环境工程导论第1章环境与环境科学.ppt

第一章环境与环境科学 第一节环境概述一 环境的概念 环境是指与某一体系有关的周围客观事物的总和 体系 人为划定的一定范围内的研究对象 即中心事物 环境即为与某一中心事物有关的周围事物 不同的中心事物具有不同的环境 即环境随着中心事物的变化而变化 中华人民共和国环境保护法 称 本法所称环境 是指影响人类生存和发展的各种天然的和经过人工改造的自然因素的总体 包括大气 水 海洋 土地 矿藏 森林 草原 野生生物 自然遗迹 人文遗迹 自然保护区 风景名胜区 城市和乡村等 包括以下两个方面 自然环境是指人类赖以生存 生活和生产所必需的物质基础社会环境是指人类活动而形成的各种事物 人们生活的社会经济制度和上层建筑的环境条件 第一节环境概述二 环境的组成与分类 环境的组成如下 自然环境 物质 空气 土壤 水 岩石 动物 植物 微生物等 能量 阳光 地热 气温 引力和地磁力等 自然现象 太阳的稳定性 地壳稳定性 地质构造 地震 火山活动 海啸 全球水循环 大气流动 水土演变等 社会环境 综合生产力 科学技术 人工建筑物 人工产品和能量 政治体制 社会活动 法律制度 宗教信仰 文化艺术等 环境的分类如下 环境分类依据 空间范围的大小 环境要素的差异 环境的性质等 按照人类生存环境的空间范围可分为 聚落环境 聚落是指人类聚居的中心 活动的场所 聚落环境是人类有目的 有计划地利用和改造自然环境而创造出来的生存环境 是与人类的生产和生活关系最密切 最直接的工作和生活环境 地理环境 地理学上所指的地理环境位于地球表层 处于岩石圈 水圈 大气圈 土壤圈和生物圈相互制约 相互渗透 相互转化的交融带上地质环境 主要指地表以下的坚硬地壳层 也就是岩石圈部分宇宙环境 是指地球大气圈以外的宇宙空间环境 由广漠的空间 各种天体 弥漫物质 以及各类飞行器组成 第一节环境概述三 环境的形成与发展 60亿年以前 地球是一团的云状气尘物质 演化后形成了地球胎 46亿年前 地球是一个炽热的大火球 外面包围着原始大气 演化过程中逐步形成原始的 岩石圈 物质的重力分离 大气圈 上升到地表的还原性气体 无O2 水圈 地球内部的水蒸气进入大气圈 降雨产生了河流 湖泊 海洋 35亿年以前 海洋中的元素和小分子化合物在各种能量的作用下 逐步合成了简单有机化合物 演化成具有单细胞结构的厌氧生物 异养生物 20亿年前 出现含有叶绿素的自养原核生物细菌 蓝藻等生物 它们的光合作用 新陈代谢使大气圈中出现O2 使大气环境从还原型向氧化型转变 最终形成了一个含氧的大气圈 6亿年前 出现海洋动物 随着大气圈O2的增加 大气游离氧在高空积累 约在4亿年前形成了保护地球的臭氧层 为海洋生物登陆创造了条件 生物圈由水圈扩展到陆地 古人类出现于在距今大约200 300万年前 4亿年至2亿年前 首次出现了陆生蕨类植物 最终在地球上形成微生物 植物 动物的水陆生态系统 即生物圈 第一节环境概述四 环境要素和环境效应 环境要素 指构成人类环境整体的 各个独立的 性质不同的而又服从整体演化规律的基本物质组分 又称环境基质 分为自然环境要素与社会环境要素 习惯上指自然环境要素 特点如下 1 最小限制律 整个环境的质量受到环境诸要素中那个与最优状态差距最大的要素所制约 即环境诸要素中处于最劣状态的那个环境要素控制环境质量的高低 人们在改善整个环境质量时 首先应改造最劣的要素 2 等值性 等值性说明环境要素对环境质量的作用 各个环境要素无论在规模上或数量上存在什么差异 只要它们是处于最劣状态 那么对于环境质量的限制作用没有本质的区别 就具有等值性 3 环境整体性大于环境诸要素的个体之和 环境整体性质能够体现环境诸要素的某些特征 但未必反映出各要素的全部特点 而是各要素综合作用后更为复杂的性质 4 环境诸要素相互依赖 相互作用与相互制约 