Гидроэкология : курс лекций в 2 ч. Ч. 1. Общая гидроэкология

Министерство образования и науки Российской Федерации 

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ 
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

А.С. Бестужева  

ГИДРОЭКОЛОГИЯ 

Курс лекций в двух частях 

Часть 1 

ОБЩАЯ ГИДРОЭКОЛОГИЯ 

Москва 2017 

2-е издание (электронное)

УДК 504.4:69 
ББК 26.22 
  Б53 

Р е ц е н з е н т ы: 
доктор технических наук, профессор Д. В. Козлов, проректор по инновационному 
развитию, профессор кафедры комплексного использования водных ресурсов  
и гидравлики Российского государственного аграрного университета —
МСХА им. К. А. Тимирязева; 
доктор технических наук, профессор Л. Н. Рассказов,  
профессор кафедры ГС НИУ МГСУ  

Бестужева, Александра Станиславовна. 
      Гидроэкология [Электронный ресурс] : курс лекций : в 2 ч. / А. С. Бестужева ; М-во образования и науки Рос. Федерации, Моск. гос. строит. ун-т. — 
2-е изд. (эл.). — М. : Изд-во МИСИ–МГСУ, 2017.

ISBN 978-5-7264-1582-6 
ISBN 978-5-7264-1583-3 (ч. 1)   

Рассмотрены вопросы строения биосферы, этапы ее развития, роль и функции 
живой материи в процессах круговорота веществ, а также функции гидросферы, 
структура водных сообществ, условия их жизни и эволюции. Приведены факторы 
ухудшения состояния окружающей среды, связанные с техногенной экономикой; 
доктрина рационального природопользования в сфере водного хозяйства.  

УДК 504.4:69 
ББК 26.22 

ISBN 978-5-7264-1582-6
ISBN 978-5-7264-1583-3 (ч. 1) 

Для обучающихся по направлениям подготовки 20.03.02 Природообустройство 
и водопользование, 08.03.01 Строительство, 08.05.01 Строительство уникальных 
зданий и сооружений.

Часть 1. Общая гидроэкология — Электрон. текстовые дан. (1 файл pdf : 
89 с.). — Систем. требования: Adobe Reader XI либо Adobe Digital Editions 
4.5 ; экран 10".

Деривативное электронное издание на основе печатного издания: 
Гидроэкология :  курс лекций : в 2 ч. / А. С. Бестужева ; М-во образования 
и науки Рос. Федерации, Моск. гос. строит. ун-т. — М. : Изд-во МИСИ–
МГСУ, 2015. — ISBN 978-5-7264-1189-7.

Часть 1. Общая гидроэкология  / А. С. Бестужева ; М-во образования и науки Рос. Федерации, Моск. гос. строит. ун-т — 88 с. — ISBN 978-5-7264-1190-3 
(ч. 1).

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных 
техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от 
нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.

©  Национальный исследовательский 

Московский государственный 
строительный университет, 2017

Б53

ВВЕДЕНИЕ 

Гидроэкология — область естествоведческих наук, специализирующаяся на изучении природных вод и связанных с ними форм водных 
сообществ. В настоящее время эта наука получила особое развитие в 
связи с поиском дополнительных источников водоснабжения, в том 
числе за счет создания водохранилищ, использования подземных вод, 
ледниковых и дождевых вод, а также в связи со строительством инженерных сооружений на реках, озерах и континентальном шельфе.  
Особенно тесно гидроэкология связана с гидробиологическими исследованиями, касающимися происхождения, условий жизни, эволюции водных сообществ, популяций и биоценозов и определяет физиологические и метаболические процессы, происходящие в живых организмах под воздействием факторов внешней среды.  
Гидроэкологические исследования невозможны без знания биохимических процессов, происходящих в водной среде, почве и донных 
осадках в ходе жизнедеятельности организмов, что отражается на связи 
гидроэкологии с биохимией, микробиологией и санитарной эпидемиологией.  
Гидроэкологические исследования водных сообществ начинаются с  
предварительного рассмотрения условий гидрогеологического формирования водных объектов, их связи с природными ландшафтами, морскими и континентальными водами, сопровождаются определением 
многочисленных гидрологических характеристик, условий существования водных организмов. Здесь гидроэкология тесно соприкасается с 
географическими дисциплинами — океанологией и лимнологией.  
Практические задачи гидроэкологии связаны с решением вопросов 
использования водоемов природного и искусственного происхождения 
для целей питьевого водоснабжения, обеспечением здоровья водных 
объектов с точки зрения качества воды и воспроизводства водных сообществ, в обеспечении устойчивого хозяйственного использования 
водных объектов.  

