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环境科学概论第一章 绪论第一节 环境、环境问题和环境科学的产生1环境（Environment）1.1 什么是环境 环境，就词义而言，是指周围的事物，环境总是相对于某一个主体而言，从这一角度上讲， 环境是一个相对的概念， 它会随着“主体”的变化而改变。 “环境”一词，作为一个专门术语， 同样会随着学科的不同而具有不同的含义。例如，对于生态学，由生态学的经典定义：“研究生物之间及其生物和环境之间相互关系的科学”，不难看出生态学中的环境是相对于生物这一主体而言的外部世界，它包括光照、水分、土壤，温度、地形地貌等。什么是环境科学中的环境？对于伴随着20世纪50年代前后“环境问题”，更确切地说是“环境污染问题”的第一次高潮的出现而逐渐发展起来，并逐渐扩大其研究内容的环境科学来说，其主体是人类。环境科学中的“环境”的定义应该是以人为主体的外部世界的全部。这里的外部世界包括人类已经认识到的，直接或间接影响人类生存与发展的周围事物。它包括非生物环境（Physical environment）（大气环境、水环境、土壤环境），也包括生物环境（Biological environment）。 1.2 与环境密切相关的概念 (1) 生态（ Ecology）1866年 德国博物学家E. Haeckel在普通生物形态学中的最经典的定义：“研究生物之间及其生物和环境之间相互关系的科学”，1972年现代著名生态学家E.P.Odum在生态学基础中的定义：“生态学为研究自然界的构造和功能的科学”。当前，生态一词也越来越多地被作为一个修饰词而广泛应用， 这时它更多地强调的是：生物系统（包括人类）与环境系统之间的一种和谐关系。生态保护、生态平衡、生态运动、生态经济、生态工业、生态文明等。如：生态工业强调的是工业这种人类的行为应与环境相协调，而应该不向环境排入过量的污染物。 (2) 自然资源（Natural resources）自然资源的定义人们引用较多的是联合国环境规划署UNEP (United Nations Environmental Programme) 给出的定义：在一定时间、地点条件下能够发生经济价值，以提高人类当前和未来福利的自然环境因素和条件。自然资源和自然环境的区别：自然资源是自然环境的一个子集，自然资源只是自然环境中对人类生活和生存有用的部分。被污染的环境、火山环境应该不能说是自然资源。 自然资源的分类按照能否被耗尽分为：可耗竭资源和不可耗竭资源。如石油和阳光。根据再生能力分为：可再生资源和不可再生资源。可再生资源：指可借助生长、繁殖或自然循环而不断地更新的自然资源，包括生物资源、水资源和土壤资源（有的文献也将土壤资源称为半可再生资源）。 不可再生资源：指在对人类有意义的时间尺度内不能在再生，其形成过程远远大于被人类消耗的过程。主要包括化石能源、金属和非金属。2环境问题（Environmental Issue）与环境科学 所谓环境问题是指由于人类活动作用于人们周围的环境所引起的环境质量变化，这种变化反过来对人类的生产、生活和健康产生不利的影响。环境问题：污染性环境问题（大气污染、水污染、土壤污染等）和非污染性环境问题（森林面积锐减、土地退化和荒漠化、生物多样性减少等）2.1 环境问题的两次高潮 1、环境问题的第一次高潮（19501980）：特点是局部环境问题 20世纪中叶前后，震惊世界的环境污染（Environmental pollution ）（在日本称为环境公害）事件接连发生，其标志是发生在这一段时间内的“八大公害事件”， 标志着环境问题第一次高潮的出现。 “八大公害”事件（1）伦敦烟雾事件 （2）洛杉矶光化学烟雾事件（3）马斯河谷烟雾事件（4）多诺拉烟雾事件（5）四日事件（6）水俣甲基汞事件（7）富山锌污染骨痛事件（8）米糠油多氯联苯事件伦敦烟雾事件：时间:1952年12月 主要污染物: SO2,烟尘 危害:5天内4000人死亡 原因:SO2与烟尘作用生成H2SO4，吸入肺部 形成条件:工厂多、雾天、逆温天气 几大重大事件 （1）1962年，美国海洋科学家 R. Carson （卡尔逊）Silent Spring寂静的春天。 （2）1972年6月5日-16日在瑞典斯德哥尔摩举行了第一次人类环境会议。会议通过了划时代的历史性文献人类环境宣言（Declaration on Human Environment），即斯德哥尔摩宣言。如果将今天的的时代称为“具有强烈环境意识的时代”，第一次人类环境会议便是这个时代的里程碑。 （3）Limit to Growth增长的极限罗马俱乐部于1972年发表了其年度研究报告增长的极限。 该报告一针见血地指出环境所面临的危机和人类社会在自身发展中面临的困境，使得人类不得不对发展中的人类与环境的关系重新进行思考。 2、环境问题的第二次高潮（80年代中期） 进入20世纪80年代中期，环境问题除了以前人们所主要关注的局部或叫地区性环境污染（如水域污染、城市大气污染）以外，又有了新的变化。（1）发达国家已基本解决了其本土范围内的地区性局部环境污染问题与生态破坏问题，而广大的发展中国家正面临着逐渐严重的区域性局部环境污染和生态破坏问题； 举例：日本的大气、海湾环境的完全好转 ；美国的“黑沙尘暴”问题的解决； 中国的城市大气，湖泊水污染的日益严重。 （2）全球性和区域性环境问题开始受到重视 A全球性大气环境污染问题：温室效应加剧与全球变暖、臭氧层耗损、酸沉降;B非污染性环境问题：森林面积锐减、生物多样性减少、土地荒漠化;C突发性、灾难性环境污染事件(1984年12月印度博帕尔农药（异氰酸甲酯）泄露事件;1986年4月26日前苏联的乌克兰切尔诺贝利核电站泄露);D化学品的污染及越境转移 联合国环境与发展大会1992年6月3日至4日，联合国在巴西里约热内卢举行“联合国环境与发展大会”。183个国家的代表团的代表出席了会议，102位国家元首或政府首脑亲自与会。与1972年旨在唤醒人们环境意识的斯德哥尔摩人类环境会议相比，这次会议不但提高了对环境问题认识的广度和深度，而且把环境问题与经济、社会发展结合起来，树立了环境与发展相互协调的观点，提出了未来发展的正确道路，被普遍接受的"可持续发展战略"。 几个重要文件:A环境与发展方面国家和国际行动的指导性文件 里约环境与发展宣言;B 21世纪在环境问题上战略行动的文件二十一世纪议程21 Agenda；C旨防止全球气温变暖的气候变化框架公约;D推动保护生物多样性的生物多样性公约 20世纪全人类共同保护地球环境的三大宣言一、1972年，人类环境宣言二、1982年，内罗毕宣言 为了纪念联合国人类环境会议10周年，促使世界环境的好转，国际社会成员国于1982年5月10日至18日在内罗毕召开了人类环境特别会议，并通过了内罗毕宣言。在充分肯定了斯德哥尔摩人类环境宣言的基础上，针对世界环境出现的新问题，提出了一些各国应共同遵守的新的原则。 三、 1992年，里约环境与发展宣言世界首次"环境与发展大会"宣言 两次高潮的比较一、 影响的空间范围不同:第一次高潮主要在西方国家（工业化发达国家）、局部性的小范围的环境问题;第二次全球性的大范围的乃至全球性的环境问题和资源耗竭，发达和发展中国家都受到影响。 二、 关注影响对象的不同:第一次对人体健康状况的影响；第二次不只以上，更关注对社会经济发展的影响 第2节 环境科学（Environmental Sciences）内容、分科和发展 2.1 环境科学的形成、发展与分科环境科学，或叫环境研究（Environmental Study）是一个新兴的、以人类-环境系统为研究对象的学科领域或研究领域，现阶段其学科体系尚不定型。这里以环境科学的发展为线索，介绍环境科学的形成和分科。1、第一阶段或叫第一类环境学科分支 从已有的传统学科中分化出来，以专门研究环境问题的某一个侧面为目的的学科分支。20世纪50年代，许多西方发达国家遭受到了严重的环境污染问题，因而明确提出了environmental pollution和环境公害的新概念，用以概括和反映人类与环境关系的失调，并将其作为专门的研究领域加以研究，以试图解决环境污染问题。 2、第二阶段或叫第二类环境学科分支 以整个“人类环境系统”为研究对象，强调综合，形成了不属于旧的传统学科，仅为环境科学、环境研究所特有的学科研究领域。