水资源学基础知识揭示水资源危机引发的世界社会动荡

1.水体的污染

人类活动对于水体的污染不是从今天开始的，早在工业化之前，人类的生产生活废弃物就排入水体，造成水体污染。由于水体具有自净能力，因而在一定程度上缓解了水体的污染，加之当时人类造成的污染范围小、数量少，未引起人类的注意。随着人口的增加和工业化程度的提高，水体污染越来越严重，这一问题才逐渐为人们重视。人口密集的城市的居民最先受到水体污染之害。20世纪后半叶以来，人口剧增，城市扩张，工业迅速发展，农田大量使用农药化肥，使得油类、重金属、酸、碱、放射性物质、氟化物和苯酚、醛等人工合成物质大量进入水循环系统。根据1998年我国水质监测资料统计，在总计109703 公里的评价河长中，Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类和超Ⅴ类水的河长达评价河长的70%。

2.水文特性的改变

人类通过兴建各类水利工程的措施防御水患，并调节地表径流，以便在农田灌溉、水力发电、生活用水中更有效地利用各种水源。历史上的水利工程，由于其数量和引水量有限，并未干扰水文循环。随社会的不断向前发展，生产生活用水量剧增，各种水利工程的规模越来越大，数量越来越多，往往是大、中、小并举，各级河流干支流到处拦蓄引水，在干早半干旱地区，人工引水常使得河流流量减少，甚至完全断流。过量引水造成内陆湖泊水位下降，湖面收缩、分解或者干涸消失。例如由于灌溉引水，在20世纪前半期就使里海、死海和咸海水位大幅度下降。和20世纪初相比，咸海水面下降14m，面积减少了40%，储水量减少了67% ，咸海周围的湖泊盆地平原上形成大面积盐滩。

在我国塔里木盆地水是制约当地人类活动的主要因素，从20 世纪50年代以来该区人口由309 万增长到721 万：开垦面积由20世纪50年代的70万hm2 增加到1990年的120万hm2。新老绿洲都需要引水灌溉，为了调节径流，修建水库206座，总库容30亿m3，控制了绝大部分水量，致使盆地的天然水系瓦解，几乎全变为人工控制水系，河流下游天然河道干涸断流，沿河生长的胡杨林大面积枯死，湖泊大量消亡。由于塔里木河下游有约300km河段断流，在20 世纪40年代面积达3000km2 的罗布泊到20世纪70年代消亡，成为不毛之地。下游地区有五个农垦团场因断了水源而被迫弃耕，8600hm2 撂荒地正处于沙漠化之中。河西走廊也因为人工拦蓄和引水，天然河流湖泊水系逐渐消亡。例如石羊河水系6条河流均因供求失衡而断流，导致其尾闾湖泊在20世纪50年代末消失，引起民勤绿洲生态严重恶化。疏勒河、黑河、党河也都是同样的情况。

20世纪70年代以来，黄河下游不断出现断流现象。1972～1998年的27年中，黄河下游距河口最近的利津水文站有21年出现断流，累计断流1050 天，断流年份平均断流长度321km，断流主要集中在灌溉用水高峰期的3～6月。不仅黄河干流下游，在黄河中游的主要支流沁河、渭河、汾河等也多次出现断流。其主要原因是自20世纪70年代以来，黄河上、中、下游因用水增长，引黄水量不断增加，进入下游河道的径流量锐减，全流域因用水所致的耗水量由20 世纪50年代的120 亿m3 增至20 世纪90年代的300 亿m3，灌溉面积由20 世纪50年代的约140 万hm2 增至20世纪90年代的约490万hm2，在灌溉高峰季节适逢枯季，进入黄河下游的水量难以保证用水要求，又缺乏统一管理，从而下游各地搞临时措施，采取“春旱冬蓄”，提前加大冬季引黄水量，致使下游断流时间不断提前，断流频次和断流河长不断增加，出现供需失衡。进入20世纪90年代后，黄河流域的降水及与之相应河流来水量均有所偏少。据统计1990～1997年的降水和天然径流与1950～1989年的降水与天然径流相比，黄河兰州站以上（为黄河主要产流区）降水偏少约16%，径流偏少约21%；而花园口站以上，降水偏少约19%，这就加剧了黄河的断流现象。20世纪90年代黄河年年发生断流，断流河段不断上溯延长，断流时间从灌溉用水高峰的3～6月向其他时段扩展，1997年断流情况最为严重，利津站全年断流226 天，断流河段从河口上溯704km，接近河南省开封市。

