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第一節(jié) 環(huán)境

一,環(huán)境

1. 環(huán)境的定義

圍繞著某一有生命主體的外部世界稱之為環(huán)境.

相對于人這一主體而言的外部世界,就是人類的生存環(huán)境.

《中華人民共和國環(huán)境保護法》明確指出;大氣,水,土地,礦藏,森林,草原,野生動物,野生植物,水生生物,名勝古跡,風景游覽區(qū),溫泉,療養(yǎng)區(qū),自然保護區(qū)等各種自然因素的總和.

2. 生物圈

生物圈可定義為地球上所有生物體的總和,也可定義為由生活在大氣圈,水圈,巖石圈和土壤層(巖石圈的附屬層)界面上的生物所構成的一個有生命的圈層.

根據(jù)生物分布幅度,生物圈上界可達海平面以上10km,下界達海平面以下12km.也就是說,在地球表面包裹了22km厚的一層生物圈.在這個廣闊的自然界里,最活躍的是生物.

生活在生物圈某區(qū)域范圍內某生物物種的所有個體總和被稱為種群.在此范圍內所有種群之和被稱為群落.對某一確定種群來說,只能生活在變動幅度不大的環(huán)境條件下,但不同種群的生物可能在相差懸殊的環(huán)境條件下各自生活.

在考慮一個實際的環(huán)境系統(tǒng)時,自然環(huán)境和生物圈還是一個過于巨大的系統(tǒng).比這更小的環(huán)境系統(tǒng)依次是區(qū)域環(huán)境,生境,小環(huán)境,微環(huán)境和內環(huán)境.

3. 區(qū)域環(huán)境

組成生物圈的各圈層是不均勻的,在物質的組成和分布方面有著很大差異,形成了彼此可相區(qū)別的各種各樣區(qū)域,即為區(qū)域環(huán)境.

區(qū)域環(huán)境如湖,河,江海,沙漠,山地,平原以及熱帶,亞熱帶,溫帶和寒帶等,都有各自突出的自然環(huán)境景觀.

不同區(qū)域環(huán)境中生存著與環(huán)境相適應的動物,植物和微生物.

4. 小環(huán)境和微環(huán)境

指的是生物個體所占據(jù)生境的一個特定范圍.

例如:居室是人們生活的小環(huán)境;根系表面的土壤環(huán)境,即為根系環(huán)境;葉片表面附近的大氣環(huán)境及隨溫度,濕度變化所形成的小氣候或微氣候,就是植物的小環(huán)境.

微生物形體微小,其所處生境被稱為微環(huán)境.

二,環(huán)境污染

1. 環(huán)境問題

環(huán)境問題——由自然因素或人為因素引起生態(tài)平衡破壞以至直接或間接影響人類生存和發(fā)展的各種情況.

環(huán)境污染——由于自然的或人為的原因,在原先處于正常狀況的環(huán)境中附加了物質,能量或生物體,其數(shù)量或強度超過了環(huán)境的自凈能力,使環(huán)境質量變差,并對人們的健康或環(huán)境中某些有價值物質產生有害影響者.

自然原因即是指火山爆發(fā),森林火災,地震,有機物的腐爛等.以火山爆發(fā)為例,活動性火山噴發(fā)出的氣體中含有大量硫化氫,二氧化硫,三氧化硫,硫酸鹽等,嚴重污染了當?shù)氐膮^(qū)域環(huán)境;從一次大規(guī)模的火山爆發(fā)中噴出的氣溶膠(火山灰)有可能將其影響波及全球.首先,大量火山灰將遮蔽日光,使太陽光(能)反射,轉回到宇宙空間,從而影響了那些必需要陽光的地球生物類的生長.另一方面,火山灰在地球表層形成一層薄膜,使地面上的各種形式能量無法散發(fā),這如同二氧化碳造成的溫室效應所起的作用一樣.再則,大氣中到處散滿了火山灰,成為水滴的凝結核心,使雨云易于集結,造成某些地區(qū)降雨量"前所未有"地增多;由于地球表層進行循環(huán)的水量是大體恒定的,局部地區(qū)大雨經久,則必然造成另一些地區(qū)發(fā)生嚴重的干旱;有的地方大雨,有的地方大旱,這又擾亂了地球表層熱能分布平衡狀態(tài),造成局部地區(qū)熱流,另一些地區(qū)則產生寒潮.以上這些現(xiàn)象結合起來,就會嚴重影響人們正常生活,破壞農業(yè)生產,導致嚴重歉收.許多環(huán)境污染問題如同上述火山爆發(fā)情況一樣,對于環(huán)境的質量能起"牽一發(fā)而動全身"的作用.

人為原因主要是指人類的生產活動,包括礦石開采和冶煉,化石燃料燃燒,人工合成新物質(如農藥,化學<>藥品)等.總的來說,由人為因素造成的環(huán)境問題可以分為四個方面:

①在資源開發(fā)過程中過度地向自然索取物質和能量(特別是化石燃料,礦物和木材等);

②在物質生產和日常生活過程中向環(huán)境釋放出廢物和廢能(特別是化學<>污染物和輻射能);

③經濟建設(如農村城市化,圍湖造田,興建水壩等)引起對環(huán)境干擾;

④人口增殖引起單位時間和空間中人類活動頻度增多.

近代,隨著人類社會進步,生產發(fā)展和人們生活的不斷提高,同時也造成了嚴重的環(huán)境污染現(xiàn)象,如大氣污染,水體污染,土壤污染,生物污染,噪聲污染,農藥污染和核污染等.特別在本世紀的50-60年代,污染已成為世界范圍的嚴重社會公害,許多人因患公害病而受苦難或死亡,人們的健康受到環(huán)境污染的損害.環(huán)境污染已對人們生活和經濟發(fā)展造成了嚴重危害.

研究證明,目前,一些"自然災害"常由于人為因素的加入而增強.例如,因人們大量砍伐森林,破壞植被而增加了沙漠化,水土流失和水災的強度等.

2. 環(huán)境污染概念圖

3. 環(huán)境污染概念公式

環(huán)境污染造成的危害 = 自然因素或人類活動的沖擊破壞 - 包括自凈機能在內的自然界動態(tài)平衡恢復能力

蟲子的悲哀

怎么不更新呢？

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4. 全球十大污染事件

1930     馬斯河谷煙霧事件

比利時馬斯河谷工業(yè)區(qū).在這個狹窄的河谷里有煉油廠,金屬廠,玻璃廠等許多工廠.12月1日到5日的幾天里,河谷上空出現(xiàn)了很強的逆溫層,致使13個大煙囪排出的煙塵無法擴散,大量有害氣體積累在近地大氣層,對人體造成嚴重傷害.一周內有60多人喪生,其中心臟病,肺病患者死亡率最高,許多牲畜死亡.這是本世紀最早記錄的公害事件.

       1943     洛杉磯光化學<>煙霧事件

夏季,美國西海岸的洛杉磯市.該市250萬輛汽車每天燃燒掉1100噸汽油.汽油燃燒后產生的碳氫化合物等在太陽紫外光線照射下引起化學<>反應,形成淺藍色煙霧,使該市大多市民患了眼紅,頭疼病.后來人們稱這種污染為光化學<>煙霧.1955年和1970年洛杉磯又兩度發(fā)生光化學<>煙霧事件,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    多諾拉煙霧事件

美國的賓夕法尼亞州多諾拉城有許多大型煉鐵廠,煉鋅廠和硫酸廠.1948年10月26日清晨,大霧彌漫,受反氣旋和逆溫控制,工廠排出的有害氣體擴散不出去,全城14000人中有6000人眼痛,喉嚨痛,頭痛胸悶,嘔吐,腹瀉.17人死亡.

1952    倫敦煙霧事件

自1952年以來,倫敦發(fā)生過12次大的煙霧事件,禍首是燃煤排放的粉塵和二氧化硫.煙霧逼迫所有飛機停飛,汽車白天開燈行駛,行人走路都困難,煙霧事件使呼吸疾病患者猛增.1952年12月那一次,5天內有4000多人死亡,兩個月內又有8000多人死去.  

1953 1956   水俁病事件

日本熊本縣水俁鎮(zhèn)一家氮肥公司排放的廢水中含有汞,這些廢水排入海灣后經過某些生物的轉化,形成甲基汞.甲基汞在海水,底泥和魚類中富集,又經過食物鏈使人中毒.當時,最先發(fā)病的是愛吃魚的貓.中毒后的貓發(fā)瘋痙攣,紛紛跳海自殺.沒有幾年,水俁地區(qū)連貓的蹤影都不見了.1956年,出現(xiàn)了與貓的癥狀相似的病人.因為開始病因不清,所以用當?shù)氐孛�命�?1991年,日本環(huán)境廳公布的中毒病人仍有2248人,其中1004人死亡.

