調(diào)水工程中淡水殼菜防治方法研究

宋美華，張保祥，劉 健，卜慶偉，張凌曉，林 琳，唐 漪

(1.山東省水利科學(xué)研究院，濟(jì)南 250013；2.山東省農(nóng)村供排水安全工程技術(shù)研究中心，濟(jì)南 250013)

為有效解決水資源時空分布不均問題，我國興建了南水北調(diào)等眾多跨流域、跨區(qū)域調(diào)水工程[1-3]。這些調(diào)水工程雖在一定程度上緩解了缺水地區(qū)的水資源壓力，但同時也帶來了比較嚴(yán)重的生物污損[4]問題，其中淡水殼菜入侵是眾多生物污損問題中較為突出的一項[5]。在我國，淡水殼菜原發(fā)于南方的珠江及長江中下游流域[6]。近幾年，淡水殼菜隨水流沿調(diào)水渠道入侵到我國的北方地區(qū)[7-9]，如山東省境內(nèi)南水北調(diào)干線、區(qū)域配套工程(特別是調(diào)蓄水庫)等均出現(xiàn)了不同程度的淡水殼菜入侵滋生問題。

調(diào)水工程多為當(dāng)?shù)刂匾?，但淡水殼菜附著在調(diào)水工程的渠道、啟閉閘門、泵站葉輪等關(guān)鍵位置上，不僅影響工程運(yùn)行效率，給工程安全帶來隱患，而且也威脅水質(zhì)安全，破壞入侵地生態(tài)系統(tǒng)平衡。因此，預(yù)防調(diào)水工程中淡水殼菜的入侵，清除已入侵的淡水殼菜，減少其對工程和設(shè)備的運(yùn)行影響，對保障區(qū)域供水安全和生態(tài)安全尤為必要。本文研究目的是在系統(tǒng)分析淡水殼菜生長特性的基礎(chǔ)上，總結(jié)歸納當(dāng)前淡水殼菜處理的常規(guī)方法，并探索性地提出工程條件下的綜合防控技術(shù)，為下一步開展實際工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 生長特性及危害

淡水殼菜(Limnoperna fortunei)，又名沼蛤，英文名Golden Mussel，雙殼綱，貽貝科[10 ]，群棲性動物。從世界范圍來看，淡水殼菜原生于東南亞地區(qū)的淡水河流和湖泊中[11-13]，20世紀(jì)60年代之后，在東南亞、東亞地區(qū)瘋狂繁殖、蔓延[14,15]，通過附著于遠(yuǎn)洋商船的船體外殼及壓艙水中等方式，被帶到世界各地[16-18]。

1.1 生長特性

淡水殼菜外形近似三角形，殼質(zhì)薄而堅硬，靠分泌足絲附著生存[19]，以纖毛運(yùn)動攝取水中的浮游生物和有機(jī)碎屑等為生[20,21]；生長發(fā)育經(jīng)歷幼蟲、幼貝和成貝三個階段[22]；生長和繁殖的適宜水溫為16～28 ℃，具體繁殖季節(jié)和生長周期具有明顯的地域差異。在南美洲，淡水殼菜年度內(nèi)繁殖期可達(dá)9個月，壽命一般不超過3年[23,24]，而在亞洲，淡水殼菜的高峰繁殖期在5-8月，最長壽命可達(dá)5年[25,26]。

淡水殼菜的生長分布與水體中藻類含量、葉綠素濃度、水流條件等要素關(guān)系密切[27]，豐富的藻類和有機(jī)質(zhì)等可為其提供充足的食物保障，流速緩且變化小的水體可為其提供穩(wěn)定的附著環(huán)境。垂直方向上，光照對淡水殼菜生長有抑制作用，且淡水殼菜生存離不開水[28,29]，故其一般分布在常年最低水位線以下[30]；水平方向上，水流流速越緩[31]、變化越小[32]，附著物表面越粗糙[33]，越有利于淡水殼菜足絲的分泌固結(jié)[34]。

1.2 危 害

(1)降低工程輸水能力。李代茂通過監(jiān)測分析工程泵站得到，淡水殼菜的聚集使管道粗糙率增大了35%，輸水能力降低了17%[35]。脫落個體可隨水流移動，易在通道轉(zhuǎn)折處或分水口處沉積，嚴(yán)重時堵塞輸水通道。