这些新的研究领域虽然也同样应用了传统学科的一些手段和方法，但是，它们已明显不同于以上那些直接从传统学科中分化出来的学科分支，而是以解决某一环境问题，以评价、规划和管理人类环境系统的最佳方案为目的发展起来的。例如环境质量评价学、环境系统分析、环境规划管理等。它们已不再属于某一传统学科，而具有很强的综合性。 2.2 环境科学的特点 A 综合性和交叉性:综合性和交叉性是环境科学的最大特征。涉及到自然科学、社会科学和工程科学，是一个由多学科到跨学科的庞大科学体系。它的建立是从传统学科中经过分化、重组、综合和创新的过程形成的，具有很强的综合性。B 学科的新兴性和不定型性:一般认为环境科学从诞生至今也就是50年的历史，因此，对于环境科学的学科体系给以明确的回答还有一定的困难，环境科学还属于一个年轻、蓬勃发展的学科和研究领域。 2.3 环境科学的任务 环境科学的任务在于揭示人类与环境相互作用的基本规律。人类与环境构成了一对矛盾，环科的任务就是揭示这对矛盾的实质，研究二者之间的辨证关系，掌握其发展规律，调控二者之间物质、能量与信息的交换过程，寻求解决矛盾的途径和方法，以求人类-环境系统的协调和可持续发展。 第二章 大气环境及污染问题 第一节 大气的结构和组成 1.1 大气垂直结构根据大气在垂直方向上温度和化学成分的变化，可将大气圈分五层: (第14页，图2-1)1. 对流层：是大气的最低层，其厚度随纬度和季节而变化, 该层的特点：A 温度随高度升高而递减，大约每上升100米，温度降低0.6度。B 由于近地面空气受地面辐射的影响而增温膨胀上升，上层冷空气下降，所以在垂直方向上形成强烈对流；C 密度大，占大气总质量的3/4；D 主要的天气现象均发生在该层。在对流层中，因受地表的影响不同，又可分为两层。（1）摩擦层或边界层：1-2 km以下，受地表机械、热力作用强烈。排入大气的污染物绝大部分活动在该层。因此是环境科学重点研究的气层。（2）自由大气层：在1-2km以上，受地表影响变小，主要的天气过程如雨、雪的形成均出现在此层。对流层是与人类关系最为密切的大气气层。 2 平流层:对流层顶到约50km的大气层。（1）同温层：在平流层下层，30-35 km以下，温度随高度降低变化较小，气温趋于稳定。（2）臭氧层：在30-35 km以上，温度随高度升高而升高。这是因为在该范围内，有厚约20公里的臭氧。臭氧吸收太阳紫外线，使该层温度升高。平流层特点：(1) 大气平流运动显著；(2) 空气比下层稀薄，水气、尘埃少，大气透明度好。 3.中间层:平流层顶到80km高度。温度随高度增加而下降。该层有强烈的垂直对流运动，又称高空对流层。4.热层（暖层，电离层）:80km到800 km。温度随高度升高而迅速上升。 5.逃逸层（逸散层）：热层以上的大气层。由于空气受地心引力极小，气体及微粒可以从这层飞出地球重力场而进入太空逸散。 1.2 大气的组成 第2节 大气污染和污染物 2.1 大气污染（atmospheric pollution）：指由于自然或人为的过程，使得大气中的一些物质的含量达到有害的程度，以至影响到生态系统的平衡，严重威胁着人类健康和经济发展，这种现象称为大气污染。 2.2 大气污染物的来源（1）天然污染源：排放火山灰、二氧化硫、硫化氢等的活火山，自然溢出煤气和天然气的煤田和油田，放出有害气体的腐烂的动植物、森林火灾、沙尘暴等（天然污染源造成的大气污染，目前还不能较好地控制）。（2）人为污染源：燃料（能源）的燃烧、向大气释放出污染物的工业生产过程、交通运输过程和农业活动。 人为污染源分类：1）按污染源特性：A 固定源：位置固定，如化工厂；B 流动源：位置不断移动，如汽车。2）按污染源排放方式：A 点源：集中于一点：如工厂的烟囱源；B 线源：集中在一条线上，如城市交通主干线；C 面源：低矮成片燃煤居民区，湖泊周围大量施化肥的农田 2.3 大气污染物：由于人类活动或自然过程排入大气，并对人体、生物或环境产生有害影响的物质。按其存在状态可概括为两大类：（1）气溶胶状态污染物（2）气体状态污染物。按照污染物形成的过程分为：（1）一次污染物（2）二次污染物一次污染物：直接从污染源排放出来的污染物质，如二氧化硫、一氧化碳、一氧化氮、颗粒物等。