Хозяйственное использование водных объектов предполагает гидроэкологические исследования процессов зарастания водоемов, размыва 
берегов, изменения качества воды под действием техногенной нагрузки, 
охраной гидротехнических сооружений от повреждений и обрастания. 
Важная задача гидроэкологических исследований в гидротехнике — 
обеспечение рыбохозяйственного использования водохранилищ. Эта 
задача предполагает изучение среды обитания и естественных биоритмов животных сообществ, а также возможности искусственного замещения природных условий специальными инженерными системами. 
Гидроэкологические исследования хозяйственных объектов выделяются в отдельную дисциплину «инженерная гидроэкология».  
В разделе «Общая гидроэкология» основное внимание уделено комплексному представлению о строении Земли и ее геосфер, взаимосвязи 
всех геосфер земли в ее ключевом звене — биосфере; приведены основные положения учения о биосфере, ее строении, свойствах и процессах круговорота вещества. В разделе о гидросфере приведены сведения о количественном составе земных вод, их распределении, качестве и заселении водными сообществами.  
Подробнее состояние водохозяйственного комплекса, инженерные 
методы защиты окружающей среды в водохозяйственной отрасли, проблемы и перспективы развития инженерной гидроэкологии рассмотрены во второй части курса лекций по инженерной гидроэкологии. 

1. ЗЕМНЫЕ ГЕОСФЕРЫ И ЖИЗНЬ НА ЗЕМЛЕ 
 

1.1. ОБРАЗОВАНИЕ ПЛАНЕТЫ 
 
Основные характеристики. Земля — третья планета Солнечной 
системы, удаленная от Солнца на расстояние около 150 млн км, с периодом обращения около 365,25 сут., средний радиус — около 6371 км, 
длина окружности по меридиану — около 40 тыс. км. Средняя плотность Земли около 5,5 т/м3. 
Основные геосферные оболочки Земли: магнитосфера, атмосфера, 
гидросфера, литосфера, мантия, ядро. Каждая из них выполняет свою 
уникальную функцию по поддержанию процессов круговорота веществ 
и сохранению жизни на Земле. Эти оболочки образовались в ходе длительных процессов гравитационной конденсации и дифференциации 
вещества, при которых каждая частица стремится занять положение в 
центре Земли. Из-за сегрегации вещества по плотности и температуре 
плавления, внутреннее строение земли слоистое, с наличием сфер скачкообразного изменения свойств, выделяемых по скоростям распространения сейсмических волн.  
Химический состав. Земля в основном состоит из железа (≈ 32 %), 
кислорода (≈ 30 %), кремния (≈ 15 %), магния (≈ 14 %) , серы (≈ 3 %), 
никеля (≈ 1,8 %), кальция (≈ 1,5 %), алюминия (≈ 1,4 %), на остальные 
элементы приходится около 1,2 %. Углерода — основного строительного материала всего живого вещества — в земной коре всего 0,1 %.   
Земная кора в основном состоит из оксидов, входящих в состав породообразующих минералов. Наиболее распространенные оксиды: 
кремнезем (SiO2), которого в земной коре в виде силикатов около 60 %, 
с железом, магнием, кальцием формируются силикаты типа MgSiO4, 
Fe2SiO4; глинозем (Al2O3), которого около 15,5 %, оксиды кальция 
(CaO), магния (MgO), натрия (Na2O), железа (FeO), калия (K2O), каждого из которых содержится около 3...5 %. Воды (H2O) в земном веществе 
оценивается около 1,5 %. 
На протяжении развития человеческой цивилизации существовало 
много теорий происхождения Земли, начиная от концепций божественного происхождения, заканчивая последними космогоническими теориями астрофизики. Изотопные соотношения элементов в метеоритном 
и земном веществах, данные о химическом составе и структуре метеоритов — исторические документы, по которым можно прочитать раннюю историю Солнечной системы и восстановить условия рождения 
нашей планеты. 

