥塘构成了中西部北边的地貌，,这是由于冰川移动产生的巨大作用力切割所形成的。 冰川携带的物质留下丰富的砂子、砾石层矿藏。现在有的成为含水层，而有的被开采作为建筑材料；大草原如中西部中心地区富饶土壤的形成和冰川作用有直接的关系。在整个地质年代中冰川的形成和退缩取决于气候条件。现在虽然冰川的规模大大地缩小了，但是，它仍然是地球上最大的淡水库。,海洋 海洋地球上最大的水库，是所有陆地上水的归宿。无论水是从融化的冰川汇成的涓涓细流，还是通过可渗透的岩层慢慢地渗入地下，或是沿着河渠急速地奔泻而下，最终都流入海洋。从面积上看，海洋是地球表面上最引入注目的部分。它覆盖着整个地球面积的7l，平均深度4千米。与其浩瀚一致的是海洋在环境中的作用非常重要。 海洋是地球上物质和能量亚循环中的一个基本贮库。,物质循环进入海洋后 可能会停留上千年甚至数百万年，才能再次循环出去。由于上述种种原因，海洋是人类活动产生的许多水污染物和空气污染物的最终集结地。由于海洋又向人类提供大量的食物资源，所以研究污染物可能对海洋生态带来的危害是非常必要的。 人们能通过技术从海水中获得盐或淡水，或同时得到盐和淡水。但是经济和技术的能力是开发海水的限制因素，为了满足生活、工业、农业用水的目的，海水淡化在技术上是可行的，但是耗资和耗能太多。,最后，谈谈关于海洋使能量循环的能力和作用。海洋的这个功能表明了地球的供水和太阳及风的相互作用。海流能使地球表面吸收的太阳能量再分配。在大西洋暖流向北极流动，寒流向南极流动。表面海流的循环基本受与海水表面接触的风力来控制。其结果产生了北半球表层海水的顺时针运动和南半球表层海水的逆时针运动。,4.2 水污染 4.2.1 历史的回顾 4.2.2 流域内的活动 4.2.3 地表水的污染 4.2.4 地下水的污染,4.2 水污染 随着我们的技术发展得更加高精尖，排入水体的废物种类也更加复杂。对水资源构成新污染威胁的有诸如商品化肥。农药、清洁剂，痕量金属，排出的酸性矿水，氰化物、放射性物质和工业化学物质等污染物。不仅这些物质本身有危害，而且还能与其它物质起协同作用。,4.2.1 历史的回顾 十八世纪后期，当美国的城市随着工业革命而迅速地发展起来的时候，满街的马粪堆，粪便和垃圾，成为一个令人头疼的问题。垃圾的收集者，通常是由政府实行高薪政策雇用的。他们清扫街道，把垃圾倒进附近的河流。纽约市还特意修建了平台，以便居民能直接把垃圾倒进河里。在1872年已禁止向河流倾倒垃圾，当倾倒废物入海污染了城市的海滨之后，人们又用驳船把废物运到离海岸一段短距离的海面倾倒。,这种倾倒垃圾的做法，加上完全没有卫生的习惯，导致了水生疾病的经常流行。城里人和乡下人同样地惊怕由污染引起的如伤寒，霍乱，传染性肝炎和。 痢疾等疾病的暴发流行流行性病的暴发往往可追溯到受粪便污染的水和食物。 在城市控制这些疾病，开始是用砂子过滤公共供水，后来，自1908年开始，市政生活供水在输出以前往水里投加氯气。,到二十世纪六十年代初，在美国水媒介传染的疾病已经相当稀少。但是，在世界上不发达国家中，这些疾病仍是主要问题。如今在发达国家，人们关心的焦点是关于工业废物和化学污染物的污染。这些物质在供水中的长远影响是那样复杂，以至它们至今尚未完全被人们所了解。但是这些污染物的可见的短期影响向我们提示了它的严重性。,令人鼓舞的是，如今水污染已不再继续任其发展下去，而是采取了措施，得到了控制。某些工业和社区，在最大限度地降低对水体的不利影响方面，取得了一定的成绩。可是也有的工业和社区，似乎要和法庭挑战，而不愿改变他们以往的做法。 