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1、绪言第一章 绪言第一节 水环境一、水资源1、世界水资源的分布 据估算地球上水的总量约1.36109km3，主要分布在海洋，约占总水量的97%，淡水约占2.5%，并且大约70%的淡水分布在冰川冻土中，存在于湖泊、河流、土壤和地下600米以内含水层中的淡水仅占淡水总量的30%左右（见表1-1）。对人类有最大实用意义的淡水资源是主要与降水量有关的江河径流和浅层地下水的淡水量。每年参与全球自然循环的水量平均约占总水量的0.031%，其中从海洋蒸发的水量每年约有36.1104km3，其余则是来自陆地的各种蒸发。海洋蒸发中的90%落回了海洋，10%漂流到陆地上空降落，形成地面径流与地下径流、淋溶岩石、土壤

2、石汇聚成江河水，最终又流回大洋。形成了水的地球化学循环。表11 地球水资源分布（汤鸿霄，1979）类 别水 源容量（104km3）百分比（%）地表水江河淡水湖盐湖与内海0.12512.510.40.00010.0090.008地下水土壤水及结合水浅层地下水深层地下水6.74174170.0050.310.31冰川水大气水海洋水29201.21320002.150.0010.0005总 计1360001002、我国的水资源 我国水资源总量比较丰富，平均年降水量为6.191012m3，平均降水深648mm，平均河川径流量2.71012m3，合径流深284mm，约占全球径流总量的5.8%，居世界第6

3、位。但我国人口众多，如按12亿人口计，人均占有年平均河川径流量2260m3，不足世界平均值的1/4，是美国人均占有量的1/6，前苏联的1/8，巴西的1/19和加拿大的1/58，被列为世界上十三个贫水国之一。我国耕地平均占有的河川年径流量也只有世界平均水平的80%。所以，从人均、亩均水资源数据看，我国水资源的供需矛盾突出。根据2000年水利部的通报，至2010年，在中等干旱年份，我国需水量约为6988亿立方米，而可能的供水量为6670亿立方米，缺水318亿立方米，充分表明了未来几年内，我国水资源所面临的短缺问题。我国水资源在分布上具有时、空分布不均衡和水、土资源组合不平衡的显著特征。我国地域辽阔

4、，跨越高、中、低三个纬度大，全国降水量和径流量的地区分布极不均匀，基本呈现由东南沿海向西北内陆递减的趋势（表12）。东南沿海径流深为1200mm，而西北干旱地区小于50mm，甚至为0。南方人均河川径流可达3600m3，北方地区人均仅720m3，仅及南方人均的1/5，使我国北方农村、城市都严重缺水。北方片中黄河、淮河、海河三大流域的水资源总量仅占全国的7.5%，而人口和耕地却分别占到全国的34%和39%。尤其是海、滦河片，人均和亩均水量都是全国的最低值，人均占有水量为全国均值的16%，亩均占有水量为全国均值的14%，是我国缺水最严重的地区之一。表12 全国各片水资源总量分布表（水体污染与防治编写

5、组， 1984）分片名称水资源总量（108m3）黑龙江流域片1389辽河流域片581海、滦河流域片406黄河流域片762长江流域片1024淮河流域片9600珠江流域片4739浙闽台诸河片2714西南诸河片4684内陆诸河片1207全国27106我国位于世界著名的东亚季风区，属显著的大陆性季风气候，因此降水量和径流量的年内年际变化都相当大，而且贫水地区的变化一般大于丰水地区。据统计，全国大部分地区连续最大四个月降水量占全年的70%左右。南方大部分地区连续最大四个月径流量占全年径流量的60%左右，华北、东北的一些地区可达全年径流量的80%以上。年降水量的最大与最小比值，在南方为24倍，在北方为36

