第七章 特定水体的污染及自净
第一节 水体自净
水体是地面水（河流、湖泊、沼泽、水库）、地下水和海洋的总称。它不仅仅指水，还包括水中的溶解物、悬浮物、水生生物和底泥等，是一个完整的生态系统。在环境污染研究中，“水”
和“水体”是两个不相同的概念，应当区别开来。例如，重金属污染物易于从水中转移到底泥里，
水中的重金属含量一般都不高，若着眼于水，似乎水污染并不严重，但是从整个水体看，污染就可能很严重。可见，水体污染不仅仅是水污染，还包括底泥污染和水生生物污染。
水体具有消纳一定量的污染物质，使自身的质量保持洁净的能力，人们常常称之为水体的自净。水体的自净过程十分复杂，它包括了物理过程，如稀释、扩散、挥发、沉淀等；化学和物理化学过程，如氧化、还原、吸附、凝聚、中和等反应；以及生物和生物化学过程，如微生物对有机物的分解代谢，不同生物群体的相互作用等。这几种过程互相交织在一起，可以使进入水体的污染物质迁移、转化，使水体水质得到改善。
水体不同，自净能力也不同。一旦进入水体的污染物造成了该水体中某些物质（特别是对生物有毒性的或造成水体水质恶化的物质）超过了水体的本底值或水体的自净能力，而使得该水体部分或全部失去了它的功能或用途，那么水污染就发生了。
地球上的各类水体有其自身的形态特征及环境条件，影响着水中化学物质的组成及污染物质的迁移转化，使各类水体的污染与自净各具特点。以下将分别介绍几种对典型水体的污染及自净机理。
第二节 河流的污染与自净
河流是地面水系的主体，与人类的关系十分密切。它是人类主要的水源，除了为人类提供生产和生活用水外，河流的功能还包括：航运、灌溉、补给地下水、水产养殖、观赏以及作为地表径流和废水的最终受纳体。
一、河流的水质特征
与湖泊、海洋相比，河流的水量和水质随季节的变化较大，水体更新期短，水质随枯水期和丰水期的不断交替，更新也快。水质遭受污染后，易于稀释扩散和自净。此外，由于水流与地表物质接触时间不长，水面蒸发面小，因此与其它陆地水体相比河水矿化度较低。
天然河水的化学成分受到降水、地形、地质、水生生物以及水流补给源等多方面因素的控制，
河水不仅与地表水及大气水之间有交换过程，而且与地下水也相互关联，因此河水的化学成分复杂多样，沿程变化及时间变化强烈。
河流不仅是人类社会主要的供给水源，也是人类活动频繁的场所，它被污染的机会多，几乎各种污染源中的污染物，通过各种途径都可进入河流，并向下游汇集。而它一旦遭受污染就会严重影响到人类生活和工农业生产。
二、河流的污染及其特点
地面河流与大气、土壤（或岩石圈）紧密相连，又与人类的生活、生产直接相关，其污染物质来源于：大量生活污水和工业废水的直接排放；地表径流将地表上的污染物质大量携带进河水中；大气中的污染物质随降雨而进入河流；水上航运过程中的油脂泄漏等。
随着城市化和工业化的进程，河流作为废水最主要和直接的受纳体的负担日益加重，导致了严重的河流污染。
历史上城市废水对河流、湖泊等水体的污染大致经历了三个时期,
（1）病原污染期 在工业尚不发达时，城市废水主要是生活污水，富含有机质、微生物污染物等，以此作为饮用水源，则由于病原菌的存在很容易导致传染病的流行，这个时期的污染就称为病原污染期。例如，横贯英国的泰晤士河在19世纪之前，还是河水清澈，碧波荡漾，水中鱼虾成群，河面飞鸟翱翔。但随着工业革命的兴起及两岸人口的激增，每天排放的大量生活污水和工业废水使泰晤士河迅速变得污浊不堪，水质严重恶化。到上世纪50年代末，泰晤士河的污染进一步恶化，水中的含氧量几乎等于零，除少数鳝鱼外，其它鱼类几乎绝迹。美丽的泰晤士河变成—条死河，肮脏的河水还成为沿岸疾病流行的祸首，从1849年到1954年，滨河地区约有
25000人死于霍乱。
（2）总体污染期 随着工业规模的不断扩大和快速发展，排入地面水体中的工业废水的比重不断增加，造成河、湖水中的悬浮物及生化需氧量越来越高，使水体中溶解氧耗尽，水生生物灭绝，生态平衡被破坏，达到总体污染的程度，这个时期可称为总体污染期。
（3）新污染期 工业生产和科学技术的进一步发展，特别是石油、化工、核能等新型工业的出现，生产中排放出的新污染物质和毒物不断增多，水质更趋复杂，这就是所谓新污染期。
目前一些发达国家正处于新污染期。
发达国家在20世纪50年代就进入了河湖严重污染的总体污染期。他们经过二十多年的努力，
治理了一些严重污染的河流湖泊，基本上控制了以有机物为主的水污染。而许多发展中国家，目前水体污染的状况仍很严重，一些国家甚至还处于病原污染期，直接威胁着人们的身体健康。
近些年来，随着我国国民经济的快速发展、城市人口的迅速增加，以及农业生产中农药化肥的大量使用以及乡镇企业规模的不断扩大，对地面河流的污染日益严重。根据我国1998年对全国109700公里河流进行的评价，我国河流长度有70.6%被污染，其中有机污染是一个不可忽视的因素。
相对于其它水体的污染来说，河流的污染易于发生，但也比较容易自净恢复；河流的污染途径多，污染物种类复杂，但耗氧有机物的污染最具普遍性。同时，河流可能穿逾不同的社会环境和自然地理环境，使不同河段的纳污状况和自净能力有明显差异。因此，对河流的污染和自净规律必须按不同河段进行研究。
三、河流水体的自净机理
河流的自净作用是指河水中的污染物浓度在随河水向下游流动过程中在多种机理的作用下自然降低的过程。废水中污染物种类繁多，进入河流后消除的机理也是多种多样的。
从净化机制来看，污染物自行消除的过程可分为以下几类,
1．物理净化过程
物理净化是指由于稀释、扩散、沉淀等作用而使河水中的污染物浓度降低的过程。其中稀释作用是一项重要的物理净化过程。河水中的悬浮固体，在重力作用下，逐渐沉降到河底，成为淤泥。而河流对溶解态污染物的稀释能力，是因为污染物进入河流后同时存在两种运动形式：一是由于受河水的推动而沿水流方向的运动，这种水流输运污染物的方式，称为推流；二是由于污染物质的进入，在水流中产生了浓度差异，污染物将由高浓度处向低浓度处迁移，这一污染物的运动形式称为扩散。污染物进入水体后正是在推流和扩散这两种同时存在而又相互影响的运动形式的作用下，才使得其浓度从排放口开始往下游逐渐降低，得以不断净化稀释。
2．化学净化过程
化学净化是指污染物进入水体后在化学（或物理化学）作用下而使其浓度降低的过程。水体中进行的化学或物理化学净化过程，包括氧化－还原、酸碱中和、沉淀－溶解、分解－化合、吸附－解吸、凝聚－胶溶等。例如，水体中的低价金属离子（如二价铁、二价锰等），可通过氧化作用生成难溶的高价金属氢氧化物而沉淀下来；六价铬可通过还原作用而转化为毒性较小的三价铬；水中的粘土矿物质及腐殖酸胶体颗粒，也可通过吸附、凝聚、沉降等作用转移至底泥中。
3．生物净化过程
生物净化是指在微生物的作用下，有机污染物逐渐分解、氧化使其含量逐渐降低的过程。进入水体的有机污染物的净化，主要有赖于生物化学过程。在这个过程中微生物消耗或吸收了水中的污染物，使得水体向净化的方向转变。造成这一转变的生物化学过程常被称作生物降解。生物降解是指在微生物作用下，有机化合物转化为低级有机物和简单无机物的过程。
生物降解分为好氧生物降解和厌氧生物降解。前者是指在溶解氧（氧分子）存在的条件下，
由好氧微生物完成的生物化学反应；后者是指在氧气不足或无氧气的情况下，由厌氧微生物完成的生物化学反应。有的微生物既能在有氧条件下进行生物化学反应，也能在无氧或缺氧条件下进行生物化学反应，称为兼性微生物。
从反应的结果看，好氧生物降解与厌氧生物降解的区别是，前者的产物是稳定的无机物(如
CO
2
、H
2
O等)，后者的产物则不完全是上述稳定的无机物，而是还包括甲烷、乙酸等有机物和
NH
3
等氧化不彻底的无机物。
在未受污染的水体中，水中都有一定浓度的溶解氧。但是，当水体受到有机物的污染后，水体中的微生物就会大量繁殖起来。由于好氧微生物比厌氧微生物生长快，所以好氧微生物首先发展壮大。当好氧微生物发展到一定数量，它们消耗水中溶解氧的速率有可能超过空气中的氧气向水中溶解的速率（称为复氧速率）。一旦如此，水中的溶解氧浓度就开始迅速下降，直到浓度降到接近零，使水体呈现无氧或缺氧状态。在缺氧或无氧状态下，好氧微生物的生长受到抑制，而厌氧微生物则大量繁殖起来，继承了大部分的自净工作。实际上，当一个水体受到较严重的有机污染时，水中的溶解氧是随水的深度变化的，表层水体的溶解氧较高，越往深处溶解氧越低，直至厌氧状态。因此，好氧微生物集中在水体的上部，阻止了从空气中补充进来的溶解氧向下层的一般情况下，在天然河流中，对于有机污染物的自净过程好氧生物降解起传递，从而维持下层水体的厌氧状态，使得厌氧微生物集中在水体的底部。
主要作用，生化过程中图7-1 河流净化的好氧分解过程消耗的溶解氧，可从大气及水生植物的光合作用中得到及时补充。图7-1给出了正常受污河段生物净化的好氧分解过程：首先，在水中溶解氧的参与下腐生细菌将可生化降解的胶态和溶解态的有机物分解为简单、稳定的无机物，如水、二氧化碳、氨氮和磷酸盐等，进而再在亚硝化细菌和硝化细菌的作用下，将氨氮相继转化为亚硝酸盐和硝酸盐。在这一过程中要消耗水中的溶解氧，当其浓度降低后，大气中的氧可通过气水界面向水体中扩散进行补充，微生物也在分解有机污染物的过程中不断增殖，促使好氧分解过程不断进行，直至污染物完全被分解，水体得以净化为止。
4．细菌的自然死亡过程
环境的变化（如基质减少、日光杀菌、水温及pH不适、化学毒物存在上看，又可以分成以下几类,
质向大气中的扩散，如河水中的染物质在河水中的稀释、扩散、氧化、还原，或由于水中微生物作
、污染物质被河底淤泥中的自净作用 由于底质中微生物的作用使底质中的有机污染物质发生分解等。
此可见，河流自净作用是包含着十分广泛的内容的，而在实际上这些作用又常相互交织在一起
、河流水体的自净规律
净过程，着重讨论河流水体的混合稀释模型和氧垂曲线模型。
,混合稀释模型
污染物在水体中因扩散而降低了浓度，稀释并不能改变，也不能去除污染物质存在两种运动形式，一是由于水流的推动而产生的沿着水流前进方向的运
(7-1)
式中 Q
1
—污
/m
3
。
污染物进入河流后，由于
、吞食细菌的原生动物存在等），使污水中带来的细菌、病原菌、病毒等逐渐死亡，从而使水体在一定程度上得到自然净化。
如从河流中形成自净作用的场所
（1）河水与大气间的自净作用 这种作用表现为水体中气态物
CO
2
、H
2
S等气体的释放。
（2）河水中的自净作用 污用而使污染物质发生生物化学分解，以及放射性污染物质的蜕变等等。
（3）河水与底质间的自净作用 这种作用表现为河水中悬浮物质的沉淀吸附等等。
（4）河流底质
由
，因此在具体研究工作中必然要有所偏重。目前在河流自净作用的研究上，多侧重于狭义的自净作用，即主要研究河水中的有机污染物质由于微生物而形成的生物化学分解作用。从自净作用产生的场所上看，目前则是以研究在水中发生的自净作用为主。
四对接受以生活污水为主的河流自
1
稀释作用的实质是
。但是对于特定水体的生态系统而言，当污染物浓度降低到一定程度后，其对该水生环境或从某种使用角度出发来考虑的水质的影响也就很小了，在一定程度上也就能够满足环境或人类的要求，也具有实际意义。
污染物质进入水体后，
动，称为推流或平流；另一是由于污染物质在水中浓度的差异而形成的污染物从高浓度处向低浓度处的迁移，这一运动被称为扩散。废水排入河流后，由于推流和扩散作用，逐渐与河水相混合，污染物的浓度逐渐降低。
推流运动可以式(7－1)表示
1
染物质的推流量，mg/(m
2
·s)；
Qvc=?
