Канал Сев. Донец - Донбасс (УССР)

Канал проходит по территории, для которой характерны тяжелосуглинистые, нередко даже глинистые лессы, богатые железом и карбонатами (Вернандер и др., 1957). Почвенный покров состоит из обыкновенных среднегумусных черноземов (содержание гумуса в верхнем слое почвы 6,0-6,5%) тяжелосуглинистого механического состава.

Откосы канала (за исключением первых 9 км с грунтовым ложем) облицованы щебнем, который во многих местах осыпался на дно. Вблизи гидротехнических сооружений и на участках с повышенной фильтрацией применено крепление железобетоном по всему периметру. Сечение канала трапецеидальное, заложение откосов 1 : 2, реже 1 : 4^*. В канале интенсивно происходит илонакопление, в результате чего бетон и щебень сильно заилены. Местами иловые отложения достигают 20-30 см (и более) в толщину. Илы имеют тяжелый механический состав (глинистый) и очень богаты органическим веществом: валового углерода содержится 1,48-6,03 г, валового азота - 0,15-0,49 г на 100 г сухого грунта, подвижного (легкогидролизуемого) углерода 5-27%, подвижного азота 13-54% валового^**.

^* (Морфометрическую характеристику канала и химический состав воды см. на стр. 23.)

^** (Для этого и других каналов УССР состав донных отложений приведен по данным Н. М. Кузьменко и Н. К. Никонович.)

Средняя скорость течения воды на отдельных участках колеблется в пределах 0,14-0,83 м/сек, однако у берегов и дна она резко снижается. Так, на прямолинейных участках скорость течения воды на расстоянии 3 м от берега уже примерно вдвое ниже, чем в средней части канала, ближе к берегу она еще меньше.

Облицовка канала щебнем не предотвращает развития в нем высшей водной растительности. Появление высших растений в облицованной части канала относится к 1961-1962 гг. Их расселение происходило замедленными темпами по мере аккумуляции на твердых субстратах иловых отложений. Но уже к 7-8-му году после ввода канала в действие вегетация высшей растительности стала настолько интенсивной, что вызывала серьезные затруднения в работе гидротехнических сооружений. Ведущую роль в зарастании этого канала играют погруженные растения, в то время как распространение воздушно-водной растительности лимитируется наличием слабозаиленной облицовки в верхней части откосов. У уреза воды на щебне, покрытом наносами грунта, попадаются небольшие куртины зарослей тростника обыкновенного (Phragmites communis Trin.) и рогозов узколистного (Typha angustifolia L.) и широколистного (T. latifolia L.). Заросли погруженной растительности располагаются на заиленных щебеночных откосах в основном до 2-метровой изобаты. Наибольшие площади заняты группировкой роголистника (Ceratophyllum demersum L.), второе место занимает группировка рдеста маленького (Potamogeton pusillus L.), третье - урути (Myriophyllum spicatum L.). Кроме них интенсивно вегетируют рдесты курчавый (P. crispus L.), стеблеобъемлющий (P. perfoliatus L.), гребенчатый (P. pectinatus L.), наяда морская (Najas marina L.)^*.

^* (Характеристика высшей водной растительности в каналах юга Украины дается по материалам Г. С. Белоконь (1968, 1971).)

Водоросли на откосах канала развиваются чрезвычайно обильно. Видовой состав фитобентоса канала формируется в основном за счет биофонда водоисточника, а также в результате заноса с окружающей территории. В флористическом отношении наиболее богато представлены диатомовые (49,2% общего числа видов), значительного разнообразия достигают зеленые (28,0%), из которых наибольшее число составляют протококковые (18,0%), а также синезеленые (16,5%). Остальные водоросли (эвгленовые, золотистые, желтозеленые, пирофитовые) значительной роли не играют (табл. 27). Группировки на обоих видах облицовки - бетоне и щебне - характеризуются высокой степенью флористического сходства. По трассе канала видовой состав фитобентоса изменяется слабо (табл. 19).

Таблица 19. Общность флористического состава фитобентоса канала Сев. Донец - Донбасс

