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第一节 环境

一,环境

1. 环境的定义

围绕着某一有生命主体的外部世界称之为环境.

相对于人这一主体而言的外部世界,就是人类的生存环境.

《中华人民共和国环境保护法》明确指出;大气,水,土地,矿藏,森林,草原,野生动物,野生植物,水生生物,名胜古迹,风景游览区,温泉,疗养区,自然保护区等各种自然因素的总和.

2. 生物圈

生物圈可定义为地球上所有生物体的总和,也可定义为由生活在大气圈,水圈,岩石圈和土壤层(岩石圈的附属层)界面上的生物所构成的一个有生命的圈层.

根据生物分布幅度,生物圈上界可达海平面以上10km,下界达海平面以下12km.也就是说,在地球表面包裹了22km厚的一层生物圈.在这个广阔的自然界里,最活跃的是生物.

生活在生物圈某区域范围内某生物物种的所有个体总和被称为种群.在此范围内所有种群之和被称为群落.对某一确定种群来说,只能生活在变动幅度不大的环境条件下,但不同种群的生物可能在相差悬殊的环境条件下各自生活.

在考虑一个实际的环境系统时,自然环境和生物圈还是一个过于巨大的系统.比这更小的环境系统依次是区域环境,生境,小环境,微环境和内环境.

3. 区域环境

组成生物圈的各圈层是不均匀的,在物质的组成和分布方面有着很大差异,形成了彼此可相区别的各种各样区域,即为区域环境.

区域环境如湖,河,江海,沙漠,山地,平原以及热带,亚热带,温带和寒带等,都有各自突出的自然环境景观.

不同区域环境中生存着与环境相适应的动物,植物和微生物.

4. 小环境和微环境

指的是生物个体所占据生境的一个特定范围.

例如:居室是人们生活的小环境;根系表面的土壤环境,即为根系环境;叶片表面附近的大气环境及随温度,湿度变化所形成的小气候或微气候,就是植物的小环境.

微生物形体微小,其所处生境被称为微环境.

二,环境污染

1. 环境问题

环境问题——由自然因素或人为因素引起生态平衡破坏以至直接或间接影响人类生存和发展的各种情况.

环境污染——由于自然的或人为的原因,在原先处于正常状况的环境中附加了物质,能量或生物体,其数量或强度超过了环境的自净能力,使环境质量变差,并对人们的健康或环境中某些有价值物质产生有害影响者.

自然原因即是指火山爆发,森林火灾,地震,有机物的腐烂等.以火山爆发为例,活动性火山喷发出的气体中含有大量硫化氢,二氧化硫,三氧化硫,硫酸盐等,严重污染了当地的区域环境;从一次大规模的火山爆发中喷出的气溶胶(火山灰)有可能将其影响波及全球.首先,大量火山灰将遮蔽日光,使太阳光(能)反射,转回到宇宙空间,从而影响了那些必需要阳光的地球生物类的生长.另一方面,火山灰在地球表层形成一层薄膜,使地面上的各种形式能量无法散发,这如同二氧化碳造成的温室效应所起的作用一样.再则,大气中到处散满了火山灰,成为水滴的凝结核心,使雨云易于集结,造成某些地区降雨量"前所未有"地增多;由于地球表层进行循环的水量是大体恒定的,局部地区大雨经久,则必然造成另一些地区发生严重的干旱;有的地方大雨,有的地方大旱,这又扰乱了地球表层热能分布平衡状态,造成局部地区热流,另一些地区则产生寒潮.以上这些现象结合起来,就会严重影响人们正常生活,破坏农业生产,导致严重歉收.许多环境污染问题如同上述火山爆发情况一样,对于环境的质量能起"牵一发而动全身"的作用.

人为原因主要是指人类的生产活动,包括矿石开采和冶炼,化石燃料燃烧,人工合成新物质(如农药,化学<>药品)等.总的来说,由人为因素造成的环境问题可以分为四个方面:

①在资源开发过程中过度地向自然索取物质和能量(特别是化石燃料,矿物和木材等);

②在物质生产和日常生活过程中向环境释放出废物和废能(特别是化学<>污染物和辐射能);

③经济建设(如农村城市化,围湖造田,兴建水坝等)引起对环境干扰;

④人口增殖引起单位时间和空间中人类活动频度增多.

近代,随着人类社会进步,生产发展和人们生活的不断提高,同时也造成了严重的环境污染现象,如大气污染,水体污染,土壤污染,生物污染,噪声污染,农药污染和核污染等.特别在本世纪的50-60年代,污染已成为世界范围的严重社会公害,许多人因患公害病而受苦难或死亡,人们的健康受到环境污染的损害.环境污染已对人们生活和经济发展造成了严重危害.

研究证明,目前,一些"自然灾害"常由于人为因素的加入而增强.例如,因人们大量砍伐森林,破坏植被而增加了沙漠化,水土流失和水灾的强度等.

2. 环境污染概念图

3. 环境污染概念公式

环境污染造成的危害 = 自然因素或人类活动的冲击破坏 - 包括自净机能在内的自然界动态平衡恢复能力

虫子的悲哀

怎么不更新呢？

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4. 全球十大污染事件

1930     马斯河谷烟雾事件

比利时马斯河谷工业区.在这个狭窄的河谷里有炼油厂,金属厂,玻璃厂等许多工厂.12月1日到5日的几天里,河谷上空出现了很强的逆温层,致使13个大烟囱排出的烟尘无法扩散,大量有害气体积累在近地大气层,对人体造成严重伤害.一周内有60多人丧生,其中心脏病,肺病患者死亡率最高,许多牲畜死亡.这是本世纪最早记录的公害事件.

       1943     洛杉矶光化学<>烟雾事件

夏季,美国西海岸的洛杉矶市.该市250万辆汽车每天燃烧掉1100吨汽油.汽油燃烧后产生的碳氢化合物等在太阳紫外光线照射下引起化学<>反应,形成浅蓝色烟雾,使该市大多市民患了眼红,头疼病.后来人们称这种污染为光化学<>烟雾.1955年和1970年洛杉矶又两度发生光化学<>烟雾事件,前者有400多人因五官中毒,呼吸衰竭而死,后者使全市四分之三的人患病.  

1948    多诺拉烟雾事件

美国的宾夕法尼亚州多诺拉城有许多大型炼铁厂,炼锌厂和硫酸厂.1948年10月26日清晨,大雾弥漫,受反气旋和逆温控制,工厂排出的有害气体扩散不出去,全城14000人中有6000人眼痛,喉咙痛,头痛胸闷,呕吐,腹泻.17人死亡.

1952    伦敦烟雾事件

自1952年以来,伦敦发生过12次大的烟雾事件,祸首是燃煤排放的粉尘和二氧化硫.烟雾逼迫所有飞机停飞,汽车白天开灯行驶,行人走路都困难,烟雾事件使呼吸疾病患者猛增.1952年12月那一次,5天内有4000多人死亡,两个月内又有8000多人死去.  

1953 1956   水俣病事件

日本熊本县水俣镇一家氮肥公司排放的废水中含有汞,这些废水排入海湾后经过某些生物的转化,形成甲基汞.甲基汞在海水,底泥和鱼类中富集,又经过食物链使人中毒.当时,最先发病的是爱吃鱼的猫.中毒后的猫发疯痉挛,纷纷跳海自杀.没有几年,水俣地区连猫的踪影都不见了.1956年,出现了与猫的症状相似的病人.因为开始病因不清,所以用当地地名命名.1991年,日本环境厅公布的中毒病人仍有2248人,其中1004人死亡.

1955 1972      骨痛病事件

镉是人体不需要的元素.日本富山县的一些铅锌矿在采矿和冶炼中排放废水,废水在河流中积累了重金属"镉".人长期饮用这样的河水,食用浇灌含镉河水生产的稻谷,就会得"骨痛病".病人骨骼严重畸形,剧痛,身长缩短,骨脆易折.

1968    日本米糠油事件

先是几十万只鸡吃了有毒饲料后死亡.人们没深究毒的来源,继而在北九州一带有13000多人受害.这些鸡和人都是吃了含有多氯联苯的米糠油而遭难的.病人开始眼皮发肿,手掌出汗,全身起红疙瘩,接着肝功能下降,全身肌肉疼痛,咳嗽不止.这次事件曾使整个西日本陷入恐慌中.