1955 1972      骨痛病事件

鎘是人體不需要的元素.日本富山縣的一些鉛鋅礦在采礦和冶煉中排放廢水,廢水在河流中積累了重金屬"鎘".人長期飲用這樣的河水,食用澆灌含鎘河水生產的稻谷,就會得"骨痛病".病人骨骼嚴重畸形,劇痛,身長縮短,骨脆易折.

1968    日本米糠油事件

先是幾十萬只雞吃了有毒飼料后死亡.人們沒深究毒的來源,繼而在北九州一帶有13000多人受害.這些雞和人都是吃了含有多氯聯(lián)苯的米糠油而遭難的.病人開始眼皮發(fā)腫,手掌出汗,全身起紅疙瘩,接著肝功能下降,全身肌肉疼痛,咳嗽不止.這次事件曾使整個西日本陷入恐慌中.

1984     印度博帕爾事件

12月3日,美國聯(lián)合碳化公司在印度博帕爾市的農藥廠因管理混亂,操作不當,致使地下儲罐內劇毒的甲基異氰酸脂因壓力升高而爆炸外泄.45噸毒氣形成一股濃密的煙霧,以每小時5000米的速度襲擊了博帕爾市區(qū).死亡近兩萬人,受害20多萬人,5萬人失明,孕婦流產或產下死嬰,受害面積40平方公里,數(shù)千頭牲畜被毒死.

1986     切爾諾貝利核泄漏事件

4月26日,位于烏克蘭基輔市郊的切爾諾貝利核電站,由于管理不善和操作失誤,4號反應堆爆炸起火,致使大量放射性物質泄漏.西歐各國及世界大部分地區(qū)都測到了核電站泄漏出的放射性物質.31人死亡,237人受到嚴重放射性傷害.而且在20年內,還將有3萬人可能因此患上癌癥.基輔市和基輔州的中小學生全被疏散到海濱,核電站周圍的莊稼全被掩埋,少收2000萬噸糧食,距電站7公里內的樹木全部死亡,此后半個世紀內,10公里內不能耕作放牧,100公里內不能生產牛奶…… .這次核污染飄塵給鄰國也帶來嚴重災難.這是世界上最嚴重的一次核污染.

1986     劇毒物污染萊茵河事件

11月1日,瑞士巴塞爾市桑多茲化工廠倉庫失火,近30噸劇毒的硫化物,磷化物與含有水銀的化工產品隨滅火劑和水流入萊茵河.順流而下150公里內,60多萬條魚被毒死,500公里以內河岸兩側的井水不能飲用,靠近河邊的自來水廠關閉,啤酒廠停產.有毒物沉積在河底,將使萊茵河因此而"死亡"20年.

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三,環(huán)境科學的發(fā)展

1.環(huán)境科學的研究對象

環(huán)境科學的研究對象是"人類一環(huán)境"系統(tǒng).

研究領域不僅包括各種自然因素,而且包括一定的社會因素.

2.環(huán)境科學的顯著特點

環(huán)境科學的顯著特點是綜合性強,環(huán)境科學主要是運用地學,生物學,化學<>,醫(yī)學,工程學以及社會學,管理學,經濟學,教育學,法學等多種學科的有關理論,技術和方法來研究環(huán)境問題,上述各學科向環(huán)境科學的滲透,逐漸形成了以生態(tài)學和地球化學<>為主要理論基礎,由環(huán)境地學,環(huán)境生物學,環(huán)境物理學,環(huán)境化學<>,環(huán)境醫(yī)學,環(huán)境教育學,環(huán)境法學等許多分支學科組成的環(huán)境科學體系.隨著環(huán)境科學研究的深入,許多新的分支學科的出現(xiàn),環(huán)境科學體系的不斷完善,它的綜合性特點將更加充分地顯示出來.

3.環(huán)境科學的研究目的

環(huán)境科學的研究目的是:掌握自然規(guī)律,揭示人類與環(huán)境相互作用,相互促進,相互制約的辯證關系,正確地認識和預見人類"對自然界的慣常行程的干涉所引起的比較近或比較遠的影響"協(xié)調和控制人類與環(huán)境間的物質能量交換過程,防治人類與環(huán)境關系的失調,創(chuàng)造適合于人類生存和發(fā)展的最佳環(huán)境.

4.環(huán)境科學的研究內容

環(huán)境科學的研究內容可以概括為四個方面:

全球范圍內的環(huán)境演化規(guī)律的研究——地球的表面,氣候,植物界,動物界以及人類本身都在不斷地變化,而且這一切都同人的活動有關.在人類改造自然的過程中,為使環(huán)境向有利于人類的方向發(fā)展,避免向不利于人類的方向發(fā)展,研究環(huán)境變化的過程,包括環(huán)境的基本特征,環(huán)境結構的形式和演化的機理等是十分必要的.

環(huán)境質量基礎理論的研究——環(huán)境質量基礎理論是環(huán)境科學研究的主要課題.它的任務是探索人類活動引起的自然環(huán)境的變化及其影響.環(huán)境污染與破壞對人類和生物生存的影響的科學原理.其中包括:環(huán)境質量調查,環(huán)境自凈能力研究,環(huán)境污染與破壞對人體和生物影響的過程和機理的研究等,目的在于為保護和改善人類生存環(huán)境,制定各項環(huán)境標準,控制污染物的排放量等提供科學依據(jù).

環(huán)境質量控制與治理的研究——環(huán)境污染與破壞實質上是人類對自然資源開發(fā)利用不當或不充分的結果.環(huán)境質量控制與治理的研究主要是探索如何合理開發(fā)利用和保護自然資源的途徑.目前,環(huán)境質量控制與治理的主要途徑是:改革生產工藝,搞好資源的綜合利用,研究無公害和少公害的工藝技術,盡量減少或不產生污染物質;對被污染的環(huán)境,著生治理和控制污染源,采取各種污染的處理凈化技術,使環(huán)境恢復到自然良好狀態(tài);對污染環(huán)境的每個因素進行系統(tǒng)分析,尋求經濟合理有效的控制方案,建立綜合防治技術體系;研究自然界各環(huán)境因素的相互關系和自然資源的更新規(guī)律,合理開發(fā)利用和保護自然資源,預防環(huán)境的破壞等.

環(huán)境監(jiān)測分析技術的研究——環(huán)境監(jiān)測分析是開展環(huán)境科學研究的手段.進行環(huán)境監(jiān)測分析技術的研究是為了全面,及時,準確地掌握環(huán)境污染的情況及其危害程度.目前采用的環(huán)境監(jiān)測分析的技術有:定期,定點的間斷性的人工和半自動化測定,生物監(jiān)測,利用自動分析儀器建立自動化監(jiān)測站等環(huán)境污染物質大多以痕量,超痕量存在,分布范圍廣,成分復雜并相互干擾和影響.因此,環(huán)境監(jiān)測分析技術正向著分析測試方法標準化,監(jiān)測技術連續(xù)自動化,數(shù)據(jù)處理計算機化的方向發(fā)展;同時積極研究狀態(tài),結構分析和生物監(jiān)測技術;實行環(huán)境污染預報.

5.環(huán)境科學的研究方法

環(huán)境科學研究的主要方法是系統(tǒng)分析和系統(tǒng)工程的方法,此外還綜合運用自然科學和社會科學的各種有關的方法.從環(huán)境科學的方法論方面而言,環(huán)境科學研究重視運用歷史研究,現(xiàn)狀研究與未來研究相結合的方法,微觀研究與宏觀研究相結合的方法,靜態(tài)研究與動態(tài)研究相地合的方法,理論研究與應用研究相結合的方法等.隨著環(huán)境科學的發(fā)展,其研究方法將不斷豐富.

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四,環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展

1.零增長

人類是在與自然環(huán)境之間不斷作用,不斷協(xié)調的過程中發(fā)展的.原始時代人們對太陽,月亮頂禮膜拜,19-20世紀由于科學的迅速發(fā)展,人類開始驕傲地提出了"征服自然"的口號. 但嚴肅的環(huán)境污染現(xiàn)實迫使人們不得不冷靜地思索.地球只有一個,污染沒有國界;人和自然必需"和睦相處",才能持久發(fā)展.

當人類賴以生存和發(fā)展的環(huán)境遭受越來越嚴重破壞時,人們開始關注環(huán)境與發(fā)展的相互關系.1972年,以D.L.米都斯(Meadows)為首的由西方科學家所組成的"羅馬俱樂部",面對人口激增,環(huán)境污染的嚴重現(xiàn)實,提出了名為"增長的極限"的著名報告.報告認為:如果目前的人口和資本仍以快速增長模式繼續(xù)下去,世界就會面臨一場"災難性的崩潰".而避免這種前景的最好方法是限制增長,即"零增長".當然,也有另一種觀點,認為人類的能力發(fā)展是無限的,人類所遇到的問題在技術發(fā)展中會不斷地克服.