В связи с наличием в канале твердых субстратов с первых же лет ввода его в действие (Гетьман, 1963; Долгов, 1963; 1969; Жадин, 1963; Слюсарева, 1963) в нем отмечается интенсивная вегетация зеленых нитчатых водорослей. Ведущую роль в них играют виды родов Cladophora (С. fracta, С. glomerata (L.) Kuetz.), Spirogyra, а также Enteromorpha intestinalis (L.) Link, реже встречаются Ulothrix tenerrima Kuetz. (главным образом весной), Stigeoclotiium tenue Kuetz., Hormidium rivulare Kuetz., виды рода Oedogotiium. На нитях и между нитями зеленых нитчатых водорослей в большом количестве развиваются эпифитные формы из диатомовых и синезеленых (Cocconeis pediculus, Rhoicosphenia curvata, Lyngbya kuetzingii f. ucrainica (Schirsch.) Elenk. и др.). Нити кладофоры нередко бывают покрыты сплошным чехлом эпифитов. Зеленые нитчатки развиваются на откосах канала до глубины 1,5-2,5 м. В период массовой вегетации они образуют пленки, лепешки, космы, которые скапливаются у гидротехнических сооружений. Нити спирогиры нередко разделяются на небольшие фрагменты, которые пребывают во взвешенном состоянии в толще воды. Обращает на себя внимание тенденция к возрастанию роли спирогиры в последние годы (Коврижных и Гетьман, 1970), что может быть обусловлено прогрессирующим накоплением в канале богатых органическими веществами иловых отложений.

В летний период зеленые нитчатые водоросли в канале Сев. Донец - Донбасс играют ведущую роль в обрастаниях. Максимального развития они достигают в июне-июле и образуют до 2,8 кг/м² в сыром весе (0,56 кг/м² в сухом весе). Разовый запас их в июле 1961 и 1962 гг. составлял 200-220 т. В июле 1968 г. при интенсивном обрастании откосов на большей части трассы канала он достигал 330 т. сырой вес высших водных растений в это же время - 220 т.

По трассе канала в первые годы эксплуатации (1959-1961 гг.) отмечалось неравномерное распределение зеленых нитчатых водорослей с постепенным смещением участков максимального их развития по длине канала от его начала к концу (рис. 28). Возможно, это обусловлено более интенсивным заилением участков канала, заросших нитчатками. В результате накопления ила в местах концентрации зеленых нитчаток в следующем году здесь создаются менее благоприятные условия для их развития (Гетьман, 1963). Однако заиление облицованных откосов явилось фактором, способствующим в дальнейшем зарастанию канала высшей водной растительностью, в результате чего вновь создались благоприятные условия для интенсивной вегетации зеленых нитчаток практически по всей длине канала.

В годы с поздними и затяжными паводками р. Сев. Донец фактором, лимитирующим развитие нитчаток в канале, является значительная мутность воды в течение большей части вегетационного периода (см. рис. 1). Такая картина наблюдалась в 1963 и 1964 гг. (рис. 28).

Рис. 28. Распределение зеленых нитчатых водорослей (по пятибалльной шкале) и средняя прозрачность воды (в сантиметрах по шрифту Снеллена) в июле-августе 1960-1968 гг. в канале Сев. Донец - Донбасс: 1 - зеленые нитчатые водоросли, 2 - прозрачность воды, 3 - трубопровод. (Прозрачность воды в 1960-1968 гг. и распределение водорослей в 1960 г. - по данным ЦКИВЛ Донбассводтреста; распределение водорослей в 1961 г. - по данным А. Д. Приймаченко, 1963)

В канале интенсивно развивается микрофитобентос, в котором доминируют диатомовые и синезеленые водоросли (рис. 29). Обычно им принадлежит ведущая роль на откосах канала весной и осенью. Летом вегетация зеленых нитчаток ограничивает их распространение и в основном наблюдается их локальное развитие, причем местами они представлены очень обильно. В годы же, отличающиеся повышенной мутностью воды, за диатомовыми и синезелеными сохраняется господствующее положение и летом.

Рис. 29. Состав микрофитобентоса в канале Сев, Донец - Донбасс (А - число форм, Б - численность, В - биомасса): Бентосные водоросли: 1 - синезеленые, 2 - диатомовые, 3 - прочие; 4 - планктонные водоросли

В формировании и развитии донных биоценозов в канале большую роль играет фактор заиления твердых облицовок, на которых Всегда отмечается больший или меньший слой ила. Это обстоятельство обусловливает совместное развитие в сообществах на откосах канала прикрепленных перифитонных и собственно бентосных форм водорослей. Водоросли, оседающие из планктона, в бентосе данного канала существенной роли ни в видовом, ни в количественном отношении не играют (рис. 29). В состав ведущих комплексов микрофитобентоса входят почти исключительно представители синезеленых и диатомовых (табл. 31): виды родов Oscillatoria, Phormidium, Lytigbya, Schizothrix, Gyrosigma, Nitzschia, Navicula cryptocephala, Melosira variariSy Surirella ovata и др. На обоих видах облицовки ведущую роль играют одни и те же виды водорослей. Можно отметить несколько большую встречаемость на бетоне видов рода Gyrosigma, а также крупных представителей рода Nitzschia (N. sigmoidea (Ehr.) W. Sm., N. vermicularis (Kuetz.) Grun.), а на щебне - видов рода Cymbella. Из планктонных водорослей в состав доминантов иногда включаются Stephanodiscus hantzschii, вызывающий весной и реже осенью "цветение" воды, и Melosira granulata. Систематически встречаются в бентосе микроскопические формы зеленых, но они очень редко играют значительную роль.

