一、水的基本面
地球是目前太陽系中唯一確定有液態水的地方。
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在體積達14億立方千米的水文圈中，超過97%為海洋中的鹹水。由於太陽造車海水淡化與淨化的機制，每年會有約50萬立方千米的海水以雨水或雪的形態落在地球上。這是全世界淡水儲量的來源。
現在其中69%都存在冰帽與冰河中，幾乎全數都在南極；剩下的幾乎（98%）都在地底含水層深不可及處。
全球淡水僅約1%（約9萬立方千米）位於湖泊與河流這些容易取水處。其中又有1/4位於西伯利亞的貝加爾湖（Lake Baikal）。還有少量淡水位於永凍帶的大氣圈中及生物體內。
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冬季貝加爾湖風景
全球的可再生淡水量，略低於整體淡水儲量。在各洲大陸，儲存的雨水比蒸發的還多，差別在於全球的河流徑流（約每年4萬立方千米）。這其中有2/3在洪流中流失，因此每年約有1.4萬立方千米的水量可供日常使用。這相當於每人每年有2000立方米，數量相當充足。但全世界水源的分配並不平均。有20~30個國家（大多在非洲和亞洲西南部）不到這個數字的一半，屬於缺水狀態。
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雨季的香格里拉
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非洲的旱季 坦桑尼亞
南美洲每人平均分得水量為亞洲的10倍，非洲的5倍。一年中的水量分佈也不平均，很多地方在某些時期不是水太多就是水太少。
二、河流、海洋和湖泊
大部分城市用水都來自河水。千年以來，河流帶走了人類產生的廢棄物。但是流經人口密集地區的河流、位於工業區或採礦區的河流，都會對河水造成大量的汙染。
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恆河 印度有1/4的地區靠恆河排水。1900年恆河盆地裡住了約1億人口，其中肯能有上千萬人口直接將廢棄物倒入恆河。1886年，恆河的惡臭使當地成為世界上最早推動反汙染的社會之一。1896年馬克·吐溫到恆和地區旅行，發現瓦拉納西的水因為下水道“穢物不斷湧出”而“令人作嘔”。到了1990年，有4.5億人住在這個盆地中，約7000萬人將廢棄物排入恆河，幾乎所有的汙水都未經處理。腐敗作用造成河水中全無氧氣，魚群幾乎無法生存。
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恆河中的垃圾
除了世俗的原因外，恆河還因為一些神聖的因素造成汙染。在印度教信仰中，神祗創造恆河讓人洗淨罪惡。印度教徒相信，在瓦拉納西死亡或火化能確保靈魂的解放，因此瓦拉納西吸引了數百萬年邁與患病的印度人。
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濃煙從恆河葬禮上空瀰漫
在20世紀80年代，瓦拉納西官方火化場每年要處理3000萬具屍體，每月倒入恆河的骨灰達數百噸。還有許多部分火化或完全未經火化的屍體（因為薪柴費用過高）直接推入河中，以及大約6萬具的動物屍體。
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20世紀60年代首次進行有系統的汙染研究時，相關人員發現恆河簡直就是細菌學的噩夢，之後政府開始整治清理恆河，但效果不大。在恆河裡沐浴獲取可以洗淨靈魂，但絕對無法洗淨身體，而且身體表面最好不要有傷口。
萊茵河 工業化國家的情況正好相反：來自科技變革與經濟增長而非人口增長的化學汙染，威脅著河流與湖泊，其中又以英國最早出現。
1866年，英國皇家委員會發現英格蘭北方卡爾德（Calder）的水幾乎可以當墨水使用（委員會甚至用當地的水來寫報告）。
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被汙染的萊茵河
流經布萊福德（Bradford）這個汙染嚴重城市的布萊福德運河，情況更加糟糕：有人發現布萊福德運河竟然可以點著，有時附近男孩以此為樂。他們點燃木棍的一端，伸向運河點燃河面，高達1.8米的火焰順著河水延伸數米之遠，就像鬼火一樣。
發生在萊茵河上的事情代表了其他許多河流。萊茵河流經大約1300千米，從瑞士阿爾卑斯山一直到北海。1765年之前這條河流一直暢行無阻，水質乾淨到連鮭魚這種敏感的魚都能生存，而且數量多到僕人都抱怨太常吃鮭魚。
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治理後的萊茵河風光
由於臨近魯爾河谷的煤礦與鐵礦，萊茵河流域中段在19世紀成為工業區。到了1980年，全球約20%的化學產出來自萊茵河盆地。冶金與化學工廠的銅、鎘、水銀滲入河裡，都使得廢水內含鋅、鎳和鉻。之後再加上新型的有毒有機化學物，例如DDT(一種殺蟲劑）及PCBs（多氯聯苯）造成下游幾乎找不到魚類，河中PCBs的含量比官方認定的可食用標準高出400倍。由於人口眾多、重工業密度高，且盆地農業化學依賴度高，萊茵河可以說集河流所有汙染於一身。
之後官方和工業領袖陸續推出各種限制法規、鼓勵措施並嚴格執法。直到1992年，漁民才再次從河中捕到鮭魚。
從深海的觀點而言，20世紀跟其他時期相當相似，人為影響很少擴及內海及海岸地區以外的領域，由於沒有翻騰的浪潮，內海很容易為富營養化所苦。波羅的海的情況最為嚴重，20世紀50年代嚴重到從肉眼便可以看出（從味道也聞的出來）。重金屬會流入近海，也會以降雨的形式進入海中。1880年後波羅的海地區海底沉積物出現重金屬，只要是冶金與化學工業興盛的地方，重金屬就會滲入海中。鎘與水銀積累之後，有時會讓甲殼類動物含有不利人類的毒性。
