第二章水体环境化学

上海市青草沙水库青草沙，是中国长江河口的一个冲积沙洲，位于长兴岛的西北方，属上海崇明县管辖。原名固定沙，1986年定为现名。青草沙拥有大量优质淡水，2006年9月1日，在中国工程院的倡议下，上海市政府决定将青草沙建设成为上海的水源地，以改变目前上海80%以上自来水源取自黄浦江的格局，全部工程将于2010年完工。青草沙总面积约70平方公里，位于长江口长兴岛以北，年均径流总量为4896亿立方米，是黄浦江的49倍。青草沙水源地位于长江口江心部位，不受陆域排污的干扰，水体水质属于一类至二类。水量丰富、水质优良，使青草沙成为上海市难得的优良水源地和城市供水的战略储备。三清山七一水库鄱阳湖AquaticEnvironmentalChemistry第二章水体环境化学保护水资源不受污染是水环境化学的主要研究方向.近年来的研究方向主要有:以化学平衡为主的热力学研究方向和研究物理化学过程的速率及反应机制的动力学研究方向.2-1水的环境属性一.水与生命人类的生存离不开水．●成人的身体70％的成份由水组成，儿童体内的水则占80％。一个70公斤重的人，水大约占50公斤的比重。●人的一切生命活动都需有水参与。●每人每天体内要有7至8升水需更新，身体中的水一周左右就要更新一次。●每人每天要摄入2至3升的水，1年要摄入700至1000升的水。如果人体内的水分不能正常排出，有毒物质和垃圾就会在体内积累，人体就会浮肿；如果人体内的含水量比正常值减少l％～2％或者0.5～1L时，人就会感到口渴；当体内水分减少5％或者2～5L时，皮肤就会起皱，口腔干涸．人的意识出现模糊；当体内失水14％～15％或者7～8L时，人就会丧失生命。当人饥饿或者不能进食时，只要有足够的水分就可以勉强维持生命。成年人在断粮不断水的情况下，可以忍耐40天之久；而在断粮又断水的情况下，至多只能忍耐3～7天。生命起源于水.1953年，美国芝加哥大学的一位年轻的博士研究生米勒（S.L.Miller）根据奥巴林20年代提出的理论观点，成功地模拟了原始地球大气的条件下氨基酸产生的过程。他把一个专门设计的密封玻璃容器事先抽成真空，并在130℃高温消毒18小时，放入200毫升水，然后通入CH4、NH3、H2，使它们的比例和科学家认为的原始大气的组成基本相同，接着就在加热的条件下，模拟地球闪电的自然条件连续进行火花放电，并在实验过程中随时进行取样分析，结果在八天后，装置中的液相由无色变为黄色，并有黄棕色沉淀。经分析，形成的物质有甲酸（HCOOH）、甘氨酸（HNCHCOOH）、乙醇酸（HOCHCOOH）、乳酸（CHCHOHCOOH）、丙氨酸（CHCHNHCOOH）、丙酸（CHCHCOOH）、乙酸（CHCOOH）（CHCHCOOH）,还有痕量的谷氨酸和天门冬氨酸，总共有11种氨基酸。这就有力地证明了化学进化过程是生命起源过程中最重要的一环。现今75岁的米勒按照生命起源的理论，生命的化学进化应是在海洋中进行的，这也有着大量的证据。以人体为例，海水中的10种主要元素中，有9种也是人体中的主要元素。还有动物体液的PH值也和海水相类似，海水PH值大约是在7.5～8.3左右，而动物的体液包括人的血清在内约是在7.1～7.7左右。（注意：人的血清PH值不能低于7.0，如不幸达到6.9，就会成为植物人，再低，则会死亡。）海洋生物与海水的元素组成二.水的来源在地球上的水形成之后，无论是水量还是水质都经历了漫长的演变过程。在数量上；据科学家们估计，大约在35亿年之前，地球表层的水量只有目前的1/10。在以后的漫长地质过程中，水还不断地从地球内部溢出，使地球表面的水量不断增加，直到今天的地球水量。据估计地球内部的化合水的质量大约有130～150亿立方公里，源源不断地从火山口和地壳裂缝中升上地面。在水质上，原生水的水质和化学成分与现代水体的水质也有很大差别。