Количественные показатели микрофитобентоса в канале высокие: максимальная численность 257,4 млн. кл/10 см², биомасса - 105,4 (343,5) мг/10 см², средние величины достигают 56,0 млн. клеток и 19,5 мг/10 см², (табл. 32). В сезонном аспекте отмечается тенденция нарастания его обилия от весны к лету и осени (рис. 29). Весной неблагоприятным фактором является повышенная мутность воды в результате половодья р. Сев. Донец. По этой же причине уровень развития фитобентоса в 1963 г. был в общем немного ниже (особенно летом), чем в 1968 г. Обращает на себя внимание большая роль сине- зеленых летом 1968 г., когда они доминировали в микрофитобентосе; осенью интенсифицировалось развитие диатомовых, однако и синезеленые сохранили ведущее положение не только по численности, как обычно, но и по биомассе.

Таблица 20. Численность (в млн. кл/10 см) и биомасса (в мг/10 см²) микрофитобентоса в канале Сев. Донец - Донбасс на разных субстратах (по данным 1963-1964 гг.)

Группировки водорослей на обоих типах облицовки идентичны как по составу (рис. 29), так и по общему уровню обилия (табл. 20). Не наблюдалось также достоверных отличий между разными пунктами канала, что связано с наличием облицовок и относительной однородностью иловых отложений (рис. 43) и отсюда сходством условий развитий фитобентоса. Распределение водорослей на откосах канала Сев. Донец - Донбасс характеризуется резко выраженной мозаичностью. Последняя в значительной мере может быть обусловлена свойственной им периодичностью развития. Изучение процессов формирования и развития микрофитобентоса на различных субстратах, установленных на откосах канала, показало, что его обилие подвержено значительным периодическим колебаниям (рис. 30). При очень интенсивном развитии водорослей на субстрате и образовании пленок по мере их нарастания изменяются состояние и условия их вегетации. В результате постепенного старения и частичного отмирания водорослей в пленке, особенно в ее нижнем слое, попадающем в наиболее неблагоприятные условия, возникают предпосылки для легкого отделения пленок от субстрата. Выделяющийся в процессе фотосинтетической деятельности водорослей кислород задерживается в пленках и увлекает их к поверхности воды. В результате на откосах канала накопление биомассы и образование пленок чередуется с локальным отделением их от субстрата, всплыванием в толщу воды и разрушением. На экспериментальных субстратах отделение пленок наблюдалось при накоплении биомассы порядка 8-60 мг/10 см² (в среднем 25 мг/10 см²). Отделению и всплыванию водорослевых пленок способствуют колебания уровня, ветровые перемешивания, изменение скорости течения воды и т. п. Из разрушенных всплывших пленок значительная часть водорослей довольно быстро снова оседает на откосы и дно канала и дает начало новым. Продуктивность бентосных водорослей значительно колеблется по сезонам; летом обновление их пленок на субстрате происходит быстрее всего, через 5-6 суток.

Рис. 30. Развитие водорослей на разных субстратах в канале Сев. Донец - Донбасс в 1963 г. (А - июль, Б - август, В - октябрь): 1 - бетон, 2 - шебень, 3 - глина, 4 - песок (Юрченко и Кафтанникова, 1968)

О наличии периодичности в развитии бентосных водорослей свидетельствует также динамика их фотосинтетической активности (рис. 31). Максимумы кислородной продуктивности не всегда совпадают с пиками обилия водорослей, что вполне естественно и объясняется частичным отмиранием их в пленках и уменьшением физиологической активности при большой численности на субстрате, а также осаждением из разрушенных пленок на откосы канала водорослей в плохом физиологическом состоянии.

Рис. 31. Численность водорослей (Б) и их кислородная продуктивность (А) на щебне в канале Сев. Донец - Донбасс. Черным обозначено потребление кислорода на деструкцию (Юрченко и Кафтанникова, 1968)

Что касается развития водорослей на различных экспериментальных субстратах, то как правило, оно было более интенсивным на бетоне и щебне, чем на песке и глине (рис. 30). Однако в отношении состава группировок четко выраженных существенных различий обнаружить не удалось. Это, очевидно, можно объяснить тем, что опытные установки небольшой площади помещались на основной субстрат откоса канала, фитобентос которого создавал фон и существенно влиял на исследуемые субстраты.

В вертикальном распределении водорослей в большинстве случаев их максимальное обилие отмечается у уреза воды, далее вглубь по откосу оно уменьшается; но эта закономерность очень часто нарушается вследствие периодического всплывания водорослевых пленок, а также резкого колебания уровня воды.