水质工程学

城市水环境质量改善技术水质工程学水质工程学与与科技创新科技创新水资源与环境学院王鹤立城市水环境质量改善技术第1章水的社会循环概况第2章水资源的保护与利用第3章城市供水第4章城市排水城市水环境质量改善技术2.1.1水资源的含义与特性1.水资源的含义水是地球上最为普遍存在的物质之一。作为一种自然资源，其价值十分丰富广泛，通常可表现为维持生物生存、社会生产正常运转的功能价值；维持生态平衡、提供良好生息条件的环境价值；以及蕴藏在水流里的能量价值等诸多方面。2.1地球上的水资源城市水环境质量改善技术(1)流动性与溶解性在常温下，水主要以液态的形式存在，具有流动性。这种流动性使水得以拦蓄、调节、引调，从而使水资源的各种价值得到充分的开发利用。同时也使水具有一些危害，它会造成洪涝灾害、泥石流、水土的流失与侵蚀等。另外，水在流动并与地表、地层及大气相接触的过程中会夹带和溶解入各种杂质，使水质发生变化。(2)再生性与有限性水在太阳的辐射及地球气象因素的作用下，会有气、液、固三种形态不断的转化、迁移，形成水的循环，使地球上的各种水体不断得到更新，使水资源呈现再生性。2.水资源的特征性城市水环境质量改善技术(1)流动性与溶解性在常温下，水主要以液态的形式存在，具有流动性。这种流动性使水得以拦蓄、调节、引调，从而使水资源的各种价值得到充分的开发利用。同时也使水具有一些危害，它会造成洪涝灾害、泥石流、水土的流失与侵蚀等。另外，水在流动并与地表、地层及大气相接触的过程中会夹带和溶解入各种杂质，使水质发生变化。(2)再生性与有限性水在太阳的辐射及地球气象因素的作用下，会有气、液、固三种形态不断的转化、迁移，形成水的循环，使地球上的各种水体不断得到更新，使水资源呈现再生性。2.水资源的特征性城市水环境质量改善技术(3)时空分布上的不均匀性水资源的时空变化是由气候条件、地理条件等因素综合决定的。各区域所处的地理纬度、大气环流、地形条件的变化决定了该区域的降水量，从而决定了该区域水资源的多少。春暖后，南方开始进入雨季，随后雨带不断北移。进入夏季，全国大部地区处在雨季，雨量集中。秋后，随着夏季风的迅速南撤，天气很快变凉，雨季结束。2.水资源的特征性城市水环境质量改善技术2.1.2地球上的水资源1.地球上的总水量地球的表面积约为5.1亿km3，其中陆地面积为1.49亿km3，占地表总面积的29.2％；海洋面积为3.61亿km。，占地表面积的70.8％。严格地讲，地球是一个水球。地球上水的总量为14.6亿km3，其中海洋、咸水湖等咸水为14.21亿km3，占97.3％；淡水0.39亿km3，占2.7％。淡水中有77.2％储藏在极地和冰川中，约有22.4％为地下水和土壤中水；约有0.35％在湖泊和沼泽中；大气中为0.01％；江河中的淡水不到0.01％。城市水环境质量改善技术地球上的淡水资源分为液态、固态和气态淡水三类。(1)液态淡水全球液态淡水量为10662.6×1012m3，占总淡水量的30.41％。主要分为湖泊水、河流水、沼泽水、土壤水和地下淡水。湖泊是陆地上重要的储水体，全球淡水湖的总储水量在91.0×1012～124.9×l012m3之间。沼泽水是一个特殊的水体，其总水量约为11.47×1012m3。河流水是最便于人类利用的天然水资源，经估算全球河床静储水量为2.12×1012m3。土壤水是指储存于地球表面最上部2m以内土层中的水，一般这一深度内土层平均湿度为10％，据此计算，全球土壤水的储量为16.5×1012m3。表中列出了全球液态淡水储量的组成。全球液态淡水储量2.淡水资源类别水量(1012m3)占液态水湖泊水102.50.96％河流水2.120.02％沼泽水11.470.108％土壤水16.50.155％地下淡水10530.098.25％总计10662.59l00％城市水环境质量改善技术(2)固态淡水全球固态淡水是指分布于两极地区、格陵兰岛冰盖冰雪及高山上的冰川和积雪储水，此外还有地下永冻带中的储水。