第六章水体污染

第六章水体污染水是地球表面最主要的天然组成物质,水是生命的源泉，是人类生活、生产的最重要的自然资源，也是自然生态系统繁荣昌盛的最重要的依赖因素。人类习惯于把水看作是取之不尽、用之不竭的最廉价的自然资源，但随着人口的膨胀和经济的快速发展，水资源短缺的现象正在很多地区相继出现，水污染及其所带来的危害更加剧了水资源的紧张，并严重破坏了自然界的生态平衡，对人类自身的生存和进一步发展也构成了严重威胁，因此，切实防治水污染、保护水资源已成为当今人类的迫切任务。人类解决水问题的有效途径，就是节约用水、清洁生产和废水的综合治理，其中废水的治理水平和利用程度将成为21世纪社会发展和社会文明的重要指标。本章将首先简要介绍自然界水的循环、水资源、水生态系统等概念，在此基础上比较系统地介绍水体污染的来源和污染物，水质指标和水质标准，为后续水体自净和污水处理内容的讲解打下基础。第一节概述一、水循环1.水的自然循环自然界中的水并不是静止不动的，在太阳辐射及地球引力的作用下，水的形态不断发生由液态－气态－液态的循环变化，并在海洋、大气和陆地之间不停息地运动，从而形成了水的自然循环。例如，海水蒸发为云，随气流迁移到内陆，与冷气流相遇，凝为雨雪而降落，称为降水。一部分降水沿地表流动，汇于江河湖泊；另—部分渗于地下，形成地下水流。在流动过程中，两种水流不时地相互转化或补给，最后又复归大海。这种发生在海洋与陆地之间全球范围的水分运动，称为大循环或海陆循环，它是陆地水资源形成和赋存的基本条件，是海洋向陆地输送水分的主要作用。那些仅发生在海洋或陆地范围内的水分运动，称为小循环。不论何种循环，使水蒸发的基本动力是太阳热能，使云气运动的动力是密度差。自然界水分的循环和运动是陆地淡水资源形成、存在和永续利用的基本条件。水的自然循环见图6-1。图6-1水的自然循环示意图2.水的社会循环除了上述水的自然循环外，水还由于人类的活动而不断地迁移转化，形成了水的社会循环。水的社会循环是指人类为了满足生活和生产的需求，不断取用天然水体中的水，经过使用，一部分天然水被消耗，但绝大部分却变成生活污水和生产废水排放，重新进入天然水体。与水的自然循环不同，在水的社会循环中，水的性质在不断地发生变化。例如，在人类的生活用水中，只有很少一部分是作为饮用或食物加工以满足生命对水的需求的，其余大部分水是用于卫生目的，如洗涤、冲厕等。显然，这部分水经过使用会挟入大量污染物质。工业生产用水量很大，除了用一部分水作为工业原料外，大部分是用于冷却、洗涤或其他目的，使用后水质也发生显著变化，其污染程度随工业性质、用水性质及方式等因素而变。在农业生产中，化肥、农药使用量的日益增加使得降雨后的农田径流会挟带大量化学物质流入地面或地下水体，从而形成所谓“面污染”。在水的社会循环中，生活污水和工农业生产废水的排放，是形成自然界水污染的主要根源，也是水污染防治的主要对象。二、水资源水是维系生命的基本物质，是工农业生产和城市发展不可缺少的重要资源。它是地球上分布最广的自然物质，作为地球上较轻的物质，在几十亿年的重力分异过程中集中分布于地球的表面，在逐渐趋冷的地表环境中以液态和同态形式存在，覆盖看地球表面的70.8％。就其水量而言，若将所有的水均匀分布于地表，地球表面的平均水深将达到2800m，其总量约为13.58亿km3，应该说是十分丰富的。但地球上的水以各种不同的形式分布于不同的地方，如表6-1所示。由表可见，地球上约有97.2％的水是海水，宽广的海洋覆盖了地球表面的70.8％以上，但海水是含有大量矿物盐类的“咸水”，不宜被人类直接使用。人类生命活动和生产活动所必需的淡水水量有限，只占总水量的2.53%，其中还有约3／4以冰川、冰帽的形式存在于南北极地，人类很难使用。表6-1地球上水资源的分布实际上，目前与人类关系最密切、又较易开发利用的淡水贮量仅占地球上总水量的0.3％，人均不足1万m3。1.