第五章 大气污染扩散 ? 第一节大气结构与气象 有效地防止大气污染的途径，除了采用除尘及废气净化装置等各种工程技术手段外，还需充分利用大气的湍流混合作用对污染物的扩散稀释能力，即大气的自净能力。污染物从污染源排放到大气中的扩散过程及其危害程度，主要决定于气象因素，此外还与污染物的特征和排放特性，以及排放区的地形地貌状况有关。下面简要介绍大气结构以及气象条件的一些基本概念。 ? 一、大气的结构 气象学中的大气是指地球引力作用下包围地球的空气层，其最外层的界限难以确定。通常把自地面至1200 km左右范围内的空气层称做大气圈或大气层，而空气总质量的98．2％集中在距离地球表面30 km以下。超过1200 km的范围，由于空气极其稀薄，一般视为宇宙空间。 自然状态的大气由多种气体的混合物、水蒸气和悬浮微粒组成。其中，纯净干空气中的氧气、氮气和氩气三种主要成分的总和占空气体积的99.97％，它们之间的比例从地面直到90km高空基本不变，为大气的恒定的组分；二氧化碳由于燃料燃烧和动物的呼吸，陆地的含量比海上多，臭氧主要集中在55～60km高空，水蒸气含量在4％以下，在极地或沙漠区的体积分数接近于零，这些为大气的可变的组分；而来源于人类社会生产和火山爆发、森林火灾、海啸、地震等暂时性的灾害排放的煤烟、粉尘、氯化氢、硫化氢、硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物为大气的不定的组分。 大气的结构是指垂直（即竖直）方向上大气的密度、温度及其组成的分布状况。根据大气温度在垂直方向上的分布规律，可将大气划分为四层：对流层、平流层、中间层和暖层，如图5－1所示。 1. 对流层 对流层是大气圈最靠近地面的一层，集中了大气质量的75％和几乎全部的水蒸气、微尘杂质。受太阳辐射与大气环流的影响，对流层中空气的湍流运动和垂直方向混合比较强烈，主要的天气现象云雨风雪等都发生在这一层，有可能形成污染物易于扩散的气象条件，也可能生成对环境产生有危害的逆温气象条件。因此，该层对大气污染物的扩散、输送和转化影响最大。 大气对流层的厚度不恒定，随地球纬度增高而降低，且与季节的变化有关，赤道附近约为15km,中纬度地区约为10～12 km，两极地区约为8km；同一地区，夏季比冬季厚。一般情况下，对流层中的气温沿垂直高度自下而上递减，约每升高100m平均降低0．65℃。 从地面向上至1～1.5 km高度范围内的对流层称为大气边界层，该层空气流动受地表影响最大。由于气流受地面阻滞和摩擦作用的的影响，风速随高度的增加而增大，因此又称为摩擦层。地表面冷热的变化使气温在昼夜之间有明显的差异，可相差十几乃至几十度。由于从地面到lOOm左右的近地层在垂直方向上热量和动量的交换甚微，所以上下气温之差可达1～2℃。大气边界层对人类生产和生活的影响最大，污染物的迁移扩散和稀释转化也主要在这一层进行。 边界层以上的气流受地面摩擦作用的影响越来越小，可以忽略不计，因此称为自由大气。 2. 平流层 平流层是指从对流层顶到离地高度约55 km范围的大气层，该层和对流层包含了大气质量的99.9 ％。平流层内空气稀薄，比较干燥，几乎没有水汽和尘埃。平流层的温度分布是：从对流层顶到离地约22km的高度范围为同温层，气温几乎不随高度变化，约为－55℃。从22km继续向上进入臭氧带，在这里太阳的紫外辐射被吸收，转化为热能，导致气温随高度增加而上升，到达层顶时气温升高到－3℃左右。平流层内气温下低上高的分布规律，使得该层空气的竖直对流混合微弱，大气基本处于平流运动。因此，该层大气的透明度较好，气流稳定，很少出现云雨及风暴等天气现象。 平流层中的臭氧层是80～100km处的氧分子在太阳紫外辐射作用下光解为氧原子，再与其它氧分子化合成臭氧而形成的，其化合作用主要在30～60km处。从对流层顶向上，臭氧浓度逐渐增大，在22～25km处达最大值，往后逐渐减小，到平流层顶臭氧含量极其微小。因为40km以上，在光化作用下，由氧化合为臭氧和由臭氧光解成氧的过程几乎保持平衡状态。在某种环流作用下，臭氧被送到很少光解的高度以下积聚，集中在15～35km高度之间。通常将22～25km处称为臭氧层。 3. 中间层 中间层是指从平流层顶到高度80km左右范围内的大气层，其空气质量仅占大气质量的10－3。该层内温度随高度的增加而下降，层顶的温度可降到－93℃左右。因此，空气的对流运动强烈，垂直方向混合明显。 4. 暖层 暖层为中层顶延伸到800km高空的大气层，该层的空气质量只有大气质量的10－5。暖层在强烈的太阳紫外线和宇宙射线作用下，其气温随高度上升而迅速增高，暖层顶部温度可高达500～2000K，且昼夜温度变化很大。暖层的空气处于高度电离状态，因此存在着大量的离子和电子，故又称为电离层。 ? 二、气象要素 气象条件是影响大气中污染物扩散的主要因素。历史上发生过的重大空气污染危害事件，都是在不利于污染物扩散的气象条件下发生的。为了掌握污染物的扩散规律，以便采取有效措施防治大气污染的形成，必须了解气象条件对大气扩散的影响，以及局部气象因素与地形地貌状况之间的关系。 在气象学中，气象要素是指用于描述的物理状态与现象的物理量，包括气压、气温、气湿、云、风、能见度以及太阳辐射等。这些要素都能从观测直接获得，并随着时间经常变化，彼此之间相互制约。不同的气象要素组合呈现不同的气象特征，因此对污染物在大气中的输送扩散产生不同的影响。其中风和大气不规则的湍流运动是直接影响大气污染物扩散的气象特征，而气温的垂直分布又制约着风场与湍流结构。下面介绍主要的气象要素： 1. 气压 气压是指大气的压强，即单位面积上所承受的大气柱的重力。气压的单位为Pa，气象学中常用毫巴(mbar)或百帕（hPa）表示。定义温度为273K时，位于纬度45o平均海平面上的气压值为1013.25hPa，称为标准大气压。对于任一地区，气压的变化总是随着高度的增加而降低。空气在静止状态下，可以用下式表示:  (5－1) 式中 p—气压，Pa； Z—大气的竖直高度，m； ρ—大气密度，kg/m3。 2. 气温 气温是指离地面1.5 m高处的百叶箱内测量到的大气温度。气温的单位一般为℃，理论计算中则用绝对温度K表示。 3. 气湿 气湿即为大气的湿度，用以表示空气中的水蒸气含量，气象学中常用绝对湿度、水蒸气分压、露点、相对湿度和比湿等量来表示。 绝对湿度就是单位体积湿空气中所含水蒸气质量，单位为g/m3，其数值为湿空气中水蒸气的密度，表明了湿空气中实际的水蒸气含量。水蒸气分压是指湿空气温度下水蒸气的压力，它随空气的湿度增加而增大。当空气温度不变时，空气中的水蒸气含量达到最大值时的分压力称为饱和水蒸气压，此时的空气称为饱和空气，温度即称为露点。饱和水蒸气压随温度降低而下降，若降低饱和空气的温度，则空气中的一部分水蒸气将凝结下来，即结露。相对湿度是湿空气中实际的水蒸气含量与同温下最大可能含有的水蒸气含量的比值，也即实际的水蒸气分压与饱和水蒸气压之比，表明了湿空气吸收水蒸气的能力及其潮湿程度。相对湿度愈小，空气愈干燥，反之则表示空气潮湿。比湿是指单位质量干空气含有的水蒸气质量，单位是g/kg。 4. 云 云是指漂浮在大气中的微小水滴或冰晶构成的汇集物质。云吸收或反射太阳的辐射，反映了气象要素的变化和大气运动的状况，其形成、数量、分布及演变也预示着天气的变化趋势，可用云量和云高来描述。 云遮蔽天空的份额称为云量。我国规定将视野内的天空分为10等分，云遮蔽的成数即为云量。例如：云密布的阴天时的云量为10；云遮蔽天空3成时云量为3；当碧空无云的晴天时，云量则为0。而国外是把天空分为8等分来，仍按云遮蔽的成数来计算云量。 云底距地面的高度称为云高。按云高的不同范围分为：云底高度在2500m以下称为低云；云底高度在2500～5000m之间称为中云；而云底高度大于5000m之上称为高云。 5. 能见度 能见度是指正常视力的人在当时的天气条件下，从水平方向中能够看到或辨认出目标物的最大距离，单位是m或km。能见度的大小反映了大气混浊或透明的程度，一般分为十个级别，0级的白日视程为最小，50m以下，9级的白日视程为最大，大于50km。 6. 风 风是指空气在水平方向的运动。风的运动规律可用风向和风速描述。风向是指风的来向，通常可用16个或8个方位表示，如西北风指风从西北方来。此外也可用角度表示，以北风为0o，8个方位中相邻两方位的夹角为45o，正北与风向的反方向的顺时针方向夹角称为风向角，如东南风的风向角为135o。 风速是指空气在单位时间内水平运动的距离。气象预报的风向和风速指的是距地面10m高处在一定时间内观测到的平均风速。 在自由大气中，风受地面摩擦力的影响很小，一般可以忽略不计，风的运动处于水平的匀速运动。但在大气边界层中，空气运动受到地面摩擦力的影响，使风速随高度升高而增大。在离地面几米以上的大气层中，平均风速与高度之间关系一般可以利用迪肯(Deacon)的幂定律描述：  （5－2） 式中 u及u1—在高度Z及已知高度Z1处的平均风速，m/s； n—与大气稳定度有关的指数。在中性层结条件下，且地形开阔平坦只有少量地表覆盖物时，n＝1/7。 空气的大规模运动形成风。地球两极和赤道之间大气的温差，陆地与海洋之间的温差以及陆地上局部地貌不同之间的温差，从而对空气产生的热力作用，形成各种类型风，如海陆风、季风、山谷风、峡谷风等。 当气压基本不变时，日出后由于地面吸收太阳的辐射，由底部气层开始的热涡流上升运动逐渐增强，使大气上下混合强度增大，因此下层风速渐大，一般在午后达到最大值；而夜间在地面的冷却作用下，湍流活动减弱直至停止，使下层风速减小，乃至静止。反之，高层大气的白天风速最小，夜间风速最大。 海陆风出现在沿海地区，是由于海陆接壤区域的地理差异产生的热力效应，形成以一天为周期而变化的大气局部环流。在吸收相同热量的条件下，由于陆地的热容量小于海水，因此地表温度的升降变化比海水快。白天，阳光照射下的陆地温升比海洋快，近地层陆地上空的气温高于海面上空，空气密度小而上升，因此产生水平气压梯度，低层气压低于海上，于是下层空气从海面上流向陆地，称为海风；而陆地高层空间的气压高于海上，气流由陆地流向海洋，从而在这一区域形成空气的闭合环流。夜间，陆地温降又比海洋快，近地气层的气温低于海面上的气温，形成了高于海面上的气压，于是下层空气从陆地流向海上，称为陆风，并与高空的逆向气流形成闭合环流。海陆风的流动示意图如图5-2所示。 海陆风的影响区域有限。海风高约1000m，一般深入到陆地20～40km处，最大风力为5～6级；陆风高约100～300m，延伸到海上8～lOkm处，风力不过3级。在内陆的江河湖泊岸边，也会出现类似的环流，但强度和活动范围均较小。 季风也是由于陆地和海洋的地理差异产生的热力效应，形成以一年四季为周期而变化的大气环流，但影响的范围比海陆风大得多。夏季，大陆上空的气温高于海洋上空，形成低层空气从海洋流向大陆，而高层大气相反流动，于是构成了夏季的季风环流，类似于白天海风环流的循环。冬季，大陆上空的气温低于海洋上空，形成低层空气从大陆流向海洋，高层大气由海洋流向大陆的冬季的季风环流，类似于夜间陆风环流的循环。我国处于太平洋西岸和印度洋西侧，夏季大陆盛行东南风，西南地区吹西南风；冬季大陆盛行西北风，西南地区吹东北风。 山谷风是山区地理差异产生的热力作用而引起的另外一种局地风，也是以一天为周期循环变化。白天，山坡吸受较强的太阳辐射，气温增高，因空气密度小而上升，形成空气从谷底沿山坡向上流动，称为谷风；同时在高空产生由山坡指向山谷的水平气压梯度，从而产生谷底上空的下降气流，形成空气的热力循环。夜间，山坡的冷却速度快，气温比同高度的谷底上空低，空气密度大，使得空气沿山坡向谷底流动，形成山风，同时构成与白天反向的热力环流。山谷风的流动示意图如图5－3所示。 峡谷风是由于气流从开阔地区进入流动截面积缩小的狭窄峡谷口时，因气流加速而形成的顺峡谷流动的强风。 ? 三、大气温度的垂直分布 1. 气温直减率 实际大气的气温沿垂直高度的变化率称为气温垂直递减率，简称气温直减率，可用参数(表示：  （5－3） 式中，负号表示气温随高度而降低。 2. 大气的温度层结 气温随垂直高度的分布规律称为温度层结，因此坐标图上气温变化曲线也称为温度层结曲线。温度层结反映了沿高度的大气状况是否稳定，其直接影响空气的运动，以及污染物质的扩散过程和浓度分布。 图5－4所示为温度层结曲线的三种基本类型： （1）递减层结。气温沿高度增加而降低，即((O，如曲线1所示。递减层结属于正常分布，一般出现在晴朗的白天，风力较小的天气。地面由于吸收太阳辐射温度升高，使近地空气也得以加热，形成气温沿高度逐渐递减。此时上升空气团的降温速度比周围气温慢，空气团处于加速上升运动，大气为不稳定状态。 （2）等温层结。气温沿高度增加不变，即(＝O，如曲线2所示。等温层结多出现于阴天、多云或大风时，由于太阳的辐射被云层吸收和反射，地面吸热减少，此外晚上云层又向地面辐射热量，大风使得空气上下混合强烈，这些因素导致气温在垂直方向上变化不明显。此时上升空气团的降温速度比周围气温快，上升运动将减速并转而返回，大气趋于稳定状态。 （3）逆温层结。气温沿高度增加而升高，即((O，如曲线3所示。逆温层结简称逆温，其形成有多种机理。当出现逆温时，大气在竖直方向的运动基本停滞，处于强稳定状态。通常，按逆温层的形成过程又分为辐射逆温、下沉逆温、湍流逆温、平流逆温、锋面逆温等类型。 辐射逆温为大陆上常年可见的逆温类型，是由于地面的快速冷却而形成，通常出现于晴朗无云或少云、风速不大的夜间。夜晚地面向大气辐射白天吸收的热量而逐渐冷却，近地面的气温随之降低。离地愈近，气温冷却愈快，离地愈远的空气受地面影响愈弱，降温愈慢，形成自地面开始的辐射逆温。辐射逆温随着地面的冷却逐渐向上扩展，到日出前逆温充分发展。日出后，地面吸收太阳的辐射逐渐升温，逆温层又逐渐自下而上消失。到上午九点钟左右，逆温全部消失。辐射逆温的生消过程如图5－5所示。辐射逆温层的厚度通常在几十米到几百米之间，高纬度地区甚至厚达2～3km。冬季夜长，逆温层较厚且消失较慢。夏季夜短，则逆温层较薄，消失也快。此外，地形、云层、风等因素也会影响辐射逆温的形成及强度。 下沉逆温是因高压区内某一层空气发生下沉运动时，导致下层空气被压缩升温而形成；湍流逆温发生在绝热状态下的大气湍流运动时；平流逆温是暖空气水平流至冷地表地区上空所形成；锋面逆温为对流层中冷暖空气相遇时，由于暖空气密度小，爬到冷空气上面所致。这些类型的逆温一般不从地面开始，出现在离地面数十米至数千米的高空，也称为上层逆温。实际上，大气中出现逆温可能是由几种原因共同作用形成的。 出现逆温时，好像一个盖子阻碍它下面的污染物质扩散，对大气污染扩散影响极大，因此许多大气污染事件都发生在具有逆温层与静风的气象条件下。 3. 干绝热直减率 考察一团在大气中做垂直运动的干空气，如果干空气在运动中与周围空气不发生热量交换，则称为绝热过程。当干气团垂直运动在递减层结时，气团的温度变化与气压变化相反。若气团的压力沿高度发生显著变化，则气温变化引起的气团内能变化与气压变化导致的气团做功相当，此时可忽略气团与周围大气的热交换，视为绝热过程。干气团绝热上升时，因周围气压减小而膨胀，消耗大部分内能对周围大气做膨胀功，则气团温度显著降低。