(2)影響工程和機(jī)械運(yùn)行安全。淡水殼菜新陳代謝產(chǎn)物[36]引發(fā)的化學(xué)腐蝕和足絲附著的物理侵蝕會導(dǎo)致輸水通道混凝土保護(hù)層脹裂、剝落；閘門、攔污柵以及水輪機(jī)葉片等重要水力機(jī)械處的附著滋生，容易造成監(jiān)測數(shù)據(jù)收集不準(zhǔn)確、機(jī)械無法正常啟用等潛在危險。

(3)污染水體環(huán)境。淡水殼菜代謝消耗溶解氧，排出氨氮和營養(yǎng)鹽，增大了水體富營養(yǎng)化風(fēng)險，死亡的個體腐爛、發(fā)臭，污染水體[37]，同時又易促生真菌和細(xì)菌，加劇水質(zhì)惡化。

(4)破壞原有生態(tài)系統(tǒng)平衡。作為入侵物種的淡水殼菜，威脅蚌類等宿主生物的生存，會改變某些生物特別是以藻類和淡水殼菜為食的魚類的食性[38]，嚴(yán)重時甚至可導(dǎo)致宿主生物死亡，種間競爭生物被取代，威脅本地生物生存。

2 常規(guī)防治方法

目前，針對淡水殼菜滋生問題，國內(nèi)外專家學(xué)者從物理、化學(xué)和生物等方面提出了多種清除甚至殺滅淡水殼菜的方法。其中，物理方法和化學(xué)方法可隨輸水通道沿途發(fā)揮作用，而生物方法因選用的生物對生存空間有特定要求，故一般適用于固定水域。

2.1 物理方法

常用的物理方法有：人工或機(jī)械刮除、封閉缺氧、離水干燥、增設(shè)預(yù)處理設(shè)施、調(diào)節(jié)流速、涂刷特定建筑材料減少附著等。其中，調(diào)節(jié)流速和涂刷特定材料是為了阻止淡水殼菜的附著，而封閉缺氧和離水干燥可起到殺滅淡水殼菜的作用。

調(diào)節(jié)流速法要求在確保管道安全性的前提下盡量提高流速，但能耗高，且長距離輸水難以實現(xiàn)；涂料的持續(xù)性較差、易脫落，釋放的重金屬對水質(zhì)安全造成極大的隱患。封閉缺氧法和離水干燥法的實際操作難度較大，封閉缺氧要求管道密閉性較高，適用于小型輸水管線；離水干燥要求管道脫水時間較長，適用于周期漲落水體或間歇供水工程。砂濾池法屬于預(yù)處理的一種，管理上相對簡便可行，但對過水能力存在一定影響。

葉寶民、劉哲等人先后通過分析工程實際和室內(nèi)模型試驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)水流流速保持1.2 m/s以上時，可有效抑制淡水殼菜的附著，當(dāng)水流流速高于2 m/s時，可使已經(jīng)附著的淡水殼菜脫落，沖刷脫落率可達(dá)到30%以上[39,40]。

物理方法對水體水質(zhì)基本無影響，但需定期清理，且容易受到管道承壓強(qiáng)度和供排水條件等工程限制，無法完全呈現(xiàn)室內(nèi)試驗的理論值，故實際滅殺效果達(dá)不到理想狀態(tài)。

2.2 化學(xué)方法

傳統(tǒng)化學(xué)方法包括足絲溶解和藥劑殺滅兩大類[41]。

氯是水廠應(yīng)用最廣泛的水處理消毒劑，之前主要用于去除藻類、有機(jī)物，后經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)氯對淡水殼菜的殺滅效果也非常明顯[42,43]。而次氯酸鈉是目前唯一能溶解淡水殼菜足絲的藥劑[44]。但淡水殼菜具有在惡劣環(huán)境下進(jìn)行閉殼自我保護(hù)的本能，并且過量的消毒副產(chǎn)物會對水體造成二次污染，所以綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本和滅殺率，藥劑投加量存在一個合理范圍。

