Фундаментальные и прикладные проблемы гидросферы. Часть 2. Экологические проблемы

Освещаются теоретические и практические вопросы 
гидрогеоэкологии в связи с новыми представлениями 
о строении гидросферы и задачами рационального использования и защиты водных ресурсов. Гидросфера 
рассматривается как равновесно-неравновесная система: «вода - порода - газ - живое вещество», которая имеет сложный механизм массопереноса, определяющий ее уязвимость к загрязнению и истощению, 
подтоплению и затоплению застраиваемых территорий. Дается методика наземных и дистанционных 
работ и гидрогеоэкологическое картографирование, 
обеспечивающее надежную работу систем мониторинга. Характеризуются методы защиты водозаборов 
хозяйственно-питьевого назначения от загрязнения 
при помощи барьерных технологий. Приводятся практические задания для студентов, направленные на овладение ими знаниями в области водоохранного проектирования. 

Экологические проблемы 

гидросферы

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ 
И ПРИКЛАДНЫЕ 
ПРОБЛЕМЫ ГИДРОСФЕРЫ

Часть 2. Экологические проблемы

Под общей редакцией А.Я. Гаева

Рекомендовано ученым советом  
Оренбургского государственного университета в качестве учебного пособия 
для студентов, обучающихся по программам высшего образования  
по направлению подготовки 21.05.02 «Прикладная геология», специализации  
«Поиски и разведка подземных вод и инженерно-геологические изыскания»

2020
Москва
Университетская книга
Редакционно-издательский дом 
Российского нового университета

УДК 556.3: 626.81+637.67
ББК 26.222
Г62

Рецензенты
Отдел геоэкологии Оренбургского научного центра  
Уральского отделения Российской академии наук
Ю.М. Нестеренко, доктор географических наук, заведующий отделом геоэкологии 
Оренбургского научного центра Уральского отделения Российской академии наук
П.В. Панкратьев, доктор геолого-минералогических наук,  
профессор Оренбургского государственного университета

Г62

Гаев А.Я.
  Фундаментальные и прикладные проблемы гидросферы. Часть 2. Экологические проблемы: учеб. 
пособие / А.Я. Гаев, М.А. Тихоненко, Ю.А. Килин; под общ. ред. А.Я. Гаева. – М.: Университетская 
книга, Редакционно-издательский дом Российского нового университета, 2020. – 200 с., ил.

ISBN 978-5-98699-289-1
ISBN 978-5-89789-130-6

Освещаются теоретические и практические вопросы гидрогеоэкологии в связи с новыми представлениями о строении гидросферы и задачами рационального использования и защиты водных ресурсов. Гидросфера рассматривается 
как равновесно-неравновесная система «вода – порода – газ – живое вещество», которая имеет сложный механизм 
массопереноса, определяющий ее уязвимость для загрязнения и истощения, подтопления и затопления застраиваемых 
территорий. Дается методика наземных и дистанционных работ и гидрогеоэкологического картографирования, обеспечивающего надежную работу систем мониторинга. Характеризуются методы защиты водозаборов хозяйственно- 
питьевого назначения от загрязнения при помощи барьерных технологий. Приводятся практические задания для студентов, направленные на овладение ими знаниями в области водоохранного проектирования.
Для студентов, получающих высшее образование по направлению «Прикладная геология», специальностям «Поиски и разведка подземных вод и инженерно-геологические изыскания», «Геология нефти и газа», «Геологическая 
съемка, поиски и разведка твердых полезных ископаемых». Представляет интерес для ученых и специалистов, занимающихся вопросами комплексного использования и охраны ресурсов гидросферы.