干气团绝热下降时，因周围气压增大被压缩，外界的压缩功大部分转化为气团的内能增量，气团温度明显上升。 干气团在绝热垂直运动过程中，升降单位距离(通常取l00m)的温度变化值称为干空气温度的绝热垂直递减率，简称干绝热直减率(d，即：  （5－4） 干气团在垂直升降过程中服从热力学第一定律，即：  （5－5） 气团可视为理想气体，并设气团的压力与周围大气的气压随时保持平衡，在绝热过程中有dq= 0，则式（5－5）可改写为：  （5－6） 气团的物理状态可用理想气体状态方程来描述，即：  (5－7)  （5－8） 由式（4－6）、及式（4-8）可得：  （5－9） 式中 cp—干空气比定压热容，cp＝cv＋R＝1004 J/(kg·K)。 将式（5－1）带入式（5－9），并近似地视气团的密度(与比体积v互为倒数，得：  （5－10） 上式可见，在干绝热过程中，气团每上升或下降100 m，温度约降低或升高1K，即(d为固定值，而气温直减率(则随时间和空间变化，这是两个不同的概念。 ? 四、大气的稳定度 1. 大气稳定度 大气稳定度是指大气中的某一气团在垂直方向上的稳定程度。一团空气受到某种外力作用而产生上升或者下降运动，当运动到某—位置时消除外力，此后气团的运动可能出现三种情况：①气团仍然继续加速向前运动，这时的大气称为不稳定大气；②气团不加速也不减速而作匀速运动，或趋向停留在外力去除时所处的位置，这时的大气称为中性大气；③气团逐渐减速并有返回原先高度的趋势，这时的大气称为稳定大气。 设某一气团在外力作用下上升了一段距离dz，在新位置的状态参数为pi、(i及Ti，它周围大气的状态参数为p、(及T。消除外力后，单位体积气团受到重力(ig和浮升力(g的共同作用，产生垂直方向的升力（(－(i）g，其加速度为：  （5－11） 假定移动过程中气团的压力与周围大气的气压随时保持平衡，即pi＝p，则由状态方程可得(iTi＝(T，代入上式则得  （5－12） 上式可见，在新位置上，Ti＞T，则a＞0，即气团的温度大于周围大气温度时，气团仍然加速，表明大气是不稳定的；若Ti＜T，则a＜0，气团减速，表明大气稳定。因为气团的温度难以确定，实际上很难用上式判别大气稳定度。 假定在初始位置时，气团与周围空气的温度相等，均为T0，其绝热上升dz距离后，气团温度为Ti＝T0－(ddz，周围气温为T＝T0－(dz，式(5－12)则变为：  （5－13） 由式（5－13）可分析大气的稳定性，在(＞0的区域，当(＞(d时，a＞0,气团加速，大气为不稳定；当(＝(d时，a＝0，大气为中性；当(＜(d时，a＜0,气团减速，大气为弱稳定，而出现等温层结与逆温层结时，即(≤0，则大气处于强稳定状态，图5－6为大气稳定度分析图。分析可见，干绝热直减率(d＝1K/lOOm可作为大气稳定性的判据，可用当地实际气层的(与其比较，以此判断大气的稳定度。 大气稳定度对污染物在大气中的扩散有很大影响。大气越不稳定，污染物的扩散速率就越快；反之，则越慢。 2. 大气稳定度的分类 大气稳定度与天气现象、时空尺度及地理条件密切相关，其级别的准确划分非常困难。目前国内外对大气稳定度的分类方法已多达10余种，应用较广泛的有帕斯奎尔（Pasquill）法和特纳尔(Turner)法。帕斯奎尔法用地面风速(距离地面高度10m)、白天的太阳辐射状况（分为强、中、弱、阴天等）或夜间云量的大小将稳定度分为A～F六个级别，如表5－1所示。 表5－1 大气稳定度等级 地面风速（距地面10m处）/m·s-1 白天太阳辐射 阴天的白天或夜间 有云的夜间   强 中 弱  薄云遮天或低云≥5/10 云量≤4/10  ＜2 A A～B B D ? ?  2~3 A～B B C D E F  3~5 B B~C C D D E  5~6 C C~D D D D D  ＞6 D D D D D D  ? 帕斯奎尔法虽然可以利用常规气象资料确定大气稳定度等级，简单易行，应用方便，但这种方法没有确切地描述太阳的辐射强度，云量的确定也不准确，较为粗略，为此特纳尔作了改进与补充。 特纳尔方法首先根据某地、某时及太阳倾角的太阳高度θh和云量(全天空为10分制)，确定太阳辐射等级，再由太阳的辐射等级和距地面高度10m的平均风速确定大气稳定度的级别。我国采用特纳尔方法，太阳高度角θh可按下式计算：  （5－14） 式中 (、(—分别为当地地理纬度、经度，（(）； t—观测时的北京时间，h； (—太阳倾角（赤纬），（(），其概略值查阅表5－2。 表5－2 太阳倾角（赤纬）概略值 (/（(） 月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12  上旬 －22 －15 －5 6 17 22 22 17 7 －5 －15 －22  中旬 －21 －12 －2 10 19 23 21 14 3 －8 －18 －23  下旬 －19 －9 2 13 23 23 19 11 －1 －12 －21 －23   我国提出的太阳辐射等级见表5－3，表中总云量和低云量由地方气象观测资料确定。大气稳定度等级见表5－4，表中地面平均风速指离地面10m高度处10min的平均风速。 ? 表5－3 太阳辐射等级（中国） 总云量/低云量 夜间 太阳高度角θh/（(）    θh≤15( 15(＜θh≤35( 35(＜θh≤65( θh＞65(  ≤4/≤4 －2 －1 ＋1 ＋2 +3  5～7/≤4 －1 0 ＋1 ＋2 +3  ≥8/≤4 －1 0 0 ＋1 +1  ≥5/5～7 0 0 0 0 +1  ≥8/≥8 0 0 0 0 0  ? 表5－4 大气稳定度等级 地面平均风速/m·s-1 太阳辐射等级   ＋3 ＋2 ＋1 0 －1 －2  ≤1.9 A A～B B D E F  2～2.9 A～B B C D E F  3～4.9 B B～C C D D E  5～5.9 C C～D D D D D  ≥6 C D D D D D  ? 第二节 大气污染物的扩散 一、湍流与湍流扩散理论 1. 湍流 低层大气中的风向是不断地变化，上下左右出现摆动；同时，风速也是时强时弱，形成迅速的阵风起伏。风的这种强度与方向随时间不规则的变化形成的空气运动称为大气湍流。湍流运动是由无数结构紧密的流体微团——湍涡组成，其特征量的时间与空间分布都具有随机性，但它们的统计平均值仍然遵循一定的规律。大气湍流的流动特征尺度一般取离地面的高度，比流体在管道内流动时要大得多，湍涡的大小及其发展基本不受空间的限制，因此在较小的平均风速下就能有很高的雷诺数，从而达到湍流状态。所以近地层的大气始终处于湍流状态，尤其在大气边界层内，气流受下垫面影响，湍流运动更为剧烈。大气湍流造成流场各部分强烈混合，能使局部的污染气体或微粒迅速扩散。烟团在大气的湍流混合作用下，由湍涡不断把烟气推向周围空气中，同时又将周围的空气卷入烟团，从而形成烟气的快速扩散稀释过程。 烟气在大气中的扩散特征取决于是否存在湍流以及湍涡的尺度(直径)，如图5－7所示。图5－7（a）为无湍流时，烟团仅仅依靠分子扩散使烟团长大，烟团的扩散速率非常缓慢，其扩散速率比湍流扩散小5～6个数量级；图5－7（b）为烟团在远小于其尺度的湍涡中扩散，由于烟团边缘受到小湍涡的扰动，逐渐与周边空气混合而缓慢膨胀，浓度逐渐降低，烟流几乎呈直线向下风运动；图5－7（c）为烟团在与其尺度接近的湍涡中扩散，在湍涡的切入卷出作用下烟团被迅速撕裂，大幅度变形，横截面快速膨胀，因而扩散较快，烟流呈小摆幅曲线向下风运动；图5－7（d）为烟团在远大于其尺度的湍涡中扩散，烟团受大湍涡的卷吸扰动影响较弱，其本身膨胀有限，烟团在大湍涡的夹带下作较大摆幅的蛇形曲线运动。实际上烟云的扩散过程通常不是仅由上述单一情况所完成，因为大气中同时并存的湍涡具有各种不同的尺度。 根据湍流的形成与发展趋势，大气湍流可分为机械湍流和热力湍流两种形式。机械湍流是因地面的摩擦力使风在垂直方向产生速度梯度，或者由于地面障碍物(如山丘、树木与建筑物等)导致风向与风速的突然改变而造成的。热力湍流主要是由于地表受热不均匀，或因大气温度层结不稳定，在垂直方向产生温度梯度而造成的。一般近地面的大气湍流总是机械湍流和热力湍流的共同作用，其发展、结构特征及强弱决定于风速的大小、地面障碍物形成的粗糙度和低层大气的温度层结状况。 2. 湍流扩散与正态分布的基本理论 气体污染物进入大气后，一面随大气整体飘移，同时由于湍流混合，使污染物从高浓度区向低浓度区扩散稀释，其扩散程度取决于大气湍流的强度。大气污染的形成及其危害程度在于有害物质的浓度及其持续时间，大气扩散理论就是用数理方法来模拟各种大气污染源在一定条件下的扩散稀释过程，用数学模型计算和预报大气污染物浓度的时空变化规律。 研究物质在大气湍流场中的扩散理论主要有三种：梯度输送理论、相似理论和统计理论。针对不同的原理和研究对象，形成了不同形式的大气扩散数学模型。由于数学模型建立时作了一些假设，以及考虑气象条件和地形地貌对污染物在大气中扩散的影响而引入的经验系数，目前的各种数学模式都有较大的局限性，应用较多的是采用湍流统计理论体系的高斯扩散模式。 图5-8所示为采用统计学方法研究污染物在湍流大气中的扩散模型。假定从原点释放出一个粒子在稳定均匀的湍流大气中飘移扩散，平均风向与x轴同向。湍流统计理论认为，由于存在湍流脉动作用，粒子在各方向（如图中y方向）的脉动速度随时间而变化，因而粒子的运动轨迹也随之变化。若平均时间间隔足够长，则速度脉动值的代数和为零。如果从原点释放出许多粒子，经过一段时间T之后，这些粒子的浓度趋于一个稳定的统计分布。湍流扩散理论（K理论）和统计理论的分析均表明，粒子浓度沿y轴符合正态分布。正态分布的密度函数f(y)的一般形式为：   （5－15） 式中σ为标准偏差，是曲线任一侧拐点位置的尺度；μ为任何实数。 图5－8中的f(y)曲线即为μ＝0时的高斯分布密度曲线。它有两个性质，一是曲线关于y＝μ的轴对称；二是当y＝μ时，有最大值，即：这些粒子在y＝μ轴上的浓度最高。如果μ值固定而改变σ值，曲线形状将变尖或变得平缓；如果σ值固定而改变μ值，f(y)的图形沿0y轴平移。不论曲线形状如何变化，曲线下的面积恒等于1。分析可见，标准偏差σ的变化影响扩散过程中污染物浓度的分布，增加σ值将使浓度分布函数趋于平缓并伸展扩大，这意味提高了污染物在y方向的扩散速度。 高斯在大量的实测资料基础上，应用湍流统计理论得出了污染物在大气中的高斯扩散模式。虽然污染物浓度在实际大气扩散中不能严格符合正态分布的前提条件，但大量小尺度扩散试验证明，正态分布是一种可以接受的近似。 ? 二、高斯扩散模式 （一）连续点源的扩散 连续点源一般指排放大量污染物的烟囱、放散管、通风口等。排放口安置在地面的称为地面点源，处于高空位置的称为高架点源。 1. 大空间点源扩散 高斯扩散公式的建立有如下假设：①风的平均流场稳定，风速均匀，风向平直；②污染物的浓度在y、z轴方向符合正态分布；③污染物在输送扩散中质量守恒；④污染源的源强均匀、连续。 图5－9所示为点源的高斯扩散模式示意图。有效源位于坐标原点o处，平均风向与x轴平行，并与x轴正向同向。假设点源在没有任何障碍物的自由空间扩散，不考虑下垫面的存在。大气中的扩散是具有y与z两个坐标方向的二维正态分布，当两坐标方向的随机变量独立时，分布密度为每个坐标方向的一维正态分布密度函数的乘积。由正态分布的假设条件②，参照正态分布函数的基本形式式（5－15），取μ＝0，则在点源下风向任一点的浓度分布函数为：  （5－16） 式中 C—空间点（x，y，z）的污染物的浓度，mg/m3； A（x）—待定函数； σy、σz—分别为水平、垂直方向的标准差，即y、x方向的扩散参数，m。 由守恒和连续假设条件③和④，在任一垂直于x轴的烟流截面上有：  （5－17） 式中 q—源强，即单位时间内排放的污染物，μg/s； u—平均风速，m/s。 将式（5－16）代入式（5－17）, 由风速稳定假设条件①，A与y、z无关，考虑到③和④，积分可得待定函数A（x）：  （5－18） 将式（5－18）代入式（5－16），得大空间连续点源的高斯扩散模式 ?  （5－19） 式中，扩散系数σy、σz与大气稳定度和水平距离x有关，并随x的增大而增加。当y＝0，z＝0时，A（x）＝C（x，0,0），即A（x）为x轴上的浓度，也是垂直于x轴截面上污染物的最大浓度点Cmax。当x→∞，σy及σz→∞，则C→0，表明污染物以在大气中得以完全扩散。 2．高架点源扩散 在点源的实际扩散中，污染物可能受到地面障碍物的阻挡，因此应当考虑地面对扩散的影响。处理的方法是，或者假定污染物在扩散过程中的质量不变，到达地面时不发生沉降或化学反应而全部反射；或者污染物在没有反射而被全部吸收，实际情况应在这两者之间。 （1）高架点源扩散模式。点源在地面上的投影点o作为坐标原点，有效源位于z轴上某点， z＝H。高架有效源的高度由两部分组成，即H＝h＋Δh，其中h为排放口的有效高度，Δh是热烟流的浮升力和烟气以一定速度竖直离开排放口的冲力使烟流抬升的一个附加高度，如图5－10所示。 当污染物到达地面后被全部反射时，可以按照全反射原理，用“像源法”来求解空间某点k的浓度。图5－10中k点的浓度显然比大空间点源扩散公式（5－19）计算值大，它是位于(0，0，H)的实源在k点扩散的浓度和反射回来的浓度的叠加。反射浓度可视为由一与实源对称的位于(0，0，－H)的像源（假想源）扩散到k点的浓度。由图可见，k点在以实源为原点的坐标系中的垂直坐标为(z-H)，则实源在k点扩散的浓度为式（5－19）的坐标沿z轴向下平移距离H：  （5－20） k点在以像源为原点的坐标系中的垂直坐标为(z＋H)，则像源在k点扩散的浓度为式（5－19）的坐标沿z轴向上平移距离H：  （5－21） 由此，实源Cs与像源Cx之和即为k点的实际污染物浓度： （5－22） 若污染物到达地面后被完全吸收，则Cx＝0，污染物浓度C（x，y，z，H）＝Cs，即式（5－20）。 （2）地面全部反射时的地面浓度。实际中，高架点源扩散问题中最关心的是地面浓度的分布状况，尤其是地面最大浓度值和它离源头的距离。在式（5－22）中，令z＝0，可得高架点源的地面浓度公式：  （5－23） 上式中进一步令y＝0则可得到沿x轴线上的浓度分布：  （5－24） 地面浓度分布如图图5－11所示。y方向的浓度以x轴为对称轴按正态分布；沿x轴线上，在污染物排放源附近地面浓度接近于零，然后顺风向不断增大，在离源一定距离时的某处，地面轴线上的浓度达到最大值，以后又逐渐减小。 地面最大浓度值Cmax及其离源的距离xmax可以由式（5－24）求导并取极值得到。令，由于σy、σz均为x的未知函数，最简单的情况可假定σy/σz＝常数，则当  （5－25） 时，得地面浓度最大值  （5－26） 由式（5－25）可以看出，有效源H越高， xmax处的σz值越大，而σz∝xmax，则Cmax出现的位置离污染源的距离越远。式（5－26）表明，地面上最大浓度Cmax与有效源高度的平方及平均风速成反比，增加H可以有效地防止污染物在地面某一局部区域的聚积。 式（5－25）和式（5－26）是在估算大气污染时经常选用的计算公式。由于它们是在 σy/σz＝常数的假定下得到的，应用于小尺度湍流扩散更合适。