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在地中海地區，如接收了養分過高的波河河水的亞德里亞海，在20世紀60年代藻華問題嚴重。西方的黑海也是如此。由於城市人口眾多且率先採用化學肥料，歐洲內海最先發生問題。
但其他地區的內海與淺海很快就感受到類似效應。1970年後富營養化首度影響了馬來西亞水域。只要是人為活動造成養分過剩的地區——紅海、波斯灣、黃海和日本海，沿海漁業就會受到影響。在某些案例中，海洋養分升高代表魚類有更多食物，魚獲因此增加。但只要養分負載造成幾次藻華現象，魚群數量，反而會下滑。
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海上藻華
1798年，柯勒律治在詩作《老水手之歌》中寫道：
那深海已然腐爛：上帝啊！
怎麼會有如此景象！
長了腿的黏滑物，
在黏滑的海面上爬行。
柯勒律治在首度見到地中海的15年前寫下的這些詩句。當他親眼見到那情景（當時他擔任英屬馬爾他總督秘書達兩年），地中海的情況尚佳，只有幾處海航泥濘嚴重。但200後，當地海域有時候因藻華而腐臭，油膩膩的海面上常見黏滑物蠕動或滑行。許多地中海國家現代工業快速增長，農業開始使用化學肥料，再加上人口與動物數量增加，造成1950年後盆地汙染負擔大增。多數汙染最後還是排入海中。
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地中海的主要汙染物，與世界上其他地方的水源汙染相去不遠。微生物、DDT或PCBs之類的合成有機化合物、石油、垃圾與過多養分是名單上的主要項目，重金屬與放射性核素次之。儘管海洋汙染持續惡化了百年之久，到了20世紀90年代地中海尚未變成像化糞池那樣髒。
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土耳其南部與北非地區漫長的海岸線，還有其他地區較短的海岸，水質都依然清澈。在海岸線較直的地方，因為海浪衝刷岸邊時沒有海岬阻礙，或者位於外海，雖然汙染程度不容忽視，但並未造成任何差異。地中海比波羅的海、黑海或日本海都要乾淨。這其中有三個原因：1.地中海大小、深海與淺海水流的交流頻繁，此外其洋流也有助於稀釋汙染負載；2.整體汙染負載雖然持續增加，但與黑海等其他運氣較差的水體相比仍屬遜色；3.1975年後地中海國家採取行動，致力於減少海洋汙染。
公海 無法吸引遊客，也沒有什麼人會出面捍衛。由於其稀釋能力相當高，將廢棄物倒入公海是相當具有吸引力的做法。1945年之後，公海被迫容納更多的金屬、化學物品、漏油及放射性輻射。僅以塑料為例，這種在1950年仍然少見的物質，到了1992年佔全球海灘垃圾比重達60%。
1970年後海上熟料垃圾大幅增加，因為全世界塑料用量增加卻未適當處理。限制海洋汙染的努力遇到兩個問題：一是認為海洋大到不可能會有任何不良後果；二是海洋為各國所共有。
要讓河水變得乾淨可以很簡單。但湖泊就是另外一回事了，因為被汙染的水不會之滯留在湖中幾天，二是數十年之久。
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每個生態系統都有抑制生命的限制因子。在大多數的水體中，氮和磷都不是這樣的因子。但如果這些限制因子不明原因失去控制，造成氮和磷的含量異常飆高（富養化），那麼水中植物與細菌（特別是藍綠藻）就會快速生長。他們死掉後，腐敗的過程會消耗氧氣，那麼其他物種就會缺氧。接著水中生物圈就會出現快速變化。
藻類大量繁殖也會使得水質不適合引用、游泳、航行及其他用途。與冰涼而又氣泡的水相比，溫度高的死水含量較少，因此特備容易發生這種狀況。過多的氮與磷通常來自城市下水道，而在工業肥料問世後，農場徑流也是來源之一。
富養化可能自然發生在老化的湖泊。但1850年後，人類活動造成越來越多類似的案例，在城市湖泊最常發生。美國威斯康星州麥迪遜的曼多塔湖（Lake Mendota），1850年後幾乎每年都發生藻華現象；1898年之前，瑞士蘇黎世湖飽受富營養化智庫，1930年後也定期爆發。從1946年開始，意大利阿爾卑斯山區的湖泊便出現富養化現象，到了20世紀60年代，湖面偶爾會被藻華覆蓋。受人類排洩物影響，大城市附近的小湖泊最早出現富養化。1945年後，洗衣粉中添加的磷酸鹽讓問題更加嚴重，甚至連大型湖泊（如伊利湖）都飽受富養化之苦。
三、總結
地球水域的生物化學變化，以汙染及其緩解為主，依循著工業化與城市化的腳步，幾乎對每個社會都造成影響。
在這兩種趨勢影響最強的地區，汙染也最嚴重，特別是1945年新型有機化學物問世之後。汙染對湖泊與河流造成的影響最為嚴重，對內陸海洋與海洋沿岸的影響也不小，外海則幾乎沒有遭到波及。
在1800年之前，水汙染一直是地方性的問題，只有城市地區或是製革、玻璃等特定工業附近社區才會察覺其重要性。
到了19世紀，它偶爾會在英國與其他工業中心成為區域性事件，連伊利湖或波羅的海這樣大的區域，化學作用與生態都因此改變。
20世紀有數千人死於水源汙染，堪稱人類史上代價最高的汙染問題。現代城市自19世紀開始提供安全用水，並延續到20世紀，而這對現代生活形態來說是相當重要的。沒有它，就不會有那麼多大型城市，衛生條件也會差很多。但即使這方面如此成功，人類的水文設計如此精巧，足夠的清潔水源似乎仍是下一個世紀人類進步最大的限制之一。
