环境水利学笔记

第一章 绪论

环境水利学：研究兴建水利工程引起的水利环境问题和环境变化对水环境、水利工程、水资源开发利用影响的学科。 环境水利学的研究对象：1. 与环境有关的水利问题：工业三废（废水、废气、固体废弃物）引起的水污染、河道淤塞。2. 与水利有关的环境问题：水资源的开发、利用和修建水利工程对周围环境的影响。
我国面临的四大水问题：洪涝灾害频繁、水土流失严重、水资源短缺、水环境恶化。

第二章 水体环境、污染与自净

天然水是一种化学成分十分复杂的溶液，含有可溶性物质、胶体物质和悬浮物。

• 水体形成条件：

1. 储水的空间条件

2. 相对阻水的边界条件

3. 充足的水源条件

• 陆地水体环境条件：

1. 河流环境条件：河流是动水环境，流动水面与大气交界面经常相互混掺，复氧条件好，利于水生生物生长和有机污染物的降解。

2. 湖泊水环境条件：湖泊是静水环境，由于水深较大，所以湖泊底部光合作用降低。

3. 水库水环境条件：大坝拦蓄水流使动水环境变为相对静止的静水环境，但多设有底孔、溢洪道等泄水建筑物，使得相当一部分水流沿一定方向流动，故兼有河流和湖泊等特征。

水在海洋、大气、陆地之间无休止地运动称为水循环。

• 自然界水循环的发生和形成的主要作用因素：

1. 水的相变特性和气液相的流动性

2. 地球引力和太阳辐射热对水的重力和热力效应

3. 大气流动的方向和强度、地表形态、地质结构等自然条件

• 自然界水循环通过以下几种方式：

1. 水的蒸发作用

2. 水汽流动

3. 凝结和降水过程

4. 地表径流、降水的下渗和地下径流

天然水体的盐循环：在自然界水循环过程中，水中的各种溶解和运载物质随水流产生运移，包括水中盐分的增减作用。
天然水是由水和各种物质组成的极其复杂的综合体。
天然水按照物质粒径大小，分为悬浮物质、胶体物质、溶解物质。 增加水气交换面积，可以增加水中的气体溶解量，所以流动水比静水的溶解气体含量高。 水中溶解氧的数量是评价水体有机污染的重要指标。 水中主要八大离子：阳离子是钾钙钠镁四大阳离子，阴离子是氯离子、硫酸根离子、碳酸氢根离子、碳酸根离子。 水体的沉积物质是水体的重要组成部分，水体环境的质量不仅决定于水质，也受到底积物质的影响，底质可以与水通过各种物理、化学、生物过程及水动力条件的改变发生广泛的相互作用。 水体底质：主要由水体环境中的碎屑物质、胶体物质、生物残体、各种有机质及无机化学沉积物组成，包括水中生物的代谢产物。
水体底质按照空间分布和化学稳定性大致分为上下两层：下层属于历史沉积过程形成的稳定的终态产物，上层是新形成的沉积物，与水仍然进行积极的物质交换和自身转化状态。 水生生物分为四个生态群落：漂浮生物、浮游生物、底栖生物、自游生物。 掌握天然水体水质的两种分类：舒卡列夫分类（共$4\times 49=196$类）、阿列金分类（共$3\times 3\times 4=36$类）。舒卡列夫分类要掌握步骤，书上P15要掌握阿列金分类的表示方法，能够写出其含义。
天然水体按照空间赋存形态分为大气降水、地面水、地下水。地面水又有河流、湖泊、海洋、水库等。
按照天然水体总盐分分为：淡水、微咸水、咸水、卤水。
水的本底：未受污染的自然状态下，水体中某种污染物质的固有含量。

• 水质的物理指标：

1. 温度。

2. 嗅与味。我国饮用水标准规定原水及煮沸的水都不能有异臭或异味。

3. 颜色与色度。

4. 浑浊度。浑浊度的标准单位是以1L蒸馏水中含1mg$ \ce{SiO2} $所构成的光学阻碍现象为浑浊度1度。生活饮用水规定浑浊度不超过5度。

5. 透明度。

6. 电导率。含盐率大，电导率越高。

色度：对黄褐色天然水或处理后的各种用水进行颜色定量测定时所规定的指标。多数清洁的天然水色度为15～25度，湖沼水色度可在60度以上，规定饮用水不能超过15度。 碱度：水中氢氧根离子、碳酸氢根离子、碳酸根离子的总量。
硬度：原指沉淀肥皂的程度，一般定义为水中钙镁离子的总量。包括总硬度、暂时硬度、永久硬度。
溶解氧越高，水质越好。 五日生化需氧量：一般指在${20}^{°}\mathrm{C}$下1L污水进行生物氧化5d，测定其所消耗的溶解氧的数量。
细菌学指标：水质的细菌学指标以检验水中的细菌总数和大肠杆菌数来间接判断水质被污染的情况。
大气降水：包括大气层中呈分散悬浮状态的气态水和各种形式的大气降水。