除了极稳定或极不稳定的大气条件，通常可设σy/σz＝2估算最大地面浓度，其估算值与孤立高架点源(如电厂烟囱)附近的环境监测数据比较一致。通过理论或经验的方法可得σz＝f（x）的具体表达式，代入（5－25）可求出最大浓度点离源的距离xmax，具体可查阅我国GB3840—91《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》。 3. 地面点源扩散 对于地面点源，则有效源高度H＝0。当污染物到达地面后被全部反射时，可令式（5－22）中H＝0，即得出地面连续点源的高斯扩散公式:  （5－27） 其浓度是大空间连续点源扩散式（5－19）或地面无反射高架点源扩散式（5－20）在H＝0时的两倍，说明烟流的下半部分完全对称反射到上部分，使得浓度加倍。若取y与z等于零，则可得到沿x轴线上的浓度分布：  （5－28） 如果污染物到达地面后被完全吸收，其浓度即为地面无反射高架点源扩散式（5－20）在H＝0时的浓度，也即大空间连续点源扩散式（5－19）。 高斯扩散模式的一般适用条件是：①地面开阔平坦，性质均匀，下垫面以上大气湍流稳定；②扩散处于同一大气温度层结中，扩散范围小于10km；③扩散物质随空气一起运动，在扩散输送过程中不产生化学反应，地面也不吸收污染物而全反射；④平均风向和风速平直稳定，且u＞1～2m/s。 高斯扩散模式适应大气湍流的性质，物理概念明确，估算污染浓度的结果基本上能与实验资料相吻合，且只需利用常规气象资料即可进行简单的数学运算，因此使用最为普遍。 （二）连续线源的扩散 当污染物沿一水平方向连续排放时，可将其视为一线源，如汽车行驶在平坦开阔的公路上。线源在横风向排放的污染物浓度相等，这样，可将点源扩散的高斯模式对变量y积分，即可获得线源的高斯扩散模式。但由于线源排放路径相对固定，具有方向性，若取平均风向为x轴，则线源与平均风向未必同向。所以线源的情况较复杂，应当考虑线源与风向夹角以及线源的长度等问题。 如果风向和线源的夹角β＞45(，无限长连续线源下风向地面浓度分布为：  （5－29） 当β＜45(时，以上模式不能应用。如果风向和线源的夹角垂直，即β＝90(，可得：  （5－30） 对于有限长的线源，线源末端引起的“边缘效应”将对污染物的浓度分布有很大影响。随着污染物接受点距线源的距离增加，“边源效应”将在横风向距离的更远处起作用。因此在估算有限长污染源形成的浓度分布时，“边源效应”不能忽视。对于横风向的有限长线源，应以污染物接受点的平均风向为x轴。若线源的范围是从y1到y2，且y1＜y2，则有限长线源地面浓度分布为：   （5－31） 式中，s1＝y1/σy，s2＝y2/σy，积分值可从正态概率表中查出。 （三）连续面源的扩散 当众多的污染源在一地区内排放时，如城市中家庭炉灶的排放，可将它们作为面源来处理。因为这些污染源排放量很小但数量很大，若依点源来处理，将是非常繁杂的计算工作。 常用的面源扩散模式为虚拟点源法，即将城市按污染源的分布和高低不同划分为若干个正方形，每一正方形视为一个面源单元，边长一般在0.5～10km之间选取。这种方法假设：①有一距离为x0的虚拟点源位于面源单元形心的上风处，如图5-12所示，它在面源单元中心线处产生的烟流宽度为2y0＝4.3σy0，等于面源单元宽度B；②面源单元向下风向扩散的浓度可用虚拟点源在下风向造成的同样的浓度所代替。根据污染物在面源范围内的分布状况，可分为以下两种虚拟点源扩散模式： 第一种扩散模式假定污染物排放量集中在各面源单元的形心上。由假设①可得：  （5－32） 由确定的大气稳定度级别和上式求出的，应用P－G曲线图（见下节）可查取xo。再由(x0＋x)分布查出σy和σz，则面源下风向任一处的地面浓度由下式确定：  （5－33） 上式即为点源扩散的高斯模式（5－24），式中H取面源的平均高度，m。 如果排放源相对较高，而且高度相差较大，也可假定z方向上有一虚拟点源，由源的最初垂直分布的标准差确定，再由求出，由求出σz，由(x0＋x) 求出σy，最后代入式（5－33）求出地面浓度。 第二种扩散模式假定污染物浓度均匀分布在面源的y方向，且扩散后的污染物全都均匀分布在长为π(x0＋x)／8的弧上，如图5-12所示。因此，利用式（5－32）求σy后，由稳定度级别应用P－G曲线图查出x0，再由(x0＋x) 查出σz，则面源下风向任一点的地面浓度由下式确定：  （5－34） ? 三、扩散参数及烟流抬升高度的确定 高斯扩散公式的应用效果依赖于公式中的各个参数的准确程度，尤其是扩散参数σy、σz及烟流抬升高度Δh的估算。其中，平均风速u取多年观测的常规气象数据；源强q可以计算或测定，而σy、σz及Δh与气象条件和地面状况密切相关。 1. 扩散参数σy、σz的估算 扩散参数σy、σz是表示扩散范围及速率大小的特征量，也即正态分布函数的标准差。为了能较符合实际地确定这些扩散参数，许多研究工作致力于把浓度场和气象条件结合起来，提出了各种符合实验条件的扩散参数估计方法。其中应用较多的由是帕斯奎尔(Pasquill) 和吉福特(Gifford)提出的扩散参数估算方法，也称为P－G扩散曲线，如图5－13和图5－14所示。由图可见，只要利用当地常规气象观测资料，由表5－1查取帕斯奎尔大气稳定度等级，即可确定扩散参数。扩散参数σ具有如下规律：①σ随着离源距离增加而增大；②不稳定大气状态时的σ值大于稳定大气状态，因此大气湍流运动愈强，σ值愈大；③以上两种条件相同时，粗糙地面上的σ值大于平坦地面。 由于利用常规气象资料便能确定帕斯奎尔大气稳定度，因此P－G扩散曲线简便实用。但是，P－G扩散曲线是利用观测资料统计结合理论分析得到的，其应用具有一定的经验性和局限性。σy是利用风向脉动资料和有限的扩散观测资料作出的推测估计，σz是在近距离应用了地面源在中性层结时的竖直扩散理论结果，也参照一些扩散试验资料后的推算，而稳定和强不稳定两种情况的数据纯系推测结果。一般，P－G扩散曲线较适用于近地源的小尺度扩散和开阔平坦的地形。实践表明，σy的近似估计与实际状况比较符合，但要对地面粗糙度和取样时间进行修正；σz的估计值与温度层结的关系很大，适用于近地源的lkm以内的扩散。因此，大气扩散参数的准确定量描述仍是深入研究的课题。 估算地面最大浓度值Cmax及其离源的距离xmax时，可先按式（5－25）计算出σz，并图5-14查取对应的x值，此值即为当时大气稳定度下的xmax。然后从图5-13查取与xmax对应的σy值，代如式（5－26）即可求出Cmax值。用该方法计算，在E、F级稳定度下误差较大，在D、C级时误差较小。H越高，误差越小。 我国GB3840－91《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》采用如下经验公式确定扩散参数σy、σz：  （5－35） 式中，γ1、α1、γ2及α2称为扩散系数。这些系数由实验确定，在一个相当长的x距离内为常数，可从GB3840－91的表中查取。 2. 烟流抬升高度Δh的计算 烟流抬升高度是确定高架源的位置，准确判断大气污染扩散及估计地面污染浓度的重要参数之一。从烟囱里排出的烟气，通常会继续上升。上升的原因一是热力抬升，即当烟气温度高于周围空气温度时，密度比较小，浮升力的作用而使其上升；二是动力抬升，即离开烟囱的烟气本身具有的动量，促使烟气继续向上运动。在大气湍流和风的作用下，漂移一段距离后逐渐变为水平运动，因此有效源的高度高于烟囱实际高度。 热烟流从烟囱中喷出直至变平是一个连续的逐渐缓变过程一般可分为四个阶段，如图5-15所示。首先是烟气依靠本身的初始动量垂直向上喷射的喷出阶段，该阶段的距离约为几至十几倍烟囱的直径；其次是由于烟气和周围空气之间温差而产生的密度差所形成的浮力而使烟流上升的浮升阶段，上升烟流与水平气流之间的速度差异而产生的小尺度湍涡使得两者混合后的温差不断减小，烟流上升趋势不断减缓，逐渐趋于水平方向；然后是在烟体不断膨胀过程中使得大气湍流作用明显加强，烟体结构瓦解，逐渐失去抬升作用的瓦解阶段；最后是在环境湍流作用下，烟流继续扩散膨胀并随风飘移的变平阶段。 从烟流抬升及扩散发展的过程可以看出，显然，浮升力和初始动量是影响烟流抬升的主要因素，但使烟流抬升的发展又受到气象条件和地形状况的制约。主要表现为：①浮升力取决于烟流与环境空气的密度差，即与两者的温差有关；而烟流初始动量取决于烟囱出口的烟流速度，即与烟囱出口的内径有关。一般来讲，增大烟流与周围空气的温差以及提高烟流速度，抬升高度增加。但如果烟流的初始速度过大，促进烟流与空气的混合，反而会减少浮力抬升高度，一般该速度大于出口处附近风速的两倍为宜。②大气的湍流强度愈大，烟与周围空气混合就愈快，烟流的温度和初始动量降低得也愈快，则烟流抬升高度愈低。大气的湍流强度取决于温度层结，而温度层结的影响不是单一的，如不稳定温度层结由于湍流交换活跃能抑制烟流的抬升，但也能促进热力抬升，这取决于大气不稳定程度；③平均风速越大，湍流越强，抬升高度越低；④地面粗糙度大，使近地层大气湍流增强，不利于烟流抬升。 由于烟流抬升受诸多因素的相互影响，因此烟流抬升高度Δh的计算尚无统一的理想的结果。在30多种计算公式中，应用较广适用于中性大气状况的霍兰德(Holland)公式如下：  m （5－36） 式中 vS—烟流出口速度，m/s； D—烟囱出口内径，m； u—烟囱出口的环境平均风速，m/s； Ts—烟气出口温度，K； Ta—环境平均气温度，K； Qh—烟囱的热排放率，kW。 上式计算结果对很强的热源(如大型火电站)比较适中甚至偏高，而对中小型热源(Qh＜60～80 MW)的估计偏低。当大气处于不稳定或稳定状态时，可在上式计算的基础上分别增加或减少10％～20％。 根据GB／T3840—91《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》和GBl3223—96《火电厂大气污染物排放标准》，按照烟气的热释放率Qh、烟囱出口烟气温度与环境温度的温差（Ts－Ta）及地面状况，我国分别采用下列抬升计算式。 （1）当Qh≥2100kW并且（Ts－Ta）≥35 K时：  m （5－37）  kW （5－38） 式中 n0、n1、n2—地表状况系数，可从GB／T3840—91查取； V0—标准状态下的烟气排放量，m3/s； Cp—标准状态下的烟气平均定压比热，Cp＝1.38kJ/(m3·K)； Ta—取当地最近5年平均气温值，K； 烟囱出口的环境平均风速u按下式计算：  m/s （5－39） u0—烟囱所在地近5年平均风速，m/s，测量值； z0，z—分别为相同基准高度时气象台(站)测风仪位置及烟囱出口高度，m； m—风廓线幂指数，在中性层结条件下，且地形开阔平坦只有少量地表覆盖物时，n＝1/7，其他条件时可从GB／T3840—91查取。 （2）当QH＜2100kW或（Ts－Ta）＜35 K时：  m （5－40） 上式为霍兰德公式（5－36）的两倍。 ? 第三节 影响大气扩散的若干因素 大气污染物在大气湍流混合作用下被扩散稀释。大气污染扩散主要受到气象条件、地貌状况及污染物的特征的影响。 ? 一、气象因子影响 影响污染物扩散的气象因子主要是大气稳定度和风。 1. 大气稳定度 大气稳定度随着气温层结的分布而变化，是直接影响大气污染物扩散的极重要因素。大气越不稳定，污染物的扩散速率就越快；反之，则越慢。当近地面的大气处于不稳定状态时，由于上部气温低而密度大，下部气温高而密度小，两者之间形成的密度差导致空气在竖直方向产生强烈的对流，使得烟流迅速扩散。大气处于逆温层结的稳定状态时，将抑制空气的上下扩散，使得排向大气的各种污染物质因此而在局部地区大量聚积。当污染物的浓度增大到一定程度并在局部地区停留足够长的时间，就可能造成大气污染。 烟流在不同气温层结及稳定度状态的大气中运动，具有不同的扩散型态。图5－16为烟流在五种不同条件下，形成的典型烟云。 (1)波浪型。这种烟型发生在不稳定大气中，即(＞0，(＞(d。大气湍流强烈，烟流呈上下左右剧烈翻卷的波浪状向下风向输送，多出现在阳光较强的晴朗白天。污染物随着大气运动向各个方向迅速扩散，地面落地浓度较高，最大浓度点距排放源较近，大气污染物浓度随着远离排放源而迅速降低，对排放源附近的居民有害。 (2) 锥型。大气处于中性或弱稳定状态，即(＞0，(＜(d。烟流扩散能力弱于波浪型，离开排放源一定距离后，烟流沿基本保持水平的轴线呈圆锥形扩散，多出现阴天多云的白天和强风的夜间。大气污染物输送距离较远，落地浓度也比波浪型低。 (3) 带型。这种烟型出现在逆温层结的稳定大气中，即(＜0，(＜(d。大气几乎无湍流发生，烟流在竖直方向上扩散速度很小，其厚度在漂移方向上基本不变，像一条长直的带子，而呈扇形在水平方向缓慢扩散，也称为扇型，多出现于弱风晴朗的夜晚和早晨。由于逆温层的存在，污染物不易扩散稀释，但输送较远。若排放源较低，污染物在近地面处的浓度较高，遇到高大障碍物阻挡时，会在该区域聚积以致造成污染。如果排放源很高时，近距离的地面上不易形成污染。 (4)爬升型。爬升型为大气某一高度的上部处于不稳定状态，即(＞0，(＞(d，而下部为稳定状态，即(＜0，(＜(d时出现的烟流扩散型态。如果排放源位于这一高度，则烟流呈下侧边界清晰平直，向上方湍流扩散形成一屋脊状，故又称为屋脊型。这种烟云多出现于地面附近有辐射逆温日落前后，而高空受冷空气影响仍保持递减层结。由于污染物只向上方扩散而不向下扩散，因而地面污染物的浓度小。 (5)熏烟型。与爬升型相反，熏烟型为大气某一高度的上部处于稳定状态，即(＜0，(＜(d，而下部为稳定状态，即(＞0，(＞(d时出现的烟流运动型态。若排放源在这一高度附近，上部的逆温层好像一个盖子，使烟流的向上扩散受到抑制，而下部的湍流扩散比较强烈，也称为漫烟型烟云。这种烟云多出现在日出之后，近地层大气辐射逆温消失的短时间内，此时地面的逆温已自下而上逐渐被破坏，而一定高度之上仍保持逆温。这种烟流迅速扩散到地面，在接近排放源附近区域的污染物浓度很高，地面污染最严重。 上述典型烟云可以简单地判断大气稳定度的状态和分析大气污染的趋势。但影响烟流形成的因素很多，实际中的烟流往往更复杂。 2. 风 进入大气的污染物的漂移方向主要受风向的影响，依靠风的输送作用顺风而下在下风向地区稀释。因此污染物排放源的上风向地区基本不会形成大气污染，而下风向区域的污染程度就比较严重。 风速是决定大气污染物稀释程度的重要因素之一。由高斯扩散模式的表达式可以看出，风速和大气稀释扩散能力之间存在着直接对应关系，当其它条件相同时，下风向上的任一点污染物浓度与风速成反比关系。风速愈高，扩散稀释能力愈强，则大气中污染物的浓度也就愈低，对排放源附近区域造成的污染程度就比较轻。污染物浓度与地面风速u的关系曲线如图5－17所示，该图是某城市11月份和12月份SO2浓度的观测数据。显然，随着风速的提高，SO2浓度值降低，但变化趋势有所不同。当u＞（2～3）m/s时，SO2浓度值随着风速的增加迅速减小，而u＜（2～3）m/s后，SO2浓度值基本不变，表明此时的风速对污染物的扩散稀释影响甚微。 ? 二、地理环境状况的影响 影响污染物在大气中扩散的地理环境包括地形状况和地面物体。 1. 