v—河流流速，m/s；
c—污染物质浓度，mg
由式(7-1)可见，河流流速越快，单位时间内通过单位面积输送的污染物质数量(污染物质推流量的表示式为,
)越多。
扩散运动
2
Qk
dx
=?
物质扩散量，mg/(m
2
·s)；
dc
（7-2）
式中 Q
2
－污染
dx
－单位长度上的浓度变化值，mg/(m
3
·m)，x －为扩散路程长度，由于x值增大时c
值相应减小，故
dc
扩散系数，m
2
/s。与河流的弯
dx
dc
为负值。
k —它曲程度、河床底部粗糙程度以及流速、水源等因素由式(7-2染物质的扩散量主要决定于水体中污染物质的浓度差及水体的扩散系数。
放口全混合所需的时间就越长，或者
(2)
(3) 跌水等都显然合的河道断面上，只有一部分河水参与了对废水的稀释。参与混合稀释有关。
)可见，污推流和扩散是两种同时存在而又相互影响的运动形式，其综合作用的结果是污染物浓度由排至水体下游逐渐减低，即发生了稀释。研究水体的稀释作用时必须注意到，废水排入水体后并不能与全部河水完全混合。影响混合的因素很多，主要有；
(1) (1) 废水流量与河水流量的比值。比值越大，达到完说必须通过较长的距离，才能使废水与整个河流断面上的河水达到完全均匀的混合。
(2) 废水排放口的形式。如废水在岸边集中一点排入水体，则达到完全混合所需的时间较长，如废水分散地排放至河流中央，则达到完全混合所需的时间较短。
(3) 河流的水文条件。如河流水深、流速、河床弯曲情况以及是否有急流、
会影响混合程度。
，在没有达到完全混的河水流量与河水总流量之比，称为混合系数,
Q
1
1
QQ
Q
α =≤
（7-3）
式中
α
—混合系数；
1
水流量，m
3
/s；
面及其下游断面上，混合系数
Q—参与混合的河
Q—河水总流量，m
3
/s。
在达到了完全混合的河流断
1α =
，而从废水排放口到完全混合断面的这段距离内，
1α <
。
当河道较为平直且无急局部流险滩时，混合系数也可以近似地用下式表示,
1
1
()L L
L
α =≤
(7-4)
式中 L
1
—废水排放口至计算
。
是参与混合的河水流量Q
1
与废水流量q之和与断面的距离，m；
L
L－废水排放口至完全混合断面的距离，m
废水被河水稀释的程度常用稀释倍数N表示，它
q的比值
1
Qq Qq
N
qq
α+ +
==
(7-5)
在实际工作中可根据具体情况来确定混合系数
α
的值。根据经验，流速为0.2～0.3m/s的河流，
α
可取为0.7～0.8；流速较低时，
α
可取为0.3～0.6；流速较高时，则可取为0.9左右；当废水排放口设计良好，如采用将排放口伸入水体并设置多个分散排放口时，可取
α
＝1。
考虑了稀释作用后，计算断面上污染物质的浓度可用下式求出
12
cq c Q
c
Qq
α
α
+
=
+
（7-6）
式中 c
l
—废水中污染物质的浓度，mg/L；
c
2
—废水排放前河水中该污染物质的浓度，mg/L；
当废水排放前河水中该污染物质的浓度为零时，上式可简化为
11
cq c
c
Qq Nα
==
+
(7-7)
2．河流的生化自净和氧垂曲线模型
有机污染物进入水体后在微生物作用下逐渐氧化分解为无机物质，从而使有机污染物的浓度大大减少的过程就是水体的生化自净作用。
生化自净作用需要消耗水中的溶解氧，所消耗的氧如得不到及时的补充，生化自净过程就要停止，水体水质就要恶化。因此，生化自净过程实际上包括了氧的消耗（耗氧）和氧的补充(复氧)两方面的作用。氧的消耗过程主要决定于排入水体的有机污染质的数量，也要考虑排入水体中氨氮的数量，以及废水中无机性还原物质(如SO
3
2-
)的数量。氧的补充和恢复一般有以下两个途径：①大气中的氧向含氧不足（低于饱和溶解氧）的水体扩散，使水体中的溶解氧增加；②水生植物在阳光照射下进行光合作用放出氧气。
水体中有机污染物的种类繁多，不同污染物的毒性和危害也各不相同，因此，不能仅用水体中某一种或几种有机污染物的浓度大小来评价水体的污染程度，为此，在前一章中提出可以用一些综合的水质指标，如生化需氧量BOD等来反映水体受有机物质污染的水平。BOD值越高，说明水中有机污染物越多。因此，水体中有机污染物的生化自净过程，可以用水体的BOD值随时间的衰减变化规律来反映。
若不考虑硝化作用、底泥的分解、水生植物的光合作用及有机物的沉降作用等，而将有机污染物的自净衰减过程简化为仅由好氧微生物参加的生化降解反应，并且认为这种反应符合一级反应动力学，那么
1
dL
kL
dt
=?
（7-8）
式中 一耗氧速率系数或自净系数，
1
k
1
d；
L一任一时间
t
的BOD浓度，
/mg L；
—衰减时间，。
t d
对河水中的溶解氧而言，可以认为只有BOD衰减反应消耗河水中的溶解氧，水中溶解氧减少速率与BOD衰减速率相同。溶解氧的消耗，使河水处于亏氧状态（即溶解氧含量低于饱和溶解氧的状态），这时河流将从水面上的大气中获得氧气，此即复氧过程。复氧速率与水中亏氧的程度成正比。定义亏氧量
s x
DO O=?
，其中
s
O
和
O
分别为水体可达到的饱和溶解氧浓度和实际溶解氧浓度。于是有,
x
,2
2
x
dO
kD
dt
=
（7-9）
式中 一复氧系数，
d；
2
k
1?
,2x
O
一复氧量，
m /g L；
t
一复氧时间，。
d
废水排入水体后，耗氧和复氧是同时进行的。因此，受污河水中溶解氧的变化速率应为复氧速率和耗氧速率的代数和，即
21
x
dO
kD kL
dt
=?
（7-10）
由于
()
xsx
dO d O O dD
dt dt dt
=? =?
则式(7-10)可改写为
12
x
dO
kL kD
dt
=?
（7-11）
图7-2给出了河流接受有机废水后，从受污点至下游各断面的累积耗氧量曲线、累积复氧量曲线和亏氧变化曲线（氧垂曲线）。受污染前，河水中的溶解氧几乎饱和，亏氧接近于零。在受到污染后，开始时河水中的有机物大量增加，好氧分解剧烈，耗氧速率超过复氧速率，河水中的溶解氧下降，亏氧量增加。随着有机物因分解而减少，耗氧速率逐渐减慢，终于等于复氧速率，
河水中的溶解氧达到最低点（相当于图7-2中氧垂曲线的最缺氧点，即临界点）。接着，耗氧速率低于复氧速率，河水溶解氧逐渐回升。最后，河水溶解氧恢复或接近饱和状态。当有机物污染程度超过河流的自净能力时，河流将出现无氧河段，这时开始厌氧分解，河水出现黑色，产生臭气，河流的氧垂曲线发生中断现象。
氧垂曲线的形状会因排放的有机污染物量、废水和河水的流量、河道的弯曲情况、水流速度等因素而有一定的差别，例如当河流受到的污染负荷较轻时，最缺氧点距排放口的距离较远，其时的溶解氧浓度也较高；当河流受到的污染负荷较重时，最缺氧点将很快出现，该点的溶解氧浓度也会很低。当溶解氧低于4mg/L时，河道中局部地段的鱼类生长将受到影响，当溶解氧达到零时，河水出现厌氧状态。这种情况下的氧垂曲线将是一条被横坐标切断的曲线，有时甚至不可能再通过复氧作用而重新出现溶解氧。这是最严重的水污染状况，此时的水体不仅将鱼虾绝迹，也将丧失一切使用功能。
图7-2 耗氧、复氧累积过程和氧垂曲线
假设废水排入河流后，在受污点河水与废水达到完全混合，受污河段的BOD和DO(溶解氧)
在整个河流断面上都是均匀分布的，求解方程（7-11），即得到受污河段的亏氧方程或称氧垂曲线方程（即
Streeter phelps?
方程）
[]
1
12
21
exp( ) exp( ) exp( )
o
o
kl
DktktD
kk
=+
2
kt?
)
h
（7-11）
()/(
opphhp
DDQDQQQ=+ +
式中 一一受污点混合水的起始亏氧量，
m
o
D
/g L；
D——从受污点流经
t
时间后的亏氧量，
m /g L；
o
L
——受污点混合水的起始，
BOD
/mg L
。
利用方程（7-11），即可求出受污点下游任一断面河水的亏氧量。在该式中，若令
0
dD
dt
=
，
可以得到
22
21 1 1
1
ln (1 )
o
c
o
Dkk
t
kk k L k
=
（7-12）
c
t
是受污点至氧垂曲线最缺氧点（称为临界点）的流经时间。再根据河水流速，即可求得受污点至临界点的距离
c
x
（称为临界距离）。
在受污点完全混合的假定下，求解方程（7-8），即得受污河段BOD浓度方程
1
exp( )
o
LL kt=?