Первой научной космогонической теорией следует считать концепцию Канта — Лапласа о космическом происхождении Земли как сгустка «огненной материи», которая впоследствии стала остывать. Поверхностная, остывшая часть планеты сформировалась в земную кору, 
внутренняя, замкнутая, часть сохраняется в расплавленном состоянии. 
Эта теория просуществовала несколько столетий до тех пор, пока в начале XX в. не был открыт радиоактивный распад элементов как один из 
основных источников внутреннего тепла в мантии (опыты П. и М. Кюри).  
Родоначальником подобных исследований в России был академик 
В.И. Вернадский. Его работы в области радиоактивной геохимии пользовались всемерной поддержкой известных ученых. В 1920 г. для этих 
исследований М. Кюри организовала ученому небольшую лабораторию 
в Париже.   
Второй теорией происхождения Земли была теория «газопылевого 
облака», где происходили процессы аккумуляции, гравитационной конденсации и сжатия вещества, в ходе которого начался радиоактивный 
разогрев недр. Теория гомогенной аккумуляции, сторонником которой был 
и В.И. Вернадский, была разработана советским ученым О.Ю. Шмидтом.  
Современные теории. Исходя из современных данных космохимии, 
геохимии и астрофизики ученые считают, что вещество Земли в прошлом находилось в состоянии плазмы, и путь становления нашей планеты был связан с эволюцией вещества от плазменного состояния до 
состояния образования химических соединений, далее — до появления 
веществ в твердом, жидком и газообразном состоянии.  
В настоящее время ученые единодушны в мнении, что образование 
Земли связано с аккумуляцией вещества, представленного преимущественно высокотемпературными конденсатами солнечного газа, межзвездной пыли и газа. Однако относительно способа аккумуляции существуют различные мнения. В процессе формирования Земли можно 
допустить два основных варианта аккумуляции: 
 Гомогенная аккумуляция наиболее полно разработана в гипотезе 
О.Ю. Шмидта и его сторонников. Она связана с образованием квазиоднородной первичной Земли. Первоначально модель гомогенной аккумуляции пользовалась более широким признанием. Согласно этой модели, современное зональное строение Земли возникло лишь в ходе 
эволюции, что выразилось в разогревании, частичном плавлении и 
дифференциации земного вещества под воздействием радиоактивных 
источников тепла.  
Против гомогенного характера образования Земли свидетельствует 
тот факт, что формирование земной неоднородности (металлического 
ядра) при последовательной дифференциации и движении расплавлен

ного железа к центру должно было бы сопровождаться огромным выделением тепловой энергии (за счет сил трения), при котором вся планета 
была бы расплавлена, чему нет свидетельств. 
 Гетерогенная аккумуляция определила с самого начала главные 
черты строения земного шара — наличие в первичной Земле металлического ядра и мантии. Современными исследованиями доказано, что в 
первичной туманности под влиянием сил магнитного притяжения первыми аккумулировались железоникелевые сплавы. При достижении 
достаточно крупных масс зародыши планет в дальнейшем могли захватывать более поздние конденсаты солнечного газа (путем непосредственного гравитационного захвата). Таким образом, при аккумуляции 
металлических частиц сначала возникло ядро, затем на него «осели» 
более поздние конденсаты в виде силикатов, образовав мощную мантию первичной планеты. Эта аккумуляция определила первоначальную 
химическую неоднородность Земли, ее термодинамическую неустойчивость, которая в дальнейшем предопределила ход развития Земли — 
дифференциацию ее материала.  
Со временем произошло четкое обособление границ между мантией 
и ядром, между внутренним и внешним ядром. В ходе процессов радиоактивного распада элементов, гравитационной дифференциации вещества и конвективного массопереноса происходил разогрев недр с формированием внешнего (расплавленного) и внутреннего ядра, находящегося под большим давлением в твердом состоянии, несмотря на его 
температуру до 5 тыс. градусов.  
Процессы конвективного и гравитационного движения вещества 
продолжаются и сегодня, являясь, в частности, причиной происходящих глубокофокусных землетрясений с эпицентром на глубине около 
700 км (в верхней мантии).  
 
1.2. СТРОЕНИЕ ЗЕМНЫХ ГЕОСФЕР 

 
Магнитосфера — первая защитная броня Земли. Магнитосфера 
простирается примерно на 58 тыс. км в космос, образуя «кокон», 
имеющий вид вытянутой капли и оберегающий планету от космических 
лучей и солнечной радиации.  
Потоки солнечных лучей ионизируют газы верхней атмосферы, захватываются магнитосферой и с огромными скоростями (до 4000 км/с) 
уносятся в космическое пространство. Магнитосфера препятствует рассеиванию газов земной атмосферы под действием «солнечного ветра» — 
направленного движения космических частиц. На планетах, не имеющих защитного магнитного пояса, атмосфера отсутствует. Слой ионосферы с максимальной концентрацией заряженных частиц располагает

