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)