Экологический мониторинг водных объектов

ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ
МОНИТОРИНГ
ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ

И.О. Тихонова, Н.Е. Кручинина,
А.В. Десятов

Допущено Учебно-методическим объединением по образованию
в области химической технологии и биотехнологии
в качестве учебного пособия для студентов вузов,
обучающихся по направлению «Энерго- и ресурсосберегающие
процессы в химической технологии, нефтехимии
и биотехнологии»

УЧЕБНОЕ пОСОБИЕ

Москва                                        2017

ИНФРА-М

УДК  556.04(075.8) 
ББК  26.222я73 
 
Т46

Тихонова И.О.
Т46 
 
Экологический мониторинг водных объектов : учеб. пособие / 
И.О. Тихонова, Н.Е. Кручинина, А.В. Десятов. — М. : ФОРУМ : 
ИНФРА-М, 2017. — 152 с. — (Высшее образование).

ISBN 978-5-91134-666-9 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-006033-0 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-103702-7 (ИНФРА-М, online)

Рассмотрены вопросы, связанные с системами мониторинга водных 
объектов и оценкой антропогенного воздействия на водные объекты. Обсуждено влияние гидродинамических условий на распространение загрязняющих веществ. Рассмотрены задачи и принципы организации систем 
мониторинга на глобальном и локальном уровнях. Обсуждены комплексные оценки качества воды. Приведены математические модели оценки  
и прогнозирования качества вод. Дополнительно выделены сведения о биологическом мониторинге водных объектов.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям «Энергои ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии  
и биотехнологии», «Безопасность жизнедеятельности, природообустройство и защита окружающей среды».

УДК 556.04(075.8) 
ББК 26.222я73

Р е ц е н з е н т ы:
Ю.В. Сметанников, доктор химических наук, профессор Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева;
В.И. Гриневич, доктор технических наук, профессор Ивановского 
государственного химико-технологического университета

ISBN 978-5-91134-666-9 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-006033-0 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-103702-7 (ИНФРА-М, online

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

© Тихонова И.О., Кручинина Н.Е., 
Десятов А.В., 2012
© ФОРУМ, 2012

Введение

Развитие производительных сил, значительная концентрация
производства, развитие энергетики, наличие мощных транспортных
потоков и трубопроводного транспорта, химизация сельского хозяйства привели к тому, что интенсивность водопользования и антропогенные воздействия на гидросферу создают угрозы необратимых изменений водных объектов, разрушают их экосистемы, значительно
снижают годные к употреблению водные запасы и качество вод, а это,
в свою очередь, существенно ухудшает условия обитания человека.
Системы мониторинга в настоящее время стали важным инструментом управления экологической ситуацией на водных объектах.
Системно организованное наблюдение, применение современных методов обработки данных, прогнозы, использующие математические
модели, позволяют экспертам формировать предложения для лиц,
принимающих решения.
В настоящее время более резко выявилась роль мониторинга водных объектов в процессах лицензирования: предлицензионный и
постлицензионный мониторинг являются необходимыми элементами оценки состояния водного объекта.
Возрастает роль систем мониторинга и в связи с увеличением
количества и масштабов аварийных ситуаций, воздействующих на
водные объекты. Прорывы нефтепроводов, аварии речных и морских
судов, прорывы шламохранилищ, аварии на гидротехнических сооружениях стали, к сожалению, частыми явлениями, экологические
последствия которых наносят серьезный ущерб окружающей среде,
биоте и населению. В этих условиях важную роль играет мониторинг
водных объектов, направленный на профилактику аварийных ситуаций, анализ воздействия на окружающую среду острой фазы аварии
и управление процессом ликвидации последствий аварии.
Проблемы целенаправленного сохранения водных ресурсов,
улучшения качества вод и обеспечения экологической безопасности
при использовании водных ресурсов отражены в Федеральном законе