4.2.2 流域内的活动 多数水污染问题来源于流域内地面上进行的活动，而不是来源于水面上的活动。,正如在前面解释的，一个流域是一条河流或小溪流经的地理区域。我们可以把流域分成三种类型：天然流域、郊区农业流域和城市工业流域。天然流域是相对未受干扰的地区；郊区农业流域是郊区农业耕种的土地；城市工业流域是城市所占据的土地。对每一种类型的流域来说， 自然过程和人类活动给地表水和地下水都带来了特定的污染物质。天然流域，例如森林，沼泽和草地，一般不存在对水系的污染。,流经这些流域的生态系统的地表水其特点是含有正常浓度范围内溶解的物质。进入水中不同种类的沉积物，空气和活的，及腐烂的生物的接触和作用，有机物被分解，释放出有机酸，使发源和流径沼泽或湿地的河流，通常呈现偏酸性的。 农业地区在几个方面起着使水质质量下降的作用。过量的土壤侵蚀，增加河流沉积物的负荷.,从田间和果园冲刷下来的农药、化肥和动物粪便，径流进入河流或渗入地下水。用这种方式把地区的污染物冲刷下来，被称之为非点源(no point sources)污染。因为污染物来自整个地区，而是来自一、二个集中的污染源。与从污水处理厂和集中排放的工业废弃物的点源(Point Sources)相比，非点源与点源的污染物不同。 因为非点源污染物的浓度相对来说是较低的，并且体积庞大，所以难以控制。,城市工业流域内有大量的点源污染物。尽管来自该流域的大量污染物不再直接排入水系，现代的排污系统对地表水的污染仍起着重要作用。在城市中，混凝土、沥青道路和建筑物使雨水和雪水不能渗入地下，因此增加了径流量。 大暴雨期间，空气，街道和地表受到冲洗，很多污染物，例如：工作液体，泥土，烟尘、油、散热器的冷却剂，撒在道路上的盐和小动物的粪便等通过雨水管系统进入地表水。,4.2.3 地表水的污染 正象前面所叙述的，过去人们的注意力主要集中在水污染后对人体健康的影响，今天人们除了关心人体健康外，还担心水污染会影响水生生物和水生生态系统的稳定性。不仅病原体，而且植物营养、农药、重金属、油、沉积物和过多热量的排放都会使水质遭到污染。,传染媒介 当水中含有水媒病原体(waterborne Pathogens)或病原生物时，水是传播疾病的一种重要媒介。这些病原体可能是病毒，病菌原生动物(单细胞动物)或寄生虫等，会引起象痢疾，伤寒，霍乱和肝炎等疾病。 病原体通过病人，病畜的粪便进入水中，有各种不同的方式进入，如当排污系统超过荷运转或处理厂发生故障时，未加氯消毒的污水，从游船排出污水，从肉类加工厂或直接从游泳者排出的未经处理的污水等。,如果从被污染的地表水汲取供饮用，又未经专门地处理，那么流行病可能会发生。事实上，一种疾病，例如，在一个城镇有伤寒病症出现的话，表明这种病流行的潜在性是存在的。在这段时期内搞好个人卫生是预防疾病和防止蔓延的重要措施。人由于饮用被污染的水或在被污染的水中游泳，或经过食物链吃被污染的食物都能够直接受到传染。,分析水中病原体的存在既费时又昂贵，而且困难。微生物中比较容易鉴定、的一群生物是大肠肝菌。在正常情况下这些微生物存在于人和动物的肠道系统中。水样中存在大量的大肠肝菌?表明了近来水受到未处理的污水的污染。假定水样中存在大肠肝菌，那么可能是从被感染的人体的肠道排泄出来的。 因此，当饮用水中发现大肠杆菌病原体时，市政当局不是采取提高投氯量就是寻找新的水源：环境保护局规定了每100毫升娱乐水体中200个大肠杆菌为上限值。,如果超过这个限度，水体常常被关闭。疾病的流行暴发。