Гидроэкология : курс лекций в 2 ч. Ч. 2. Природоохранные сооружения речной гидротехники

Министерство образования и науки Российской Федерации 

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ 
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

А.С. Бестужева 

ГИДРОЭКОЛОГИЯ 

Курс лекций в двух частях 

Часть 2   
ПРИРОДООХРАННЫЕ СООРУЖЕНИЯ  
РЕЧНОЙ ГИДРОТЕХНИКИ 

Москва 2017

2-е издание (электронное)

УДК 627.8.03 + 627.81 
ББК 38.77 
  Б53 

Ч. 2. Природоохранные сооружения речной гидротехники. — 196 с. — 
ISBN 978-5-7264-1603-8.

Основное внимание уделено экологическим вопросам формирования речного 
стока рек, инженерным сооружениям и мероприятиям, регулирующим его качество. Представлены данные по гидроэнергетическому использованию крупнейших 
рек мира. Рассмотрены средства инженерной защиты прилегающих к водохранилищу территорий от негативного воздействия вод, а также основные процессы и 
проблемы, возникающие при создании водохранилищ.   

Для обучающихся по направлениям подготовки 08.03.01, 08.04.01 Строительство, 08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений, 20.03.02 Природообустройство и водопользование.

УДК 627.8.03 + 627.81 
ББК 38.77 

  Национальный исследовательский  
ISBN 978-5-7264-1582-6
ISBN 978-5-7264-1720-2 (ч. 2)   
Московский государственный  
строительный университет, 2015

Бестужева, Александра Станиславовна. 

Б53      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 978-5-7264-1720-2 (ч. 2)  

Часть 2. Природоохранные сооружения речной гидротехники. — Электрон. 
текстовые дан. (1 файл pdf : 196 с.). — Систем. требования: Adobe Reader XI 
либо Adobe Digital Editions 4.5 ; экран 10".

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  

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.

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.

1. ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ 

 

1.1. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ ПО СТРАНАМ МИРА 
 
Водные ресурсы в современном мире — самый востребованный 
природный ресурс. Их мировые запасы огромны, однако только малая 
их часть доступна и целесообразна для использования. Это относится к 
пресным водам. 
Пресные воды. Пресной называют воду, в 1 л которой содержится 
не более 1 г растворенных веществ. Это соленость, соответствующая 
концентрации 0,1 %. Соленость океанической воды в среднем составляет 3,5 %.  
Таблица 1 

Оценка количества воды в различных природных объектах 

Природные объекты 
Объем 
(103 км3) 

% от 
общей 
массы 

% 

пресной 

воды 

Годовой 

оборот

Время  

замещения 

Океан 
1338000 
96,5 
— 
505000
2600 лет 

Подземные воды до 2000 м 
23400 
1,7 
— 
— 
— 

Пресные подземные воды 
10530 
0,76 
30,1 
— 
— 

Ледники и вечные снега 
24000 
1,74 
68,7 
— 
— 

Антарктика 
21600 
1,56 
61,7 
— 
— 

Гренландия 
2340 
0,17 
6,68 
2477 
9700 лет 

Арктические острова 
83,5 
0,006 
0,24 
— 
— 

Горные ледники 
40,6 
0,003 
0,12 
25 
1000 лет 

Грунтовые льды (мерзлота) 
300 
0,022 
0,86 
30 
10000 лет 

Озера 
176,4 
0,013 
— 
10400 
17 лет 

Пресные озера 
91 
0,007 
0,26 
— 
— 

Соленые озера 
85,4 
0,006 
— 
— 
— 

Болота 
11,5 
0,0008 
0,03 
2294 
5 лет 

Реки 
2,12 
0,0002 
0,006 
49400 
16 дней 

Биологические объекты 
1,12 
0,0001 
0,003 
— 
— 

Атмосфера 
12,9 
0,001 
0,004 
600000
8 дней 

Все объекты 
1386000 
100 
— 
— 
— 

Объем пресной воды 
35000 
2,53 
100 
— 
— 

Исходя из классификации, представленной в табл. 1, видно, что  
на долю пресных вод гидросферы приходится всего 2,5 %, остальные 
97,5 % — воды Мирового океана, подземные воды, воды соленых озер. 
Более того, почти ¾ всех пресных вод законсервировано во льдах и 
ледниках. Большая часть пресных подземных вод находится в труднодоступных областях, ее добыча также затруднена из-за глубокого залегания (более 4 км).  
Доступных для хозяйственной деятельности пресных вод на Земле 
не так много — всего около 4,13 млн км3, или 0,3 % от объема гидросферы. Это пресные воды, содержащиеся в следующих хранилищах 
(приводится приблизительно): 
 подземные месторождения    — 4 000 000 км3;  
 пресноводные озера  
      — 91 000 км3; 
 почвенная влага     
      — 16 500 км3; 
 атмосферная влага 
      — 13 000 км3; 
 болота 
 