（7-13）
()/(
opphhp
)
h
L LQ LQ Q Q=+ +
式中
p
L
——所排废水中的，
BOD
/mg L；
L一一从受污点流经
t
时间后之，
BOD
/mg L；
——衰减时间，。
t d
直接利用式（7-13），即可求出充分混合河段任一断面的浓度。
BOD
耗氧速率系数与河流的流量、水温、河宽、水深及河水水质等因素有关，据美国的统计资料（）的数值范围为0.08～4.24
1
k
1
k
20 C
° 1
d
。通常，当数据缺乏时，对正常流速的大河流
（）可取0.3。
1
k
20 C
° 1
d
复氧系数
k
与风力、水温、流速、水深等因素有关。一般来说，在流速
u
时，可取（
20
）=0.2
2 0.5 /m< s
2
k
C
° 1
d；如果是急流，
k
（）值可达0.5
2 20 C
° 1
d
，有时甚至可高达10
d
1?
。
式（7-11）和式（7-13）是计算河流有机污染与生化自净最常用的公式，但在使用时应注意以下几点,
（1）仅适用于可生物降解的溶解性污染物的计算，所用和值必须与水温相适应；
1
k
2
k
（2）仅适用于河流断面变化不大，藻类等水生植物、沉降和硝化作用等影响可以忽略的河段。
（3）仅适用于废水与河水在受污点已完全混合的场合（如设置有分散式排放口），否则需考虑废水与河水的混合系数。
（4）如沿河有几个排放口，则可根据实际情况简化合并为一个排放口或者逐段计算。
3．水体中细菌的衰亡
水体中细菌的衰亡也是一种重要的自净作用，当水体受到有机物的污染时，水中细菌数量会大量增加，但如果污染物负荷没有超过水体的自净能力，就可以观察到细菌数量逐渐减少的现象。
促使水中细菌数量减少的主要作用有：①水体的生物净化作用使水中有机物量日渐减少，细菌将因缺少食物和能源而逐渐衰亡；②水体中生长的纤毛类原生动物、浮游动物等不断吞食细菌，使细菌数量减少；③其他作用，如日光的杀菌作用、对细菌生长不利的温度、pH值等因素均可使细菌数量减少。
通常，生活污水或与生活污水性质相近的工业废水排人河流后，在12～24h内流过的距离是细菌污染最严重的地带，以后细菌数量就会逐渐减少。如没有新的污染，三四天后细菌的数目就将少于细菌最大量的10％。
当污染负荷超过了水体的自净能力时，就会出现细菌污染严重的长距离河段。细菌污染的严重程度一般与有机污染的严重程度是相应的。
图7-3反映了受污染河道内微生物物种和数量的沿程变化情况。由图可见，此类河道可以分为五个区。I区位于污水排放口上游，水质清洁，溶解氧饱和，生物物种多，可发现鱼类包括观赏鱼类；Ⅱ区位于污水排放口附近，水质浑浊，有污泥下沉或上浮现象，溶解氧减少至饱和溶解氧量的40％，鱼类和绿藻减少，蓝绿藻蔓生，底泥中出现颤蚓虫等蠕虫；Ⅲ区为污染严重地区，
水质变灰发黑，出现浮渣，溶解氧降至40％饱和度以下甚至零，有腐败性气体如硫化氢等产生，
厌氧细菌大量繁殖，微生物物种减少，藻类减少，鱼虾死亡，蚊蝇孳生；Ⅳ区水质逐渐恢复，溶解氧逐渐回升，出现真菌、浮游动物，藻类增加，底栖生物中可见颤蚓、贻贝等介壳类以及昆虫的幼虫，一般鱼类复生；V区水质变清，生物物种恢复到污水排放口上游的状态，表明水体对有机污染物的自净作用已经完成。
图7-3 微生物物种和数量沿河道长度的变化
五、水环境容量
水体所具有的自净能力就是水环境接纳一定量污染物的能力。一定水体所能容纳污染物的最大负荷被称为水环境容量。正确认识和利用水环境容量对水污染控制有重要的意义。
水环境容量与水体的用途和功能有十分密切的关系。如前所述，我国地面水环境质量标准中按照水体的用途和功能将水体分为五类，每类水体规定有不同的水质目标。显然，水体的功能愈强，对其要求的水质目标也愈高，其水环境容量必将减小。反之，当水体的水质目标不甚严格时，
水环境容量可能会大一些。
当然，水体本身的特性，如河宽、河深、流量、流速、以及其天然水质、水文特征等，对水环境容量的影响很大。污染物的特性，包括扩散性、降解性等，也都影响水环境容量。一般，污染物的物理化学性质越稳定，其环境容量越小；耗氧性有机物的水环境容量比难降解有机物的水环境容量大得多；而重金属污染物的水环境容量则甚微。
水体对某种污染物质的水环境容量可用下式表示,
()
SB
WVc c P=?+
（7-14）
式中 W—某地面水体对某污染物的水环境容量，kg；
V—该地面水体的体积，m
3；
c
s
—地面水中某污染物的环境标准(水质目标)，mg/L；
c
B
－地面水中某污染物的环境背景值，mg/L；
P－地面水对该污染物的自净能力，kg。
第三节 湖泊（水库）的污染与自净
湖泊是被陆地围着的大片地面水体，而水库多是由河道筑坝而成的人工湖泊。它们的水域广阔，贮水量大，具有提供水源、水产养殖、水上运输、观光游览、防洪灌溉及蓄水发电等多种功效。
一、湖泊（水库）水体的特征
与河流相比，通常湖泊（水库）水流迟缓，更新期比河流长得多，这有利于悬浮物的沉降和降低浑浊度，但水流不易混合。湖泊水体较深，易出现水质成分分布的不均一性，尤其深水湖或容量大的湖泊更为显著。
水生生物因素对湖水氧平衡、富营养化污染进程等的影响较河流大。受热条件好、矿化度小的湖泊中生物活动繁盛，往往成为水质动态变化的最重要因素之一；而对大湖或矿化度高的湖泊，
生物作用减弱甚至消失。
1,湖水的分层作用与翻腾
空气温度改变会引起水温改变，而水温的变化会造成湖水密度的不同，于是在温带几乎所有的湖泊在夏天会发生分层现象而秋天会发生翻腾。此外，在寒冷气候下的湖泊中也会发生冬天分层与春天翻腾的现象。这种物理现象的发生与水质无关，然而却影响水质。
夏天湖泊表面的水被阳光直接加热，也被暖空气间接加热，水的密度比冷水低，因此温水多停留在水面上，直到由于风力、波浪或其他作用力使其向下混合。由于这样的紊流仅延伸至水面下一定距离，因而形成混合良好的温水表水层浮于混合不良的冷水下水层之上的分层现象。表水层由于混合良好而处于好氧状态，下水层溶解氧较低可能为厌氧状态。表水层深度与湖泊大小有关，在小湖可能仅lm而在大湖可深至20m或更深。表水层深度也与春天的暴雨活动有关。在春天表水层正在形成，暴雨会使温水混合至较深处。表水层一旦形成，湖泊分层会相当稳定，只有非常强的暴雨才可能打破它。事实上，在夏天接近时，表水层持续变暖而稳定度不断增加，此时下水层温度会保持相当稳定。
秋天温度下降，表水层开始冷却，当它的密度比下水层高时，表水便开始下沉，于是发生翻腾现象。下水层的水因而升至表面，在表面被冷却后而下沉。此时湖泊中发生完全混合作用。如果气候寒冷，当温度达4℃时，翻腾现象即停止，因为4℃是水的密度最高时的温度。表水进一步冷冻时，由于表层水的密度会小于深层处4℃水的密度，于是产生冬天分层现象。当春天来临，
湖水开始变暖，湖泊又开始翻腾而完全混合。因此，在温带湖泊中每年至少有一次分层与翻腾现象发生。
2,生物层
由于不同水深处接受阳光辐照量和溶氧浓度的不同，可在湖泊中形成几个不同的生物活性层。最重要的是透光层、沿岸层与湖底层。
（1）透光层
阳光可以穿透的上层区域称为透光层，所有植物生长均在此层。较深处的重要植物为藻类，
而有根植物则生长在浅水靠岸处。透光层的深度取决于干扰透光的浊度。虽然在某些湖泊中悬浮的泥土也会大量降低透光，但在大部分湖泊中，浊度主要源于藻类的生长。在透光层，植物光合作用所产生的氧比其呼吸作用用去的多。
（2）沿岸层
有根植物生长的浅水沿岸区域称为沿岸层。沿岸层的范围取决于湖底的坡度和透光层的深度，其深度不会超过透光层。
（3）湖底层
底部沉积物组成湖底层。当湖泊生物死亡时，会沉积至该层并被分解，细菌可存在于此层。
至于蠕虫、昆虫、甲壳类动物等较高等生物是否存在，则依具氧是否存在而定。
二、湖泊的污染及其特点
湖泊（水库）规模的大小不仅影响其水量调节性能，而且也影响水质的污染与自净。人类活动对湖泊污染的途径主要有：（1）受污染的河水、渠水流入湖泊；（2）工业废水、生活污水直接排入湖泊；（3）农田施肥、施药后的排水及降雨径流流入湖泊。
引起湖泊污染的污染物种类繁多，而且污染负荷往往比较集中，这对于相对静止和稳定的湖水来说，可能会引起局部严重污染的状况，如富营养化污染、重金属污染物在底泥和水生生物中的积累、底泥的厌氧分解等。
富营养化是湖泊分类和演化学的一个概念，它指的是当湖泊水中的N、P等植物营养物（如氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、尿素、磷酸盐）的浓度超过一定数值时，引起湖泊生态系统发生恶性循环的现象。
地面天然水体中的总氮和总磷含量一般都较低，因而湖泊生态系统的生产能力被限制在一个较低的水平。然而，当大量含有氮、磷的污水进入一个湖泊时会大大提高湖水中氮和磷的浓度，
充足的氮、磷供应造成湖泊中的主要生产者藻类的快速生长，藻类的死亡则为湖泊微生物提供了充足的养料，它们也因而大量繁殖并快速消耗水中的溶解氧。由于微生物集中于底泥之中，结果造成水的底层缺氧。随着这种情况的继续，缺氧层的厚度越来越大，从而把好氧微生物的活动范围更加限制在表层，直到最后，只有水面薄薄的一层还有藻类生长，其他需氧生物统统死亡。藻类生长会进一步限制阳光的入射深度和氧气补充速度，更加剧了这一过程。最后系统终于崩溃，
藻类也由于缺氧而开始大量死亡，形成“赤潮”。这样的生态循环过程是湖泊富营养化的主要标志。造成这种情况的因素，除了植物营养物太多以外，还有湖泊的水力条件──水流缓慢、阳光照射造成水温的垂直分布从而阻碍水的垂直混合等等。到了富营养化阶段，湖泊就进入了老化阶段，开始走向消亡－湖底逐渐升高，以至于变成沼泽，最后变为陆地。水污染对湖泊的危害就在于使水中的植物营养物过快积累起来，使得湖泊提前进入富营养化阶段，加快它的消亡过程。
湖泊水流速度小，水体容量及深度大，水流的混合作用及大气的复氧作用较弱，因而湖泊受到污染后，自净恢复的速度缓慢，污染持续期较长，一些难分解、易积累的有机污染物和重金属可长时间存在于湖泊中，使受污染湖泊的恢复治理十分困难。因此，对湖泊水体的污染防治，要根据其使用功能，作好水污染综合防治规划，严格控制污染物排放总量，优化组合工业布局与废水处理设施，合理利用湖泊的自净容量，使湖泊保持良好的环境质量。
三、湖泊（水库）的自净规律
1,完全混合扩散模式
持久性污染物进入湖泊水库后，同水体发生混合扩散，达到稀释净化的目的。对于小型的湖泊水库，当穿越的河流流量和排入的废水量一定、浓度分布均匀时，则可写出如下物料平衡方程式,
()
opp h
dc
VWcQQ
dt
=+?c
（7-15）
或
op
h
WcQ
Qdc
c
dt V V
p
+
+=
式中 一湖泊水库中污染物的浓度，
c
/mg L；
t
一废水排入混合时间，；
s
V
—湖泊水库的有效容积，
m；
3
o
W
一河流带入的污染物量，
/g s；
p
c
一废水的浓度，
/mg L；
—废水排放量，；
p
Q
3
/ms
—排出湖泊的河水流量或排入湖泊的总水量，。
h
Q
3
/ms
设时，湖泊中该污染物浓度为，则求解式（7-15）可得
0t = h
c
()
1 exp( ) exp( )
(/)
opp
hh
h
h
WcQ
QQ
ct
VQ V V V
+
=+
t?
