Канал

I

Кана́л (от лат. canalis — труба, жёлоб)

в гидротехнике, искусственное русло (водовод) правильной формы с безнапорным движением воды, устроенное в грунте. К. сооружают в открытой выемке или в насыпи (при пересечении балок, оврагов и др.), иногда — в полувыемке-полунасыпи (К. на косогоре). По назначению различают К.: судоходные (искусственные водные пути), энергетические (деривационные), оросительные (ирригационные), обводнительные, осушительные, водопроводные, лесосплавные, рыбоводные, комплексного назначения.

Судоходные К. бывают: соединительные (рис. 1) между судоходными реками, озёрами и морями [напр., Волго-Донской судоходный канал имени В. И. Ленина, Канал имени Москвы (см. Москвы имени канал), Днепровско-Бугский канал, Панамский канал]; обходные (обводные) К., устраиваемые в целях улучшения условий судоходства, в обход порожистых участков рек, бурных участков больших озёр и морей (Приладожские каналы, Онежский К., Береговой Мексиканский К. и др.); спрямляющие К. — для уменьшения извилистости судового хода и сокращения длины водного пути (Хорошевский К. на р. Москве, К. на р. Дон ниже Цимлянской ГЭС и др.); подходные К. — для обеспечения подхода из моря, озера или реки к крупным городам, внутренним портам, промышленным предприятиям (Ленинградский и Астраханский морские К., Манчестерский К. и др.). Судоходные К. разделяются также на открытые и шлюзованные. Первые устраивают при соединении водных путей, имеющих практически одинаковые уровни воды, вторые — при разных уровнях, а также в случаях, когда трасса К. пересекает высокий водораздел. Шлюзованные К. обычно состоят из нескольких участков, располагаемых на разных уровнях, — Бьефов, между которыми устраивают Шлюзы или Судоподъёмники. Обходные и подходные К., как правило, делаются открытыми, соединительные — шлюзованными. Вода в судоходные (шлюзованные) К. подаётся самотёком (самотёчные К.) или накачивается насосными станциями (См. Насосная станция) (машинные К.). Судоходные К. характеризуются значительной протяжённостью (например, длина берегового К. в США от Нью-Йорка до полуострова Флорида около 1,8 тыс. км, Беломорско-Балтийского канала (См. Беломорско-Балтийский канал) — 227 км, Днепровско-Бугского канала — 196 км, морские К., например Суэцкий канал — 171 км, Панамский канал — 81,6 км), большими размерами поперечного сечения (ширина по зеркалу Суэцкого К. 120—150 м, глубина 12—13 м).

Энергетические (деривационные) К. подводят воду из реки, водохранилища, озера к гидроэлектрической станции (См. Гидроэлектрическая станция) или отводят от неё воду, прошедшую через турбины (рис. 2). Они характеризуются сравнительно небольшой длиной: подводящие К. обычно не превышают 5—10 км (максимум 30 км), отводящие — редко достигают нескольких км. Расход воды (пропускная способность) энергетических К. бывает различным, превышая в отдельных случаях 1000 м3/сек (например, пропускная способность деривационного К. при ГЭС Монтелимар во Франции 1860 м3/'сек). В СССР деривационные К. имеются на ГЭС: Земо-Авчальской, Рионской, Кондоложской, на Севанском каскаде и др.

Оросительные (ирригационные) К., предназначенные для подачи воды к орошаемым земельным массивам, обычно образуют систему К. магистральных, распределительных, собственно оросительных (оросителей) и водосбросных (см. Орошение). В оросительные К. вода поступает самотёком или подаётся насосами. В крупных ирригационных системах длина магистральных К. нередко достигает нескольких сот км (Каракумский канал, 1-я очередь, до г. Ашхабада, — свыше 800 км, Северо-Крымский канал — более 400 км. Большой Ферганский канал — около 300 км). Расходы воды в головной части этих К, — 250—500 м3/сек.