可是当大暴雨或地震时，这种处理技术可能被迫中断或完全失败。当我们进一步观察这个问题时，加氯本身可能出现其它污染问题。这个问题的严重性尚未确定。虽然我们已经越来越习惯于依靠水处理系统保护水体，而且在经济上也负担得起。,耗氧废物 大多数水生生物从水中得到被水溶解的氧气。可是这种氧的供应，在水中有机废物被分解时迅速地减少。有机物质的存在促进耗氧分解者。例如，细菌和真菌)的繁殖。这种耗氧分解者能减少氧的供应和水生生物群落，特别是鱼和水生贝壳类动物会因缺氧而死亡。 在未受干扰的水生生态系统中，有机物质(腐殖质)的含量少，因此，分解者分解耗用的氧量也少。,其结果是，在自然条件下，溶解氧的浓度保持着相对的稳定。这个平衡表示自然净化过程的平稳作用。当我们说某一条河有自净能力时，是指它在天然条件下分解和去除有机物。可是多数工业废水和城市污水含有机物质的浓度比较高。这些有机物的存在促进了其分解者的繁殖，并且消耗大量溶解氧（某些无机工业废物同样和溶解氧反应，也能消耗溶解氧)。,由于存在耗氧物质，通过水生生态系统的作用夺走氧，最后导致水生生物消失。所以定义耗氧物质是污染物。这些物质是短期污染物，尽管在冷水中分解的速度显著减慢，但在几周以内几乎完全地被分解。当这些物质完全被分解的时候，水中的溶解氧往往被耗尽（可是多数污水还含有难以分解的有机物质)。,分解者分解一定体积水中的有机物质所需要的溶解氧量叫做生化需氧量 (BOD)。生化需氧量是衡量水受污染程度的一个尺度(标准)。人类生活排放的废物是BOD的主要来源。污水管道里的生活污水的BOD的平均浓度是250 ppm，这种水中可能仅仅含有8 ppm的氧，溶解氧通过微生物分解作用被迅速耗尽。耗氧有机物质在生产工艺加工过程中，例如：植物和水果，纸张，肉类和牛奶的加工等排放的废水中存在，,这些废水中BOD的浓度差异很大，它们通常都比生活污水中的BOD高得多。实际上，一些工业废水的BOD大于30000ppm。BOD高的废水的其它来源包括从家畜饲养场流出的径流和从港口或渠道挖出的淤泥。 当含BOD高的污水排入河道时，下游河水中溶解氧的水平遵循着一种特征模式，在排放点，细菌开始消耗有机物，细菌得到了更多的食物，便迅速地繁殖，其消耗氧的速度比补充氧的速度快。当物质流到下游时，分解所消耗的氧减少。,被消耗的溶解氧，可缓缓地通过从空气转入到水体的传递和通过水生植物的光合作用得到补充。最后，河水中氧的补充速度超过消耗的速度，那么河水中氧的含量就会恢复到它原来的水平。在炎热夏季期间，排放的有机废物对水生生物的影响最为严重，这个时期是河水流动较慢的时期，热的废物除了使溶解氧含量降低外，还增强了微生物的活动。,排放点上游的河段可供养各种各样的鱼、水藻和其它生物，但是在溶解氧的含量接近零的河段，仅仅有几种类型的污泥虫幸存。到了下游，当氧的含量得到恢复时，能够耐受低氧条件的粗鱼种(如鲤鱼）开始出现，最后，正常的水生生物群落得到恢复。但是有机废物的超负荷排放，尽管是短时间的，还是能够消灭天然水生生物群落：如果排放点太密集，那么河流的整个下游河段水中的溶解氧将被耗尽。,伴随着溶解氧的损失，水中存在的分解细菌的类型从，好氧(aerobic)细菌到厌氧(anaerobic)分解者(decomposers)。好氧细菌和厌氧细菌分解的产物也不同。好氧细菌分解的产物主要是二氧化碳，水和氮气，通常无害。厌氧细菌分解的产物包括有毒气体甲烷，氨和硫化氢（公认的臭鸡蛋气味）。在厌氧的情况下，由于腐败的甲烷气的泡沫，硫化氢气上升到水的表面，水体变成腐臭和浑蚀。