( )exp( )
opp opp
h
h
hh
WcQ WcQ
Q
cc
QQ
++
=+t
V
/
h
（7-16）
当时，则可求得达到平衡时的浓度为
t →∞
()
opp
cWcQQ
∞
=+
（7-17）
据此可以估算出废水排放到湖泊或水库后的污染影响。但是，这种完全混合的假设不能用于水流速度很小的大湖泊。对于大湖，由于湖水稳定，废水在入流过程中可形成相当厚、相当大的近岸环流污水场。此外，由于随水深增大温度随之降低，从而使密度提高，这样在夏季到来时，上层水因被晒暖而密度降低，从而出现垂直分层现象，干扰了废水与湖水的充分混合。对于这些不同的混合扩散状况，可选用相应的计算模式。
2,混合衰减模型
非持久性污染物进入湖泊(水库)后，既有混合稀释作用，又有生物、化学、物理因素的共同作用而使水体得以自净。
对于小型湖泊水库，可采用完全混合衰减模型计算排入废水
t
时间后的湖水浓度
c
，即
( )exp( )
opp opp
hh
hh
WcQ WcQ
cc
VK VK
++
=+Kt
k
（7-18）
式中 。
1
(/)
hh
KQV=+
当，达平衡时的湖水浓度为
t →∞
op
h
WcQ
c
VK
∞
+
=
p
（7-19）
对于无风的大湖泊，可采用推流衰减模式计算距排污口r处的弧面浓度
c
,
r
21
exp( )
2
rp
p
kH
cc r c
Q
h
φ
=? +
（7-20）
式中
φ
一废水入湖的扩散角度，平直岸边排放时
φ
等于
π
，湖中心排放时
φ
等于
2π；
H —废水的扩散深度；
h
c
一湖水中污染物的现状浓度。
第四节 海洋的污染与自净
一、海洋水体的特征
海洋覆盖了地球表面的71%，它是地表溶质径流的最终归宿，并通过亿万年的海面蒸发浓缩，使之聚积了所有风化壳中的化学元素，因此海水中的盐分很高，达35
/g L
，并仍呈增长趋势。
海洋面积辽阔又拥有巨量的海水，使得海洋生态系统的各因素（海水水质、海洋生物、海底沉积物等）都具有很高的稳定性。从生态学的观点来看，海洋是能够在较长时期中保持稳定状态的最大的自然环境。
海水中化学物质的平衡关系主要取决于陆地溶质径流及生物沉积作用，后者在近海沿岸及海湾水域特别强烈，其对氮、磷化合物的影响尤为显著；而在河口地区，海水中电解质对河水中悬浮物及有机质的凝聚沉淀作用则有重要影响。
二、海洋污染现状及特点
海洋污染是指由于人类的活动改变了海洋的原来状态，使人类和生物在海洋中的活动受到不利的影响。虽然海洋是地球上一个稳定的生态系统，然而由于近年来社会经济和科学技术的飞速发展，人类各种活动的规模非常宏大，向海洋中排放的各种废弃物和给沿岸海域带来的影响越来越巨大，污染物已扩散到全部海洋，海洋污染已成为当今全球型的环境问题。
人类活动产生的污染物进人海洋的途径有三种：（1）陆上和地面水体的污染物通过河川流入大海；（2进入大气中的污染物，通过降雨或与海洋表面的接触进入海洋；（3）污染物直接向海中排放、投弃或泄漏。
目前世界上的海洋污染状况，就海域来看，最严重的是波罗的海、地中海、日本的獭户内海、
东京湾、墨西哥湾等。在这些海域里，海洋生物大量减少，鱼贝类濒于绝迹。我国近海海域近年来的污染状况也在日益严重，其中又以渤海的污染最甚。
海洋污染的特点如下,
(1) (1) 污染源广。人类活动产生的废物，不管是扩散到大气中，丢弃在陆地上还是排放到河流里，由于风吹、雨淋、江河径流等作用，最后都可能进入海洋，因此，有人称海洋为一切污染物的“垃圾桶”。
(2) (2) 持续性强。海洋年复一年地接受来自大气和陆地的污染物质，成为它们的最终归宿。一些不易分解的物质长期在海洋中蓄积，并且随着时间的推移，越积越多。如DDT进入海洋经10～50年后，才能分解掉50%。
(3) (3) 扩散范围大。废水排入海洋后，在潮流（海水的涨潮与落潮）和其它涡流的作用下与海水逐渐混合起来，并随着洋流的运动由低纬度流向高纬度和由深层流向赤道的，最终扩散到很远的海域去。例如，从南极企鹅身体中检验出了DDT的存在，足见其在海洋中扩散的范围之大。
(4) (4) 控制复杂。海洋污染的上述三个特点决定了海洋污染控制的复杂性。要防止和消除海洋污染，需要进行长期的监测和综合研究，加强对污染源的管理，以防为主，以管促治。
三、海洋污染的自净规律
陆地废水排入海洋是通过河口、海湾或近海实现的，排放方式、排放位置、当地的气候、水文地理情况、废水和海水水质、流量、流速等都会影响到污染物的自净过程。下面就分别对不同排放方式下的自净规律进行简单的介绍。
1,河口排污的自净
河口是河流与海洋的汇合处。河流通常为淡水，含盐量低，但有时含有较高浓度的泥沙；而海水含盐量高，并在潮汐作用下，近岸海水的湍动较为强烈。因此，在河口处两种水体相遇后往往会产生复杂的水流分层，使入海河段得到相当可观的横向混合，流速、流向、水深、盐度等因素经常发生变化。同时，河口的地质、水文、气象条件（风向、风速、气温等）的差异悬殊，底栖生物、浮游生物及底质的状况也各异，这些都使河口排污的自净规律变得错综复杂，很难建立起理论模型。对此通常是根据河口的具体情况，收集资料和进行现场测试，取得潮周期、涨潮流速、落潮流速、潮水范围、盐度、水温、扩散系数等的相关参数值，然后建立特定的水质自净模式进行预测。
2,近海排污的自净
通常废水向海洋或近海的排放是经过浸没在海底的排放管的上升扩散洞射入海洋。废水自排放管进入海洋后，使污染物浓度降低的净化作用有三个：①起始稀释；②扩散稀释；③有机物降解及微生物衰减死亡。
（1）起始稀释
它是指在废水排出时的动量和浮力作用下所造成的与周围海水的混合稀释。通常排入大海的废水温度较高，因此其密度一般比海水轻，废水进入大海后，就受到浮力的作用而向海洋表面运动。
由于废水与周围海水的盐度、密度（由于温度差异）不同，二者最初混合稀释所形成的废水场（即废水的分布状况）有两种情形,
①若海水自身在深度上是不分层的（温度和密度），那么，在浮力作用下废水会一边扩散稀释一边上升，一直上升到海洋表面，在海水表面处达到最大程度的稀释，这时的废水场就称之为表面场；
图7-4 近海排污时的废水场
(a)不分层的海洋 (b) 分层的海洋
②若海水自身是分层的（尤其在夏天），废水进入水体后，受浮力作用开始上升，当浮升到某高度，其密度与该处海水密度相等并大于其上方海水的密度后，就不再有浮动上升，这时废水的最大稀释是在该深度处达到，所形成的废水场称之为浸场（见图7-4）。
起始稀释是海水的主要净化作用，对于中等强度的海流，其起始稀释度可由下式估算
1
/
x
DhluQ=
p
（7-21）
式中 —起始稀释度（或起始稀释比），
1
D
11
/
p
Dcc=；
h
—废水场的平均高度，；
m
l
一废水排放管的长度，；
m
x
u
一海水的流速，；
/ms
p
Q
—废水流量，；
3
/ms
p
c
一废水的浓度，
/mg L；
1
c
一起始稀释后的污染物浓度，
/mg L
。
（2）扩散稀释
在起始稀释之后，形成了一股均匀的废水与海水的混合水。此后，这一废水场由于海流作用而移动，其外沿与海水不断产生紊流混合和推流混合，并形成羽状废水场，这种稀释称为扩散稀释，可用提出的羽状废水场模型来描述，其稀释比由下式计算,
Brooks
2
3
1
1.5
2
1(/)
3
D
erf
xlβ
=
+
1
（7-22）
式中 一起始稀释后，反映涡流作用的稀释比，
2
D
1
2
2
c
D
c
=；
β
一中间变量（无量纲）
12 /
x
Eulβ =；
E一扩散系数，
44/3
4.53 10E l
=×
，；
/ms
x
一羽状废水场中心线长度，。
m
羽状废水场的宽度
b
可用下式估算
3/2
2
(1 )
3
x
bl
l
=+?
（7-23）
（3）有机物降解及微生物衰减死亡
废水中有机物在海水中的降解，包括化学作用、絮凝沉降作用以及微生物作用下的生化降解作用；而排放废水中微生物的衰减自净，包括死亡及絮凝沉降作用。一般认为，微生物的衰减符合一级反应动力学，即
exp( )
to
cc kt=?
（7-24）
式中 —起始稀释后的细菌数，个；
o
c
/ L
—时间为
t
时的细菌数，个；
t
c
/ L
—衰减稀释时间，；
t h
—细菌综合衰减系数，。
k
1
h
通常可用大肠杆菌数量降低90%所需的时间
T
表征某海域对微生物（细菌）的衰减净化能力。影响
T
的主要因素为水温、pH值、含盐量、原生动物及各种微生物的存在状况等。据研究，
为2～6小时。
90
90
90
T
3,海湾水体的自净
污染物排入海湾后，主要在扩散作用下与海水混合得到稀释。此后，接纳了污染物的湾内海水与外海海水的交换稀释主要是通过海水的潮汐作用引起的往复流来实现。涨潮时，外海海水拥入海湾，与湾内海水发生强烈的混合稀释作用，水中污染物浓度下降，到最高潮位时海湾内的污染物达到最低浓度；退潮时，湾内海水开始向外海迁移、扩散，一部分污染物就随湾内海水流入外海。就这样随着潮涨潮落，湾内污染水体不断被外海海水置换稀释，污染物就被不断搬运出海湾，从而使海湾水体得到了净化。
复习思考题
1,河流、湖泊的水质特征是什么？并叙述各自的污染特点？
2,河流的自净机理有哪些？
3,何谓氧垂曲线?
