Введение

Каналы сооружаются человеком с незапамятных времен и играют в его хозяйственной деятельности очень важную и разностороннюю роль. С их помощью осуществляется развитие орошаемого земледелия, обеспечивается обводнение районов недостаточного увлажнения и, напротив, осушение переувлажненных земель, достигается переброска стока из одних речных бассейнов в другие для обеспечения водой населения и промышленности, разрешается задача транспортного соединения различных водных путей и т. д. Искусственные водотоки призваны сыграть значительную роль в разрешении одной из важнейших проблем современности - удовлетворении все возрастающей потребности в воде населения, промышленности и сельского хозяйства.

Каналы весьма разнообразны по своему назначению (ирригационные, водопроводные, дренажные, сбросные, судоходные, энергетические и пр.) и очень часто используются комплексно для разных целей, однако в большинстве случаев одно-два направления являются ведущими.

Широко распространены на земном шаре оросительные каналы. Во многих странах с засушливым климатом, где земледелие возможно лишь на основе орошения, искусство, ирригации такое же древнее, как и цивилизация. Еще за три-четыре тысячелетия до нашей эры оросительные каналы строили в Египте, Китае, Индии, Месопотамии, Мексике и в других странах. Кроме засушливых и полузасушливых областей, орошение применяется и во влажных районах для дополнительного увлажнения возделываемых земель, а также широко практикуется в тропических странах, преимущественно при выращивании риса и сахарного тростника. В настоящее время ирригационные системы существуют более чем в 60 странах мира как на равнинах, так и в горных местностях. Наибольшая площадь орошаемых земель в Азии; ирригация весьма широко применяется в Африке, Америке, Европе, развивается и в Австралии (Торн, Петерсон, 1952; Гулати, 1957; Burzell, 1957; Дмитревский, 1962, 1967; Palmer, 1962а, и др.).

Оросительные системы в районах с неблагоприятным залеганием и плохим качеством подземных вод служат также для обводнения местности и хозяйственно-питьевого водоснабжения.

Осушительные каналы сооружаются в районах чрезмерного увлажнения, а также в областях с развитым орошением, где возникает необходимость удаления избыточных вод и промывки почвы с целью предотвращения ее заболачивания и засоления. Обширные коллекторно-дренажные системы существуют в Европе, Азии, Африке, Северной Америке. В умеренной полосе практикуется сочетание осушения с периодическим орошением земель, для чего создаются системы двустороннего действия.

Судоходные каналы широко распространены в Европе. В Бельгии, Нидерландах, Франции, ГДР, ФРГ и других странах их начали строить еще в средние века, и в настоящее время они образуют густую сеть, переплетающуюся с реками. Ряд крупных судоходных каналов имеется в Северной Америке. В странах Азии, южной Европы, Египте практикуется сооружение судоходно-оросительных систем.

Возникновение и развитие очень крупных городов и промышленных центров, для водоснабжения которых местных источников оказывается недостаточно, вызвало необходимость подведения воды из других районов, переброски стока одних рек в другие. Транспортировка большого количества воды для хозяйственно-бытовых и промышленных нужд из поверхностных источников на значительные расстояния осуществляется по водопроводным каналам. Крупные водопроводные каналы сооружены в Европе, Северной Америке, Африке (Абрамов, 1967). Каналы иных типов (энергетические, лесосплавные, рыбоводные и др.) встречаются в разных странах, но они в большинстве своем невелики.

Советский Союз располагает многочисленными каналами различного назначения (Гангардт и Дровальская, 1968). Начало сооружения ирригационных систем в Закавказье и Средней Азии относится к глубокой древности. И в настоящее время орошение земель играет очень большую роль во всех южных районах Советского Союза. Крупные ирригационные каналы построены не только в республиках Средней Азии и Закавказья, но и на Северном Кавказе, в Поволжье, на юге Сибири, на Украине, в Молдавии и т. д. Здесь, а также в районах чрезмерного увлажнения (в Прибалтике, Белоруссии, на севере Украины, Дальнем Востоке) ведутся большие работы по осушению земель. История сооружения судоходных каналов в нашей стране насчитывает около двух столетий. Соединены Балтийское, Белое, Черное и Каспийское моря, бассейны рек Буга и Днепра, Москвы и Волги. В последние десятилетия в СССР построен ряд крупных водопроводных каналов для водоснабжения больших городов и промышленных районов (Москвы, Иванова, Караганды; Донбасса, Кривбасса и др.).

