Гидрогеоэкология городов

ГИДРОГЕОЭКОЛОГИЯ 

ГОРОДОВ

Москва
ИНФРА-М

2022

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

М.С. ОРЛОВ
К.Е. ПИТЬЕВА

Допущено 

УМО по классическому университетскому образованию

в качестве учебного пособия для студентов,

обучающихся по направлению подготовки 05.03.01 «Геология»

УДК 574(075.8)
ББК 26.22я73
 
О63

Орлов М.С.

Гидрогеоэкология городов : учебное пособие / М.С. Орлов, 

К.Е. Питьева. — Москва : ИНФРА-М, 2022. — 288 с. + Доп. материалы [Электронный ресурс]. — (Высшее образование: Магистратура).

ISBN 978-5-16-006050-7 (print)
ISBN 978-5-16-104505-3 (online)

В учебном пособии изложены теоретические, методические и прикладные 

вопросы относительно нового научного направления — гидрогеоэкологии, 
рассматривающего подземные воды в качестве компонента экосистем. В качестве примеров взяты Москва, Калуга и некоторые другие населенные пункты. 
Анализируются региональные, гидрогеодинамические и гидрогеохимические 
особенности сложившейся обстановки в городских поселениях, источники 
подтопления, истощения и загрязнения подземных вод. Исследуются негативные инженерно-геологические процессы, вызванные антропогенным воздействием на подземные воды. Предложены схемы мониторинга подземных вод, 
а также меры охраны, защиты и реабилитации подземных вод.

Пособие предназначено для студентов и магистрантов, обучающихся по на
правлению «Геология».

УДК 574(075.8)

ББК 26.22я73

О63

О б  а в т о р а х:
Питьева Клара Ефимовна – профессор геологического факуль
тета МГУ, заслуженный профессор МГУ, д-р геол.-минерал. наук, 
академик Российской экологической академии, заслуженный 
работник высшей школы РФ, участник Великой Отечественной 
войны, орденоносец;

Орлов Михаил Сергеевич – доцент геологического факульте
та МГУ, заслуженный преподаватель МГУ, канд. геол.-минерал. 
наук, почетный работник высшего профессионального образования

Р е ц е н з е н т ы:
Хаустов А.П., профессор, зав. кафедрой Академии МНЭПУ;
Швец В.М., д-р геол.-минерал. наук, профессор, зав. кафедрой 

Московского геологоразведочного университета

© Орлов М.С., Питьева К.Е., 2013

ISBN 978-5-16-006050-7 (print)
ISBN 978-5-16-104505-3 (online)

Материалы, отмеченные знаком 
, 

доступны в электронно-библиотечной системе Znanium.com

Предисловие

Актуальность издания данного учебного пособия неоспорима: 

соответствующие учебные курсы уже читаются в ряде вузов (МГУ, 
МНЭПУ, РГГРУ, КазГУ и др.) [14, 16, 23], однако данное учебное 
пособие является первым по этому курсу. Авторы пособия на основе 
читаемых ими в течение 15 лет курсов рассмотрели и представили 
в удобном для обучения студентов виде новый и оригинальный материал по Москве, Калуге и некоторым менее крупным городам (Обнинск, Малоярославец).

Подземные воды, наряду с поверхностными, изначально исполь
зовались человеком для питьевого водоснабжения, а в последнее 
время стали широко применяться в разных отраслях промышленности, для лечебных целей, для теплоснабжения и пр. Это вызвало 
негативные изменения в составе вод и ухудшение их качества.

Перед гидрогеологией как особым самостоятельным разделом 

наук о Земле встала задача изучения формирования подземных вод 
на новом качественном уровне, позволяющем оградить их от опасного техногенного влияния и сохранить их природную основу. Процессы, развивающиеся в миграционных водных системах в условиях 
техногенеза, до настоящего времени изучены слабо.

Гидрогеологические проблемы городских территорий чрезвы
чайно сложны, что объясняется следующими причинами:
• разнообразием видов техногенной нагрузки и различными фор
мами изменений в составе подземных вод под их влиянием;

• подверженностью техногенным изменениям взаимосвязанных 

с подземными водами поверхностных вод, почв, пород;

• техногенным влиянием на преобладающую часть компонентов 

состава подземных вод;

• разнонаправленностью и многообразием физико-химических 

процессов в миграционных системах атмогидролитосферы;

• сложностью природных условий исследуемых территорий.