4,海洋污染的特点是什么？
5,近海排污的自净规律是什么？
第一节 水体自净
水体是地面水（河流、湖泊、沼泽、水库）、地下水和海洋的总称。它不仅仅指水，还包括水中的溶解物、悬浮物、水生生物和底泥等，是一个完整的生态系统。在环境污染研究中，“水”
和“水体”是两个不相同的概念，应当区别开来。例如，重金属污染物易于从水中转移到底泥里，
水中的重金属含量一般都不高，若着眼于水，似乎水污染并不严重，但是从整个水体看，污染就可能很严重。可见，水体污染不仅仅是水污染，还包括底泥污染和水生生物污染。
水体具有消纳一定量的污染物质，使自身的质量保持洁净的能力，人们常常称之为水体的自净。水体的自净过程十分复杂，它包括了物理过程，如稀释、扩散、挥发、沉淀等；化学和物理化学过程，如氧化、还原、吸附、凝聚、中和等反应；以及生物和生物化学过程，如微生物对有机物的分解代谢，不同生物群体的相互作用等。这几种过程互相交织在一起，可以使进入水体的污染物质迁移、转化，使水体水质得到改善。
水体不同，自净能力也不同。一旦进入水体的污染物造成了该水体中某些物质（特别是对生物有毒性的或造成水体水质恶化的物质）超过了水体的本底值或水体的自净能力，而使得该水体部分或全部失去了它的功能或用途，那么水污染就发生了。
地球上的各类水体有其自身的形态特征及环境条件，影响着水中化学物质的组成及污染物质的迁移转化，使各类水体的污染与自净各具特点。以下将分别介绍几种对典型水体的污染及自净机理。
第二节 河流的污染与自净
河流是地面水系的主体，与人类的关系十分密切。它是人类主要的水源，除了为人类提供生产和生活用水外，河流的功能还包括：航运、灌溉、补给地下水、水产养殖、观赏以及作为地表径流和废水的最终受纳体。
一、河流的水质特征
与湖泊、海洋相比，河流的水量和水质随季节的变化较大，水体更新期短，水质随枯水期和丰水期的不断交替，更新也快。水质遭受污染后，易于稀释扩散和自净。此外，由于水流与地表物质接触时间不长，水面蒸发面小，因此与其它陆地水体相比河水矿化度较低。
天然河水的化学成分受到降水、地形、地质、水生生物以及水流补给源等多方面因素的控制，
河水不仅与地表水及大气水之间有交换过程，而且与地下水也相互关联，因此河水的化学成分复杂多样，沿程变化及时间变化强烈。
河流不仅是人类社会主要的供给水源，也是人类活动频繁的场所，它被污染的机会多，几乎各种污染源中的污染物，通过各种途径都可进入河流，并向下游汇集。而它一旦遭受污染就会严重影响到人类生活和工农业生产。
二、河流的污染及其特点
地面河流与大气、土壤（或岩石圈）紧密相连，又与人类的生活、生产直接相关，其污染物质来源于：大量生活污水和工业废水的直接排放；地表径流将地表上的污染物质大量携带进河水中；大气中的污染物质随降雨而进入河流；水上航运过程中的油脂泄漏等。
随着城市化和工业化的进程，河流作为废水最主要和直接的受纳体的负担日益加重，导致了严重的河流污染。
历史上城市废水对河流、湖泊等水体的污染大致经历了三个时期,
（1）病原污染期 在工业尚不发达时，城市废水主要是生活污水，富含有机质、微生物污染物等，以此作为饮用水源，则由于病原菌的存在很容易导致传染病的流行，这个时期的污染就称为病原污染期。例如，横贯英国的泰晤士河在19世纪之前，还是河水清澈，碧波荡漾，水中鱼虾成群，河面飞鸟翱翔。但随着工业革命的兴起及两岸人口的激增，每天排放的大量生活污水和工业废水使泰晤士河迅速变得污浊不堪，水质严重恶化。到上世纪50年代末，泰晤士河的污染进一步恶化，水中的含氧量几乎等于零，除少数鳝鱼外，其它鱼类几乎绝迹。美丽的泰晤士河变成—条死河，肮脏的河水还成为沿岸疾病流行的祸首，从1849年到1954年，滨河地区约有
25000人死于霍乱。
（2）总体污染期 随着工业规模的不断扩大和快速发展，排入地面水体中的工业废水的比重不断增加，造成河、湖水中的悬浮物及生化需氧量越来越高，使水体中溶解氧耗尽，水生生物灭绝，生态平衡被破坏，达到总体污染的程度，这个时期可称为总体污染期。
（3）新污染期 工业生产和科学技术的进一步发展，特别是石油、化工、核能等新型工业的出现，生产中排放出的新污染物质和毒物不断增多，水质更趋复杂，这就是所谓新污染期。
目前一些发达国家正处于新污染期。
发达国家在20世纪50年代就进入了河湖严重污染的总体污染期。他们经过二十多年的努力，
治理了一些严重污染的河流湖泊，基本上控制了以有机物为主的水污染。而许多发展中国家，目前水体污染的状况仍很严重，一些国家甚至还处于病原污染期，直接威胁着人们的身体健康。
近些年来，随着我国国民经济的快速发展、城市人口的迅速增加，以及农业生产中农药化肥的大量使用以及乡镇企业规模的不断扩大，对地面河流的污染日益严重。根据我国1998年对全国109700公里河流进行的评价，我国河流长度有70.6%被污染，其中有机污染是一个不可忽视的因素。
相对于其它水体的污染来说，河流的污染易于发生，但也比较容易自净恢复；河流的污染途径多，污染物种类复杂，但耗氧有机物的污染最具普遍性。同时，河流可能穿逾不同的社会环境和自然地理环境，使不同河段的纳污状况和自净能力有明显差异。因此，对河流的污染和自净规律必须按不同河段进行研究。
三、河流水体的自净机理
河流的自净作用是指河水中的污染物浓度在随河水向下游流动过程中在多种机理的作用下自然降低的过程。废水中污染物种类繁多，进入河流后消除的机理也是多种多样的。
从净化机制来看，污染物自行消除的过程可分为以下几类,
1．物理净化过程
物理净化是指由于稀释、扩散、沉淀等作用而使河水中的污染物浓度降低的过程。其中稀释作用是一项重要的物理净化过程。河水中的悬浮固体，在重力作用下，逐渐沉降到河底，成为淤泥。而河流对溶解态污染物的稀释能力，是因为污染物进入河流后同时存在两种运动形式：一是由于受河水的推动而沿水流方向的运动，这种水流输运污染物的方式，称为推流；二是由于污染物质的进入，在水流中产生了浓度差异，污染物将由高浓度处向低浓度处迁移，这一污染物的运动形式称为扩散。污染物进入水体后正是在推流和扩散这两种同时存在而又相互影响的运动形式的作用下，才使得其浓度从排放口开始往下游逐渐降低，得以不断净化稀释。
2．化学净化过程
化学净化是指污染物进入水体后在化学（或物理化学）作用下而使其浓度降低的过程。水体中进行的化学或物理化学净化过程，包括氧化－还原、酸碱中和、沉淀－溶解、分解－化合、吸附－解吸、凝聚－胶溶等。例如，水体中的低价金属离子（如二价铁、二价锰等），可通过氧化作用生成难溶的高价金属氢氧化物而沉淀下来；六价铬可通过还原作用而转化为毒性较小的三价铬；水中的粘土矿物质及腐殖酸胶体颗粒，也可通过吸附、凝聚、沉降等作用转移至底泥中。
3．生物净化过程
生物净化是指在微生物的作用下，有机污染物逐渐分解、氧化使其含量逐渐降低的过程。进入水体的有机污染物的净化，主要有赖于生物化学过程。在这个过程中微生物消耗或吸收了水中的污染物，使得水体向净化的方向转变。造成这一转变的生物化学过程常被称作生物降解。生物降解是指在微生物作用下，有机化合物转化为低级有机物和简单无机物的过程。
生物降解分为好氧生物降解和厌氧生物降解。前者是指在溶解氧（氧分子）存在的条件下，
由好氧微生物完成的生物化学反应；后者是指在氧气不足或无氧气的情况下，由厌氧微生物完成的生物化学反应。有的微生物既能在有氧条件下进行生物化学反应，也能在无氧或缺氧条件下进行生物化学反应，称为兼性微生物。
从反应的结果看，好氧生物降解与厌氧生物降解的区别是，前者的产物是稳定的无机物(如
CO
2
、H
2
O等)，后者的产物则不完全是上述稳定的无机物，而是还包括甲烷、乙酸等有机物和
NH
3
等氧化不彻底的无机物。
在未受污染的水体中，水中都有一定浓度的溶解氧。但是，当水体受到有机物的污染后，水体中的微生物就会大量繁殖起来。由于好氧微生物比厌氧微生物生长快，所以好氧微生物首先发展壮大。当好氧微生物发展到一定数量，它们消耗水中溶解氧的速率有可能超过空气中的氧气向水中溶解的速率（称为复氧速率）。一旦如此，水中的溶解氧浓度就开始迅速下降，直到浓度降到接近零，使水体呈现无氧或缺氧状态。在缺氧或无氧状态下，好氧微生物的生长受到抑制，而厌氧微生物则大量繁殖起来，继承了大部分的自净工作。实际上，当一个水体受到较严重的有机污染时，水中的溶解氧是随水的深度变化的，表层水体的溶解氧较高，越往深处溶解氧越低，直至厌氧状态。因此，好氧微生物集中在水体的上部，阻止了从空气中补充进来的溶解氧向下层的一般情况下，在天然河流中，对于有机污染物的自净过程好氧生物降解起传递，从而维持下层水体的厌氧状态，使得厌氧微生物集中在水体的底部。
主要作用，生化过程中图7-1 河流净化的好氧分解过程消耗的溶解氧，可从大气及水生植物的光合作用中得到及时补充。图7-1给出了正常受污河段生物净化的好氧分解过程：首先，在水中溶解氧的参与下腐生细菌将可生化降解的胶态和溶解态的有机物分解为简单、稳定的无机物，如水、二氧化碳、氨氮和磷酸盐等，进而再在亚硝化细菌和硝化细菌的作用下，将氨氮相继转化为亚硝酸盐和硝酸盐。在这一过程中要消耗水中的溶解氧，当其浓度降低后，大气中的氧可通过气水界面向水体中扩散进行补充，微生物也在分解有机污染物的过程中不断增殖，促使好氧分解过程不断进行，直至污染物完全被分解，水体得以净化为止。
4．细菌的自然死亡过程
环境的变化（如基质减少、日光杀菌、水温及pH不适、化学毒物存在上看，又可以分成以下几类,
质向大气中的扩散，如河水中的染物质在河水中的稀释、扩散、氧化、还原，或由于水中微生物作
、污染物质被河底淤泥中的自净作用 由于底质中微生物的作用使底质中的有机污染物质发生分解等。
此可见，河流自净作用是包含着十分广泛的内容的，而在实际上这些作用又常相互交织在一起
、河流水体的自净规律
净过程，着重讨论河流水体的混合稀释模型和氧垂曲线模型。
,混合稀释模型
污染物在水体中因扩散而降低了浓度，稀释并不能改变，也不能去除污染物质存在两种运动形式，一是由于水流的推动而产生的沿着水流前进方向的运
(7-1)
式中 Q
1
—污
/m
3
。
污染物进入河流后，由于
、吞食细菌的原生动物存在等），使污水中带来的细菌、病原菌、病毒等逐渐死亡，从而使水体在一定程度上得到自然净化。
如从河流中形成自净作用的场所
（1）河水与大气间的自净作用 这种作用表现为水体中气态物
CO
2
、H
2
S等气体的释放。
（2）河水中的自净作用 污用而使污染物质发生生物化学分解，以及放射性污染物质的蜕变等等。
（3）河水与底质间的自净作用 这种作用表现为河水中悬浮物质的沉淀吸附等等。
（4）河流底质
由
，因此在具体研究工作中必然要有所偏重。目前在河流自净作用的研究上，多侧重于狭义的自净作用，即主要研究河水中的有机污染物质由于微生物而形成的生物化学分解作用。从自净作用产生的场所上看，目前则是以研究在水中发生的自净作用为主。
四对接受以生活污水为主的河流自
1
稀释作用的实质是
。但是对于特定水体的生态系统而言，当污染物浓度降低到一定程度后，其对该水生环境或从某种使用角度出发来考虑的水质的影响也就很小了，在一定程度上也就能够满足环境或人类的要求，也具有实际意义。
污染物质进入水体后，
动，称为推流或平流；另一是由于污染物质在水中浓度的差异而形成的污染物从高浓度处向低浓度处的迁移，这一运动被称为扩散。废水排入河流后，由于推流和扩散作用，逐渐与河水相混合，污染物的浓度逐渐降低。
推流运动可以式(7－1)表示
1
染物质的推流量，mg/(m
2
·s)；
Qvc=?
