淡水壳菜对输水工程的危害分析.pdf

213 实 践 区域治理 PRACTICE 淡水壳菜对输水工程的危害分析 李喻1，王苑2*，曹爽3，高菲2，蒋成林2，胡小燕2，郭雪蕊2 1.长江水利委员会河湖保护与建设运行安全中心；2.长江勘测规划设计研究有限责任公司；3.武汉市生态环境科技中心 摘要：淡水壳菜污损会给输水工程的工程结构、安全、经济及生态带来不同程度的危害。一旦入侵极难彻底清除，因此，防止其进入输水系统是防生物污损的关键，尤其对待建的输水工程，明确污损生物的入侵风险，调查其关键来源，主动采取防护措施，相较于工程通水后被动地清除效果更佳。本研究以淡水壳菜为例，综述了污损生物的生物特性及其对输水工程危害。关键词：淡水壳菜；生物污损；输水工程 中图分类号：TV698.2 文献标识码：A 文章编号：2096-4595(2023)28-0213-03 作者简介：李 喻，生于 1973 年，女，汉族，湖北武汉人，本科，研究方向为水利工程；王 苑（通讯作者），生于 1990 年，女，湖北武汉人，硕士，研究方向为环境影响评价。生物污损是指藻类、贝类等生物大量附着、生长于船底和水下建筑上，使其性能下降或损坏。在输水管涵滋生的污损生物，有淡水壳菜、刚毛藻、真菌、苔藓虫、囊螺、河蚬等。由于淡水壳菜的生物学特性，其群栖特性和对输水管道有一定的侵蚀危害及淤积影响。本研究对淡水壳菜的生物特征、分布和危害进行了分析。一、淡水壳菜生物特性 淡水壳菜为入侵性物种。我国境内的体长最大约为 35 mm，幼贝呈淡棕色，成贝呈深棕色或黑色，腹部颜色较浅。淡水壳菜头部较宽但扁平，通过开启双壳和外部发生水体交换；尾部窄而厚，有足丝分泌口，一般固定在附着面上。淡水壳菜在天然河道内生长繁殖，含有幼虫的水体在流经输水系统后，由于生长环境适宜且没有天敌，淡水壳菜会在其中附着、异常增殖生长，形成生物污损。在我国，淡水壳菜主要分布在湖北、湖南、江苏、江西、浙江、广东、香港、台湾等地，由 于 其 繁 殖 门 槛 水 温 为16-17，在 16-28 的水温中均能存活，故在我国南方地区的河流中较为泛滥，对输水工程的影响也较严重。淡水壳菜以足丝固着在水中物体上，在河流中偏好分布于凹凸不平的石块、枯竹等基质上，而泥沙、淤泥底质中几乎不存在；它的垂直分布受水位线的影响，多分布于常年最低水位线以下；不同河段间淡水壳菜的分布无明显规律，有些集中分布，有些较为分散，主要与底质类型及沿岸生境有关。根据淡水壳菜的生物学特性及影响其生长繁殖的各因素，分析输水管道内污损生物滋生的原因如下：食物丰富，管道内水体中含有藻类及大量有机质，为淡水壳菜的生长提供了充足的食物；水质较好，封闭的管道较好地阻挡了外界的污染源，输水工程沿线水质较好且变化不大，为淡水壳菜的生长提供了良好的生存条件；流速适宜，长距离输水管道内流速普遍较慢，通常不超过 2 m/s，尤其在流速较低的管段，淡水壳菜附着密度明显升高，水流为其生长带来了大量的食物，有利于附着后的生长繁殖；缺少天敌，输水系统的进水口处通常设有拦污栅、滤网等结构，淡水壳菜捕食者鱼类难以进入输水管道内。总的来说，以上多个因素共同作用成为淡水壳菜在管道内滋生的原因。二、影响淡水壳菜生长分布的因素 影响程度不同，如在其浮游状态的幼虫期，由于个体未发育出起防御保护作用的壳结构，导致抗风险能力低，光照、流速、化学物质、水温等因素对其影响较大；而在其稚贝及成贝阶段，淡水壳菜足丝开始分泌并寻找适宜的生境附着，幼虫早期附着数量持续增加为不稳定附着阶段，数量基本保持不变极难脱落时进入稳定附着阶段。在附着期，输水工程的流速、附着基质、管道糙率这三个因子会对其分布产生较大影响。（一）物理因素 1.水流 在自然水体中，淡水壳菜一般生长在水流速度缓慢的湖泊及河流中，较缓的流速利于浮游幼体和稚贝初期的附着。