6、倍。年径流量的最大与最小比值，在长江、珠江、松花江为23倍，黄河为4倍，淮河为15倍，海河则高达20倍。而且年际间还存在着连丰、连枯的现象。根据环境部门对全国河流、湖泊、水库等水质状况的监测，由于近年来工业废水和城镇生活污水的排放等原因，我国主要水系的水体都遭到了不同程度的污染。从洞庭湖、太湖到安徽的巢湖、云贵高原上的明珠滇池，一个又一个大湖，普遍受到污染的危害。昔日光彩正在失去，有些湖泊已成了无鱼区和臭水湾。我国的大江大河均承受了来自人类生活和生产活动所带来的巨量的污染物质，而假如我们依然无动于衷，放任污水自流，则我国水域水质的未来可想而知。二、天然水体与水质1、天然水体与水质的概念水体是河

7、流、湖泊、沼泽、水库、池塘、地下水及海洋等的总称。从水环境的角度考虑，水体则是包括水中悬浮物、溶解性物质、水生生物、底泥等在内的一个完整的自然综合体。水是一种良好的溶剂，在水的自然循环过程中可溶解与其接触的一切可溶性物质，因此，各类天然水中均含有种类不同、浓度不等、存在形式不一的各种成分，从而使水体显现出各自独具特点的性质，如不同的感观性状、物理化学性质、化学成分、生物组成特点等。水及其中所存在的各类物质所共同表现出来的综合特性即是通常所说的水质。由于一般水体兼作汲取用水的水源和受纳废水的对象，且用水水源经常受到污染，废水排放前一般都要先经处理，所以用水和排水两者之间存在着许多共通的水质指标。

8、2、水质指标系统天然水的水质指标，可分为物理、化学、生物、放射性四类。有些指标可直接用某种物质的浓度来表示其含量；有些指标则是利用某一类物质的共同特性来间接反映其含量，如有机物可用化学耗氧量、生物需氧量、总需氧量等作为综合指标（也被称之为非专一性指标）。系统地了解水质指标体系，掌握各个指标的具体含义，对于就环境水质开展调查或监测分析，并进一步对水生生态系统环境质量加以综合评价和合理开发利用水资源具有重要的意义。表13列出了常用的数十项水质指标： 表13 天然水的水质指标体系 物理指标温度影响水的其他物理性质和生物、化学过程臭和味感官性指标，可借以判断某些杂质或有害成分存在与否颜色感官性指标，水

9、中悬浮物、胶体或溶解物质均可生色浊度由水中悬浮物或胶体状颗粒物质引起，表示光线透过水层时受到阻碍的程度透明度与浊度意义相反，但二者同是反映水中杂质对透过光的阻碍程度悬浮物即将水样过滤，截留物烘干后的残余固体的量，包括不溶于水的泥土、有机物、微生物等 化学指标（A）非专一性指标电导率表示水样中可溶性电解质总量pH反应水的酸碱性硬度由可溶性钙盐和镁盐组成，会引起用水管路中发生沉积和结垢碱度一般来源于水样中OH-、CO32-、HCO3-离子，与水中许多化学反应过程相关无机酸度源于工业酸性废水或矿井排水，有腐蚀作用（B）无机物指标铁在不同条件下可呈Fe2+或胶粒Fe（OH）3状态，造成水有铁锈味和混浊

10、，形成水垢、繁生铁细菌锰常以Mn2+形态存在，其很多化学行为与铁相似铜影响水的可饮用性，对金属管道有侵蚀作用锌很多化学行为与铜相似钠天然水中主要的易溶组分，对水质不发生重要影响硅多以H4SiO4形态普遍存在于天然水中，含量变化幅度大有毒金属常见的有镉、汞、铅、铬等，一般来源于工业废水有毒准金属常见的有砷、硒等，砷化物有剧毒，硒引起嗅感和味觉氯化物影响可饮用性，腐蚀金属表面氟化物饮水浓度控制在1mg/L可防止龋齿，高浓度时有腐蚀性硫酸盐水体缺氧条件下经微生物反硫化作用转化为有毒的H2S硝酸盐氮通过饮用水过量摄入婴幼儿体内时，可引起变性血红蛋白症亚硝酸盐氮是亚铁血红蛋白症的病原体，与仲胺类作用生成