长江中游荆江段宋堤修筑之后800年来，洪水位上升了大约11m。古云梦泽大湖方圆八百里，西起江陵，东达武汉，北及汉水，南至益阳，由于历史时期地壳沉降转缓，入湖河流泥沙增加，使云梦大泽在南北朝时消亡，今日湖北东部的众多孤立小湖和湖南的洞庭湖，即云梦泽古湖的残余。目前由长江和湘、资、沅、 四水每年携入洞庭湖的泥沙就有1.56亿m3，其90%沉积于湖底，河口三角洲泥沙堆积极为旺盛，湖底每年约淤高2cm。据研究，洞庭湖在1825年时尚有6300km2，到1954年就只有3200km2，1977年时仅余下2700km2。现在洞庭湖三角洲浅滩密布，将湖泊分割成多个水体，西洞庭已淤塞消亡，南洞庭也接近消亡，东洞庭则不断缩小。由于严重的水土流失，我国东部的许多湖泊都因淤积而变浅缩小。在我国东部人口稠密地区，数十年来为了扩大耕地，普遍改河填谷造田，围湖甚至填湖造田，河流过水断面大幅度减小，抬高了河湖洪水位，使得洪水的威胁加大，成灾的概率增加，洪涝灾害损失剧增。

20 世纪以来人类对水资源的消耗量剧增，同时，人为造成的水污染又使许多水源失去使用价值。温室效应引起全球升温，使干旱、半干旱地区降水减少、蒸发增大，干旱缺水状况更甚。山地、丘陵地区广泛毁林开荒，土壤流失，又破坏了水源涵养状况，影响了径流的稳定性。作为城镇主要生活生产水源的地下水，多因开采过度而天然补给不足，地下水源连续亏损，可采水量减少或者枯竭。因而目前占全球陆地面积60%的地区出现了水资源危机。20 世纪后半期困扰世界的中东战争、印巴冲突、非洲社会动荡等，实质大都是由水资源问题引起的。因而水资源成为影响经济发展，社会安定的重要因素。

3.海水和地下咸水入侵

海水和地下咸水入侵是我国最突出的由人为因素引发的区域性地下水污染问题。造成海水和地下咸水入侵的主要原因是地下水的过量开采，使地下水淡水位持续下降，并低于海水（咸水）水面，破坏了淡水——海水（咸水）界面的相对稳定，形成了海水（咸水）向淡水的“入侵”。有关研究表明，从20 世纪70年代中期，我国辽宁、河北、山东三省沿海地区陆续发生海水入侵内陆地下淡水含水层的现象。截止到1992年底，在辽宁省大连、锦州、锦西、营口市，河北省秦皇岛市，山东省烟台、威海、青岛等的29 个县（市、区）共112 个乡（镇）发生了不同程度的海水入侵。海水入侵总面积达1433.6km2，其中重海水入侵面积224.3km2。烟台、大连两市沿海的海水入侵最为严重，海水入侵面积分别为495.2km2 和433.8km2。海水入侵深入内陆的距离一般可达5～8km，最远可达11.5km。该研究还揭示，河北省河间市、沧县、乐亭县至滦南一带，以及山东北部沿海一带都发生了海水入侵。这些地区1992年的咸水面积较1975年扩大了592.8km2。海水和地下咸水入侵造成的危害十分严重，到20 世纪90年代初，海水和地下咸水入侵使我国沿海地区2.44 亿m3的地下淡水资源遭受污染，失去开发利用价值，使得沿海地区的供水矛盾更加尖锐。该研究进一步指出，因海水和地下咸水入侵，已报废机井8000 多眼，每年减少开采地下水1.3 亿m3 以上，减少井灌面积4万多hm2，每年减产粮食2亿kg以上；100多万人口、40多万头大牲畜饮水困难，被迫饮用受到海水和地下咸水污染的地下水，诱发了甲状腺肿、布氏菌病、肝吸虫病等多种疾病；因生产设备腐蚀，产品质量降低，工厂搬迁、停产等，造成工业产值每年减少达3.6 亿元以上。