Обводнительные К. подают воду для нужд сельского хозяйства (главным образом животноводства) в безводные и засушливые районы (например, обводнительные К. в низовьях Волги, К. Терско-Кумской обводнительной системы). Поскольку при обводнении на засушливых землях обычно образуются мелкие (оазисного характера) орошаемые участки, обводнительные К. часто являются одновременно и оросительными (например, Невинномысский, Кубань-Калаусский и др. К.).

Осушительные К. собирают воду, поступающую из осушительной или дренажной сети (на заболоченной или излишне увлажнённой территории), и отводят её в водоприёмник (реку, озеро, море) самотёком или с помощью насосных станций (см. Мелиорация). Осушительные К. трассируются, как правило, по наиболее низким отметкам осушаемой территории (по тальвегам).

Водопроводные К. служат для подачи воды от источника водоснабжения (См. Водоснабжение) к месту её потребления — промышленному району, городу, посёлку и т.п. К большим водопроводным К. в СССР относятся каналы: Иртыш — Караганда общей протяжённостью около 460 км и пропускной способностью в головной части 75 м3/сек, Северский Донец — Донбасс — около 130 км, при головном расходе воды 25 м3/сек. Условия эксплуатации и санитарные требования иногда вызывают необходимость делать водопроводные К. закрытыми (например, водопроводный К. длина около 30 км. подающий воду из Учинского водохранилища к Москве).

Лесосплавные К. устраиваются для сплава леса молем или плотами обычно от мест его заготовки до лесосплавной реки или лесопильного завода (см. Лесосплав). Лесосплавные К. сооружаются также в районах гидроузлов для направления лесосплава в обход гидротехнических сооружений.

Рыбоводные К. служат для подачи воды на искусственные нерестилища, для соединения с рекой отдельных изолированных водоёмов (озёр), в которых водится рыба, для опреснения лиманов (например, в низовьях р. Кубани) и т.п.

Комплексные К. сооружают для решения одновременно нескольких водохозяйственных задач. Особенно большое развитие эти К. получили в СССР в связи с комплексным использованием речных водных ресурсов. Например, К. имени Москвы осуществляет подачу воды для судоходства, водоснабжения и обводнения г. Москвы; Волго-Донской К. имени В. И. Ленина (вместе с Цимлянской ГЭС) — судоходно-ирригационно-обводнительный и энергетический комплекс; К. Иртыш — Караганда, кроме основной задачи — водоснабжения, решает и вопросы орошения земель в Центральном Казахстане.

Формы поперечного сечения К. (рис. 3) зависят от его назначения, строительных свойств грунтов, условии производства земляных работ и др. Наиболее распространённые формы сечений К., сооружаемых в мягких грунтах, — трапецеидальная и полигональная. Последняя обычно применяется при сооружении больших судоходных К. Прямоугольное сечение целесообразно при проведении К. в скальных выемках. Иногда (например, при прохождении трассы К. в пределах населённых пунктов, на косогорных участках и т.д.) прямоугольное сечение в мягких грунтах обеспечивается сооружением вертикальных подпорных стенок (См. Подпорная стенка).

Размеры сечения К. определяются гидравлическим расчётом по заданному расходу воды и допустимым для условий данного К. скоростям течения, а для судоходных и лесосплавных К., кроме того, — габаритами пропускаемых судов и плотов. Отношение площади живого сечения (См. Живое сечение) судоходных К. к площади миделева сечения (См. Миделевое сечение) расчётного судна должно быть не менее 4 для К. на водных путях 1-й категории; 3,5 (2-й категории); 3 (3-й и 4-й категорий); при меньших значениях этого отношения существенно возрастает сопротивление движению судна.

Уклоны (заложения) откосов К. устанавливают в зависимости от характера грунтов. При большой глубине выемок, а также в сложных геологических условиях устойчивость откосов проверяется расчётом.

