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云南省环境科学研究院 郭慧光,环境科学技术研究和选题,1、环境科学,研究人与环境相互关系的一门学科；研究人与环境关系的发生、发展、预测和调控技术；环境科学是人类科技近代（60年来）新兴的涉及到多学科科学与技术相互交叉协调的综合性科学。,1.1 环境科学的形成,人类社会的发展过程中，由于人口的剧增；人类社会和自然生态内部的、之间的各种不协调发展等多方原因，导致出现了微观到宏观的多个层面上，不利于人类社会发展的环境问题，从而催生了环境科学与技术这一新的科技领域。,1.2 环境科学技术的特点,边缘性：多学科技术交叉、关联系统性：多学科、多技术、多人文、多自然生态的系统集成组合性：多科学多技术的组合；微、小、中、大、巨系统的组合和谐性：产生于污染、破坏，终止于和谐发展,1.3环境和环境问题,从人和环境的关系学角度考察，可以把赖以生存的自然环境分为五个大的圈层环境（圈层学说）。大气圈：地表以上150km或更远些有空气分子的一个圈层，又分对流层（地表以上20km）；平流层（2080km间）；电离层（80 150km间）；其中30 55km范围内由松散臭氧分子构成的空气层又称为臭氧层。水圈：地表及地表上下各种形态的水（分子）所构成的一个圈层，海洋占地表70.8%的面积；海水体积约13.7亿km3，占地球总水量的97.2%。,1.3.1圈层说,土壤圈：指岩石层以上，大气圈以下所有的土壤构成的带有生命活动的一个有机圈层，该层包括有岩石、水、空气、生物体的各种组分。生物圈：岩层以上，土、水、气环境中全部生活着的有机体构成的生物圈层。岩层圈：覆盖在原始地壳上的层层叠叠的岩层，是一部地球几十亿年演变发展留下的“石头大书”，地质学上叫做地层。,五个大的圈层环境,1.3.2环境问题,自人类起源就伴之出现了人与环境之间的关系，就开始出现了对人而言的环境问题。随着人口的增加，环境问题的量和质都在增加，例如，西亚美索不达米亚、黄河流域的历史性生态毁坏；英国工业革命带来了大气、水环境的污染；日本的水俣病、痛痛病；洛杉矶的光化学烟雾,人类面临的环境问题出现在四个方面：,粮食危机：人口剧增，地球人口拥挤、资源匮乏等所致。能源、资源危机：资源的掠夺性开发致淡水资源、土地资源、渔业资源、生物资源等锐减和匮乏。环境危机：资源掠夺性开发致污染物质大逃逸进入环境导致环境的污染与破坏。如全球气候变化、海水和淡水严重污染、农业土壤和生态环境遭污染、大气臭氧层空洞、全球变暖致海面上升等等。生态危机：资源掠夺性开发致物种加速灭绝、森林破坏、土地沙化、酸雨问题等。1986年肯尼亚内罗毕的世界环境大会归纳了全球的十大环境问题,1.4环境科学的史命和分支,环境科学在环境问题与矛盾的发展中应运而生，这一科学使命赋予了它的历史任务是：（1）探索全球环境的演化与变化发展规律（结构、形式、机理）（2）揭示人与环境之间的关系，解决人与环境和谐发展的问题（3）探索环境变化对人类生存的影响，约束人类行为（如研制各种环境标准、控制污染排放的质和量等）（4）研究创新环境污染控制的工程技术和体系,1.4.1环境科学的使命,启示：,当代全球环境问题教育了我们，只有把自然生态系统和人类社会系统作为一个整体来研究，才是科学发展观的基本思想方法；才可能揭示和和环境之间生态和谐的真谛。人不可能创造人和自然相互对立的逆向演替；人只可能以生态文明、可持续发展的思路和方法去建设人与自然的和谐大世界。