,植物营养素和人为富养化 从人类许多可能的活动源中任何一个排放过量营养素进入湖泊和河流，都会加速水体的天然老化过程。由于人类活动造成的加速富营养化叫做人为富养化。 象陆地植物一样，水生植物需要氮，磷。钾和其它矿物营养。在水生生态系统中，通常起着限制因素作用的两种营养素是磷(磷酸盐的形式)和氮(硝酸盐和氨的形式)。,当这些营养素增加时，对一些水生生物的反映是数量上的增加。海藻群，主要是蓝绿藻，释放出有恶臭气味的令人讨厌的物质，影响了水体的使用价值。去除这些化合物和过滤去除海藻，明显地增加了市政和工业供水的费用。最后，由于微生物分解死亡的藻类物质而导致氧的耗尽，造成鱼的死亡。,赤 潮,引起人为富养化的营养素来自哪里呢?生活污水是一个重要的点源。使用现代化的二级处理厂仅仅去除约百分之十到三十的氮和磷的化合物。这些处理厂处理后出水中仍含有约20 ppm的氮和9 ppm的磷。 当总磷水平超过0.10 ppm(如果磷是限制因素)或总氮(亚硝酸盐或氨)水平超过0.3 ppm(如果氮是限制因素)时，发生藻类过量增殖。废水中磷主要的来源(近50)是家庭洗涤剂。,城市径流是植物营养素的另一个重要来源。暴雨径流含有几ppm的氮和磷。这些物质是随化肥、动物的粪便、灰尘、树叶和燃烧的产物进入径流的。 由工业输出的营养物质差别很大。产生大量耗氧物质的造纸厂，排放低浓度的植物营养素。占地面积大的工厂为了清扫干净，例如：乳脂制造厂或清洗汽车，都使用大量的含磷清洁剂。磷矿工业则是另一个主要的来源。,研究表明，从管理得当的农场径流流出的营养素比天然地区径流带走的营养素稍高。可是，在大量施用化肥的地方，在有利于径流和腐蚀的地方以及从农场的土地冲走的营养素显著增高。 有毒物质 耗氧污染物和增加的营养素，通过改变水生生物的生长过程来影响水生生物。有毒物质是指生物摄取它们后，使生物产生不利影响的污染物，无论是一次剂量(称为急性暴露)产生不利影响，还是在低浓度下长时间摄取(慢性暴露)产生不利影响的污染物。,如同营养物从一个营养级转到另一个营养级一样，某些持久性有毒物质，例如，滴滴涕和甲基汞同样也随着食物链转移。如果这些物质不被排出或不被生物机体分解，那么它们就会留在机体内，并在机体内富积。由于生物通过它们的食饵摄取有毒物质，所以食物链顶层的生物获得这些有毒物质的浓度最高。 这个过程就叫做食物链积累(food chain accumulation)。,在水生食物链中积累是特别显著的，因为它们通常由46个营养级组成，这与在正常的陆生生态系统中23个营养级不同。因此进入最低营养级的持久性污染物到达最高营养级时，变得相当地浓。不幸的是，人类通常吃的是水生食物链顶层营养级的水生生物，这样很可能一次就摄入相当大量的有毒物质。在日本水俣市有几百人患汞中毒(日本通常所说的水俣病(minamatla)的事实生动地说明了有毒物质通过食物链积累，从而危害了人体健康,水俣病事件的生命损失和灾难证明了，排放汞的危害是多么严重。-可是汞仅是让人们烦恼的金属毒物中的一种毒物，其它还有砷，镉、铬、铜、铅、镍、银和锌的化学物质也是有害物质。人们知道，这些物质中的许多物质，在实验室内对动物实验是致癌的。并假定它们对人有同样的作用。但是，能引起致癌的化学物质对人们来说还不是最坏的，最坏的是这些化学物质与多数有机物不同，它们不能被生物的新陈代谢过程所分解，所以水生生态系统一旦受到这些物质污染，它们的确要污染好多年。,农药是另一类对水生生物有特殊毒性的化学物质。在美国农场主和林场主使用大量农药控制杂草，昆虫，啮齿类动物和致病真菌。