世界水资源总量在全世界陆地上分布的可更新的水资源量为4.7万km3，以地表径流和地下径流的形式产出，约占全球总水量的十万分之三点四，1971年人均占有1.29万m3，2000年人均占有0.73万m3。由于水资源时空分布上的局限和技术经济条件的限制，能被人们利用的水量还不到五分之一，如美国的水资源利用率为17.6％，中国为17.8％。2.我国水资源的特点我国的水资源总量并不贫乏，约为28124.4亿m3，其降水量为60000亿立方米左右，相当于全球陆地总降水量的5％，占世界第三位。多年平均地表径流量为27115亿m3，仅少于巴西、前苏联、加拿大、美国和印尼，居世界第六位。年均地下水资源量为8288亿m3。但由于我国人口众多，按人均年径流量计，仅为每人每年2400m3，相当于世界人均占有量的1／4，位于世界各国的第88位，因此，我国水资源相当贫乏。此外，由于我国地域辽阔，地形复杂，南北、东西气候差异大，水资源还存在如下特点：(1)水量在地区分布上不平衡由于受自然条件的影响，中国水资源的分布在空间上极不均衡。水资源分布呈东南多、西北少，由东南沿海地区向西北内陆递减。全国平均降水量为648mm，而北方地区年降水量不足400mm的干旱半干旱地区面积占国土总面积的47％；小于200mm降水量的地区占国土总面积的29％，而降水总量只占全国的5.3％；淮河以北所拥有的水资源量仅为全国水资源总量的19％，而这一地区的耕地面积却是全国耕地面积的64％。如果有一条斜线将中国分为东南和西北两大区，则占据国土面积53％的东南沿海地区，拥有了全国水资源总量的93％，而西北广大地区却只有7％的水资源量。(2)水量在时程分配上很不均匀中国水资源在时间上的分布也极不均衡，在广大的北方和西部地区，降水多集中于一年的6～9月份，约占年降水总量的70％以上，而其他季节降水稀少，气候干旱。年际变化也非常明显，北方地区的降水量年际变化有时相差5～8倍以上。(3)水土资源组合不相适应东北、西北、黄淮河流域径流量只占全国总量的17%，但土地面积却占全国的65%；长江以南江河径流量占全国的83%，土地面积仅占35%。此外，对水资源的开发利用各地也很不平衡，南方多水地区水的利用程度较低，北方少水地区地表水、浅层地下水开发利用程度较高。水资源在区域和时程上分布的极不均衡，不仅严重影响水资源的持续利用，加剧缺水地区水资源的紧缺状况，大幅度地增加异域调水和水资源工程调节的困难和成本，甚至频发大面积的水旱灾害，对水资源的合理利用和社会经济的可持续发展极为不利。3.水资源的主要用途现代社会中水的用途随着人类社会经济活动的多样化而日益广泛，除传统的农业灌溉和生活饮用以外，还有各种方式的工业用水、城市供水、畜禽用水、牧草灌溉、林业繁育、生态及环境用水、水力发电、航运、渔业、工程及河道冲淤等。其中农业用水仍然是最主要和用水量最大的部门。4.水资源开发利用中存在的主要问题在水资源开发利用过程中，出于对需水量的快速增长，人类凭借日益先进的科学技术手段，几近掠夺式地索取水资源，从而导致江河断流，地下水位持续下降，甚至地面下沉，海水倒灌。同时，大量人类生活、生产过程中产生的废物和废水被排放到水体中，造成了严重的污染，进一步加剧了可用水资源的短缺，对社会经济的发展以及人类健康产生了多方面的不利影响。(1)水体污染在工业发展的初期，人们更多地考虑发展生产、追求利益，忽视了工业三废对环境的影响而自然排放废水、废气和废渣，不可避免地产生了水体和环境的污染。发达国家无一例外地经历过先污染后治理的发展历程，污染的空气、发臭的河流和遍地的垃圾成为现代社会发展初期的历史景象。中国近几十年也在经历这一历史时期，并已产生了严重的危害。中国目前日排放污水已近1.7亿t，其中80％以上未经任何处理即直接排入水体，使江河湖泊及近海海域普遍受到污染，城镇和工业区及其附近地区的地下水也普遍遭受污染。2001年东海已发生28次大规模红潮，污染面积最大达8千多km2。经济发达的长江、海滦河流域和珠江流域废水排放量较大，污染严重，污径比分别为12.8％、5.3％和3.4％。