二次污染物：一次污染物在大气中相互作用，经化学反应或光化学反应形成的与一次污染物的物理、化学性质完全不同的新的大气污染物，其毒性比一次污染物更强。常见的有：硫酸及硫酸盐气溶胶、硝酸及硝酸盐气溶胶、臭氧等。 主要大气污染物 A 气溶胶状态污染物：在大气污染研究中，气溶胶指悬浮在大气中的固体粒子和液体粒子，种类组成复杂，对人体影响较大。其粒径为：0.002100微米。 大气环境（化学）学研究的重点。常见的气溶胶污染物及监测指标（1）总悬浮颗粒（Total suspended particle TSP）：指悬浮于大气中，粒径小于100m的所有固体颗粒物，包括飘尘和降尘。它是悬浮在大气中的各种粒子的总称，也是大气污染监测和评价中的一个重要指标。 （2）可吸入粒子（Inhale particle IP）：粒径15m的粒子。国际标准化组织ISO (International standard organization ) 将IP定为粒径10m的粒子。（3） 飘尘：指大气中粒径小于10m的固体颗粒物，能长期漂浮在大气中，可被人吸收，可扩散较远距离，有时也称浮游粒子或可吸入颗粒物。（4）降尘：指大气中粒径大于30m的固体颗粒物，因重力作用，在短时间内可因自身重力沉降到地面。（5）粉尖（dust）：指悬浮于气体介质中的小固体颗粒，受重力作用可发生沉降，但在一定的时间内能保持悬浮状态。其直径一般为1-100m左右。粉尘种类很多，如石英粉尘、煤粉及各种金属粉尘等。B 气体状态污染物:气体状态污染物是指以分子状态存在的气体污染物，简称气态污染物。气态污染物很多，主要有5类：（1）含硫化合物（2）含碳化合物（3）含氮化合物（4）碳氢化合物（5）卤素化合物气态污染物还可以分为一次污染物和二次污染物。 硫氧化合物 二氧化硫是主要的硫氧化物，是大气中数量较大，影响范围较广的一种气态污染物。二氧化硫的污染主要表现在它在大气中易被氧化成三氧化硫，再与水分子结合生成硫酸分子，进而形成酸雨。大气中二氧化硫主要来自含硫燃料（主要是含硫的煤）的燃烧过程，如采暖、发电；冶炼厂和石油精练厂也排放大量的二氧化硫。煤的含硫量：0.5-6%，石油的含硫量：0.5-3%，含硫量低的煤称环保煤。 含碳化合物 CO、CO2是各种大气污染物中发生量最大的一类污染物。CO2是大气中的正常组分，但随着浓度的不断增加，会造成温室效益的加剧。CO（煤气中毒）燃料非充分燃烧时。CO的天然污染源包括：（1）甲烷的转化，生命有机体分解产生的甲烷经羟基的氧化可形成CO（2）海水中CO的挥发（3）森林火灾氮氧化物（NOx ） 氮氧化物种类很多，造成大气污染的主要是NO和NO2，NO进入大气后可缓慢氧化成NO2。在大气中存在O3等强氧化剂或催化剂的作用下，其氧化速度加快。NO2的毒性约是NO的5倍。NO2参与光化学反应形成光化学烟雾后，毒性更大。氮氧化物的主要人为源是机动车、煤和天然气的燃烧以及化肥厂和炸药厂。氮氧化物的天然源包括生物机体腐烂形成硝酸盐，经细菌分解产生NO等途径。碳氢化合物（HC） 大气中的碳氢化物主要指C1C8可挥发的所有碳氢化合物， 又称烃类。甲烷 CH4 是大气中含量最大的HC，甲烷本身是一种无害烃，但因它是一种温室气体，目前倍受关注。甲烷（methane）主要是由于土壤中厌氧细菌使土壤中的有机物底质分解而形成，因此，水稻田和各种天然湿地是目前甲烷的产生源。此外，还有大量的非甲烷烃，多数对人和其他生物有毒有害，有的甚至致畸、致癌， 碳氢化合物还是形成光化学烟雾的重要成分。 卤素化合物 大气中以气态存在的卤素化合物大致有三类:(1)卤代烃、(2)氟化物、(3)其他含氯化合物（如氯气和氯化氢）。主要关注的是卤代烃中的氟氯烃类CFCs和含溴的卤代烷烃。它们既是破坏臭氧层物质，也是温室气体（具有极强的吸收红外线的能力，所以增加一个CFCs分子相当于增加104个CO2分子造成的温室效应。）氟氯烃类或称氟利昂类（CFCs）化合物 其中最重要的是一氟三氯甲烷（CFC-011）和二氟二氯甲烷（CFC-012）。 氟氯烃类 的命名：CFC-011，第一个数字表示（碳原子数减1），第二个数字表示（氢原子数加1），第三个数字表示氟原子数，则CFC-011就是分子中含有1个C，0个H和1个氟，因此， CFC-011分子中有1个氟，3个Cl，当然还含1个C，所以，称为一氟三氯甲烷。 