,1.4.2环境科学的分支,就当前我们的认识，环境科学主要是运用自然科学、工程技术和社会科学的理论、技术和方法研究人和环境问题，所以从自然和社科综合角度可以将环境科学的一级子学科列于以下：环境物理学、环境化学、环境生物学、环境地学、环境医学、环境工程学；环境管理学、环境经济学、环境法学、环境教育学、环境心理学,环境物理学：环境声学、环境光学、环境热学、环境电磁学、环境空气动力学环境化学：环境无机分析化学、环境有机分析化学、环境污染化学、环境地球化学环境生物学：环境动物学、环境植物学、环境微生物学、环境生态学、自然环境保护科学环境地学：环境地质学、水环境学、环境海洋学、环境土壤学、污染气象学环境医学：环境病学、环境毒理学、环境监测医学环境工程学：大气污染防治工程学、水污染防治工程学、固体废物处置工程学、噪声控制工程学、环境污染防治工程学、环境评价学环境管理学：包括行政的、法律的、科学技术的、经济的、人文教育的等多类环境管理科学。环境经济学、资源环境经济学、生态环境经济学、环境效益经济学、环境费用与转移支付、环境生态布局环境法学：环境教育学：环境心理学：,一级子学科下的二级子学科又可如下细分：,1.5环境科学的任务,当前环境科学技术领域在不断地深化与发展，就目前人们的认知，环境科学技术的主要任务（或说研究内容、研究方向）有四：(1)探索全球范围环境的演化规律。(2)揭示人与自然之间的关系，如资源的合理开发利用、人类生产与消费过程物质能量的迁移转化及物质平衡，可更新资源的永续循环利用(3)探索环境变化对人类生态的影响，制定环境标准(4)研发微观到宏观多层面环境污染综合防治技术和管理措施。,2 环境污染与防治,环境科学所指的环境是指人类赖以生存的所有因素和条件的综合体。“因素”如光、电、能、CO2、H2O、O、N、P等。“条件”如天、地、气象、水文、生物、土壤等。,2.1基本概念,什么是环境？,生态系统和生态平衡,生命界与非生命界之间通过物质和能量的交换、转移，在一定程度上构成了一个开放式的稳定系统，称之为“生态系统”。生态系统内物质能量的生产、贮运、交换都保持有一定的相对的平衡关系，这种规律性关系称为“生态平衡”。,环境污染和环境破坏,环境生态系统在平衡状态下保有一系列不明外来因素和条件冲击的缓冲能力，通过物化、生化多种方式转化外来负荷的冲击，以修复系统自身的平衡，这一过程是系统自身的“自净”能力和“抗逆”能力；而当外来因素的冲击、外部条件的逆变，超出了系统的自净和抗逆能力的，环境生态系统就发生了“环境污染”和“环境破坏”，又统称“公害”。,2.2环境污染与防治的有关领域（未涉及环境破坏）,（1）全球气候变化 全球气候变化是一个环境条件和环境要素互动的变化过程。地球表面CO2逐年递增，改变了空气构成比例的巨变；全球变暖又加剧了“温室效应”，全球海平面升高，农、林业病、虫、害加剧，全球干旱化增强等等。所以目前开展节能减排行动是全人类都亟需的防治手段，我国全民开展节能减排，各级政府大力推选淘汰“落后产能”，改变传统的耗能产业结构，构建新型低碳社会乃是百年、千年大计。,2.2.1大气环境污染与防治,（2）主要常见的大气环境污染物尘常见的有煤尘和粉尘，以粒径大小分类时，粒径10微米者称为降尘；粒径10微米者称飘尘；以来源分时，燃煤产生煤尘；非燃烧产生粉尘，其中由风所致的又称扬尘。防治主要是密闭生产、机器人采掘、增强地面复盖等。硫化物类（SOx）主要来自于石化燃烧、火电、冶炼、制硫等行业。防治在于脱硫回收和用新产业结构和技术改变各产业行业现状（节能减排、替代燃烧等）。氮氧化物类（NOx）：主要来自于石、化燃烧，高温氮氧化，内燃机、硝酸氮化物生产，冶炼，有机物中间体生产等行业和雷电过程。防治主要是改变燃烧条件和预混、气化、液化、燃烧器增压等等。碳氧化物（COx）源自于不完全燃烧全球每日约排CO约2亿吨，CO2约1.5亿吨。防治主要在于改变燃烧结构，以新型清洁能源替代石化能源,碳氢化物（CxHx）源于不完全燃烧、有机化学生产（如石油裂解）。