地形状况 陆地和海洋，以及陆地上广阔的平地和高低起伏的山地及丘陵都可能对污染物的扩散稀释产生不同的影响。 局部地区由于地形的热力作用，会改变近地面气温的分布规律，从而形成前述的地方风，最终影响到污染物的输送与扩散。 海陆风会形成的局部区域的环流，抑制了大气污染物向远处的扩散。例如，白天，海岸附近的污染物从高空向海洋扩散出去，可能会随着海风的环流回到内地，这样去而复返的循环使该地区的污染物迟迟不能扩散，造成空气污染加重。此外，在日出和日落后，当海风与陆风交替时大气处于相对稳定甚至逆温状态，不利于污染物的扩散。还有，大陆盛行的季风与海陆风交汇，两者相遇处的污染物浓度也较高，如我国东南沿海夏季风夜间与陆风相遇。有时，大陆上气温较高的风与气温较低的海风相遇时，会形成锋面逆温。 山谷风也会形成的局部区域的封闭性环流，不利于大气污染物的扩散。当夜间出现山风时，由于冷空气下沉谷底，而高空容易滞留由山谷中部上升的暖空气，因此时常出现使污染物难以扩散稀释的逆温层。若山谷有大气污染物卷入山谷风形成的环流中，则会长时间滞留在山谷中难以扩散。 如果在山谷内或上风峡谷口建有排放大气污染物的工厂，则峡谷风不利于污染物的扩散，并且污染物随峡谷风流动，从而造成峡谷下游地区的污染。 当烟流越过横挡于烟流途径的山坡时，在其迎风面上会发生下沉现象，使附近区域污染物浓度增高而形成污染，如背靠山地的城市和乡村。烟流越过山坡后，又会在背风面产生旋转涡流，使得高空烟流污染物在漩涡作用下重新回到地面，可能使背风面地区遭到较严重点污染。 2. 地面物体 城市是人口密集和工业集中的地区。由于人类的活动和工业生产中大量消耗燃料，使城市成为一大热源。此外，城市建筑物的材料多为热容量较高的砖石水泥，白天吸收较多的热量，夜间因建筑群体拥挤而不宜冷却，成为一巨大的蓄热体。因此，城市与周围郊区的气温比周围郊区气温高，年平均气温一般高于乡村1～1.5℃，冬季可高出6～8℃。由于城市气温高，热气流不断上升，乡村低层冷空气向市区侵入，从而形成封闭的城乡环流。这种现象与夏日海洋中的孤岛上空形成海风环流一样，所以称之为城市“热岛效应”。如图5－18所示。 城市热岛效应的形成与盛行风和城乡间的温差有关。夜晚城乡温差比白天大，热岛效应在无风时最为明显，从乡村吹来的风速可达2m/s。虽然热岛效应加强了大气的湍流，有助于污染物在排放源附近的扩散。但是这种热力效应构成的局部大气环流，一方面使得城市排放的大气污染物会随着乡村风流返回城市；另一方面，城市周围工业区的大气污染物也会被环流卷吸而涌向市区，这样，市区的污染物浓度反而高于工业区，并久久不宜散去。 城市内街道和建筑物的吸热和放热的不均匀性，还会在群体空间形成类似山谷风的小型环流或涡流。这些热力环流使得不同方位街道的扩散能力受到影响，尤其对汽车尾气污染物扩散的影响最为突出。如建筑物与在其之间的东西走向街道，白天屋顶吸热强而街道受热弱，屋顶上方的热空气上升，街道上空的冷空气下降，构成谷风式环流。晚上屋顶冷却速度比街面快，使得街道内的热空气上升而屋顶上空的冷空气下沉，反向形成山风式环流。由于建筑物一般为锐边形状，环流在靠近建筑物处还会生成涡流。当污染物被环流卷吸后就不利于向高空的扩散。 排放源附近的高大密集的建筑物对烟流的扩散有明显影响。地面上的建筑物除了阻碍了气流运动而使风速减小，有时还会引起局部环流，这些都不利于烟流的扩散。例如，当烟流掠过高大建筑物时，建筑物的背面会出现气流下沉现象，并在接近地面处形成返回气流，从而产生涡流。结果，建筑物背风侧的烟流很容易卷入涡流之中，使靠近建筑物背风侧的污染物浓度增大，明显高于迎风侧，如图5－19所示。如果建筑物高于排放源，这种情况将更加严重。通常，当排放源的高度超过附近建筑物高度2.5倍或5倍以上时，建筑物背面的涡流才不对烟流的扩散产生影响。 ? 三、污染物特征的影响 实际上，大气污染物在扩散过程中，除了在湍流及平流输送的主要作用下被稀释外，对于不同性质的污染物，还存在沉降、化合分解、净化等质量转化和转移作用。虽然这些作用对中、小尺度的扩散为次要因素，但对较大粒子沉降的影响仍须考虑，而对较大区域进行环境评价时净化作用的影响不能忽略。大气及下垫面的净化作用主要有干沉积、湿沉积和放射性衰变等。 干沉积包括颗粒物的重力沉降与下垫面的清除作用。显然，粒子的直径和密度越大，其沉降速度越快，大气中的颗粒物浓度衰减也越快，但粒子的最大落地浓度靠近排放源。所以，一般在在计算颗粒污染物扩散时应考虑直径大于l0μm的颗粒物的重力沉降速度。当粒径小于l0μm的大气污染物及其尘埃扩散时，碰到下垫面的地面、水面、植物与建筑物等，会因碰撞、吸附、静电吸引或动物呼吸等作用而被逐渐从烟流中清除出来，也能降低大气中污染物浓度。但是，这种清除速度很慢，在计算短时扩散时可不考虑。 湿沉积包括大气中的水汽凝结物(云或雾)与降水(雨或雪)对污染物的净化作用。放射性衰变是指大气中含有的放射物质可能产生的衰变现象。这些大气的自净化作可能减少某种污染物的浓度，但也可能增加新的污染物。由于问题的复杂性，目前尚未掌握它们对污染物浓度变化的规律性。若假定有粒子重力沉降时污染物的扩散规律与无沉降时相同，且地面对粒子全吸收，并假定污染物浓度在湿沉积、放射性衰变和化学反应净化作用下随时间按指数规律衰减，则高架源扩散时的浓度分布可以用下式粗略估算：  （5－41） 式中 us—粒子群的平均粒子直径在静止介质中的沉降速度，m/s，按式（4－9）计算； T—污染物浓度的半衰周期，即浓度衰减到原来一半时所需的时间，s。 ? 第四节 烟囱高度及厂址 一、烟囱高度的设计方法 高架连续点源的典型代表就是孤立的高烟囱。烟囱的作用除了利用热烟气与环境冷空气之间的密度差产生的自生通风力来克服烟气流动阻力向大气排放外，还要把烟气中的污染物散逸到高空之中，通过大气的稀释扩散能力降低污染物的浓度，使烟囱的周边的环境处于允许的污染程度之下。 1. 烟囱高度对烟气扩散的影响 烟囱高度对扩散稀释污染物以及降低污染物的落地浓度起着重要作用。由高斯扩散模式（4－23）可见，落地最大浓度与烟囱有效高度的平方成反比。一个高烟囱所造成的地面污染物浓度，总是比相同排放强度的低烟囱所造成的浓度低，如图5－20所示。其中，C(h2)＜C(h1)，即烟囱下风向高烟囱的地面烟气浓度小于低烟囱，只有当离开烟囱相当长的距离后烟气浓度曲线才逐渐接近。此外，Xmax(h2)＞Xmax(h1)，Cmax(h2)＜Cmax(h1)，即低烟囱的污染物最大落地浓度Cmax位于离烟囱较近的距离Xmax处，而且数值上比高烟囱污染物的最大落地浓度要大得多。因此，高烟囱的作用不是将高浓度的烟气由近处转移至远处，而是使下风处约10 km范围内的烟气浓度都降低了。 烟囱的设计应合理地确定烟囱高度，做到既减少污染又不浪费。因为高烟囱虽然非常有利于污染物浓度的扩散稀释，但烟囱达到一定高度后，再继续增加高度对污染物落地浓度的降低已无明显作用，而烟囱的造价也近似地与烟囱高度的平方成正比。因此，烟囱高度设计的基本要求是，在排放源造成的地面最大浓度不超过国家规定的数值标准下，使得建造投资费用最小。 2. 烟囱高度的设计方法 烟囱高度应满足排放总量控制的要求。目前，烟囱高度的计算一般采用按烟气在有效高度H处的正态分布扩散模式推导确定的简化公式，主要以地面最大浓度为依据，可以有以下两种计算方法： （1）按污染物的地面最大浓度计算的h。若国家规定的排放标准浓度为C0，当地本底浓度为Cb，则烟囱排放污染物产生的地面最大允许浓度应满足Cmax≤C0－Cb。如果设计有效高度为H的烟囱，当σz/σy＝常数（一般取0.5～1.0）时，由式（5－26）求解可得烟囱高度：  m （5－42） （2）按污染物的地面绝对最大浓度计算的h。 烟囱排放污染物产生的地面绝对最大允许浓度应满足Cabsm≤C0－Cb。当σz/σy＝常数（一般取0.5～1.0）时，可得烟囱高度：  m （5－43） 上述两种计算方法的差别在于风速取值不同。式（5－42）中按地面最大浓度计算h时取多年平均风速u，而式（5－43）则取用危险风速ucr计算h，这是考虑风速变化对地面最大浓度Cmax到的影响，当风速增加时，一方面使Cmax减小（见式5－26）；另一方面，从烟流抬升公式（5－36）可见烟流抬升高度Δh减小，则Cmax反而增大。这双重相反影响的结果，定会在某一风速下出现地面最大浓度的极大值，称为地面绝对最大浓度Cabsm。当出现绝对最大浓度时的风速即为危险风速ucr。显然，风速取值不同，计算结果也不同。 将烟流抬升高度公式代入式（5－26）中，对u求导，并令dCmax/du＝0，即可解得危险风速ucr。再将ucr代入式（5－26）中，便可得到式（5－43）。 3. 影响烟囱设计高度的因素 设计烟囱高度首先要考虑所用公式是否适当，能否代表实际的烟流扩散型式，其次是选择合理的计算参数。 （1）计算公式。烟囱高度设计中，选择适当的计算公式是准确确定烟囱高度的必要条件。除了上述介绍的以外，还有一些计算公式。这些公式对地形地貌及气象条件的依赖性很强，且计算结果差别也很大。例如上述两种烟囱高度计算公式，按u=5m/s和ucr＝15m/s分别计算，可达h＝0.46hcr，即按u计算的烟囱高度还不到按ucr计算结果的一半。设计时应结合当地实际状况，考虑可能出现的最不利的气象条件，以及地面最大浓度的数值、出现的频率与持续时间，从而选择适合相应条件的计算公式。 （2）气象参数。主要的气象参数有风速和扩散参数。 近地面的风速是影响大气扩散和烟囱高度的重要因素。如前所述，随着风速的增大，一方面增强了大气对污染物扩散稀释的能力，直接使地面最大浓度值减小；另一方面减小了烟流的抬升高度，降低了烟囱有效高度，反而使地面最大浓度值增大。因此，当烟囱的几何高度一定时，地面最大浓度将随风速由小增大而出现最大值，如图5－21所示。 若按危险风速或地面绝对最大浓度要求设计烟囱高度，实际风速下地面浓度均不会超标，但烟囱高、投资大；若按平均风速或地面最大浓度要求来设计，则烟囱较矮，可节省费用，但风速小于平均风速时，地面浓度可能超标。因此对于不同的地区，应当考虑一个合理的计算风速。 通常是确定出一个地面浓度不会超标的保证率，以此确定用于烟囱高度设计的计算风速，即这个高度可保证在所确定的保证率内地面浓度不会超标。对有抬升烟源的情况，用图5－21加以说明。若规定地面污染浓度不超过0.9Cabsm，由曲线查得，当风速u/ u cr＜0.52或u/ u cr＞1.92时，Cmax＜0.9 Cabsm 。如果这两区间风速的累计出现频率为90％，此即为抬升烟源的风速保证率，则计算风速应为0.52 u cr或1.92 u cr。 扩散参数对烟囱高度的设计影响也很大，选择时还需要根据当地的气象条件与实测σz、σy数据的统计分析。 （3）烟流出口速度vS。污染物地面最大浓度随烟囱的高度和出口烟气流速的增加而降低。为了保证在烟囱高度处的平均风速u较大的情况下，不因过分降低烟气抬升高度而造成局部污染浓度过高，一般要求vS/u＞1.5。当有几个烟源相距较近时，可采用集合式的单座烟囱以提高vS。考虑到设备运行有先后或启停时的vS不致过低，还可采用多筒集合式烟囱排放。但在集合温度相差较大的烟囱排烟时，要认真考虑。应当注意的是，如果烟流抬升高度主要取决于热力抬升，则过高的vS对烟流抬升的作用并不大，反而增大了烟气流动的阻力。 根据烟气流速度即可计算烟囱出口截面的内直径。 （4）烟气的干、湿沉降。为避免出现烟气的干、湿沉降现象，以及烟流受建筑物背风面涡流区影响，从而增加烟囱附近地区的污染浓度，要求烟囱与附近建筑物相距约20倍烟囱高度的距离，其高度不得低于周围建筑物高度的2.5倍。对于排放生产性粉尘的烟囱，其高度从地面算起应当大于15m，排气口高度应高于主厂房最高点3m以上，烟流出口速度vS＝20～30m/s. 此外，还可以考虑改进烟囱结构。例如，在烟囱出口处安装一个帽沿状的，向外延伸的尺寸不小于烟囱出口直径的水平圆盘；将烟囱出口段设计成文丘里喷管形状以提高烟气的动力抬升高度，但不应过分增大阻力。 （5）烟囱的散热。了提高出口烟气温度，增加进烟气的热力抬升能力，在烟囱设计过程中应考虑尽量减少烟道与烟囱的散热损失。例如，一座中型火电厂的排烟温度为150℃左右，如果风速为5 m/s，每提高1℃烟气温度，可使抬升高度增加约1.5m。 总之，烟囱设计应当综合考虑各种因素的影响，才能得到较合理的设计方案。 ? 二、厂址的选择 厂址选择是一个需要综合性考虑的问题，涉及到社会经济和科学技术等各个领域。从大气环境保护的角度出发，合理的厂址应是本底环境中的污染物浓度低，大气对污染物的扩散稀释能力强，以及所排放的污染物应被输送到对人类居住区域影响小或污染危害轻的地方。这里仅对气象条件和地形状况对厂址选择的影响进行讨论。 1. 本底环境浓度 本底环境浓度是指某地区现有的某些污染物的浓度水平，又称作背景浓度。显然，已超过国家《大气环境质量标准》规定的地区不宜再建排放这些污染物的新厂。虽然有些地方本底环境浓度没有超标，但加上拟建厂的排放物后浓度将会超标，而且在相当长的时期内无法克服，也不宜建厂。因此，厂址应选择本底环境浓度小的地区。 2. 风向和风速 厂址选择应考虑风对附近的生活区、工作区以及农作物区的影响，尤其是风向及其出现的频率与这些区域的关系。如果依据地区的风向频率图，其考虑原则如下：①厂址应设置在居住区等主要污染受体最小频率风向的上侧，排放量大或废气毒性大的企业应尽可能设在最小频率风向的最上侧，使居住区受污染的时间达到最少；②应尽量减少各企业之间发生重叠污染，不宜将各污染源布置在最大频率风向一致的直线上；③污染源应尽可能设置在对农作物和经济作物损害最小的生长季节的最大频率风向的下游。 此外，由于大气污染的危害程度与污染的停留时间和浓度两个因素有关，而风速与浓度成反比，所以影响大气污染物扩散稀释的另一重要因素是风速。如果仅考虑按风向频率布局，只能保证居民区受污染的时间最短，但不能确保该区域受到的污染程度最轻，因此在确定污染源与和被污染区的相对位置时，可定义一个污染系数ε来综合考虑风向频率f和平均风速u两个因素： ε＝f/u （4－44） 上式表明，某方位的风速大而风向频率小，该方位的污染系数就小，则其下风向的大气污染程度就轻。因此，污染源应该设在使污染地区的污染系数达到最小的方位上风向。表5－5为测定各方位风向频率和风速后的污染系数计算实例，表中的相对污染系数为某方位污染系数与各方位污染系数之和的比值，并将各方位的污染系数在图上连接后，得到图5－22所示的污染系数玫瑰图。通过对实例的分析可以判断，如仅考虑风向频率，厂址应设置在东边，但从污染系数的大小来看，厂址就应选择在西北方向。可见，污染系数是选择厂址的重要判断依据。 表5－5风向频率及污染系数实例 方 位 N NE E SE S SW W NW 总计  风向频率/％ 14 8 7 12 14 17 15 13 100  平均风速/m·s-1 3 3 3 4 5 6 6 6 ?  污染系数 4.7 2.7 2.3 3.0 2.8 2.8 2.5 2.1 ?  相对污染系数/％ 21 12 10 13 12 12 11 9 100  ? 但是，污染系数没有考虑风速对烟流抬升的影响，即排放源下风向污染程度最轻的地方并非总是污染系数值为最小。