科学家们认为，35亿年以前的原生海水水质呈强酸性，在距今35亿～26亿年间，酸性的水溶液与硅酸盐作用，使水的酸性得到某种程度中和，使水体酸性减弱并且含有了大量的氯化物。在距今26亿～10亿年间，由于各种藻类的出现并大量繁殖的生物作用，使水中又增添了碳酸盐和硫酸盐。从距今10亿年到现在，在生物作用不断增强的情况下，海水的PH值迅速增加，井开始呈现碱性，变成了主要含有氯化物和硫酸盐的现代海水。三.水的循环主要循环途径有:蒸发、凝结、降水、渗透、径流。水的循环调节了气候和生态平衡,也帮助了物质的循环和能量的交换。自然循环:占地球总水量0.031%社会循环:占地球总水量仅数百万分之一.由于水的循环而形成的水体的更新的时间有着巨大的差异:极地冰川一万年\大洋2500年\高山冰川1600年\深层地下水1400年\湖泊平均17年\沼泽5年\土壤水1年\河水16天\大气水8天\生物水数小时水与湖泊我国平均每年有20个天然湖泊消亡。2005年国家林业局最新研究报告显示，大量的围垦和拦截地表水流，正使湖泊水面急速缩减，湖区洪水出现频率升高。统计表明，在东中部地区，近50年来，我国因围垦减少天然湖泊近l000个，围垦湖泊面积相当于五大淡水湖面积之和。湖北省上世纪50年代共有湖泊1052个，有“千湖之省”的美誉，而目前只剩下83个。昔日“八百里洞庭”水面缩小四成。湖泊的消亡，直接减少了对江河供水调蓄的容积，增加了洪涝灾害风险.西部地区水源缺少．蒸发强烈，加上大量拦截入湖地表水，一批烟波浩淼的大湖相继消亡，湖水逐渐向盐湖、干盐湖方向发展。除闻名中外的罗布泊外，东、西居延海，艾丁湖等已是一片荒漠。新疆准葛尔盆地西部的玛纳斯湖原面积577．8平方公里，近年来，由于不断截流引水灌溉，造成入湖河流无水，湖体及其周围盐沼和草甸完全干涸成盐地与荒漠。四.水的资源性海洋、湖泊、河流、沼泽的水体和地下水构成地壳的水圈。水圈中水的总量为1.41018吨，占地壳总量的7%，约为地球总量0.2%。海水是水圈中重要的组成部分，约占水圈的97.2%。大陆水仅占水圈的3%。世界上可供人类利用的水资源很少，仅占地球资源的0.64%。保护水资源不受污染是水环境化学的主要研究方向.淡水占总水量的2.7％，数量仍然很大．但是这些淡水的99％却难以直接被人们利用．因为地球南、北极的冰帽和高山的冰川储存了淡水的77%，地下水占22％，容易利用的江河湖水及浅层地下水仅约占总淡水量的1％．人们正是利用这些少量淡水，解决生活和工农业生产的用水要求．水是一种宝贵的自然资源．是维持人类生存和保证社会经济发展的最基本物质条件之一。近一个世纪以来，由于社会生产力的发展和全片人口的急剧增长．全球范围内的水消耗且不断上升．近20年来，世界年用水量几乎以4％左右的速度递增。据估计，到2000年世界耗水量达6X106km3，占全球淡水总储量的16％，约相当于地下水和地表水总资源的68%。水资源严重缺乏已成为当前最突出的全球性环境问题之一，世界上已有近60%的陆地面积，遍及63个国家和地区面临缺水问题，潜在的缺水危机十分严峻。我国的淡水资源并不丰富。地表水总径流量为2．6X103km3，相当于全球陆地径流总量5.5％左右，次于巴西、俄罗斯、加拿大和美国，居世界第5位。若按人口平均估算，我国人均占有的地表水资源约2700m3，居世界第127位．我国目前面临的水资源短缺的矛盾已经十分突出。全国约有大中城市470个，其中的380个不同程度缺水．西北、华北部分边远地区的居民，饮水仍有困难。全国有水耕田1亿公顷，灌溉用水也急待解决。总之，合理利用和保护水资源已经成为一项具有重大意义的全球性战略措施.近50年来，由于海河流域人口增加，经济社会发展等原因，流域内水资源只能满足实际用水量的三分之二，有三分之一约130亿立方米的水量是靠过度开发地表水、超采地下水等牺牲生态环境获得的。据海河流域水利委员会介绍，由于大范围超采地下水，造成地下水位持续下降，由此导致一系列生态环境问题，其中之一就是地裂缝产生。