4.地面沉降的影响

过量抽取地下水和油田开采会造成海岸带城镇沉降，使海平面与地面的相对高度减小。地面沉降将会给海岸带的环境、资源和经济社会发展带来一系列的问题。地面沉降造成的最大危害就是损失地面高程，特别是对于标高很低的滨海区，会由此引起一系列的危害。首先是沿岸低地、潮滩湿地和沿海平原的淹没损失，以及与之相伴随的海岸侵蚀冲刷和侵蚀平衡的改变。其次，它会使风暴潮和洪涝灾害加剧，使保护城镇居民点和工业区的海堤和挡潮闸工程抗灾能力大大降低。防御标准的降低会使风暴潮的危害变得更频繁。例如，1992年9月1日，塘沽新港潮位5.93m，新港码头原设计标高5.6～5.8m，由于长期地面沉降，使码头前沿标高又损失0.4～0.6m，造成天津港前方库房、码头、客运站等全部被水淹没，损失惨重。第三，它使得低洼易涝地区排洪工程的排洪能力减低，加大河流下游平原洪涝灾害损失。例如，海河在天津市区流经河北大街、大直沽地面沉降中心，堤岸沉降2～2.5m，其他地段也沉降1～2m，再加上河道淤积，使海河的泄洪能力由原设计的1200m3/s 减少为250m3/s。据估计，如果海平面上升40cm，太湖的排洪能力将减低20%。珠江三角洲河网地带大约有25%的土地在珠江基准高程40cm 以下，主要是靠堤围防护。海面上升将会使这些堤围丧失其功能。第四，城市地面沉降与海平面上升耦合，使城市排污系统失效，造成城镇排污困难。再加之沿河流潮水顶托回流范围上移，河口段污水倒灌，使水域污染加重，上海和天津在这方面的问题就很突出。同时，海平面上升造成咸水入侵，使地下水矿化度增大，农田发生次生盐碱化。第五，海平面上升会使港口码头的运作标高损失，不仅影响港口的正常运作，还使其抗灾能力衰减。

5.水土流失的影响

我国是世界上水土流失最严重的国家之一，全国水土流失面积为367万km2，占国土面积的38%。每年流失泥沙为50 亿t，严重影响土壤肥力。世界上水土流失面积最广、强度最大的地区是我国的黄土高原，现有人口9030 万，总土地面积为64 万km2，其中水土流失面积达45.4 万km2，占71%。严重的水土流失是黄河流域水旱灾害严重且难于治理的主要症结，也是黄土高原地区贫困的基本原因。到20 世纪末黄土高原地区有贫困县126个，占全国贫困县总数的21%，贫困人口为2300 多万，占全国贫困人口1/3。仅黄土高原每年水土流失带走的氮、磷、钾就有4000万t，相当于全国一年的化肥产量。黄河平均年输沙量16 亿t，其中4 亿t 淤积在下游河床，使下游河床以每年10cm的速度抬升，使黄河成为地上悬河。20 世纪90年代以来是水土流失治理发展最快的时期，平均每年治理开展面积为1 万多km2，但实际每年保存下来的初步治理面积只有6000km2，不足国家下达的每年治理保存任务的一半。据调查，黄土高原水土保持综合治理面积多年平均保存率为60%；水土保持林平均保存率为50%；人工种草保存率为30%。20 世纪90年代以来国家经济建设重点向中西部转移，由于预防监督和管理上的不力，新的人为水土流失也随着黄土高原的经济建设规模的扩大而扩展。

6.水体污染特点、来源与危害

（1）水体污染特点：陆地上各种水体的特性和运动规律不同，因之它们在受到污染后的性状也就不相同。

1）河流污染特点：河流是陆地上最重要的水体，大工业区和城市大都建立在江河之畔，人类依靠河流供水、运输，同时也将废、污水排入河流。目前，在工业地区和人口密集地区的河流，大多遭受了不同程度的污染，由于河流水流的具体特性，其污染情况有如下特点：

污染程度随径污比变化。河流的径流量和排入河流中的污水、污物量决定了径污比。排污量相同，河流的径流量大则污染轻，反之就重。河流的径流量随时间变化，因此河水的污染程度亦随时间变化。

