环境科学概论

第一章 绪论一、基本概念1.什么是环境？1）环境是相对于中心事物而言的，与某一中心事物有关的事物，就是这个中心事物的环境。2）直接或间接影响到人类的一切自然形成的物质、能量和自然现象的总体，有时也称为环境。3)环境科学研究的环境，是以人类为主体的外部世界，即人类赖以生存和发展的物质条件的综合体。4)自然环境亦可以看作由地球环境和外围空间环境两部分组成。2.环境质量环境的总体或环境的某些要素对人群的生存和繁衍以及社会经济发展的适宜程度，反映人类自身的具体要求对环境的评价概念。3.环境容量和环境自净能力1)环境本底值 在自然状况下，环境中物质和能量的分布值。2)环境容量 在人类生存不致受害、自然环境结构保持稳定的前提下，环境可能容纳污染物的最大负荷量。3)环境自净能力 在环境容量范围内，环境对进入其内部的物质和能量，具有一定的迁移、扩散、同化、异化能力，称之。二、环境规律1、环境功能特性l 整体性l 有限性l 不可逆性(能量循环、物质循环)l 隐显性(汞污染引起的水俣病、DDT农药)l 持续反应性(遗传性、生态资源的破坏)l 灾害放大性(温室效应、臭氧层空洞、酸雨)2、环境要素1）构成人类环境整体的各个独立的、性质不同的而服从整体演化规律的基本物质组成。2）分自然要素和人工要素。自然要素：水、大气、生物、阳光、岩石、土壤3、环境要素属性最差（小）限制律：整体环境的质量，不能由环境诸要素的平均状态决定，而是受环境诸要素中那个与最优状态差距最大的要素所控制。等值性：即各个环境要素，无论它们本身在规模上或数量上如何的不同，但要是一个独立的要素，那么对于环境质量的限制作用无质的差异。任何一个环境要素，对于环境质量的限制，只有他们处于最差状态时，才具有等值性。整体大于各个体之和：或说环境的整体性大于环境诸要素之和。环境诸要素的互相联系、互相作用产生的集体效应，是个体效应基础上的质的飞跃。出现先后，相互联系，相互依赖：从深化的意义上看，某些要素孕育着其他的要素。岩石圈的形成为大气的出现提供了条件；岩石圈与大气的存在，又为水的产生提供了条件；岩石圈、大气圈和水圈又孕育了生物圈。三、环境问题1.一些概念1）由自然或人为因素引起生态平衡破坏，最后直接或间接影响人类的生存和发展的一切客观存在问题，称为环境问题。2）生态破坏 人类向环境索取资源的速度超过了资源本身及其替代品的再生速度砍伐森林、自然植被的破坏、不合理的灌溉、CO2、氟氯烃的排放、捕猎与环境破坏3）环境污染 人类向环境排放废弃物的速度超过了环境本身的自净能力。 大气污染、水污染、土壤污染、固体废弃物污染、噪声污染、海洋污染、放射性污染第二章 生态学基础与生态系统一、生态学是研究生物与周围环境相互关系及机理的科学。二、生态系统1.一些概念1）生态系统就是在一定的时间和空间内，生物和非生物的成分之间，通过不断的物质循环和能量流动而相互作用、相互依存的统一体，构成一个生态学的功能复合体。2）种群是占据某一地区的某个种的个体总和3）生物群落是指在一定地段或一定生境里各生物种群相互联系和相互影响所构成的组合结构单元。2.生态系统的结构1）非生物部分：无机物质（H2O、N、P、K、Ca等矿质元素）、气候因子（光、温等及其他物理因子）、有机物质（糖、蛋白质、脂类、腐殖质等）。2）生物部分：生产者、消费者（草食、肉食、杂食、寄生、腐生）、还原者3）食物链（food chains） 定义：食物链是指初级生产者获得光能后制造的食物供给各级消费者形成以食物营养为中心的链索关系。 