 
      — 11 500 км3; 
 реки 
 
 
      —   2 120 км3. 
На эти воды человечество может рассчитывать.  
Среди них наиболее доступны и повсеместно используются воды 
рек и озер. Однако неравномерное распределение этих вод по земле 
приводит к их дефициту. Проблема нехватки вод для питьевого водоснабжения может быть решена в ходе перераспределения речного и 
озерного стока с использованием водохранилищ (временное перераспределение стока) и протяженных каналов, предназначенных для территориальной переброски стока. В тех районах Земли, где отсутствуют 
естественные источники пресной воды (подземные воды, озера, реки, 
болота), стоит задача поиска альтернативных источников, к которым 
относятся: атмосферные воды, морские воды, биологическая вода, ледниковая вода, айсберги, почвенные воды.  
Альтернативные источники пресных вод. С древности в странах с 
засушливым климатом были развиты инженерные конструкции по сбору 
и хранению дождевых вод в специальных подземных хранилищах — 
кяризах, представляющих собой цепь подземных галерей, укрепленных 
камнем, связанных между собой шахтами, и выходящих на поверхность 
земли в виде колодцев. Многие древние кяризы и сегодня действуют  
в Афганистане, Узбекистане, на Ближнем Востоке.  
В городах и поселках, расположенных в зоне вечной мерзлоты,  
источниками воды являются подземные талики, грунтовые воды, наполняющиеся в летний период талой водой.  
В настоящее время существуют технические методы извлечения влаги 
из воздуха. Это методы, основанные на явлении конденсации атмосфер

ной влаги при понижении температуры воздуха ниже точки росы. На 
специальных холодильных установках происходит процесс конденсации, выделившаяся вода является дистиллятом. Производительность 
таких установок невысока (0,4–2,5 г/м3), а стоимость затраченной энергии делает такой метод получения пресной воды нерентабельным.  Другой метод получения воды из воздуха разрабатывается на основе специальных адсорбентов, которые очень эффективно впитывают атмосферную влагу, однако выделение воды из адсорбента связано со сложной 
системой ее очистки от примесей.   
Наиболее продуктивны на сегодняшний день методы опреснения 
морской воды, основанные на естественном выпаривании и последующей конденсации пара, электродиализе, обратном осмосе, вымораживании, биологические методы с использованием бактерий и водорослей.  
Тем не менее, главный источник пресной воды на сегодняшний 
день — воды озер, рек, подземные воды неглубокого залегания. Объем 
пресных подземных вод в зоне активного водообмена представлен по 
данным гидрогеологических разведок: активно используемые месторождения подземных вод составляют всего около 22 000 км3. Вместе с водами рек и озер объем этих источников составляет около 115 тыс. км3. 
В хозяйственный оборот в той или иной степени вовлечены почти все 
речные и озерные воды планеты.   
Пресноводные озера мира. Пресноводные озера мира — главные 
хранители пресной воды. Достаточно сказать, что в трех крупнейших 
озерных системах мира (озера Байкал, Танганьика (Восточная Африка)  
и пять великих озер Северной Америки (Великое, Гурон, Мичиган, Эри, 
Онтарио)) сосредоточено почти 56 % всей доступной пресной воды.  
Озера распределены по поверхности земли неравномерно. Наибольшие скопления озер относятся к областям древнего оледенения, к районам тектонических разломов. Россия располагает самыми большими 
запасами пресных вод, среди них крупнейший резервуар пресной воды на планете, содержащий около 26 % всей пресной воды, — озеро 
Байкал — крупнейшее пресноводное озеро объемом 23 000 км3 (что по 
объему равно пяти великим американским озерам).   
Из полного объема пресных вод (включая ледники), оцениваемых в 
35 млн км3 (см. табл. 1), объем озерных вод составляет всего 91 тыс. км3. 
Единовременный объем вод всех рек мира составляет 2,12 тыс. км3, 
что при сопоставлении с объемом озера Байкал дает представление о 
величии запасов воды в этом природном хранилище и о малости и уязвимости вод речных систем, чей главный защитный механизм против 
тотального загрязнения — возобновляемость.  