污染物扩散快。河水是流动的，上游河段遭受污染会很快影响到下游，所以河流污染影响的范围不仅限于污染发生区。另外，从对具有洄游习性的鱼类影响来看，河流中某一段受到污染，可以影响到全河道的生态环境。

污染影响大。河流是人畜的主要饮用水源，污染物可直接通过饮水危害人畜的健康。河流还是淡水产品的主要产地，河流受了污染又可通过水生动物（鱼、贝类）食物链影响人体健康。河流又是农田灌溉的主要水源，因之污染的河流水又通过农作物中污染物的累积而影响人体健康。

一般来说，河水污染后容易消除与控制，因河水交替快，自净能力强，对水体范围讲相对较小，因此其污染容易控制。

2）湖泊污染特点：湖泊是陆地上水交换缓慢的水体，其中非排水湖因湖水不能再流出，故污染物也不断在湖内积累。排水湖亦常因其流速小，水域广阔，可使某些污染物长期停留于水体中发生质的变化和量的积累，因而改变水体状态和造成污染。其污染特点如下：

污染物来源广、途径多、种类复杂。上游和湖泊相通的入湖河道，可以携带其流经地区厂矿企业的各种工业废水和居民生活污水入湖。湖区周围农田和果园土壤中的化肥、农药残留和其他污染物可以通过农田回归水和降雨径流的携带进入湖泊，湖中生物死亡后，经微生物分解，其残留物也可污染湖泊。几乎湖泊流域环境中的一切污染物质，都可以通过各种途径最终进入湖泊。氮、磷等营养元素进入湖泊使藻类大量繁殖，从而使溶解氧降低，有的水生生物因而窒息而死，这就是所谓的富营养化，而这在河流中少见，可见湖泊污染的类型较河流多。

湖水稀释和搬运物质的能力弱。水体对污染物质的稀释搬运能力，通常与水流流速成正比。流速越大，稀释和搬运能力越强。湖泊由于水域广阔，流速缓慢，故污染物质进入后，非但不易迅速地被湖水稀释而达到充分混合，反而对沉降有利，而且也难于通过湖流的搬运作用，经过出湖河道向下游输送。一般河流，洪水季节由于流量的迅速增加，稀释和搬运污染物的能力加大，能使水质大为改善。而湖泊由于滞洪作用，洪水进入湖泊后迅速减缓，稀释和搬运污染物质的能力远不如河流那样大。这表明河流属于污染物质循环中易于搬运的过路类型，而湖泊大多属于污染物质循环中易于沉积的封闭类型。河流型的湖泊则介于这二者之间。此外，流动缓慢的水面还使水的复氧作用降低，从而使湖水对有机物质的自净能力减弱。(www.chuimin.cn)

湖泊对污染物质的生物降解、累积和转化能力强。湖泊是孕育水生动物植物的天然场所，流动缓慢的湖水有利于湖泊生物对微小物质的吸收。不少生物能富集铜、铁、钙、硅、碘等元素，可比水体原来的浓度大几百倍、几千倍，甚至多少万倍。水体被污染后，污染物质除了直接从水体进入生物体外，还可以通过食物链中多级生物的吞食，不断富集和转移。如有机农药（DDT）及其分解产物，通过水→藻→虾→昆虫→小鱼→鸥食物链传递，鸥体内的浓度比水中浓度大100多万倍。有的生物则能对有机污染物质进行分解。例如，酚可在藻类、细菌或底栖动物的新陈代谢中，分解成二氧化碳和水，从而有利于湖泊净化，但有些生物却能把一些毒性不足的无机物转化成毒性很大的有机物，例如，无机汞可被生物转化成有机的甲基汞，并在食物链中传递浓缩，使污染危害加重。

3）水库污染特点：水库兼有河流和湖泊两者的特征。有很大部分的水团沿一定方向流动，有一定程度的水交换，所以水库的自净能力比湖泊大。

水库的修建，使流水环境变为静水环境，由此出现一系列物理、化学及生物现象的改变，其中最大的变化之一是水温结构的变化，而水库水温很大程度上决定着水库在物理、化学及生物特性方面所发生的改变。