类型：掠食链、寄生链、腐生链3.生态系统的能量流动1）生态效率 林德曼效率 10%2）特点生态系统中能量形成的转换完全符合热力学第一定律（能量转化和守恒）。单向流动、逐级递减4、生态系统的物质循环1）水循环（概念） 在太阳辐射和地心引力作用下，水分不断蒸发、汽化而形成云，通过大气环流传播到各处，以雨或雪形式降落下来。降落下来的水分，一部分渗入地下；一部分经植物蒸腾进入大气层；一部分形成地表径流汇入海洋，再经水面蒸发进入大气圈。这种过程循环往复，永无止境，称为水循环。2）碳循环 不平衡的生态效应：(1)生物圈：海平面上升，淹没大片海岸湿地，陆地生物区变化(2)生态系统：农业生态系统农作物减产。病虫害加重。影响牲畜食欲。森林生态系统导致干旱、增加森林大火风险。森林害虫增加，影响森林对物质的吸收。水生生态系统使海洋静水层和沉淀层的微生物活动加快，水中含氧量减少，影响许多海洋动物的生存；导致藻类繁殖速度加快，使鱼类产量减少。(3)生物群落：影响生物群落结构，使植物群落中有些优势种竞争能力下降。(4)物种：加速物种的灭绝；加速某些物种的迁移。(5)种群：改变某些植食性动物的食性，导致某些种群的互相作用强度增强。(6)个体：提高水分利用，提高光合作用，促进作物生长，改变植物形态结构。3）有毒有害物质的循环 概念：指那些对有机体有害的物质进入生态系统，通过食物链富集或被分解的过程。特点：在食物链上循环流动并逐级浓缩富集；在生物体代谢过程中不能被排泄而被生物体同化，长期停留于生物体内；有些有毒有害物质不能分解而相反经生态系统循环后使毒性增加。三、生态平衡1.所谓生态平衡，就是在一定时期内，生产者、消费者与分解者之间都保持一种平衡状态，即系统中能量流动与物质循环较长时间地保持稳定，这种状态即称为生态平衡。 四、生态学的一般规律 1、相互依存与相互制约规律 2、物质循环与转化再生规律 3、物质输入输出的动态平衡规律 4、相互适应与补偿的协同进化规律 5、环境资源的有效极限规律五、生态学的应用（详情见PPT）第三章 城市化与城市生态系统一、结构空间结构、社会结构、营养结构（倒三角）二、城市生态系统特点 城市生态系统是人工生态系统 城市生态系统是不完全的生态系统 城市生态系统是多层次的复杂系统 城市生态系统是人类自我驯化的系统 城市生态系统是以人为主体的生态系统 身兼数任: 生产者、消费者、主宰者 城市生态系统是容量大、流量大、密度高、运转快、高度开放的系统三、城市生态系统功能1.能量流动遵循热力学定律，单向流动，不满足林德曼定律2.物质流动人口流动、资源货物流动第四章 人口与环境一、人口环境容量v 人口环境容量也称为人口承载力。v 在一定生活水平下能供养的最高人口数，随着生活水平的标准而异。二、影响人口变化的自然因素1.对人口分部的影响：气候因素、地形因素2.对人口总量的影响三、人口增长对环境的影响1. 对土地资源的压力 2. 对森林资源的影响 3. 对能源的影响 4. 对城市环境的影响 5. 对工业发展的影响6. 对气候的影响 第五章 粮食问题一、提高粮食产量带来的环境问题1.垦荒地对生态平衡的破坏2.化肥使用对环境的影响3.使用农药对环境的污染：对大气污染（随风飘移可以污染全球）、对水体的污染、对土壤的污染（残留时间长、累积性）、对人体的危害（农药具有神经毒性、致癌性，损坏肝脏或造成慢性中毒）二、利用生态学原理提高粮食产量1.植树造林，减少灾害。