主要防治方法类同碳氧化物类。在大气污染综合防治方面除污染源治理和植树等生态治理之外，合理的工农业布局、工业区部局、城乡布局和产业结构布局以及淘汰落后产能的布局，都是十分重要的。恶臭：指难闻的臭味，恶臭味迄今有4000多种，对人和生物有危害的有硫醇类、氨、硫化氢、甲硫、三甲胺、甲醛、苯乙烯、酪酸、酚等几十种。有的恶臭物随废水和废渣排入水体还导致更严重的水体污染，恶臭涉及几十到几百公里范围，恶臭物质多来自于有机化的生产过程，其发臭机理与其化学过程分子结构的位置有关。恶臭的治理在于改进工艺流程，增加高温、催化燃烧、吸附、淋洗等多种工艺技术等等。,2.2.2水环境污染与防治,水体或水环境所指为河流、湖泊、沼泽、水库、地下水、冰川、海洋等地表贮水体系的总称，也包括土壤水、大气水。水体的自净功能乃在于通过化学和生物作用将大分子、高分子物质分解为水、无机盐等，并产生CO2，其自净过程需耗氧，将其化学和生物作用所耗氧的量作为判别水体自净能力或污染程度的综合性指标称之为化学耗氧量（COD）、生化耗氧量（BOD），以5日生化耗氧量为通用指标称BOD5；水体所含的氧量称溶解氧（DO）。,耗氧污染物：又称需氧污染物，来自于生活活动和工农业生产活动，有人类进化之前的自然界自身也就不断有耗氧污染物产生。目前最普遍采用的治理方法是各种污水废水处理工艺技术的工厂化处理；再就是用顺其自然的原理采用自然净化工艺或组合工艺。如活水工艺、湿地公园、氧化塘、田塘等。,按水环境污染物特性及其防治方法分列于下：,富营养污染物：引起水体富营养化污染的主要是氮氧化物类（如NH4+、NO2-、NO-）、磷化物类（如H2PO4、HPO4、）。有机物类（如生活营养源、粪尿、碳化物）。一般清洁的水体中总磷浓度在0.010.1mg/L以下；总氮应在0.3mg/L以下，对水体富营养污染物的防治除上述耗氧污染物所介绍的方法之外，全球有很多技术方法可因地制宜地采用多种物理的、化学的、物化的、生化的技术治理。总体而言，对水体富营养化污染的治理应从系统总体考虑，从污染的点源、面源、内源三个层面入手，从管理系统入手，采用总量控制的系统规划到系统计划的科学方法才有可能成功治理，全面合理调整布局工农业、工业区、城乡和产业结构、淘汰落后产能，才能成功地、综合地防治水体污染。,氰化物：主要来自于电镀、焦化、洗煤气、选矿等生产行业。由于氰化物对生物和人体致毒性很强，对于低浓度含氰废水（0.01-1.00 mg/L）采用前述生物或生化处理方法外，高浓度含氰废水只能先作回收处置。油类：来自于船舶泄漏，工业排放、采油业、大气沉降等。现全球每年约有1000万吨油类排入水体。对其治理的方法主要是围隔回收，对于10-30mg/L以下的含油废水可用生物或生化方法处理，施用分散剂的方法已受到反对。酚类：主要来自于焦化、树脂、绝缘材料、玻纤、制药、石化等生产行业。排入水体的酚有挥发的和不挥发的二类。对于高浓度含酚废水可先采用萃取、蒸脱、吸附、离子交换、化学沉淀等方法回收。对低浓度的（1000 mg/L以下）含酚废水则采用生物或生化方法处理。,酸、碱及各种无机污染物：除了碳同非金属结合的化合物以外的各种元素及化合物都称为无机污染物。如各类重金属、非金属盐类构成了主要的水体无机污染源。水无机污染物来自于各种工农业生产活动的排放。水环境无机污染的治理方法很多，如物理法、物化法、化学法、生化法、生物法等许多种类。一般在污染源分类时，将重金属及其盐类对水环境的污染单分作一大类型，主要泛指金属和类金属及其盐类，常见的有汞、镉、铅、砷、铬、铍等等。农药及洗涤剂污染物：（略）生物病菌、病毒污染物：（略）,土壤污染指污染物（水、气、固三态）进入土壤并积累到一定程度（超出土壤的自净能力）时，引起土壤环境质量恶化的现象。