• 大气降水的特点：

1. 大气降水是由几近纯水的水汽凝结产生的。

2. 大气层具有地球各圈层最小的物质密度。

3. 大气降水具有分散、悬浮、快速降落的存在和运动特征

根据大气的上述特点，因此大气降水具有自然界各类水体中最少的溶解物质。

• 河流的特点：

1. 矿化度高于大气降水，但低于其他天然水体。

2. 河水的水质因为气候、水文汇流等条件影响，复杂多变。

3. 河流水质含有很多气体成分，水质和水温垂直分层现象不明显。

4. 河流的初级生产力较低，河流水中的有机物主要来自陆地和邻近的静止水体。

5. 河流的底积物质受水动力条件控制，沉积物按重力分布作用规律分布。

• 湖泊的特点：

1. 湖泊的矿化度一般高于河、库及大气降水，因为静止和降雨量小以及蒸发浓缩作用。

2. 出现平面分区，垂直分层现象。

3. 一般来说湖泊的初级生产力比河流高，并且主要生产区在近岸和浅水层。

4. 在相对稳定的地质条件下，湖泊的底积作用和生态演化使得湖泊沿着贫营养湖—中营养湖—富营养湖-沼泽-陆地演变。

地下水的存在形式：气态水、吸着水、薄膜水、毛细水、重力水等。形成于大气降水及各种地表水体的渗入补给。
海洋表层是富氧的，这是因为大气氧的补充和海中浮游生物的光合作用。
大气环境中的水溶性物质是水体盐循环和天然水质形成的原始物质。 地质环境通常包括地球岩石圈的物质组成、地质结构、地质作用这三种基本要素。

$水体环境:\{\begin{array}{l}大气环境(初始来源)\\ 地质环境(主要来源)\\ 生态环境\end{array}$

水体污染的定义：水体受到人类或自然因素的影响，使水的感官性状、物理化学性能、化学成分及底质情况等产生了不利于人类生产生活的水质恶化现象。

• 水体污染的机理：

1. 物理作用：例如污染物质在水中的扩散、迁移、沉积和再悬浮等。

2. 化学与物理化学作用：污染物质在水中多以离子或分子状态随水流移动，移动过程中发生化学变化并伴随着物理变化。

3. 生物与生物化学作用：污染物质进入水体后，还会受到生物的生理、生化作用和通过食物链的传递过程发生分解作用、转化作用和富集作用。例如降解，降解是有害的有机污染物分解为无害物质，这是水体自净过程中最重要和最普遍的现象，分为好氧分解和厌氧分解。

农药和重金属的富集是生物放大作用。

• 河流污染的特点：

1. 污染程度随着径污比变化。

2. 污染物扩散快。

3. 污染影响大。

4. 河水污染后容易消除与控制。

• 地下水污染的特点：

1. 过程缓慢

2. 不易发现

3. 难以治理

地下水污染分为直接污染和间接污染，前者是污染物直接来自污染源，在污染过程中性质不变。是主要污染方式。后者是由于污染物作用于其他物质，使得这些物质进入地下水形成污染。

• 污染源分类：（按照自然形成和人类活动分类）

1. 自然污染源（面源）

2. 工业污染源（点源）

3. 农业污染源（面源）

4. 城市生活污染源（点源）

水体自净：污染物进入水体后，由于物理、化学、生物作用，经过一段时间后，能够使污染物的总量减少或者浓度降低，水质部分或完全得到恢复，这种水体恢复功能称为水体的自净能力。
水体自净按照机理分为物理净化、化学净化、生物净化。

• 物理净化分为：

1. 稀释与扩散。稀释：当可溶性污染物进入水体后，在一定范围内相互混掺，导致污染物浓度降低。扩散：污染物质在水体中产生浓度梯度场，污染物质由高浓度向低浓度区散开，这种运动方式称为扩散。

2. 挥发与沉降。挥发：油类物质进入水体后，较轻的组分经过挥发进入大气并转化为非烃类物质，使得水体净化。沉降：有些污染物进入水体后经过一定途径可向底质中沉降和累积，从而降低污染物浓度。

• 化学及物理化学净化：

1. 氧化还原作用

2. 酸碱中和作用

3. 吸附与凝聚

• 水体自净的影响因素：

1. 污染物本身的性质与浓度。

2. 水体的水情要素。主要水情要素有水温、流量、流速、含沙量等。

3. 溶解氧含量。

4. 水生生物。

5. 其他环境因素，例如大气污染降尘、太阳辐射、水体本身营养物含量。

水环境容量：某一水环境单元在给定的环境目标下所能容纳的污染物的量。
水环境容量的影响因素：自然环境、社会环境、污染物的特性。 水环境容量是自然环境、水质目标、污染物特性的函数，可表示为