森林具有蓄水保土功能，破坏森林，就可能导致水旱灾害，使作物减产；2.充分利用太阳能，增加初级净生产量；3.尽量把初级净生产量转变为食物；4.遵循物流平衡规律，保护土地肥力；5.合理捕捞，保护海产资源。必须按生态学规律，规划捕捞活动，才能稳定地获得最大海产品产量。第六章 能源与环境一、一些概念1.一次能源（天然能源）从自然界取得未经改变或转变而直接利用的能源。2.二次能源 由一次能源经过加工直接或转换得到的能源。二、能源利用对环境的影响1、使用化石燃料对环境的影响 1）开采过程的环境影响：一是工人的事故和职业性的伤亡； 二是地面生态系统受到破坏，包括生成地表沉陷，露天开采占用大量农田、草地等； 三是废水的影响，包括煤矿酸性矿坑水、石油开采中的钻井泥浆水等。2）运输过程的环境影响：煤碳运输、堆存和装卸过程中产生自燃或扬尘污染大气、浸出水污染水体；石油运输可能发生泄漏或油船事故，对海洋造成污染。3）加工过程中的环境影响：产生灰尘、NOX、SOX等，（石油加工）排出SOX、NOX、CO和氨，炼油厂跑油事故也时有发生。4）利用过程中的环境污染：化石燃料主要是作燃料，其环境影响主要是燃烧时产生各种气体与固体废物以及发电时的余热造成的热污染（1.水体中各类无机氮含量增加；2.藻类种群结构发生改变；3.使影响区域的昆虫提前苏醒，食物链中断，而引起死亡）2.水力发电对环境的影响1）自然方面：可能引起地面沉降、甚至诱发地震；或下游水位降低甚至断流，引起土壤盐碱化。或上游泥沙减少，引起河口冲刷、侵蚀等。2）水库水质变化：水库中各层水的密度、温度、甚至溶解氧也不同。使进出水库的水质存在差异。3）生物方面：建库后，可能淹没一些野生植物，使其灭绝，由于动植物尸体腐解，又会引起鱼类死亡。由于水域面积扩大，使某些生物（如钉螺）的栖息点增多，为血吸虫病产生创造了条件。4）社会经济方面：改善用水条件、增加农灌，生产电力及对工农业生产是正面影响。而搬迁移民，淹没一些古文物是其负面的影响。第七章 水资源环境问题一、水资源消耗与水危机的产生1.水危机产生的原因自然条件影响、城市与工业区集中发展、水体污染2.我国水资源的特点和主要问题1）特点：降水：地区分布不均匀蒸发：地区差异大径流：地表径流时空分布不均匀地下水：补给类型差异大2）主要问题： 地区分布不均匀，水土组合不平衡 水量年内年际变化大，水灾旱灾频繁 水土流失严重，诸多河流含沙量大 水资源开发利用不平衡二、水污染1.排入水体的污染物在水体中的含量超过水体的自净能力，造成水体生态系统破坏的现象，称为水污染。（按人类活动分类：工业废水、生活污水、农村污水）2.造成水体水质、水生生物、底质质量变化的各种物质和能量称为水污染物。 1）悬浮物 使水体变浑，影响水生植物的光合作用，吸附有机毒物、重金属等，形成危害更大的复合污染物沉入水底，日久形成淤积，妨碍水上交通或减少水库容量，增加挖泥负担。 2）耗氧有机物 排入水体后能在微生物作用下分解为简单的无机物，在分解过程中消耗氧气，使水体中的溶解氧减少。影响鱼类和水生生物的生存 ，造成水体变黑发臭。3）植食性营养物 主要指含有氮、磷的无机、有机化合物，易引起水中藻类及其他浮游生物大量繁殖，形成富营养化，使自来水处理厂运行困难，造成饮用水的异味，严重时会使水中溶解氧下降，鱼类大量死亡，甚至会导致湖泊的干涸灭亡。 4）重金属 水体中重金属可在微生物作用下转化为毒性更强的金属化合物，如汞的甲机化； 通过食物链危害人体健康，具明显累积性； 具有强烈生物毒性，天然水中只要有微量重金属即可产生毒性效应，排入水体或农灌，影响鱼类、水生生物、农作物的生长、生存。