Основные виды существенного техногенного преобразования 

подземных вод связаны с подтоплением и загрязнением. В связи 
с этим важны, но слабо изучены проблемы агрессивного состояния 
техногенно измененных подземных вод с фундаментами сооружений, просадок, изменения прочностных и фильтрационных 
свойств пород вследствие вторичного минералообразования, развивающегося в условиях загрязнения.

Следует выделить раздел, посвященный методическим вопросам 

гидрогеоэкологических исследований городов, особенно гидрогеохимических проблем,— изложенный в нем материал будет весьма 
полезен к применению в исследованиях по другим населенным 
пунктам.

Учебное пособие предназначено для студентов и магистрантов, 

обучающихся по программам «Гидрогеология и гидрогеоэкология», 
«Экологическая геология» на геологических факультетах, но может 
использоваться и для обучающихся на географических и экологических факультетах по специальностям «рациональное природопользование» и «геоэкология».

В разделе 1 в общем плане обсуждены гидрогеоэкологическая об
становка и состояние подземной гидросферы в городах, выявлены 
основные источники возмущения в сложившихся экосистемах. 
Особое внимание уделено здесь проблемам оценки защищенности 
подземных вод от загрязнения, в том числе гидрогеохимическим 
оценкам.

Раздел 2 содержит объемный материал по методам и методикам 

исследования гидрогеоэкологических обстановок, явлений и процессов в городах. В нем рассмотрен широкий спектр вопросов — 
от методов градостроительной оценки и составления карт функционального зонирования городов к комплектации их генеральных 
планов до обоснования обязательного перечня аналитических исследований. Приведены методики естественно-исторического анализа 
и применены методы математической статистики для выявления 
на территориях городов фоновых и аномальных концентраций компонентов химического состава подземных вод. Даны примеры использования этих методов.

С новых методических позиций в учебном пособии представлена 

гидрогеохимическая классификация, впервые правильно отражающая 
понятие «химический состав подземных вод как геологического тела» 
посредством полной его характеристики через минерализацию и образующие ее компоненты и определяющая генезис подземной воды.

Весьма убедительны предложения по использованию в гидрогео
логических работах в комплексе методических приемов представлений о гидрогеохимической и геофильтрационной защищенности 
подземных вод от загрязнения, а также методики геолого-гидрогеологической оценки потенциальных зон ухудшения качества подземных вод.

Для территорий городов и других населенных пунктов впервые 

предложен показатель загрязнения подземных вод, которым являются 

адсорбированные газообразные углеводороды. Обоснование этого 
выглядит убедительно, особенно для работ с водными средами, в том 
числе с подземными водами, стоками и атмосферными осадками.

Установлен перечень характерных для городов компонентов-за
грязнителей макро- и микроуровня, среди которых в качестве обязательного, повсеместно распространенного загрязнителя акцентированы органические составляющие.

В основу учебного пособия положены авторские разработки, 

представляющие значительную ценность в общенаучном и специальном плане.

Раздел 3 целиком посвящен проблемам Москвы. Достаточно под
робно в рамках учебного пособия изложена сложившаяся гидрогеоэкологическая обстановка в городе и в ближайших пригородах. Обоснована необходимость совместного рассмотрения сопредельных 
абиотических компонентов экосистем города: атмосферного воздуха 
и осадков; поверхностных вод и донных отложений; почв; грунтовых 
и межпластовых вод. Помимо учебного, эта глава имеет также и познавательное значение, поскольку содержит новый, лишь частично 
опубликованный материал.

В разделе 4 излагаются те же вопросы, но применительно к Калуге 

и городам Калужской области. Естественно, что значимость города, 
степень изученности природных условий и масштабы рассмотрения 
сказались на оценках защищенности, на учете взаимовлияния гидрогеодинамических и гидрогеохимических характеристик.

В разделе 5 приведен свежий, порой оригинальный материал 

по обоснованию, проектированию и ведению гидрогеоэкологического мониторинга подземных вод. Здесь справедливо подчеркнуто, 
что мониторинг подземных вод будет более информативным и экономически целесообразным, если он станет составной частью общегородской системы экомониторинга.

В заключение (раздел 6) обсуждаются перспективные направ
ления в развитии гидрогеоэкологических проблем, методов и решения прикладных задач.