Скорости течения воды, допустимые в К., имеют предельные значения: максимальные, исключающие возможность размыва ложа К., и минимальные, обеспечивающие незаносимость (незаиляемость) ложа К. и не допускающие его зарастания растительностью. Так, например, безопасными в отношении размыва для К., проведённых в мягких грунтах (пески, суглинки), при глубине воды более 3 м являются скорости в пределах 0,4—1,5 м/сек; в твёрдых породах (мергели, песчаники) — 3,1—5,6 м/сек. Для определения незаиляющих скоростей воды пользуются формулами, основанными на принципе т. н. наносотранспортирующей способности потока. Минимальные скорости в К., при которых не должно быть зарастания их ложа: 0,3 м/сек — для малых К. и 0,5— для больших К.

Облицовки ложа (одежды) К. устраиваются для предохранения его от размыва течением и волнами, сокращения потерь воды на фильтрацию в грунт и уменьшения шероховатости дна и откосов (для увеличения пропускной способности К.). Облицовки, служащие только для защиты откосов К. от размыва, выполняются в виде каменного мощения, каменной укладки и наброски, а также в виде бетонных и железобетонных плит. Такие облицовки применяются обычно на судоходных К. На оросительных, обводнительных и осушительных К. используются иногда дерновые фашинно-хворостяные, плетнёвые и др. крепления. Противофильтрационные облицовки (экраны) выполняются обычно из глин, суглинков и из хорошо разложившегося торфа. Для предохранения экранов от механических повреждений и температурных влияний их покрывают защитным слоем из песчаного или гравелистого грунта. Бетонные, железобетонные (рис. 4) и асфальтобетонные облицовки наиболее универсальны: они надёжно защищают ложе К. от размыва, обеспечивают его водонепроницаемость, увеличивают пропускную способность. Вместе с тем они позволяют полностью механизировать строительные работы. Для борьбы с фильтрацией на К., кроме устройства облицовок (экранов), применяют также Кольматаж, механическое уплотнение грунтов, плёнки из синтетических материалов и др. способы.

Сооружения на К. Кроме специальных сооружений, связанных с эксплуатацией К. (шлюзы на судоходных К., насосные станции на машинных К., Водоспуски и др.), на трассе всех К. возводят также большое количество гидротехнических сооружений различного назначения. К ним относятся сооружения в местах пересечений К. с водотоками (трубы, Дюкеры, Акведуки), с путями сообщений (Виадуки, туннели, мосты, паромные переправы и др.) и в местах резкого перелома рельефа местности (перепады, Быстротоки).

Историческая справка. Задолго до н. э. в древних государствах Юго-Востока и Востока с развитием земледелия появилась необходимость в устройстве оросительных и обводнительных К. Известно, например, орошение в долине р. Нил в Египте за 4400 лет до н. э. и в Китае (на р. Янцзы) в 3-м тыс. до н. э. Строительство судоходных К. также началось ещё в древности (например, К. от Нила к Красному морю существовал в 6 в. до н. э.; китайский Великий канал). В средние века судоходные К. сооружались главным образом в Голландии, Франции, Англии. Большое значение для строительства судоходных К. имело изобретение в 15 в. в Голландии камерного шлюза. В 16—17 вв. развитие торговли и мануфактурного производства потребовало улучшения путей сообщения и устройства судоходных К. В 17—18 вв. и 1-й половине 19 в. водные пути были основными, самыми экономичными транспортными артериями. К числу наиболее значительных сооружений этого периода относятся судоходные К. во Франции (Сена — Луара, Лангедокский, Центральный и др.), в Германии (Финов, Одер — Шпре, Одер — Висла, Эльба — Хафель и др.), в Англии (Бриджуотер, Каледонский и др.). В связи с широким развитием мировой торговли, а также в стратегических целях во 2-й половине 19 в. и в 20 в. сооружаются морские К. — Суэцкий, Кильский, Панамский. На территории СССР К. для целей орошения строились ещё в 8—6 вв. до н. э. в древних государствах Хорезме и Урарту. Известны оросительные К., построенные в 12—13 вв. н. э. в Грузии (Алазанский, Самгорский). В дальнейшем строительство К. развивалось в основном в целях улучшения речного судоходства (например, судоходный К. на р. Сухоне, 13 в.), для гидроэнергетических целей (подвод воды к водяным мельницам), иногда для осушения земель. Интенсивное строительство К. развернулось при Петре I. Ивановским К. была соединена р. Ока с верховьями р. Дона, построены Вышневолоцкая система, соединившая Волгу с р. Метой и Балтийским морем, Приладожские К. и позднее — судоходные соединения: Мариинское, Тихвинское, Огинское, Северо-Двинское и др. Новый этап в строительстве судоходных, энергетических, ирригационных и др. К. на территории СССР начался после Великой Октябрьской социалистической революции. Уже в 1918 проводились изыскания для сооружения Волго-Донского К. В восстановительный период и особенно в годы довоенных пятилеток в СССР широко развернулось строительство К., имеющих комплексное народно-хозяйственное значение. Большую роль в строительстве энергетических К. сыграл план ГОЭЛРО, в соответствии с которым был построен ряд гидроэлектростанций (например, Земо-Авчальская и Кондопожская) с деривационными К. Крупнейшим ирригационным комплексом довоенных пятилеток является Большой Ферганский К. В 30-е гг. сооружены К. Беломорско-Балтийский и имени Москвы, ряд оросительных К. в Средней Азии и на Кавказе. После Великой Отечественной войны 1941—1945 строительство К. осуществлялось в ещё более широких масштабах. Были построены и вступили в строй К.: Волго-Донской имени В. И. Ленина, Каракумский (до Ашхабада), Южный Голодностепский, Донской магистральный, Северо-Крымский, Северский Донец — Донбасс, Днепр — Кривой Рог, Аму-Бухарский и многие др.

