Экологический мониторинг водных объектов

И.О. Тихонова, Н.Е. Кручинина,
А.В. Десятов
ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ
МОНИТОРИНГ
ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
Учебное пособие
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»
Москва                                        2017
ИНФРА-М

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11
УДК 	556.04(075.8) 
ББК 	26.222я73 
	
Т46
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
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
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
©  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 хозяй
ства привели к тому, что интенсивность водопользования и антропо
генные воздействия на гидросферу создают угрозы необратимых из
менений 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 инстру
ментом управления экологической ситуацией на водных объектах.
Системно организованное наблюдение, применение современных ме
тодов обработки данных, прогнозы, использующие математические
модели, позволяют экспертам формировать предложения для лиц,
принимающих решения.
В настоящее время более резко выявилась роль мониторинга вод
ных объектов в процессах лицензирования: предлицензионный и
постлицензионный мониторинг являются необходимыми элемента
ми 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 со
оружениях 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 ситуа
ций, 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

Введение
«Об охране окружающей среды», в Водном кодексе Российской Феде
рации, в Директиве 2000/60/ЕС Европейского парламента и Совета,
устанавливающей рамки совместных действий в области водной по
литики (Рамочная директива по воде — WFD).
Перечисленные документы предусматривают:
• обеспечение прав людей на чистую воду и благоприятную вод
ную среду;
• поддержание оптимальных условий водопользования;
• обеспечение качества поверхностных и подземных вод в состоя
нии, отвечающем санитарным и экологическим требованиям;
• обеспечение защиты водных объектов от загрязнения, засоре
ния и истощения;
• предотвращение или ликвидация вредного воздействия вод;
• сохранение биологического разнообразия водных экосистем.
Реализация перечисленных действий возможна только в том слу
чае, если они будут обеспечены достоверной информацией о текущем
и перспективном состоянии водных объектов.
Создание и ведение системы мониторинга водных объектов осно
вано на выявлении закономерностей временного и пространственно
го распределения, взаиморасположения объектов мониторинга и ус
тановлении системы характеристик изменчивости их состояния.
Информационнологическая последовательность разработки и
осуществления ведения мониторинга представлена на схеме 1.
Структура мониторинга должна предусматривать: способы клас
сификации, ранжирования и определения соподчиненности подсис
тем, блоков и пунктов мониторинга и схемы управления их информа
ционной и производственной деятельностью; модели централизован
ного контроля за структурнофункциональным состоянием системы
мониторинга в целом и процессами выдачи пользователям необходи
мой 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, социологиче
ский и ландшафтный) и группу специальных или прикладных ме
тодов.
Средства мониторинга содержат следующие составляющие: логи
ческие — рабочие гипотезы, суждения, доказательства, формулы; ин
формационные — аппаратура и устройства для сбора, систематиза

Введение
5
Схема 1. Схема структуры гидрологического мониторинга

Введение
ции, обработки, хранения и передачи оперативных и фондовых дан
ных от подсистем и пунктов мониторинга для обмена информацией
между ними; технические — измерительные приборы, инструменты и
оборудование, необходимые для наблюдений и контроля за фактора
ми мониторинга; биологические — живые организмы, используемые
в качестве индикаторов мониторинга.
Вся информация, получаемая в процессе функционирования сис
темы 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 пра
вил управления водохозяйственными системами речных бассейнов в
нормальных и чрезвычайных ситуациях.

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 континенталь
ного 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 Миро
вом океане, с акватории которого испаряется 84,5 % (505 тыс.
км3/год) объема воды, участвующей в глобальном круговороте. Боль
шая 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 систе
мой течений.
Мировой океан
В океане сосредоточено 96,4 % объема всех вод Земли, он облада
ет устойчивой гидрологической структурой. В нем существует четыре

Глава 1. Глобальный гидрологический цикл
Рис. 1.1. Схема трансформации расхода воды (тыс. км
3/год) в океаническом и кон
тинентальном звеньях ГГЦ [1]
типа океанических водных масс, составляющих четыре слоя перемен
ной 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, характе
ризующиеся 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 взаимодейст
вия океана и атмосферы. Стабильность структуры океана объясняется
крайне медленным внешним водообменом — среднее время пребыва
ния воды в Мировом океане составляет 2,65 тыс. лет [1].
Атмосферный этап
Испарение воды на границе океан—атмосфера происходит дву
мя путями — физическим и механическим. Средний слой испаряю
щейся 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

1.2. Континентальное звено
9
Мирового океана — там, где соприкасаются мощные теплые течения
с холодными течениями — Куросио с КурилоКамчатским и Гольф
стрим 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 на
правлении). 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 об
мен не просто водой, а водными массами, имеющими в тропосфере
газообразный вид влагонасыщенных воздушных масс, содержащих
водяной пар, облачные системы и аэрозоли морского и континен
тального происхождения.
1.2. Континентальное звено
Начало второму звену ГГЦ дают атмосферные осадки, выпадаю
щие 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 соста
ва под влиянием в основном двух природных процессов:
1) концентрирования растворенных веществ изза испарения
воды;
2) сильного изменения состава воды в результате эрозии и раство
рения веществ на поверхности и в толще почв и грунтов, а также при
взаимодействии с растительным покровом и континентальными вод
ными массами.
Континентальный этап
В ГГЦ этот этап представляет собой процесс перемещения при
родных 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 внутриводо
емным. В течение года сток имеет как многоводные фазы — полово

Глава 1. Глобальный гидрологический цикл
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 се
зона), 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 растительно
стью территорий. Состав склонового стока сильно изменчив вследст
вие обогащения смываемыми легко растворимыми солями, мине
ральными биогенными и органическими веществами, а также мине
ральными и органическими взвешенными веществами, изза которых
эти воды особенно мутны.
Одновременно на водосборе начинают формироваться и два дру
гих генетических типа вод, образующих подземный сток из фильт
рующихся 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 со
держании 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 русло
вый 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, направлен
ным от устьев рек, втекающих в водоем, к истоку вытекающей из него
реки. Время пребывания воды в озерах разных типов меняется в ши
роких пределах — от нескольких месяцев в сильно проточных водо
емах до 300 лет в озере Байкал, обладающем самым замедленным во
дообменом 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, хи
мических и биологических характеристик воды.