«Об охране окружающей среды», в Водном кодексе Российской Федерации, в Директиве 2000/60/ЕС Европейского парламента и Совета,
устанавливающей рамки совместных действий в области водной политики (Рамочная директива по воде — WFD).
Перечисленные документы предусматривают:
• обеспечение прав людей на чистую воду и благоприятную водную среду;
• поддержание оптимальных условий водопользования;
• обеспечение качества поверхностных и подземных вод в состоянии, отвечающем санитарным и экологическим требованиям;
• обеспечение защиты водных объектов от загрязнения, засорения и истощения;
• предотвращение или ликвидация вредного воздействия вод;
• сохранение биологического разнообразия водных экосистем.
Реализация перечисленных действий возможна только в том случае, если они будут обеспечены достоверной информацией о текущем
и перспективном состоянии водных объектов.
Создание и ведение системы мониторинга водных объектов основано на выявлении закономерностей временного и пространственного распределения, взаиморасположения объектов мониторинга и установлении системы характеристик изменчивости их состояния.
Информационнологическая последовательность разработки и
осуществления ведения мониторинга представлена на схеме 1.
Структура мониторинга должна предусматривать: способы классификации, ранжирования и определения соподчиненности подсистем, блоков и пунктов мониторинга и схемы управления их информационной и производственной деятельностью; модели централизованного контроля за структурнофункциональным состоянием системы
мониторинга в целом и процессами выдачи пользователям необходимой информации на электронном или бумажном носителе в удобной
для потребителей форме.
Методы мониторинга включают: все свойственные гидрологии
общенаучные методы (системный, математический, моделирование,
картографический), все конкретнонаучные методы (геофизический,
геохимический, биогеографический, экономический, социологический и ландшафтный) и группу специальных или прикладных методов.
Средства мониторинга содержат следующие составляющие: логические — рабочие гипотезы, суждения, доказательства, формулы; информационные — аппаратура и устройства для сбора, систематиза4
Введение

Введение
5

Схема 1. Схема структуры гидрологического мониторинга

ции, обработки, хранения и передачи оперативных и фондовых данных от подсистем и пунктов мониторинга для обмена информацией
между ними; технические — измерительные приборы, инструменты и
оборудование, необходимые для наблюдений и контроля за факторами мониторинга; биологические — живые организмы, используемые
в качестве индикаторов мониторинга.
Вся информация, получаемая в процессе функционирования системы мониторинга водных объектов, используется в подсистеме
управления водными ресурсами для обоснования принятия решений
по водообеспечению, защите территории от наводнений и паводков,
улучшению качества природных вод и, наконец, для разработки правил управления водохозяйственными системами речных бассейнов в
нормальных и чрезвычайных ситуациях.

6
Введение

Глава 1
ГЛОБАЛЬНЫЙ ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ ЦИКЛ

Глобальный гидрологический цикл — это важнейшая составная
часть общепланетарного обмена веществ и энергии, представляющая
собой перемещение водных масс и их трансформацию в процессе
круговорота воды на Земле.
Структурно этот цикл состоит из океанического и континентального звеньев, взаимосвязанных атмосферным переносом воздушных
масс и стоком с суши водных масс. В современную геологическую
эпоху, т. е. последние 10—12 тыс. лет, объем воды на нашей планете
остается практически неизменным и составляет 1,39 млрд км3.
Экологическая значимость воды — в том, что она является не
только наибольшей по массе составной частью живых организмов, но
и обеспечивает условия существования гидросферы и биосферы на
Земле за счет ежегодного распада 4 млн м3 с образованием защитного
слоя на высоте 70—80 км над уровнем моря [1].

1.1. Океаническое звено

Глобальный гидрологический цикл (ГГЦ) зарождается в Мировом океане, с акватории которого испаряется 84,5 % (505 тыс.
км3/год) объема воды, участвующей в глобальном круговороте. Большая ее часть (405 тыс. км3/год) возвращается в Мировой океан в виде
атмосферных осадков океанического происхождения, а 100 тыс.
км3/год выносится океаническими воздушными массами на сушу
(рис. 1.1). Замыкается океаническое звено и весь ГГЦ сложной системой течений.

Мировой океан

В океане сосредоточено 96,4 % объема всех вод Земли, он обладает устойчивой гидрологической структурой. В нем существует четыре

типа океанических водных масс, составляющих четыре слоя переменной толщины:
1) приповерхностные водные массы, толщина их слоя от 100 до
500—900 м. Границу между приповерхностными и стратосферными
водными массами образуют промежуточные водные массы, характеризующиеся экстремальными значениями температуры и солености,
толщина их слоя 600—1200 м;
2) стратосферные водные массы;
3) глубинные водные массы;
4) придонные водные массы.
Мировому океану свойственна квазистационарная циркуляция
вод, сохраняющаяся из года в год изза динамического взаимодействия океана и атмосферы. Стабильность структуры океана объясняется
крайне медленным внешним водообменом — среднее время пребывания воды в Мировом океане составляет 2,65 тыс. лет [1].