据介绍，自20世纪60年代在河北邯郸发现地裂缝以来，海河流域平原区已发现地裂缝200多条，主要分布在天津、唐山、保定、廊坊等地区，其规模由长达数米到500米，最长达数千米。河北省柏乡县地裂缝，始发于1996年，到目前为止，这个地裂缝已长达8000米，可见深度为1.5米，宽度为半米以上，且深度和宽度仍在扩大。2006年,据水利部海河水利委员会介绍，由于地下水超采严重，地下水位大幅度下降等原因，海河流域平原区目前已发现200多条地裂缝，其中最长的一条长达8公里。海河流域包括北京、天津，以及河北、山西、河南、山东等部分地区共26个大中城市，这一流域水资源短缺，人均水资源占有量只有293立方米，相当于全国平均水平的13%，2005年10月26日，在巴西亚马孙河流域，一匹马正在干涸的库鲁阿伊湖湖底奔跑。(1)人类的生活用水城市居民每人每天生活用水量大约40~350L之间，有些发达国家，如美国芝加哥和华盛顿市人均日用水量高达700~800L。(2)工业用水。各个生产工序中，如：清洗、溶解、冷却、加热、加工、传递等。生产1吨电炉钢，需水18~25m3生产1吨纸需水130~165m3生产1吨氮肥，需水600m3(3)农业生产用水种一亩蔬菜年耗水量25~35m3，种一亩小麦需40~50m3，全国有45%的耕地需要经常性的灌溉。有关人类“虚拟用水”的数据表明，一杯茶所含的虚拟水量是35升，一公斤牛肉为14000升，而一件全棉T恤衫和一张A4的纸竟也能消耗2000升和10升的水。2006入夏以来，川渝大旱，百年一遇。中国水情一再告急，在传统的北旱南涝、江河断流或泛滥成灾的水情之外，丰水地区全线城市缺水、水体全线污染。9月4日，水利部部长汪恕诚披露，截至2005年底，全国仍有3.12亿多农村人口饮用水不合格。水资源缺乏的一个重要原因是水体的污染●目前，全世界在水中检测出的有机物有2221种。●由饮水引起的疾病占所有人类所患疾病的80％。●由水传播的40种传染病，在全世界范围内仍未得到控制。●全世界每年有2500万儿童因饮用受污染的水而生病致死。我国有0.7亿人饮用高氟水(淮河以北地区)0.3亿人饮用高硝酸盐水0.5亿人饮用高氯水1.1亿人饮用高硬度水1.7亿人饮用有机污染的水7亿人饮用大肠菌超标准的水全国约有79%的人饮用受次生污染的水2-2水的物理化学特性一.水分子的结构水的化学性质有着它的特异性?这是由于水分子的性质所决定的,H2O由4个SP3杂化轨道形成，其中两个杂化轨道被未成键的孤对电子占有,很容易形成氢键,水的化学特性就与这一点密切相关.二.水的物理化学特性冰的结构水的物理化学特性就与水的的这个结构有关:水有着很高的热容,除氨外所有液体和固体中为最高,对热能传输大,能保持人的体温恒定和大气气温不致变化过大;水的蒸发潜热也是所有物质中最高,在热量输送和传递中起着重要作用,例如植物叶面的蒸腾就可以防止阳光灼伤组织;表面张力也是除汞外所有液体中最高,因此毛细现象和润湿能力强,对生物细胞的渗透和活性有重要作用;溶解能力强,能在细胞中顺利输送营养和废物,并为生化反应提供反应介质;电离度很小，是中性介质,同时又能提供微量的氢离子和氢氧根离子,有利于维持生物体内的酸碱平衡;在室温20℃就能顺利地进行气、液、固三态的转化，有利于促进细胞的新陈代谢和废物的排泄，它是唯一的三态都能存在于自然界的物质……2-3天然水体中常见化合物及其形态一天然水体及其主要成分水体是指地面水及其溶解物质(包括胶体)、悬浮物、底质和水生生物的总称。即水体是指地表或一定的自然空间被水覆盖的自然综合体。与水不一样，水体包括水及其它物质。天然水一般可分为降水、地面水和地下水三大类。纯水在自然界是没有的。水体的组成：(1)水—主要物质。(2)悬浮物质—细菌、病菌、藻类及原生动物，泥沙、粘土等不溶颗粒物。(3)胶体物质—硅、铝、铁的水合氧化物胶体物质，粘土矿物胶体物质；腐殖质等有机高分子化合物(4)溶解物质—a)