1984     印度博帕尔事件

12月3日,美国联合碳化公司在印度博帕尔市的农药厂因管理混乱,操作不当,致使地下储罐内剧毒的甲基异氰酸脂因压力升高而爆炸外泄.45吨毒气形成一股浓密的烟雾,以每小时5000米的速度袭击了博帕尔市区.死亡近两万人,受害20多万人,5万人失明,孕妇流产或产下死婴,受害面积40平方公里,数千头牲畜被毒死.

1986     切尔诺贝利核泄漏事件

4月26日,位于乌克兰基辅市郊的切尔诺贝利核电站,由于管理不善和操作失误,4号反应堆爆炸起火,致使大量放射性物质泄漏.西欧各国及世界大部分地区都测到了核电站泄漏出的放射性物质.31人死亡,237人受到严重放射性伤害.而且在20年内,还将有3万人可能因此患上癌症.基辅市和基辅州的中小学生全被疏散到海滨,核电站周围的庄稼全被掩埋,少收2000万吨粮食,距电站7公里内的树木全部死亡,此后半个世纪内,10公里内不能耕作放牧,100公里内不能生产牛奶…… .这次核污染飘尘给邻国也带来严重灾难.这是世界上最严重的一次核污染.

1986     剧毒物污染莱茵河事件

11月1日,瑞士巴塞尔市桑多兹化工厂仓库失火,近30吨剧毒的硫化物,磷化物与含有水银的化工产品随灭火剂和水流入莱茵河.顺流而下150公里内,60多万条鱼被毒死,500公里以内河岸两侧的井水不能饮用,靠近河边的自来水厂关闭,啤酒厂停产.有毒物沉积在河底,将使莱茵河因此而"死亡"20年.

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三,环境科学的发展

1.环境科学的研究对象

环境科学的研究对象是"人类一环境"系统.

研究领域不仅包括各种自然因素,而且包括一定的社会因素.

2.环境科学的显著特点

环境科学的显著特点是综合性强,环境科学主要是运用地学,生物学,化学<>,医学,工程学以及社会学,管理学,经济学,教育学,法学等多种学科的有关理论,技术和方法来研究环境问题,上述各学科向环境科学的渗透,逐渐形成了以生态学和地球化学<>为主要理论基础,由环境地学,环境生物学,环境物理学,环境化学<>,环境医学,环境教育学,环境法学等许多分支学科组成的环境科学体系.随着环境科学研究的深入,许多新的分支学科的出现,环境科学体系的不断完善,它的综合性特点将更加充分地显示出来.

3.环境科学的研究目的

环境科学的研究目的是:掌握自然规律,揭示人类与环境相互作用,相互促进,相互制约的辩证关系,正确地认识和预见人类"对自然界的惯常行程的干涉所引起的比较近或比较远的影响"协调和控制人类与环境间的物质能量交换过程,防治人类与环境关系的失调,创造适合于人类生存和发展的最佳环境.

4.环境科学的研究内容

环境科学的研究内容可以概括为四个方面:

全球范围内的环境演化规律的研究——地球的表面,气候,植物界,动物界以及人类本身都在不断地变化,而且这一切都同人的活动有关.在人类改造自然的过程中,为使环境向有利于人类的方向发展,避免向不利于人类的方向发展,研究环境变化的过程,包括环境的基本特征,环境结构的形式和演化的机理等是十分必要的.

环境质量基础理论的研究——环境质量基础理论是环境科学研究的主要课题.它的任务是探索人类活动引起的自然环境的变化及其影响.环境污染与破坏对人类和生物生存的影响的科学原理.其中包括:环境质量调查,环境自净能力研究,环境污染与破坏对人体和生物影响的过程和机理的研究等,目的在于为保护和改善人类生存环境,制定各项环境标准,控制污染物的排放量等提供科学依据.

环境质量控制与治理的研究——环境污染与破坏实质上是人类对自然资源开发利用不当或不充分的结果.环境质量控制与治理的研究主要是探索如何合理开发利用和保护自然资源的途径.目前,环境质量控制与治理的主要途径是:改革生产工艺,搞好资源的综合利用,研究无公害和少公害的工艺技术,尽量减少或不产生污染物质;对被污染的环境,着生治理和控制污染源,采取各种污染的处理净化技术,使环境恢复到自然良好状态;对污染环境的每个因素进行系统分析,寻求经济合理有效的控制方案,建立综合防治技术体系;研究自然界各环境因素的相互关系和自然资源的更新规律,合理开发利用和保护自然资源,预防环境的破坏等.

环境监测分析技术的研究——环境监测分析是开展环境科学研究的手段.进行环境监测分析技术的研究是为了全面,及时,准确地掌握环境污染的情况及其危害程度.目前采用的环境监测分析的技术有:定期,定点的间断性的人工和半自动化测定,生物监测,利用自动分析仪器建立自动化监测站等环境污染物质大多以痕量,超痕量存在,分布范围广,成分复杂并相互干扰和影响.因此,环境监测分析技术正向着分析测试方法标准化,监测技术连续自动化,数据处理计算机化的方向发展;同时积极研究状态,结构分析和生物监测技术;实行环境污染预报.

5.环境科学的研究方法

环境科学研究的主要方法是系统分析和系统工程的方法,此外还综合运用自然科学和社会科学的各种有关的方法.从环境科学的方法论方面而言,环境科学研究重视运用历史研究,现状研究与未来研究相结合的方法,微观研究与宏观研究相结合的方法,静态研究与动态研究相地合的方法,理论研究与应用研究相结合的方法等.随着环境科学的发展,其研究方法将不断丰富.

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四,环境的可持续发展

1.零增长

人类是在与自然环境之间不断作用,不断协调的过程中发展的.原始时代人们对太阳,月亮顶礼膜拜,19-20世纪由于科学的迅速发展,人类开始骄傲地提出了"征服自然"的口号. 但严肃的环境污染现实迫使人们不得不冷静地思索.地球只有一个,污染没有国界;人和自然必需"和睦相处",才能持久发展.

当人类赖以生存和发展的环境遭受越来越严重破坏时,人们开始关注环境与发展的相互关系.1972年,以D.L.米都斯(Meadows)为首的由西方科学家所组成的"罗马俱乐部",面对人口激增,环境污染的严重现实,提出了名为"增长的极限"的著名报告.报告认为:如果目前的人口和资本仍以快速增长模式继续下去,世界就会面临一场"灾难性的崩溃".而避免这种前景的最好方法是限制增长,即"零增长".当然,也有另一种观点,认为人类的能力发展是无限的,人类所遇到的问题在技术发展中会不断地克服.

2.可持续发展

"零增长"方案,无论是对急需摆脱贫困的发展中国家,还是对仍想增加财富的发达国家,都是难以接受的.因此,更多的人在寻找和探索一种在环境和自然资源可承受基础上的发展模式.并提出了"协调发展","'有机增长' '同步发展'","全面发展"等许多设想.在此情况下1980年联合国向全世界呼吁:必须研究自然的,社会的,生态的,经济的,以及利用自然资源过程中的基本关系,确保全球持续发展.1987年由原挪威首相伦兰特夫人(G.H.Brunland)任首相主席的由21个国家的环境与发展问题著名专家组成的联和国世界环境与发展委员会(WECD),在其长篇调查报告《我们共同的未来》(our common future)中指出:"以前我们感到国家之间在经济方面联系的重要性,而现在我们则感到国在生态学方面相互依赖.生态和经济从来没有像现在这样紧密地联系在一个互为因果的网络之中."并正式提出了"可持续发展"(sustainable development)的概念.

"可持续发展"的定义有许多种表述,世界环境和发展委员会《我们共同的未来》中指出,可持续发展是既能满足当代人的需求,又不危及后代人满足其需求的发展.这个概念得到了广泛的接受和认可.并在1992年联合国环境与发展大会上得到了共识.