4）地下水污染特点：地下水流动极其缓慢，因此地下水污染具有过程缓慢，不易发现和难以治理的特点，受污染的地下水域，在彻底控制其污染源后，一般需要几十年才能使水质复原。地下水的污染方式分直接污染和间接污染两种。前者是污染物直接来自污染源，在污染过程中污染物的性质不变，这是地下水的主要污染方式；后者是由污染物作用于其他物质，使这种物质进入地下水，形成污染，例如地下水中硬度的增加就是间接污染造成的，间接污染过程复杂，污染原因、污染来源和途径难于查出。

地下水污染途径可归纳为四类：①间歇入渗型：是雨水或灌溉水等使污染物通过非饮水带，间断地渗入含水层，如淋滤固体废物堆引起的地下水污染；②连续入渗型：由污水聚集处（如污水渠、污水池、污水渗井等）和受污染的地表水体，连续向含水层渗漏而造成的地下水污染类型，以上两类主要污染潜水；③越流型：污染物通过越流方式从已受污染的含水层转移到未受污染的含水层。如通过破坏的井管污染潜水和承压水；④径流型：污染物通过地下水径流进入含水层，污染潜水或承压水。如污染物通过地下岩溶孔道进入含水层。

地下水污染后难以复原，故应以预防为主进行保护。最根本的保护办法是尽量减少污染物进入地下水的机会和数量，如对污水聚集地段进行防渗，选择具有渗透性最小的地质、水文地质条件的地点排放废物等。

（2）水体主要污染物来源：人类活动将大量未经处理的废水、废物直接排放江河湖海，污染地面水和地下水，人为造成水体污染的主要来源有如下几种：

工业生产过程排出的废水、污水和废液等，统称工业废水，这类废水成分极其复杂，量大面广，有毒物质含量高。其水质特征及数量随工业类型而异，大致可分三大类：①含无机物的废水，包括冶金、建材、无机化工等废水；②含有机物的废水，包括食品、塑料、炼油、石油化工以及制革等废水；③兼含无机物和有机物的废水，如炼焦、化肥、合成橡胶、制药、人造纤维等。

人们日常生活中排出的各种污水混合液，统称生活污水。随着人口的增长与集中，城市生活污水已成为一个重要污染源。生活污水包括厨房、洗涤、浴室、厕所用水以及粪便等，这部分污水大多通过城市下水道与部分工业废水混合后排入天然水域，有的还汇合城市降水形成的地表径流。由城市下水道排出的废污水成分也极为复杂，其中大约99%以上的是水，杂质约占0.1%～1 % 。

生活污水中悬浮杂质有泥沙、矿物质、各种有机物、胶体和高分子物质（包括淀粉、糖、纤维素、脂肪、蛋白质、油类、洗涤剂等）；溶解物质则有各种含氮化合物、磷酸盐、硫酸盐、氯化物、尿素和其他有机物分解产物；还有大量的各种微生物如细菌、多种病原体。据统计，每毫升生活污水中含有几百万个细菌。污水呈弱碱性，pH值约为7.2～7.8。生活污水中杂质含量与生活习惯和水平有关，通常用平均情况描述。我国生活污水的指标为：沉淀后的5 天生化需氧量（BOD5）为20 ～30 g/（人·d），悬浮物（SS）为20～45 g/（人·d）。

通过土壤渗漏或排灌渠道进入地表和地下水的农业用水回归水，统称为农田排水。农业用水量通常比工业用水量大得多，但利用率很低，灌溉用水中的80% ～90%要经过农田排水系统或其他途径排泄。随着农药、化肥使用量的日益增加，大量残留在土壤里、飘浮于大气中或溶解在水田内的农药和化肥，通过灌溉排水和降水径流的冲刷进入天然水体，形成面污染源。现代化农业和畜牧业的发展，特别是大型饲养场的增加，会使各类农业废弃物的排入量增加，给天然水体增加污染负荷。水土流失使大量泥沙及土壤有机质进入水体，是我国许多地区主要的面污染源。此外，大气环流中的各种污染物质的沉降如酸雨烟尘等，也是水体污染的来源。这些污染源造成了性质各异的水体污染，并产生性质各异的危害。