В связи с ростом водопотребления и необходимостью перераспределения водного стока каналы приобретают все большее значение в народном хозяйстве нашей страны. В "Директивах XXIV съезда КПСС по пятилетнему плану развития народного хозяйства СССР на 1971-1975 гг." большое внимание уделено мелиорации земель. В новом пятилетии должна быть осуществлена широкая программа мелиоративных работ, охватывающая все зоны страны. Предусматривается введение в эксплуатацию 3 млн. га новых орошаемых земель, осушение заболоченных почв на площади 5 млн. га, обводнение более 41 млн. га пастбищ, повышение водообеспеченности земель существующего орошения. Важнейшей задачей является также улучшение водоснабжения крупных городов. Решение этих проблем связано со строительством, реконструкцией и проектированием большого числа каналов, в том числе и таких крупных, как Днепр-Донбасс, Днепр - Кривой Рог, Северо-Крымский, Каховский, Каракумский, Иртыш - Караганда, Большой Ставропольский, Донской магистральный, Кзыл-Кумский, Вилейско-Минский и др.

Каналы представляют собой особый тип водоемов. Это искусственные водотоки, имеющие русло правильной формы, устроенное в открытой выемке или насыпи грунта. От других искусственных водоемов они отличаются ускоренным стоком и характером ложа. Напоминая в этом отношении естественные водотоки - реки, каналы существенно разнятся от них рядом специфических черт.

Каналы, в отличие от рек, имеют искусственное ложе, характеризующееся относительным постоянством поперечного профиля и глубины воды в открытых участках по всей трассе. В них, как правило, нет отмелей, перекатов песчаных кос, заливов, глубоких омутов - отстойников, как в реках. Существенной особенностью некоторых каналов является наличие частичной или полной облицовки ложа твердыми покрытиями. Нередко на водоснабжающих каналах открытые участки чередуются с закрытыми (напорными трубопроводами, дюкерами, туннелями), имеются насосные станции, перегораживающие и другие гидротехнические сооружения, от работы которых зависит гидрологический режим канала, подверженный резким колебаниям.

Являясь искусственными сооружениями определенного хозяйственного назначения, каналы обладают регулируемым режимом. Жизнь в них во многом зависит от режима их эксплуатации, а также от источников питания и гидротехнических особенностей. Ближе других к рекам стоят необлицованные дренажные каналы, в которых формирование стока, химического состава воды, флоры и фауны происходит постепенно. Водоснабжающие каналы получают их из водоисточника уже сформированными; в канале они в большей или меньшей мере трансфюрмируются и приобретают специфические особенности. Реки собирают воды с водосборной площади, у водоснабжающих каналов водосборная площадь, как правило, отсутствует; гидравлический напор в каналах обычно противоположен таковому в реке. По длине водоснабжающих каналов, в отличие от рек, происходит сокращение объема стока и уменьшение средней скорости течения вследствие разбора воды потребителями.

Все изложенное обусловливает особую направленность биологических процессов в каналах, специфические закономерности формирования и развития фитопланктона и фитобентоса в водоемах этого типа, в связи с чем исследование их представляет большой теоретический и практический интерес.

Изучение гидробиологии каналов, особенно в последние годы, стимулируется настоятельными потребностями практики. Это вызвано тем, что в процессе эксплуатации каналов возникают серьезные биологические помехи, источником которых являются гидробионты. Среди них одно из основных мест принадлежит водорослям. Массовое развитие планктонных и бентосных водорослей вызывает механические помехи на гидротехнических сооружениях, уменьшает пропускную способность каналов, существенно ухудшает качество воды по гидрохимическим и биологическим показателям, что затрудняет ее очистку на водопроводных станциях: приводит к нарушению работы очистных сооружений, увеличению расхода реагентов, применению дополнительной очистки для удаления трудно устранимых запахов и привкусов и т. п.