"可持续发展"概念的提出,是人类发展过程中,经历了许多经验和教训,经过反复讨论和反思后得到关于人类自身长期发展的战略.是人类对自然认识,科学技术,社会文明发展到现阶段的必然结果.

(1)可持续发展思想反映了当代人对自然环境关系的认识,从"人定胜天"和"人是自然的奴隶"两种极端思想中,认识到人和自然应该和谐相处,各种动物,植物都是人类的"朋友",只有这样人类自身才可能持续发展.

(2)人类社会的发展,不仅是物质消费的增长,而且包括经济,社会,文化,技术,生态,环境等许多因素,需要综合考虑.人类生活质量的提高,不能以破坏环境,耗竭资源为代价.而是应该在不超过维持生态系统涵容能力的前提下,改善生活质量.

(3)在享用自然资源方面,不同地区之间,国家之间以及当代人和后代人之间应该协调,公平,即"代间公平"和"代内公平".诚然,可持续发展不否定经济增长,特别对发展中国家,贫困与环境恶化往往是联系在一起的.但经济增长和发展必须以自然资源为基础,同环境承载能力相协调,同社会进步相适应.要实现可持续发展必需进行国际,国内协调,以国际公约,法律,法规引导和规范人们的行动.广泛的公众参与,也是实现可持续发展的基本保证.

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第二节 水环境

一,水环境研究内容

1.世界水资源的分布

地球上水的总量约1.39×109km3,主要分布在海洋,约占总水量的97%,淡水约占2.5%,比例甚少,并且大约70%的淡水分布在冰川冻土中;存在于湖泊,河流,土壤和地下600米以内的含水层中的淡水仅占淡水总量的30%左右.这一部分淡水分布也不平衡.对人类有最大实用意义的水量资源是主要与降水量有关的江河径流和浅层地下水的淡水量.每年参与全球自然循环的水量平均约占总水量的0.031%,其中从海洋蒸发的水量每年约有36.1×104km3,其余是陆地的各种蒸发.海洋蒸发中的90%落回了海洋,10%漂流到陆地上空降落,在陆地形成地面径流与地下径流,淋溶岩石,土壤石汇聚成江河水,最终又流回大洋.形成了水的地球化学<>循环.

地球水资源分布

类 别             水 源                      容量(立方公里)          百分比(%)         
       地表水            江河                           1,200                     0.0001              
                             淡水湖                        120,000                0.0090         
                             盐湖与内海                 100,000                0.0075

地下水           土壤水及结合水           66,000                  0.0049

                      浅层地下水                  400,000               0.2991

                      深层地下水                  400,000               0.2991

冰川水                                               29,000,000          2.1685

大气水                                               13,000                 0.0010

海洋水                                               1,300,000,000     97.2100  

总 计                                                1,337,300,000      100

2.我国的水资源

我国水资源总量比较丰富,平均年降水量为6.19×1012m3,平均降水深648mm,平均河川径流量2.7×1012m3,合径流深284mm,约占全球径流总量的5.8%,居世界第6位.

我国人口众多,如按12亿人口计,人均占有年平均河川径流量2260m3,不足世界平均值的1/4,是美国人均占有量的1/6,前苏联的1/8,巴西的1/19和加拿大的1/58.我国耕地平均占有的河川年径流量也只有世界平均水平的80%.所以,从人均,亩均水资源数据看,我国水资源的供需矛盾突出.按照2000年6月8日中央电视台报导的水利部的通报,十年后,在中等干旱年,我国需水量为6988亿立方米,可能供水量为6670亿立方米,缺水318亿立方米,说明了未来十年左右,我国水资源短缺的情况.实际上从最近几年黄河断流,湖泊干涸,首都供水紧张,城市下沉的多项报道,已经表明水资源短缺对国计民生所引起的后果和对大西部开发的制约.

更有来自各方的对我们家园的"紧急报告"表明,水质污染已经到了令人触目惊心的地步.这对水资源短缺的中国来讲,简直是雪上加霜.从洞庭湖,太湖到安徽的巢湖,云贵高原上的"明珠"滇池,一个又一个的大湖,普遍受到污染的危害.昔日光彩正在失去,有些湖泊已成了"无鱼区"和臭水湾.目前,长江承受了全国百分之四十的生活污水和工业污水,假如我们依然无动于衷,放任污水自流,长江,黄河的未来可想而知.

时空分布不均匀是我国水资源的另一个问题.年降水量基本呈现由东南沿海向西北内陆递减的趋势.东南沿海径流深为1200mm,而西北干旱地区小于50mm,甚至为0.南方人均河川径流可达3600m3,北方地区人均仅720m3,仅及南方人均的1/5,使我国北方农村,城市都严重缺水.为了解决我国北方缺水问题,酝酿研究了几十年的南水北调工程的东线工程已于2002年底开工.中线工程将于2003年底开工.东线工程竣工后可以解决京,津和华北地区的缺水问题.东,中,西三线调水工程都完成后,将形成我国水资源调配的网状结构,做到水资源的合理利用,减少资源浪费.但是我国的缺水状况不会根本改变,节约用水,建设节水工业,节水农业,节水的水产业仍是我国长期努力的目标. 在调水,节水的同时,还应该重视水资源的保护.保护有限的水资源不受污染,提高水资源的质量,减少水质型缺水现象的出现,是全国人民的长期任务.

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二,水质

1.水质的定义

水质----水及其中所存在的各类物质所共同表现出来的综和特性

各种天然水系是工农业和生活用水的水源,还能借以发电和行舟等.作为一种资源来说,水质,水量和水能是度量水资源可利用价值的三个重要指标,而与水环境污染密切相关的则是水质指标.由于一般水体兼作汲取用水的水源和受纳废水的对象,且用水水源经常受到污染,废水排放前一般都要先经处理,所以用水和排水两者在水质方面有愈相接近的趋势,也存在着许多共通的水质指标.

2.水质指标系统

天然水(也兼及各种用水,废水)的水质指标,可分为物理,化学<>,生物,放射性四类.有些指标可直接用某一种杂质的浓度来表示其含量;有些指标则是利用某一类杂质的共同特性来间接反映其含量,如有机物杂质可用需氧量(化学<>需氧量,生物化学<>需氧量,总需氧量)作为综合指标(也被称之为非专一性指标).常用的水质指标有数十项,现将有关这些指标的意义列举如下:

Ⅰ 物理指标

温度

影响水的其他物理性质和生物,化学<>过程

臭和味

感官性指标,可借以判断某些杂质或有害成分存在与否

颜色

感官性指标,水中悬浮物,胶体或溶解类物质均可生色

浊度

由水中悬浮物或胶体状颗粒物质引起

透明度

与浊度意义相反,但二者同是反映水中杂质对透过光的阻碍程度

悬浮物

Ⅱ 化学<>指标

(A)非专一性指标

电导率

表示水样中可溶性电解质总量

pH

水样酸碱性

硬度

由可溶性钙盐和镁盐组成,引起用水管路中发生沉积和结垢

碱度

一般来源于水样中OH-,CO32-,HCO3-离子.关系到水中许多化学<>反应过程

无机酸度

源于工业酸性废水或矿井排水,有腐蚀作用

(B)无机物指标

铁

在不同条件下可呈Fe2+或胶粒Fe(OH)3状态,造成水有铁锈味和混浊,形成水垢,繁生铁细菌

锰

常以Mn2+形态存在,其很多化学<>行为与铁相似

铜

影响水的可饮用性,对金属管道有侵蚀作用

锌

很多化学<>行为与铜相似

钠

天然水中主要的易溶组分,对水质不发生重要影响

硅

多以H4SiO4形态普遍存在于天然水中,含量变化幅度大

有毒金属

常见的有镉,汞,铅,铬等,一般来源于工业废水

有毒准金属

常见的有砷,硒等,砷化物有剧毒,硒引起嗅感和味觉

氯化物

影响可饮用性,腐蚀金属表面

氟化物

饮水浓度控制在1mg/L可防止龋齿,高浓度时有腐蚀性

硫酸盐

水体缺氧条件下经微生物反硫化作用转化为有毒的H2S

硝酸盐氮

通过饮用水过量摄入婴幼儿体内时,可引起变性血红蛋白症

亚硝酸盐氮

是亚铁血红蛋白症的病原体,与仲胺类作用生成致癌的亚硝胺类化合物

氨氮

呈NH4+和NH3形态存在,NH3形态对鱼有危害,用Cl2处理水时可产生有毒的氯胺

磷酸盐

基本上有三种形态:正磷酸盐,聚磷酸盐和有机键合的磷酸盐,是生命必须物质,可引起水体富营养化问题

氰化物

剧毒,进入生物体后破坏高铁细胞色素氧化酶的正常作用,致使组织缺氧窒息

(C)非专一性有机物指标

生物化学<>需氧量(BOD)

