輸水工程中沼蛤入侵的生態(tài)防治措施研究

余 淼(深圳市東江水源工程管理處，廣東 深圳 518000)

1 概 述

沼蛤俗稱淡水殼菜，英文名golden mussel，廣泛分布于中國(guó)以及東南亞國(guó)家的淡水河湖、水庫(kù)的硬質(zhì)材料表面。沼蛤?qū)Νh(huán)境的適應(yīng)能力較強(qiáng)，并且繁殖率高，進(jìn)入新的水體后迅速擴(kuò)張，密集附著于重要水工結(jié)構(gòu)上，容易造成嚴(yán)重的工程損失。

沼蛤入侵到輸水管道后，在管壁上密集附著，對(duì)混凝土管損害嚴(yán)重，在管道接縫處尤其嚴(yán)重。同時(shí)，調(diào)節(jié)池進(jìn)水閘門上也大量附著沼蛤，設(shè)備遭受腐蝕。由于沼蛤的入侵，輸水阻力增大，管道堵塞，直接影響到工程的輸水效率，同時(shí)還增加了工程檢修的工作量和檢修難度。停水檢修期間，沼蛤大量死亡，管道內(nèi)惡臭味刺鼻，甚至影響至周圍環(huán)境，且對(duì)供水水質(zhì)有污染[1]。

2 沼蛤污染及研究現(xiàn)狀

深圳市東江水源工程管理處在對(duì)供水管道工程進(jìn)行了全面的內(nèi)部檢查后發(fā)現(xiàn)：供水管線全徑，除管線陡坡段、急流段外，管壁沼蛤附生現(xiàn)象嚴(yán)重，沼蛤附著體對(duì)混凝土損害比較嚴(yán)重。其中混凝土管、鋼管、PCCP管及玻璃鋼加沙管沼蛤附著密度分別達(dá)到2 400～3 100、2 900～3 300、700～3 000、300～2 500 個(gè)/m2[2]。

為了預(yù)防沼蛤入侵及其附著引起的生物污損對(duì)輸水工程及自然生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)的危害，國(guó)內(nèi)外已逐漸開(kāi)展了一些防治沼蛤附著污損的方法，目前廣泛采用的方法主要有高壓水沖、人工或機(jī)械刮除[2]。但這些方法不能維持長(zhǎng)期的控制效果，需要反復(fù)開(kāi)展，經(jīng)濟(jì)效果較差，并且在刮除過(guò)程中會(huì)增加管壁的粗糙程度，反而有利于沼蛤的附著。國(guó)外一般采用化學(xué)藥劑消殺沼蛤，另外是溶解沼蛤足絲，使其從附著壁上脫落[3]?；瘜W(xué)方法雖然簡(jiǎn)便，但費(fèi)用高、易造成環(huán)境污染，很多情況下不宜采用。研究表明：有效而又不污染環(huán)境的防治措施必須基于沼蛤?qū)斔艿赖娜肭旨案街匦訹1]。本文以深圳東江水源工程為研究對(duì)象，在對(duì)沼蛤的生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律以及沉降特性、附著特性研究的基礎(chǔ)上，提出輸水工程中沼蛤入侵的生態(tài)防治措施。

3 沼蛤的生物特性

沼蛤的完整發(fā)育過(guò)程為：受精卵、擔(dān)輪幼蟲、面盤幼蟲、躑行幼蟲、稚貝、成貝，其中面盤幼蟲又可區(qū)分為D型幼蟲、前期殼頂幼蟲、后期殼頂幼蟲。研究成果表明，沼蛤幼蟲具有運(yùn)動(dòng)、沉降、避光、附著等特性，各階段沼蛤的生物特性表現(xiàn)出很大差異。這些特性的規(guī)律為研制生物防治沼蛤危害提供了理論依據(jù)。

面盤幼蟲階段和躑行幼蟲階段游泳運(yùn)動(dòng)能力都比較弱，最大運(yùn)動(dòng)速率約為400 μm/s，該速率與水流流速相比，可以忽略[1]。由此可見(jiàn)，沼蛤幼蟲對(duì)遠(yuǎn)距離的水體或人工結(jié)構(gòu)的入侵幾乎完全依靠水流流速，而非自身的游泳能力。

通過(guò)對(duì)幼蟲進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室靜水沉降試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同初始密度條件下，沼蛤幼蟲沉速級(jí)配關(guān)系曲線相似：80%的幼蟲的沉速在100～1 000 μm/s， 20%的幼蟲的沉速在1 000～10 000 μm/s，中值沉速約為800 μm/s[1]。