土壤污染来自于多方如废气、废水、固废、农药化肥、生物残体或排泄物等。,2.2.3 土壤污染防治和固体废物问题,土壤污染的防治:,在防治措施方面可采用综合生物防治（酶降解、生物净化，如蚯蚓、铁角蕨等多种动、植物吸收净化等）；施加抗污抑制剂改变污染物迁移转化方向以加速氧化、沉积变性等；增施有机肥、腐殖酸类土壤还原剂，改进土壤吸附能力，强化土壤氧化和污染的沉淀等；改变耕作制度（如旱改水、水改旱等），科学管水、深翻、克土等等。,主要在于控制和消除污染源。,固体废物：,来自于多种工农业生产活动和人类生活活动是“放错了地点的原材料”。按危害性质分类可分为危险固体废物和一般固体废物。目前最难于处置的是危险固废。包括我国在内实施分类管理和处置，有国家的危险废物清单，按其不同法规要求加以分类处置。对于所有固体废物而言都应遵循国际循环经济运行原则（3R原则）作减量化、再利用、再循环处置。,关于生活垃圾：,生活垃圾处理是目前困扰我国城市的一大环境问题，吸取各国经验又从国情出发，应该先行分级分类分捡作资源化处置后，采用国际先进的垃圾焚烧技术实施多级高温减量化处置（如沸腾炉三级以上燃烧处置），既不产生苯并（a）芘，也无二噁英产生。以达到最大的减量之后，再利用和再循环，节约了最多土地，解决了垃圾的二次污染问题。,放射性污染：放射性物质（核素）通过气、水、土、固体废物多种途径都有可能发生对人和生物的放射性危害。其污染源在核工业采、选、冶过程及运输泄漏；如核电站、核燃料，核试验等多种可能性的泄漏。其防治应从核工业场地、核试验基地选址、工艺流程的安全性、废水废气处置等多方面进行,2.2.4 其他环境污染,热污染：有人类前，自然界也常有热污染（如火山爆）发生。就人类活动危害热环境（温度场）的污染而言，有三方面：一是改变大气组分、改变太阳对地球的辐射透过率方面的，如全球气候变暖（已讨论了近百年，现才有了较明确的共识）；二是人类生活和生产活动直接向水、气、地表等环境排热；据1975年一项研究测算：当年全球耗能总量占了地球接收太阳净辐射量的1，但在局部城市如曼哈顿地区的能耗密度达到600W/，是当地单位面积接收太阳净辐射量的6倍。工业向水体排热的情况也不容忽视；三是改变地表物理状态，改变反射、折射率，改变地表和大气之间的热交换过程方面，如农牧业活动引起林地变农地、农地变沙漠、灌溉减少径流，增大陆面蒸发、人工水库面积增加等。另一类型是城市化、混凝土面积剧增等改变了地表原有的热平衡、加速了气体热径流、城镇热岛等。再有石油泄漏改变了海平面原有水热平衡引起的水体热污染等等。,3 物质循环与生态文明,环境系统中的所有物质在各种能量（都起始于太阳能）的作用下，无时不在发生着循环性的迁移和转化。“万物”的循环转化早就为人类所认知。能量的转移、耗尽，物质的循环转化、运动所构成的自然生态循环和平衡规律是人类必须敬重和遵循的法则；是人与自然和谐（公平）的法则；也是人类社会文明的法则。在此法则之中，我们可以构建可持续发展的战略（图）。,3.1物质循环,3.2生态文明,物质文明：体现了人类处理人类生存与自然环境关系的能力；政治文明：体现了人类处理人与人、人与社会环境关系的能力；精神文明：体现了人类处理主观世界的改造，提高自身素质水平的能力；生态文明：人类文明的最高形态，体现着上三个文明的升华和归宿。,3.2.1四个文明,3.2.2生态文明理念,生态文明不仅涉及人与自然，消除人与自然的种种不公，协调人际和谐关系的发展；生态文明还将与时俱进，引进新理念（人与自然的、人与人的、人与社会的）新方法和新内容。并将这些新理念、新方法和新内容引入精神和政治领域，不断用科学发展观推进人类文明的进步。生态文明的目标：人与自然的公正、人类社会的公正生态文明的价值诉求：多样性、可持续性、系统整体性、责任性生态文明推动着中国的进步和强大，如：权利下放；扩大党派权责；扩大民主自治权；保障多种方面的多样性；贴近人文；关心人和环境卫生；保障人权等等。