环境效应 指在自然过程和人类活动的综合影响下 物质之间通过物理 化学和生物作用所产生的环境效果 引起环境系统和功能的变化 1 环境化学效应 2 环境物理效应 3 环境生物效应 第二节生态学基础一 生态学概述 1 2 生态学的概念 研究生物与环境之间相互关系及其作用机理的科学 1 研究生物的个体水平及其对环境的反映 2 研究影响种群丰富度和种群波动的因素 3 研究生物群落的结构和功能 4 研究生态系统的能量流动 食物网 链 和养分循环 生物与环境的相互作用 1 生物依赖于环境 生物的物质基础元素均来自环境 生物的新陈代谢就是从环境摄取养分和能量 并将废物排弃的过程 2 环境因子对生物的影响 非生物环境因子为生物提供必要的生存条件 但同时又可能出现某些限制因子 尤其是营养因子及气候因子 因此 生物对环境因子有一定的耐受性与适应性 3 环境污染对生物的影响 环境污染对生物的危害 主要是一些有毒有害物质通过呼吸 消化 感官等系统进入体内 使生物细胞降低或丧失正常的功能 最终对生物及人体健康产生危害 第二节生态学基础一 生态学概述 2 2 人类与环境的关系 自然环境影响社会活动及其社会发展 人类活动也影响自然环境 环境保护和资源开发必须为多数人的利益服务 避免自然资源的浪费 确保资源的有效利用和无污染废物 限制影响环境的人类活动 所有自然物都有存在的权利 人类 其他生物和环境因素之间是一种互相依存的合作关系 只要他们中间任何一方发生问题 这种关系都会遭受破坏 即生态系统失去平衡 第二节生态学基础二 生态系统的组成与结构 1 2 生态系统概念 指自然界在一定的地域内由全部生物和非生物环境相互作用的统一体 即生命系统与环境系统在特定空间的组合 相对稳定的动平衡状态 生态系统的组成 生物环境和非生物环境非生物环境 包括各种环境要素的总和 由所有非生命物质和能量两部分构成 为各种生物提供必要的营养元素和生存环境 是生态系统中各种生物赖以存在的基础 生物环境 由生产者 消费者 分解者三类活动角色组成 生产者 自养生物 将太阳的辐射能转变为化学能贮存在有机物质的分子结构中 主要是绿色植物 也包括进行光合作用和化学能合成的某些微生物 消费者 异养生物 食用植物或相互食用的生物 以动物为主 实现物质与能量的传递与物质的转换 分解者 腐化性生物 具有分解能力的细菌和真菌等微生物 某些参与分解活动的动物 将生产者和消费者的残体分解为简单的无机物质 供生产者再吸收利用 食物关系把多种生物联系在一起 形成食物链 每一个环节为一个营养级 第二节生态学基础二 生态系统的组成与结构 2 2 生态系统的结构 生态系统中各组成成分之间的相互关系 时间和空间结构 空间结构是指生物及环境因素在空间的配置 时间结构是指生态系统的结构随时间变化而产生的变化 生物多样性结构 指某一区域内遗传基因的品系 物种和生态系统多样化总和 多样性的生态系统是所有物种赖以生存与发展的基础 决定了物种 种群 群落的发展与消亡营养结构 由生物的食物链构成 实现物质与能量的传递与物质的转换 每个营养级生物的个体数量 生物量或者能量 按营养级的顺序由低到高排列起来绘成结构图 就形成生态金字塔 营养级越高的生物 其生物种类 数量和所有生物的能量之和越少 生态系统的类型 自然生态系统 半自然生态系统和人工生态系统 陆生态系统 水生生态系统和湿地生态系统 第二节生态学基础三 生态系统的基本功能 1 2 一 生态系统中的能量流动生物与环境 生物与生物之间的能量传递和转换的过程 遵循热力学定律 特点 能量守恒 只是形态转变 能量在流动中不断减少 指对下一营养级可利用的 是一种单向流失的过程 因为 各营养级生物总有一部分会未被食用而自然死亡 最终被分解者所利用 不可能全部被下一营养级的生物完全利用 各营养级的生物要维系自身的生命活动 必须消耗一部分能量 