研究成果表明，沼蛤的附著特性與體長(zhǎng)有關(guān)：體長(zhǎng)200～400 μm為不穩(wěn)定附著體長(zhǎng)；體長(zhǎng)小于150 μm為不具備附著能力體長(zhǎng)；體長(zhǎng)大于450 μm為穩(wěn)定附著體長(zhǎng)。沼蛤的附著表現(xiàn)出對(duì)材料的偏好性：水流條件相同的情況下，放入竹排、膠墊、粗糙PP板、水泥抹面PP板、土工布等附著材料進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果顯示，沼蛤最先附著的材料是布片，隨著附著時(shí)間的增長(zhǎng)，竹排逐漸受到青睞。

4 生物吸附池設(shè)計(jì)原理

根據(jù)沼蛤發(fā)育規(guī)律和生物特性，設(shè)計(jì)了集吸附、沉降、脈動(dòng)滅殺為一體的綜合生物吸附池。設(shè)計(jì)原理如下[1]：為阻止沼蛤入侵輸水管道，在原水經(jīng)過(guò)入泵站的前池后，首先使其進(jìn)入綜合防治試驗(yàn)池進(jìn)行處理；通過(guò)吸附池“吸附”之后再進(jìn)入模擬實(shí)際工程運(yùn)行工況的地下壓力管道，壓力箱涵及無(wú)壓箱涵；運(yùn)行半年以上，檢查設(shè)施中沼蛤的存活情況，驗(yàn)證治理效果。治理思路是將沼蛤全部“消化”在吸附試驗(yàn)池中，杜絕其進(jìn)入供水工程系統(tǒng)。生物吸附池設(shè)計(jì)原理如圖1。

圖1 生物吸附池設(shè)計(jì)流程

5 生物吸附池設(shè)計(jì)要點(diǎn)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)原理和流程，設(shè)計(jì)出了如圖2所示的生物吸附池。

圖2 生物吸附池結(jié)構(gòu)總平面圖

5.1 穩(wěn)定附著段吸附排設(shè)置橫鋪和豎鋪兩種形式

將含有沼蛤幼蟲的江水經(jīng)過(guò)泵(流量120 m3/h)抽入試驗(yàn)池系統(tǒng)的“原水集水池”，經(jīng)過(guò)集水池的下游池壁中線位置處自池底向上開(kāi)鑿的60 cm×60 cm的進(jìn)水口，首先進(jìn)入由橫鋪竹排(與水流方向垂直)組成的“穩(wěn)定棲息地”，即圖2中的“穩(wěn)定附著段1”。水流從靠近池底的位置以淹沒(méi)出流的方式進(jìn)入“穩(wěn)定附著段1”。橫鋪竹排的下一排的竹片之間的縫隙剛好與其上鋪設(shè)的一排的竹片對(duì)齊，以增加水流從底部向上反濾過(guò)程中充分接觸竹片表面。此外，各竹片的凹面向下，像濾排過(guò)濾幼蟲一樣，將大量幼蟲濾于排上附著，加上竹排材料本身為沼蛤穩(wěn)定附著所偏好的材料，因此，本段可謂吸引沼蛤附著的優(yōu)良的棲息地。沼蛤幼蟲在此附著，并穩(wěn)定生長(zhǎng)于此段。在“穩(wěn)定附著段2”中，設(shè)置的是豎排的竹排-吸附排結(jié)構(gòu)形式(與水流方向平行)，如圖3中“I”。豎排竹排-吸附排的曲面形態(tài)利于增加沼蛤幼蟲貼近附著排面的機(jī)會(huì)，更利于幼蟲的附著。