全球冰雪覆盖面积为1.51×107～1.63×107km3，占陆地面积的11％，冰雪平均厚度达1463m，总储水量为24364×1012m3，占全球淡水资源量的68.7%，是全球河床储水量的12000倍，湖沼储水量的136倍。此外，地下永冻带中的储水水量达300×1012m3，是全球湖泊总储水量的1.7倍。(3)气态淡水气态淡水是指大气圈中的水，它来自海洋表面、陆地表面的水分蒸发和动植物体内水分的蒸发，以水汽、水滴和冰晶、固体颗粒的形式存在，其总水量约为12.9×1012m3。它是人类可资利用的重要淡水资源之一。2.淡水资源城市水环境质量改善技术世界上70％的淡水资源是以冰雪的形式分布于远离人口稠密的地区，至今难以大规模利用，其余30％的淡水储存于地下及地表的江河、湖泊之中。因此称世界水资源量时常常是指全球河流人海径流量。全球陆地平均年降水量约为800mm，蒸发量485mm，年径流315mm，全年人海总径流量为47×1012m3，占全球淡水总储量的0.13％，地表淡水储量的0.19％。在世界上所有河流中，南美洲亚马逊河年径流量最大，为6.93×1012m3，占世界人海径流量的14.7％；其次为非洲的扎伊尔河，年径流量1.414×1012m3，占世界年径流量的3％，我国长江年径流量0.98×1012m3位居第三，占世界年径流量的2.1％。3.径流资源城市水环境质量改善技术海洋是地球上最大的水体，海洋水占地球上总水量的97％。海水是水循环的主要来源，每年它向大陆输送的水总量达122000km3，其中，形成降水量98000km3，是生产淡水的天然资源。4.海水资源城市水环境质量改善技术1.水循环地球上的水不是静止的，而是不断运动变化和相互交换的。在太阳辐射和地心吸引力的作用下，地球上各种状态的水从海洋面、江河面、湖沼面、陆地面和动植物表面蒸发、蒸腾变成水汽，上升于空中，被气流带到其他地区，在适当条件下凝结，然后以降水形式落到海洋表面或陆地表面。到达地面的水，在重力的作用下，部分渗入地下形成地下径流，部分形成地表径流流入江河，汇入海洋，还有一部分重新蒸发到空中，这种循环往复的过程称为水的自然循环。2·2·1水的自然循环城市水环境质量改善技术据统计，地球表面水分总蒸发量每年为520000km3，其中海洋面的蒸发量年均为448900km3，占86.3％，陆地蒸发量年均为71100km3，占13.7％。全球每年降水量为520000km3，其中海洋降水量年均为411600km3，它小于蒸发量。这部分剩余的水量通过大循环被气流输送及降落到大陆和岛屿，在那里补给河流、湖泊、冰川、地下水，促进自然生态的平衡和人类活动与经济的发展。陆地年平均降水量为108400km3，其中汇人河川的径流量年平均为37300km3，其余的水量渗入地下或蒸发为水汽。2.水循环量城市水环境质量改善技术地球上的水是不断运动着的物质，处在一个循环往复的过程中。水循环具有下列基本特点。(1)全球多年平均总蒸发量和全球多年平均总降水量相等；海面蒸发是降水和水汽输送的主要来源，海洋上的蒸发量等于海面降水量与陆地注入海洋的径流量之和。(2)根据计算，海面输送到陆地上空的水汽只占海洋总蒸发量的8％，而92％的水汽以降水的形式落回海洋。海陆之间水交换的有效水量只占极小一部分，即从海洋输送到陆地上空的水汽只占全球总蒸发量的7.2％。(3)全球总水量为14亿km3，而参加水循环的水量为520000km3，只占全球总水量的0.04％。(4)不同水体的循环速度相差很大。水循环不但与实际有效循环水量有关，而且与循环速度密切相关。水体更新速度越快，水资源利用率越高，受污染的水体水质恢复也越快。3.水循环的基本特征城市水环境质量改善技术1.水与人的关系水对于人类来说是一种不能离开、不可缺少的重要物质，它与人类的生存和社会的发展密切相关。(1)水是生命的摇篮。水具有很多独特的物理化学性质，它们对孕育生命具有重大意义。