这一部分最后以热能的形式消散到环境中 各营养级不能完全吸收利用上一营养级的能量 通过排泄损失能量 太阳能量只有约4 被植物有效利用 除了供植物本身生命活动需要外 光合生物能为上一营养级提供的太阳能还不到1 29 损失70 其它动物也是如此 摄取的能量 能被上一级有效利用的约为10 食物链不可能太长 生态系统中的营养级最多只有四 五级 很少超过六级 第二节生态学基础三 生态系统的基本功能 2 2 二 生态系统中的物质循环C H O N P S是是构成生命有机体的主要物质 它们在自然界循环 对人类生存和环境保护来说 最主要的是水 碳 氮 硫的物质循环 碳循环氮循环硫循环 碳循环有机碳 碳水化合物 脂肪 蛋白质 无机碳 CO2 碳酸盐 碳的存在形态 光合生物通过光合作用吸收大气中的CO2和H2O形成碳水化合物 同时释放氧气 碳水化合物通过食物链逐级往高的营养级流动 并转换为不同的形式 同时 动物通过呼吸作用吸入O2而放出CO2 生物残体被微生物分解 矿化时也释放出CO2 这些经过生命系统的CO2又重新返回空气中 化石燃料的燃烧 自然界的火山喷发 地震也会将固定的碳元素以CO2的形式释放到大气中 CO2通过扩散作用在大气和水体之间循环 进入水体中的CO2会被吸收形成新的碳酸盐岩石 也可以通过死亡动植物的遗骸进入地壳形成化石燃料 氮循环 返回 大气中的氮进入土壤和植物 人工固氮 非生物固氮 雷电 植物固氮土壤中被固定的氨或铵盐 经硝化细菌将其转化为亚硝酸盐或硝酸盐被植物吸收利用 并与碳结合形成各种氨基酸 最后合成蛋白质动物直接或间接从植物中摄取植物性蛋白 作为自身的营养来源生物圈中动植物的残体 以及动物新陈代谢过程中的含氮排泄物被微生物分解后有又形成氨或铵盐 回归土壤 土壤中的氨形成硝酸盐后 一部分为植物利用 另一部分则由反硝化细菌把硝酸盐分解为氮分子 重新进人大气 硫循环 S主要在大气 海洋和陆地之间进行循环 进入大气的S 岩石中的硫随火山喷发或风化作用下形成H2S SO2 海浪飞溅 陆地生物残骸分解时生成H2S 化石燃料燃烧 进入水体的S 海底火山爆发或生物遗骸腐败产生的硫 降水 酸性废水排放 进入陆地的S 植物吸收 降水 酸性废水排放 返回 三 生态系统中的信息传递信息 系统传输和处理的对象 生态系统中的信息是指各种环境因素 生态系统的信息传递和联系方式使生态系统结合成为一个有机的统一整体 营养信息食物链和食物网构成 物理信息通过物理过程传递的信息 如SO2的溶解 化学信息通过化学物质传递的信息 行为信息通过生物的异常行为传递的信息 第二节生态学基础四 生态系统的平衡 1 2 生态平衡指某生态系统的生物环境和非生物环境之间以及它们内部之间通过物质循环 能量流动和信息传递 达到互相适应 相互制约 协调统一的效果 维持一种恒定状态 包括生态系统中结构上的平衡和功能上的平衡两个方面 结构平衡主要指生物种类的多样性 功能平衡指生态系统中物质流动相对恒定 循环保持正常 能量输入和输出接近相等 流动基本守恒 信息网络完整 传递通畅 综合起来 生态系统的稳定性取决于各子平衡系统之间的相互关系 生态平衡是动态平衡 具有自身调节的能力 当生态系统受到一定程度的外界干扰而引起不平衡时 具有恢复平衡状态的能力 但干扰超出其承受能力 即一定的限度 达到破坏生态规律的程度 调节就不再起作用 生态平衡就会遭到严重破坏 第二节生态学基础四 生态系统的平衡 2 2 影响生态平衡的因素生态系统自身调节能力的强弱是生态系统平衡的关键 生物多样性的结构 保持一定生物种类和数量的相对稳定生态功能的完整性 生态功能的合理运转生态平衡失调的原因 外界干扰所施加的压力 生态系统自身调节能力自然因素人为因素环境因素的变化物种的改变信息系统的破坏 第三节环境科学一 环境问题的由来和发展 1 2 环境问题 