水体通过微生物作用发生自然净化的能力标度.废水生物处理效果标度

化学<>需氧量(COD)

有机污染物浓度指标

高锰酸盐指数

易氧化有机污染物及还原性无机物的浓度指标

总需氧量(TOD)

近于理论耗氧量值

总有机碳(TOC)

近于理论有机碳量值

酚类

多数酚化合物对人体毒性不大,但有臭味(特别是氯化过的水),影响可饮用性

洗涤剂

仅有轻微毒性,有发泡性

石油类

影响空气-水界面间氧的交换,被微生物降解时耗氧,使水质恶化

(D)溶解性气体

氧气

为大多数高等水生生物呼吸所需,腐蚀金属,水体中缺氧时又会产生有害的CH4,H2S等

二氧化碳

大多数天然水系中碳酸体系的组成物

Ⅲ 生物指标

细菌总数

对饮用水进行卫生学评价时的依据

大肠菌群

水体被粪便污染程度的指标

藻类

水体营养状态指标

Ⅳ 放射性指标

总α,总β,铀,镭,钍等

生物体受过量辐照时(特别是内照射)可引起各种放射病或烧伤等

我国主要水质标准

地表水环境质量标准(GB3838-2002)

海水水质标准(GB 3097-1997)

生活饮用水卫生规范(CJ 3020-93)

渔业水质标准(GBll607-89)

农田灌溉水质标准(GB5084-92)

污水综合排放标准(GB8978-1996)

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第三节 养殖水化学

一,养殖水化学与水生生物

1.水化学与水生生物的一般关系

地球上的一切生物都需要水。水是生物体内的主要组成要素，水栖植物体含水量达95%上，陆栖动物体内含水量达50-75%。生物体内的生物化学反应总是在体内的水溶液中以酶为催化剂缓慢进行的，而植物的光合作用就是在光照和叶绿素的作用下由水与二氧化碳合成碳水化合物的过程。水是水栖生物的生活环境，也为陆栖生物提供良好的栖息条件，地球上原始的生命孕育于原始的海洋中。

水生生物的生长还有赖于水中所溶解的各种复杂的成分，包括无机离子，有机物和气体。没有这些物质，生物也是不能在水中生存的。在这方面，天然水可以和土壤相比拟。土壤的肥瘠决定于其中营养物质含量的多少。同样，在天然水体中没有这些营养物质，水体中将不会有生命存在，天然水体中营养物质的含量是水体初级生产力的决定因素。

水生生物的生命过程和生命结束后残骸的腐解过程都与水中溶解氧的存在与行为有着密切的关系。光合作用产生氧，而呼吸作用和氧化作用消耗溶解氧。当水体中溶解氧被耗尽时，硫酸盐的还原和有机体的厌氧分解产生的硫化氢等，将危害厌氧生物以外的其它生物的生存。

二氧化碳体系是天然水体中重要的平衡体系，它不但涉及到气象地质和水文学方面的学科，而且与各种水质系的生态学密切相关。溶解二氧化碳为自养生物合成有机体提供碳源。二氧化碳平衡系统在很大程度上控制水体的pH值，而许多水生生物在整个生命过程对水质pH值的变化极为敏感.所以水体中二氧化碳体系是形成和保持生物生存的稳定环境的重要因素.

天然水体中含有成分极为复杂的有机化合物.尽管通常情况下其含量很低,但它在地球化学以及水产生物增养殖的研究中越来越引起人们的重视.近年来许多研究结果表明,水中溶解的天然有机物与水生生物的生长繁殖有着密切的关系,在某些环境条件下,甚至成为局部水域生产力的重要限制因素之一.

当前环境污染与环境保护以成为世界性的重大课题.其中水质环境的污染和保护是一个最为突出的问题,尤其是海洋已变成了石油,农药,重金属以及放射性废物的"纳污池".由于局部海域,特别是近岸海区的污染,导致海产动植物的生长繁殖遭到极大的危害,影响了近海水产资源的开发和利用.有些海区曾发现具有油臭味的鱼,绿色的牡蛎,烂斑的海带和毒物含量超过食用标准的鱼贝类.这样的海产品将会危及人类的健康.水质环境的污染和保护已收到水产工作者和社会的广泛重视.

总之,水化学与水生生物的生长繁殖有着极为密切的关系.在从事天然水域(包括海水及淡水水域)水产生物增养殖的研究和生产的过程中必须密切注意水质系的水质动态.如果水质条件不能满足水产生物生命活动的各个阶段的需要,或者超出他们是应得范围,即使有好的品种和充足的饵料,水产生物仍然不能正常生长,还可能导致养殖生物的大批死亡,渔场荒废,甚至积累毒物,危害人体健康.因此在水产生物养殖整个过程中的水质改良和管理,包括苗种的培育,个体的养成,饵料生物的培养以及水质污染的监测等各种环节,水化学<>基本理论的指导作用和水质化学<>动态的研究,都是十分重要的.

2.水化学与水产养殖生产

一个地区水产养殖业的发展,不能超越水域环境的自净能力,即环境承载能力.过度的发展,养殖废水无任何处理地向自然水体,包括海域排放,将加速水域富营养化,恶化水质,引起病害传播.我国对虾养殖业的兴起与衰落的历史,就是惨痛的教训.

水产养殖的稳产高产离不开养殖水环境的调控.水质的好坏直接影响到水产品的产量与质量.许多水产科学工作者为避开海上病毒传播的危害,努力开发人工海水育苗和地下咸水(井盐水)育苗.此时,合理配兑育苗用水的化学成分是育苗成功的关键.滨海地区,干旱地区的盐碱涝洼地渔业开发利用,也涉及许多水环境化学问题.这些都要求我们水产养殖科技工作者具备必要的水环境化学基本理论知识和技能.缺乏这方面的知识,研究工作可能走弯路,生产管理可能带有盲目性,容易因管理失当给生产带来重大损失.这一方面的教训事例是很多的,下面是几个比较典型的例子.

1.盲目施用氮肥造成氨中毒,使全池种鱼死亡.东北某鱼种场用铵态氮和过磷酸钙化肥肥水培养白鲢亲鱼,发现肥水效果很好.施肥后浮游植物大量繁殖,水色很快转好.这时,鱼种场技术人员在未作水质化验的情况下,又连续施了两次氮肥,造成全池种鱼中毒死亡.死亡原因是铵态氮肥过剩与浮游植物发展过快,造成pH升高,由铵态氮在高pH条件下的毒性使鱼致死.生产上类似的例子常有发生.

2.杀灭浮游动物引起气泡病,造成夏花鱼苗的大批死亡.辽宁某鱼种场有一水花发塘池,水色日益变淡,溶氧降低,人工连续数日往池中投放大粪,未见好转,溶氧日益紧张,后发现是水中浮游动物太多造成,立即用敌百虫杀灭,水色就迅速变绿,溶氧大幅度上升.施放敌百虫后第三天下午溶氧达20mg/L以上.池中鱼苗和蝌蚪均患气泡病,引起鱼苗大批死亡.问题出在浮游动物杀灭太彻底,浮游植物发展太快,造成溶氧极度过饱和,引起气泡病.

3.水质变坏后盲目大量投放鱼种造成损失.陕西某水库原水面1.2×107m2,后因连年干旱仅剩约4.3×106m2,库水含盐量及总碱度均逐年积累,致使水质已不适应花白鲢及鲤鱼生长.1982年前未做水质调查,每年仍向库中投放大量花白鲢和鲤鱼鱼种,9年共计投放的665万尾鱼种全部死亡,造成了不必要的损失.