圖3 生物吸附池內(nèi)部布置

為了控制“穩(wěn)定附著段1”及“穩(wěn)定附著段2”中沼蛤穩(wěn)定附著生長(zhǎng)的密度，在該段同時(shí)養(yǎng)殖沼蛤的捕食魚類和競(jìng)爭(zhēng)魚類，并在穩(wěn)定附著段與不穩(wěn)定附著段之間布設(shè)濾網(wǎng)，攔截幼魚和成魚進(jìn)入下游。通過(guò)食物鏈的生態(tài)作用抑制該段中沼蛤附著密度。實(shí)際水源中，由于食物鏈的控制作用，沼蛤的生長(zhǎng)密度處于生態(tài)系統(tǒng)平衡的密度范圍，并未形成極端優(yōu)勢(shì)物種。因此，在試驗(yàn)中用于控制沼蛤附著密度的魚苗也來(lái)自水源河流中自然生長(zhǎng)的魚類物種。在“穩(wěn)定棲息地”段的末端采用孔徑1 cm×1 cm 的濾網(wǎng)攔截，以防止幼魚和成魚進(jìn)入下游的“不穩(wěn)定吸附排”段和“沉降池”段擾動(dòng)水體而影響沼蛤幼蟲的不穩(wěn)定附著效果及沉降效果。魚苗在“穩(wěn)定棲息地”段中，依靠濾食水中的懸浮物質(zhì)及捕食沼蛤浮游幼蟲和附著在竹排表面的沼蛤稚貝和成貝生活，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)沼蛤的食物競(jìng)爭(zhēng)和捕食雙重生態(tài)抑制作用。

5.2 不穩(wěn)定吸附段吸附排兼用兩種吸附材料

水流從“穩(wěn)定棲息地”段流出后，進(jìn)入附著池的“不穩(wěn)定吸附排”段，如圖 3中的“Ⅱ”、“Ⅲ”結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)形式對(duì)水流的阻礙小，且可通過(guò)聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)附著排與水流的夾角來(lái)調(diào)整水流流速和沼蛤幼蟲接觸附著排的幾率?！安环€(wěn)定吸附排”材料為沼蛤幼蟲快速附著所青睞的柔性材料(土工布、無(wú)紡布材料)。采用對(duì)水流阻礙小的豎鋪的形式，來(lái)減少對(duì)輸水能力的影響，同時(shí)可通過(guò)聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)附著排與水流的夾角來(lái)調(diào)整水流流速和沼蛤幼蟲接觸附著排的幾率。吸附排應(yīng)設(shè)計(jì)成拆卸方便，操作簡(jiǎn)單的形式。當(dāng)大量幼蟲向“不穩(wěn)定吸附排”上附著后，定期更換“不穩(wěn)定吸附排”，從而將其上附著的沼蛤幼蟲清除出試驗(yàn)池。取出的“不穩(wěn)定吸附排”通過(guò)晾曬殺死其上附著的沼蛤后，可繼續(xù)使用。

此外，這些“不穩(wěn)定吸附排”不僅能快速吸附沼蛤幼蟲，而且幼蟲附著到吸附排上后，如未取出晾曬，則會(huì)繼續(xù)在排上進(jìn)入穩(wěn)定附著。因此，可以根據(jù)進(jìn)入本段的水流中沼蛤幼蟲密度調(diào)整“不穩(wěn)定吸附排”的運(yùn)行方案：如幼蟲密度高，則利用其快速吸附特性，迅速清除出幼蟲；如幼蟲密度較低，則吸附排上沼蛤的附著密度不易飽和，則可考慮將“不穩(wěn)定附著排”作為“穩(wěn)定附著排”長(zhǎng)期使用，直至其上附著的沼蛤成長(zhǎng)至性成熟前取出，以免本段附著的沼蛤向水體排放幼蟲而繼續(xù)威脅下游的結(jié)構(gòu)。

5.3 沉降池段加入黏土和細(xì)沙

水流流出“附著池”段后，進(jìn)入“沉降池”段，水中殘留的沼蛤幼蟲逐漸沉入池底。沉降池底填入一部分黏土和細(xì)沙，以使沼蛤在受沉降作用落入池底后，由于呼吸和濾食作用均受到池底黏土、細(xì)沙落淤作用的阻礙，沉降到池底的沼蛤幼蟲一般會(huì)迅速死亡，而不至于在此生長(zhǎng)附著。經(jīng)過(guò)沉降池的沉降作用，水中基本無(wú)沼蛤幼蟲，因此，水流可通過(guò)沉降池末端的溢流堰溢流出綜合防治試驗(yàn)池系統(tǒng)，進(jìn)入地下管涵接受長(zhǎng)期檢驗(yàn)。