11、致癌的亚硝胺类化合物氨氮呈NH4+和NH3形态存在，NH3对鱼有危害，用Cl2处理水时可产生有毒的氯胺磷酸盐基本上有三种形态：正磷酸盐、聚磷酸盐和有机键合的磷酸盐，是生命必须物质，可引起水体富营养化问题氰化物剧毒，进入生物体后破坏高铁细胞色素氧化酶的正常作用，致使组织缺氧窒息（C）非专一性有机物指标生化需氧量（BOD）水体通过微生物作用发生自然净化的能力标度。废水生物处理效果标度化学耗氧量（COD）有机污染物浓度指标高锰酸盐指数易氧化有机污染物及还原性无机物的浓度指标总需氧量（TOD）近于理论耗氧量值总有机碳（TOC）近于理论有机碳量值酚类多数酚化合物对人体毒性不大，但有臭味（特别是氯化过的水

12、），影响可饮用性洗涤剂仅有轻微毒性，有发泡性石油类影响空气-水界面间氧的交换，被微生物降解时耗氧，使水质恶化（D）溶解性气体氧气为大多数高等水生生物呼吸所需，腐蚀金属，水体中缺氧时又会产生有害的CH4、H2S等二氧化碳大多数天然水系中碳酸体系的组成物 生物指标细菌总数对饮用水进行卫生学评价时的依据大肠菌群与粪大肠菌群等水体被粪便污染程度的指标藻类水体营养状态指标 放射性指标总、总、铀、镭、钍等生物体受过量辐照时（特别是内照射）可引起各种放射病或烧伤等3、我国主要水质标准许多国家都颁布了各自应用于不同目的水质的质量标准，规定了为数繁多的指标项目和测试方法。目前我国已经颁布的水质标准主要有：地表水

13、环境质量标准（GB3838-2002）、海水水质标准（GB 3097-1997）、渔业水质标准（GBll607-89）等。同时还颁布了一系列排放标准，如污水综合排放标准（GB8978-1996）和一批工业水污染物排放标准。例如造纸工业水污染物排放标准（GB3544-92）、肉类加工工业水污染物排放标准（GB13457-92）、船舶工业污染物排放标准（GB4286-84）、纺织染整工业水污染物排放标准（GB4287-92）等。我国的地表水环境质量标准适用于中华人民共和国领域内江河、湖泊、运河、渠道、水库等具有使用功能的地表水水域。依据地表水水域使用目的和保护目标将其划分为五类：类水适用于源头水、

14、国家自然保护区；类适用于集中式生活饮用水水源地及保护区、珍贵鱼类保护区、鱼虾产卵区等；类适用于及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；类适用于一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区；类适用于农业用水区及一般景观要求水域。海水水质标准则规定了海域各类使用功能的水质要求，适用于中华人民共和国管辖的海域。按照海域的不同使用功能和保护目标，海水水质分为四类：第一类适用于海洋渔业水域，海上自然保护区和珍稀濒危海洋生物保护区；第二类适用于水产养殖区、海水浴场、人体直接接触海水的海上运动或娱乐区、以及与人类使用直接有关的工业用水区；第三类适用于一般工业用水区、滨海风景旅游区；第四类适用

15、于海洋港口水域、海洋开发作业区。通常，与近海水域相连的地表水河口水域，按功能执行地表水质量标准的类别，近海功能区则执行海水质量标准的相应类别。我国的渔业水质标准适用于鱼虾类的产卵场、索饵场、越冬场、洄游通道和水产增养殖区等海、淡水的渔业水域，对保护我国有限的水资源，防止和控制渔业水域水质污染，保证鱼、虾、贝、藻类正常生长、繁殖和水产品的质量具有重要意义。附录4将我国的渔业水质标准与国外同类标准进行了比较，可以发现，各国国情不同，其侧重点各异。水质调查或监测指标的选择和确定有一个逐步深入和发展的过程。例如随着新化学物质的合成、使用、分析技术的发展，以及在流行病学研究中对三致作用生理生化过程研究的

16、深入，监测或调查项目会不断加以改变，测定方法也会逐步发展和完善，各项水质标准也将进行相应的修订。4、水质监测对水质指标的监测包括现场测试、实验室测试等不同方式，而采用不同方法所测得的结果会有一定的差异。例如，采集深海水样时，其温度、压力将发生变化，其化学平衡点发生改变，导致一些离子成分的比值以及溶解气体的含量等发生变化；储存的水样，即使排除了容器污染和通过容器表面散失的可能现，水质也会因为悬浮物的凝聚沉降、生物体的代谢过程、死亡分解过程等的影响而发生改变。关于水质指标的选择与测试方法可参阅第二篇实验部分。第二节 水环境化学研究内容与研究方法一、 水化学与水生生物地球上的一切生物都需要水。水是生