1980年全国废水排放总量为315亿吨；1995年为365亿吨，北方地区已有70％以上的河段为劣Ⅳ类水质；2001年，全国废水排放总量达620亿吨，比1980年的几乎翻了一倍，综合水质评估80％的河段水质为劣Ⅳ类，仅能用于灌溉用水，表明水体污染依然在加剧。(2)水源枯竭城市人口的急剧膨胀以及工业经济的飞速发展，使得地下水资源被大规模超强度地开采和消耗，因而造成了城市地下水位的持续快速下降。即使在地表水源区，由于需水区水环境的严重污染以及近距离供水强度的不足，远距离高成本地开发新水源也势在必行。有着“八水绕长安”之美誉的西安市，由于污染及对水资源的过度开采，而使得地下水资源枯竭并造成了快速的地面沉降，渭河等近郊河流水质污染及河流水量不足更使得它备受水荒之苦。江城武汉以长江为重要的供水水源，近年来也常因枯水期水质恶化而暂停使用。华北平原及京津地区的地下水资源丰富，但快速增加的水资源需求也使这一地区成为严重水源不足的地区。水源枯竭严重地制约了缺水地区的社会经济发展。(3)生态环境恶化人类以惊人的力量和速度开发利用水资源，大江大河被拦腰截流，大规模深层优质地下水被持续开采。超强度的人类开发对水文系统、自然环境和生态系统产生了严重的干扰甚至破坏。江河断流、水质污染、水土流失加剧、湖泊萎缩和水质咸化、土地退化和沙漠化加剧、地面沉陷、次生盐渍化、陆地水生生态环境破坏和物种灭绝等人为灾害层出不穷，不仅严重地威胁着水资源的持续利用，也极大地威胁着人类自身的生存环境安全。三、水生生态系统地球上的水主要以连续状态存在，构成各种水体。存在于地面上的，如海洋、江河、湖泊、沼泽、冰川和水库等属于地面水体；存在于地下者，包括潜水和承压水则属于地下水体。水体中的水、溶解物质、悬浮物、底质和水生生物等作为完整的自然综合体构成了水生生态系统。水生生态系统由四个基本要素组成：（1）绿色植物(生产者)以阳光为能源，将无机物(CO2、H2O等)合成为有机物，以构成本体并供动物食用；（2）动物(消费者)它们直接或间接地以植物为生；（3）微生物(分解者)分解生产者和消费者的排泄物或尸体，把复杂的有机物转化为简单的无机物(CO2、NH3等)返回环境，再为绿色植物所利用；（4）非生命物质包括阳光、空气、水和无机及有机物质，它们是水生生物活动的场所，也是生命体能量的最初来源。在水生生态系统中，低级生物被高级生物食用，食物关系把他们联系在一起，构成了错综复杂的食物链。食物链有一个显著特征，即富集作用(又称生物放大器作用)。比如，有许多污染物(如重金属、农药等)本来在水中的浓度并不高，但某些藻类可对它们选择性地吸收蓄积，并通过食物链一级一级地富集起来，最终转移进入人体可能达到很高的浓度，从而对人体产生危害。任一水生生态系统内部各要素间都相互联系、相互制约，在一定条件下，保持着自然的、相对的平衡关系，称为生态平衡。生态平衡维持着正常的生物循环，一旦排入水体的废物超过其维系平衡的“自净容量”时，正常的生态平衡被打破坏，水体即被污染了。第二节水体的主要污染源水体是海洋、湖泊、河流、沼泽、水库、地下水的总称。按水体的类型，又可将水体分为海洋水体和陆地水体两种。陆地水体进一步可以分成地表水水体和地下水水体。水在循环过程中，不可避免地会混入许多杂质(溶解的、胶态的和悬浮的)。在自然循环中，由非污染环境混入的物质称为自然杂质或本底杂质。社会循环中，在使用过程中混入的物质称为污染物。由于人类活动排放出大量的污染物，这些污染物质通过不同的途径进入水体，使水体的感官性状(如色度、味、浑浊度等)、物理化学性质(如温度、电导率、氧化还原电位、放射性等)、化学成分(有机物和无机物)、水中的生物组成(种群、数量)以及底质等发生变化，水质变坏，水的用途受到影响，这种情况就称为水体污染。向水体排放或释放污染物的来源或场所，称之为“水体污染源”。随着人类生产、生活活动的不断扩大与增强，水体的污染程度有日益恶化的趋势。一般将水体的污染程度分为五