他感作用殺滅淡水殼菜是新興的研究方向。他感作用指植物或微生物通過釋放代謝過程中的一些化學(xué)物質(zhì)，對種間或種內(nèi)生物產(chǎn)生直接或間接、促進(jìn)或抑制的影響[45-47]?；谇捌谒凶饔脺缏莸难芯啃Ч@著[48-51]，譚纖茹等人對9種滅螺效果較好的他感植物浸泡液進(jìn)行淡水殼菜滅殺室內(nèi)模擬實驗，發(fā)現(xiàn)0.1%濃度的夾竹桃水浸液40 h左右滅殺率可達(dá)到90%[52]。

采用化學(xué)方法清除淡水殼菜，用時短、見效快，但考慮到水體安全和具體用途的要求，藥劑類型的選取、投加量、作用場所和作用時間還需進(jìn)一步論證。

2.3 生物方法

生物方法是指利用生態(tài)系統(tǒng)中生物鏈關(guān)系，達(dá)到防治淡水殼菜的目的。

一種方法是放養(yǎng)以淡水殼菜為食的魚類，常見的有三角魴、青魚和鯉魚等[53]。單位體重攝食淡水殼菜的能力由強(qiáng)到弱依次為鯉魚、青魚和三角魴，且鯉魚和青魚下咽齒發(fā)達(dá)，可攝食淡水殼菜的殼長也更長。另一方面，鯉魚和三角魴產(chǎn)黏性卵，可在靜水環(huán)境中生存并繁殖形成種群，而青魚產(chǎn)漂流性卵，只能在流水環(huán)境中繁殖。故在生產(chǎn)實際中，可根據(jù)環(huán)境條件混養(yǎng)捕食性魚類，增強(qiáng)治理效果，同時要注意在放養(yǎng)之前用淡水殼菜對魚進(jìn)行訓(xùn)食，減小魚類對食物的選擇性。

另一種方法是放養(yǎng)以藻類為食的魚類。鑒于淡水殼菜主要以濾食硅藻為主，故可考慮在水體中投放濾食性魚類，通過競爭覓食，減少淡水殼菜的食物來源，限制其生長。

結(jié)合實際生產(chǎn)和魚類的生活習(xí)性發(fā)現(xiàn)，生物方法適用于水庫、湖泊等流動性較小的開放水體。利用生物方法解決淡水殼菜問題，既能維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的平衡，保障生態(tài)效益，又能產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。但相比物理和化學(xué)方法，此法作用周期長，不能立竿見影，且對水質(zhì)的要求較高。

2.4 應(yīng)用實例

生產(chǎn)實際中，淡水殼菜入侵問題發(fā)生前期一般采用物理方法中的人工或機(jī)械刮除，見效快，但刮除后容易增大內(nèi)壁粗糙度，更方便附著；化學(xué)藥劑使用最為普遍，但限于藥劑類型和添加量等原因殺滅效果不理想。近年來，隨著對淡水殼菜防治方法研究的不斷豐富，為提高淡水殼菜入侵預(yù)防和治理效果，多選用多種方法同時作用。表1為常規(guī)防治方法應(yīng)用實例。

表1 常規(guī)防治方法應(yīng)用實例

3 工程條件下的新方法探索

通過常規(guī)方法在生產(chǎn)實際中的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，單一防治方法短期內(nèi)雖能發(fā)揮一定作用，但對整個輸水渠道作用的長效性得不到保證，即使工程中采用多種防治方法，也只是不同方法的簡單疊加，實際效果仍然不理想。對此，本文進(jìn)行了工程條件下淡水殼菜防治方法的融合探索，創(chuàng)造性提出工程條件下的綜合防治方法。

3.1 設(shè)計理念

淡水殼菜防治是一項系統(tǒng)性工程， 既要充分發(fā)揮單一方法的優(yōu)點(diǎn)，更應(yīng)兼顧工程實際，增進(jìn)不同方法間的協(xié)調(diào)互補(bǔ)。調(diào)水工程一般具有水量大、流速快、輸水過程不能中斷等特點(diǎn)，工程線路長，一般可分為水源、取水口、輸水通道和出水口四級區(qū)段，各區(qū)段特征明顯。故探尋工程條件下的防治方法時，要結(jié)合工程特點(diǎn)，盡可能遵循現(xiàn)有工程基礎(chǔ)，從工程全線或某一特征區(qū)段入手，單點(diǎn)選取現(xiàn)有適宜方法的基礎(chǔ)上，將物理、化學(xué)和生物方法融合，建立鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)制，實現(xiàn)功能互補(bǔ)，既保證單點(diǎn)作用的發(fā)揮，又提升整個渠道防治作用的系統(tǒng)性和長效性，增強(qiáng)防治效果，追求效益的最大化。