含溴的卤代烷烃，商业名称为Halon（哈龙），特种消防灭火剂，为破坏臭氧层物质。CFCs和含溴的卤代烷烃的来源：无自然源，都是人为源，主要是用于致冷剂、气溶胶喷雾剂、电子工业的溶剂、制造塑料的泡沫发生剂和消防灭火剂等。 2.4 大气污染的类型 (1)还原型（伦敦型烟雾)：属于还原型污染物(低价化合物,可失去电子)的大气污染。经常发生在使用煤炭为主，同时也消耗石油的地区，主要污染物是二氧化硫、一氧化碳和颗粒物。在低温、静风、高湿并伴有逆温的气象条件下，污染物扩散受阻，在低空聚集形成烟雾。最早在英国的伦敦发生，因其持续时间最长、最典型、危害最严重，所以目前习惯称为“伦敦型烟雾”。 （2）氧化型（石油烟雾，或汽车尾气型烟雾 ）：指汽车、工厂等污染源排入大气的烃类化合物（HC）和氮氧化物等一次污染物，在阳光的作用下发生光化学反应，生成臭氧、醛、酮、过氧乙酰硝酸酯（PAN）等二次污染物，这些二次污染物具有强的氧化性，对人体的刺激十分强烈。洛杉矶光化学烟雾就是典型的氧化型污染。 第三节 大气环境中污染物的化学转化 大气污染的化学转化：当污染物进入大气环境，在扩散、输送过程中，在一些条件（阳光、温度）的影响下，污染物之间以及污染物与空气原有组分之间进行化学反应，形成新的二次污染物，这一过程称为大气污染物的化学转化。包括光化学反应过程和热化学反应过程。当前较关注的是氮氧化物和气态硫化物（ SO2 ）转化的过程。发生的化学反应是：（1）光化学反应（2）生成硫酸盐气溶胶的反应 3.1 光化学反应特征大气中存在的吸光物质（氧气、臭氧、NO2、等）的原子、分子、自由基或离子，它们吸收光子所引发的反应，称为光化学反应。光化学反应过程包括初级过程和次级过程。初级过程是指吸光物质吸收光量子，形成激发态物质：A + hv A*（A*为的A激发态）次级过程：受激活物质进一步发生的反应。 3.2 氮氧化物在大气中的化学转化NO和NO2在大气环境的化学反应过程，在大气污染中作用较大。NO2的光分解和所生成的O3在光化学烟雾的形成过程中十分重要。（一） NO2的光分解化学反应：NO2 + hv (290-430nm) =NO + O* O* + O2 =O3该反应是O3在大气中的唯一化学反应源。但生成的O3会与NO再反应又生成NO2 形成一个循环化学反应。O3 +NO =NO2 + O2（二） NO2的化学反应（1）可以与一系列的自由基，如: OH, HO2（过氧化氢）, RO 2（过氧烷基）和RO等发生化学反应。如：NO2 + OH = HNO3 该反应是大气中气态硝酸的主要来源，在白天反应发生。（2） NO2与O3的反应 NO2 + O3 =NO3 + O2 该反应是大气中NO3的主要来源。3.3 光化学烟雾及其形成 1、光化学烟雾的定义含有氮氧化物和烃类化合物的大气，在阳光中紫外线的照射下发生光化学反应所生成的臭氧、醛、酮、过氧乙酰硝酸酯（PAN）等二次污染物的混合物被称为光化学烟雾。特征是烟雾呈兰色，具有强氧化性，刺激人的眼睛，伤害植物的叶子，能使树木开裂，使大气能见度降低。首次光化学烟雾事件于1940年发生在美国的洛杉矶。中国兰州西固地区。 （图2-4）。2、 两个实验（第33页，图2-5， 2-6）3、光化学烟雾的形成机制 大气中的烃类化合物和NOx在光照条件下形成光化学烟雾，其机理是非常复杂的。烃类化合物和氮氧化物的相互作用主要包括以下2个关键步骤过程：第一步：NO2的光化学分解是光化学烟雾形成的起始反应：低层大气中的其它气态化合物（NO、O2、N2、CO ）都不吸收紫外线发生光化学分解，但当大气中出现NO2污染物，在光化学作用下，直接光解生成O3，但生成的O3会与NO再反应又生成NO2，进而形成了NO和NO2与O3之间的化学循环，这时还不能生成光化学烟雾。 第二步：碳氢化合物的加入是产生光化学烟雾的关键：NO2和O3与NO之间的化学循环，要使O3能在大气中不断积累，必须存在着能使NO向NO2转化，从而使NO2浓度不断提高，NO浓度不断减少的因素。实验证明，当大气中又出现碳氢化合物时，以上的NO2和O3与NO之间的化学循环和均衡即被打破，许多过氧自由基使的大气中的NO快速向NO2转化，O3的浓度大大增加，并随同生成一系列的中间和最终产物，如臭氧、醛、酮、过氧乙酰硝酸酯（PAN）等二次污染物，从而导致光化学烟雾的生成。 