此外,盲目施肥造成的浪费;北方鱼类越冬中因水质处理或管理不善,致使全部死亡或成活率不高;养虾池中因水质未控制好,一夜之间就使全池对虾死亡,等等事例都常常发生.

3.养殖水化学在专业教学中的重要地位

鉴于水化学<>与水生生物之间的密切关系,养殖水化学<>成为水产养殖专业的专业基础课,它一方面为学生学习专业课程奠定基础,又要为学生将来从事水产养殖专业的生长和科研工作奠定基础.

虫子的悲哀

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二,养殖水化学的研究内容

<水化学>成分的动态规律:作为一个养殖科技人员,首先应了解天然水中有哪些成分,这些成分和水产养殖的关系,这些成分在水体中的分布及变化有何规律,养殖水体水质有何特点.这就要学习天然水与养殖水中常见的化学成分的来源,迁移,分布,变化.要将溶解,电离,氧化还原,络合,吸附等平衡原理用于研究水化学<>状态的成因及变化,就不可避免地要涉及到对水质产生影响的生物学,微生物学,生态学,地质学,地球化学等学科的知识.

水质控制方法:水产养殖专业人员学习水化学<>的重点应在管理和控制好水质,已达到稳产高产的目的.控制水质是养殖生产的重要任务,也是养殖技术的重要组成部分.水化学<>课程这部分内容的讲授将限制在根据水化学动态规律对水质管理提出一般性意见,以避免与专业课重复.

水质监测技术:要研究水中的化学<>成分及其转化,要了解水质化学<>状况以指导生产,都需要进行水质检测.选择准确,简便,快速的监测方法是水质分析工作者的研究方向.水产养殖工作者一般不会去研究和改进监测方法,但常常需要亲自做一些监测工作,这都需要掌握必要的水质监测知识和技术.

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第二章 水环境基本理论

       第一节 天然水的化学<>组成

一,天然水的组成与特征

1.纯水的结构与异常特性

水是最常见的物质,但它有许多异常特性.也正是由于这些特性,才使水在自然界和人类生活中普遍发生巨大作用,成为支配自然和人类环境中各种现象的主要因素.要研究水及其中杂质共同表现的水质特性,需先深入了解水本身的特性.

水的异常性质及其意义

性 质                 特点                         意 义

状 态            一般为液态            提供生命介质,流动性

热 容                非常大               良好的传热介质,调节环境和有机体的温度

熔解热              非常大               使水处于稳定的液态,调节水温

蒸发热              非常大               对水蒸气的大气物理性质有重要意义,调节水温

密 度             4℃时极大           水体冰冻始于表面,控制水体中温度分布,保护水生生物

表面张力          非常大              生理学控制因素,控制液滴等表面现象

介电常数          非常大              高度溶解离子性物质并使其电离

水 合              非常广泛           对污染物是良好溶剂和载带体,改变溶质生物化学<>性质

离 解               非常少             提供中性介质

透明度                 大                 透过可见光和长波段紫外线,在水体深处可发生光合作用

水的特性与水的分子结构相关.水分子中的氧原子受到四个电子对包围,其中两电子对与两个氢原子共享,形成两个共价键;另外两对是氧原子本身所持有的孤对电子.四个电子对间由于带负电而互相排斥,使它们有呈四面体结构的倾向,但因孤对电子占据的空间较小,与共享电子对相比具有更大的斥力,因此使H—O—H键角由109.5°(几何正四面体)缩减到104.5°.

氧原子具有比氢原子大得多的电负性,所以水分子中的电子对趋向于氧而偏离氢,于是就在两个孤对电子上集中了更多负电荷,使水分子成为具有很大偶极矩的极性分子.这样的一个水分子就有可能通过正,负电间静电引力与邻近的四个水分子以氢键相联系.分子间氢键力大小为18.81kJ/mol,约为O—H共价键的1/20,冰溶化成水或水挥发成水汽,都首先需要外界供能破坏这些氢键.

当冰开始熔化成水时,冰的疏松的三维氢键结构中约有15%氢键断裂,晶体结构崩溃,体积缩小而密度增大.如果有更多热能输入体系,将引起下述两方面的作用:

①更多氢键破裂,结构进一步分崩离析,密度进一步增大;

②体系温度升高,分子动能增加,由于分子振动加剧,而每一分子占据更大体积空间,所以这一因素又使密度趋于减小.

上述两因素随温度升高而相互消长的结果,使淡水在3.98℃时有最大密度.这种情况对水生生物越冬生活具有特别重要意义.

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2.天然水的化学<>组成

按不同组分含量与性质的差异,以及与水生生物的关系可以把天然水的化学<>成分分为六类:即常量元素,溶解气体,营养元素,有机物质,微量元素以及有毒物质.

常量成分——又称为主要离子,恒量元素,保守成分.淡水中的八大离子主要有K+,Na+,Ca2+,Mg2+,HCO3-,CO32-,SO42-,Cl-;海水中主要有Na+,Mg2+,Ca2+,K+,Sr2+,Cl-,SO42-,HCO3-(CO32-),Br-,H3BO3,F-.

常量成分在水中含量高,性质稳定:海水中常量成分占海水中溶解盐类的99.8%～99.9%,而且它们在海水中含量的大小有一定的顺序,其比例几乎不变;

淡水中常量成分占水体溶解盐类总量的90%以上;

常量成分是决定天然水体物理化学<>特性的最重要因素:如CO32-,HCO3-对维持水体的pH具有重要的意义.常量成分在水中以多种形态存在,如海水中常量成分多以自由离子或离子对存在,少量以络离子存在.

溶解气体——天然水中溶有大气中所含有的各种气体,除了N2,O2,CO2外,还有惰性气体He,Ne,Ar,Kr,Xe,Rn也都能在水体中找到.海水中也含有少量H2,在水交换较差的湖底及某些海区或孤立的海盆中有时也有游离的H2S存在.对于部分受污染地区,水中可能还溶有该地区的污染气体(如硫氧化物,氮氧化物等).溶解气体的含量与水的温度,水中动物代谢活动有关;其含量有明显的昼夜,季节,周年变化特点和显著的水层差异.

营养元素——主要包括与水生生物生长有关的一些元素,如N,P,Si等.营养元素多以复杂的离子形式或以有机物的形式存在于水体中.营养元素在水体中含量通常较低,受生物影响较大,有时又称为"非保守成分"或"生物制约元素".

有机物——水体中的有机物可分为颗粒态有机物和溶解态有机物两大类.有机物在水体中的含量较低,通常是无机成分的万分之一,一般1升水中仅几毫克;有机物成分复杂,种类繁多.包括糖类,脂肪,蛋白质及降解有机物等;有机物对水质及水生生物有着多方面错综复杂的影响,适量有机物的存在是使水质维持一定肥力的重要条件,而过量有机物的存在将会使水质恶化,鱼病蔓延.

微量元素等其它组成——除了常量元素和营养元素以外的其他元素(如同位素等),都包括在这一类中.微量元素种类繁多,总量却非常少,仅占总含盐量的0.1%左右;微量元素中的Fe,Mn,Cu等与生物的生长有着密切的关系,称为"微量营养元素".

有毒物质——天然水中的有毒物质,按其来源或产生方式的不同大体可分为两类:一类是来自工农业生产以及日常生活排放的废物,即所谓污染物质,主要包括有机物,油类,农药及重金属离子等等;另一类是指由于水体内部物质循环失调而生成并积累的毒物,如硫化氢,氨,低级胺类,高浓度CO2及赤潮生物的有毒分泌物等.有毒物质在浓度较低时就会对水生生物产生毒性作用,并破坏生态系统的平衡;其毒性的大小与该物质的存在形式有关,并受到多中水体物理化学<>性质的影响.

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3.天然水的主要化学特性

天然水是一个多组分,多相的混合体系,具有多重化学特性,概括起来约有十点:

天然水是一个多组分,多相的运动变化着的混合体系——水中的溶存物质种类繁多,数量相差悬殊;溶存物质的存在形式多种多样,仅就粒径而言,大小相差可达六个数量级以上,小的仅有几个毫微米,以真溶液存在,大的在数百微米以上,构成多相分散体系;水中的元素及其化合物参与化学,物理反应,诸如氧化还原,沉淀溶解,吸附解析等,不断改变着其存在形态及其不同形态的量.