17、物体主要的组成要素，水栖植物体含水量达95上。陆栖动物体内含水量达50-75。生物体内的生物化学反应总是在体内的水溶液中以酶为催化剂缓慢进行的。而植物的光合作用就是在光照和叶绿素的作用下由水与二氧化碳合成碳水化合物的过程。水是水栖生物的生活环境，也为陆栖生物提供良好的栖息条件，地球上原始的生命孕育于原始的海洋中。一切天然水体都存在着生命有机体，它们的存在和延续均直接或间接地依赖于水体中无生命物质的循环和能量的流动。而水生生物的活动又在不断改变着周围水体中物质的存在形式与含量，水生生物既是水环境的产物，同时也是水环境的改造者。水环境为水生生物的生长提供了必需的、形态各异的化学成分，如各种无机盐类

18、、有机物和气体等。水环境中的CO2、H2O、O2 以及N、P、K、Ca、Mg、Fe等无机元素为水生植物生长所必需，它们在水中的含量是水体初级生产力的决定因素。而另一方面，当水体营养负荷过高时，又会使水生态系统的结构和组成发生变化，导致水华、赤潮等现象的发生。水中溶解有多种气体，包括溶解氧、二氧化碳、硫化氢等。溶解氧是水生生物生存的必要条件之一，水中溶氧的缺乏可能导致水生生物生长速度减慢、对疾病的抵抗力降低，甚至会致使大批水生动物窒息死亡。同时，低氧还可通过影响水中有机物的降解过程，产生硫化氢、有机酸、氨等有毒有害物质而对水生生物产生间接影响。二氧化碳体系是天然水体中重要的平衡体系，涉及水中包括

19、酸碱平衡、电离平衡、沉淀溶解平衡、气体的溶解逸出平衡等多个过程，并与水生生物的生长息息相关。水中二氧化碳主要来自水生生物的呼吸作用以及有机物的分解作用，而通过水生植物光合作用的吸收、利用和制造有机物被消耗。二氧化碳系统的平衡在很大程度上控制着水体的pH值，而许多水生生物的生命过程对水的pH极为敏感。水的碱度、硬度等也都对生物的生长繁殖发挥着举足轻重的作用。天然水体中含有成分极为复杂的有机物。通常情况下有机物的含量很低，但其在环境水质变化及水生生物生命过程中的作用却不容忽视，甚至在某些特定的环境条件下，可能成为局部水域生产力的重要限制因素之一。由于人类活动造成的有机污染问题日益受到人们的关注，如

20、持久性有机物在水中通过水生生物食物链的传递，在生物体内大量蓄积并最终影响人类的健康，内分泌干扰物质对水生动物的发育与繁殖产生着越来越严重的影响等。总之，水化学与水生生物的生长繁殖有着极为密切的关系。水化学组成是决定水生生物群落结构、生物量及其演变过程的重要因子。因此，充分了解水环境的化学组成与特性、掌握水中化学物质的迁移转化规律与分布变化特点、防止水环境中污染的发生、注重水质指标的监测分析以及加强环境水质的管理等等，都应引起每一个从事水生生物、水生态系统及水产生物增养殖研究和生产的人员的重视。二、水化学与水产养殖在水产生物增养殖过程中，如果某些水质指标不能满足水产生物生命活动的需要，甚至超出它

21、们的可适范围，即使有好的品种和充足的饵料，水产生物也无法正常生长，或者在体内积累有毒有害物质，从而极大地影响了生产效率和经济效益。水产养殖的稳产高产离不开养殖水环境的调控。近些年来，人们对养殖水环境水质的研究有了长足的发展和深入，对与水产养殖紧密关联的各化学成分及其转化规律等有了进一步的了解，使我国目前的水产养殖在一定程度上摆脱了最初粗放式、经验化养殖模式的束缚，而着眼于用水化学的基本理论和技巧监测和调控水质，提高养殖品种的产量与质量。同时，随着学科的交叉、技术的发展以及环保理念的渗透，一些新的水质监测与控制技术在水产养殖中也得到了运用和发展。在海水养殖中，人们为切断海水病毒等的传播途径，尝试