v—河流流速，m/s；
c—污染物质浓度，mg
由式(7-1)可见，河流流速越快，单位时间内通过单位面积输送的污染物质数量(污染物质推流量的表示式为,
)越多。
扩散运动
2
Qk
dx
=?
物质扩散量，mg/(m
2
·s)；
dc
（7-2）
式中 Q
2
－污染
dx
－单位长度上的浓度变化值，mg/(m
3
·m)，x －为扩散路程长度，由于x值增大时c
值相应减小，故
dc
扩散系数，m
2
/s。与河流的弯
dx
dc
为负值。
k —它曲程度、河床底部粗糙程度以及流速、水源等因素由式(7-2染物质的扩散量主要决定于水体中污染物质的浓度差及水体的扩散系数。
放口全混合所需的时间就越长，或者
(2)
(3) 跌水等都显然合的河道断面上，只有一部分河水参与了对废水的稀释。参与混合稀释有关。
)可见，污推流和扩散是两种同时存在而又相互影响的运动形式，其综合作用的结果是污染物浓度由排至水体下游逐渐减低，即发生了稀释。研究水体的稀释作用时必须注意到，废水排入水体后并不能与全部河水完全混合。影响混合的因素很多，主要有；
(1) (1) 废水流量与河水流量的比值。比值越大，达到完说必须通过较长的距离，才能使废水与整个河流断面上的河水达到完全均匀的混合。
(2) 废水排放口的形式。如废水在岸边集中一点排入水体，则达到完全混合所需的时间较长，如废水分散地排放至河流中央，则达到完全混合所需的时间较短。
(3) 河流的水文条件。如河流水深、流速、河床弯曲情况以及是否有急流、
会影响混合程度。
，在没有达到完全混的河水流量与河水总流量之比，称为混合系数,
Q
1
1
Q
α =≤
（7-3）
式中
α
—混合系数；
1
水流量，m
3
/s；
面及其下游断面上，混合系数
Q—参与混合的河
Q—河水总流量，m
3
/s。
在达到了完全混合的河流断
1α =
，而从废水排放口到完全混合断面的这段距离内，
1α <
。
当河道较为平直且无急局部流险滩时，混合系数也可以近似地用下式表示,
1
1
()L L
L
α =≤
(7-4)
式中 L
1
—废水排放口至计算
。
是参与混合的河水流量Q
1
与废水流量q之和与断面的距离，m；
L
L－废水排放口至完全混合断面的距离，m
废水被河水稀释的程度常用稀释倍数N表示，它
q的比值
1
Qq Qq
N
α+ +
==
(7-5)
在实际工作中可根据具体情况来确定混合系数
α
的值。根据经验，流速为0.2～0.3m/s的河流，
α
可取为0.7～0.8；流速较低时，
α
可取为0.3～0.6；流速较高时，则可取为0.9左右；当废水排放口设计良好，如采用将排放口伸入水体并设置多个分散排放口时，可取
α
＝1。
考虑了稀释作用后，计算断面上污染物质的浓度可用下式求出
12
cq c Q
c
α
α
+
=
+
（7-6）
式中 c
l
—废水中污染物质的浓度，mg/L；
c
2
—废水排放前河水中该污染物质的浓度，mg/L；
当废水排放前河水中该污染物质的浓度为零时，上式可简化为
11
cq c
c
Qq Nα
==
+
(7-7)
2．河流的生化自净和氧垂曲线模型
有机污染物进入水体后在微生物作用下逐渐氧化分解为无机物质，从而使有机污染物的浓度大大减少的过程就是水体的生化自净作用。
生化自净作用需要消耗水中的溶解氧，所消耗的氧如得不到及时的补充，生化自净过程就要停止，水体水质就要恶化。因此，生化自净过程实际上包括了氧的消耗（耗氧）和氧的补充(复氧)两方面的作用。氧的消耗过程主要决定于排入水体的有机污染质的数量，也要考虑排入水体中氨氮的数量，以及废水中无机性还原物质(如SO
3
2-
)的数量。氧的补充和恢复一般有以下两个途径：①大气中的氧向含氧不足（低于饱和溶解氧）的水体扩散，使水体中的溶解氧增加；②水生植物在阳光照射下进行光合作用放出氧气。
水体中有机污染物的种类繁多，不同污染物的毒性和危害也各不相同，因此，不能仅用水体中某一种或几种有机污染物的浓度大小来评价水体的污染程度，为此，在前一章中提出可以用一些综合的水质指标，如生化需氧量BOD等来反映水体受有机物质污染的水平。BOD值越高，说明水中有机污染物越多。因此，水体中有机污染物的生化自净过程，可以用水体的BOD值随时间的衰减变化规律来反映。
若不考虑硝化作用、底泥的分解、水生植物的光合作用及有机物的沉降作用等，而将有机污染物的自净衰减过程简化为仅由好氧微生物参加的生化降解反应，并且认为这种反应符合一级反应动力学，那么
1
dL
kL
dt
=?
（7-8）
式中 一耗氧速率系数或自净系数，
1
k
1
d；
L一任一时间
t
的BOD浓度，
/mg L；
—衰减时间，。
t d
对河水中的溶解氧而言，可以认为只有BOD衰减反应消耗河水中的溶解氧，水中溶解氧减少速率与BOD衰减速率相同。溶解氧的消耗，使河水处于亏氧状态（即溶解氧含量低于饱和溶解氧的状态），这时河流将从水面上的大气中获得氧气，此即复氧过程。复氧速率与水中亏氧的程度成正比。定义亏氧量
s x
DO O=?
，其中
s
O
和
O
分别为水体可达到的饱和溶解氧浓度和实际溶解氧浓度。于是有,
x
,2
2
x
dO
kD
dt
=
（7-9）
式中 一复氧系数，
d；
2
k
1?
,2x
O
一复氧量，
m /g L；
t
一复氧时间，。
d
废水排入水体后，耗氧和复氧是同时进行的。因此，受污河水中溶解氧的变化速率应为复氧速率和耗氧速率的代数和，即
21
x
dO
kD kL
dt
=?
（7-10）
由于
()
xsx
dO d O O dD
dt dt dt
=? =?
则式(7-10)可改写为
12
x
dO
kL kD
dt
=?
（7-11）
图7-2给出了河流接受有机废水后，从受污点至下游各断面的累积耗氧量曲线、累积复氧量曲线和亏氧变化曲线（氧垂曲线）。受污染前，河水中的溶解氧几乎饱和，亏氧接近于零。在受到污染后，开始时河水中的有机物大量增加，好氧分解剧烈，耗氧速率超过复氧速率，河水中的溶解氧下降，亏氧量增加。随着有机物因分解而减少，耗氧速率逐渐减慢，终于等于复氧速率，
河水中的溶解氧达到最低点（相当于图7-2中氧垂曲线的最缺氧点，即临界点）。接着，耗氧速率低于复氧速率，河水溶解氧逐渐回升。最后，河水溶解氧恢复或接近饱和状态。当有机物污染程度超过河流的自净能力时，河流将出现无氧河段，这时开始厌氧分解，河水出现黑色，产生臭气，河流的氧垂曲线发生中断现象。
氧垂曲线的形状会因排放的有机污染物量、废水和河水的流量、河道的弯曲情况、水流速度等因素而有一定的差别，例如当河流受到的污染负荷较轻时，最缺氧点距排放口的距离较远，其时的溶解氧浓度也较高；当河流受到的污染负荷较重时，最缺氧点将很快出现，该点的溶解氧浓度也会很低。当溶解氧低于4mg/L时，河道中局部地段的鱼类生长将受到影响，当溶解氧达到零时，河水出现厌氧状态。这种情况下的氧垂曲线将是一条被横坐标切断的曲线，有时甚至不可能再通过复氧作用而重新出现溶解氧。这是最严重的水污染状况，此时的水体不仅将鱼虾绝迹，也将丧失一切使用功能。
图7-2 耗氧、复氧累积过程和氧垂曲线
假设废水排入河流后，在受污点河水与废水达到完全混合，受污河段的BOD和DO(溶解氧)
在整个河流断面上都是均匀分布的，求解方程（7-11），即得到受污河段的亏氧方程或称氧垂曲线方程（即
Streeter phelps?
方程）
[]
1
12
21
exp( ) exp( ) exp( )
o
o
kl
DktktD
kk
=+
2
kt?
)
h
（7-11）
()/(
opphhp
DDQDQQQ=+ +
式中 一一受污点混合水的起始亏氧量，
m
o
D
/g L；
D——从受污点流经
t
时间后的亏氧量，
m /g L；
o
L
——受污点混合水的起始，
BOD
/mg L
。
利用方程（7-11），即可求出受污点下游任一断面河水的亏氧量。在该式中，若令
0
dD
dt
=
，
可以得到
22
21 1 1
1
ln (1 )
o
c
o
Dkk
t
kk k L k
=
（7-12）
c
t
是受污点至氧垂曲线最缺氧点（称为临界点）的流经时间。再根据河水流速，即可求得受污点至临界点的距离
c
x
（称为临界距离）。
在受污点完全混合的假定下，求解方程（7-8），即得受污河段BOD浓度方程
1
exp( )
o
LL kt=?
（7-13）
()/(
opphhp
)
h
L LQ LQ Q Q=+ +
式中
p
L
——所排废水中的，
BOD
/mg L；
L一一从受污点流经
t
时间后之，
BOD
/mg L；
——衰减时间，。
t d
直接利用式（7-13），即可求出充分混合河段任一断面的浓度。
BOD
耗氧速率系数与河流的流量、水温、河宽、水深及河水水质等因素有关，据美国的统计资料（）的数值范围为0.08～4.24
1
k
1
k
20 C
° 1
d
。通常，当数据缺乏时，对正常流速的大河流
（）可取0.3。
1
k
20 C
° 1
d
复氧系数
k
与风力、水温、流速、水深等因素有关。一般来说，在流速
u
时，可取（
20
）=0.2
2 0.5 /m< s
2
k
C
° 1
d；如果是急流，
k
（）值可达0.5
2 20 C
° 1
d
，有时甚至可高达10
d
1?