Лит.: Угинчус А. А., Каналы и сооружения на них, М., 1953; Аскоченский А. Н., Орошение и обводнение в СССР, М., 1967; Гришин М. М., Гидротехнические сооружения, М., 1968.

П. Н. Кораблинов.

Рис. 2. Схема ГЭС деривационного типа: 1 — деривационный подводящий канал; 2 — деривационный отводящий канал; 3 — здание ГЭС; 4 — напорный бассейн; 5 — водосбросный канал; 6 — головной водозаборный узел; 7 — река.

Рис. 1. Волго-Донской судоходный канал имени В. И. Ленина. Общая схема.

Рис. 3. Формы поперечного сечения каналов: а — трапецеидальная; б — прямоугольная; в — полигональная.

Рис. 5а. Северо-Крымский магистральный канал (СССР).

Рис. 5б. Ирригационный канал Сан-Луис (США, Калифорния).

Рис. 4. Облицовка ложа канала бетонными плитами.

Рис. 5в. Канал им. Москвы (СССР).

Рис. 5г. Северный канал (Франция).

Рис. 5д. Сайменский канал (Финляндия).

II

Кана́л

в теории информации, всякое устройство, предназначенное для передачи информации. В отличие от техники, Информации теория отвлекается от конкретной природы этих устройств, подобно тому как геометрия изучает объёмы тел, отвлекаясь от материала, из которого они изготовлены (ср. Канал информационный). Различные конкретные системы связи рассматриваются в теории информации только с точки зрения количества информации (См. Информация), которое может быть надёжно передано с их помощью. Т. о. приходят к понятию К.: канал задаётся множеством «допустимых» сообщений (или сигналов) x на входе, множеством сообщений (сигналов) у на выходе и набором условных вероятностей р (у|х) получения сигнала у на выходе при входном сигнале х. Условные вероятности р (у|х) описывают статистические свойства «шумов» (помех), искажающих сигналы в процессе передачи. В случае, когда р (у|х) = 1 при у = х и р (y|x) = 0 при у ≠ х, К. называют каналом без «шумов». В соответствии со структурой входных и выходных сигналов выделяют К. дискретные и К. непрерывные. В дискретных К. сигналы на входе и на выходе представляют собой последовательности «букв» из одного и того же или различных «алфавитов» (см. Код). В непрерывных К. входной и выходной сигналы суть функции непрерывного параметра t — времени. Возможны также смешанные случаи, но обычно в качестве идеализации предпочитают рассматривать один из указанных двух случаев.