2.可持續(xù)發(fā)展

"零增長"方案,無論是對急需擺脫貧困的發(fā)展中國家,還是對仍想增加財富的發(fā)達國家,都是難以接受的.因此,更多的人在尋找和探索一種在環(huán)境和自然資源可承受基礎上的發(fā)展模式.并提出了"協(xié)調發(fā)展","'有機增長' '同步發(fā)展'","全面發(fā)展"等許多設想.在此情況下1980年聯(lián)合國向全世界呼吁:必須研究自然的,社會的,生態(tài)的,經濟的,以及利用自然資源過程中的基本關系,確保全球持續(xù)發(fā)展.1987年由原挪威首相倫蘭特夫人(G.H.Brunland)任首相主席的由21個國家的環(huán)境與發(fā)展問題著名專家組成的聯(lián)和國世界環(huán)境與發(fā)展委員會(WECD),在其長篇調查報告《我們共同的未來》(our common future)中指出:"以前我們感到國家之間在經濟方面聯(lián)系的重要性,而現(xiàn)在我們則感到國在生態(tài)學方面相互依賴.生態(tài)和經濟從來沒有像現(xiàn)在這樣緊密地聯(lián)系在一個互為因果的網(wǎng)絡之中."并正式提出了"可持續(xù)發(fā)展"(sustainable development)的概念.

"可持續(xù)發(fā)展"的定義有許多種表述,世界環(huán)境和發(fā)展委員會《我們共同的未來》中指出,可持續(xù)發(fā)展是既能滿足當代人的需求,又不危及后代人滿足其需求的發(fā)展.這個概念得到了廣泛的接受和認可.并在1992年聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展大會上得到了共識.

"可持續(xù)發(fā)展"概念的提出,是人類發(fā)展過程中,經歷了許多經驗和教訓,經過反復討論和反思后得到關于人類自身長期發(fā)展的戰(zhàn)略.是人類對自然認識,科學技術,社會文明發(fā)展到現(xiàn)階段的必然結果.

(1)可持續(xù)發(fā)展思想反映了當代人對自然環(huán)境關系的認識,從"人定勝天"和"人是自然的奴隸"兩種極端思想中,認識到人和自然應該和諧相處,各種動物,植物都是人類的"朋友",只有這樣人類自身才可能持續(xù)發(fā)展.

(2)人類社會的發(fā)展,不僅是物質消費的增長,而且包括經濟,社會,文化,技術,生態(tài),環(huán)境等許多因素,需要綜合考慮.人類生活質量的提高,不能以破壞環(huán)境,耗竭資源為代價.而是應該在不超過維持生態(tài)系統(tǒng)涵容能力的前提下,改善生活質量.

(3)在享用自然資源方面,不同地區(qū)之間,國家之間以及當代人和后代人之間應該協(xié)調,公平,即"代間公平"和"代內公平".誠然,可持續(xù)發(fā)展不否定經濟增長,特別對發(fā)展中國家,貧困與環(huán)境惡化往往是聯(lián)系在一起的.但經濟增長和發(fā)展必須以自然資源為基礎,同環(huán)境承載能力相協(xié)調,同社會進步相適應.要實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展必需進行國際,國內協(xié)調,以國際公約,法律,法規(guī)引導和規(guī)范人們的行動.廣泛的公眾參與,也是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的基本保證.

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第二節(jié) 水環(huán)境

一,水環(huán)境研究內容

1.世界水資源的分布

地球上水的總量約1.39×109km3,主要分布在海洋,約占總水量的97%,淡水約占2.5%,比例甚少,并且大約70%的淡水分布在冰川凍土中;存在于湖泊,河流,土壤和地下600米以內的含水層中的淡水僅占淡水總量的30%左右.這一部分淡水分布也不平衡.對人類有最大實用意義的水量資源是主要與降水量有關的江河徑流和淺層地下水的淡水量.每年參與全球自然循環(huán)的水量平均約占總水量的0.031%,其中從海洋蒸發(fā)的水量每年約有36.1×104km3,其余是陸地的各種蒸發(fā).海洋蒸發(fā)中的90%落回了海洋,10%漂流到陸地上空降落,在陸地形成地面徑流與地下徑流,淋溶巖石,土壤石匯聚成江河水,最終又流回大洋.形成了水的地球化學<>循環(huán).

地球水資源分布

類 別             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         
                             鹽湖與內海                 100,000                0.0075

地下水           土壤水及結合水           66,000                  0.0049

                      淺層地下水                  400,000               0.2991

                      深層地下水                  400,000               0.2991

冰川水                                               29,000,000          2.1685

大氣水                                               13,000                 0.0010

海洋水                                               1,300,000,000     97.2100  

總 計                                                1,337,300,000      100

2.我國的水資源

我國水資源總量比較豐富,平均年降水量為6.19×1012m3,平均降水深648mm,平均河川徑流量2.7×1012m3,合徑流深284mm,約占全球徑流總量的5.8%,居世界第6位.

我國人口眾多,如按12億人口計,人均占有年平均河川徑流量2260m3,不足世界平均值的1/4,是美國人均占有量的1/6,前蘇聯(lián)的1/8,巴西的1/19和加拿大的1/58.我國耕地平均占有的河川年徑流量也只有世界平均水平的80%.所以,從人均,畝均水資源數(shù)據(jù)看,我國水資源的供需矛盾突出.按照2000年6月8日中央電視臺報導的水利部的通報,十年后,在中等干旱年,我國需水量為6988億立方米,可能供水量為6670億立方米,缺水318億立方米,說明了未來十年左右,我國水資源短缺的情況.實際上從最近幾年黃河斷流,湖泊干涸,首都供水緊張,城市下沉的多項報道,已經表明水資源短缺對國計民生所引起的后果和對大西部開發(fā)的制約.

更有來自各方的對我們家園的"緊急報告"表明,水質污染已經到了令人觸目驚心的地步.這對水資源短缺的中國來講,簡直是雪上加霜.從洞庭湖,太湖到安徽的巢湖,云貴高原上的"明珠"滇池,一個又一個的大湖,普遍受到污染的危害.昔日光彩正在失去,有些湖泊已成了"無魚區(qū)"和臭水灣.目前,長江承受了全國百分之四十的生活污水和工業(yè)污水,假如我們依然無動于衷,放任污水自流,長江,黃河的未來可想而知.

時空分布不均勻是我國水資源的另一個問題.年降水量基本呈現(xiàn)由東南沿海向西北內陸遞減的趨勢.東南沿海徑流深為1200mm,而西北干旱地區(qū)小于50mm,甚至為0.南方人均河川徑流可達3600m3,北方地區(qū)人均僅720m3,僅及南方人均的1/5,使我國北方農村,城市都嚴重缺水.為了解決我國北方缺水問題,醞釀研究了幾十年的南水北調工程的東線工程已于2002年底開工.中線工程將于2003年底開工.東線工程竣工后可以解決京,津和華北地區(qū)的缺水問題.東,中,西三線調水工程都完成后,將形成我國水資源調配的網(wǎng)狀結構,做到水資源的合理利用,減少資源浪費.但是我國的缺水狀況不會根本改變,節(jié)約用水,建設節(jié)水工業(yè),節(jié)水農業(yè),節(jié)水的水產業(yè)仍是我國長期努力的目標. 在調水,節(jié)水的同時,還應該重視水資源的保護.保護有限的水資源不受污染,提高水資源的質量,減少水質型缺水現(xiàn)象的出現(xiàn),是全國人民的長期任務.

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二,水質

1.水質的定義

水質----水及其中所存在的各類物質所共同表現(xiàn)出來的綜和特性

各種天然水系是工農業(yè)和生活用水的水源,還能借以發(fā)電和行舟等.作為一種資源來說,水質,水量和水能是度量水資源可利用價值的三個重要指標,而與水環(huán)境污染密切相關的則是水質指標.由于一般水體兼作汲取用水的水源和受納廢水的對象,且用水水源經常受到污染,廢水排放前一般都要先經處理,所以用水和排水兩者在水質方面有愈相接近的趨勢,也存在著許多共通的水質指標.