不同形态的天然水含盐量悬殊,通常海水的含盐量约是淡水的35倍——世界河水含盐量平均只有120mg/L左右,世界海水总含盐量约为34.30g/L,不同水的含盐量相差十分悬殊.

天然水都具有一定的酸碱性——淡水水体一般都是中性偏弱碱性,海水都是弱碱性.水的酸碱性受到水中生物光合作用,呼吸作用的影响,浮游植物进行光合作用,可使水体pH上升.水的酸碱性还受到环境污染物质等的影响.

天然水都具有一定的缓冲能力——与所有的天然水体一样,渔业水体都具有一定的缓冲能力,能够在一定程度上抵御外来酸碱物质对pH的影响,保持自身pH的稳定性.

天然水都具有一定的硬度和碱度——硬度和碱度是天然水体两个重要的化学指标,碱度的组成及大小,有明显的周日变化及垂直分布不均一现象,并与pH,O2,CO2等水化因子有明显的相关性.渔业水体必须保证具有一定的碱度和硬度才能维持水体较为合适的生产力.

天然水都具有一定的氧化还原能力——渔业水体的氧化还原能力主要与水中溶解氧的含量有关.表层水中,溶解氧较为丰富,水中的变价元素多以高价形式存在.而在底层水中,溶解氧含量较低,在厌氧微生物等的作用下,变价多以低价态形式存在.

天然水都具有水生生物生长所需的营养元素——水中植物,特别是浮游植物的光合作用,是水中有机食物的真正生产者,是其他水生生物存在和发展的基础.在温度,光照等条件适宜时,水体初级生产的速率及产量,受水中植物营养元素供应情况的限制.

天然水都具有水生生物呼吸作用所需的O2和光合作用所需的二氧化碳CO2.

天然水都具有一定的自净能力——在自然条件下,一方面由于生物代谢废物等异物的侵入,积累导致水体经常遭受污染;另一方面,水体的物理,化学及生物作用,又可将这些有害异物分解转化,降低以至消除其毒性,使受到污染的水体恢复正常机能,这一过程称为水体的"自净作用".

海水常量成分具有恒定性的特点——海水的总含盐量或盐度是可变的,但常量成分浓度间的比值几乎保持恒定.

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二,海水常量成分

1.海水常量成分恒定性原理

定义——海水的总含盐量或盐度是可变的,但常量成分浓度之间的比值几乎保持恒定."海水常量成分恒定性原理"又称为"主要成分恒比关系原理","海水组成的恒定性原理","Marcet原理"和"Dittmar定律".

海水中常量成份的含量

常量成分      含 量(g/kg)              氯度比值         盐度比值            含量/(mol/kg)

Cl-                  18.9799                 0.99894           0.55296             0.5353
      1/2SO42-         2.6488                  0.1394             0.07717             0.0551

HCO3-            0.1397                   0.00735           0.00407             0.0023
       Br-                 0.0646                    0.00340           0.00188             0.0008

F-                   0.0013                   0.00007            0.000038          0.0002

H3BO3           0.0260                   0.00137            0.000757            -  

总计                                                                                                0.5936

Na+              10.556                   0.5556               0.30754              0.4590

1/2Mg2+      1.272                     0.06695             0.03706              0.1046

1/2Ca2+       0.4001                   0.02106             0.01166              0.0200

K+                0.3800                   0.02000             0.01107              0.0097

1/2Sr2+       0.0133                   0.00073              0.00039              0.0003

总计                                                                                                0.5936

*总含盐量=34.81g/L,C l =19.00(×10-3),S=34.324

常量成分恒定性原理的发现——1819年Marcet在分析了北冰洋,大西洋,地中海,黑海,波罗的海,中国海和白海等多处海水水样后,提出了"全世界一切海水水样,都含有同样种类的成分,这些成分之间只有盐含量总值不同的区别".Dittmar 从"H.M.S.Challenger"号调查船在环球航行所采集的77个水样分析中也证实了Marcet结论的正确性.

Marcet 原理所提出的海水常量成分浓度之间的比值只是几乎保持恒定并非绝对恒定.

若干常量元素在垂直方向上因为压力效应,氯度比值会有所变化.例如Cox发现Ca/Cl比值随海水深度的增加而有所增大;

河口滨海区常量成分浓度之间的相关性有别于大洋水;

海水主要离子中的HCO3-及碱度的恒定性比较关,这是历为该成份本身含量较小(与Ca2+及硬度比),受生物作用影响较大:表层海水因光合作用吸收CO2,使HCO3-及碱度降低,深层海水利用有机物的分解产生CO2使CaCO3溶解,HCO3-及碱度含量较高.对海水中的微量成分,包括氮,磷营养元素的含量,"恒定性原理"不适用,对于海水的溶氧也不适用.

河口区的海水常量成分的相关性

河口区海水常量成分与大洋水一致,但各成分之间不具备恒定性关系的特点.也就是说,在受大陆径流影响较大的河口滨海区,不但海水受到程度不等的冲淡,而且水化学<>成分的恒比关系也遭到显著的影响.养殖生产中,有必要对河口区育苗和养殖用水的配方进行特定的研究.

例如,晋江河口区主要化学<>成分及总含盐量的氯度比值随着混合系数r(r = Wr /Wm,Wr与Wm分别表示参与混合的河水和海水的重量)的不断增大,各主要成分的氯度比值均有不同程度的增高.显然这是河口区在通常的水文条件下可能出现的一般规律,但其变化程度随河口区及季节不同而有所差异.因此在水文学上常常利用主要成分间比值的变化研究海水与河水的混合过程.

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2. 海水常量成分恒定性成因

混合作用——大洋海水通过环流,潮流,垂直流等运动,连续不断地进行混合.

体积巨大——海水体积极大,它所拥有的多种成分的总量也十分巨大,外界的影响(如大陆径流等)很难使其相对组成发生明显的变化.即使海水的蒸发以及大气降水,也只能使海水的浓度在局部区域增加或减少,但对于主要成分相对比例的影响是极微小的.

3. 海水常量成分恒定性的意义

对于研究海水的物理化学性质有着十分重要的意义:

(1)在一定的温度及压力条件下,海水的一系列物理化学<>性质主要决定于海水的总含盐量.由于海水常量成分具有恒定性的特点,海水的总含盐量就可由测定某一主要成分而间接求出;

(2)海水的物理化学<>性质于海水某一主要成分之间也存在着定量关系,例如海水化学<>中涉及的许多经验公式,都是通过海水的氯度来确定的,从而为海洋科学工作提供了方便.

对于指导养殖生产具有十分重要的意义:

(1)海水养殖(包括育苗)中主要成分的测定;

(2)海水配方的研制.

人工海水配方

由于天然海水的复杂性与不稳定性,在实验室进行某些物理化学测定或生物培养试验的过程中,常常采用由人工配制的海水代替天然海水.人工海水不含有悬浮物,有机物和生物物质,它是模拟常量组分(有时也包括营养盐或特殊需要的其他物质)的浓度,用无机盐类准确配制的.国外一些水族馆常采用Backhaus人工海水配方制备人工海水饲养海产生物.经试验,这种人工海水已成功饲养了许多鱼类(但对于水母,珊瑚以及真蛸等无脊椎动物饲养未经试验).目前也有些国家采用"人工快速海盐"配制人工海水,这种人工海水保留了天然海水中的有机物质,其成分与天然海水很相似,可以成功地用于饲养海洋生物.

4. 海水主要离子存在形式

天然水的许多物理化学<>性质,如电导率,依数性,无机物的溶解度以及它们对水生生物生命活动的影响等等都与实际的溶存形式有关.因此,天然水中各种主要离子的溶存形式已受到普遍重视.

自由离子——天然水中的主要离子与周围的水分子发生水合作用,形成所谓的水合离子.