Весь учебный материал пособия удачно распределен. В нем при
сутствует теоретическое обоснование курса, изложенное кратко и доступно. Имеется большая методическая часть, представленная оригинальными методами и методиками получения, обработки и интерпретации гидрогеохимической информации. Здесь же приводятся 
примеры решения конкретных гидрогеоэкологических задач. В частности, имеются примеры выявления загрязнения подземных вод 
и контактирующих с ними иных компонентов экосистемы.

Учебное пособие в целом производит очень хорошее впечатление 

своей проработанностью в теоретическом, методическом и прикладном содержании. Наиболее интересным и убедительным выглядит материал по Москве, степень гидрогеоэкологической изученности которой достаточно высока. Но и рассмотрение гидрогеоэкологических проблем менее крупных городов сделано на высоком 
уровне и результативно.

Учебное пособие М.С. Орлова и К.Е. Питьевой представляет 

собой крупный научно обоснованный труд, имеющий несомненное 
значение для познания гидрогеоэкологических проблем городов. 
Оно должно быть интересно и полезно не только студентам, но и широкому кругу геологов, гидрогеологов и экологов.

Доктор геолого-минералогических наук, 

профессор В.М. Швец

введение

Основными теоретическими вопросами исследования городских 

территорий с рассматриваемой позиции являются [14, 15, 16]:
• изучение фоновых геологических, гидрогеологических и гидро
геохимических характеристик;

• теоретическое гидрогеологическое обоснование и разработка 

комплексной высокоэффективной методики прогноза распространения техногенных нагрузок на подземные и поверхностные 
воды;

• разработка и внедрение экологического мониторинга подземных 

и поверхностных вод;

• изучение физико-химических процессов и факторов формиро
вания гидрогеохимических аномалий загрязнения.
Влияние техногенных нагрузок сказывается: на глубине залегания 

подземных вод, их химическом составе, температуре; появлении областей техногенного питания; преобразовании структуры подземного 
фильтрационного потока; изменениях прогнозных и фильтрационных свойств пород; возникновении новых физико-химических 
процессов.

Основные задачи гидрогеоэкологических исследований:

• установление водоносных комплексов, подверженных техноген
ному влиянию. Изучение гидрогеологического строения территории городов в естественных и нарушенных условиях (структуры 
потока, областей и величин техногенного инфильтрационного 
питания, взаимосвязи подземных вод с поверхностными);

• определение границ распространения подземных вод, характери
зующихся определенными техногенными процессами во времени 
и пространстве;

• изучение геофильтрационной структуры водоносных комплексов; 

определение геомиграционных параметров;

• систематизация техногенных нагрузок;
• гидрогеохимическое обоснование и типизация загрязнения под
земных вод; схематизация физико-химических преобразований 
компонентов-загрязнителей в местах их формирования (в атмосфере, составах промстоков и твердых отходов); в местах транспортных путей; в зоне аэрации; в подземных и поверхностных 
водах. Оценка защищенности подземных вод от всех видов загрязнения; составление карты защищенности; уточнение закономер

ностей изменения концентрации компонентов-загрязнителей 
в техногенной области под влиянием процессов смешения;

• прогнозы расположения участков подтопления и загрязнения, 

изменения их границ во времени, смены граничных условий;

• научное обоснование природоохранных (охрана, защита и реаби
литация) рекомендаций посредством решения прогнозных задач.
Основные приемы геоэкологических исследований: естественно-ис
торический анализ; картографирование; классифицирование, теоретические обобщения; режим, моделирование (экспериментальное, 
термодинамическое, математическое).

Негативная роль загрязнения городской среды сказывается 

прежде всего на здоровье детей. Вещества, загрязняющие воздух, 
вызывают у людей всех возрастных групп нарушение дыхательных 
функций и патологические изменения дыхательных путей (проявляющиеся в первую очередь в бронхитах, трахеитах, ринитах, астме 
и т.д.), воспаление глаз, ослабление общей сопротивляемости организма патогенным факторам, раздражение центральной нервной 
системы.

Атмосферная пыль образована взвешенными твердыми части
цами диаметром от 0,01 до 100 мкм с адсорбированными на них парами и газами различных веществ. Частицы диаметром более 10 мкм 
при вдохе задерживаются в верхних дыхательных путях. Частицы 
размером менее 5 мкм проникают глубоко в легкие, достигая легочных альвеол.