22、并成功地进行了人工海水育苗、地下咸水育苗以及海水品种的淡化养殖等新技术的开发，这些技术的运用需要我们具备充分的水化学基本知识，如了解养殖品种生长环境中的化学组成与特性以指导人工海水配方的研制；明晰地下咸水的水质特征以便对其进行调控，使其适宜养殖；掌握海水淡化中化学特性的变化以保证养殖生物的品质不致弱化等等。而缺乏水化学知识，不了解水的化学状况，不重视水质的监测与调控，则必将增加生产的盲目性，造成不必要的损失。例如，盲目施用氮肥，可使水中的铵态氮肥过剩，而浮游植物由于得到充分的营养而迅速生长繁殖，致使水体pH值升高，非离子氨的含量上升，从而导致养殖生物的死亡；在海水虾类育苗中，采用浓缩海水配制育

23、苗用水时，仅考虑盐度，而忽略其它主要离子的含量，致使幼体无法正常生长甚至发生死亡；清塘清淤后未对水体pH进行及时的调控，使放入的鱼苗急性死亡等事件也偶有发生。在工厂化养殖系统或水族馆等闭合循环系统的运行中，了解其中最主要化学物质的生态学特性，掌握其迁移、转化及分布的规律，对于利用现代化科技手段提高系统水质，获得预期的经济和社会效益，具有重要的实际意义。水产养殖业的不当发展也会对水环境产生胁迫，并反过来影响水产养殖生产。例如在对虾养殖过程中，残饵、对虾排泄物及动植物残体的累积与分解，使虾池底泥和水中的硫化物、氨氮和亚硝酸盐等含量上升，溶解氧降低，虾池生态环境恶化，这一自身污染问题没有解决，很有可

24、能诱发对虾病害的发生。养殖废水未经任何处理而向天然水体、包括海域排放，将加速水域富营养化，恶化水质，引起病害传播，而受到污染的近岸水又被抽进或纳入养殖池，造成了二次自身污染，再次危及养殖生物。近三十年海水养殖的加速发展而导致的沿海生态环境的变化已是不争的事实。在一些地区，养虾场所排出的污染物已超过了附近海滨水体的接收能力。虾类养殖业的自身污染还在很大程度上促成了赤潮的发生，并可能引发大规模的传染性虾病。历史上，山东沿海很少发生赤潮，但近年来，海产养殖区及邻近水域赤潮时有发生，如1989年莱州湾发生特大面积的赤潮，损失超亿元，该地区大规模的对虾养殖废水入海是促成该赤潮发生的重要原因之一。1995

25、年龙口至莱州市金城镇近海扇贝养殖区也发生绵延数十公里的大规模赤潮。这些现象说明，海产养殖海域水环境的变化已经成为暴发赤潮的一个重要原因。目前我国对养殖污染水的排放，尚无相应的政策法规，但养殖污水对环境造成的危害已引起了有关方面的重视。我国渔业环境自20世纪70年代起受到不同程度的污染，渔业资源受到危害，渔业生物体内一般都可测出化学污染物质，其含量有的已超过食品卫生标准；有些水产品有油臭味，失去食用价值；赤潮的大面积发生往往引起网箱中养殖鱼类的大量死亡。如锦州湾海域由于受石油、汞、铅、锌、镉等的污染，导致小黄鱼、带鱼等经济鱼类的产量剧降；加上锦州湾底质污染严重，使鱼虾类洄游、产卵等习性发生改变，