由上述讨论可知，随着风速的增大，一方面使大气污染物的扩散稀释能力增强，直接减小地面最大浓度；另一方面使烟流抬升高度减小，反而增大了地面最大浓度，而风速达到危险风速时，地面出现绝对最大浓度。所以，只有当风速超过危险风速后，才出现风速越大，地面浓度越小的现象，见图5－21。对于中、矮烟囱，烟流抬升较弱，危险风速只有1～2 m/s，此时仍可用污染系数来考虑厂址的选择。但对抬升高度很高的发电厂、冶炼厂，危险风速非常高，可能超过10m/s，如果风速小于危险风速，随着风速增大，地面浓度反而增高，因此不能仅利用污染系数估算污染的程度，还要根据烟流特性和气象资料进行分析计算。 对于静风(u＜1.0m/s)和微风(u＝1～2m/s)出现频率高，持续时间长的地区，由于大气的扩散能力差，容易引起大气中污染物的浓度增高而造成污染。因此要统计静风频率和静风的持续时间，绘制出静风持续时间频率图进行分析，尽量避免在全年静风频高或静风持续时间长的地方建厂。对于地形复杂的山区，随着地形高度的不同，风向风速变化很大，应选择适当的测点绘出局部污染系数玫瑰图。 3. 温度层结 近地层大气温度层结对污染物的扩散稀释过程影响极大。选择厂址时，可以利用已有的气象资料，按照帕斯奎尔法或其它方法对大气稳定度级别出现的频率进行分类统计，并绘制相应的图表。尤其要收集有关逆温情况的资料，如出现时的频率和持续时间，发生的高度、厚度以及强度等，特别要注意逆温与静风或微风同时出现的情况。 离地面200～300m以内的逆温对大多数低矮烟源影响很大，由于此时地面风速都较小，污染物扩散稀释缓慢，往往在排放源附近造成很高的污染物浓度，因此具有低矮排放源的工厂不宜建在近地层出现逆温频率高、持续时间长的地区。如果排放源的有效高度高于近地逆温层的顶部，污染物难以向下运动，将产生爬升型扩散，对防止污染最为有利。如果高大烟源位于逆温层内，在逆温消解时会产生短时间的熏烟型污染，其它时间一般不会使烟源附近出现高浓度污染，但扩散速度缓慢，污染范围较大，远距离地面浓度偏高。 上部逆温主要对高大烟源扩散的影响较大，即使增加烟囱高度也不能明显降低污染物的地面浓度，但它对低矮烟源的扩散无明显的影响。 厂址选择还要适当考虑其它象条件。如低云和雾较多的地区容易形成更大的污染，而降水较多的地区由于雨水可以净化空气中的污染物，使得污染物浓度降低，空气往往较洁净。当降雨与固定的盛行风常常同时出现的地区，厂址选择中应考虑被污染的雨水可能会被风吹向下风方向的问题。 4.地形 不同的地形，在其上空会产生不同的扩散条件。如果厂址选择在不利于污染物扩散稀释的地形位置，可能在小范围内造成污染物的聚积，产生较高的浓度，严重时会引起大气污染。因此，选择厂址时应考虑地形对污染物扩散的影响，最基本考虑的因素有： （1）在低洼地区选择厂址时，应考虑四周山坡上的居民区及农田。当排放源的有效高度不能超过山坡上的农田与居民区的高度时，不宜建厂。对于高山或四周很高的深谷，由于静、微风频率高且持续时间长，以及逆温层经常不易消散，污染物可能持久在深谷内聚积，浓度很高，不宜建厂。 （2）在山坡附近选择厂址时，排放源的有效高度必须能够超过背风坡的湍流区及下坡风的厚度，否则不宜建厂，因为烟流会很快压向背风坡地面，造成高浓度的污染。如果要在背风坡建厂，工厂的排放源应设在远离背风坡湍流区的地方，而一般不宜将居住区设在背风面的污染区。 （3）走向与盛行风向交角为45(～135(的较深长的山谷，谷内风速一般较低，经常出现静风与微风现象，污染物不易扩散稀释。因此排放源的有效高度应高于山谷内静风或微风的高度，否则不宜建厂。在风速有规律变化或日平均风速经常很小的山谷中也不宜建厂。 （4）在海陆风比较稳定的大型水域，如果沿岸与山地毗邻，靠山地区不利于污染物的稀释扩散，不宜作为厂址。如果在水域毗邻的陆地建厂时，应该使生活区与厂区的排列与海岸平行，以减少海陆风环流对生活区造成的污染。 由于地形对大气污染的影响是多种多样的，也非常复杂，选址必须对实地情况作具体分析。如果在地形复杂的地区选址，应当根据地形和专门的气象观测判断可能出现的主要大气污染现象，一般应进行现场扩散实验或风洞模拟实验。这样，才能对当地的大气扩散能力、建厂条件，以及厂外布置等做出准确的评价，为确定必要的对策或防护措施提供依据。 ? 复习思考题 1．? 主要的气象要素有哪些？ 2．? 何谓气温直减率、干绝热直减率、大气稳定度? 3．? 大气的温度层结有几种型式？有哪几种逆温? 辐射逆温是怎么形成和消失的？ 4．? 推出高斯扩散模式中高架点源扩散的地面浓度浓度分布C（x,y,0，H）表达式。 5．? 影响烟流抬升高度的因素有哪些？ 6．? 试分析影响大气污染扩散的主要因素。 7．? 试分析烟囱高度对烟气扩散的影响，以及设计烟囱高度时需要考虑的因素。 ? http://unit.xjtu.edu.cn/unit/boiler/szwang/book-ee/chp5.htm第六章 水体污染 ? 水是地球表面最主要的天然组成物质,水是生命的源泉，是人类生活、生产的最重要的自然资源，也是自然生态系统繁荣昌盛的最重要的依赖因素。人类习惯于把水看作是取之不尽、用之不竭的最廉价的自然资源，但随着人口的膨胀和经济的快速发展，水资源短缺的现象正在很多地区相继出现，水污染及其所带来的危害更加剧了水资源的紧张，并严重破坏了自然界的生态平衡，对人类自身的生存和进一步发展也构成了严重威胁，因此，切实防治水污染、保护水资源已成为当今人类的迫切任务。 人类解决水问题的有效途径，就是节约用水、清洁生产和废水的综合治理，其中废水的治理水平和利用程度将成为21世纪社会发展和社会文明的重要指标。 本章将首先简要介绍自然界水的循环、水资源、水生态系统等概念，在此基础上比较系统地介绍水体污染的来源和污染物，水质指标和水质标准，为后续水体自净和污水处理内容的讲解打下基础。 ? 第一节 概述 一、水循环 1. 水的自然循环 自然界中的水并不是静止不动的，在太阳辐射及地球引力的作用下，水的形态不断发生由液态－气态－液态的循环变化，并在海洋、大气和陆地之间不停息地运动，从而形成了水的自然循环。例如，海水蒸发为云，随气流迁移到内陆，与冷气流相遇，凝为雨雪而降落，称为降水。一部分降水沿地表流动，汇于江河湖泊；另—部分渗于地下，形成地下水流。在流动过程中，两种水流不时地相互转化或补给，最后又复归大海。这种发生在海洋与陆地之间全球范围的水分运动，称为大循环或海陆循环，它是陆地水资源形成和赋存的基本条件，是海洋向陆地输送水分的主要作用。那些仅发生在海洋或陆地范围内的水分运动，称为小循环。不论何种循环，使水蒸发的基本动力是太阳热能，使云气运动的动力是密度差。自然界水分的循环和运动是陆地淡水资源形成、存在和永续利用的基本条件。水的自然循环见图6-1。 2. 水的社会循环 除了上述水的自然循环外，水还由于人类的活动而不断地迁移转化，形成了水的社会循环。水的社会循环是指人类为了满足生活和生产的需求，不断取用天然水体中的水，经过使用，一部分天然水被消耗，但绝大部分却变成生活污水和生产废水排放，重新进入天然水体。 与水的自然循环不同，在水的社会循环中，水的性质在不断地发生变化。例如，在人类的生活用水中，只有很少一部分是作为饮用或食物加工以满足生命对水的需求的，其余大部分水是用于卫生目的，如洗涤、冲厕等。显然，这部分水经过使用会挟入大量污染物质。工业生产用水量很大，除了用一部分水作为工业原料外，大部分是用于冷却、洗涤或其他目的，使用后水质也发生显著变化，其污染程度随工业性质、用水性质及方式等因素而变。在农业生产中，化肥、农药使用量的日益增加使得降雨后的农田径流会挟带大量化学物质流入地面或地下水体，从而形成所谓“面污染”。 在水的社会循环中，生活污水和工农业生产废水的排放，是形成自然界水污染的主要根源，也是水污染防治的主要对象。 ? 二、水资源 水是维系生命的基本物质，是工农业生产和城市发展不可缺少的重要资源。它是地球上分布最广的自然物质，作为地球上较轻的物质，在几十亿年的重力分异过程中集中分布于地球的表面，在逐渐趋冷的地表环境中以液态和同态形式存在，覆盖看地球表面的70.8％。就其水量而言，若将所有的水均匀分布于地表，地球表面的平均水深将达到2800m，其总量约为13.58亿km3，应该说是十分丰富的。但地球上的水以各种不同的形式分布于不同的地方，如表6-1所示。由表可见，地球上约有97.2％的水是海水，宽广的海洋覆盖了地球表面的70.8％以上，但海水是含有大量矿物盐类的“咸水”，不宜被人类直接使用。人类生命活动和生产活动所必需的淡水水量有限，只占总水量的2.53%，其中还有约3／4以冰川、冰帽的形式存在于南北极地，人类很难使用。实际上，目前与人类关系最密切、又较易开发利用的淡水贮量仅占地球上总水量的0.3％，人均不足1万m3。 1. 世界水资源总量 在全世界陆地上分布的可更新的水资源量为4.7万km3，以地表径流和地下径流的形式产出，约占全球总水量的十万分之三点四，1971年人均占有1.29万m3，2000年人均占有0.73万m3。由于水资源时空分布上的局限和技术经济条件的限制，能被人们利用的水量还不到五分之一，如美国的水资源利用率为17.6％，中国为17.8％。 2. 我国水资源的特点 我国的水资源总量并不贫乏，约为28124.4亿m3，其降水量为60000亿立方米左右，相当于全球陆地总降水量的5％，占世界第三位。多年平均地表径流量为27115亿m3，仅少于巴西、前苏联、加拿大、美国和印尼，居世界第六位。年均地下水资源量为8288亿m3。但由于我国人口众多，按人均年径流量计，仅为每人每年2400m3，相当于世界人均占有量的1／4，位于世界各国的第88位，因此，我国水资源相当贫乏。 此外，由于我国地域辽阔，地形复杂，南北、东西气候差异大，水资源还存在如下特点： (1) 水量在地区分布上不平衡 由于受自然条件的影响，中国水资源的分布在空间上极不均衡。水资源分布呈东南多、西北少，由东南沿海地区向西北内陆递减。全国平均降水量为648mm，而北方地区年降水量不足400mm的干旱半干旱地区面积占国土总面积的47％；小于200mm降水量的地区占国土总面积的29％，而降水总量只占全国的5.3％；淮河以北所拥有的水资源量仅为全国水资源总量的19％，而这一地区的耕地面积却是全国耕地面积的64％。如果有一条斜线将中国分为东南和西北两大区，则占据国土面积53％的东南沿海地区，拥有了全国水资源总量的93％，而西北广大地区却只有7％的水资源量。 (2) 水量在时程分配上很不均匀 中国水资源在时间上的分布也极不均衡，在广大的北方和西部地区，降水多集中于一年的6～9月份，约占年降水总量的70％以上，而其他季节降水稀少，气候干旱。年际变化也非常明显，北方地区的降水量年际变化有时相差5～8倍以上。 (3) 水土资源组合不相适应 东北、西北、黄淮河流域径流量只占全国总量的17%，但土地面积却占全国的65%；长江以南江河径流量占全国的83%，土地面积仅占35%。此外，对水资源的开发利用各地也很不平衡，南方多水地区水的利用程度较低，北方少水地区地表水、浅层地下水开发利用程度较高。 水资源在区域和时程上分布的极不均衡，不仅严重影响水资源的持续利用，加剧缺水地区水资源的紧缺状况，大幅度地增加异域调水和水资源工程调节的困难和成本，甚至频发大面积的水旱灾害，对水资源的合理利用和社会经济的可持续发展极为不利。 3. 水资源的主要用途 现代社会中水的用途随着人类社会经济活动的多样化而日益广泛，除传统的农业灌溉和生活饮用以外，还有各种方式的工业用水、城市供水、畜禽用水、牧草灌溉、林业繁育、生态及环境用水、水力发电、航运、渔业、工程及河道冲淤等。其中农业用水仍然是最主要和用水量最大的部门。 4. 水资源开发利用中存在的主要问题 在水资源开发利用过程中，出于对需水量的快速增长，人类凭借日益先进的科学技术手段，几近掠夺式地索取水资源，从而导致江河断流，地下水位持续下降，甚至地面下沉，海水倒灌。同时，大量人类生活、生产过程中产生的废物和废水被排放到水体中，造成了严重的污染，进一步加剧了可用水资源的短缺，对社会经济的发展以及人类健康产生了多方面的不利影响。 (1)水体污染 在工业发展的初期，人们更多地考虑发展生产、追求利益，忽视了工业三废对环境的影响而自然排放废水、废气和废渣，不可避免地产生了水体和环境的污染。发达国家无一例外地经历过先污染后治理的发展历程，污染的空气、发臭的河流和遍地的垃圾成为现代社会发展初期的历史景象。中国近几十年也在经历这一历史时期，并已产生了严重的危害。中国目前日排放污水已近1.7亿t，其中80％以上未经任何处理即直接排入水体，使江河湖泊及近海海域普遍受到污染，城镇和工业区及其附近地区的地下水也普遍遭受污染。2001年东海已发生28次大规模红潮，污染面积最大达8千多km2。 经济发达的长江、海滦河流域和珠江流域废水排放量较大，污染严重，污径比分别为12.8％、5.3％和3.4％。1980年全国废水排放总量为315亿吨；1995年为365亿吨，北方地区已有70％以上的河段为劣Ⅳ类水质；2001年，全国废水排放总量达620亿吨，比1980年的几乎翻了一倍，综合水质评估80％的河段水质为劣Ⅳ类，仅能用于灌溉用水，表明水体污染依然在加剧。 (2)水源枯竭 城市人口的急剧膨胀以及工业经济的飞速发展，使得地下水资源被大规模超强度地开采和消耗，因而造成了城市地下水位的持续快速下降。即使在地表水源区，由于需水区水环境的严重污染以及近距离供水强度的不足，远距离高成本地开发新水源也势在必行。有着“八水绕长安”之美誉的西安市，由于污染及对水资源的过度开采，而使得地下水资源枯竭并造成了快速的地面沉降，渭河等近郊河流水质污染及河流水量不足更使得它备受水荒之苦。江城武汉以长江为重要的供水水源，近年来也常因枯水期水质恶化而暂停使用。华北平原及京津地区的地下水资源丰富，但快速增加的水资源需求也使这一地区成为严重水源不足的地区。水源枯竭严重地制约了缺水地区的社会经济发展。 (3)生态环境恶化 人类以惊人的力量和速度开发利用水资源，大江大河被拦腰截流，大规模深层优质地下水被持续开采。超强度的人类开发对水文系统、自然环境和生态系统产生了严重的干扰甚至破坏。江河断流、水质污染、水土流失加剧、湖泊萎缩和水质咸化、土地退化和沙漠化加剧、地面沉陷、次生盐渍化、陆地水生生态环境破坏和物种灭绝等人为灾害层出不穷，不仅严重地威胁着水资源的持续利用，也极大地威胁着人类自身的生存环境安全。 ? 三、水生生态系统 地球上的水主要以连续状态存在，构成各种水体。存在于地面上的，如海洋、江河、湖泊、沼泽、冰川和水库等属于地面水体；存在于地下者，包括潜水和承压水则属于地下水体。 水体中的水、溶解物质、悬浮物、底质和水生生物等作为完整的自然综合体构成了水生生态系统。水生生态系统由四个基本要素组成： （1） 绿色植物(生产者) 以阳光为能源，将无机物(CO2、H2O等)合成为有机物，以构成本体并供动物食用； （2） 动物(消费者) 它们直接或间接地以植物为生； （3） 微生物(分解者) 分解生产者和消费者的排泄物或尸体，把复杂的有机物转化为简单的无机物(CO2、NH3等)返回环境，再为绿色植物所利用； （4） 非生命物质 包括阳光、空气、水和无机及有机物质，它们是水生生物活动的场所，也是生命体能量的最初来源。 