,4 环境科学选题方法参考,命题科学：命题要科学准确，合乎逻辑思维；尽量简洁单一，明确主题，一事一论，一物一论，题目应小而简洁，项目的内容都必须有清楚的边界，不能超出主题去涉足其他事物（有点类似作文、小品）；通过研究全过程后再回头反复推敲修定命题，也是不可缺少的。,4.1环境科技选题的科学性,研究方法的科学：环境科技有其突出的边缘性，多学科结合的综合性，故研究方法须借用各有关学科的知识和研究方法，反之研究成果往往又完善了各有关学科的内容和方法。,研究内容和过程的科学：环境科技的边缘性也决定了其研究内容，往往都要涉足数、理、化、天、地、生、工、医、农、社科各门类的知识内容。这就要求我们既要学会紧扣自己研究课题的主题，巧妙参用关联学科内容，通过研究过程直奔自己研究的成果。在环境科技研发过程中，往往会因自己的知识面、喜好多方原因，偏离选题（跑题）了。这时一个办法是修正自己的研究，再一个方法可以看能否将计就计按偏离主题的新发现，换个主题开拓下去，重新确定研发内容过程，将原先确定的题目放以后另题再开。,研究成果的科学：环境科技成果在扣题研发取得结果之后，一定要从不同的思维角度，从不同的学科知识高度反复推敲成果的正确性、可重复验证的可靠性、论文的逻辑系统性、方法的实用性、论文题目与内容结果的一致性等，就象考试做完问卷后必须做的反复验证推敲。,一篇科技论文摘要的文字要紧扣研究主题精之又精地做好，一般不要超过百字符；前言简单明晰地介绍一下研究背景即可；科技论文主要论你项目工作的研究内容、研究方法，研究过程和结果，作出最终的结论。其中研究过程也要简明扼要；科技成果在完成过程中还特别要注意原始记录的保存、照片，收资查新材料的保存，涉及到物种鉴定资料的保存等。,4.2环境科技成果的创新性,科技创新是科技进步、社会发展的根本性动力。科技成果的创新可以从多层次、多方面体现；新思考、新观点、新命题、新方法、新路线、新流程、新工艺、新材料、新技术、新设计等，应该层出不穷地创新发展。,科技创新的基础性方法：是查旧查新，包括科技文献查新、科技成果查新（有一定难度）、专利技术查新、专业知识查旧查新、国内国外查新、行内行外查新、相关学科之间查旧查新；广泛收资、重点拿“鱼”；专家咨询等多方面的方法都注意采用。在选题前后，在项目过程中都要不断开展科技专业知识的大搜捕工作。边研发边查新，边查新边研究是当前科技快速发展、信息量大面广环境条件下科技工作者可或缺的基础工作。,“站在巨人肩膀上”的要求只要克刻苦求索在当前情况下多数地区已有可能，那么在此基础上回到选题命题的始端看，还可以注意环境科技项目选题不要忽视了自己身边的自然环境和社会环境素材，往往因地制宜、因乡土制定、因本地科技条件制宜的选题，常常可以取得事半功倍的结果。,4.3案例简介,现选云南省青少年科技创新大赛部分环境科学项目命题的评列于表中，供参考。,4.3.1选题、命题须精准,4.3.2系统选题、长期考虑,将选题的科学性、创新性、可行性、实用性作为一个系统整体考虑，我们在六五前期（1979年开始）用半年时间在多学科中查阅大量资料，向老一辈专家咨询，还到北京等地收资调研。围绕一个问题考虑云南昆明地区有全球最好，开发利用能耗最低的磷矿石（风化矿），为什么国家磷肥基地不选在此开发；我们同时考虑滇池环境随之开发将会出现污染的巨大压力，所以一定要争取在国家开发计划中与其同步实施滇池地区的环境保护系统研究，为此，将选题思路介绍如下图。,国家重点科技攻关项目：,“七五”期间该项目纳入了国家重点科技攻关和化工部，国家环保部的科技重点项目，1995年以后，该成果纳入国家中长期经济发展计划和规划，现已全面得以应用实施。,