2.水質指標系統(tǒng)

天然水(也兼及各種用水,廢水)的水質指標,可分為物理,化學<>,生物,放射性四類.有些指標可直接用某一種雜質的濃度來表示其含量;有些指標則是利用某一類雜質的共同特性來間接反映其含量,如有機物雜質可用需氧量(化學<>需氧量,生物化學<>需氧量,總需氧量)作為綜合指標(也被稱之為非專一性指標).常用的水質指標有數(shù)十項,現(xiàn)將有關這些指標的意義列舉如下:

Ⅰ 物理指標

溫度

影響水的其他物理性質和生物,化學<>過程

臭和味

感官性指標,可借以判斷某些雜質或有害成分存在與否

顏色

感官性指標,水中懸浮物,膠體或溶解類物質均可生色

濁度

由水中懸浮物或膠體狀顆粒物質引起

透明度

與濁度意義相反,但二者同是反映水中雜質對透過光的阻礙程度

懸浮物

Ⅱ 化學<>指標

(A)非專一性指標

電導率

表示水樣中可溶性電解質總量

pH

水樣酸堿性

硬度

由可溶性鈣鹽和鎂鹽組成,引起用水管路中發(fā)生沉積和結垢

堿度

一般來源于水樣中OH-,CO32-,HCO3-離子.關系到水中許多化學<>反應過程

無機酸度

源于工業(yè)酸性廢水或礦井排水,有腐蝕作用

(B)無機物指標

鐵

在不同條件下可呈Fe2+或膠粒Fe(OH)3狀態(tài),造成水有鐵銹味和混濁,形成水垢,繁生鐵細菌

錳

常以Mn2+形態(tài)存在,其很多化學<>行為與鐵相似

銅

影響水的可飲用性,對金屬管道有侵蝕作用

鋅

很多化學<>行為與銅相似

鈉

天然水中主要的易溶組分,對水質不發(fā)生重要影響

硅

多以H4SiO4形態(tài)普遍存在于天然水中,含量變化幅度大

有毒金屬

常見的有鎘,汞,鉛,鉻等,一般來源于工業(yè)廢水

有毒準金屬

常見的有砷,硒等,砷化物有劇毒,硒引起嗅感和味覺

氯化物

影響可飲用性,腐蝕金屬表面

氟化物

飲水濃度控制在1mg/L可防止齲齒,高濃度時有腐蝕性

硫酸鹽

水體缺氧條件下經微生物反硫化作用轉化為有毒的H2S

硝酸鹽氮

通過飲用水過量攝入嬰幼兒體內時,可引起變性血紅蛋白癥

亞硝酸鹽氮

是亞鐵血紅蛋白癥的病原體,與仲胺類作用生成致癌的亞硝胺類化合物

氨氮

呈NH4+和NH3形態(tài)存在,NH3形態(tài)對魚有危害,用Cl2處理水時可產生有毒的氯胺

磷酸鹽

基本上有三種形態(tài):正磷酸鹽,聚磷酸鹽和有機鍵合的磷酸鹽,是生命必須物質,可引起水體富營養(yǎng)化問題

氰化物

劇毒,進入生物體后破壞高鐵細胞色素氧化酶的正常作用,致使組織缺氧窒息

(C)非專一性有機物指標

生物化學<>需氧量(BOD)

水體通過微生物作用發(fā)生自然凈化的能力標度.廢水生物處理效果標度

化學<>需氧量(COD)

有機污染物濃度指標

高錳酸鹽指數(shù)

易氧化有機污染物及還原性無機物的濃度指標

總需氧量(TOD)

近于理論耗氧量值

總有機碳(TOC)

近于理論有機碳量值

酚類

多數(shù)酚化合物對人體毒性不大,但有臭味(特別是氯化過的水),影響可飲用性

洗滌劑

僅有輕微毒性,有發(fā)泡性

石油類

影響空氣-水界面間氧的交換,被微生物降解時耗氧,使水質惡化

(D)溶解性氣體

氧氣

為大多數(shù)高等水生生物呼吸所需,腐蝕金屬,水體中缺氧時又會產生有害的CH4,H2S等

二氧化碳

大多數(shù)天然水系中碳酸體系的組成物

Ⅲ 生物指標

細菌總數(shù)

對飲用水進行衛(wèi)生學評價時的依據(jù)

大腸菌群

水體被糞便污染程度的指標

藻類

水體營養(yǎng)狀態(tài)指標

Ⅳ 放射性指標

總α,總β,鈾,鐳,釷等

生物體受過量輻照時(特別是內照射)可引起各種放射病或燒傷等

我國主要水質標準

地表水環(huán)境質量標準(GB3838-2002)

海水水質標準(GB 3097-1997)

生活飲用水衛(wèi)生規(guī)范(CJ 3020-93)

漁業(yè)水質標準(GBll607-89)

農田灌溉水質標準(GB5084-92)

污水綜合排放標準(GB8978-1996)

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第三節(jié) 養(yǎng)殖水化學

一,養(yǎng)殖水化學與水生生物

1.水化學與水生生物的一般關系

地球上的一切生物都需要水。水是生物體內的主要組成要素，水棲植物體含水量達95%上，陸棲動物體內含水量達50-75%。生物體內的生物化學反應總是在體內的水溶液中以酶為催化劑緩慢進行的，而植物的光合作用就是在光照和葉綠素的作用下由水與二氧化碳合成碳水化合物的過程。水是水棲生物的生活環(huán)境，也為陸棲生物提供良好的棲息條件，地球上原始的生命孕育于原始的海洋中。

水生生物的生長還有賴于水中所溶解的各種復雜的成分，包括無機離子，有機物和氣體。沒有這些物質，生物也是不能在水中生存的。在這方面，天然水可以和土壤相比擬。土壤的肥瘠決定于其中營養(yǎng)物質含量的多少。同樣，在天然水體中沒有這些營養(yǎng)物質，水體中將不會有生命存在，天然水體中營養(yǎng)物質的含量是水體初級生產力的決定因素。

水生生物的生命過程和生命結束后殘骸的腐解過程都與水中溶解氧的存在與行為有著密切的關系。光合作用產生氧，而呼吸作用和氧化作用消耗溶解氧。當水體中溶解氧被耗盡時，硫酸鹽的還原和有機體的厭氧分解產生的硫化氫等，將危害厭氧生物以外的其它生物的生存。

二氧化碳體系是天然水體中重要的平衡體系，它不但涉及到氣象地質和水文學方面的學科，而且與各種水質系的生態(tài)學密切相關。溶解二氧化碳為自養(yǎng)生物合成有機體提供碳源。二氧化碳平衡系統(tǒng)在很大程度上控制水體的pH值，而許多水生生物在整個生命過程對水質pH值的變化極為敏感.所以水體中二氧化碳體系是形成和保持生物生存的穩(wěn)定環(huán)境的重要因素.

天然水體中含有成分極為復雜的有機化合物.盡管通常情況下其含量很低,但它在地球化學以及水產生物增養(yǎng)殖的研究中越來越引起人們的重視.近年來許多研究結果表明,水中溶解的天然有機物與水生生物的生長繁殖有著密切的關系,在某些環(huán)境條件下,甚至成為局部水域生產力的重要限制因素之一.

當前環(huán)境污染與環(huán)境保護以成為世界性的重大課題.其中水質環(huán)境的污染和保護是一個最為突出的問題,尤其是海洋已變成了石油,農藥,重金屬以及放射性廢物的"納污池".由于局部海域,特別是近岸海區(qū)的污染,導致海產動植物的生長繁殖遭到極大的危害,影響了近海水產資源的開發(fā)和利用.有些海區(qū)曾發(fā)現(xiàn)具有油臭味的魚,綠色的牡蠣,爛斑的海帶和毒物含量超過食用標準的魚貝類.這樣的海產品將會危及人類的健康.水質環(huán)境的污染和保護已收到水產工作者和社會的廣泛重視.

總之,水化學與水生生物的生長繁殖有著極為密切的關系.在從事天然水域(包括海水及淡水水域)水產生物增養(yǎng)殖的研究和生產的過程中必須密切注意水質系的水質動態(tài).如果水質條件不能滿足水產生物生命活動的各個階段的需要,或者超出他們是應得范圍,即使有好的品種和充足的餌料,水產生物仍然不能正常生長,還可能導致養(yǎng)殖生物的大批死亡,漁場荒廢,甚至積累毒物,危害人體健康.因此在水產生物養(yǎng)殖整個過程中的水質改良和管理,包括苗種的培育,個體的養(yǎng)成,餌料生物的培養(yǎng)以及水質污染的監(jiān)測等各種環(huán)節(jié),水化學<>基本理論的指導作用和水質化學<>動態(tài)的研究,都是十分重要的.

2.水化學與水產養(yǎng)殖生產

一個地區(qū)水產養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展,不能超越水域環(huán)境的自凈能力,即環(huán)境承載能力.過度的發(fā)展,養(yǎng)殖廢水無任何處理地向自然水體,包括海域排放,將加速水域富營養(yǎng)化,惡化水質,引起病害傳播.我國對蝦養(yǎng)殖業(yè)的興起與衰落的歷史,就是慘痛的教訓.

水產養(yǎng)殖的穩(wěn)產高產離不開養(yǎng)殖水環(huán)境的調控.水質的好壞直接影響到水產品的產量與質量.許多水產科學工作者為避開海上病毒傳播的危害,努力開發(fā)人工海水育苗和地下咸水(井鹽水)育苗.此時,合理配兌育苗用水的化學成分是育苗成功的關鍵.濱海地區(qū),干旱地區(qū)的鹽堿澇洼地漁業(yè)開發(fā)利用,也涉及許多水環(huán)境化學問題.這些都要求我們水產養(yǎng)殖科技工作者具備必要的水環(huán)境化學基本理論知識和技能.缺乏這方面的知識,研究工作可能走彎路,生產管理可能帶有盲目性,容易因管理失當給生產帶來重大損失.這一方面的教訓事例是很多的,下面是幾個比較典型的例子.