5）难降解有机物 指难以被微生物降解的有机物，能在水中长期稳定地存留，并通过食物链富集，最后进入人体。它们中的一部分化合物即使在十分低的含量下仍具有致癌、致畸和致突变的作用 。6）石油类 （危害）它会阻止氧进入水中，妨碍水生植物的光合作用 。同时，石油还会粘附在鱼鳃上，使之呼吸困难直至死亡，还会抑制水鸟产卵和孵化。食用在含有石油的水中生长的鱼类等水产品，会危及人体健康。7）酸碱 主要来自矿山排水及许多工业废水 。它会破坏水生生态系统的平衡；影响渔业生产，腐蚀船只、桥梁及其他水上建筑。用酸化或碱化的水浇灌农田，会破坏土壤的理化性质，对工业、农业、渔业和生活用水都会产生不良的影响。8）病原体 生活污水、医院污水和屠宰、制革、洗毛、生物制品等工业废水，常含有各种病原体，如病毒、病菌、寄生虫，会传播霍乱、伤寒、胃炎、肠炎、痢疾以及其他病毒传染的疾病和寄生虫病。3.水质指标（主要前四个） 溶解氧（DO） 悬浮物（SS） 化学需氧量（COD） 生物化学需氧量（BOD） 总有机碳（TOC） 总需氧量（TOD）4.水污染形成途径 土壤与岩石圈 大气圈 人类向水体直接排放废弃物5.赤潮1）所谓赤潮，是指浮游生物大量异常繁殖而使海水变色的现象。2）产生赤潮的原因，主要是海洋受污染，生物可利用的氮、磷等营养元素大量积累，造成海洋富营养化，为赤潮生物的大量繁殖提供了丰富的营养盐类。而阳光强烈，水温升高，海水停滞，海面上空气流稳定，又是有利于赤潮生物集结的自然条件。赤潮的出现，使生态平衡受到了严重破坏。一方面赤潮生物在生长繁殖和死亡分解过程中，都要消耗水中的溶解氧，使鱼、贝等缺氧窒息而死；同时，在代谢过程中也产生大量生物毒素，可引起鱼类病变。第八章 大气环境一、大气污染和污染源1.大气污染概念当大气中污染物质的浓度达到有害程度，以至破坏生态系统和人类正常生存和发展的条件，对人或物造成危害的现象叫做大气污染。2.大气污染源1) 按稳定性固定、移动2) 按排放方式高架源、线源、面源3) 按排放时间连续、间断、瞬时4) 按产生类型工业污染源、家庭污染源、汽车尾气二、大气污染物1.一些概念1）大气污染物：由于人类活动或自然过程排入大气，并对人和环境产生有害影响的物质和能量。 2）一次污染物：直接由污染源排放的污染物3）二次污染物：进入大气的一次污染物之间或与正常大气组分发生反应，以及在太阳辐射下引起光化学反应而产生的新的污染物，它常比一次污染物对环境和人体的危害更为严重。2.分类1)按照来源：一、二次污染物2)按存在状态：颗粒物（常表示为总悬浮微粒物（TSP）、飘尘和降尘）、气态污染物（一、二次污染物） 总悬浮颗粒物：其粒径绝大多数在100m以下，其中多数在10m以下。它是分散在大气中的各种粒子的总称，也是目前大气质量评价中的一个通用的重要污染指标。飘尘指可在大气中长期飘浮的悬浮物，分为PM10（粒径10m）和PM2.5（粒径2.5m）。PM10可以通过呼吸道进入人体，从而对人体健康产生危害，PM2.5的危害则更为严重。 降尘是指用降尘罐采集到的大气颗粒物,一般直径大于30m，由于其自身的重力作用会很快沉降下来。单位面积的降尘量可作为评价大气污染物程度的指标之一。3.主要大气污染物 一氧化碳 氮氧化物 碳氢化合物 硫氧化物 微粒 光化学烟雾三、大气污染类型1、煤烟型污染（还原型）主要污染源是燃煤。主要污染物是SO2、CO和微粒物质。