光化学烟雾的形成概括总结一、12个反应方程式 光化学烟雾的形成的简化机制可用12个反应概括：(1) 引发反应（NO2和O3与NO之间的化学循环反应）（2）基反应 （3）终止反应（最终产物的生成） 二、概括总结由上述反应式可以看出，光化学烟雾的形成过程是由一系列复杂的链式反应组成的，是以N02光解生成O*的反应为引发，导致了臭氧的生成。由于碳氢化合物的存在，促使NO向NO2的快速转化，在此转化中自由基(特别是HO基)起了重要的作用，致使不需要消耗臭氧，就能使大气中的NO转化成NO2，NO2又继续光解产生臭氧，同时转化过程中产生的自由基又继续与碳氢化合物反应生成更多的自由基，如此继续不断地进行链式反应，直到NO或碳氢化合物消失为止。所产生的醛类、O3 ，PAN等二次污染物是最终产物。 4、 形成的环境条件 （1）光化学烟雾发生的地理条件对于纬度高的地区，由于光线通过大气层的路径加长，受到大气颗粒散射而损失的光线多，致使小于430钠米光很难到达地面，所以不易发生光化学烟雾。另外，一般夏季发生光化学烟雾的可能性比冬季大。一般发生在大气相对湿度较低，有逆温层存在，污染高峰出现在中午或稍后。（2）光化学烟雾发生的污染源条件光化学烟雾的形成是因为人类活动向大气中排入大量的NOx和碳氢化合物，因此，以石油为原料的工厂排气和汽车尾气等污染源的存在是形成光化学烟雾的前提。 3.4 酸雨的形成酸雨指pH小于5.6的酸性大气降水，包括雨、雪、冰雹、露、霜和雾等（美国采用pH值小于5）。广义的酸沉降包括干沉降和湿沉降，干沉降主要是酸性颗粒物的直接降落，湿沉降即通常所说的酸雨。酸雨是目前国际上十分重视的一个区域性环境问题，在欧洲大陆和北美大陆较为明显。形成机理：形成酸雨的主要污染物是SO2和NOx等，二者在大气环境中分别转化为硫酸和硝酸，并随雨水降落在地球表面。 酸沉降的危害：第一 对陆地生态系统的不利影响，主要表现在以下两个方面： 直接损害植物的叶面，特别是树木和农作物的叶面， 对土壤化学结构产生影响，增加了土壤中一些离子的溶解度，洗提土壤的养分并产生如铝离子这样的有毒离子，通过迳流很可能影响到饮用水。第二 对水生生态系统的影响，降低江河湖泊水体的pH值，导致水生生物的受损害，其次，还可对材料与人体健康造成不利影响。 硫氧化物在大气中的化学转化:主要是二氧化硫在大气中的光化学氧化和催化氧化。SO2 SO3 H2SO4二氧化硫是燃料燃烧排放的主要大气污染物之一。在通气条件好和光照较弱的情况下，一般对人类无危害，但当浓度大且在较强光照情况下，会被氧化成硫酸或硫酸盐气溶胶，并多以湿沉降的形式（又称为酸雨）降落到地球表面，危害人类健康和生态系统安全。二氧化硫在大气中的氧化作用主要通过2种途径：光化学氧化和催化氧化。 (1)催化氧化：清洁大气中SO2氧化的速度很慢，但在含有金属盐（铁、锰）的气溶胶雾滴中发生催化氧化反应，速度将大大提高。 (2) 光化学氧化：SO2可在太阳光下发生光化学氧化反应，加快氧化过程,并由SO3进一步生成硫酸 . (3) 二氧化硫的直接光化学氧化 二氧化硫的间接光化学氧化 二氧化硫在光化学反应活跃的大气中可与一些强氧化自由基（如OH基、RO基、RO2基等）反应而被氧化，生成三氧化硫。NOx氧化 NOx的氧化过程与SO2催化氧化相同，NOx在空气湿度大并存在金属杂质和NH3的条件下，生成硝酸和硝酸盐，并最终形成气溶胶，进入降雨中形成酸雨。国外酸雨中硫酸和硝酸之比约为2:1，我国硝酸含量不到硫酸的1/10。说明我国的能源结构以煤炭为主。雨水中除含有酸性物质之外，还有从空气中洗涤下来的碱性物质，其中主要有土壤粒子、氨等。酸、碱物质会发生中和反应，酸度是酸、碱物质相平衡的结果。第4节 影响大气污染的气象条件和地理因素4.1 温度层结 气温垂直递减率：气温随高度的升高而下降的数值，通常以气温垂直递减率r来表示。干绝热递减率（rd）：干空气块或未饱和的湿空气块在绝热条件下每升高单位高度（通常取单位高度为100米）所造成的温度下降数值称为rd，一般为0.98k/100m.