ся на высоте 200÷250 км, температура здесь достигает 1000...1500°. 
«Шлейф» магнитосферы Земли вытянут в космическое пространство в 
направлении, противоположном солнечному ветру, и простирается на 
многие десятки тысяч километров.  
Гениальный французский физик А.М. Ампер, создатель науки об 
электричестве, в 1830-х гг. увлекся вопросами эволюции живых организмов. Размышляя о причинах земного магнетизма, он высказывал 
предположения о наличии в Земле силового электрического поля и о 
движении электрического тока, протекающего с востока на запад. Движение электрического тока в обмотке проводника порождает вокруг него 
электромагнитное поле. Ампер утверждал, что все магнитные явления на 
Земле сводятся к чисто электрическим эффектам. После серии экспериментов было установлено наличие электрического тока в земле, но весьма слабого для того, чтобы установить существующее магнитное поле.  
В начале XX в. физики пытались объяснить земной магнетизм суточным вращением Земли как «катушки с проводником» в электрическом поле ионосферы. Но теоретические расчеты дали интенсивность  
магнитного поля в миллионы раз слабее действительного. В 1939 г. 
американские физики выдвинули гипотезу о термоэлектрическом происхождении магнитосферы Земли в расплавленном ядре планеты.  
В 1947 г. советские физики во главе с Я. Френкелем разработали модель магнитосферы Земли, возникающей под воздействием конвективного движения расплавленного электропроводящего слоя в ядре (железо-никелевые сплавы), работающего подобно самовозбуждающейся 
динамо-машине.  
Современные исследователи космического пространства установили, что Солнце также имеет свою магнитосферу, границы которой выходят за пределы солнечной системы, а ее действие подобно действию 
магнитного пояса Земли и связано с защитой планет от глубокого космического излучения. 
Атмосфера — вторая защитная оболочка Земли. Атмосфера — 
внешняя газовая оболочка Земли, образовавшаяся в процессе гравитационной дифференциации земного вещества. На протяжении 3,5 млрд 
лет газовый состав атмосферы неоднократно изменялся, однако в последние 50 млн лет, как считают ученые, он относительно стабилен.  
Атмосфера Земли простирается на высоту более 3 тыс. км, что считается условной границей атмосферы и космоса, но наибольшая концентрация газов (4/5 массы атмосферы) сохраняется вблизи поверхности 
земли до высоты 10...15 км, поэтому выделяется в отдельный слой — 
тропосферу. 

Рис. 1. Строение атмосферы Земли 
(http://www.allmystery.de/dateien/gg7907,1282717387,Atmosfeer_Atmosphere_German.PNG) 

Газовый состав атмосферы по высоте сильно изменяется, газ ионизируется под воздействием космических лучей, изменяется его температура (рис. 1). Условной границей земной атмосферы является та ее часть, 
которая совершает вращения совместно с Землей, что соответствует 
высотам до 700...1300 км, однако, по предложению международной 
авиационной федерации, границей атмосферы считается высота около 
120 км (линия Кармана) от поверхности земли, выше которой из-за разреженной атмосферы средства аэронавтики становятся невозможными.  
Тропосфера. Газовый состав тропосферы очень важен с точки зрения условий жизни на Земле. В тропосфере сосредоточен почти весь 
водяной пар — атмосферная влага. Здесь образуются облака и осуществляются фазы круговорота воды. Средняя продолжительность круговорота воды в атмосфере составляет 8...10 сут. Высотный рельеф на поверхности Земли и океан с мощными восходящими воздушными потоками приводят к формированию воздушной турбулентности, к ее хорошему перемешиванию. Например, загрязнения, попавшие в тропосферу 
при аварии на АЭС Фукусима-2, через 7 суток обогнули весь земной 
шар. В тропосфере существует отрицательный градиент температур и 
давлений. С каждыми 100 м высоты температура падает на 0,6°. 
Химический состав. Основной газ тропосферы — азот (N2). Его по 
массе содержится 78,1 %. В чистом виде он инертен. Однако при определенных условиях (грозовые разряды, коротковолновое излучение) 
может образовывать химически активные соединения — окислы азота. 
Кислорода (О2), активного газа, содержится около 21 %. Этого количества достаточно, чтобы все метаболические процессы живой природы 
протекали с его участием.  
Углекислого газа (СО2) в атмосфере содержится 0,03 %, при этом в 
океане растворенного углекислого газа в сотни раз больше. Концентрация углекислого газа в атмосфере существенно влияет на температуру, 
климат и погоду Земли. Наряду с водяными парами, углекислый газ 
поглощает тепловое излучение, исходящее от Земли, сохраняя ее тепло. 
По этой причине эти газы названы парниковыми.  
Парниковый эффект. Суть парникового эффекта заключается в том, 
что газы нижних слоев атмосферы сравнительно легко пропускают 
часть коротковолнового излучения, дошедшего до поверхности Земли 
сквозь верхний тысячекилометровый слой атмосферы. Часть этой энергии отражается от Земли (главным образом, поверхностью Мирового 
океана), часть энергии поглощается землей. Нагреваясь, земля сама 
становится источником теплового (длинноволнового) излучения, которое поглощается газами нижних слоев атмосферы: углекислым газом, 
метаном, водяным паром, озоном. При ясном небе, благодаря «парни