Речные воды. Ресурсы речной воды, находящейся в активном круговороте, принято оценивать в единицах годового стока рек. Если воспользоваться данными о средней скорости полной смены речной воды в 
реках мира (16–18 сут), то полный речной сток всех рек на планете составит около 50 тыс. км3/год (46 800 км3/год). Этот сток включает сток 
поверхностных и подземных вод, оценка последних недостаточно точна, 
но известно, что многие крупные реки имеют не только поверхностный 
сток, но и подземный, часто сопутствующий поверхностному. Полный 
речной сток разделяется между поверхностным и подземным в следующих соотношениях: 28 км3/год приходится на долю поверхностного 
речного стока, 18,8 км3/год — на долю стока подземных рек.  
Для использования речной воды доступно примерно 24 тыс. км3/год 
ресурсов. Такое сокращение потенциальных возможностей использования воды связано с большой неравномерностью распределения речного 
стока по территории, что вызывает нехватку воды в некоторых густонаселенных районах земного шара и ее избыток на труднодоступных территориях, в горных и малонаселенных районах, в заболоченных низменностях и др. Распределение пресных вод по ведущим государствам 
мира и водообеспеченность на душу населения этих стран приведены в 
табл. 2.   
В России сосредоточена почти четверть мировых запасов пресных 
вод (поверхностных и подземных). По валовому объему водных ресурсов Россия занимает второе место после Бразилии, а по водообеспеченности на душу населения — третье место среди крупных стран.   
 
Таблица 2 

Водные ресурсы и водообеспеченность ведущих стран мира 

Страна 
Ресурсы речного стока, 

км3/год 

Водообеспеченность,  

тыс. м3/год-чел. 

Россия 
4348 
30,2 

Бразилия 
8120 
42,2 

Канада 
3420 
109 

США 
3048 
10,6 

Китай 
2700 
2,1 

Индия 
2037 
1,7 

 
В России запасы пресных вод (включая подземный сток) оцениваются в 4348 км3/год, из них на долю поверхностного стока приходится 
около 3320 км3/год и около 1028 км3/год — на долю подземного стока. 
Однако доступный потенциал подземных вод на территории Российской Федерации составляет около 400 км3/год, из которого объем вод, 

пригодных для использования (питьевого и хозяйственно-бытового, 
производственно-технического водоснабжения, орошения земель и обводнения пастбищ), составляет около 34 км3/год1. 
На долю одного жителя России приходится около 30,2 тыс. м3 пресной воды в год, что почти в 5 раз превышает среднемировой показатель, однако в расчете на 1 км2 площади государства обеспеченность 
речным стоком в 1,2 раза меньше, чем в среднем по Земному шару. По 
ресурсам подземного стока на единицу площади территория России 
уступает среднемировым показателям более, чем в 1,7 раза.  
На рис. 1 приведено внутригодовое распределение речного стока для 
рек крупнейших государств мира2. Как видно, только для рек России 
характерна крайняя неравномерность внутригодового распределения 
стока рек, когда почти 30 % годового стока приходится на 1 месяц в  
году (июнь), а 2/3 речного стока дают три месяца — май, июнь, июль. 
Подобный гидрограф характерен для многих рек Западной Сибири. 
Наиболее «зарегулированный» речной сток характерен для рек, вытекающих из озерных образований, рек с большой площадью бассейна, 
когда паводки на притоках приходятся на разное время года. Естественная «зарегулированность» реки крайне выгодна для ее гидроэнергетического использования, так как позволяет максимально отказаться   
от холостого сброса воды во время паводков и не создавать крупных 
водохранилищ.  
Среди наиболее обеспеченных по воде стран (в расчете на квадратный километр территории и на душу населения) в мире является Канада. В Российской Федерации к наиболее водообеспеченным относятся 
районы: Северный, Западно-Сибирский, Восточно-Сибирский и Дальневосточный регионы. При этом Дальневосточный регион характеризуется самой высокой неравномерностью речного стока, муссонными паводками, частыми наводнениями. 
Водным ресурсам Российской Федерации свойственна также значительная неравномерность распределения стока по территории страны. 
На освоенные районы европейской части страны, где сосредоточено 
более 70 % населения и производственного потенциала, приходится    
не более 10 % водных ресурсов3.  
 

                                                 
1Водная стратегия Российской Федерации на период до 2020 года (в ред. 
распоряжения Правительства РФ от 28.12.2010 № 2452-р). 
2Данилов-Данильян В.И., Хранович И.Л. Управление водными ресурсами. Согласование стратегий водопользования. М. : Научный мир, 2010. 232 с. 
3Водная стратегия Российской федерации на период до 2020 года... 