在对流层中，气温垂直变化的总趋势是随着高度的增加气温逐渐降低：（1）地面是近地面大气的主要和直接的热源（2）水汽和固体杂质的分布从低空向高空减少，水汽和固体杂质吸收地面辐射的能力很强，从而使近地面温度高于上层。 温度层结：大气中气温在垂直方向上的分布称为温度层结。大气中温度层结有四种类型：（1）气温随高度增加而递减，即r > 0，称为正常分布层结或递减层结；（2）气温垂直递减率等于或近似等于干绝热递减率，即r = rd，称为中性层结；（3）气温不随高度变化，即r = 0，称为等温层结；（4）气温随高度增加而增加，即r < 0，称为逆温。 4.2 大气稳定度:污染物在大气中的扩散与大气稳定度有密切关系，大气稳定度是指在垂直方向上大气稳定的程度。可以用气温垂直递减率与干绝热递减率之差来判别。举例:一个空气块的运动假如一空气块由于某种原因受到外力的作用，产生了上升或下降运动后，可能发生三种情况：(1)当外力去除后，气块就减速并有返回原来高度的趋势，称这种大气是稳定的；(2)当外力去除后，气块加速上升或下降，称这种大气是不稳定的；(3)当外力去除后，气块被外力推到那里就停到那里或作等速运动，称这种大气是中性的。 大气稳定度可以用气温垂直递减率与干绝热递减率之差来判别。一个空气气块在大气中运动的加速度计算公式为：当r rd >0 时， a > 0, 大气不稳定(正常温度层结)当r rd <0 时， a < 0, 大气稳定(等温、逆温层结)当r = rd 时， a = 0, 大气是中性 一般来说，r越大，大气越不稳定，反之， 大气越稳定。4.3 逆温层:气温随高度增加而增加的气层，即r < 0 或r =0，称为逆温层，等温层可视为逆温层的一个特例。大气近地面层空气的温度的变化主要受地面长波辐射的影响。大气温度层结一般是r > 0 ，但在特定的条件下，也会发生r < 0或r = 0的现象，即发生了逆温或等温现象。 根据大气稳定度分析，发生逆温时，大气是稳定的。逆温层的存在，大大阻碍了气温的垂直运动，所以也将逆温层称为阻挡层。污染气体多积聚在逆温层下面，往往导致严重大气污染。 .逆温的类型：根据逆温生成的过程，可将逆温分为（1）辐射逆温、（2）下沉逆温、（3）平流逆温、（4）锋面逆温、（5）湍流逆温等五种。其中辐射逆温和平流逆温与大气污染的关系最密切。辐射逆温：在晴空无云（少云）的夜晚，当风速较小（< 3m/s）时，地面因强烈的有效辐射的减少而很快冷却，近地面气层冷却最为强烈，较高的气层冷却较慢，因而形成了自地面开始逐渐向上发展的逆温层，称为辐射逆温。以冬季最强。辐射逆温的生成过程见图（第39页图2-8）。 4.4不同温度层结下的烟型 翻卷型烟型 平展型烟型 上升型烟型4.5大气的水平运动：大气的水平运动对于大气污染物的第一个作用就是输送作用，第二个作用是对污染物浓度的冲淡稀释作用。产生大气运动的5种外力：水平气压梯度力、重力、摩擦力、地转偏向力和惯性离心力。水平气压梯度力：大气在大气气压场中要受到气压场的作用，我们将单位质量空气在气压场中受到的作用力称为气压梯度力。其中，水平方向的气压梯度力被称为水平气压梯度力，它是大气水平运动的主要动力。4.6 大气湍流：大气的上下左右无规则摆动运动称为大气湍流（大气乱流）。成因：（A）由于垂直方向温度分布的不均匀性引起的热力湍流，它的强度取决于大气稳定度。（B）由于垂直方向上风速分布的不均匀性和地面粗糙度引起的机械湍流， 它的强度取决于风速梯度和地面粗糙度。作用：湍流具有极强的扩散能力，风速越大，湍流越强，污染物的扩散速度就越快，污染物的浓度也越低。 4.7 影响大气污染的地理因素 影响大气污染的主要地理因素有：（1）地形和地物的影响（2）局地环流（包括山谷风，海陆风和城市热岛环流）的影响。 A、地形地物的影响（1）山脉（2）高大建筑物：在建筑物背风面局部形成涡流。B、局地环流的影响：由于地形的差异，往往会造成地表热力性质的不均匀性，进而形成各种局地环流，局地环流的形成对当地的大气污染的形成作用较为明显。 城市热岛环流：由于城市温度经常比农村高(特别是夜间)气压比乡村低，所以可以形成一种从周围农村吹向城市市区的特殊的局地风，称为城市热岛环流或城市（郊）风。这种风在市区汇合就会产生上升气流。