水是一种很好的溶剂，但是不能溶解蛋白质和其他分子复杂的有机物。这就保证了生物可以从水中获得所需要的营养而自身不被溶解。在正常情况下，人处于水分平衡状态。如果这种平衡状态被打破，就要影响正常生活。一个成年人体内的水分总量占自身体重的65％～70％，人体内的水分若比标准减少5％，人就会意识昏迷；当一个人吸收的水量比维持平衡的水量减少14％～15％时，就会死亡。2.2.2水的社会循环城市水环境质量改善技术(2)水对调节自然环境有特殊的作用。水是人类环境的重要要素之一。同位素示踪法证明光合作用释放出的氧来自于水，也就是说水是大气层中氧气的惟一来源。水是自然界比热最大的物质，它不但能吸收大量的热，而且散热过程也很慢，地球上3／4的表面是海洋，它起到气温调节器的作用，使地球上的大部分地区适于生物的生长。(3)水是农业的命脉。农业生产的对象是有生命的植物和动物，它们的生长都离不开水。生产1kg小麦耗水量0.8～1.25m3，生产1kg水稻耗水1.4～1.6m3。一棵直径中等粗细的榆树每天的蒸发量至少0.1m3。农业用水量在各类用水中居第一，全世界农业用水量达21000亿m3，约占全世界总用水量的73％，农田灌溉用水量占农业用水量的90%。1.水与人的关系城市水环境质量改善技术(4)水是工业的血液。任何工业生产过程都离不开水。我国万元产值用水量平均为136m3，是发达国家的5～10倍。我国工业用水利用重复率为30％～40％，而发达国家为75％～85％。(5)水是城市发展繁荣的基本条件。随着城市的发展、人口的增加、生活水平的提高，用水量越来越大，使得水资源严重短缺，反过来制约了城市的发展。1.水与人的关系城市水环境质量改善技术2.3.1中国的水资源概况我国大陆上空大气中所含的水汽平均为0.1445×1012m3，约为全球大气层中水汽总含量的1／89，如果把这些水平铺在我国陆地国土上，单位陆面上折合水深为15.1mm。但实际上，不同地区上空水汽量并不相同，单位陆面折合水深相差很大，其中东南沿海地区大于40mm，而西北地区不足5mm。降水是我国地表径流的主要来源，亦是制约我国水资源时空分布的主要因素。我国年降水总量为6.1889×1012m3，相当于大陆上空全年输入水汽量的34％，为全国河川径流总量的2.28倍。2.3中国的水资源城市水环境质量改善技术1.总量、人均、亩均特点我国河川径流量27115×108m3，居世界第六。从总量上看，我国水资源并不少，但是我国人均占有水量按人口计算仅2200m3／人，居世界第121位。被列为世界上40多个缺水国之一，我国愈来愈多的地区出现水资源供需紧张的状况。2.3.2我国水资源的特点城市水环境质量改善技术2.地区分布特点由于降水量受大气环流、海陆位置及地形、地势等因素的影响，我国水资源量在地区上存在“南多、北少；东南多，西北少”的格局，长江流域及其以南的珠江流域在500mm以上。北方淮河流域最大为225mm，约为全国平均值的80％，黄河、海河、辽河、黑龙江均在150mm以下，内陆河流域为32mm，约为全国的11％。2.3.2我国水资源的特点城市水环境质量改善技术3.年内时间上的分配特点我国水资源在时间上的分配也很不均匀。我国地处中低纬度，主要是受季风气候的影响，从海洋上带来大量的水汽，气候温暖，雨量充沛。夏季占全部水资源的70％～75％以上，冬季不足25％。2.3.2我国水资源的特点城市水环境质量改善技术2.3.3我国水资源紧缺的社会因素我国总的水资源量为27115亿m3，人均占有水量仅为全世界人均水占有量的1／4，水资源严重短缺，是世界上40多个严重缺水的国家之一。(1)人口的增加和城市化用水标准的提高使水资源供需矛盾越来越突出。据统计，截至1998年底全国570个城市中有333个城市缺水，日缺水量1600×104m3。随着我国城市化的进程加快，人民的生活水平也在不断提高，人口还在增加，这都需要大量的水资源。因此，在我国水资源短缺的问题是长期而艰巨的。城市水环境质量改善技术2.3.3我国