它们遇上低温、高湿的阴天，且风速很小并伴有逆温存在的情况时，一次污染物扩散受阻，易在低空聚积，生成还原型烟雾。2、交通型污染（氧化型）污染源主要是机动车（汽油车和柴油车）和机动船。主要污染物是CO、NOX和HC。在相对湿度较低的夏季睛天，交通污染严重的地区可能会出现典型的二次污染光化学烟雾（汽车、工厂等污染源排入大气的碳氢化合物和氮氧化物等一次污染物，在阳光的作用下发生化学反应，生成臭氧、醛、酮、酸、过氧乙酰硝酸酯等二次污染物，参与光化学反应过程的一次污染物和二次污染物的混合物所形成浅蓝色有刺激性的烟雾污染现象）。它对人体、动植物、材料均会产生破坏作用，并且严重影响大气能见度。3、酸沉降污染它是指大气中的酸通过降水（如雨、雾、雪）迁移到地表，或在含酸气团气流的作用下直接迁移到地表。引起酸沉降的主要物质是人为和天然排放的SOX（SO2和SO3）和NOX（NO和NO2） ，其天然源一般是全球分布的，而人为排放的SOX和NOX则具有地区性分布的特点。四、影响大气污染的气象因素1.风 风的形成、风速、风向、风向玫瑰图等2.大气温度沿垂直方向随高度变化的速率大气降温率。3.大气稳定度1）定义：大气稳定度是指气块受任意方向扰动后，返回或远离原平衡位置的趋势和程度。它表示在大气层中的个别空气块是否安于原在的层次，是否易于发生垂直运动，即是否易于发生对流。2）气层对空气团：稳定的（返回）、不稳定的（离开）、中性的（保持）4.逆温气温随高度增加而增加的现象1）逆温种类（要求理解含义）：辐射逆温、下沉逆温、平流逆温、湍流逆温、锋面逆温2）逆温高度：逆温层所在高度3）逆温强度、逆温层厚度5.降水6.雾五、影响大气污染的地理因素1、地形和地物2、山谷风（见右图）3、海陆风（近地面：白天海风晚上陆风）4、城市热岛环流（见下图）热岛危害：城市热岛效应会加重空气污染。由于城市“热岛”与 周围郊区存在高低温差，市区的热空气往上升，郊区的冷空气吹向市区，以填补热空气上升 后形成的空缺，而上升后的热空气受到高层建筑的阻挡，很难吹向郊区，这样，风总是由郊区吹向城市的，因此，城市上空的污染物难以通过正常的空气流动扩散出去，使城市终日笼罩在一个大“尘罩”下，空气污染就更加严重了。城市上空的冷热气团相遇后，可能往上直冲2000多米，使来往的飞机上下颠簸，摇摇欲坠。这种气团还是产 生龙卷风的温床。郊区的水汽在夜间通过冷却后，降落在地面上，便形成了露珠。而市区 的水汽则和烟尘结合，凝结成雾，笼罩在城市上空，若遇阳光明媚的日子，极易产生化学烟雾。第九章 全球大气环境问题一、全球变暖1.原因：温室效应的加剧二氧化碳浓度的增加：一是燃烧矿物燃料向大气中排放大量的二氧化碳；二是毁林，特别是热带森林的破坏（森林能吸收大气中的二氧化碳）。2.可能导致的后果海平面上升、气候带移动、某些物种的灭绝、粮食生产的稳定性和分布状况改变3.减缓全球变暖的对策1）调整能源战略：控制化石燃料消耗，以抑制CO2的排放；2）绿化对策：使已生成的CO2变为其他物质，以防止其向大气中排放；3） 控制人口：在已发生全球变暖的情况下，采取相适应的对策以使其影响降低到最小程度。二、臭氧层破坏1）平流层臭氧量的减少，除了受太阳活动等自然因子的影响外，人类使用消耗臭氧物质也是其重要原因。人们使用冰箱、空调时释放出的氟氯烃化合物，上升到平流层后，通过光化学反应大量消耗臭氧。到达地面的太阳紫外线辐射增加，一方面直接危害人体健康，另一方面还对生态环境和农林牧渔业造成破坏。