ISBN 978-5-98699-289-1
УДК 556.3: 626.81+637.67
ISBN 978-5-89789-130-6
ББК 26.222

© Гаев А.Я., Тихоненко М.А.,
    Килин Ю.А., 2020
© Университетская книга,  
   РИД РосНОУ, 2020

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение……………………………………………...................................................................................………7

Контрольные вопросы………………………………………………....................................................….11
Литература………………………………………………………....................................................………11

Глава 1. Гидрогеоэкологические представления.............................................................................................13

1.1. О безальтернативной стратегии выживания человечества в условиях ухудшения  

экологической ситуации...................…..............................................................................................……..13

1.2. О проблеме предотвращения экологического кризиса………….............................................................15

Выводы…………...................................................………………………………………………………..17
Контрольные вопросы …………................................................…………………………………………18 
Литература…………………………...................................................…………………………………….18

Глава 2. Об экологическом мировоззрении......................................................................................................21

2.1. Понятия и представления о природном комплексе………..........................................................………21
2.2. О структуре воды и ее свойствах……………………….........….................................................………..25
2.3. О круговороте воды и веществ на планете…………………….........................................................….27
2.4. Ноосферный этап развития планеты и ее гидросферы………........................................................……30
2.5. О системе ограничений для обеспечения экологической безопасности природного  

комплекса ………………………………….............................................................................................…32

2.6. Основы экологизации жизнедеятельности человека…….........................................................………..33

Выводы…………………………………………………………................................................………….36
Контрольные вопросы………………………………………………................................................…….36
Литература…………………………………………………………................................................………36

Глава 3. О методике исследований....................................................................................................................39

3.1. Общие положения……………........................................................………………………………………39
3.2. Фактический материал, его обработка, интерпретация и оценка...........................................................40
3.3. Дистанционные методы исследования……………………………........................................................51
3.4. Загрязнение природных вод и требования к качеству воды……......................................................…52
3.5. Прогноз развития ареалов и потоков загрязнения...……………......................................................….55
3.6. Представления об экологической емкости геологической среды, ее уязвимости  

для загрязнения, устойчивости к загрязнению и защищенности от него……………….........……......57
Выводы………………………………..............................................…………………………………….63
Контрольные вопросы...………………..……...............................................…………………………….64
Литература……………………………………………………………..............................................……65

Глава 4. О строении гидросферы и миграции в ней химических элементов............................................67

4.1. Необходимость пересмотра модели строения гидросферы…….....................................................….67
4.2. Равновесно-неравновесные процессы в системе «вода – порода – газ – живое  

вещество – нооценозы»……..................................................................................................……………..72

4.3. Представления о формировании химического состава природных вод при участии нооценозов…..76
4.4. Массоперенос компонентов в природных водах………………......................................................…..79

Выводы………………………………………………………………...............................................……82
Контрольные вопросы……………………………………………….................................................…....82
Литература…………………………………………………………...............................................….…..82

Оглавление
6

Глава 5. Методика обезвреживания и локализации трудноочищаемых сточных вод……...........…...85

5.1. Подходы к решению этой проблемы…………………..............................................................………..85
5.2. Геологические требования к подземным резервуарам……...................................................…………86
5.3. О совместимости закачиваемых стоков с пластовой средой……....................................................….90
5.4. Технология закачки в недра промышленных стоков……………....................................................…..95
5.5. Обеспечение экологической безопасности……………………….....................................................….102
5.6. Технико-экономические расчеты по  строительству и эксплуатации сооружений………….......…..106

Выводы………….........................................…………………………………………………………….108
Контрольные вопросы…………………………………………………...........................................……109 
Литература…………………………………………………………………..........................................…109

Глава 6. Техногенные преобразования гидросферы…...………………………………………………….111

6.1. Загрязнение гидросферы и окружающей среды……….………..................................................……..111
6.2. Оценка техногенной трансформации природных вод и окружающей среды………………………118
6.3. Рост техногенной трансформации гидросферы……...............................................…………………..121
6.4. Лес и вода – элементы равновесия биосферы и гидросферы……...............................................…….122
6.5. Проблемы гидросферы на застроенных территориях…………………...............................................125
6.6. О закономерностях развития процессов загрязнения……........................................………………....128

Выводы……………………………………………………………….......................................…………134
Контрольные вопросы……………………………………….........................................………………..135
Литература…………………………………………………………..........................................………....135

Глава 7. Истощение водных ресурсов и меры по минимизации этой опасной тенденции...................137