26、许多鱼贝类体内重金属含量超过国家规定水准，甚至使有的滩面几乎成为无生物区。中国淡水渔业环境污染比海洋严重,全国约有82%的江河、湖泊受到不同程度的污染,在5万公里的重要河流中,符合渔业水质标准的仅有1万公里左右,而鱼、虾基本绝迹的河流长度约占3%5%。其它国家的渔业环境在近半个世纪以来也面临着严重的污染问题。如挪威几乎每年都发生威胁渔业的重大油污染事故；1978年3月发生于法国布列塔尼省近岸的超级油轮阿莫科卡迪兹触礁事故，使22万吨原油溢入水域，污染了沿岸长达300公里的养殖水域，使养殖的虾、蟹和牡蛎损失惨重。在美国南部墨西哥湾，1977年发生了Ixtoc-1号石油钻井井喷事故，连续溢油达9个

27、多月，溢出原油50万吨，造成鱼类大量死亡，水域生态平衡受到严重破坏。上世纪60及70年代，日本濑户内海、东京湾和伊势湾渔业环境曾因大量工业污水排入而遭受严重污染，以致这些海域渔获量减少，某些经济鱼虾类如鲈鱼、樱虾几乎绝迹，出现大量油臭鱼、绿色牡蜊和烂斑海带。濑户内海有1/3的海底生物贫乏，污泥散发臭味，并沉积着大量重金属铜、铅和汞等。同时赤潮频频发生，使鱼类及养殖水产品大量死亡。此外，在骏河湾、洞海湾等地亦因曾受造纸、冶金、化工和制药等工业废水的污染，导致渔业生物量大幅度减少，一些生物体出现致畸、致癌、致突变现象。日本沿海渔民曾因长期食用受汞、镉和多氯联苯严重污染的水产品而发生的公害病，更是为

28、世人所震惊。总之，一个地区水产养殖业的发展，不能超越水域环境的自净能力，即环境承载能力，水产养殖必须走一条经济与环境协调的可持续发展的道路。2、水环境化学的教学目的和要求水环境化学是水产养殖、水族科学与技术等专业的重要专业基础课，具有鲜明的先进性、实践性与应用性强的特点。主要教学目的是为学生学习后续课程提供必需的天然水与渔业用水化学基础理论与技巧，也为学生毕业后从事水产养殖科学研究、养殖水质调控与管理、水环境保护等工作提供必要的水环境化学理论、知识与技能。通过水环境化学的教学，要求学生掌握以下内容：（1）水化学基本理论：包括天然水（包括江河、湖泊、水库、海洋）和特定水体（如养殖池塘、闭合循环养

29、殖水体等）的主要理化特性、化学组成与时空分布变化规律及其与环境条件之间的相互关系和影响；水中与水生生物相关的主要化学过程和动态平衡状况；各类污染物质在水环境中的迁移转化机理以及污染的生态效应等。（2）水质监测技术：通过水环境化学实验部分的学习和实验教学的实际训练，充分理解常规水质指标分析测定的原理与方法、掌握实验的基本操作和技能；了解有关水环境化学调查的组织准备和资料整理方法、水质化学调查与监测的设计和实施方法的确立以及作出相应的水质评价等。（3）养殖水质调控技术：包括养殖水质调控的基本原则与方法、水处理新技术在养殖水质调控中的应用及其发展前景等。（4）水产养殖与环境的可持续发展：了解水产养殖

30、与环境之间的相关性，掌握水产养殖环境容量等基本概念，为其可持续发展奠定理论和实践基础。思考题1. 我国水资源的分布现状是怎样的？水污染的现状又是如何？2. 何谓水质指标？常见水质指标有哪些？3. 我国现行的与水产养殖相关的水质指标有哪些？4. 试述水化学与水生生物、水化学与水产养殖的关系。5. 养殖水化学课程要求学生掌握哪些内容？1、 2、 3、 4、 参考文献1. 王景华. 1985. 水体污染M. 北京：科学出版社2. 樊邦棠. 1991. 环境化学M. 杭州：浙江大学出版社3. 刘培桐. 1995. 环境学概论M. 北京：高等教育出版社4. 关伯仁. 1997.环境科学基础教程M. 北京:中国环境科学出版社5. 汤鸿霄. 1979. 用水废水化学基础M. 北京:中国建筑工业出版社6. 雷衍之. 1993. 淡水养殖水化学M. 南宁：广西科学技术出版社7. 雷衍之. 2004. 养殖水环境化学M. 北京：中国农业出版社1、 2、 3、 4、 5、 6、