Химический состав пылевых частиц очень сложен. Анализ выяв
ляет наличие асбеста, парафинов, ароматических углеводородных 
полициклических соединений (в том числе достоверного канцерогена — 3,4-бенз(a)пирена) и широкого спектра соединений тяжелых 
металлов — мышьяка, свинца, меди, серебра, никеля, кобальта, марганца, цинка, титана, олова, хрома, ванадия, ртути.

Выявлена однозначная зависимость между концентрацией пыли 

в воздухе и хроническими заболеваниями дыхательных путей, 
в первую очередь заболеваниями астмой, бронхитом и эмфиземой 
легких. Патология проявляется тем в большей степени, чем выше 
содержание сульфатов и нитритов, повышенное содержание которых 
свойственно частицам пыли размером 3–5 мкм. Концентрация пыли 
в пределах от 70 до 150 мкг/м3 является причиной кашля, катара верхних дыхательных путей, аллергических заболеваний и хронических 
ринитов.

Сернистый ангидрид и сульфаты оказывают влияние прежде всего 

на слизистую оболочку верхних дыхательных путей. Проникая 

в легкие с частицами пыли размером 1–2 мкм, они нарушают 
функции ресничного эпителия, стимулируют секретообразование 
и в конечном итоге вызывают частичную или полную обтюрацию 
бронхиол и бронхов.

Диоксид азота и его фотохимические производные влияют 

не только на органы дыхания, но и на глаза. При малых дозах развиваются аллергические реакции и раздражения, при больших — бронхиты и трахеиты. Концентрация диоксида азота в пределах от 100 
до 300 мг/м3 достаточна для того, чтобы вызвать затруднения дыхания, особенно у больных астмой, а при длительных воздействиях — 
для развития бронхита.

Монооксид углерода, поступая из вдыхаемого воздуха в кровь, 

соединяется с гемоглобином, образуя карбоксигемоглобин, препятствуя, таким образом, насыщению кислородом тканей мышц и мозга. 
При концентрации монооксида углерода 20–40 мкг/м3 (концентрация, характерная для узких улиц с интенсивным движением транспорта) возникают нарушения функций центральной нервной системы: ослабевает реакция, зрение, нарушается ориентация в пространстве и во времени; у больных сердечно-сосудистыми 
заболеваниями провоцируются острые осложнения: нарушения циркуляции крови, сердечные приступы и т.д.

В настоящее время выделен и систематизирован новый класс бо
лезней — микроэлементозы, возникновение которых связано с недостатком или избытком (дисбалансом) поступающих в организм 
жизненно необходимых элементов.

Содержание микроэлементов в организме находится в прямой 

зависимости от их содержания в разных фазах окружающей среды. 
Взаимодействие геохимических факторов среды и организма (в том 
числе человеческого) определяется в последовательных звеньях экосистемы «атмосфера — природные воды — почва — растения — животные — человек».

Из 92 встречающихся в природе элементов 81 обнаружен в орга
низме человека. При этом многие из них (кальций, магний, кислород, углерод, сера, азот, железо, иод, медь, молибден, цинк, кобальт, хром, никель, ванадий, селен, марганец, мышьяк, фтор, 
кремний, литий) эссенциальны, т.е. жизненно необходимы. Это 
представляется вполне естественным обстоятельством, поскольку 
человек и его предки прошли весьма длительную эволюцию в геохимическом поле Земли и адаптировались к нему. Недостаточность или 
избыточное поступление этих элементов может оказаться чрезвычайно опасным. Влияние хемополлютантов на здоровье может быть 

различным — от функциональных сдвигов в организме до тяжелых 
последствий в виде заболеваний или смертельных случаев. Следует 
отметить, что фактически все элементы обладают эссенциальными 
свойствами, однако каждому из них присущ специфический диапазон безопасной концентрации (и экспозиции), в пределах которого 
сохраняются и поддерживаются оптимальные внутритканевые концентрации.

Введение, разделы 3 и 6 написаны совместно проф. К.Е. Питьевой 

и доц. М.С. Орловым; разделы 2 и 4 — проф. К.Е. Питьевой; разделы 1 и 5 — доц. М.С. Орловым.

Авторы выражают глубокую благодарность за большую помощь 

в оформлении учебного пособия сотрудникам кафедры гидрогеологии МГУ им. М.В. Ломоносова А.А. Соломко, Е.Ю. Потаповой, 
М.В. Шалагину, аспиранту М.В. Гагарину и студентам Е.И. Барановской, Н.М. Куриновой, А.Б. Петрашу.