有1800 种不同的化学物质被人们用作农药的有效成分，按不同的配方把它们化合成四万种农药。这些农药随农药制造厂排出的废液，施用农药时漂浮的雾滴、冲洗喷雾设备的冲洗废液和事故排放进入湖泊和河流。 施用在土壤里的农药粘附在土壤颗粒上,最后有的被冲进河流里。 对水生生物和人体健康造成危害的其它工业化学物质是氨、氰化物、硫化物、氟化物和强酸、强碱，可是工业界人士发现这些化合物中多数是工业必需的，例如，氰化物像氰化钠对于镀银和镀金来讲，是电解液的基本组分。有毒的铬化合物用于镀车挡和其他亮晶晶的装饰品。 这些非常有毒废物的事故排放，通常是由于人的差错造成的，并且往往会毁掉全部的水生群落。,虽然事故性排放是危险的，可是主要的问题仍然在于工业废水没有得到合理的处理。工业废液泄漏常常引起公众的注意，但是生物学家认为，有毒物质的慢性暴露比急性暴露有更严重的影响。对水生生物这些微小的长期影响能引起繁殖率的降低、增长速度减慢和反常的行为。令人遗憾的是，有毒物质对水生生物的致死效应至今尚未完全清楚，需要进行深入的研究。与此类似，在饮用水中含有低浓度的这些化合物的长期影响，我们知道的甚少。,我们监测成千上万公里水域中，可能存在的大量工业污染物是不可能的，但是这些污染物可能存在于水体中。由于这个原因，我们必须制定保护公共水源免受污染的对策，而不是投入大量的资金开发水质有问题的水源。这些对策包括限制或禁止特定有害化学物质和限制工业者使用有害化合物的地点。 石油的泄漏 对于地表水特别是运输“黑色的金子”的海洋和水系来说，油污染始终是一个威胁。,在过去的十年，世界范围内发生了数十起严重的石油泄漏事件。其中有一起发生在1978年3月17日，阿莫科卡第兹号(Amoco Cadiz)油船的搁浅和破裂，是航海史中最大的一次海上泄漏事件。这艘超级油船租给壳牌公司，这艘船装载了约20万吨原油，在从波斯湾到英吉利海峡的途中，遇到了巨浪，驾驶机器出现了故障，用拖轮进行挽救的努力也失败了。搁浅在距离法国西北海岸2公里的海面，由于狂涛恶浪船体破裂，,这艘船装载的全部石油溢出后不久就覆盖了法国的200多公里长、60公里宽的海岸线。预计总的清除费约7500万美元和损害赔偿费3500万美元。 石油泄漏的主要原因有碰撞，油轮和驳船搁浅的漏出，井喷及管道的破裂或泄漏等。 石油泄漏造成的环境和经济损失是不容易估价的。可是，在靠近岸边或岸边发生的石油泄漏造成的损害是能够知道的。因为它影响了既丰富又脆弱的海生生物。,石油能涂覆在鸟羽毛上和水生毛皮动物的毛皮上，例如，海獭和海豹的毛皮上。因此破坏了它们天生的隔离作用和浮力。大多数受害的动物拚命地努力挽救自己，但往往不能达到目的，最后，死于暴露或被淹死。 泄漏的石油进入海洋后，经过若干流向而扩散。由于多数泄漏的油是隔离的和比水轻的，所以它们在水的表面逐渐地扩散，变薄并形成更大的油膜。,只要油膜存在，通常从几天到几周，就对鸟类和一些动物造成威胁。 海洋能承受的石油量还不能确定：不过，由于越来越多的石油通过海洋运输，因此，要努力通过采取安全的海运方法，防止石油泄漏；从而避免造成经济损失和生态破坏。 热污染 每一个使用矿物燃料或核燃料的电厂，在发电过程中都要排出大量的热水。,我们现在的技术发展水平，还不能将废热转变成有用的动力。废热来源于通过汽轮发动机的蒸气，在它被再压缩之前必须冷却的结果。用于冷却的水是取自附近的湖泊或河流。经过冷凝器，蒸气将热传导给冷却水被冷却，冷却水变成温水或热水排出。