1.盲目施用氮肥造成氨中毒,使全池種魚死亡.東北某魚種場用銨態(tài)氮和過磷酸鈣化肥肥水培養(yǎng)白鰱親魚,發(fā)現(xiàn)肥水效果很好.施肥后浮游植物大量繁殖,水色很快轉好.這時,魚種場技術人員在未作水質化驗的情況下,又連續(xù)施了兩次氮肥,造成全池種魚中毒死亡.死亡原因是銨態(tài)氮肥過剩與浮游植物發(fā)展過快,造成pH升高,由銨態(tài)氮在高pH條件下的毒性使魚致死.生產上類似的例子常有發(fā)生.

2.殺滅浮游動物引起氣泡病,造成夏花魚苗的大批死亡.遼寧某魚種場有一水花發(fā)塘池,水色日益變淡,溶氧降低,人工連續(xù)數(shù)日往池中投放大糞,未見好轉,溶氧日益緊張,后發(fā)現(xiàn)是水中浮游動物太多造成,立即用敵百蟲殺滅,水色就迅速變綠,溶氧大幅度上升.施放敵百蟲后第三天下午溶氧達20mg/L以上.池中魚苗和蝌蚪均患氣泡病,引起魚苗大批死亡.問題出在浮游動物殺滅太徹底,浮游植物發(fā)展太快,造成溶氧極度過飽和,引起氣泡病.

3.水質變壞后盲目大量投放魚種造成損失.陜西某水庫原水面1.2×107m2,后因連年干旱僅剩約4.3×106m2,庫水含鹽量及總堿度均逐年積累,致使水質已不適應花白鰱及鯉魚生長.1982年前未做水質調查,每年仍向庫中投放大量花白鰱和鯉魚魚種,9年共計投放的665萬尾魚種全部死亡,造成了不必要的損失.

此外,盲目施肥造成的浪費;北方魚類越冬中因水質處理或管理不善,致使全部死亡或成活率不高;養(yǎng)蝦池中因水質未控制好,一夜之間就使全池對蝦死亡,等等事例都常常發(fā)生.

3.養(yǎng)殖水化學在專業(yè)教學中的重要地位

鑒于水化學<>與水生生物之間的密切關系,養(yǎng)殖水化學<>成為水產養(yǎng)殖專業(yè)的專業(yè)基礎課,它一方面為學生學習專業(yè)課程奠定基礎,又要為學生將來從事水產養(yǎng)殖專業(yè)的生長和科研工作奠定基礎.

蟲子的悲哀

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二,養(yǎng)殖水化學的研究內容

<水化學>成分的動態(tài)規(guī)律:作為一個養(yǎng)殖科技人員,首先應了解天然水中有哪些成分,這些成分和水產養(yǎng)殖的關系,這些成分在水體中的分布及變化有何規(guī)律,養(yǎng)殖水體水質有何特點.這就要學習天然水與養(yǎng)殖水中常見的化學成分的來源,遷移,分布,變化.要將溶解,電離,氧化還原,絡合,吸附等平衡原理用于研究水化學<>狀態(tài)的成因及變化,就不可避免地要涉及到對水質產生影響的生物學,微生物學,生態(tài)學,地質學,地球化學等學科的知識.

水質控制方法:水產養(yǎng)殖專業(yè)人員學習水化學<>的重點應在管理和控制好水質,已達到穩(wěn)產高產的目的.控制水質是養(yǎng)殖生產的重要任務,也是養(yǎng)殖技術的重要組成部分.水化學<>課程這部分內容的講授將限制在根據(jù)水化學動態(tài)規(guī)律對水質管理提出一般性意見,以避免與專業(yè)課重復.

水質監(jiān)測技術:要研究水中的化學<>成分及其轉化,要了解水質化學<>狀況以指導生產,都需要進行水質檢測.選擇準確,簡便,快速的監(jiān)測方法是水質分析工作者的研究方向.水產養(yǎng)殖工作者一般不會去研究和改進監(jiān)測方法,但常常需要親自做一些監(jiān)測工作,這都需要掌握必要的水質監(jiān)測知識和技術.

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第二章 水環(huán)境基本理論

       第一節(jié) 天然水的化學<>組成

一,天然水的組成與特征

1.純水的結構與異常特性

水是最常見的物質,但它有許多異常特性.也正是由于這些特性,才使水在自然界和人類生活中普遍發(fā)生巨大作用,成為支配自然和人類環(huán)境中各種現(xiàn)象的主要因素.要研究水及其中雜質共同表現(xiàn)的水質特性,需先深入了解水本身的特性.

水的異常性質及其意義

性 質                 特點                         意 義

狀 態(tài)            一般為液態(tài)            提供生命介質,流動性

熱 容                非常大               良好的傳熱介質,調節(jié)環(huán)境和有機體的溫度

熔解熱              非常大               使水處于穩(wěn)定的液態(tài),調節(jié)水溫

蒸發(fā)熱              非常大               對水蒸氣的大氣物理性質有重要意義,調節(jié)水溫

密 度             4℃時極大           水體冰凍始于表面,控制水體中溫度分布,保護水生生物

表面張力          非常大              生理學控制因素,控制液滴等表面現(xiàn)象

介電常數(shù)          非常大              高度溶解離子性物質并使其電離

水 合              非常廣泛           對污染物是良好溶劑和載帶體,改變溶質生物化學<>性質

離 解               非常少             提供中性介質

透明度                 大                 透過可見光和長波段紫外線,在水體深處可發(fā)生光合作用

水的特性與水的分子結構相關.水分子中的氧原子受到四個電子對包圍,其中兩電子對與兩個氫原子共享,形成兩個共價鍵;另外兩對是氧原子本身所持有的孤對電子.四個電子對間由于帶負電而互相排斥,使它們有呈四面體結構的傾向,但因孤對電子占據(jù)的空間較小,與共享電子對相比具有更大的斥力,因此使H—O—H鍵角由109.5°(幾何正四面體)縮減到104.5°.

氧原子具有比氫原子大得多的電負性,所以水分子中的電子對趨向于氧而偏離氫,于是就在兩個孤對電子上集中了更多負電荷,使水分子成為具有很大偶極矩的極性分子.這樣的一個水分子就有可能通過正,負電間靜電引力與鄰近的四個水分子以氫鍵相聯(lián)系.分子間氫鍵力大小為18.81kJ/mol,約為O—H共價鍵的1/20,冰溶化成水或水揮發(fā)成水汽,都首先需要外界供能破壞這些氫鍵.

當冰開始熔化成水時,冰的疏松的三維氫鍵結構中約有15%氫鍵斷裂,晶體結構崩潰,體積縮小而密度增大.如果有更多熱能輸入體系,將引起下述兩方面的作用:

①更多氫鍵破裂,結構進一步分崩離析,密度進一步增大;

②體系溫度升高,分子動能增加,由于分子振動加劇,而每一分子占據(jù)更大體積空間,所以這一因素又使密度趨于減小.

上述兩因素隨溫度升高而相互消長的結果,使淡水在3.98℃時有最大密度.這種情況對水生生物越冬生活具有特別重要意義.

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2.天然水的化學<>組成

按不同組分含量與性質的差異,以及與水生生物的關系可以把天然水的化學<>成分分為六類:即常量元素,溶解氣體,營養(yǎng)元素,有機物質,微量元素以及有毒物質.

常量成分——又稱為主要離子,恒量元素,保守成分.淡水中的八大離子主要有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,性質穩(wěn)定:海水中常量成分占海水中溶解鹽類的99.8%～99.9%,而且它們在海水中含量的大小有一定的順序,其比例幾乎不變;

淡水中常量成分占水體溶解鹽類總量的90%以上;

常量成分是決定天然水體物理化學<>特性的最重要因素:如CO32-,HCO3-對維持水體的pH具有重要的意義.常量成分在水中以多種形態(tài)存在,如海水中常量成分多以自由離子或離子對存在,少量以絡離子存在.

溶解氣體——天然水中溶有大氣中所含有的各種氣體,除了N2,O2,CO2外,還有惰性氣體He,Ne,Ar,Kr,Xe,Rn也都能在水體中找到.海水中也含有少量H2,在水交換較差的湖底及某些海區(qū)或孤立的海盆中有時也有游離的H2S存在.對于部分受污染地區(qū),水中可能還溶有該地區(qū)的污染氣體(如硫氧化物,氮氧化物等).溶解氣體的含量與水的溫度,水中動物代謝活動有關;其含量有明顯的晝夜,季節(jié),周年變化特點和顯著的水層差異.

營養(yǎng)元素——主要包括與水生生物生長有關的一些元素,如N,P,Si等.營養(yǎng)元素多以復雜的離子形式或以有機物的形式存在于水體中.營養(yǎng)元素在水體中含量通常較低,受生物影響較大,有時又稱為"非保守成分"或"生物制約元素".