（3）水体污染的主要危害：无机悬浮物污染的危害，主要指泥沙、土粒、煤渣、灰尘等颗粒状物质，在水中可能呈悬浮状态。这类物质一般无毒，会使水变浑浊，带颜色，给人厌恶感，因此属于感官“污染”。这类物质常吸附和携带一些有毒物质，扩大有毒物质污染。

有机污染物分耗氧有机物和难降解有机物。耗氧有机物在水体中即发生生物化学分解作用，消耗水中的氧，从而能破坏水生态系统，对渔业影响较大。正常情况下20 ℃水中溶解氧量（DO）为9.77mg/L，当DO＞7.5mg/L，水质清洁；当DO＜2mg/L，水质发臭。渔业水域要求在24h中有16h以上DO值必须大于5mg/L，其余时间不得低于3mg/L。

难降解有机物一旦污染环境，其危害时间较长。如有机氯农药，由于化学性质稳定，在环境中毒性减少一半需要十几年，甚至几十年；而水生生物对有机氯农药有极高的富集能力，其体内蓄积的含量可以比水中的含量高几千倍到几百万倍，最后通过食物链进入人体。如有机氯农药DDT 可引起破坏激素的病症，给人的神经组织造成障碍，影响肝脏的正常功能，并使人产生恶心、头痛、麻木和痉挛等。这类中毒往往呈慢性，弄清症状需要花很长时间。

植物营养素污染的危害会引起水体的富营养化，藻类过量繁殖。在阳光和水温最适宜的季节，藻类的数量可达100 万株/L以上，水面出现一片片“水花”，称为“赤潮”。水面在光合作用下溶解氧达到过饱和，而底层则因光合作用受阻，藻类和底生植物大量死亡，它们在厌氧条件下腐败、分解，又将营养素重新释放进水中，再供给藻类，周而复始，因此，水体一旦出现富营养化就很难消除。

富营养化水体对鱼类生长极为不利，过饱和的溶解氧会产生阻碍血液流通的生理疾病，使鱼类死亡；缺氧也会使鱼类死亡。而藻类大多堵塞鱼鳃，影响鱼类呼吸，也能致死。

含氮化合物的氧化分解会产生硝酸盐，硝酸盐本身无毒，但硝酸盐在人体内可被还原为亚硝酸盐。研究认为，亚硝酸盐可以与仲胺作用形成亚硝胺，这是一种强致癌物质。因此，有些国家的饮用水标准对亚硝酸盐含量提出了严格要求。

重金属毒性强，对人体危害大，是当前人们最关注的问题之一。重金属对人体危害的特点：①饮用水含微量重金属，即可对人体产生毒性效应。一般重金属产生毒性的浓度范围大致是1～10mg/L，毒性强的汞、镉产生毒性的浓度为0.1～0.01mg/L；②重金属多数是通过食物链对人体健康造成威胁；③重金属进入人体后不容易排泄，往往造成慢性累积性中毒。日本的“水俣病”是典型的甲基汞中毒引起的公害病，是通过鱼、贝类等食物摄入人体的；日本的“骨痛病”则是由于镉中毒，引起肾功能失调，骨质中钙被镉取代，使骨骼软化，极易骨折。砷与铬毒性相近，砷更强些，三氧化二砷（砒霜）毒性最大，是剧毒物质。

石油类污染物比水轻又不溶于水，覆盖在水面形成薄膜，阻碍水与大气的气体交换，抑制水中浮游植物的光合作用，造成水体溶解氧减少，产生恶臭，恶化水质。油膜还会堵塞鱼鳃，引起鱼类的死亡：

酚类化合物污染的危害。人口服酚的致死量为2～15g。长期摄入超过人体解毒剂量的酚，会引起慢性中毒。苯酚对鱼的致死浓度为5～20mg/L，当浓度为0.1～0.5mg/L 时，鱼肉就有酚味。

氰化物能抑制细胞呼吸，引起细胞内窒息，造成人体组织严重缺氧的急性中毒。0.12g氰化钾或氰化钠可使人立即致死。

病原微生物可引起各类肠道传染病，如霍乱、伤寒、痢疾、胃肠炎及阿米巴、蛔虫、血吸虫等寄生虫病。另外还有致病的肠道病毒、腺病毒、传染肝炎病毒等。