2）1985年，由20多个国家发起并签署了保护臭氧层维也纳公约。1987年，50个国家签署了关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔协定书。1995年， 150多个国家代表参加的维也纳保护臭氧层国际会议规定，将发达国家停止使用氟氯烃的期限提前到2000年；发展中国家则在2016年冻结使用，2040年淘汰。三、酸沉降1.概念 干沉降：大气中酸性物质可被植被吸附或重力沉降到地面叫干沉降； 湿沉降：PH值低于5.6的降水叫湿沉降。 2.成因大量使用燃料，燃烧過程中產生出來的二氧化硫，氮氧化物及氯化氢等等，這些污染物被排放至大气当中，经过光化学反应生成硫酸、硝酸等酸性物质，使得雨水之pH值降低，形成酸雨3.危害1）对水生生态系统的危害：受酸雨的影响，河流、湖泊水体中的酸度增加浮游生物的种类减少，危及鱼类等水生生物的生存。2）对陆生生态系统的影响：降低土壤PH，还通过对植物表面（茎、叶）的淋洗直接伤害或通过间接危害，使森林衰亡，并诱使病虫害暴发，造成森林大片死亡。3）对人体的危害：酸雨中的SO2对呼吸道有刺激作用，酸雨对人体的免疫系统也有危害，酸雨还可以导致老年性痴呆症的发生（激活铝元素）。4）对各种材料影响：酸雨对金属、石料、木料、水泥等建筑物有很强的腐蚀作用。世界各国已有许多古建筑和石雕艺术品遭到酸雨的腐蚀破坏。酸雨还直接危害电线、铁轨、桥梁和房屋等。4.防治对策 1）提高能源利用率，减少污染气体的排放 2）改变能源结构，加速发展无污染能源 3）烟道气脱硫脱氮 4）控制汽车尾气排放第十章 物理环境一、噪声污染1.从广义上来讲，凡是人们不需要的，使人厌烦并干扰人的正常生活、工作和休息的声音统称为噪声。2.噪声特性1）噪声是一种感觉性污染，传播时不会遗留下有毒有害的化学污染物质。对噪声的判断与个人所处的环境和主观愿望有关。2）噪声源的分布广泛而分散，但由于传播过程中发生能量的衰减，因此其影响范围有限。3）噪声污染没有后效作用。一旦噪声源停止发声，噪声便会消失。3.噪声的来源1）交通运输：城市主要的噪声源 2）工业生产：造成职业性耳聋的主要原因3)社会生活：在城市噪声源中的比重上升二、光污染一般光污染可分成三类，即白亮污染、人工白昼污染和彩光污染。（参见PPT了解具体内容）三、热污染1.水体热污染的危害首当其冲的受害者是水生物；大量厌氧菌滋生，有机物腐败严重；水生生物代谢率增高从而需要更多的氧，造成一些水生生物在热效力作用下发育受阻或死亡，从而影响环境和生态平衡；给一些致病微生物造成一个人工温床、使它们得以滋生，引起疾病流行。 2.大气热污染的危害海水热膨胀和极冰融化；海平面上升；加快生物物种灭绝；为蚊子、苍蝇、蟑螂、跳蚤以及病原体、微生物等，提供了最佳的孳生条件及传播机制，造成以疟疾、登革热、血吸虫病、恙虫病等病的流行。 第十一章 固体废物与危险废物越境转移一、固体废物的危害1污染水体：固体废物进入水体，不仅减少江湖面积，而且影响水生生物的生存和水资源的利用，投弃在海洋的废物会在一定海域造成生物的死区。2污染大气3污染土壤和地下水固体废物堆置或垃圾填埋处理，经雨水浸淋，其渗出液及沥滤中含有的有害成分会改变土质和土壤结构，影响土壤中的微生物活动，妨碍植物的根系生长，或在植物机体内积蓄，危害食用。4侵占土地资源5影响环境卫生6处置不当造成的损失与浪费7有害固体废物泛滥二、 固体废物的防治原则及趋势1.原则：固体废物资源化2.趋势：减量化 无害