有機物——水體中的有機物可分為顆粒態(tài)有機物和溶解態(tài)有機物兩大類.有機物在水體中的含量較低,通常是無機成分的萬分之一,一般1升水中僅幾毫克;有機物成分復雜,種類繁多.包括糖類,脂肪,蛋白質及降解有機物等;有機物對水質及水生生物有著多方面錯綜復雜的影響,適量有機物的存在是使水質維持一定肥力的重要條件,而過量有機物的存在將會使水質惡化,魚病蔓延.

微量元素等其它組成——除了常量元素和營養(yǎng)元素以外的其他元素(如同位素等),都包括在這一類中.微量元素種類繁多,總量卻非常少,僅占總含鹽量的0.1%左右;微量元素中的Fe,Mn,Cu等與生物的生長有著密切的關系,稱為"微量營養(yǎng)元素".

有毒物質——天然水中的有毒物質,按其來源或產生方式的不同大體可分為兩類:一類是來自工農業(yè)生產以及日常生活排放的廢物,即所謂污染物質,主要包括有機物,油類,農藥及重金屬離子等等;另一類是指由于水體內部物質循環(huán)失調而生成并積累的毒物,如硫化氫,氨,低級胺類,高濃度CO2及赤潮生物的有毒分泌物等.有毒物質在濃度較低時就會對水生生物產生毒性作用,并破壞生態(tài)系統(tǒng)的平衡;其毒性的大小與該物質的存在形式有關,并受到多中水體物理化學<>性質的影響.

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3.天然水的主要化學特性

天然水是一個多組分,多相的混合體系,具有多重化學特性,概括起來約有十點:

天然水是一個多組分,多相的運動變化著的混合體系——水中的溶存物質種類繁多,數(shù)量相差懸殊;溶存物質的存在形式多種多樣,僅就粒徑而言,大小相差可達六個數(shù)量級以上,小的僅有幾個毫微米,以真溶液存在,大的在數(shù)百微米以上,構成多相分散體系;水中的元素及其化合物參與化學,物理反應,諸如氧化還原,沉淀溶解,吸附解析等,不斷改變著其存在形態(tài)及其不同形態(tài)的量.

不同形態(tài)的天然水含鹽量懸殊,通常海水的含鹽量約是淡水的35倍——世界河水含鹽量平均只有120mg/L左右,世界海水總含鹽量約為34.30g/L,不同水的含鹽量相差十分懸殊.

天然水都具有一定的酸堿性——淡水水體一般都是中性偏弱堿性,海水都是弱堿性.水的酸堿性受到水中生物光合作用,呼吸作用的影響,浮游植物進行光合作用,可使水體pH上升.水的酸堿性還受到環(huán)境污染物質等的影響.

天然水都具有一定的緩沖能力——與所有的天然水體一樣,漁業(yè)水體都具有一定的緩沖能力,能夠在一定程度上抵御外來酸堿物質對pH的影響,保持自身pH的穩(wěn)定性.

天然水都具有一定的硬度和堿度——硬度和堿度是天然水體兩個重要的化學指標,堿度的組成及大小,有明顯的周日變化及垂直分布不均一現(xiàn)象,并與pH,O2,CO2等水化因子有明顯的相關性.漁業(yè)水體必須保證具有一定的堿度和硬度才能維持水體較為合適的生產力.

天然水都具有一定的氧化還原能力——漁業(yè)水體的氧化還原能力主要與水中溶解氧的含量有關.表層水中,溶解氧較為豐富,水中的變價元素多以高價形式存在.而在底層水中,溶解氧含量較低,在厭氧微生物等的作用下,變價多以低價態(tài)形式存在.

天然水都具有水生生物生長所需的營養(yǎng)元素——水中植物,特別是浮游植物的光合作用,是水中有機食物的真正生產者,是其他水生生物存在和發(fā)展的基礎.在溫度,光照等條件適宜時,水體初級生產的速率及產量,受水中植物營養(yǎng)元素供應情況的限制.

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凈能力——在自然條件下,一方面由于生物代謝廢物等異物的侵入,積累導致水體經常遭受污染;另一方面,水體的物理,化學及生物作用,又可將這些有害異物分解轉化,降低以至消除其毒性,使受到污染的水體恢復正常機能,這一過程稱為水體的"自凈作用".

海水常量成分具有恒定性的特點——海水的總含鹽量或鹽度是可變的,但常量成分濃度間的比值幾乎保持恒定.

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二,海水常量成分

1.海水常量成分恒定性原理

定義——海水的總含鹽量或鹽度是可變的,但常量成分濃度之間的比值幾乎保持恒定."海水常量成分恒定性原理"又稱為"主要成分恒比關系原理","海水組成的恒定性原理","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         鹽度比值            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            -  

總計                                                                                                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

總計                                                                                                0.5936

*總含鹽量=34.81g/L,C l =19.00(×10-3),S=34.324

常量成分恒定性原理的發(fā)現(xiàn)——1819年Marcet在分析了北冰洋,大西洋,地中海,黑海,波羅的海,中國海和白海等多處海水水樣后,提出了"全世界一切海水水樣,都含有同樣種類的成分,這些成分之間只有鹽含量總值不同的區(qū)別".Dittmar 從"H.M.S.Challenger"號調查船在環(huán)球航行所采集的77個水樣分析中也證實了Marcet結論的正確性.

Marcet 原理所提出的海水常量成分濃度之間的比值只是幾乎保持恒定并非絕對恒定.

若干常量元素在垂直方向上因為壓力效應,氯度比值會有所變化.例如Cox發(fā)現(xiàn)Ca/Cl比值隨海水深度的增加而有所增大;

河口濱海區(qū)常量成分濃度之間的相關性有別于大洋水;

海水主要離子中的HCO3-及堿度的恒定性比較關,這是歷為該成份本身含量較小(與Ca2+及硬度比),受生物作用影響較大:表層海水因光合作用吸收CO2,使HCO3-及堿度降低,深層海水利用有機物的分解產生CO2使CaCO3溶解,HCO3-及堿度含量較高.對海水中的微量成分,包括氮,磷營養(yǎng)元素的含量,"恒定性原理"不適用,對于海水的溶氧也不適用.

河口區(qū)的海水常量成分的相關性

河口區(qū)海水常量成分與大洋水一致,但各成分之間不具備恒定性關系的特點.也就是說,在受大陸徑流影響較大的河口濱海區(qū),不但海水受到程度不等的沖淡,而且水化學<>成分的恒比關系也遭到顯著的影響.養(yǎng)殖生產中,有必要對河口區(qū)育苗和養(yǎng)殖用水的配方進行特定的研究.

例如,晉江河口區(qū)主要化學<>成分及總含鹽量的氯度比值隨著混合系數(shù)r(r = Wr /Wm,Wr與Wm分別表示參與混合的河水和海水的重量)的不斷增大,各主要成分的氯度比值均有不同程度的增高.顯然這是河口區(qū)在通常的水文條件下可能出現(xiàn)的一般規(guī)律,但其變化程度隨河口區(qū)及季節(jié)不同而有所差異.因此在水文學上常常利用主要成分間比值的變化研究海水與河水的混合過程.

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2. 海水常量成分恒定性成因

混合作用——大洋海水通過環(huán)流,潮流,垂直流等運動,連續(xù)不斷地進行混合.

體積巨大——海水體積極大,它所擁有的多種成分的總量也十分巨大,外界的影響(如大陸徑流等)很難使其相對組成發(fā)生明顯的變化.即使海水的蒸發(fā)以及大氣降水,也只能使海水的濃度在局部區(qū)域增加或減少,但對于主要成分相對比例的影響是極微小的.

3. 海水常量成分恒定性的意義

對于研究海水的物理化學性質有著十分重要的意義:

(1)在一定的溫度及壓力條件下,海水的一系列物理化學<>性質主要決定于海水的總含鹽量.由于海水常量成分具有恒定性的特點,海水的總含鹽量就可由測定某一主要成分而間接求出;

(2)海水的物理化學<>性質于海水某一主要成分之間也存在著定量關系,例如海水化學<>中涉及的許多經驗公式,都是通過海水的氯度來確定的,從而為海洋科學工作提供了方便.

對于指導養(yǎng)殖生產具有十分重要的意義:

(1)海水養(yǎng)殖(包括育苗)中主要成分的測定;

(2)海水配方的研制.

人工海水配方

由于天然海水的復雜性與不穩(wěn)定性,在實驗室進行某些物理化學測定或生物培養(yǎng)試驗的過程中,常常采用由人工配制的海水代替天然海水.人工海水不含有懸浮物,有機物和生物物質,它是模擬常量組分(有時也包括營養(yǎng)鹽或特殊需要的其他物質)的濃度,用無機鹽類準確配制的.國外一些水族館常采用Backhaus人工海水配方制備人工海水飼養(yǎng)海產生物.經試驗,這種人工海水已成功飼養(yǎng)了許多魚類(但對于水母,珊瑚以及真蛸等無脊椎動物飼養(yǎng)未經試驗).目前也有些國家采用"人工快速海鹽"配制人工海水,這種人工海水保留了天然海水中的有機物質,其成分與天然海水很相似,可以成功地用于飼養(yǎng)海洋生物.