离子对——水合阳离子和水合阴离子程度不同地通过离子间的静电引力作用而解合成离子对,或者说拥有相反电荷的离子彼此接近到某临界距离之内可有效地相互结合形成离子子对.离子对中对偶离子水合壳层虽有些联接,但基本没有变动.在一定条件下,自由水合离子与离子对保持一定的缔合平衡.

络离子

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5. 活度与活度系数

(1)天然水的离子强度

由于天然水中溶存着多种主要离子成分,使天然水成为一种强电解质溶液.在强电解质溶液中,阴阳离子共存,其中带同号电荷的离子之间存在着互斥作用,带异号电荷的离子间存在着互吸作用.在静电作用力的影响下,处于不停热运动状态的阴阳离子中,阳离子的周围阴离子出现的几率较大,阴离子周围阳离子出现的几率较大.这样对于每一个中心离子(溶液中的任何离子都可以被当作中心离子)表观上被异号离子所包围,形成了离子氛.离子氛中总的剩余电荷等于中心离子的电荷,使溶液保持电中性.

在溶液中,中心离子的运动必然会受到其周围离子氛中异号离子的吸引,使它的运动受到牵制.实际研究发现:对这种牵制作用产生影响的包括溶液中各种离子的浓度以及它们各自的离子价,即牵制作用与溶液中全部离子电荷所形成的静电场的强度有关.根据这一特性,提出了电解质溶液离子强度(I)的概念,在实际应用中多采用经验公式:

I=2.5×10-5{ST} mg/L

式中{ST}表示天然淡水的总含盐量(以mg.L-1为单位)的数值.海水的离子强度较高.

若将海水中各种主要离子成分的浓度和离子价代入离子强度的定义式计算,所得的数值与经验公式:

I=0.0206S

I=0.0193S

式中S为盐度.实际的离子强度比未考虑离子缔合作用的计算结果为低.

在 团头鲂>鲢鱼;海水鱼在盐度过低的水中会死亡.但有一类广盐性生物,对渗透压的调节能力很强,经过驯化,本来生长在淡水的种类可以在海水中生长,例如罗非鱼;本来生活在海水中的,可以在接近淡水的水中生长,例如花鲈,美国红鱼,中国对虾等.而河蟹则要在海水中产卵,孵化,发育,到大眼幼体后,到淡水中变成仔蟹,生长,成熟.

黎道丰等(2000)通过对内陆15个盐碱度不同的典型水体中鱼类区系结构和主要经济鱼类生长的比较和分析表明,鱼类的区系结构,种类数量和生长速度与水体盐碱度的高低有着密切关系,盐碱度高的水体其鱼类土著的种类数较少,生长速度较慢.

(2)生物的不同生长阶段的耐盐性不同

不同的鱼类或同一种鱼类的不同生长阶段所能适应的含盐量的范围是不同的,即耐盐限度不同.例如,鲢,鳙鱼苗的耐盐上限为2.5g/L左右;夏花鱼种为3.0g/L左右;鲢鱼的仔鱼期为5-6g/L,成鱼约为8-10g/L,草鱼耐盐性较鲢鱼强,草鱼的仔鱼期耐盐上限为6-8g/L,成鱼为10-12g/L;鳟鱼成鱼的耐盐限度可达30g/L.

海水贝类的不同发育阶段对盐度的适应性也有所不同,例如海湾扇贝D形幼虫生长的适应盐度范围为22-33,变态最佳盐度为21-37.对虾育苗对海水盐度也有一定要求,据臧维玲等(2002)研究,日本对虾幼体最适盐度范围为10.2-26.9,盐度20.3时增长率与增重率最大.中华绒螯蟹育苗的适宜盐度为12-29,过高过低也都使出苗率迅速下降.

(3)生物的耐盐性与其它环境因子有关

耐盐性与pH

臧维玲等(1989)研究了鲢,鳙鱼类对盐度的适应上限,结果发现其耐盐性与水的pH值有关,随着pH值的增大而降低,并提出了鲢,鳙鱼种对高盐量的24h半致死浓度24hLC50随pH下降的回归方程为:

鲢 24hLC50=39.75-3.78pH ,n=8 ,r=0.999

鳙 24hLC50=49.25-4.78pH ,n=8 ,r=0.983

pH值为8.00时鲢,鳙鱼种对盐度的96hTL m 值分别为6.50与9.06.

耐盐性与盐分组成

鱼的耐盐限度同盐分的组成有关.例如含HCO3-,CO32-较多,含K+较多的水,有许多种类的生物盐度耐受极限将显著降低,许多耐盐试验是用低盐海水或淡水添加NaCl进行的,这些试验结果不能随意推广应用到HCO3-,CO32-及K+含量高的半咸水.对这类水的适宜养殖品种也应通过试验确定.

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二,天然水的化学分类法

1.按含盐量的分类

(1)原苏联学者O·A·阿列金的分类法

淡水 矿化度50g/L

把淡水的范围确定在1 g/L是基于人的味觉.当离子总量高于1g/L时,大多数人可以感到咸味;微咸水与具有海水盐度的水的分界线定在25g/L,是根据在这种含盐量时,水的冰点温度与最大密度时的温度相同;具有海水盐度的水与盐水的界线乃根据在海水中尚未见到过高于50g/L的情况,只有盐湖水和强盐化的地下水才能超过此含盐量.

(2)美国(1970)所采用的分类法

淡水 0-1g/L

微咸水 1-10g/L

咸水 10-100g/L

盐水 >100g/L

(3)湖沼学与生态学中常用的分类法

淡水 0.01-0.5g/L

寡混盐水 0.5-5g/L

中混盐水 5-18g/L

多混盐水 18-30g/L

真盐水 30-40g/L

超盐水 >40g/L

(其中0.01-0.2 g/L称为缺盐水体;30-40g/L为世界海洋平均盐幅)

2.按主要离子成分的分类(阿列金分类法)

(1)分类——根据含量最多的阴离子将水分为三类:碳酸盐类,硫酸盐类和氯化物类.含量的多少是以单位电荷离子为基本单元的物质的量浓度进行比较,并将HCO3-与 CO32-合并为一类.各类符号分别为:C—碳酸盐类,S—硫酸盐类,Cl—氯化物类.

(2)分组——根据含量最多的阳离子将水分为三组:钙组,镁组与钠组.在分组时将K+与Na+合并为钠组,以 Ca2+, Mg2+及Na+(K+)为基本单元的物质的量浓度进行比较.各组符号分别为:Ca—钙组,Mg—镁组,Na—钠组.

(3)分型——根据阴阳离子含量的比例关系将水分为四型:

Ⅰ型:[ ]+[ ]>[ ]+[ ]

Ⅱ型:[ ]+[ ]<[ ]+[ ][ ]+[ ]+[],或[ ] > [ ]

Ⅳ型:[ ] +[ ]=0

每组通常只有三型水,如下表所示:

类

碳酸盐类 C

硫酸盐类 S

氯化物类 Cl

组

钙组 Ca

镁组 Mg

钠组  Na

钙组 Ca

镁组 Mg

钠组 Na

钙组 Ca

镁组 Mg

钠组 Na

型

Ⅰ

Ⅰ

Ⅰ

Ⅱ

Ⅱ

Ⅰ

Ⅱ

Ⅱ

Ⅰ

Ⅱ

Ⅱ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅲ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅲ

Ⅱ
       Ⅲ
       Ⅲ

Ⅲ

Ⅳ

Ⅳ

Ⅲ
       Ⅳ

Ⅳ
       Ⅲ

Ⅰ型水是弱矿化水,主要形成于含大量Na+与K+的火成岩地区,水中含有相当数量的NaHCO3成分(即主要含有Na+与HCO3-),在某些情况下也可能由Ca2+交换土壤和沉积物中的Na+而形成.此水型多半是低矿化度的.干旱半干旱地区的内陆湖,如果由Ⅰ型水特征很强的水所补给,有可能形成微咸水的苏打湖.

Ⅱ型水为混合起源水,其形成既与水和火成岩的作用有关,又与水和沉积岩的作用有关.多数低矿化(200mg·L-1以下)和中矿化(200-500mg·L-1)的河水,湖水和地下水属于这一类型.