7.1. Суть проблемы истощения подземных вод и основные понятия………………....................……….137
7.2. К истории борьбы с истощением подземных вод………….................................................………… 140
7.3. Обоснование возможности восполнения запасов подземных вод……………………………………..142
7.4. Техника восполнения запасов подземных вод……………………...............................................…..144
7.5. Влияние природных факторов на формирование запасов подземных вод…………......................…146
7.6. Формирование качества вод при восполнении их запасов…….......................................................….151
7.7. Методы улучшения качества при восполнении запасов подземных вод……………......….....……..156

Выводы………………..........................................……………………………………………………….161
Контрольные вопросы……………………………………………..........................................………….162
Литература…………………………………………...........................................………………………...163

Глава 8. Защита природных вод…….................................................................…………………………….164

8.1. Существующие методы защиты водных ресурсов…….....................................................…………….164
8.2. Мероприятия по защите природных вод……………………….....................................................…....165
8.3. Эффективные барьерные технологии…………………………....................................................……..168

Выводы……………………..........................................…………………………………………….…....175
Контрольные вопросы…….……………………………………………..........................................…....176
Литература………........................................……………………………………………………………..177

Глава 9. О концепции устойчивого развития и системах мониторинга……………………….....……..179

9.1. Общие положения……………………………………………………................................................…..179
9.2. Научно-методические основы создания систем мониторинга……..............................................……180
9.3. О системе мониторинга на уникальной охраняемой территории Бузулукского бора.……......……..182
9.4. О совершенствовании систем мониторинга…….................................................……………………...184

Выводы…………………………………......…………………..................................................………...191
Контрольные вопросы………………………………………………………...........................................193
Литература..................................................................................................................................................193

Заключение..........................................................................................................................................................195

ВВЕДЕНИЕ

История развития человечества тесно связана с использованием водных ресурсов. С середины XX столе
тия непрерывно обостряется ситуация в гидросфере планеты, особенно в обеспечении хозяйственно-питьевого 
водоснабжения населения. На новом витке научно-технической революции и дальнейшей урбанизации населения резко усилились негативные геодинамические процессы. О взаимосвязи природных вод гидросферы 
с развитием биосферы и все возрастающими масштабами и интенсивностью воздействия на них хозяйственной 
деятельности человека в условиях научно-технической революции писали еще В.И. Вернадский, А.Е. Ферсман 
и многие другие ученые. Производственная деятельность человека на 75% связана с использованием минеральных ресурсов. Как заметил В.И. Вернадский, на индустриальном этапе развития общества человек превратился 
в ведущую геологическую силу на планете, превосходящую природные факторы по масштабам и интенсивности воздействия [2, 3]. Новые геологические процессы, обусловленные хозяйственной деятельностью людей, 
А.Е. Ферсман [12] назвал техногенезом. В литосфере эти процессы формируют геологическую среду [10]. Их все 
возрастающие масштабы и интенсивность требуют пересмотра исторически сложившегося отношения людей 
к природному комплексу и гидросфере. 

В.И. Вернадский писал, что ноосфера – это новый эволюционный этап становления биосферы: «геохими
ческое воздействие человечества... стало необыкновенно интенсивным и разнообразным. Мы видим все более 
яркое влияние сознания и коллективного разума человека на геохимические процессы» [2, с. 215]. Чтобы ноо- 
сфера не превратилась в техносферу в понимании А.Е. Ферсмана [12], нужно существенно оздоровить окружающую среду. Проблема рационального использования и охраны ее ресурсов, и прежде всего водных, породила ряд задач, включая разработку мероприятий по предотвращению негативных последствий деятельности 
человека. Негативным воздействием этих процессов в настоящее время в той или иной степени охвачено более 
80% территории планеты, включая огромную и относительно слабо заселенную территорию России. Особенно 
ухудшились биосферные условия на урбанизированных территориях. Во многих промышленных центрах 
и горнодобывающих районах сформировалась сложная и даже кризисная экологическая ситуация. Проблема 
превратилась в общепланетарную. Наиболее подвержены техногенной трансформации атмосфера и гидросфера. 
Границы негативного воздействия процессов техногенеза между этими средами не существует. Формируются 
звенья одной цепи, определяющие биосферные условия жизнедеятельности людей. Поэтому для человечества 
нет других вариантов кроме перехода на модель устойчивого развития. 