流速过快 214 实 践 区域治理 PRACTICE 会使幼虫虫体死亡、分解，且流速的增加在一定程度上会抑制其附着。据调查，适宜流速范围为0.4-0.9 m/s，流速低于 0.5 m/s时，淡水壳菜不易滤食。2.光照 淡水壳菜幼虫时期对光照反应比较明显，该物种幼虫期一般在弱光下分布均匀，喜好在黑暗中生长，当强光照射时会避开光源；虽然进入青年期后，其运动能力由壳长从小到大依次降低，但不论是大个体还是小个体，在光照条件下都变现为负趋光性和趋地性，小个体在黑暗条件下还表现出逃地性。3.溶氧 在不同溶解氧水平下，淡水壳菜的生命活动强度也不同，当水中溶解氧含量高时，耗氧率也大，呼吸作用明显；而当溶解氧较低时，淡水壳菜会关闭贝壳，呼吸减少，耗氧率也下降；当溶解氧低于 1 mg/L 时，呼吸活动几乎停止。尽管如此，水体中溶解氧的含量可能并不会对管道内淡水壳菜的分布产生主要影响，有数据表明，即使水体中溶解氧浓度显著高于 1 mg/L，其分布规律亦呈一定趋势的变化。4.温度 温度对淡水壳菜的生理活动影响较大，作为影响浮游生物生长发育的一个重要环境因子，水温对浮游阶段幼虫的新陈代谢及分布影响较为显著，对稚贝及成贝的生理活动亦有一定程度的影响。在 16-28 的水体温度中淡水壳菜均能存活，但在不同温度下，淡水壳菜的耗氧率及排氨率均有极显著差异。温度低于 16 的环境中淡水壳菜的软足伸出率、移动距离、粘附率行为特性均受到抑制，活跃性降低，死亡率低于高温环境；环境温度高于28 时淡水壳菜活跃性增强，但死亡率亦增大，表明高温环境中淡水壳菜活跃性强于低温环境，但低温环境中耐受性强于高温环境，耐受性是淡水壳菜对不利于自身生存环境的忍耐性及抵抗能力，耐受性越强表明淡水壳菜在不利环境中越不易死亡，通过死亡率反映，死亡率越大则耐受性越差。（二）生物因素 1.天敌 淡水壳菜作为水环境生态系统中的初级消费者，生境中存在多种捕食者，例如以鲤鱼、青鱼、三角鲂等为主的鱼类。三角鲂可捕食 14 mm 以下的淡水壳菜，鲤鱼和青鱼可捕食 24 mm 以下的淡水壳菜。此外，一些刮食性鱼类，如丽鱼科的罗非鱼，大量罗非鱼成功入侵自然水域，亦会对淡水壳菜的生长分布产生较大影响。2.食物 淡水壳菜偏好于移动能力较差的裸藻和轮虫，主要摄食浮游植物，输水管道内丰富的藻类、微生物和有机质为其提供了食物来源。淡水壳菜对藻类具有较明显的吸收作用，不同藻类具有不同的吸收能力。实验表明，其吸收绿藻的能力强于吸收蓝藻的能力。不同体长的淡水壳菜对藻类的吸收能力亦不同，体长 L15 mm 的淡水壳菜个体吸收能力最强，体长 L20 mm 的淡水壳菜次之，体长 L10 mm 的淡水壳菜吸收能力最弱，淡水壳菜以水体中的浮游生物为食，水体浮游生物量的增加有利于淡水壳菜繁殖，但是浮游植物量迅速增加也会使淡水壳菜死亡，通过监测管道淡水壳菜的分布发现食物源的垂直分布变化影响着原水管道中淡水壳菜的附着生长。（三）化学因素 目前能够控制淡水壳菜生长分布的化学或其他有毒物质在自然状态下的浓度显然不够，用于灭杀淡水壳菜的化学试剂多为人工添加，其中尤以氯的应用最广泛。虽然在研究中尝试使用过的灭杀淡水壳菜的化学药剂近 40 种，但综合经济、安全、可操作性等方面的因素，仍需寻求更适用于饮用水输水工程的药剂，且药剂浓度不能影响水质的安全。（四）其他 附着基质对其附着的影响不仅在于基质材料种类，更关键在于基质表面光洁度，即糙率。淡水壳菜易着生于水中枯竹、混凝土、石块等较粗糙的基质上。粗糙率越小越不宜于淡水壳菜附着。三、淡水壳菜入侵过程及分布特征（一）入侵过程 输水管道受淡水壳菜生物污损的过程大致可分为三个阶段，如下所示。1.初期阶段输水管道内表面形成生物膜。