4. 海水主要離子存在形式

天然水的許多物理化學<>性質,如電導率,依數(shù)性,無機物的溶解度以及它們對水生生物生命活動的影響等等都與實際的溶存形式有關.因此,天然水中各種主要離子的溶存形式已受到普遍重視.

自由離子——天然水中的主要離子與周圍的水分子發(fā)生水合作用,形成所謂的水合離子.

離子對——水合陽離子和水合陰離子程度不同地通過離子間的靜電引力作用而解合成離子對,或者說擁有相反電荷的離子彼此接近到某臨界距離之內可有效地相互結合形成離子子對.離子對中對偶離子水合殼層雖有些聯(lián)接,但基本沒有變動.在一定條件下,自由水合離子與離子對保持一定的締合平衡.

絡離子

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5. 活度與活度系數(shù)

(1)天然水的離子強度

由于天然水中溶存著多種主要離子成分,使天然水成為一種強電解質溶液.在強電解質溶液中,陰陽離子共存,其中帶同號電荷的離子之間存在著互斥作用,帶異號電荷的離子間存在著互吸作用.在靜電作用力的影響下,處于不停熱運動狀態(tài)的陰陽離子中,陽離子的周圍陰離子出現(xiàn)的幾率較大,陰離子周圍陽離子出現(xiàn)的幾率較大.這樣對于每一個中心離子(溶液中的任何離子都可以被當作中心離子)表觀上被異號離子所包圍,形成了離子氛.離子氛中總的剩余電荷等于中心離子的電荷,使溶液保持電中性.

在溶液中,中心離子的運動必然會受到其周圍離子氛中異號離子的吸引,使它的運動受到牽制.實際研究發(fā)現(xiàn):對這種牽制作用產生影響的包括溶液中各種離子的濃度以及它們各自的離子價,即牽制作用與溶液中全部離子電荷所形成的靜電場的強度有關.根據(jù)這一特性,提出了電解質溶液離子強度(I)的概念,在實際應用中多采用經驗公式:

I=2.5×10-5{ST} mg/L

式中{ST}表示天然淡水的總含鹽量(以mg.L-1為單位)的數(shù)值.海水的離子強度較高.

若將海水中各種主要離子成分的濃度和離子價代入離子強度的定義式計算,所得的數(shù)值與經驗公式:

I=0.0206S

I=0.0193S

式中S為鹽度.實際的離子強度比未考慮離子締合作用的計算結果為低.

在 團頭魴>鰱魚;海水魚在鹽度過低的水中會死亡.但有一類廣鹽性生物,對滲透壓的調節(jié)能力很強,經過馴化,本來生長在淡水的種類可以在海水中生長,例如羅非魚;本來生活在海水中的,可以在接近淡水的水中生長,例如花鱸,美國紅魚,中國對蝦等.而河蟹則要在海水中產卵,孵化,發(fā)育,到大眼幼體后,到淡水中變成仔蟹,生長,成熟.

黎道豐等(2000)通過對內陸15個鹽堿度不同的典型水體中魚類區(qū)系結構和主要經濟魚類生長的比較和分析表明,魚類的區(qū)系結構,種類數(shù)量和生長速度與水體鹽堿度的高低有著密切關系,鹽堿度高的水體其魚類土著的種類數(shù)較少,生長速度較慢.

(2)生物的不同生長階段的耐鹽性不同

不同的魚類或同一種魚類的不同生長階段所能適應的含鹽量的范圍是不同的,即耐鹽限度不同.例如,鰱,鳙魚苗的耐鹽上限為2.5g/L左右;夏花魚種為3.0g/L左右;鰱魚的仔魚期為5-6g/L,成魚約為8-10g/L,草魚耐鹽性較鰱魚強,草魚的仔魚期耐鹽上限為6-8g/L,成魚為10-12g/L;鱒魚成魚的耐鹽限度可達30g/L.

海水貝類的不同發(fā)育階段對鹽度的適應性也有所不同,例如海灣扇貝D形幼蟲生長的適應鹽度范圍為22-33,變態(tài)最佳鹽度為21-37.對蝦育苗對海水鹽度也有一定要求,據(jù)臧維玲等(2002)研究,日本對蝦幼體最適鹽度范圍為10.2-26.9,鹽度20.3時增長率與增重率最大.中華絨螯蟹育苗的適宜鹽度為12-29,過高過低也都使出苗率迅速下降.

(3)生物的耐鹽性與其它環(huán)境因子有關

耐鹽性與pH

臧維玲等(1989)研究了鰱,鳙魚類對鹽度的適應上限,結果發(fā)現(xiàn)其耐鹽性與水的pH值有關,隨著pH值的增大而降低,并提出了鰱,鳙魚種對高鹽量的24h半致死濃度24hLC50隨pH下降的回歸方程為:

鰱 24hLC50=39.75-3.78pH ,n=8 ,r=0.999

鳙 24hLC50=49.25-4.78pH ,n=8 ,r=0.983

pH值為8.00時鰱,鳙魚種對鹽度的96hTL m 值分別為6.50與9.06.

耐鹽性與鹽分組成

魚的耐鹽限度同鹽分的組成有關.例如含HCO3-,CO32-較多,含K+較多的水,有許多種類的生物鹽度耐受極限將顯著降低,許多耐鹽試驗是用低鹽海水或淡水添加NaCl進行的,這些試驗結果不能隨意推廣應用到HCO3-,CO32-及K+含量高的半咸水.對這類水的適宜養(yǎng)殖品種也應通過試驗確定.

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二,天然水的化學分類法

1.按含鹽量的分類

(1)原蘇聯(lián)學者O·A·阿列金的分類法

淡水 礦化度50g/L

把淡水的范圍確定在1 g/L是基于人的味覺.當離子總量高于1g/L時,大多數(shù)人可以感到咸味;微咸水與具有海水鹽度的水的分界線定在25g/L,是根據(jù)在這種含鹽量時,水的冰點溫度與最大密度時的溫度相同;具有海水鹽度的水與鹽水的界線乃根據(jù)在海水中尚未見到過高于50g/L的情況,只有鹽湖水和強鹽化的地下水才能超過此含鹽量.

(2)美國(1970)所采用的分類法

淡水 0-1g/L

微咸水 1-10g/L

咸水 10-100g/L

鹽水 >100g/L

(3)湖沼學與生態(tài)學中常用的分類法

淡水 0.01-0.5g/L

寡混鹽水 0.5-5g/L

中混鹽水 5-18g/L

多混鹽水 18-30g/L

真鹽水 30-40g/L

超鹽水 >40g/L

(其中0.01-0.2 g/L稱為缺鹽水體;30-40g/L為世界海洋平均鹽幅)

2.按主要離子成分的分類(阿列金分類法)

(1)分類——根據(jù)含量最多的陰離子將水分為三類:碳酸鹽類,硫酸鹽類和氯化物類.含量的多少是以單位電荷離子為基本單元的物質的量濃度進行比較,并將HCO3-與 CO32-合并為一類.各類符號分別為:C—碳酸鹽類,S—硫酸鹽類,Cl—氯化物類.

(2)分組——根據(jù)含量最多的陽離子將水分為三組:鈣組,鎂組與鈉組.在分組時將K+與Na+合并為鈉組,以 Ca2+, Mg2+及Na+(K+)為基本單元的物質的量濃度進行比較.各組符號分別為:Ca—鈣組,Mg—鎂組,Na—鈉組.

(3)分型——根據(jù)陰陽離子含量的比例關系將水分為四型:

Ⅰ型:[ ]+[ ]>[ ]+[ ]

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

Ⅳ型:[ ] +[ ]=0

每組通常只有三型水,如下表所示:

類

碳酸鹽類 C

硫酸鹽類 S

氯化物類 Cl

組

鈣組 Ca

鎂組 Mg

鈉組  Na

鈣組 Ca

鎂組 Mg

鈉組 Na

鈣組 Ca

鎂組 Mg

鈉組 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型水是弱礦化水,主要形成于含大量Na+與K+的火成巖地區(qū),水中含有相當數(shù)量的NaHCO3成分(即主要含有Na+與HCO3-),在某些情況下也可能由Ca2+交換土壤和沉積物中的Na+而形成.此水型多半是低礦化度的.干旱半干旱地區(qū)的內陸湖,如果由Ⅰ型水特征很強的水所補給,有可能形成微咸水的蘇打湖.

Ⅱ型水為混合起源水,其形成既與水和火成巖的作用有關,又與水和沉積巖的作用有關.多數(shù)低礦化(200mg·L-1以下)和中礦化(200-500mg·L-1)的河水,湖水和地下水屬于這一類型.