指由于自然原因和人类活动作用所引发的人们周围环境质量的变化 以及这种变化所产生的对人类的生产 生活和健康等一系列有害的影响问题 第一环境问题 原生环境 自然因素引起第二环境问题 次生环境 人类活动引起 包括生态环境失调与环境污染环境问题的出现 真正的环境问题出现在18世纪中叶开始的工业革命以后 由于生产力的大幅度提高和新的生产关系建立 扩大并强化了人类利用 改造环境的能力 从而破坏了原有的生态平衡 产生了新的环境问题 一些工业化的先驱城市和工矿企业区 排出大量污染环境的废弃物 出现了一系列污染环境的事件 如 英国伦敦在1873 1892年间 由于大量排放煤烟型有害废气 多次发生可怕的有毒烟雾事件 19世纪后期 日本足尾铜矿区排出的废水污染了大片农田 此时的环境污染特点 局部 暂时的 危害也有限 未能引起足够重视 第三节环境科学一 环境问题的由来和发展 2 2 环境问题的发展第一代环境问题 环境问题引起人们重视的规模性爆发和逐步的恶化发展始于20世纪40年代 并在80年代前出现了环境问题的第一次高潮 形成第一代环境问题 八大公害事件 公害是指环境污染对公众所造成的伤害 原因 1 人口迅猛增加 城市化的速度加快 50年 80年代人口增加了20亿 城市人口集中 导致污染物的集中排放 2 工业化规模不断集中和扩大 能源的消耗激增 30年间能源的消费增加了近75亿吨 25 100 是20世纪前50年的5倍 3 人们的环境意识薄弱 人们没有意识到高速的经济发展可能会引发的环境问题 第二代环境问题 20世纪80年代后出现了新的环境问题 可视为第二代环境问题 形成了环境问题的第二轮高潮 主要分为三类 1 全球性的环境问题 2 大面积生态环境破坏问题 3 严重的突发性污染事件迭起 目前环境问题的主要特点 1 从区域性环境问题转化为全球性环境问题 2 从发达国家的环境问题扩展到发展中国家的环境问题 3 污染源种类多样化和复杂化 4 环境问题危害范围扩大 程度严重 返回 八大公害事件 返回 返回 返回 第三节环境科学二 环境科学的创立和发展 环境科学的研究对象环境科学 考察以人类为主体的生态系统 研究人类与环境的关系 人类环境的质量结构与演变 是多学科交叉的 介于社会科学 自然科学和技术科学之间的综合性新兴学科 环境科学的诞生环境科学萌芽 烟囱 地下排水道 驱逐烟气 工业黑化 的现象 各个时代的气候和植物界 物种起源 人和自然 生态学 生态系统 给排水系统 污水处理厂 饮用水消毒 消烟除尘技术 旋风除尘器和布袋除尘器 寂静的春天 环境科学的发展及特点环境科学发展的综合性分支学科形成的独特性 第三节环境科学三 环境科学系统 1 环境科学的任务及研究内容 1 探索人类活动与生态平衡的相互协调关系 2 揭示全球范围的环境演化的规律 3 研究污染物对环境变化及生物生存的影响 4 寻找区域性环境污染的综合性防治途径 2 环境科学的分类基础环境学 包括环境数学 环境物理学 声 光 热 辐射等 环境化学 环境生态学 环境地质学 应用环境学 包括环境工程学 环境系统工程 环境监测 环境经济学 环境医学 环境法学 环境管理学 环境工效学 第三节环境科学四 环境工程学 环境工程学 运用相关学科的基本原理和工程技术方法 研究保护和合理利用自然资源 防治环境污染 以改善环境质量 保护人类健康的学科1 环境工程学的形成 1 水污染 2 大气污染 3 固体废物 4 噪声控制 5 污染综合治理 6 环保市场2 环境工程学的研究内容 1 水污染防治工程 2 大气污染防治工程 3 固体废物的处置和利用 4 噪声控制 5 环境系统工程 第四节环境与发展一 社会经济发展与环境 1 社会经济发展与环境的辨证关系环境是经济的基础 主要体现在 环境提供不可缺少的各种自然资源和各种生物生存的基本条件 具备净化废弃排放物的自净功能 舒适环境为人类提供精神享受 社会经济是环境保护的物质保证 