$\begin{array}{r}E=f(z,s,p,o,t)\end{array}$

式中：$E为水环境容量；z为自然因素；s为水质目标；p为污染物特性；o为污染物的排放方式和空间分布；t为时间。$
水环境容量根据成因分为：存储容量、输移容量、自净容量。 水环境容量的特征，包括水环境容量的地带性特征、资源性特征和对污染物的不均衡特征等。

第三章 水资源保护

水资源保护的核心：根据水资源时空分布、演化规律、调整和控制人类的各种取用水行为，使水资源系统维持一种良性循环的状态，以达到水资源的永续利用。

• 水管理方面采取以下措施：

1. 加强水资源的统一管理

2. 实行取水许可制度和有偿使用制度

3. 建立水功能区划制度和排污总量控制管理制度

水质调查通常指非长期性定点的水质监测和调查工作，目的是在较短时期内，获取水体主要污染源，认识影响水体污染的环境条件，揭示水体污染的发展趋势。
水质检测是长期性的。水质调查和水质监测基本相同，只有长短期及目的差别而要求详简程度不同。
水质评价的目的是准确反映水质污染状况，找出主要污染物的影响，为水资源保护、水污染防治和水质管理提供依据。
感官性状评价的指标：颜色、味、臭味。
溶解氧的最低点称为临界点，临界点的亏氧量称为最大亏氧量。

第四章 水环境保护规划

水污染系统的组成如下所示：

$水污染系统:\{\begin{array}{l}水污染发生系统\\ 水污染控制系统\\ 污染物承纳系统\end{array}$

水污染系统的特征：复合性、随机性、动态性、开放性与综合性。

• 水环境系统控制措施：

1. 非结构性控制措施。例如制定有关法律、规定，编制区域水环境保护规划和治理方案等

2. 结构性措施。主要是水量控制和水质控制。

• 以洪水为控制对象的结构性措施：

1. 采用蓄洪、下泄等防洪措施

2. 城市设置局部防洪措施

3. 增加湿地、自然土地面积，提高透水率，减轻雨涝影响

4. 利用人工池塘或低地拦蓄暴雨径流

5. 屋顶临时蓄水

6. 上游流域的水土保持措施

• 以枯水为控制对象的结构性措施：

1. 建立城市水源备用库

2. 开源节流，污水资源化

3. 提高水的重复利用率

4. 流域性的水量调配及引水措施

按照规划的层次，将水环境保护系统规划分为流域规划、区域规划、设施规划。

第五章 水质数学模型及模拟

• 污染物质与水体的混合状态三个阶段：

1. 竖向混合阶段

2. 横向混合阶段

3. 纵向混合阶段

• 环境中胶体的吸附作用分为：

1. 表面吸附。又称物理吸附。胶体产生物理吸附的根本原因：胶体具有巨大的比表面和表面能。

2. 离子交换吸附。易被吸附的是阳离子。环境pH大者，胶体吸附容量也大，反之亦然。

3. 专属吸附。在吸附中除了化学键的作用外，还有加强的憎水键和分子间范德华力起作用。

第六章 水资源开发利用可能引起的环境问题

• 我国水资源的特点：

1. 水资源总量并不丰富，人均很少。

2. 水资源地区分布不均。

3. 水资源在年内、年际分布不均。

4. 水资源分布与人口、耕地的分布不协调

5. 雨热同期。

水资源开发利用的含义：水资源开发利用，指的是通过各种措施，从兴利除害要求出发，对水资源进行治理，控制、调节、保护、管理及流域间、地区间的调配，使得水资源在一定时间内，按需、按量、按质地为国民经济各部门所利用。 海水入侵：由于自然和人为因素使得陆地淡水系统的水量和水位发生剧烈变化时，咸淡水界面必然发生显著的位移，这种位移由海洋指向陆地时称为海水入侵。
咸淡水界面：在静水平衡状态下，一个特殊的过渡区域可以用盐度突变的平面界面来表征，称为咸淡水界面。
海水入侵的本质是咸淡水界面的移动。

• 海水入侵的影响因素：

1. 含水层类型

2. 含水层（岩体）的透水性

3. 潮汐作用的大小

4. 沿海地区地下水的开采强度

5. 河流入海流量的减少

• 海水入侵的防治措施：

1. 增加地下淡水补给量

2. 兴建淡水帷幕工程

3. 修建防渗帷幕工程

4. 修筑海塘工程

5. 加强水资源管理，合理开发利用沿海地区水资源

6. 建立海水入侵监测系统