Рис. 1. Внутригодовое (по месяцам) распределение речного стока  

шести ведущих стран мира (в %) 
 
Возобновляемость водных ресурсов. Говоря о ресурсах речных 
вод, всегда упоминают об их уникальном свойстве — возобновляемости. Из вышеприведенных данных видно, что речная вода в среднем по 
всем рекам мира за год обновляется 22 раза. От загрязнений, которые 
попадают в текущую воду и которые на всем протяжении реки не выпали из воды в виде осадка, река может очиститься. Однако последствия 
действий этих загрязнений на биотопы реки не проходят бесследно. 
Уничтожение биоценозов реки часто ведет к ее экологической деградации, проявляющейся, например, в исчезновении рыбного промысла, поэтому возобновляемость водных ресурсов — величина относительная. 
Восстановление качества подземных вод длится дольше, чем возобновление поверхностных вод и зависит от глубины их залегания. Замедленный водообмен для подземных вод означает их большую уязвимость 
для загрязнений, поэтому подземные воды, на которых основаны системы водоснабжения городов и населенных мест, относятся к стратегическим запасам и охраняются государством.  
Самоочищение вод. Процессы самоочищения речных вод работают 
во времени и ведут к постепенному снижению уровня загрязнения и 
восстановлению природного качества воды.  

К основным механизмам самоочищения речных вод следует отнести:  
– разбавление загрязнений и снижение их концентрации;  
– седиментация и оседание загрязнений в донных осадках и их захоронение;   
– деструкция органических загрязнений за счет жизнедеятельности 
гидробионтов;  
– кислородное окисление органических загрязнений за счет естественной аэрации воды; 
– ультрафиолетовое обеззараживание вод.  
 

1.2. ПОТРЕБЛЕНИЕ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ 
 
В XX в. по всему миру отмечалось взрывное увеличение потребности в бытовой воде. Например, на протяжении многих столетий в мире 
на человека приходилось в среднем до 20 л воды в сутки, к началу  
XX в. — около 40 л, а к началу XXI в. — уже около 200 л в сутки на человека.  
Объемы забора пресной воды из разных источников по всему миру к 
началу XXI в. оцениваются в 6000 км3 в год. Мировая структура водопотребления по крупнейшим отраслям представлена в табл. 3. 
 
Таблица 3 
 
Мировое потребление ресурсов пресных вод по отраслям хозяйства 
 

Отрасль 
Объем 
водозабора, 
км3 / год 
Характер водопотребления 

Сельское хозяйство 
3 400 

Безвозвратное водопотребление. 15 % 
всех продуктивных земель — поливные, на них выращивается до 60 % 
всей с/х продукции мира 

Промышленность 
1900 

70–80 % водозабора осуществляется в 
топливно-энергетическом 
секторе, 
процент снижается за счет внедрения 
оборотного водоснабжения 

Коммунально-бытовое 
хозяйство 
400 
В питьевом водоснабжении наибольший процент использования подземных источников — до 47 % 

Другие отрасли 
100 
— 

Общий водозабор 
6 000 
Доля подземных источников речного 
стока в среднем по всему водозабору 
составляет около 15 % 

Водопотребление в РФ. Общий объем забора (изъятия) водных ресурсов из природных водных объектов в Российской Федерации составляет 80 км3 в год. В экономике ежегодно используется около 62,5 км3 
воды, свыше 90 % от этого объема приходится на:  
– тепловую и атомную энергетику (37 %); 
– агропромышленный комплекс (24 %);  
– жилищно-коммунальное хозяйство (18 %);  
– добывающую и обрабатывающую промышленность (12 %)1. 
Структура забора пресной воды из водных источников поверхностных и подземных вод, а также показатели сброса сточных вод для России приведены в табл. 4. 
Таблица 4  
 
Основные показатели водопользования для России 
 

Структура забора пресной воды 
из водных источников  
поверхностных и подземных вод 

Годы 

1980  
2003  
2012 

Число водопользователей, тыс. 

32 
50 
— 

Объем воды, км3/год 

Забор воды 
из природных 
источников 

Общий водозабор: 
113,3 
72,7 
80,0 

поверхностный сток 
102 
63 
70 

подземный сток 
11,3 
10 
10 

Используется в секторах 
экономики: 
110 
61,3 
62,5 

промышленность 
64 
38,2 
30,6 

сельское хозяйство,  
агропромышленный  
комплекс 
23 
9,5 
15 

хозяйственно-питьевое 
водоснабжение 
11,7 
13,6 
11,25 

прочее 
11 
— 
5,65 

Водоотведение, 
сброс вод 

Всего 
72,2 
54,7 
52 

Загрязненных 
15,4 
20 
19,2 

Нормативно-очищенных 
56,8 
35 
32,8 

 
 
Как видно из табл. 4, в Российской Федерации потребеление воды в 
агропромышленном комплексе и сельском хозяйстве составляет около 
24 %, а в промышленности, включающей тепловую и атомную энергетику, добывающую и обрабатывающую промышленность, — почти 49 %.  

                                                 
1Водная стратегия Российской Федерации на период до 2020 года... / water_rf.ru