Способность К. передавать информацию характеризуется некоторым числом — пропускной способностью, или ёмкостью, К., которое определяется как максимальное количество информации относительно сигнала на входе, содержащееся в сигнале на выходе (в расчёте на единицу времени).

Точнее: пусть входной сигнал ξ принимает некоторые значения х с вероятностями р (х). Тогда по формулам теории вероятностей можно рассчитать как вероятности q (y) того, что сигнал η на выходе примет значение у:

так и вероятности р (х, y) совмещения событий ξ = х, η = у:

р (х, у) = р (х) р (у|х).

По этим последним вычисляется количество информации (в двоичных единицах) и его среднее значение

,

где T — длительность ξ. Верхняя граница С величин R, взятая по всем допустимым сигналам на входе, называют ёмкостью К. Вычисление ёмкости, подобно вычислению энтропии (См. Энтропия), легче в дискретном случае и значительно сложнее в непрерывном, где оно основывается на теории стационарных случайных процессов.

Проще всего положение в случае дискретного К. без «шумов». В теории информации устанавливается, что в этом случае общее определение ёмкости С равносильно следующему:

где N (T) — число допустимых сигналов длительностью Т.

Пример 1. Пусть «алфавит» К. без «шумов» состоит из двух «букв» — 0 и 1, длительностью τ сек каждая. Допустимые сигналы длительностью Т = nτ представляются последовательностями символов 0 и 1. Их число N (Т) = 2n. Соответственно

— двоичных единиц/сек.

Пример 2. Пусть символы 0 и 1 имеют длительность τ и 2τ сек соответственно. Здесь допустимых сигналов длительностью Т = nτ будет меньше, чем в примере 1. Так, при n = 3 их будет всего 3 (вместо 8). Можно подсчитать теперь

двоичных единиц/сек.

При необходимости передачи записанных с помощью некоторого кода сообщений по данному К. приходится преобразовывать эти сообщения в допустимые сигналы К., т. е. производить надлежащее Кодирование. После передачи надо произвести операцию декодирования, т. е. операцию обратного преобразования сигнала в сообщение. Естественно, что кодирование целесообразно производить так, чтобы среднее время, затрачиваемое на передачу, было возможно меньше. При одинаковой длительности символов на входе К. это означает, что надо выбирать наиболее экономный код с «алфавитом», совпадающим с входным «алфавитом» К.

При описанной процедуре «согласования» источника с К. возникает специфическое явление задержки (запаздывания), которое может пояснить следующий пример.

Пример 3. Пусть источник сообщений посылает через промежутки времени длиной 1/υ (т. е. со скоростью υ) независимые символы, принимающие значения x1, x2, x3, x4 с вероятностями, равными соответственно 1/2, 1/4, 1/8, 1/8. Пусть К. без «шумов» такой же, как в примере 1, и кодирование осуществляется мгновенно. Полученный сигнал или передаётся по К., если последний свободен, или ожидает (помещается в «память») до тех пор, пока К. не освободится. Если теперь выбран, например, код x1 = 00, x2 = 01, x3= 10, x4= 11 и υ ≤ 1/2τ (т. е. 1/υ ≥ 2τ), то за время между появлением двух последовательных значений х кодовое обозначение успевает передаться и К. освобождается. Т. о., здесь между появлением какой-либо «буквы» сообщения и передачей ее кодового обозначения по К. проходит промежуток времени 2τ. Иная картина наблюдается при υ > 1/2τ; n-я «буква» сообщения появляется в момент (n — 1)/υ и её кодовое обозначение будет передано по К. в момент 2nτ. Следовательно, промежуток времени между появлением n-й «буквы» сообщения и моментом её получения после декодирования переданного сигнала будет больше, чем n (2τ — 1/υ), что стремится к бесконечности при n → ∞. Таким образом, в этом случае передача будет вестись с неограниченным запаздыванием. Стало быть, для возможности передачи без неограниченного запаздывания при данном коде необходимо и достаточно выполнение неравенства υ ≤ 1/2τ. Выбором более удачного кода можно увеличить скорость передачи, сделав её сколь угодно близкой к ёмкости К., но эту последнюю границу невозможно превзойти (разумеется, сохраняя требование ограниченности запаздывания). Сформулированное утверждение имеет совершенно общий характер и называется основной теоремой о К. без «шумов».