Организация мероприятий по ограничению альгологических помех в каналах может основываться только на теоретических разработках, на глубоком знании и понимании закономерностей формирования и развития сообществ водорослей в каналах разных типов.

Особенно важным является прогнозирование гидробиологического и гидрохимического режимов проектируемых каналов, которое дает возможность предвидеть возникновение биологических помех и принять меры к ограничению их еще в процессе строительства, что значительно облегчает эту задачу.

До последнего времени каналы проектировались и строились без учета влияния гидробиологического режима на их эксплуатацию и не принимались меры, направленные на ограничение биологических помех в них. В определенной степени это было обусловлено тем, что, несмотря на широкое распространение каналов, они изучались весьма слабо и к началу 60-х годов сведения по их гидробиологии (в том числе и по водорослям) в мировой литературе были совершенно недостаточны для ответа на вопросы, поставленные практикой.

В 1961 г. Институтом гидробиологии АН УССР было начато широкое комплексное изучение основных водоснабжающих каналов Украины, на которых в процессе эксплуатации возникли серьезные затруднения, вызванные биологическими причинами. Учинской лабораторией Мосводопровода под руководством А. В. Францева в течение многих лет проводились гидробиологические исследования на канале им. Москвы. Кроме того, в литературе можно найти некоторые сведения о водорослях других каналов РСФСР, а также Закавказья. Весьма обширные материалы по альгофлоре каналов Средней Азии получены в результате работ, выполненных в Институтах ботаники АН УзССР и АН ТССР. Имеются также данные по фитопланктону и в меньшей мере по фитобентосу ряда зарубежных каналов.

В результате работ, проведенных в последнее десятилетие, сведения о водорослях каналов значительно расширились и пополнились, и в настоящее время уже накоплено достаточно материалов, на основании которых, несмотря на имеющиеся пробелы, можно сделать вполне определенные выводы о закономерностях формирования и развития фитопланктона и фитобентоса каналов. Эти материалы могут служить основой для составления прогнозов и разработки путей ограничения альгологических помех и улучшения качества воды в искусственных водотоках.

Настоящая работа написана на основе сведения и обобщения материалов, полученных автором, а также работавшими под его руководством альгологами отдела санитарной гидробиологии Института гидробиологии АН УССР младшими научными сотрудниками Л. Н. Черницкой (1963, 1964, 1968а, 19686, 1971), В. В. Юрченко (1963, 1968а, 19686), Ю. И. Карпезо (1968, 1970, 1971) и инженером Р. А. Калиниченко (1971) в процессе многолетнего изучения водорослей каналов юга Украины, и литературных источников по альгофлоре каналов Советского Союза и зарубежных стран.

Использованы, по мере необходимости, данные по гидрохимии каналов, высшей водной растительности и т. д. Из факторов, влияющих на развитие и распределение водорослей, основное внимание в работе уделено, естественно, специфическим условиям каналов, отличающим их от других водоемов и играющим ведущую роль, в частности режиму их эксплуатации и особенностям строения (скорости течения воды, характеру ложа, работе гидротехнических сооружений и др.). Освещены также факторы, общие для всех водоемов (температурный режим, химический состав воды, ее прозрачность и т. п.), особенно в тех случаях, когда они выступают как определяющие, в частности для отражения специфики каналов различных географических зон.

Выражаю глубокую благодарность А. В. Топачевскому за ценные советы при проведении данных исследований, Л. Н. Черницкой, В. В. Юрченко, Ю. И. Карпезо и Р. А. Калиниченко, предоставившим результаты обработки проб фитопланктона и фитобентоса каналов юга УССР, а также И. Г. Самсоновой и О. А. Кузько за техническую помощь в работе.