5.4 池尾設(shè)置脈動(dòng)滅殺管線

為了充分清除剩余的沼蛤幼蟲，在吸附池的最末端布設(shè)一定長(zhǎng)度的脈動(dòng)滅殺管線(圖3中“Ⅳ孔板管脈動(dòng)滅殺段”)接受脈動(dòng)水流的滅殺。此段由3條U型的孔板管組成。U型孔板管的進(jìn)水口均位于沉降池末端接近水面處，并在其上放置可以過(guò)濾雜物的梅花片，以保證進(jìn)入孔板管的水流是經(jīng)過(guò)充分沉降的上清液。U型孔板管的拐彎處靠近沉降池上游，拐彎后，孔板管轉(zhuǎn)向下游，其出水口位于沉降池下游堰的底部，出流方式為自由出流，通過(guò)閥門控制孔板管中流量。其中2 條細(xì)孔板管的外管直徑為150 mm；1條粗孔板管，外管直徑為250 mm?？装骞苡赏夤?、支撐管、孔板組成。為方便孔板裝卸操作，U型孔板管分為多段，通過(guò)法蘭盤密封連接。

U型孔板管中水流是在水頭差驅(qū)動(dòng)下通過(guò)孔板管的，本試驗(yàn)中孔板管進(jìn)、出口水位差為1.3 m，由于水流經(jīng)過(guò)孔板管及各孔板時(shí)的沿程水頭損失和局部水頭損失，用于驅(qū)動(dòng)水流的水頭會(huì)有所降低，因此，可通過(guò)改變孔板管中的孔板數(shù)量來(lái)調(diào)節(jié)水頭損失，以及調(diào)節(jié)孔板管末端閥門的方式控制孔板管中的水流流速。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，孔徑10 mm，孔距2.5 mm，板厚0.8 mm 的大孔板是綜合優(yōu)選的孔板形式。另外，當(dāng)平均流速>0.9 m/s 時(shí)，湍流脈動(dòng)對(duì)沼蛤幼蟲均有滅殺效果，且流速為1.3 m/s 左右時(shí)，滅殺效果最佳。

6 生物吸附池防治效果及討論

從試驗(yàn)后的結(jié)果看，治理試驗(yàn)池壁上的沼蛤附著密度衰減速率比輸水工程中快。在試驗(yàn)池進(jìn)水口至下游5 m范圍內(nèi)，壁面上沼蛤的附著密度由1 600個(gè)/m2衰減到低于200個(gè)/m2，至沉降池的起始端(25 m)處時(shí)附著密度已達(dá)0個(gè)/m2。

沉降池段的主要作用是為了保證水流中的沼蛤幼蟲充分沉降。幼蟲沉底后，由于泥沙落淤的影響，幼蟲的呼吸與進(jìn)食均受到阻礙，從而無(wú)法在池底成活下來(lái)，因此該段池底也未發(fā)現(xiàn)沼蛤成貝附著。地下結(jié)構(gòu)壁面上未發(fā)現(xiàn)沼蛤的附著，即使在極易于沼蛤附著的粗糙壁面及結(jié)構(gòu)形式變化段如地下檢修井?dāng)嗝嫣帯㈤l門斷面處均未發(fā)現(xiàn)沼蛤附著，說(shuō)明防治試驗(yàn)池的治理效果良好。

從沼蛤發(fā)育規(guī)律、生物特性以及生物吸附池的試驗(yàn)研究成果可以看出，通過(guò)物理或生物殺滅的方法是可行的，而且效果明顯。但是，將生物吸附池投入實(shí)際工程不是簡(jiǎn)單的將試驗(yàn)用的生物吸附池到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行放大使用。因此，還 需要針對(duì)實(shí)際運(yùn)行情況下的水流、建設(shè)環(huán)境等具體條件，修改生物吸附池設(shè)計(jì)方案，進(jìn)一步驗(yàn)證自然水體、實(shí)際工程建筑物的情況下滅殺沼蛤的效果；同時(shí)還要針對(duì)實(shí)際場(chǎng)地是否能滿足生物吸附池投產(chǎn)建設(shè)所需條件；建設(shè)期間要進(jìn)行的機(jī)械作業(yè)是否可行，是否對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生影響等問(wèn)題進(jìn)一步研究。

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[1] 徐夢(mèng)珍,王兆印,王旭昭.輸水通道中沼蛤入侵及水力學(xué)防治[J]. 水利學(xué)報(bào),2013,44(7):856-862．

[2] 徐夢(mèng)珍,曹小武,王兆印.輸水工程中沼蛤的附著特性[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,52(2):170-176．

[3] 李名進(jìn),蘇學(xué)敏.長(zhǎng)距離輸水管涵貝類生長(zhǎng)成因分析及防除對(duì)策[J].人民珠江,2007,(3):29-34．