在水生生态系统中，低级生物被高级生物食用，食物关系把他们联系在一起，构成了错综复杂的食物链。食物链有一个显著特征，即富集作用(又称生物放大器作用)。比如，有许多污染物(如重金属、农药等)本来在水中的浓度并不高，但某些藻类可对它们选择性地吸收蓄积，并通过食物链一级一级地富集起来，最终转移进入人体可能达到很高的浓度，从而对人体产生危害。 任一水生生态系统内部各要素间都相互联系、相互制约，在一定条件下，保持着自然的、相对的平衡关系，称为生态平衡。生态平衡维持着正常的生物循环，一旦排入水体的废物超过其维系平衡的“自净容量”时，正常的生态平衡被打破坏，水体即被污染了。 ? ? 第二节 水体的主要污染源 水体是海洋、湖泊、河流、沼泽、水库、地下水的总称。按水体的类型，又可将水体分为海洋水体和陆地水体两种。陆地水体进一步可以分成地表水水体和地下水水体。 水在循环过程中，不可避免地会混入许多杂质(溶解的、胶态的和悬浮的)。在自然循环中，由非污染环境混入的物质称为自然杂质或本底杂质。社会循环中，在使用过程中混入的物质称为污染物。 由于人类活动排放出大量的污染物，这些污染物质通过不同的途径进入水体，使水体的感官性状(如色度、味、浑浊度等)、物理化学性质(如温度、电导率、氧化还原电位、放射性等)、化学成分(有机物和无机物)、水中的生物组成(种群、数量)以及底质等发生变化，水质变坏，水的用途受到影响，这种情况就称为水体污染。向水体排放或释放污染物的来源或场所，称之为“水体污染源”。 随着人类生产、生活活动的不断扩大与增强，水体的污染程度有日益恶化的趋势。一般将水体的污染程度分为五级：一级水体水质良好，符合饮用水、渔业用水水质标准。二级水体受污染物轻度污染，符合地面水水质卫生标准，可作为渔业用水，经处理之后可作为饮用水。三级水体污染较严重，但可以作为农业灌溉用水。四级水体水质受到重污染，水体中的水几乎无使用价值。五级水体水质受到严重污染，水质已超过工业废水最高允许排放浓度标准。 人类活动中产生的大量污水中含有许多对水体产生污染的物质，从环境保护角度可将水体污染源主要分为以下几个方面。 ? 一、生活废水 生活废水是人们日常生活中产生的各种废水的总称。主要包括粪便水、洗浴水、洗涤水和冲洗水等。其来源除家庭生活废水外，还有各种集体单位和公用事业等排出的废水。 生活废水中杂质很多，杂质的浓度与用水量多少有关，它有如下几个特点： （1）?????? 含氮、磷、硫高； （2）?????? 含有纤维素、淀粉、糖类、脂肪、蛋白质、尿素等在厌氧性细菌作用下易产生恶臭的物质； （3）?????? 含有多种微生物，如细菌、病原菌、病毒等，易使人传染上各种疾病； （4）?????? 由于洗涤剂的大量使用，使它在废水中含量增大，呈弱碱性，对人体有一定危害。 随着人口在城市和工业区的集中，城市生活废水的排放量剧增。1997年与1990年比，城市生活废水排放量翻了一番，达到了218亿吨。生活废水中多含有机物质，容易被生物化学氧化而降解。未经处理的生活废水排人天然水体会造成水体污染。所以，这种水一般不能直接用于农业灌溉，需经处理后才能进行排放。 ? 二、工业废水 由于工业的迅速发展，工业废水的水量及水质污染量很大，它是最重要的污染源，具有以下几个特点。 (1)??? 排放量大，污染范围广，排放方式复杂 工业生产用水量大，相当一部分生产用水中都携带原料、中间产物、副产物及终产物等排出厂外。工业企业遍布全国各地，污染范围广，不少产品在使用中又会产生新的污染。如全世界化肥施用量约5亿t，农药200多万吨，使遍及全世界广大地区的地表水和地下水都受到不同程度的污染。工业废水的排放方式复杂，有间歇排放，有连续排放，有规律排放和无规律排放等，给污染的防治造成很大困难。 (2)??? 污染物种类繁多，浓度波动幅度大 由于工业产品品种繁多，生产工艺也各不相同，因此，工业生产过程中排出的污染物也数不胜数，不同污染物性质有很大差异，浓度也相差甚远。 (3)??? 污染物质毒性强，危害大 被酸碱类污染的废水有刺激性、腐蚀性，而有机含氧化合物如醛、酮、醚等则有还原性，能消耗水中的溶解氧，使水缺氧而导致水生生物死亡。工业废水中含有大量的氮、磷、钾等营养物，可促使藻类大量生长耗去水中溶解氧，造成水体富营养化污染。工业废水中悬浮物含量很高，可达3000mg/L，为生活废水的10倍。 (4)??? 污染物排放后迁移变化规律差异大 工业废水中所含各种污染物的性质差别很大，有些还有较强毒性，较大的蓄积性及较高的稳定性。一旦排放，迁移变化规律很不相同，有的沉积水底，有的挥发转入大气，有的富集于生物体内，有的则分解转化为其他物质，甚至造成二次污染，使污染物具有更大的危险性。 (5)??? 恢复比较困难 水体一旦受到污染，即使减少或停止污染物的排放，要恢复到原来状态仍需要相当长的时间。 ? 工业废水主要有下列来源： 1．采矿及选矿废水 各种金属矿、非金属矿、煤矿开采过程中产生的矿坑废水，主要含有各种矿物质悬浮物和有关金属溶解离子。硫化矿床的矿水中含有硫酸及酸性矿水，有较大的污染性。选矿或洗煤的废水，除含有大量的悬浮矿物粉末或金属离子外，还含有各类浮选剂。 2．金属冶炼废水 炼铁、炼钢、轧钢等过程的冷却水及冲浇铸件、轧件的水污染性不大；洗涤水是污染物质最多的废水，如除尘、净化烟气的废水常含大量的悬浮物，需经沉淀后方可循环利用，但酸性废水及含重金属离子的水有污染。 3．炼焦煤气废水 焦化厂、城市煤气厂等在炼焦与煤气发生过程中产生严重污染的废水，含有大量酚、氨、硫化物、氰化物、焦油等杂质，可产生多方面的污染效应。 4．机械加工废水 主要含有润滑油、树脂等杂质，机械加工各种金属制品所排出的废液和冲洗废水，还含有各种金属离子如铬、锌以及氰化物等，他们都是剧毒性的。电镀废水的涉及面很广，且污染性大，是重点控制的工业废水之一。 5．石油工业废水 主要包括石油开采废水、炼油废水和石油化工废水三个方面。油田开采出的原油在脱水处理过程中排出含油废水，这种废水中还含有大量溶解盐类，其具体成分与含油地层地质条件有关。 炼油厂排出的废水主要是含油废水、含硫废水和含碱废水。含油废水是炼油厂最大量的一种废水，主要含石油，并含有一定量的酚、丙酮、芳烃等；含硫废水具有强烈的恶臭，对设备具有腐蚀性；含碱废水主要含氢氧化钠，并常夹带大量油和相当量的酚和硫，pH可达11～14。 石油化工废水成分复杂。裂解过程的废水基本上与炼油废水相同，除含油外还可能有某些中间产物混入，有时还含有氰化物。由于产品种类多且工艺过程各不相同，废水成分极为复杂。总的特点是悬浮物少，溶解性或乳浊性有机物多，常含有油分和有毒物质，有时还含有硫化物和酚等杂质。 6．化工废水 化学工业包括有机化工和无机化工两大类，化工产品多种多样，成分复杂，排出的废水也多种多样。多数有剧毒，不易净化，在生物体内有一定的积累作用，在水体中具有明显的耗氧性质，易使水质恶化。 无机化工废水包括从无机矿物制取酸、碱、盐类基本化工原料的工业，这类生产中主要是冷却用水，排出的废水中含酸、碱、大量的盐类和悬浮物，有时还含硫化物和有毒物质。有机化工废水则成分多样，包括合成橡胶、合成塑料、人造纤维、合成染料、油漆涂料、制药等过程中排放的废水，具有强烈耗氧的性质，毒性较强，且由于多数是人工会成的有机化合物，因此污染性很强，不易分解。 7．造纸废水 造纸工业使用木材、稻草、芦苇、破布等为原料，经高温高压蒸煮而分离出纤维素，制成纸浆。在生产过程中，最后排出原料中的非纤维素部分成为造纸黑液。黑液中含有木质素、纤维素、挥发性有机酸等，有臭味，污染性很强。 8．纺织印染废水 纺织废水主要是原料蒸煮、漂洗、漂白、上浆等过程中产生的含天然杂质、脂肪以及淀粉等有机物的废水。印染废水是洗染、印花、上浆等多道工序中产生的，含有大量染料、淀粉、纤维素、木质素、洗涤剂等有机物，以及碱、硫化物、各类盐类等无机物，污染性很强。 9．皮毛加工及制革废水 主要包括皮毛和皮革的清整等加工过程，经浸泡、脱毛、清理等预备工序排出的废水，富含丹宁酸和铬盐，有很高的耗氧性，是污染性很强的工业废水之一。 10．食品工业废水 食品工业的内容极其复杂，包括制糖、酿造、肉类、乳品加工等生产过程，所排出的废水都含有机物，具有强的耗氧性，且有大量悬浮物随废水排出。动物性食品加工排出的废水中还含有动物排泄物、血液、皮毛、油脂等，并可能含有病菌，因此耗氧量很高，比植物性食品加工排放的废水的污染性高得多。 一些工业废水中所含的主要污染物如表6-2 所示。 ? 表6-2 一些工业废水中的主要污染物 工业部门 废水中主要污染物  化学工业 各种盐类、Hg、As、Cd、氰化物、苯类、酚类、醛类、醇类、油类、多环芳香烃化合物等  石油化学工业 油类、有机物、硫化物  有色金属冶炼 酸、重金属Cu、Pb、Zn、Hg、Cd、As等  钢铁工业 酚、氰化物、多环芳香烃化合物、油、酸  纺织印染工业 染料、酸、碱、硫化物、各种纤维素悬浮物  制革工业 铬、硫化物、盐、硫酸、有机物  造纸工业 碱、木质素、酸、悬浮物等  采矿工业 重金属、酸、悬浮物等  火力发电 冷却水的热污染、悬浮物  核电站 放射性物质、热污染  建材工业 悬浮物  食品加工工业 有机物、细菌、病毒  机械制造工业 酸、重金属Cr、Cd、Ni、Cu、Zn等,油类  电子及仪器仪表工业 酸、重金属  ? 三、农业生产废水 农业废水包括农作物栽培、牲畜饲养、食品加工等过程排出的废水和液态废物。在农业生产方面，农药、化肥的广泛施用也对水环境、土壤环境等造成了严重的污染。 喷洒农药及施用化肥，一般只有少量附着或施用于农作物上，其余绝大部分残留在土壤和飘浮在大气中，然后通过降雨、径流和土壤渗流进入地表水或地下水，造成污染。农药是农业污染的主要方面。各种类型农药的广泛施用，使它存在于土壤、水体、大气、农作物和水生生物体中。 肉类制品(包括鸡、猪、牛、羊等)在过去的15年中产量急剧增长，随之而来的是大量的动物粪便直接排入饲养场附近水体，造成了水体污染。牲畜饲养场排出的废物也是水体中生物需氧量和大肠杆菌污染的主要来源。在杭州湾进行的一项研究发现，水体中化学耗氧量的88％来自农业，化肥和粪便中所含的大量营养物是对该水域自然生态平衡以及内陆地表水和地下水质量的最大威胁。 农业废水是造成水体污染的面源，它面广、分散、难于收集，难于治理。综合起来看，农业污染具有以下两个显著特点：（1）有机质、植物营养物质及病原微生物含量高。如中国农村牛圈所排废水生化需氧量可高达4300mg/L，是生活废水的几十倍；（2）含较高量的化肥、农药。施用农药、化肥的80％～90％均可进入水体，有机氯农药半衰期约为15年，所以参加了水循环形成全球性污染，在一般各类水体中均有其存在。 ? 第三节 水体主要污染物 凡使水体的水质、生物质、底质质量恶化的各种物质均可称为水体污染物或水污染物。根据对环境污染危害的情况不同，可将水污染物分为以下几个类别:固体污染物、生物污染物、需氧有机污染物、富营养性污染物、感官污染物、酸碱盐类污染物、有毒污染物、油类污染物、热污染物等。 1.固体污染物 固体物质在水中有三种存在形态:溶解态、胶体态、悬浮态。在水质分析中，常用一定孔径的滤膜过滤的方法将固体微粒分为两部分:被滤膜截留的悬浮固体(SS－Suspended Solids)和透过滤膜的溶解性固体(DS-Dissolved Solids)，二者合称总固体(TS-Total Solids)。这时，一部分胶体包括在悬浮物内，另一部分包括在溶解性固体内。 悬浮物在水体中沉积后，会淤塞河道，危害水体底栖生物的繁殖，影响渔业生产。灌溉时，悬浮物会阻塞土壤的孔隙，不利于作物生长。大量悬浮物的存在，还干扰废水处理和回收设备的工作。在废水处理中，通常采用筛滤、沉淀等方法使悬浮物与废水分离而除去。 水中的溶解性固体主要是盐类，亦包括其它溶解的污染物。含盐量高的废水，对农业和渔业生产有不良影响。 2.生物污染物 生物污染物系指废水中的致病微生物及其它有害的生物体。主要包括病毒、病菌、寄生虫卵等各种致病体。此外，废水中若生长有铁菌、硫菌、藻类、水草及贝壳类动物时，会堵塞管道、腐蚀金属及恶化水质，也属于生物污染物。 生物污染物主要来自城市生活废水、医院废水、垃圾及地面径流等方面。病原微生物的水污染危害历史最久，至今仍是危害人类健康和生命的重要水污染类型。洁净的天然水一般含细菌是很少的，病原微生物就更少，受病原微生物污染后的水体，微生物激增，其中许多是致病菌、病虫卵和病毒，他们往往与其他细菌和大肠杆菌共存，所以通常规定用细菌总数和菌指数为病原微生物污染的间接指标。 病原微生物的特点是：数量大、分布广、存活时间较长、繁殖速度很快、易产生抗药性，很难消灭。因此，此类污染物实际上通过多种途径进人人体，并在体内生存，一旦条件适合，就会引起人体疾病。 3.需氧有机污染物 废水中能通过生物化学和化学作用而消耗水中溶解氧的物质，统称为需氧污染物。绝大多数的需氧污染物是有机物，无机物主要有Fe、Fe2+、S2-、SO32-、CN-等，仅占很少量的部分。因而，在水污染控制中，—般情况下需氧物即指有机物。 天然水中的有机物一般指天然的腐殖物质及水生生物的生命活动产物。生活废水、食品加工和造纸等工业废水中，含有大量的有机物，如碳水化合物、蛋白质、油脂、木质素、纤维素等。有机物的共同特点是这些物质直接进入水体后，通过微生物的生物化学作用而分解为简单的无机物质－二氧化碳和水，在分解过程中需要消耗水中的溶解氧，而在缺氧条件下污染物就发生腐败分解、恶化水质，因此常称这些有机物为需氧有机物。水体中需氧有机物越多，耗氧也越多，水质也越差，说明水体污染越严重。在一给定的水体中，大量有机物质能导致氧的近似完全的消耗，很明显对于那些需氧的生物来说，要生存是不可能的，鱼类和浮游动物在这种环境下就会死亡 需氧有机物常出现在生活废水及部分工业废水中，如有机合成原料、有机酸碱、油脂类、高分子化合物、表面活性剂、生活废水等。它的来源多，排放量大，所以污染范围广。 4.富营性污染物 营养性污染物是指可引起水体富营养化的物质，主要是指氮、磷等元素，其他尚有钾、硫等。此外，可生化降解的有机物、维生素类物质、热污染等也能触发或促进富营养化过程。 从农作物生长的角度看，植物营养物是宝贵的物质，但过多的营养物质进人天然水体，将使水质恶化、影响渔业的发展和危害人体健康。一般来说，水中氮和磷的浓度分别超过0.2和0.02mg/L，会促使藻类等绿色植物大量繁殖，在流动缓慢的水域聚集而形成大片的水华(在湖泊、水库)或赤潮(在海洋)；而藻类的死亡和腐化又会引起水中溶解氧的大量减少，使水质恶化，鱼类等水生生物死亡；严重时，由于某些植物及其残骸的淤塞，会导致湖泊逐渐消亡。这就是水体的营养性污染 (又称富营养化)。 水中营养物质的来源，主要来自化肥。施入农田的化肥只有一部分为农作物所吸收，其余绝大部分被农田排水和地表径流携带至地下水和河、湖中。其次，营养物来自于人、畜、禽的粪便及含磷洗涤剂。此外，食品厂、印染厂、化肥厂的染料厂、洗毛厂、制革厂、炸药厂等排出的废水中均含有大量氮、磷等营养元素。 5.感官污染物 废水中能引起异色、浑浊、泡沫、恶臭等现象的物质，虽无严重危害，但能引起人们感官上的极度不快，被称为感官性污染物。对于供游览和文体活动的水体而言，感官性污染物的危害则较大。 