虽然其它工业，例如，炼钢工业，为了冷却也使用水，但是，发电厂使用的水量最大，排出的热水最多，潜在的热污染问题也就最大。,虽然我们不知道热水排放对水生生物的长期影响是什么，但是知道一些短期影响。最严重的问题可能是“热冲击”(Thermal shock)。就是鱼和其它水生生物的生活环境的水温发生突然变化。 突然发生的温度变化或逐渐发生的温度变化，超过水生生物忍受极限(容许极限)，将导致死亡。,异常的水温对水生生物造成其它方面的影响。冷血动物(鱼，牡蛎、蛤)体温和它周围水的温度一样，它们对水温变化的反应特别明显。水温升高，冷血动物的体温随着升高，引起呼吸速率增高，又导致对氧的需要量增多。遗憾地是，水温增高水中的溶解氧减少。所以随着水温的增高，水生生物都要遭到缺氧的危害。,4.2.4 地下水的污染 在同一个流域内污染地表水的活动可能使地下水受到污染。很多城市和农村用水靠地下水提供 ，所以地下水受污染带来的影响是不能忽视的。 有些地区地下水的硬度比较高,当居民使用硬水时可能会产生一个问题，即需要大量的肥皂和去垢剂才能把东西洗干净。因此，与此有关的含磷的软水剂被广泛地在硬水地区使用。正如我们已经看到的，磷是限制因素的地区，向水中添加磷会加速微生物的过量增长。,4.3 水资源管理 4.3.1 历史的回顾 4.3.2 水质控制 4.3.3 增加淡水供应 4.3.4 全球性水问题 4.3.5 城市污水再利用,4.3 水资源管理 4.3.1 历史的回顾 早期开发者曾利用水路进入未开发的荒野地区，并利用水路运走了那里的富饶资源。水上运输被视为开发边远地区的关键，成为运送商品和野生资源的便利工具。,4.3.2 水质控制 在一个城市工业系统中水的运动是：从水源地取出，经过处理被分配到用户，然后收集了再进行处理，最后就近排入地表水体。废水处理设计在于保护水生态系统的水质。使用前进行处理是必要的，因为排放标准不象饮用水质标准那样严格，非点源排放未能被控制，而且并非所有点源排放都达到现行标准。,我们先讨论废水处理技术，因为它包含了公共给水处理技术。 废水处理 污水处理厂的建设和运行要占据公共事业费的大笔基建投资。因此，市民们应知道他们交纳税金后得到了什么。污水处理厂的目的是去除人们排入下水道的城市污水中的各种物质，这些物质可分为三类，污水处理厂对每类物质的处理都是不同的。,悬浮物质如人的排泄物，纸，磨碎的垃圾等引入流速缓慢的水池，通过沉淀而去除的。溶解物如糖，淀粉等是通过以这些有机物为营养的微生物分解槽来去除的，这些微生物本身在二次沉淀池中被沉淀分离。 根据排水的处理程度，污水处理可分为一级、二级和三级处理。一级处理（Primary treatment)，污水仅通过初次沉淀阶段去除大约百分之三十五的需氧污染物即BOD和百分之六十的悬浮固体。,在二级处理(Secondary treatment)中，污水增加了生物降解阶段，使BOD和悬浮固体的总去除率约达到百分之九十。然而经二级处理后，大约有百分之九十的植物营养素(磷和氮组分)和百分之十的难以生物降解的有机物残留在出水中。如果这些物质加剧受纳水体的污染，那末需要进行高级的二级处理，有时称为三级处理。 三级处理(Tertiary treatment)是通过各种工序来完成的，这些工序具有不同的处理目标。如果考虑水体富营养化，就必须除磷。美国环保局要求，,凡向水体排水的工厂需有效地除磷，因为磷被认为是限制藻类生长的营养素。最常用的除磷方法是投加化学药剂。根据废水水质投入药剂，形成絮凝和沉淀，同时捕集细小悬浮的有机颗粒。 