Ⅲ型水也是混合起源的水,但一般具有很高的矿化度.在此条件下,由于离子交换作用使水的成分明显变化,通常是水中的Na+交换出土壤和沉积岩中的Ca2+和Mg2+.海水,受海水影响地区的水和许多具高矿化度的地下水属此类型.

Ⅳ型水的特点是不含HCO3-.酸型沼泽水,硫化矿床水和火山水属此型.在碳酸盐类水中不可能有Ⅳ型水,在硫酸盐与氯化物类的钙组和镁组中也不可能有Ⅰ型水,而硫酸盐与氯化物类的钠组一般没有Ⅳ型水.这样,天然水就分成如表1—3所示的27种类型.

(4)水的化学类型表示方法

分类符号的排列,先写"类","组"写在"类"的右上方,"型"则用罗马字标在"类"符号的右下方.如C 表示碳酸类钙组第Ⅱ型水.S 表示硫酸盐类钠组第Ⅲ型水.此外,有时还要标上矿化度或含盐量(精确至0.1g/L,写在型的右面)和总硬度(精确至0.1mmol/L,写在组的右面),如C ,表示含盐量为5.0 g/L,总硬度为0.4mg/L.

有时水中的阴离子或阳离子并不是一种离子独占优势,而是两种离子相差不多,当次要离子以单位电荷为基本单元的摩尔百分比(或称当量百分比)与主要离子的相差不超过5%时,则应在分类符号中将次要离子也标出.CS 表示碳酸盐硫酸盐类钙组Ⅱ型水,该水中SO42-含量仅次于HCO3-,且含量相差不大.

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第三节 天然水环境主要物理性质

一,天然水的光学特性

1.水对太阳光的反射

一束太阳辐射,以一定入射角直接射到平静的水面后,一部分辐射被水面反射,反射角等于入射角.一部分光则沿折射角进入水体.被水面反射的太阳辐射与投影到水面的太阳辐射的比率称为反射率.反射率与入射角有关,入射角是光线与水平面的垂线间的夹角,也是太阳的天顶距.人们将太阳光线与地平面的夹角称为太阳高度角.据研究,平静水面对太阳直接辐射的反射率随太阳高度角的增大而降低,当太阳的高度角在30-80 以上时,反射率只有6.2-2.1%,太阳高度角在30 以下,反射率随太阳高度角的降低而迅速增加.

2.水对太阳光的吸收与散射

通过水面进入水中的太阳辐射,一部分被水及其中的物质吸收,一部分被散射,一部分继续向深处穿透.被吸收的辐射能,大部分被转变成热,使水温升高.被散射的部分,变为朝各方向传播的辐射,其中也有一部分辐射向水深处传播,并被第二次散射或吸收.

如果以 IL 表示在水中穿过光程L(米)后的某波长太阳辐射能,以 I0 表示穿过表面进入水中的该波长太阳辐射能,则可以用下列指数方程表示它们之间的关系:

IL = I0exp[-(m+K)L]

式中m和 K 分别是吸收和散射的系数,合称为衰减系数 μ .与水中所含物质有关,也与光的波长有关.

研究表明,太阳辐射中的红外线绝大部分被表层100cm水层吸收了.太阳辐射总能量的27%可被1cm水层吸收,64%被1m水层吸收,到100m深处的辐射能只及表层的1.4%左右.但可见光的穿透能力很强,到100m深处只剩下可见光了.

光合作用有效辐射主要是可见光部分的辐射.对可见光辐射在水中随深度的衰减可用下式表达:

IZ=I0exp[-(μW+μC+μP)Z]

式中Z为水深(m), I0 与 IZ 分别为进入水中表层和Z(米)深处的可见光辐照度,μ为衰减系数,下标w,c,p分别表示由纯水,溶解有机物质及悬浮物质形成的衰减系数.将上式取对数可得:

lgIZ=lgI0-0.4343(μW+μC+μP)Z

对一个既定水域, μW , μC 与 μP 可以视为常数.这样,上式 lgIZ 与 Z 呈线性关系.

3.透明度

——通常用来反映可见光在水中的衰减状况.透明度采用专门的透明度盘测定.透明度盘由采用黑白的油漆涂成黑白相间的金属圆盘制成,圆盘中央拴一根有深度标记的软绳(此绳应不易伸长).测定时将圆盘沉入水中,在不受阳光直射条件下,刚好看不到盘面白色时的深度,即为透明度.

清澈的海水与湖水,透明度可达十多米.透明度小的池水,透明度只有20-30cm,浑浊的黄河水,透明度只有1-2cm.一般认为在相当于透明度的深度处的照度,只有表层照度的15%左右.

4.补偿深度

——有机物的分解速率等于合成速率的水层深度称为补偿深度.粗略地说,补偿深度平均大约位于透明度的2-2.5倍深处.

——光照充足,光合作用速率大于呼吸作用速率的水层,称为真光层,又称营养生成层.在这水层中植物光合作用合成的有机物多于呼吸作用消耗的有机物,有机物的净合成大于零.

——光照不足,光合作用速率小于呼吸作用速率的水层,称为营养分解层.这一水层的植物不能正常生活,有机物的分解速率大于合成速率.

2.内陆水的电导率

对于同一类型淡水,在pH5-9范围内,电导率与离子总量大致成比例关系.1μS·cm-1相当于0.55-0.9mg·L-1;在一定温度范围内,电导率随温度的增高几乎也是线性增加,温度每增高1℃,电导率大约增加2.2%.一般电导率的测定以25℃为准,其他温度下测得的电导率需加以校正.

天然淡水的电导率变化于50-500μS·cm-1,高矿化度水体可达500-1000μS·cm-1以上.

据日本有关资料报道,日本河流水体的矿化度(包括非导电性的二氧化硅)约为76mg·L-1.电导率(18℃)为111.5μS·cm-1,即在18℃时,存在∑S(mg·L-1)=0.7k18.

不同类型的天然淡水,其离子组成有所差别,∑S与Kt的关系可由实验测得,所获经验关系式可通过kt的实验值间接估算∑S值.

3.海水的电导率

在一标准大气压下,在海洋的温度范围内,海水的电导率与盐度几乎成正比例增加.在相同盐度的情况下,0℃附近,温度每增加1℃,电导率增加3%;在20℃附近,温度每增加1℃,电导率增加2%.

电导率受压力的影响较小,在一般深海所受的压力范围内,电导率的增值在12%以下.

三,天然水的依数性

1.冰点

天然水的溶质组成复杂,冰点下降主要是水中溶解物质(包括离子和分子态)引起的.天然水的含盐量可以反映水中溶解物质的数量,所以与冰点下降之间存在一定的数量关系.海水的主要离子组成相对稳定.通过实验得到了海水在1标准大气压下冰点温度Tf与盐度S的经验公式:

{Tf}℃=-0.0137-0.05199S - 7.225×10-5S2

式中Tf为冰点,S为实用盐度.在Tf—S 图中近似为一直线.

2.蒸气压

天然水的饱和蒸气压P比纯水低,它与盐度S有如下直线关系:

P=P0(1-0.000537S)

式中P0为纯水的饱和蒸气压,它与温度有关.根据上式,对于S为35的海水,P=0.98P0,即蒸气压约降低了2%.

3.渗透压

稀溶液的渗透压∏符合类似于气体状态方程形式  

渗透压不容易直接测量,常常采用冰点下降数值来换算,或者直接用冰点下降值来反映渗透压的大小.海水的渗透压∏与盐度 S 的关系是:

{∏}KPa=69.55S+0.2546{t}℃·S

四,天然水的分层特点

1.水的冰点温度与最大密度时的温度

——海水在1标准大气压下冰点温度Tf与盐度S的经验公式:

{Tf}℃=-0.0137-0.05199S - 7.225×10-5S2

——海水密度最大时的温度t最密是盐度的函数:

{t最密}℃=3.975-0.2168S+1.282 10-4S2

将这两个经验公式在温度盐度图上绘制成曲线后可以发现,两条曲线交于一点,即盐度24.695时,海水的冰点温度等于密度最大时的温度.当盐度小于24.695时,冰点温度低于密度最大时的温度;当盐度大于24.695时,冰点温度高于密度最大时的温度,从而导致这两种情况下海水结冰状况的不同.