因此，若城市周围有较多产生大气污染物的工厂，就会使污染物在夜间向市中心输送，造成严重污染，特别是夜间城市上空有逆温层存在。产生城乡温度差异的主要原因:(1)城市人口密集、工业集中，能耗水平高(2)城市覆盖物(如建筑、水泥路面等)热容量大，白天 吸收太阳辐射热，夜间放热缓慢，使低层空气变暖(3)城市上空笼罩一层烟雾和CO2，吸收地面长波辐射。 第5节 大气污染物扩散模式 有界大气扩散：大气污染物排放源多位于近地面或接近地面的大气边界层，因此，污染物在大气中的扩散多在边界层中进行，并受到地面的影响，我们称这种大气扩散为有界大气扩散。5.1 一般高斯扩散模式高斯(Gaussion)扩散模式是大气扩散模式中最为著名和应用最广泛的大气扩散模式，其中，点源高斯扩散模式又最为常用。 1、高斯扩散模式的坐标系:原点为地面源排放点或高架源排放点在地面的投影点，x轴向为平均风向, y轴在水平面上垂直于x轴，正向在x轴的左侧，Z轴垂直于水平面oxy，向上方为正向，即为右手坐标系。 2、高斯扩散一般模式成立的假设条件：A 污染物浓度在y轴和z轴上的分布符合正态分布；B在全部空间中风速是均匀和稳定的；C 源强是连续均匀的（mg/s）；D污染物在扩散过程中质量是守恒的，化学性质是稳定的，不发生沉降现象；E 排放源周边地区较平坦开阔3、高架连续点源高斯扩散模式及几种常见的形式(1)   高架连续点源高斯扩散模式的一般形式： 式中：Q 为污染源的源强（mg /s）；H 为有效烟囱高度(m)；U 为烟囱实际高度处的平均风速(m/s)；y,z为y轴和z轴上的扩散系数（即污染物浓度在y 轴和z轴上正态分布的标准偏差）；C (x ,y, z, H) 为污染源下风向任一点(x, y, z) 处的污染物浓度(mg / m3 )。 几种特殊形式(1) 下风向地面任何一点的污染物浓度 (z = 0) (2) 下风向烟流中心线地面任何一点污染物浓度 (z = 0, y = 0) (3)地面轴线最大污染物落地浓度 出现地面轴线最大浓度点时的Z轴的扩散系数为zx C max = H/ 将上式代入到地面轴线浓度计算公式, 可得出 (4) 地面连续源高斯扩散模式令高架连续点源高斯扩散模式的一般形式中的H = 0, 便得到地面连续源在其下风向任何一点(x, y, z)的污染物浓度值计算公式：由以上地面连续源高斯扩散模式，可得出地面源的地面任何一点（x, y, 0）和地面轴线上任何一点（x, 0,0）的污染物浓度扩散模式： 5.2 TSP扩散沉积模式（高斯倾斜烟流扩散模式）在以上一般高斯模式中，认为颗粒物的粒径小于10微米，因此，其沉降作用可以忽略。当颗粒物的粒径大于10微米时，颗粒物除了随平流场运动以外，还由于重力下沉作用，使得烟羽的中轴线逐渐向地面倾斜，为了反映颗粒物的沉降作用，必须在以上一般高斯扩散模式基础上加以修改，即得到高斯倾斜烟流扩散模式。 其中，为可沉降颗粒物(10100um)在TSP中所占的比重，0< <1；vs为颗粒物沉降速度， vs由斯托克公式计算： VS =式中： ：颗粒物的密度(g/cm3) ；g ：重力加速度(980cm/s)；d ：颗粒物平均粒径（cm） ； u ：空气的粘滞系数（1.8×10-2g/m·s） 5.4 高斯扩散模式中各参数的估算 1、有效源高（烟羽的有效高度）：从烟囱中排出的烟气，由于具有一定的向上初始速度和高于周围大气的温度，因此，排出后，烟气将会上升。有效源高：指烟囱本身的高度与烟气抬升高度之和： He = Hs +H2、影响烟气抬升高度的因素（1）烟气的抬升首先决定于具有的初始动能和浮力：初始动能决定于烟囱的内直径和排气速度；浮力决定于烟气与周围大气的温度差。（2）烟气的抬升决定于烟气与周围大气混合的速率烟气与周围大气混合的越快，烟气所具有的初始动能和热量损失的也越快，从而抬升的高度也越低。决定烟气与周围大气混合速率的主要因素是周边大气的平均风速和湍流强度，平均风速越大，湍流强度越强，混合就越快，烟气抬升的就越低。（3）温度层结的影响：稳定的温度层结对烟气抬升有抑制作用。3、烟气抬升高度计算公式 估算烟气抬升高度的方法很多，下面介绍几种由现场观测资料分析总结的几个最常用的烟气抬升高度经验计算公式.A 霍兰德公