Ⅲ型水也是混合起源的水,但一般具有很高的礦化度.在此條件下,由于離子交換作用使水的成分明顯變化,通常是水中的Na+交換出土壤和沉積巖中的Ca2+和Mg2+.海水,受海水影響地區(qū)的水和許多具高礦化度的地下水屬此類型.

Ⅳ型水的特點是不含HCO3-.酸型沼澤水,硫化礦床水和火山水屬此型.在碳酸鹽類水中不可能有Ⅳ型水,在硫酸鹽與氯化物類的鈣組和鎂組中也不可能有Ⅰ型水,而硫酸鹽與氯化物類的鈉組一般沒有Ⅳ型水.這樣,天然水就分成如表1—3所示的27種類型.

(4)水的化學類型表示方法

分類符號的排列,先寫"類","組"寫在"類"的右上方,"型"則用羅馬字標在"類"符號的右下方.如C 表示碳酸類鈣組第Ⅱ型水.S 表示硫酸鹽類鈉組第Ⅲ型水.此外,有時還要標上礦化度或含鹽量(精確至0.1g/L,寫在型的右面)和總硬度(精確至0.1mmol/L,寫在組的右面),如C ,表示含鹽量為5.0 g/L,總硬度為0.4mg/L.

有時水中的陰離子或陽離子并不是一種離子獨占優(yōu)勢,而是兩種離子相差不多,當次要離子以單位電荷為基本單元的摩爾百分比(或稱當量百分比)與主要離子的相差不超過5%時,則應在分類符號中將次要離子也標出.CS 表示碳酸鹽硫酸鹽類鈣組Ⅱ型水,該水中SO42-含量僅次于HCO3-,且含量相差不大.

海參

灰常詳細呢

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第三節(jié) 天然水環(huán)境主要物理性質

一,天然水的光學特性

1.水對太陽光的反射

一束太陽輻射,以一定入射角直接射到平靜的水面后,一部分輻射被水面反射,反射角等于入射角.一部分光則沿折射角進入水體.被水面反射的太陽輻射與投影到水面的太陽輻射的比率稱為反射率.反射率與入射角有關,入射角是光線與水平面的垂線間的夾角,也是太陽的天頂距.人們將太陽光線與地平面的夾角稱為太陽高度角.據(jù)研究,平靜水面對太陽直接輻射的反射率隨太陽高度角的增大而降低,當太陽的高度角在30-80 以上時,反射率只有6.2-2.1%,太陽高度角在30 以下,反射率隨太陽高度角的降低而迅速增加.

2.水對太陽光的吸收與散射

通過水面進入水中的太陽輻射,一部分被水及其中的物質吸收,一部分被散射,一部分繼續(xù)向深處穿透.被吸收的輻射能,大部分被轉變成熱,使水溫升高.被散射的部分,變?yōu)槌�各方向傳播的輻�?其中也有一部分輻射向水深處傳播,并被第二次散射或吸收.

如果以 IL 表示在水中穿過光程L(米)后的某波長太陽輻射能,以 I0 表示穿過表面進入水中的該波長太陽輻射能,則可以用下列指數(shù)方程表示它們之間的關系:

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

式中m和 K 分別是吸收和散射的系數(shù),合稱為衰減系數(shù) μ .與水中所含物質有關,也與光的波長有關.

研究表明,太陽輻射中的紅外線絕大部分被表層100cm水層吸收了.太陽輻射總能量的27%可被1cm水層吸收,64%被1m水層吸收,到100m深處的輻射能只及表層的1.4%左右.但可見光的穿透能力很強,到100m深處只剩下可見光了.

光合作用有效輻射主要是可見光部分的輻射.對可見光輻射在水中隨深度的衰減可用下式表達:

IZ=I0exp[-(μW+μC+μP)Z]

式中Z為水深(m), I0 與 IZ 分別為進入水中表層和Z(米)深處的可見光輻照度,μ為衰減系數(shù),下標w,c,p分別表示由純水,溶解有機物質及懸浮物質形成的衰減系數(shù).將上式取對數(shù)可得:

lgIZ=lgI0-0.4343(μW+μC+μP)Z

對一個既定水域, μW , μC 與 μP 可以視為常數(shù).這樣,上式 lgIZ 與 Z 呈線性關系.

3.透明度

——通常用來反映可見光在水中的衰減狀況.透明度采用專門的透明度盤測定.透明度盤由采用黑白的油漆涂成黑白相間的金屬圓盤制成,圓盤中央拴一根有深度標記的軟繩(此繩應不易伸長).測定時將圓盤沉入水中,在不受陽光直射條件下,剛好看不到盤面白色時的深度,即為透明度.

清澈的海水與湖水,透明度可達十多米.透明度小的池水,透明度只有20-30cm,渾濁的黃河水,透明度只有1-2cm.一般認為在相當于透明度的深度處的照度,只有表層照度的15%左右.

4.補償深度

——有機物的分解速率等于合成速率的水層深度稱為補償深度.粗略地說,補償深度平均大約位于透明度的2-2.5倍深處.

——光照充足,光合作用速率大于呼吸作用速率的水層,稱為真光層,又稱營養(yǎng)生成層.在這水層中植物光合作用合成的有機物多于呼吸作用消耗的有機物,有機物的凈合成大于零.

——光照不足,光合作用速率小于呼吸作用速率的水層,稱為營養(yǎng)分解層.這一水層的植物不能正常生活,有機物的分解速率大于合成速率.

2.內陸水的電導率

對于同一類型淡水,在pH5-9范圍內,電導率與離子總量大致成比例關系.1μS·cm-1相當于0.55-0.9mg·L-1;在一定溫度范圍內,電導率隨溫度的增高幾乎也是線性增加,溫度每增高1℃,電導率大約增加2.2%.一般電導率的測定以25℃為準,其他溫度下測得的電導率需加以校正.

天然淡水的電導率變化于50-500μS·cm-1,高礦化度水體可達500-1000μS·cm-1以上.

據(jù)日本有關資料報道,日本河流水體的礦化度(包括非導電性的二氧化硅)約為76mg·L-1.電導率(18℃)為111.5μS·cm-1,即在18℃時,存在∑S(mg·L-1)=0.7k18.

不同類型的天然淡水,其離子組成有所差別,∑S與Kt的關系可由實驗測得,所獲經驗關系式可通過kt的實驗值間接估算∑S值.

3.海水的電導率

在一標準大氣壓下,在海洋的溫度范圍內,海水的電導率與鹽度幾乎成正比例增加.在相同鹽度的情況下,0℃附近,溫度每增加1℃,電導率增加3%;在20℃附近,溫度每增加1℃,電導率增加2%.

電導率受壓力的影響較小,在一般深海所受的壓力范圍內,電導率的增值在12%以下.

三,天然水的依數(shù)性

1.冰點

天然水的溶質組成復雜,冰點下降主要是水中溶解物質(包括離子和分子態(tài))引起的.天然水的含鹽量可以反映水中溶解物質的數(shù)量,所以與冰點下降之間存在一定的數(shù)量關系.海水的主要離子組成相對穩(wěn)定.通過實驗得到了海水在1標準大氣壓下冰點溫度Tf與鹽度S的經驗公式:

{Tf}℃=-0.0137-0.05199S - 7.225×10-5S2

式中Tf為冰點,S為實用鹽度.在Tf—S 圖中近似為一直線.

2.蒸氣壓

天然水的飽和蒸氣壓P比純水低,它與鹽度S有如下直線關系:

P=P0(1-0.000537S)

式中P0為純水的飽和蒸氣壓,它與溫度有關.根據(jù)上式,對于S為35的海水,P=0.98P0,即蒸氣壓約降低了2%.

3.滲透壓

稀溶液的滲透壓∏符合類似于氣體狀態(tài)方程形式  

滲透壓不容易直接測量,常常采用冰點下降數(shù)值來換算,或者直接用冰點下降值來反映滲透壓的大小.海水的滲透壓∏與鹽度 S 的關系是:

{∏}KPa=69.55S+0.2546{t}℃·S

四,天然水的分層特點

1.水的冰點溫度與最大密度時的溫度

——海水在1標準大氣壓下冰點溫度Tf與鹽度S的經驗公式:

{Tf}℃=-0.0137-0.05199S - 7.225×10-5S2

——海水密度最大時的溫度t最密是鹽度的函數(shù):

{t最密}℃=3.975-0.2168S+1.282 10-4S2

將這兩個經驗公式在溫度鹽度圖上繪制成曲線后可以發(fā)現(xiàn),兩條曲線交于一點,即鹽度24.695時,海水的冰點溫度等于密度最大時的溫度.當鹽度小于24.695時,冰點溫度低于密度最大時的溫度;當鹽度大于24.695時,冰點溫度高于密度最大時的溫度,從而導致這兩種情況下海水結冰狀況的不同.