在这一阶段，细菌、真菌、单胞藻类、原生动物首先在管道内壁附着，繁殖代谢形成生物膜。生物膜的形成与环境因子及基体材料有关，膜内微生物代谢有机酸会对管道产生侵蚀，生物膜的形成为淡水壳菜的附着提供了条件。2.中期阶段淡水壳菜的幼体靠近生物膜，接触附着。该阶段生物的附着是不稳定、不牢固的。3.稳定阶段淡水壳菜固着，通过分泌足丝附着在结构壁面，逐渐形成稳定的生物群落。这一阶段内，淡水壳菜集群附着，与多类群生物组成小型群落，彼 215 实 践 区域治理 PRACTICE 此均衡发展。（二）分布特点 1.水流减缓的部位，其生长分布密度稠密、单位面积数量多；水流较快的部位，其生长分布密度小、单位面积个体数量少。2.糙率大的隧洞和箱涵的内表面，淡水壳菜的生长分布密度稠密、单位面积数量多；糙率小的钢管及有内防腐的 PCP 管等的内表面，淡水壳菜的生长分布密度小、单位面积的个体数量少。3.水位线以上的洞壁基本无淡水壳菜附着生长，水位线以下洞壁上有淡水壳菜附着，但基本均匀分布，不密集成团。4.在隧洞中的底板与直墙交界处、一些凹凸不平的水坑、蜂窝麻面处、模板接工缝处以及洞壁底板上装设的泄水管中，往往有淡水壳菜较密附着甚至团簇生长。5.隧洞拐弯段贝类生长多于顺直段，在洞中突起、凹槽或石块上，迎水面的贝类生长较背水面明显密集。四、对输水工程的危害（一）工程结构危害 淡水壳菜一旦成功入侵输水系统，对管道及沿线不同构筑物将产生不同程度的影响，主要表现为腐蚀和堵塞。淡水壳菜对输水系统的堵塞一方面体现在随着附着厚度的增加，尤其在水流较缓处及管道转弯处逐渐堆积，减小管道过流面积，增加管壁糙率及输水阻力；另一方面会在技术供水系统（如冷却水系统、闸阀等）中形成堵塞，导致机组零部件无法正常运行、闸门难启闭、停机等恶劣影响。（二）生态危害 淡水壳菜对输水系统内部的封闭生态系统及工程连通的水域生态环境会造成一定的影响，主要表现为对物种种群结构和食物链的影响。淡水壳菜作为群栖性物种，单个成贝每次可释放一千多个幼虫，一旦生境适宜，会在管道内大量生长、繁殖，占据一定的生态位，与水域中原有的底栖动物形成竞争关系。该物种单个个体每小时滤水率可达 350 ml，大量附着后会影响输送水体中浮游生物的种类和数量，改变水体的原本的结构组成。（三）安全危害 生物污损对输水工程造成安全方面的危害一般表现为对水质安全及管理安全的影响。由于管道输水大多数是为了解决民生问题，水质安全便格外重要，而管道中大量存在的淡水壳菜呼吸会消耗水中的溶解氧，代谢过程中排泄氨氮和营养盐，这些对水质的影响是不容忽视的，附着在壁面的贝壳腐烂后还会产生恶臭，使水质恶化。为实时掌握水质因子的变化，通常会设置一些水质监测点，淡水壳菜的着生会堵塞取样用的取样管、原水入口和泵站的输送泵等结构也会被堵塞，导致泵和涡轮机停转，增加管理单位的检修难度，影响机组正常运转。（四）经济危害 输水系统的正常运行管理需要大量费用的投入，如水电机组每年的停水检修、电费等。除此之外，由于生物污损的产生，额外增加了输水水头损失，且相关部门也投入了大量的人力、物力、财力研发治理污损的有效措施。淡水壳菜的治理目前仍为一世界性难题，我国近年来也开始研发相关的治理措施，例如加氯、设置沉降池、研发涂料等，在试验及小规模试行中投入很多心血及经济成本。由于污损的产生，工程增加的运行成本主要体现在电费增加、检修及维护成本增加。输水沿程糙率、阻力增大及部分部件的堵塞是电费额外消耗的主要原因；管道壁面受污损生物侵蚀后吸水率及空隙的增加，降低了管道的表观密度，表层元素成分也发生改变，为弥补损失，管理单位在清理污损后常会对壁面进行修补，增加了检修及维护费用。参考文献 1 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