Однако эта безальтернативная идея пока, к сожалению, не овладела умами значительной части человечества. 

На планете продолжают исчезать миллионы гектаров лесов и лесонасаждений – как от лесоповала, так и от 
участившихся ежегодных пожаров. Нарастание нарушений в биосферном равновесии происходит в геометрической прогрессии. Пустынные территории наступают на лесостепь и тайгу. Мелеют крупные реки: Волга, 
Дон, Днепр, Урал и др. Ситуация требует принятия неотложных мер по защите природных вод и окружающей 
среды как на региональном и федеральном, так и на планетарном уровне. Проблема выживания становится 
не менее актуальной, чем борьба с терроризмом. Уже недостаточно исследовать и прогнозировать экологическую ситуацию на проектируемых объектах и осваиваемых территориях. Процессы техногенеза становятся 
важнейшим фактором формирования природных вод. На урбанизированных территориях влияние техногенеза 
достигло огромных масштабов. В ряде районов Земли ситуация находится на грани экологического кризиса 
и грозит человечеству летальным исходом. Чтобы предотвратить эту угрозу, необходим повсеместный переход 
на малоотходные и безотходные технологии, внедрение более жестких систем мониторинга состояния биосферы и гидросферы, существующих технологий и здоровья человека. Мониторинг – это инструмент перехода 
к ноосфере, включающий в себя системы наблюдения, контроля, анализа, прогноза и управления состоянием окружающей среды, включая гидросферу. Системы мониторинга призваны регистрировать техногенные 
и природные изменения в окружающей среде, используя физико-химические, гидрогеологические, санитарнотоксикологические, технологические, биосферные и социально-демографические показатели. Анализ совокупной экологической информации должен осуществляться на региональной, глобальной и локальной территориальной основе с учетом эталонных участков, биосферных заповедников и экологических полигонов. 

Введение
8

Мониторинг – это инструмент для решения задачи охраны окружающей среды, гидросферы и человека на всех 
стадиях проектирования, строительства сооружений и выполнения инженерных работ, эксплуатации сооружений, рекультивации нарушенных земель и использования территорий для различных хозяйственных целей. 
Мониторинг осуществляется с применением аэрокосмических, наземных геодезических, геофизических, геологических, гидрогеологических и санитарно-гигиенических методов, сейсмологических наблюдений, систем 
глубинных и наземных реперов, повторных топографических и гидрогеологических съемок, бурения скважин, 
проходки горных выработок, наблюдений за колодцами и источниками, данных метеорологических и лизиметрических станций. Наблюдения сопровождаются геолого-съемочными, разведочными, опытными работами, 
лабораторными исследованиями, оценкой и прогнозом тех или иных явлений и разработкой планов управления ими. То есть мониторинг – это наиболее высокий уровень комплексных исследований биосферы и водных 
ресурсов в тесной связи с изучением санитарно-гигиенической обстановки для решения задач оптимизации 
условий жизнедеятельности общества и ноосферы. Гидросфера является одним из важнейших объектов этих 
исследований. 

В зоне недостаточного увлажнения, к которой относятся южные регионы страны, включая Оренбургскую 

область, преобладающим источником хозяйственно-питьевого водоснабжения служат аллювиальные горизонты 
долин крупных рек. Они практически не защищены от загрязнения.

Многочисленные источники загрязнения в долинах и на склонах долин рек создают высокую техногенную 

нагрузку на природные воды и окружающую среду. Это промышленные предприятия, включая горно-металлургические и агропромышленные комплексы, перерабатывающие предприятия, отстойники сточных вод, промышленные и бытовые свалки, стационарные и летние животноводческие фермы, склады удобрений и различных 
химикатов, пахотные и орошаемые земли, жилые массивы, сады, огороды и проч. В природные воды и окружающую среду поступают различные загрязняющие вещества. Они негативно воздействуют на поверхностные 
и подземные воды, атмосферные осадки и воздух, на породы зоны аэрации. При исследовании этих процессов 
мы опираемся на учение В.И. Вернадского о сложных равновесно-неравновесных системах: порода – вода – 
газ – живое вещество [1, 2]. Техногенез оказывает существенное влияние на все компоненты этой системы. 
Поэтому наряду с природными водами мы исследуем сточные воды и газы техногенного происхождения, почвы, 
илы, донные осадки и водовмещающие породы.