。
式（7-11）和式（7-13）是计算河流有机污染与生化自净最常用的公式，但在使用时应注意以下几点,
（1）仅适用于可生物降解的溶解性污染物的计算，所用和值必须与水温相适应；
1
k
2
k
（2）仅适用于河流断面变化不大，藻类等水生植物、沉降和硝化作用等影响可以忽略的河段。
（3）仅适用于废水与河水在受污点已完全混合的场合（如设置有分散式排放口），否则需考虑废水与河水的混合系数。
（4）如沿河有几个排放口，则可根据实际情况简化合并为一个排放口或者逐段计算。
3．水体中细菌的衰亡
水体中细菌的衰亡也是一种重要的自净作用，当水体受到有机物的污染时，水中细菌数量会大量增加，但如果污染物负荷没有超过水体的自净能力，就可以观察到细菌数量逐渐减少的现象。
促使水中细菌数量减少的主要作用有：①水体的生物净化作用使水中有机物量日渐减少，细菌将因缺少食物和能源而逐渐衰亡；②水体中生长的纤毛类原生动物、浮游动物等不断吞食细菌，使细菌数量减少；③其他作用，如日光的杀菌作用、对细菌生长不利的温度、pH值等因素均可使细菌数量减少。
通常，生活污水或与生活污水性质相近的工业废水排人河流后，在12～24h内流过的距离是细菌污染最严重的地带，以后细菌数量就会逐渐减少。如没有新的污染，三四天后细菌的数目就将少于细菌最大量的10％。
当污染负荷超过了水体的自净能力时，就会出现细菌污染严重的长距离河段。细菌污染的严重程度一般与有机污染的严重程度是相应的。
图7-3反映了受污染河道内微生物物种和数量的沿程变化情况。由图可见，此类河道可以分为五个区。I区位于污水排放口上游，水质清洁，溶解氧饱和，生物物种多，可发现鱼类包括观赏鱼类；Ⅱ区位于污水排放口附近，水质浑浊，有污泥下沉或上浮现象，溶解氧减少至饱和溶解氧量的40％，鱼类和绿藻减少，蓝绿藻蔓生，底泥中出现颤蚓虫等蠕虫；Ⅲ区为污染严重地区，
水质变灰发黑，出现浮渣，溶解氧降至40％饱和度以下甚至零，有腐败性气体如硫化氢等产生，
厌氧细菌大量繁殖，微生物物种减少，藻类减少，鱼虾死亡，蚊蝇孳生；Ⅳ区水质逐渐恢复，溶解氧逐渐回升，出现真菌、浮游动物，藻类增加，底栖生物中可见颤蚓、贻贝等介壳类以及昆虫的幼虫，一般鱼类复生；V区水质变清，生物物种恢复到污水排放口上游的状态，表明水体对有机污染物的自净作用已经完成。
图7-3 微生物物种和数量沿河道长度的变化
五、水环境容量
水体所具有的自净能力就是水环境接纳一定量污染物的能力。一定水体所能容纳污染物的最大负荷被称为水环境容量。正确认识和利用水环境容量对水污染控制有重要的意义。
水环境容量与水体的用途和功能有十分密切的关系。如前所述，我国地面水环境质量标准中按照水体的用途和功能将水体分为五类，每类水体规定有不同的水质目标。显然，水体的功能愈强，对其要求的水质目标也愈高，其水环境容量必将减小。反之，当水体的水质目标不甚严格时，
水环境容量可能会大一些。
当然，水体本身的特性，如河宽、河深、流量、流速、以及其天然水质、水文特征等，对水环境容量的影响很大。污染物的特性，包括扩散性、降解性等，也都影响水环境容量。一般，污染物的物理化学性质越稳定，其环境容量越小；耗氧性有机物的水环境容量比难降解有机物的水环境容量大得多；而重金属污染物的水环境容量则甚微。
水体对某种污染物质的水环境容量可用下式表示,
()
SB
WVc c P=?+
（7-14）
式中 W—某地面水体对某污染物的水环境容量，kg；
V—该地面水体的体积，m
3；
c
s
—地面水中某污染物的环境标准(水质目标)，mg/L；
c
B
－地面水中某污染物的环境背景值，mg/L；
P－地面水对该污染物的自净能力，kg。
第三节 湖泊（水库）的污染与自净
湖泊是被陆地围着的大片地面水体，而水库多是由河道筑坝而成的人工湖泊。它们的水域广阔，贮水量大，具有提供水源、水产养殖、水上运输、观光游览、防洪灌溉及蓄水发电等多种功效。
一、湖泊（水库）水体的特征
与河流相比，通常湖泊（水库）水流迟缓，更新期比河流长得多，这有利于悬浮物的沉降和降低浑浊度，但水流不易混合。湖泊水体较深，易出现水质成分分布的不均一性，尤其深水湖或容量大的湖泊更为显著。
水生生物因素对湖水氧平衡、富营养化污染进程等的影响较河流大。受热条件好、矿化度小的湖泊中生物活动繁盛，往往成为水质动态变化的最重要因素之一；而对大湖或矿化度高的湖泊，
生物作用减弱甚至消失。
1,湖水的分层作用与翻腾
空气温度改变会引起水温改变，而水温的变化会造成湖水密度的不同，于是在温带几乎所有的湖泊在夏天会发生分层现象而秋天会发生翻腾。此外，在寒冷气候下的湖泊中也会发生冬天分层与春天翻腾的现象。这种物理现象的发生与水质无关，然而却影响水质。
夏天湖泊表面的水被阳光直接加热，也被暖空气间接加热，水的密度比冷水低，因此温水多停留在水面上，直到由于风力、波浪或其他作用力使其向下混合。由于这样的紊流仅延伸至水面下一定距离，因而形成混合良好的温水表水层浮于混合不良的冷水下水层之上的分层现象。表水层由于混合良好而处于好氧状态，下水层溶解氧较低可能为厌氧状态。表水层深度与湖泊大小有关，在小湖可能仅lm而在大湖可深至20m或更深。表水层深度也与春天的暴雨活动有关。在春天表水层正在形成，暴雨会使温水混合至较深处。表水层一旦形成，湖泊分层会相当稳定，只有非常强的暴雨才可能打破它。事实上，在夏天接近时，表水层持续变暖而稳定度不断增加，此时下水层温度会保持相当稳定。
秋天温度下降，表水层开始冷却，当它的密度比下水层高时，表水便开始下沉，于是发生翻腾现象。下水层的水因而升至表面，在表面被冷却后而下沉。此时湖泊中发生完全混合作用。如果气候寒冷，当温度达4℃时，翻腾现象即停止，因为4℃是水的密度最高时的温度。表水进一步冷冻时，由于表层水的密度会小于深层处4℃水的密度，于是产生冬天分层现象。当春天来临，
湖水开始变暖，湖泊又开始翻腾而完全混合。因此，在温带湖泊中每年至少有一次分层与翻腾现象发生。
2,生物层
由于不同水深处接受阳光辐照量和溶氧浓度的不同，可在湖泊中形成几个不同的生物活性层。最重要的是透光层、沿岸层与湖底层。
（1）透光层
阳光可以穿透的上层区域称为透光层，所有植物生长均在此层。较深处的重要植物为藻类，
而有根植物则生长在浅水靠岸处。透光层的深度取决于干扰透光的浊度。虽然在某些湖泊中悬浮的泥土也会大量降低透光，但在大部分湖泊中，浊度主要源于藻类的生长。在透光层，植物光合作用所产生的氧比其呼吸作用用去的多。
（2）沿岸层
有根植物生长的浅水沿岸区域称为沿岸层。沿岸层的范围取决于湖底的坡度和透光层的深度，其深度不会超过透光层。
（3）湖底层
底部沉积物组成湖底层。当湖泊生物死亡时，会沉积至该层并被分解，细菌可存在于此层。
至于蠕虫、昆虫、甲壳类动物等较高等生物是否存在，则依具氧是否存在而定。
二、湖泊的污染及其特点
湖泊（水库）规模的大小不仅影响其水量调节性能，而且也影响水质的污染与自净。人类活动对湖泊污染的途径主要有：（1）受污染的河水、渠水流入湖泊；（2）工业废水、生活污水直接排入湖泊；（3）农田施肥、施药后的排水及降雨径流流入湖泊。
引起湖泊污染的污染物种类繁多，而且污染负荷往往比较集中，这对于相对静止和稳定的湖水来说，可能会引起局部严重污染的状况，如富营养化污染、重金属污染物在底泥和水生生物中的积累、底泥的厌氧分解等。
富营养化是湖泊分类和演化学的一个概念，它指的是当湖泊水中的N、P等植物营养物（如氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、尿素、磷酸盐）的浓度超过一定数值时，引起湖泊生态系统发生恶性循环的现象。
地面天然水体中的总氮和总磷含量一般都较低，因而湖泊生态系统的生产能力被限制在一个较低的水平。然而，当大量含有氮、磷的污水进入一个湖泊时会大大提高湖水中氮和磷的浓度，
充足的氮、磷供应造成湖泊中的主要生产者藻类的快速生长，藻类的死亡则为湖泊微生物提供了充足的养料，它们也因而大量繁殖并快速消耗水中的溶解氧。由于微生物集中于底泥之中，结果造成水的底层缺氧。随着这种情况的继续，缺氧层的厚度越来越大，从而把好氧微生物的活动范围更加限制在表层，直到最后，只有水面薄薄的一层还有藻类生长，其他需氧生物统统死亡。藻类生长会进一步限制阳光的入射深度和氧气补充速度，更加剧了这一过程。最后系统终于崩溃，
藻类也由于缺氧而开始大量死亡，形成“赤潮”。这样的生态循环过程是湖泊富营养化的主要标志。造成这种情况的因素，除了植物营养物太多以外，还有湖泊的水力条件──水流缓慢、阳光照射造成水温的垂直分布从而阻碍水的垂直混合等等。到了富营养化阶段，湖泊就进入了老化阶段，开始走向消亡－湖底逐渐升高，以至于变成沼泽，最后变为陆地。水污染对湖泊的危害就在于使水中的植物营养物过快积累起来，使得湖泊提前进入富营养化阶段，加快它的消亡过程。
湖泊水流速度小，水体容量及深度大，水流的混合作用及大气的复氧作用较弱，因而湖泊受到污染后，自净恢复的速度缓慢，污染持续期较长，一些难分解、易积累的有机污染物和重金属可长时间存在于湖泊中，使受污染湖泊的恢复治理十分困难。因此，对湖泊水体的污染防治，要根据其使用功能，作好水污染综合防治规划，严格控制污染物排放总量，优化组合工业布局与废水处理设施，合理利用湖泊的自净容量，使湖泊保持良好的环境质量。
三、湖泊（水库）的自净规律
1,完全混合扩散模式
持久性污染物进入湖泊水库后，同水体发生混合扩散，达到稀释净化的目的。对于小型的湖泊水库，当穿越的河流流量和排入的废水量一定、浓度分布均匀时，则可写出如下物料平衡方程式,
()
opp h
dc
VWcQQ
dt
=+?c
（7-15）
或
op
h
WcQ
Qdc
c
dt V V
p
+
+=
式中 一湖泊水库中污染物的浓度，
c
/mg L；
t
一废水排入混合时间，；
s
V
—湖泊水库的有效容积，
m；
3
o
W
一河流带入的污染物量，
/g s；
p
c
一废水的浓度，
/mg L；
—废水排放量，；
p
Q
3
/ms
—排出湖泊的河水流量或排入湖泊的总水量，。
h
Q
3
/ms
设时，湖泊中该污染物浓度为，则求解式（7-15）可得
0t = h
c
()
1 exp( ) exp( )
(/)
opp
hh
h
h
WcQ
ct
VQ V V V
+
=+
t?