2 关于社会经济发展的两种观点 1 零增长发展观 2 传统发展观 环境对于人类的索取和要求的容忍有一定的限度 一旦超过了极限 难以恢复 全球土地面积的15 已遭到不同程度的退化 旱地中近70 已中等程度荒漠化 严重的淡水资源短缺 煤估计只能开采150 200年 环境容量或自净能力是有限的 向环境排放的废物使全球环境状况发生显著的变化 温室气体的增多已经使地表温度在过去的100年中大约上升了0 3 0 6 氯氟烃导致南极上空臭氧总量平均减少了30 40 化石燃料燃烧时的排放物形成酸雨 废水大量排放严重污染水体 生态破坏和环境污染给各国造成了极大的损失 由此造成的经济损失每年占国民生产总值的比例 1990年德国为1 7 4 2 波兰1987年为4 4 7 7 美国1981年为0 8 1 2 1989年尼日利亚为17 4 经济发展与环境的关系是密不可分 对立统一的整体 社会经济发展的两种观点 1 零增长发展观悲观论观点 早期的罗马俱乐部为典型代表 1972年 以美国麻省理工学院梅多斯等人撰写的 增长的极限 为代表作 研究发现 人口 粮食 资源 工业和环境污染五种因素均是以幂指数增长 这种增长率 在未来100年内 地球上的经济增长将达到极限 出现世界粮食短缺 资源枯竭 环境污染和生态环境破坏 而发生无法控制的崩溃 认为 生态失衡和环境恶化的根源是社会经济和科学技术的发展 要维持人类环境 只有放弃发展 提出 经济零增长 经济原点发展 技术原点发展 的论点 意义 侧重考虑社会经济发展对环境的影响 使人类对面临的困境有了清醒的认识 结论片面 忽视了科学技术进步的作用 否认科学技术进步能够解决人类面临的困境 2 传统发展观乐观论观点 美国赫德森研究所所长卡恩为代表 在 今后200年 美国和世界的一幅远景 的文章对梅多斯的观点进行批驳 认为 依靠科学技术进步和社会经济增长 上述5个问题 人口 粮食 资源 工业和环境污染 基本或完全能解决 近期 中期的未来 技术至上 论 但 这种观点把环境保护同社会经济增长对立起来 片面追求经济发展 过分强调科学技术进步的作用 不考虑社会经济发展对环境质量的影响 对环境问题严重性估计不足 实施的 先污染 后治理 传统战略 第四节环境与发展二 可持续发展战略 1 2 sustainabledevelopmentstrategy 1 可持续性发展战略的确立1972年6月5日 联合国会议通过了斯德哥尔摩 联合国人类环境会议宣言 但环保意识未真正被世界各国的决策层所接受 1982年5月 内罗毕人类环境特别会议上发现环境污染只有局部的好转 而整体仍在日趋恶化 1983年11月 联合国成立世界环境与发展委员会 WCED TheUnitedNationsWorldCommissiononEnvironmentandDevelopment 1987年 WCED受联合国委托 系统地研究了人类面临的重大经济 社会和环境问题 在 我们共同的未来 报告中正式提出了可持续发展的模式 这种模式包含了对传统发展模式的反思和批判 以及对可持续发展模式的理性设计 1992年6月 可持续发展模式成为巴西里约热内卢环境与发展大会的主题 得到世界各国家的一致共识和普遍认同 通过 里约环境与发展宣言 和 21世纪议程 两个纲领性文件 第四节环境与发展二 可持续发展战略 2 2 2 可持续发展的定义 既满足当代人的需求 又不危害后代人满足其需求的发展 3 可持续发展的基本思想 1 可持续发展强调发展的主题 鼓励经济增长 2 经济发展必须受到制约 3 发展应保持公平 代内公平代际公平4 可持续发展理论源于传统发展观 但本质上与传统发展观是相对立的 是对传统发展观进行深刻反思基础上的一个彻底的否定 可持续发展思想显示了环境与发展两者间密不可分 相互促进的辩证关系 第四节环境与发展三 中国的环境保护