Процессы техногенеза в гидросфере проявляются в связи с истощением и загрязнением водных ресурсов, 

подтоплением и затоплением застраиваемых территорий. Широко распространены также процессы метаморфизации природных вод. При оценке качества природных вод и прогнозе его изменения во времени используются физико-химические исследования с построением гидролого-гидрогеоэкологических карт и профилей, а для 
защиты от загрязнения разрабатываются барьерные технологии. Ряд моделей и способов применения барьерных 
технологий для защиты природных вод и окружающей среды уже запатентован. 

Негативные события в Чернобыле, на «Фукусиме», в Мексиканском заливе и другие катастрофы наглядно 

показали острую необходимость планетарной системы мониторинга и международных сил быстрого реагирования не только антитеррористического, но и экологического профиля, чтобы в общепланетарном масштабе 
прогнозировать ситуацию и управлять ею.

Данная работа подготовлена авторами в связи с резким обострением проблем, связанных с хозяйствен
но-питьевым водоснабжением, невиданными ранее масштабами урбанизации населения, резким ускорением 
процессов преобразования гидросферы, что характерно для многих регионов планеты [1]. Поэтому в условиях техногенеза при решении вопросов хозяйственного и питьевого водоснабжения населения, комплексного 
использования и охраны водных ресурсов исключительное значение приобретают вопросы методики гидрогеоэкологических исследований. В связи с этим в развитых странах мира начался и протекает процесс выделения 
питьевых вод из общей системы хозяйственно-питьевого водоснабжения. Несколько замедленными темпами он 
происходит и в России. 

Организм человека на 60...80% состоит из воды, участвующей во всех процессах обмена веществ. Поэтому при 

потере 12% воды у человека останавливается сердце, а потеря 6...8% вызывает обморок. По данным Всемирной 
организации здравоохранения, более 80% заболеваний человека связаны с качеством питьевой воды. Обеспечение 
населения доброкачественной питьевой водой является одной из важнейших проблем – одновременно биологической, экологической, проблемой здравоохранения, а также продовольственной и социально-бытовой.

Водоснабжение городов Урала и всей России исторически сложилось за счет поверхностных водоемов 

и водохранилищ. Подрусловые водозаборы на реках (Урале, Чусовой, Белой и др.) также пополняются за счет 
речных вод. С промышленным развитием городов потребности в воде росли во всем мире, воды стало не хватать. 
Одновременно значительно ухудшилось качество воды. Развитие промышленных производств, энергетики, всех 
видов строительства, широкое использование минеральных удобрений и ядохимикатов в сельском хозяйстве, 

Введение
9

недостаточная эффективность природоохранных мероприятий привели к загрязнению водоемов и водохранилищ. В бассейнах Волги, Камы и Урала, в речных и озерных водах стали развиваться сине-зеленые водоросли, 
которые специалисты называют «раковой опухолью» планеты. К тому же в воду попадает огромное количество 
разнообразных органических соединений, нефтепродуктов, фенолов, которые в сочетании с хлор-ионом, тяжелыми металлами, радиоактивными элементами и другими компонентами образуют много вредных, токсичных 
веществ, вызывающих экологический иммунодефицит, аллергические и онкологические заболевания, болезни 
сердца и желудочно-кишечного тракта.

Следует обратить внимание и на значительный уровень загрязнения внутригородских водопроводных сетей. 

В городе с 0,5 млн жителей, каким, например, является Оренбург, их протяженность превышает 1000 км. Даже 
вода хорошего качества, поступая в квартиры по грязным водопроводным сетям, перестает отвечать санитарным 
требованиям к питьевой воде. Обеспечить качество питьевой воды при существующей системе централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения невозможно.