Атмосферный этап

Испарение воды на границе океан—атмосфера происходит двумя путями — физическим и механическим. Средний слой испаряющейся воды с Мирового океана за многолетний период равен
1400 мм/год, в полярных широтах он составляет 100—400 мм/год,
в экваториальных — до 2000 мм/год над теплыми течениями и
1000—1200 мм/год — над холодными. Наиболее активными зонами
формирования влагонасыщенных воздушных масс служат два района

8
Глава 1. Глобальный гидрологический цикл

Рис. 1.1. Схема трансформации расхода воды (тыс. км
3/год) в океаническом и континентальном звеньях ГГЦ [1]

Мирового океана — там, где соприкасаются мощные теплые течения
с холодными течениями — Куросио с КурилоКамчатским и Гольфстрим с Лабрадорским.
Из поступающих на сушу с Мирового океана воздушных масс со
средней влажностью 80 % две трети водяных паров, конденсируясь,
выпадает на поверхность суши в виде адвективных атмосферных
осадков (происходящих при переносе воздуха в горизонтальном направлении). Остальная часть влаги проносится транзитом над сушей,
формируя вместе с 30 % испарившейся с нее воды атмосферный сток
с суши, равный 53 тыс. км3/год [1].
Таким образом, между Мировым океаном и сушей существует обмен не просто водой, а водными массами, имеющими в тропосфере
газообразный вид влагонасыщенных воздушных масс, содержащих
водяной пар, облачные системы и аэрозоли морского и континентального происхождения.

1.2. Континентальное звено

Начало второму звену ГГЦ дают атмосферные осадки, выпадающие из воздушных масс океанического происхождения на сушу.
Среднее их количество за многолетний период составляет 66 тыс.
км3/год [1]. При соприкосновении атмосферных осадков с земной
поверхностью сразу же происходит изменение их химического состава под влиянием в основном двух природных процессов:
1) концентрирования растворенных веществ изза испарения
воды;
2) сильного изменения состава воды в результате эрозии и растворения веществ на поверхности и в толще почв и грунтов, а также при
взаимодействии с растительным покровом и континентальными водными массами.

Континентальный этап

В ГГЦ этот этап представляет собой процесс перемещения природных вод по поверхности суши (поверхностный сток) и внутри почв
и грунтов верхнего слоя литосферы (подземный сток) под действием
силы тяжести.
Поверхностный сток бывает склоновым, русловым и внутриводоемным. В течение года сток имеет как многоводные фазы — полово1.2. Континентальное звено
9

дье (повторяется на данной реке из года в год в один и тот же сезон,
весеннее и осеннее) и паводки (возможны в любое время каждого сезона), так и маловодные фазы (межень летняя и зимняя).
Склоновый сток периодически возникает во время снеготаяния
или интенсивных и продолжительных дождей при стекании воды с
относительно ровных, покрытых луговой или лесной растительностью территорий. Состав склонового стока сильно изменчив вследствие обогащения смываемыми легко растворимыми солями, минеральными биогенными и органическими веществами, а также минеральными и органическими взвешенными веществами, изза которых
эти воды особенно мутны.
Одновременно на водосборе начинают формироваться и два других генетических типа вод, образующих подземный сток из фильтрующихся сквозь почву и грунты склоновых вод:
1) почвенный тип, отличающийся от склоновых вод несколько
большей минерализацией, наибольшим содержанием биогенных
и органических растворенных веществ и меньшим содержанием
взвесей;
2) грунтовый тип, изза медленного водообмена обладающий
наиболее высокой минерализацией и жесткостью при небольшом содержании органических, биогенных и взвешенных веществ и нередко
при полном отсутствии растворенного кислорода.
Когда воды этих генетических типов объединяются в первичную
речную водную массу и формируют русловую сеть, возникает русловый сток.
Водные массы, поступающие в водоемы суши — пресноводные
озера, водохранилища, пруды — формируют внутриводоемный сток.
Большинство водоемов проточны, и процесс стока в каждом из них
представлен медленным транзитным стоковым течением, направленным от устьев рек, втекающих в водоем, к истоку вытекающей из него
реки. Время пребывания воды в озерах разных типов меняется в широких пределах — от нескольких месяцев в сильно проточных водоемах до 300 лет в озере Байкал, обладающем самым замедленным водообменом среди проточных водоемов Земли.
В каждой реке, вытекающей из озера, по мере впадения в нее все
большего количества водных масс ее притоков с незарегулированным
русловым стоком озерные воды трансформируются и приобретают
черты, свойственные речным водам, — внутригодовое чередование
многоводных и маловодных фаз стока с изменением физических, химических и биологических характеристик воды.

10
Глава 1. Глобальный гидрологический цикл