( )exp( )
opp opp
h
h
hh
WcQ WcQ
Q
cc
++
=+t
V
/
h
（7-16）
当时，则可求得达到平衡时的浓度为
t →∞
()
opp
cWcQQ
∞
=+
（7-17）
据此可以估算出废水排放到湖泊或水库后的污染影响。但是，这种完全混合的假设不能用于水流速度很小的大湖泊。对于大湖，由于湖水稳定，废水在入流过程中可形成相当厚、相当大的近岸环流污水场。此外，由于随水深增大温度随之降低，从而使密度提高，这样在夏季到来时，上层水因被晒暖而密度降低，从而出现垂直分层现象，干扰了废水与湖水的充分混合。对于这些不同的混合扩散状况，可选用相应的计算模式。
2,混合衰减模型
非持久性污染物进入湖泊(水库)后，既有混合稀释作用，又有生物、化学、物理因素的共同作用而使水体得以自净。
对于小型湖泊水库，可采用完全混合衰减模型计算排入废水
t
时间后的湖水浓度
c
，即
( )exp( )
opp opp
hh
hh
WcQ WcQ
cc
VK VK
++
=+Kt
k
（7-18）
式中 。
1
(/)
hh
KQV=+
当，达平衡时的湖水浓度为
t →∞
op
h
WcQ
c
VK
∞
+
=
p
（7-19）
对于无风的大湖泊，可采用推流衰减模式计算距排污口r处的弧面浓度
c
,
r
21
exp( )
2
rp
p
kH
cc r c
Q
h
φ
=? +
（7-20）
式中
φ
一废水入湖的扩散角度，平直岸边排放时
φ
等于
π
，湖中心排放时
φ
等于
2π；
H —废水的扩散深度；
h
c
一湖水中污染物的现状浓度。
第四节 海洋的污染与自净
一、海洋水体的特征
海洋覆盖了地球表面的71%，它是地表溶质径流的最终归宿，并通过亿万年的海面蒸发浓缩，使之聚积了所有风化壳中的化学元素，因此海水中的盐分很高，达35
/g L
，并仍呈增长趋势。
海洋面积辽阔又拥有巨量的海水，使得海洋生态系统的各因素（海水水质、海洋生物、海底沉积物等）都具有很高的稳定性。从生态学的观点来看，海洋是能够在较长时期中保持稳定状态的最大的自然环境。
海水中化学物质的平衡关系主要取决于陆地溶质径流及生物沉积作用，后者在近海沿岸及海湾水域特别强烈，其对氮、磷化合物的影响尤为显著；而在河口地区，海水中电解质对河水中悬浮物及有机质的凝聚沉淀作用则有重要影响。
二、海洋污染现状及特点
海洋污染是指由于人类的活动改变了海洋的原来状态，使人类和生物在海洋中的活动受到不利的影响。虽然海洋是地球上一个稳定的生态系统，然而由于近年来社会经济和科学技术的飞速发展，人类各种活动的规模非常宏大，向海洋中排放的各种废弃物和给沿岸海域带来的影响越来越巨大，污染物已扩散到全部海洋，海洋污染已成为当今全球型的环境问题。
人类活动产生的污染物进人海洋的途径有三种：（1）陆上和地面水体的污染物通过河川流入大海；（2进入大气中的污染物，通过降雨或与海洋表面的接触进入海洋；（3）污染物直接向海中排放、投弃或泄漏。
目前世界上的海洋污染状况，就海域来看，最严重的是波罗的海、地中海、日本的獭户内海、
东京湾、墨西哥湾等。在这些海域里，海洋生物大量减少，鱼贝类濒于绝迹。我国近海海域近年来的污染状况也在日益严重，其中又以渤海的污染最甚。
海洋污染的特点如下,
(1) (1) 污染源广。人类活动产生的废物，不管是扩散到大气中，丢弃在陆地上还是排放到河流里，由于风吹、雨淋、江河径流等作用，最后都可能进入海洋，因此，有人称海洋为一切污染物的“垃圾桶”。
(2) (2) 持续性强。海洋年复一年地接受来自大气和陆地的污染物质，成为它们的最终归宿。一些不易分解的物质长期在海洋中蓄积，并且随着时间的推移，越积越多。如DDT进入海洋经10～50年后，才能分解掉50%。
(3) (3) 扩散范围大。废水排入海洋后，在潮流（海水的涨潮与落潮）和其它涡流的作用下与海水逐渐混合起来，并随着洋流的运动由低纬度流向高纬度和由深层流向赤道的，最终扩散到很远的海域去。例如，从南极企鹅身体中检验出了DDT的存在，足见其在海洋中扩散的范围之大。
(4) (4) 控制复杂。海洋污染的上述三个特点决定了海洋污染控制的复杂性。要防止和消除海洋污染，需要进行长期的监测和综合研究，加强对污染源的管理，以防为主，以管促治。
三、海洋污染的自净规律
陆地废水排入海洋是通过河口、海湾或近海实现的，排放方式、排放位置、当地的气候、水文地理情况、废水和海水水质、流量、流速等都会影响到污染物的自净过程。下面就分别对不同排放方式下的自净规律进行简单的介绍。
1,河口排污的自净
河口是河流与海洋的汇合处。河流通常为淡水，含盐量低，但有时含有较高浓度的泥沙；而海水含盐量高，并在潮汐作用下，近岸海水的湍动较为强烈。因此，在河口处两种水体相遇后往往会产生复杂的水流分层，使入海河段得到相当可观的横向混合，流速、流向、水深、盐度等因素经常发生变化。同时，河口的地质、水文、气象条件（风向、风速、气温等）的差异悬殊，底栖生物、浮游生物及底质的状况也各异，这些都使河口排污的自净规律变得错综复杂，很难建立起理论模型。对此通常是根据河口的具体情况，收集资料和进行现场测试，取得潮周期、涨潮流速、落潮流速、潮水范围、盐度、水温、扩散系数等的相关参数值，然后建立特定的水质自净模式进行预测。
2,近海排污的自净
通常废水向海洋或近海的排放是经过浸没在海底的排放管的上升扩散洞射入海洋。废水自排放管进入海洋后，使污染物浓度降低的净化作用有三个：①起始稀释；②扩散稀释；③有机物降解及微生物衰减死亡。
（1）起始稀释
它是指在废水排出时的动量和浮力作用下所造成的与周围海水的混合稀释。通常排入大海的废水温度较高，因此其密度一般比海水轻，废水进入大海后，就受到浮力的作用而向海洋表面运动。
由于废水与周围海水的盐度、密度（由于温度差异）不同，二者最初混合稀释所形成的废水场（即废水的分布状况）有两种情形,
①若海水自身在深度上是不分层的（温度和密度），那么，在浮力作用下废水会一边扩散稀释一边上升，一直上升到海洋表面，在海水表面处达到最大程度的稀释，这时的废水场就称之为表面场；
图7-4 近海排污时的废水场
(a)不分层的海洋 (b) 分层的海洋
②若海水自身是分层的（尤其在夏天），废水进入水体后，受浮力作用开始上升，当浮升到某高度，其密度与该处海水密度相等并大于其上方海水的密度后，就不再有浮动上升，这时废水的最大稀释是在该深度处达到，所形成的废水场称之为浸场（见图7-4）。
起始稀释是海水的主要净化作用，对于中等强度的海流，其起始稀释度可由下式估算
1
/
x
DhluQ=
p
（7-21）
式中 —起始稀释度（或起始稀释比），
1
D
11
/
p
Dcc=；
h
—废水场的平均高度，；
m
l
一废水排放管的长度，；
m
x
u
一海水的流速，；
/ms
p
Q
—废水流量，；
3
/ms
p
c
一废水的浓度，
/mg L；
1
c
一起始稀释后的污染物浓度，
/mg L
。
（2）扩散稀释
在起始稀释之后，形成了一股均匀的废水与海水的混合水。此后，这一废水场由于海流作用而移动，其外沿与海水不断产生紊流混合和推流混合，并形成羽状废水场，这种稀释称为扩散稀释，可用提出的羽状废水场模型来描述，其稀释比由下式计算,
Brooks
2
3
1
1.5
2
1(/)
3
D
erf
xlβ
=
+
1
（7-22）
式中 一起始稀释后，反映涡流作用的稀释比，
2
D
1
2
2
c
D
c
=；
β
一中间变量（无量纲）
12 /
x
Eulβ =；
E一扩散系数，
44/3
4.53 10E l
=×
，；
/ms
x
一羽状废水场中心线长度，。
m
羽状废水场的宽度
b
可用下式估算
3/2
2
(1 )
3
x
bl
l
=+?
（7-23）
（3）有机物降解及微生物衰减死亡
废水中有机物在海水中的降解，包括化学作用、絮凝沉降作用以及微生物作用下的生化降解作用；而排放废水中微生物的衰减自净，包括死亡及絮凝沉降作用。一般认为，微生物的衰减符合一级反应动力学，即
exp( )
to
cc kt=?
（7-24）
式中 —起始稀释后的细菌数，个；
o
c
/ L
—时间为
t
时的细菌数，个；
t
c
/ L
—衰减稀释时间，；
t h
—细菌综合衰减系数，。
k
1
h
通常可用大肠杆菌数量降低90%所需的时间
T
表征某海域对微生物（细菌）的衰减净化能力。影响
T
的主要因素为水温、pH值、含盐量、原生动物及各种微生物的存在状况等。据研究，
为2～6小时。
90
90
90
T
3,海湾水体的自净
污染物排入海湾后，主要在扩散作用下与海水混合得到稀释。此后，接纳了污染物的湾内海水与外海海水的交换稀释主要是通过海水的潮汐作用引起的往复流来实现。涨潮时，外海海水拥入海湾，与湾内海水发生强烈的混合稀释作用，水中污染物浓度下降，到最高潮位时海湾内的污染物达到最低浓度；退潮时，湾内海水开始向外海迁移、扩散，一部分污染物就随湾内海水流入外海。就这样随着潮涨潮落，湾内污染水体不断被外海海水置换稀释，污染物就被不断搬运出海湾，从而使海湾水体得到了净化。
复习思考题
1,河流、湖泊的水质特征是什么？并叙述各自的污染特点？
2,河流的自净机理有哪些？
3,何谓氧垂曲线?
4,海洋污染的特点是什么？
5,近海排污的自净规律是什么？