На каждого жителя города по действующим нормативам требуется воды в среднем 200...250 л/сут. Чтобы 

получить воду хорошего качества при поступлении в наши квартиры, нужно не только применить  новые дорогостоящие технологии водоподготовки, но и регулярно полностью менять трубы водопроводной системы. Это 
нереально. Получается, что при сохранении действующей концепции централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения население обречено пить некачественную воду. Если бы даже общество  пошло на громадные затраты и дорогостоящую водоподготовку с заменой труб, то горожане стали бы мыть полы, стирать белье 
дорогостоящей водой питьевого качества, что абсурдно.

Поэтому в мировой практике выдвинута новая концепция разделения потоков воды питьевого и хозяйственно- 

бытового назначения. По действующим санитарно-гигиеническим нормам на одного человека требуется 
2...2,5 л/сут. питьевой воды. Поэтому, сохраняя действующую систему водоснабжения для хозяйственно- 
бытового назначения, необходимо создать новые предприятия для питьевого водоснабжения населения. Они уже 
существуют в России, производя бутилированную воду для продажи. Эта вода дорогая и большинству населения 
пока недоступна. Стоимость бутилированной воды зависит от транспортных расходов и стоимости самих технологических линий розлива воды.

Результаты геолого-гидрогеологических работ свидетельствуют о возможности каптажа экологически 

чистых питьевых вод в непосредственной близости от потребителя. Небольшие месторождения таких вод 
имеются в пределах залесенных участков почти всех урбанизированных территорий. Их эксплуатационные 
запасы вполне достаточны для обеспечения населения водой питьевого качества. Дополнительный и весьма 
весомый аргумент в пользу концепции питьевого водоснабжения за счет разобщенных водозаборов – участившиеся случаи чрезвычайных и аварийных ситуаций на водоемах, водохранилищах и в централизованных 
системах водоснабжения. Возникает трудноустранимая угроза здоровью и жизни населения урбанизированных территорий. Вероятность аварий на небольших месторождениях пресных подземных вод значительно 
ниже. За счет таких месторождений возможно организовать питьевое водоснабжение и при чрезвычайных 
ситуациях, что согласуется с требованиями Водного кодекса Российской Федерации и ГОСТ Р.22.6.01-95 
«Безопасность в чрезвычайных ситуациях защиты систем хозяйственно-питьевого водоснабжения (общие 
требования)».

Для Оренбурга и других городов Урала имеется достаточно геолого-гидрогеологических данных, позволяю
щих организовать здесь проектные и поисково-разведочные работы для строительства водозаборов с сертифицированной питьевой водой. Такие работы уже идут, но нуждаются в более эффективной поддержке со стороны 
государства. Затраты на них окупаются за 2...3 года, и они принесут хорошие поступления средств в местный 
бюджет за счет товарооборота питьевой воды и сбора налогов. Себестоимость такой воды будет ниже продаваемой сегодня бутилированной воды, завозимой из других регионов, благодаря снижению транспортных расходов 
и большим объемам продажи с применением новых методов и способов обслуживания населения. Развивается 
строительство ларьков и бюветов по продаже воды, транспортировка воды спецмашинами, аналогичными молоковозам, строительство специальных водоводов и проч. В первую очередь следует расширить сеть обеспечения 
экологически чистой водой детских и больничных учреждений.

Главным итогом реализации концепции обеспечения водой питьевого качества станет существенное улучше
ние здоровья населения, значительное снижение его заболеваемости и смертности, повышение работоспособности при существенном уменьшении затрат на закупку дорогих импортных лекарств. Кроме того, население 
будет обеспечено питьевой водой на случай чрезвычайных ситуаций. Поэтому проблема создания небольших 
водозаборов вод питьевого качества приобретает большое значение. В этой связи на урбанизированных территориях актуальными становятся задачи защиты таких водозаборов от загрязнения. Для решения этих сложнейших 
задач авторами уже получен ряд патентов, о которых будет сказано ниже.