Специально в отношении примера 3 уместно добавить следующее. Для рассматриваемых сообщений двоичный код x1 = 0, x2 = 10, x3 = 110, x4 = 111 оптимален. Из-за различной длины кодовых обозначений время ωn запаздывания для n-й «буквы» первоначального сообщения будет случайной величиной. При υ < 1/τ (1/τ — ёмкость К.) и n → ∞ его среднее значение приближается к некоторому пределу m(υ), зависящему от υ. С приближением υ к критическому значению 1/τ значение m(υ) растет пропорционально (τ-1 — υ)-1. Это опять-таки отражает общее положение: стремление сделать скорость передачи возможно ближе к максимальной сопровождается возрастанием времени запаздывания и необходимого объёма «памяти» кодирующего устройства.

Утверждение «основной теоремы» (с заменой безошибочной передачи на «почти безошибочную») справедливо и для К. с «шумами». Этот факт, по существу основной для всей теории передачи информации, называют теоремой Шеннона (см. Шеннона теорема). Возможность уменьшения вероятности ошибочной передачи через К. с «шумами» достигается применением так называемых помехоустойчивых кодов.

Пример 4. Пусть входной «алфавит» К. состоит из двух символов 0 и 1 и действие «шумов» сводится к тому, что каждый из этих символов при передаче может с небольшой (например, равной 1/10) вероятностью р перейти в другой или с вероятностью q = 1 — р остаться неискажённым. Применение помехоустойчивого кода сводится, по сути дела, к выбору нового «алфавита» на входе К. Его «буквами» являются n-членные цепочки символов 0 и 1, отличающиеся одна от другой достаточным числом D знаков. Так, при n = 5 и D = 3 новыми «буквами» могут быть 00000, 01110, 10101, 11011. Если вероятность более чем одной ошибки на группу из пяти знаков мала, то даже искажённые эти новые «буквы» почти не перепутываются. Например, если получен сигнал 10001, то он почти наверное возник из 10101. Оказывается, что при надлежащем подборе достаточно больших n и D такой способ значительно эффективнее простого повторения (т. е. использования «алфавитов» типа 000, 111). Однако возможное на этом пути улучшение процесса передачи неизбежно сопряжено с сильно возрастающей сложностью кодирующих и декодирующих устройств. Например, подсчитано, что если первоначально р = 10-2 и требуется уменьшить это значение до p1 = 10-4, то следует выбирать длину n кодовой цепочки не менее 25 (или 380) в зависимости от того, желают ли использовать ёмкость К. на 53% (или на 80%).

Лит. см. при ст. Информации теория.

Ю. В. Прохоров.

III

Кана́л

информационный, 1) совокупность устройств, объединённых линиями связи, для приёма, передачи, преобразования и регистрации информации. Начальными и конечными устройствами К. могут быть телефонный или телеграфный аппараты, магнитофон, перфоратор, ЭВМ, лазеры, акустические приборы и устройства и т.д. Для связи обычно применяют радиоканалы, телефонные, телеграфные и радиорелейные линии, акустические и оптические линии связи, сигнальные кабели и провода. Техническая характеристика К. определяется принципом действия входящих в него устройств, видом сигнала, свойствами и составом физической среды, в которой распространяются электрические, акустические и световые сигналы, свойствами применяемого кода или языка. Эффективность К. характеризуется скоростью и достоверностью передачи информации, надёжностью работы устройств и задержкой сигналов во времени, См. также Канал связи.

2) Совокупность устройств ЦВМ, непосредственно участвующих в приёме, хранении, обработке и выдаче информации.

Лит.: Голдман С., Теория информации, пер. с англ., М., 1957; Шеннон К., Работы по теории информации и кибернетики, пер. с англ., М., 1963.

Е. Я. Дашевский.