异色、浑浊的废水主要来源于印染厂、纺织厂、造纸厂、焦化厂、煤气厂等。恶臭废水主要来源于炼油厂、石化厂、橡胶厂、制药厂、屠宰厂、皮革厂。当废水中含有表面活性物质时，在流动和曝气过程中将产生泡沫，如造纸废水、纺织废水等。 各类水质标准中，对色度、臭味、浊度、漂浮物等指标都作了相应的规定。 6.酸、碱、盐类污染物 酸碱污染物主要由工业废水排放的酸碱以及酸雨带来。酸碱污染物使水体的pH值发生变化，破坏自然缓冲作用，消灭或抑制细菌及微生物的生长，妨碍水体自净，使水质恶化、土壤酸化或盐碱化。 各种生物都有自己的pH适应范围，超过该范围，就会影响其生存。对渔业水体而言，pH值不得低于6或高于9.2，当pH值为5.5时，一些鱼类就不能生存或繁殖率下降。农业灌溉用水的pH值应为4.5～8.5。此外酸性废水也对金属和混凝土材料造成腐蚀。 酸与碱往往同时进入同一水体，从pH值角度看，酸、碱污染因中和作用而自净了，但会产生各种盐类，又成了水体的新污染物。无机盐的增加能提高水的渗透压，对淡水生物、植物生长都有影响。在盐碱化地区，地面水、地下水中的盐将进—步危害土壤质量，酸、碱、盐污染造成的水的硬度的增长在某些地质条件下非常显著。 7.有毒污染物 废水中能对生物引起毒性反应的物质，称为有毒污染物，简称为毒物。工业上使用的有毒化学物已经超过12000种，而且每年以500种的速度递增。毒物可引起生物急性中毒或慢性中毒，其毒性的大小与毒物的种类、浓度、作用时间、环境条件(如温度、pH值、溶解氧浓度等)、有机体的种类及健康状况等因素有关。大量有毒物质排入水体，不仅危及鱼类等水生生物的生存，而且许多有毒物质能在食物链中逐级转移、浓缩，最后进人人体，危害人的健康。 废水中的毒物可分为无机毒物、有机毒物和放射性物质等三类。 (1)无机毒物:包括金属和非金属两类。金属毒物主要为重金属(汞、镉、镍、锌、铜、锰、钴、钛、钒等)及轻金属铍。非金属毒物有砷、硒、氰化物、氟化物、硫化物、亚硝酸盐等。砷、硒因其危害特性与重金属相近，故在环境科学中常将其列入重金属范畴。重金属不能被生物所降解，其毒性以离子态存在时最为严重，故常称其为重金属离子毒物。重金属能被生物富集于体内，有时还可被生物转化为毒性更大的物质(如无机汞被转化为烷基汞)，是危害特别大的一类污染物。 (2)有机毒物:这类毒物大多是人工合成有机物，难以被生化降解，毒性很大。在环境污染中具有重要意义的有机毒物包括有机农药、多氯联苯、稠环芳香烃、芳香胺类、杂环化合物、酚类、腈类等。许多有机毒物因其“三致效应”（致畸、致突变、致癌)和蓄积作用而引起人们格外的关注。以有机氯农药为例，首先其具有很强的化学稳定性，在自然环境中的半衰期为十几年到几十年，其次它们都可通过食物链在人体内富集，危害人体健康。如DDT能蓄积于鱼脂中，浓度可比水体中高12500倍。 (3)放射性物质:放射性是指原子核衰变而释放射线的物质属性，废水中的放射性物质主要来自铀、镭等放射性金属的生产和使用过程，如核试验、核燃料再处理、原料冶炼厂等。其浓度一般较低，主要会引起慢性辐射和后期效应，如诱发癌症、对孕妇和婴儿产生损伤，引起遗传性伤害等。 8.油类污染物 油类污染物包括矿物油和动植物油。它们均难溶于水，在水中常以粗分散的可浮油和细分散的乳化油等形式存在。 油污染是水体污染的重要类型之一，特别是在河口、近海水域更为突出。主要是工业排放、海上采油、石油运输船只的清洗船舱及油船意外事故的流出等造成的。漂浮在水面上的油形成一层薄膜，影响大气中氧的溶入，从而影响鱼类的生存和水体的自净作用，也干扰某些水处理设施的正常运行。油脂类污染物还能附着于土壤颗粒表面和动植物体表，影响养分的吸收和废物的排出。 9.热污染 废水温度过高而引起的危害，叫做热污染。热热污染的主要危害有以下几点： (1)????????????????????????????? 由于水温升高，使水体溶解氧浓度降低，大气中的氧向水体传递的速率也减慢；另外，水温升高会导致生物耗氧速度加快，促使水体中的溶解氧更快被耗尽，水质迅速恶化，造成异色和水生生物因缺氧而死亡。 (2)????????????????????????????? 水温升高会加快藻类繁殖，从而加快水体富营养化进程。 (3)????????????????????????????? 水温升高可导致水体中的化学反应加快，使水体的物理化学性质如离子浓度、电导率、腐蚀性发生变化，从而引起管道和容器的腐蚀。 (4)????????????????????????????? 水温升高会加速细菌生长繁殖，增加后续水处理的费用。 ? 第四节 水体污染的危害 水体受到污染后，会对人体的健康，工业生产、农作物生产等都会产生许多危害和不良影响。 ? 一、对人体健康的危害 人类是地球生态系统中最高级的消费种群，环境污染对大气环境、水环境、土壤环境及生态环境的损伤和破坏最终都将以不同途径危及人类的生存环境和人体健康。各种污染物质通过饮用水、植物和动物性食物、各种工业性食品、医药用品及各种不洁的工业品使人体产生病变或损伤。 人喝了被污染的水体或吃了被水体污染的食物，就会对健康带来危害。如20世纪50年代发生在日本的水俣病事件就是工厂将含汞的废水排入水俣湾的海水中，汞进入鱼体内并产生甲基化作用形成甲基汞，使污染物毒性增加并在鱼体中积累形成很高的毒物含量，人类食用这种污染鱼类就会引起甲基汞中毒而致病。人类每年向水体排放的工业废水中含有上万吨的汞，大部分最终进人海洋，对人类健康产生的潜在的长期危害相当严重，因此汞被视为危害最大的毒性重金属污染物。 饮用水中氟含量过高，会引起牙齿珐斑及色素沉淀，严重时会引起牙齿脱落。相反含氟量过低时，会发生龋齿病等。人畜粪便等生物性污染物管理不当也会污染水体，严重时会引起细菌性肠道传染病，如伤寒、霍乱、痢疾等，也会引起某些寄生虫病。如1882年德国汉堡市由于饮水不洁，导致霍乱流行，死亡7500多人。水体中还含有一些可致癌的物质，农民常常施用了一些除草剂或杀虫剂，如苯胺、苯并芘和其它多环芳烃等，它们都可进入水体，这些污染物可以在悬浮物、底泥和水生生物体内积累，若长期饮用这样的水，就可能诱发癌症。据统计水污染引发的癌症死亡率90年代比30年前高出1.45倍。 ? 二、对工业生产的影响 水质受到污染会影响工业产品的产量和质量，造成严重的经济损失。此外,水质污染还会使工业用水的处理费用增加，并可能对设备厂房、下水道等产生腐蚀，也影响到正常的工业生产。 ? 三、对农业、渔业生产的影响 使用污染水来灌溉农田会破坏土壤，影响农作物的生长，造成减产，严重时则颗粒无收。1974年，河北农民用蓟运河水浇小麦，由于河水中含过量的有害物质，致使近5万亩小麦枯死。近些年来，由于水体污染使农民告状的案件有急剧增多的趋势，问题的严重性在于一旦土壤被污染后，就在相当长时间内难以恢复，造成土地资源的浪费。 此外，当水体受到污染后，会直接危及到水生生物的生长和繁殖，造成渔业减产。如黄河的兰州段原有18个鱼种，其中8个鱼种现已绝迹。由于水体污染也会使鱼的质量下降，据统计每年由于鱼的质量问题造成的经济损失多达300亿元。 ? 第五节 水污染防治的目标任务与原则 水污染是当今世界许多国家面临的一大环境问题，严重威胁着人类的生命健康，阻碍了经济建设的发展。因此，必须积极进行水污染防治，保护水资源和水环境。 1.水污染防治的主要目标 (1)????????????????????????????? 确保地面水和地下水源的水质，为向居民供应安全可靠的饮用水提供保证。 (2)????????????????????????????? 恢复各类水体的使用功能，为经济建设提供水资源保障，确保社会经济的可持续发展。如确保自然保护区、珍稀濒危水生动植物保护区、水产养殖区、公共浴泳区、海上娱乐体育活动区、工业用水取水区等的水质达到要求的水质标准。 (3)????????????????????????????? 保证各类水体具有良好的水质，确保水生生态系统的繁荣昌盛。 2.水污染防治的主要任务 (1)??? 进行区域、流域或城镇的水污染防治规划，在调查分析现有水环境质量及水资源利用需求的基础上，明确水污染防治的具体任务，制订应采取的防治措施； (2)??? 加强对污染源的控制，包括工业污染源，城市居民区污染源，畜禽养殖业污染源，以及农田径流等面污染源，采取有效措施减少污染源排放的污染物量。 (3)??? 对各类废水进行妥善的收集和处理，建立完善的排水系统及废水处理系统，使废水排入水体前达到排放标准。 (4)??? 加强对水环境水资源的保护，通过法律、行政、技术等一系列措施，使水环境水资源切实免受污染。 3.水污染防治的原则 20世纪60年代以来，城市废水及工业废水的排放量迅速增加，造成水体污染日益严重。特别是工业废水比例较大，带着大量有害有毒物质进入水体，经过种种方法处理之后，虽然能得到一定程度的净化，但在成本和能源上消耗巨大，效果也不理想，特别是对城市雨水径流、农田排水等面污染源还缺乏有效的控制方法，地下水的污染也成为一个突出的问题。因此，单纯采用对排放废水进行处理的方法，并不能从根本上解决水体污染问题，而应采用综合防治技术，建立综合防治体系。 水体污染的综合防治包括：人工处理和自然净化相结合；无害化处理和综合利用相结合；推行工业用水的闭路循环和区域用水循环系统，发展少废水或无废水的清洁生产工艺等。 进行水污染防治，根本的原则是将“防”“治”“管”三者结合起来，形成一个高效的综合纺织体系。 （1）“防” 是指对污染源的控制，通过有效控制使污染源排放的污染物量减少到最小。如对工业污染源，最有效的控制方法是推行清洁生产。清洁生产是指原料与能源利用率最高、废物产生量和排放量最低、对环境危害最小的生产方式与过程。它着眼于在工业生产全过程中减少污染物产生量，并要求污染物最大限度资源化。清洁生产采用的主要技术路线有改革原料选择及产品设计，以无毒无害的原料和产品代替有毒有害的原料和产品；改革生产工艺，减少对原料、水及能源的消耗；采用循环用水系统，减少废水排放量；回收利用废水中的有用成分，使废水浓度降低等。 对生活污染源，也是可以通过有效措施减少其排放量。如推广使用节水用具，提高民众节水意识，可以降低用水量，从而减少生活废水排放量。 为了有效地控制面污染源，更必须从“防”做起。提倡农田的科学施肥和农药的合理使用，可以大大减少农田中残留的化肥和农药，进而减少农田径流中所含氮、磷和农药的量。 （2）“治” 是水污染防治中不可缺少的一环。通过各种预防措施，污染源可以得到一定程度的控制，但要实现“零排放”是很困难的，或者几乎是不可能的，如生活废水的排放就不可避免。因此，必须对废水进行妥善处理，确保其在排入水体前达到国家或地方规定的排放标准。 应特别注意工业废水处理与城市废水处理的关系。工业废水中常含有酸、碱、有毒、有害物质、重金属或其他污染物等。而且在不同工业废水中所含的污染物的性质各不相同。对于这些特殊性质的废水，应在工厂内或车间内就地进行局部处理，这在技术上是容易办到的，在经济上也是比较合理的。而对于与城市废水相近的工业废水，或经局部处理后不致对城市下水道及城市废水的生物处理过程产生危害的工业废水，单独设置废水处理设施是不必要的，也是不经济的，应该优先考虑排人城市下水道与城市废水共同处理，这样做既节约费用，又提高了处理效果。 （3）“管” 是指对污染源、水体及处理设施的管理。“管”在水污染防治中也占据十分重要的地位。科学的管理包括对污染源的经常监测和管理，对废水处理厂的监测和管理，以及对水体卫生特征的监测和管理。应建立统一的管理机构，颁布有关法规，并按照经济规律办事。应分别制订出工业废水排人城市下水道的排放标准及城市废水、工业废水排入水体的排放标准。在国家标准范围内，对不同地区，应根据当地情况使标准不断完善化。 对于“管”除应注意其科学性外，在当前中国的现实状况下，更应注要做到“有法可依，有法必依；执法必严，违法必究”，加大执法力度。 ? 第六节 水质与水质标准 ? 一、水质与水质指标 自然界中的水以及人类生活及生产活动所用的水大多不是纯水，常含有各种各样的杂质，各种污水和废水中所含有的各类杂质当然就更多了。为了定量反映水质的好坏以及水体污染的程度，以便进行环境管理和污染防治，规定了多项水质指标。通常，某项水质指标数值的大小反映了水中特定种类污染物的含量多少。 （一）水质 水质，即水的品质，是指水与其中所含杂质共同表现出来的物理学、化学和生物学的综合特性。 水中所含的杂质，按其在水中的存在状态可分为三类：悬浮物质、溶解物质和胶体物质。悬浮物质是由大于分子尺寸的颗粒组成的，它们藉浮力和粘滞力悬浮于水中；溶解物质则由分子或离子组成，它们被水的分子结构所支承；胶体物质则介于悬浮物质与溶解物质之间(见图6-2) （二）水质指标 仅仅根据水中杂质的颗粒大小还远不能反映水的物理学、化学和生物学特性。通常采用水质指标来衡量水质的好坏。 水中杂质和污染物的种类会随着水的来源的不同而有很大的不同，对于某一水质，全面分析水中的所有污染物，则技术条件要求高，运用到具体的情况中难度比较大。因此，目前通常是以污染物所具有的共性以及污染影响或毒性来作为水中污染物指标。例如，常用的废水中主要污染物指标有悬浮物、有机污染物、溶解氧、酸碱度、重金属离子等。这些污染物指标在水污染控制和管理中都起着十分重要的作用。 水质指标项目繁多，可以分为三大类。 第一类，物理性水质指标，包括： (1)??????? 感官物理性状指标。如温度、色度、嗅和味、浑浊度、透明度等。 (2)??????? 其他物理性状指标。如总固体、悬浮固体、溶解固体、可沉固体、电导率、电阻率等。 第二类，化学性水质指标，包括： (1)??????? 一般的化学性水质指标。如pH值、硬度、各种阳离子、各种阴离子、总含盐量、一般有机物质等。 (2)??????? 有毒的化学性水质指标。如重金属、氰化物、多环芳烃、各种农药等。 (3)??????? 有关氧平衡的水质指标。如溶解氧(DO)、化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、总需氧量(TOC)等。 第三类，生物学水质指标。包括细菌总数、总大肠菌群数、各种病原细菌、病毒等。 以下是对水污染防治工作中最常用的一些水质指标的简要说明。 1．pH值 pH值是反映污水酸碱性大小的一个指标，它对污水处理及利用以及水中生物生长繁殖都有很大影响。pH值是对氢离子浓度的一种表示方法，它表示氢离子浓度（mol/L）负对数的值，即  pH值反映水的酸碱性质，天然水体的pH一般在6～9之间，决定于水体所在环境的物理、化学和生物特性。饮用水的适宜pH应在6.5～8.5之间。生活污水一般呈弱碱性，而某些工业废水的pH值偏离中性范围很远，它们的排放会对天然水体的酸碱特性产生较大的影响。大气中的污染物质如SO2、NOx等也会影响水体的pH，但由于水体中含有各种碳酸化合物，它们一般具有一定的缓冲能力。 弱酸性的污、废水对混凝土管道有腐蚀作用,pH值还会影响水生生物和细菌的生长活动。 2．悬浮固体(简称SS－Suspended Solids) 水体中悬浮物的含量是水质污染程度的基本判断指标之一。悬浮物是指在水中呈悬浮状态的固体物质，它包括无机物和有机物，如不溶于水的淤泥、粘土、微生物等，含量用每升水样中含有多少毫克悬浮物来表示，记为毫克／升。 