污水处理中最后阶段是排放。多数社区把处理后的污水排入邻近的水体中，有些社区将它们处理后的水排到土地上，利用天然土壤的过滤作用，去除残留在出水中98的BOD、95的磷和85的氮。二级处理厂出水的土地处理，将水分和营养循环返回到作物生产中，因而变废为宝。,4.3.3 增加淡水供应 从前，当我们需要更多的水时可以另打一口井，或者从附近的河湖中抽取，或者另找一个地方再试一下，而今几乎没有选择的余地了。因为随着人口的增加使世界上各地的用水量都空前增长。在许多地区，从河流和地下取水的速度已超过天然补给速度。 目前世界上百分之七十的人口缺乏安全和可靠的供水。,由于人口继续增长，未来维持足够供水的前景是不理想的。一些科学家已经预言，按照目前淡水取水速度，水循环可能最高提供维持世界上80亿人口的淡水需要。按照目前的人口增长和用水增长速度，可开发水量到2020年时正好达到，也就是在我们多数人预期寿命终止之时。这种估计是根据在所需的时间和地点都能满足使用需要的情况下。,但是世界正受到干旱和水灾的袭击，将水送封所需的地方常常是不可能的事。 为了能够明智地制定水管理政策，首先，我们必须了解能增加淡水资源和节省现有水资源的技术。目前我们用以增加淡水供应的初步办法是：抽取地下水，筑坝。跨流域调水。 地下水的抽取 许多地区的给水部分是取自地下水。但如果抽取速度大于自然补给速度，地下水资源可能会枯竭。,与地下水开采有关的另一个问题是含水层的稳定性。有时抽走地下水，使构成地下水含水层的沉积物变得密实，从而引起上面地表层下沉。这种情况与永久冻土的融化有点相似，被称为地面下沉(Ground Subsidence)，它常常伴随地下水的过度开采而发生。由于地面下沉常造成大量的损失，其破坏作用常反应为下列形式：管网，建筑物的结构破坏。下水道和渠道的流向改变、沿海地区海潮淹没的威胁增加。,一些地区的地下水是人工补给的，因此地下水供应得以维持或是增加，同时要保持地下含水层的稳定性。正如我们在前面建议过的，处理后的废水可洒布在可渗透的土壤上，经自然过滤而渗入地下蓄水层内，或者用泵将水注入井内直接打入地下，然后在需水时抽出使用。,筑坝 由于天然降水在季节和地理分布上是不规则的，在某些情况下需要修筑水坝以保证供水的可靠性。水坝还有其他一些重要的作用，如在山区深谷筑坝形成巨大水库可发电，筑坝也可防洪抗涝。显然，修筑水坝可以收到多种效益:用于发电，提供生活和工业用水。对于世界上多数人来说，筑坝提供了灌溉用水，因而提供一种对付干旱的措施。但还是要慎重地权衡修筑水坝的效益与付出的代价。,在巴基斯坦的印度河上新塔贝拉水坝的建成说明了水坝建设中所花的代价。这个世界上最大的土坝是历程9年多时间耗资13亿美元建成的。筑坝事故中牺牲了大约140人，该坝形成了260平方公里的水库。为135万平方公里干旱而肥沃的土地提供了灌溉用水。预计该坝的水力发电也使巴基斯坦的电力供应提高了一倍，从而提高了该地区的生活水准。该坝建成后,许多问题接踵而来。意想不到地，在水库底部有五个大裂缝，因此花了很大代价去堵住它们。,另外还有许多小裂隙在继续形成使贮水流失。这种泄漏对于土坝来讲是一个很大的威胁，因为土坝可能迅速侵蚀并在特大风浪的巨大压力下倒塌，使库内蓄水以排山倒海之势奔流而下。专家在对上游水土流失情况考察之后得出了结论：库内泥砂沉积很快，将在二十年内淤满(以前预测是五十到六十年)。如果二十年的估计是准确的，某些防止水土流失的计划必须在上游实施。但除物质方面外，这个工程还留下了深远的社会创伤。为了增加贮水，约有85000