悬浮物是造成水质浑浊的主要原因，其浓度越高表示水质受到的污染越严重。水体被悬浮物污染后会降低光的穿透率，减弱水的光合作用，并妨碍水体的自净作用。含有大量悬浮物的废水不得直接排入天然水体，以防止悬浮物形成河底淤泥。由于悬浮物中有一部分是有机物，大量排入水体的悬浮物，在水中微生物的生化作用下，会使得溶解氧的含量大大减少，也易使得水体变黑变臭。 水中悬浮物浓度的测定方法是，将待测的水样用0.45微米的滤膜进行过滤，把过滤下来的残渣在103℃～105℃的条件下烘干后称重,最后用烘干后得到的残渣的重量与水样体积相除，就是该水样的悬浮物浓度。 水中悬浮物还可根据其挥发性能分为挥发性悬浮物和固定性悬浮物。挥发性悬浮物是指在高温条件下(通常为600℃)，将悬浮物进行灼烧而失去的重量。由于在这么高的温度下进行灼烧、有机物通常将全部被分解为二氧化碳、水蒸气和其它气体而挥发，但无机物在此温度下分解和挥发很少，因此，挥发性悬浮物这一指标可表示悬浮物中有机物的含量。灼烧后残留的悬浮物的重量则是固定性悬浮物，它代表了悬浮物中无机物的含量。可用一关系式表示为： 水中悬浮物＝水中挥发性悬浮物＋水中固定性悬浮物 悬浮物包括肉服可看得见的，粒径较大的颗粒物和粒径较小的颗粒物。前者的粒径通常大于0.1微米，这些悬浮物在重力或浮力的作用下，经过一定的时间后，可与水分离。而后者的粒径比较小，粒径在0.001～0.1微米之间，这类颗粒也称为胶体颗垃。胶体颗粒在水中比较稳定，会产生丁达尔现象，不易产生沉淀。通常胶体颗粒表面都带有正电荷或负电荷，是水产生浑浊的主要原因。 3．有机污染物 生活污水和工业废水中都含有大量的有机污染物，这些有机物结构比较复杂，它们主要是由碳、氢、氧、氮、硫等基本元素组成。有机污染物在水中一般不稳定，在微生物的作用下，不断进行分解，并转化为上述基本元素的无机物。这些无机物就成为植物的养料，通过植物的吸收和光合作用又成为植物的机体。 有机污染物的种类很多，用现有分析技术难以将它们准确地加以区分和定量。即使采用非常高级的分析手段，对水中每种有机物的种类和浓度进行区分和量化也是一件十分烦琐的工作。因此，为了简单起见，对水中的有机物的分析，目前采用综合指标的方法来表示。这些综合指标的基础就是考虑在微生物的作用下，如果水中存在溶解氧，微生物分解有机物就要消耗水中的溶解氧，那么就可以用水中溶解氧减少的量来间接表示水体受有机物污染的状况。常用来间接表示水中有机物污染的指标是生化需氧量(英文缩写BOD)和化学需氧量(英文缩写COD)等。只有当某些有机物具有毒性，需要加以控制时才分别测定其含量。 (1)??? 生化需氧量(BOD－Biochemical Oxygen Demand) 生物化学需氧量简称生化需氧量，它是一个反映水中可生物降解的含碳有机物的含量多少以及排入水体后产生耗氧影响的指标。生化需氧量不反映具体有机物的含量，只是间接地反映出能为微生物分解的有机物的总量。 生化需氧量（BOD）是表示在有氧条件下，温度为20℃时，由于微生物(主要是细菌)的活动，使单位体积污水中可降解的有机物氧化达到稳定状态时所需氧的量(mg/L)。BOD的值越高，表示需氧有机物越多。 图6-3表示了有机物在微生物作用下的氧化稳定过程。图中Oa为被微生物氧化为CO2和H2O的那部分有机物所消耗的氧量，Ob则表示微生物内源呼吸所消耗的氧量。Oa和Ob之和即BOD总量。BOD以单位体积污(废)水所消耗的氧量(mg／L)表示。 在有氧的情况下，有机物生化分解好氧的过程很长，通常分为两个阶段进行： 第一阶段(亦称碳化阶段)：主要是有机物被转化为无机的CO2、H2O和NH3的过程，碳化阶段消耗的氧量称为碳化需氧量，用BODu表示。 第二阶段(亦称硝化阶段)：主要是氨在硝化细菌作用下进一步被氧化为亚硝酸根和硝酸根的过程，硝化阶段的耗氧量称为硝化需氧量，用NODu表示。两阶段的需氧情况如图6-4所示。 由于在第一阶段有机物已基本无机化了，因此作为有机物污染的指标只需采用碳化需氧量就可反映出水体中有机物的多少（通常就称为生化需氧量BOD），而不包括硝化所需的氧量NOD。 一般有机物在20℃条件下，需要20天才能完成第一阶段的氧化分解过程，20天的生化需氧量可以BOD20表示。如此长的测定时间很难在实际工作中应用，目前世界各国均以5天（20℃）作为测定BOD的标准时间，所测得的数值以BOD5表示。对一般有机物，BOD5约为BOD20的70％。 BOD5作为有机物浓度指标，基本上反映了能被微生物氧化分解的有机物的量，较为直接、确切地说明了问题。但仍存在一些缺点：(1)当污水中含大量的难生物降解的物质时，BOD5测定误差较大；(2)反馈信息太慢，每次测定需5天，不能迅速及时指导实际工作；(3)废水中如存在抑制微生物生长繁殖的物质或不含微生物生长所需的营养时，将影响测定结果。 (2)??? 化学需氧量(COD-Chemical Oxygen Demand) 化学需氧量是指在规定条件下用化学氧化剂（K2Cr2O7或KMnO4）氧化分解水中有机物时，与消耗的氧化剂当量相等的氧量(mg／L)。 当氧化剂用重铬酸钾(K2Cr2O7)时，由于重铬酸钾氧化作用很强，所以能够较完全地氧化水中大部分有机物(除苯、甲苯等芳香烃类化合物以外)和无机性还原物质(但不包括硝化所需的氧量)，此时化学需氧量用CODCr，或COD表示；如采用高锰酸钾（KMnO4）作为氧化剂时，则称为高锰酸指数，写作CODMn。 与BOD5相比，CODCr能够在较短的时间内(规定为2小时)较精确地测出废水中耗氧物质的含量，不受水质限制，因此得到了广泛的应用。缺点是不能表示可被微生物氧化的有机物量，此外废水中的还原性无机物也能消耗部分氧，造成一定误差。 如果废水中各种成分相对稳定，那么COD与BOD之间应有一定的比例关系。一般说来，CODCr＞BOD20＞BOD5＞CODMn，其中BOD5／CODCr可作为废水是否适宜生化法处理的一个衡量指标。比值越大，该废水越容易被生化处理。—般认为BOD5／CODCr大于0.3的废水才适宜采用生化处理。 （3）总需氧量(TOD－Total Oxygen Demand) 有机物中的主要元素是C、H、O、N、S，在高温下燃烧后，将分别产生CO2、H2O、NO2和SO2，所消耗的氧量称为总需氧量TOD，TOD的值一般大子COD的值。 TOD的测定方法：是向氧含量已知的氧气流中注入定量的水样，并将其送入以铂为触媒的燃烧管中，在900℃高温下燃烧，水样中的有机物即被氧化，消耗掉氧气流中的氧气，剩余氧量可用电极测定并自动记录。氧气流原有氧量减去剩余氧量即得总需氧置TOD。TOD的测定仅需几分钟。 （4）总有机碳(TOC－Total Organic Carbon) 有机物都含有碳，通过测定废水中的总含碳量可以表示有机物含量。 总有机碳(TOC)的测定方法：是向氧含量已知的氧气流中通入定量的水样，并将其送入以铂为触媒的燃烧管中，在900℃高温下燃烧，用红外气体分析仪测定在燃烧过程中产生的CO2量，再折算出其中的含碳量，就是总有机碳TOC值。为排除无机碳酸盐的干扰，应先将水样酸化，再通过压缩空气吹脱水中的碳酸盐。TOC的测定时间也仅需几分钟。 4.溶解氧(DO-Dissolved Oxygen) 溶解氧是指溶解于1升水中的分子氧的含量，用毫克(氧)／升表示。它是衡量水体污染程度的重要指标，是水环境监测中必不可少的一项指标。在没有污染的水体中，溶解氧是处于饱和状态的。例如，一个大气压下，温度为0℃的淡水中溶解氧的含量是10毫克／升，海水中的溶解氧含量约为淡水溶解氧含量的80%。 溶解氧是鱼类等水生生物和好氧微生物生存生长的基本条件，当溶解氧的含量低于4.0毫克／升时，鱼类等水生生物就难以生存。水被有机物所污染后，在有氧的条件下，好氧微生物能降解有机物，同时消耗水中的溶解氧，当水生植物的光合作用和大气向水体中补充氧的速度小于好氧微生物消耗氧的速度时，水体中的溶解氧的含量就会变得很少，水体逐渐发臭，变黑。因此，水体中溶解氧的含量越少，表明水体受污染的程度越高。 5.氮、磷等植物性营养物质 氮、磷等物质主要来自于人、动物的排泄物，以及一些工厂排放的废水中(如化肥厂、食品厂所排出的废水中均含有氮、磷)，属植物性营养物质，是造成水体富营养化现象的主要因素之一。针对氮、磷的污染问题我国制定了严格的排放规定。如从1998年开始，城市污水处理厂磷的排放量不得超过1.0毫克／升。此外，对各工业企业污水中磷的排放也作出了相应的规定。 6.有毒物质 废水中的毒物可分为无机毒物、有机毒物和放射性物质等三类。大量有毒物质排入水体，将危及鱼类等水生生物的生长以及人类的健康。在各类水质标准中，对主要毒物均规定了浓度限值。 7.大肠菌群数 大肠菌群数是污水水质分析中常用的细菌学指标，用每升水中的大肠菌群数表示。大肠菌群包括大肠杆菌等几种大量存在于人体肠道中的细菌，因此粪便中大量存在大肠菌群。在一般情况下，大肠菌群属于非致病菌。如在水样中检测出大肠菌群，表明水被粪便所污染。由于水致传染病菌和病毒的生长环境与大肠菌群基本相同，而对水致传染病菌和病毒的检测又比较困难，因此通常用大肠菌群作为间接的检测指标。如果水中的大肠菌群数超过规定的指标，就认为这些水中可能含有水致传染病菌和病毒，如人体直接接触这些水就可能会被传染上疾病。 ? 二、水质标准 水质标准是为了控制水污染、保障人体健康、维护生态平衡、保护和合理利用水资源而对各种水的质量所制定的技术规范。按照水质标准的性质和适用范围之不同，水质标准大致可划分为用水水质标准、废水排放标准、水的环境质量标准等三类。 1. 用水水质标准 （1）生活饮用水水质标准 饮用水直接关系到人民的日常生活和身体健康，保证供给人民安全卫生的饮用水，是水环境保护的根本目的。制定生活饮用水水质标准的主要原则是：①卫生上安全可靠，饮用水中不应含有各种病源微生物和寄生虫卵；②水中的化学成分应对人体无害，不应对人体健康产生不良影响或对人体感官产生不良刺激；③使用时不致造成其他不良影响，如过高的硬度导致水垢的形成等。 生活饮用水水质标准是根据长期积累的经验制定的，它综合地反映了水质与健康的关系，饮用习惯及因地制宜等因素。由于各国的生活水平、饮用习惯和气候条件不尽相同，各国的生活饮用水标准也有差异。世界卫生组织(WHO)曾颁布了饮用水水质标准（见表6-3），对各项化学成分规定了允许限度、极端限度和最大限度三个浓度值。目前很多国家的饮用水标准都已超过了这个国际标准，表6-4是我国1985年颁布的《生活饮用水卫生标准》(GB5749－85)。 （2）工业用水水质标准 工业用水种类繁多，水质要求各不相同。各行业都相继制定了工业用水标准，并不断修订完善。水质要求高的工业用水，不仅要去除水中悬浮杂质和胶体杂质，而且还需要不同程度地去除水中的溶解杂质。 食品、酿造及饮料工业的原料用水，水质要求基本上同生活饮用水，但在不同产品的生产中，都会有些不同的特殊要求。 纺织、造纸工业用水，要求水质清澈，且对易于在产品上产生斑点的杂质含量，提出了严格的限制，如铁、锰及水的硬度超过一定量会使织物或纸张产生锈斑或钙斑。 对锅炉补给水水质的基本要求是，凡能导致锅炉、给水系统及其它热力设备腐蚀、结垢及引起汽水共腾现象的各种杂质都应大部或全部去除。锅炉压力和构造不同，水质要求也不同。锅炉压力愈高，水质要求也愈高。如低压锅炉(压力小于2.45MPa)主要应限制给水中的钙、镁离子含量，溶解氧及pH值。 2. 水环境质量标准 为了保障人体健康、维护生态平衡、保护水资源，根据国家环境政策目标，对各种水体规定了水质要求。我国已颁布的水环境质量标准主要有地面水环境质量标准(GB3838－88)和海水水质标准(GB3097－82)。 地面水环境质量标准将标准项目划分为基本项目和特定项目。基本项目适用于全国江河、湖泊、运河、渠道、水库等水域，是满足地面水各类使用功能和生态环境质量要求的基本项目。特定项目适用于特定地面水域对特定污染物的控制，是对基本项目的补充指标。该标准依据地面水域使用的目的和保护目标将其划分为五类： Ⅰ类：主要适用于源头水、国家自然保护区； Ⅱ类：主要适用于集中式生活饮用水水源地一级保护区、珍贵鱼类保护区、鱼虾产卵场； Ⅲ类：主要适用于集中式生活饮用水水源地二级保护区、一般鱼类保护区及游泳区； Ⅳ类：主要适用于一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区； Ⅴ类：主要适用于农业用水区及一般景观要求水域。 表6-5给出了该标准对地面水质的基木要求。 ? ? 3. 废水排放标准 为了保护水环境质量，控制水污染，除了规定地面水体中各类有害物质的允许标准值之外，还必须对各类污染源排放出的污染物的允许浓度作出规定。废水排放标准就是根据水环境质量标准的要求，并考虑技术经济的可能性和环境特点，对排入环境的污染物数量或浓度所做的限量规定。 国家颁布的废水排放标准分综合和行业部门两种，两者不交叉执行，有的地区还制定了严于国家排放标准的地方标准。 我国1996年发布的《污水综合排放标准》（GB8978－1996）根据污染物的毒性及其对人体、动植物和水环境的影响分为两大类。 第一类污染物系指能在环境或动植物体内蓄积，对人体健康产生长远不良影响者。对此类污染物，不分其排放的方式和方向，也不分受纳水体的功能级别，一律执行严格的标准值，并规定含此类污染物的废水一律在车间或车间处理设施的排放口取样检测，其最高允许排放浓度必须符合表6-6的规定。 第二类污染物的长远影响小于第一类，规定的采样点为排污单位排放口，其最高允许排放浓度执行表6-7的规定(1998年1月1日后建设的单位)。标准的分级是按受纳水体的使用功能要求和废水排放去向而划分的： (1)特殊保护水域，指国家GB3838－88《地面水环境质量标准》中的I、Ⅱ类水域，不得新建排污口，现有的排污单位要从严控制，以保证受纳水体的水质符合规定用途的水质标准。 (2)重点保护水域，指国家GB3838－88Ⅲ类水域和《海水水质标准》Ⅱ类水域，如集中式生活饮用水水源地二级保护区、一般经济渔业水域、重要风景游览区等，对排入本区水域的废水执行一级标准。 (3)一般保护水域，指国家GB3838－88中的Ⅳ、Ⅴ类水域和《海水水质标准》Ⅲ类水域，如一般工业用水区、景观用水区及农业用水区、港口和海洋开发作业区，排入本区水域的废水执行二级标准。 (4)对排入城镇下水道并进入二级污水处理厂进行生物处理的废水执行三级标准；而对排入未设置二级污水处理厂的城镇下水道的废水，则必须根据下水道出水受纳水体的功能要求按(2)和(3)条的规定，分别执行一级或二级标准。 ?   ?   ? ? 复习思考题 ? 1.???????? 水资源开发利用中存在的问题是什么？ 2.???????? 水体污染的主要来源有哪些？各种污染源的特点是什么？ 3.???????? 水体中的主要污染物有哪些？ 4.???????? 水污染防治的目标、任务和原则是什么? 5.???????? 何谓富营养化? 6.???????? 说明生化需氧量的基本概念，解释第一、第二阶段生化需氧量。 7.???????? COD和BOD的作用有何异同，数值大小有何关系、意义? 8.???????? 制定水质标准的意义是什么？有哪些水质标准？