3.2 多級分段防控法

多級分段防控法的設(shè)計思路在于根據(jù)調(diào)水工程的區(qū)段特點(diǎn)，分別采取相宜的防治方法，集原生控制、物理隔離和化學(xué)滅殺功能于一體，使防控網(wǎng)覆蓋整個工程。多級分段防控法可有兩種表現(xiàn)方式，具體見圖1所示。

圖1 多級分段法示意圖

水源段可充分發(fā)揮生物防治的作用，通過放養(yǎng)經(jīng)濟(jì)魚類，建立捕食或競爭關(guān)系，防止原生環(huán)境中淡水殼菜的大量繁殖。利用化學(xué)藥劑，增強(qiáng)對輸水管線沿途的滅殺防控，對于新設(shè)通道，可在內(nèi)壁涂刷特定材料防止附著。在取水口段設(shè)置濾網(wǎng)、砂濾池等，意在截留一部分成體和幼蟲，減少侵入量；而在出口段進(jìn)行物理截留，主要可避免前面區(qū)段死亡和殘留的淡水殼菜進(jìn)入后續(xù)系統(tǒng)，影響正常的運(yùn)行管理。

從水源地到用水地，經(jīng)過捕食競爭、附著沉降和化學(xué)滅殺等一系列措施，可大幅減少淡水殼菜的入侵量，大大減弱其危害性。

3.3 集中分區(qū)防控法

“集中”意為選取工程的某一特征處作為控制段，“分區(qū)”則是在控制段內(nèi)劃分不同的功能區(qū)。根據(jù)實際需要，段內(nèi)進(jìn)行不同防治方法的功能組合即為“集中分區(qū)防控法”?？刂贫嗡狡拭鎴D和縱斷面圖分別見圖2和圖3所示。

圖2 控制段水平剖面圖

圖3 控制段縱斷面圖

功能區(qū)1為沉降附著區(qū)，一方面可通過降低渠底高程，增大過水?dāng)嗝?，改變水動力場，降低水流速，便于淡水殼菜附著；另一方面順?biāo)鞣较蚍胖酶駯?，在不影響過水能力的條件下，為淡水殼菜提供更多附著載體。功能區(qū)2采用超聲波矩陣干擾生物，使其無法通過或靠近，從而阻斷淡水殼菜的入侵，同時迫使淡水殼菜在功能區(qū)1聚集，進(jìn)一步提高功能區(qū)1的功效。功能區(qū)3設(shè)置紫外線照射，進(jìn)一步殺滅水流中可能殘存的淡水殼菜卵。

3個功能區(qū)疊加，既可截留淡水殼菜成年個體，同時也可殺滅幼蟲及卵，杜絕后期滋生的可能。功能分區(qū)的數(shù)量和方法類型可根據(jù)實際需要進(jìn)行調(diào)整和選擇。

3.4 方法比較

多級分段防控法對現(xiàn)有工程的適應(yīng)性強(qiáng)，可實現(xiàn)調(diào)水工程全程控制，既充分發(fā)揮常規(guī)防治方法的作用，又可實現(xiàn)方法間的互補(bǔ)增強(qiáng)。但該方法涉及范圍廣，聯(lián)合調(diào)控難度大，面臨管理和投資的雙重困難，且缺乏滅卵的針對性措施，后期滋生的風(fēng)險較高。

集中分區(qū)防控法簡單實用，可根據(jù)不同需求選取不同方法組合，靈活增減功能分區(qū)，且功能分區(qū)相對集中，便于管理。另一方面，功能區(qū)可均選用物理方法，對工程運(yùn)行和水質(zhì)安全無任何影響。但因功能區(qū)集中，超聲波及紫外線的防護(hù)要求也較高，故對場地和設(shè)施存在專業(yè)要求，且超聲波和紫外線可能會對水體中其他生物產(chǎn)生毀滅性影響。

兩種方法形式上雖明顯不同，但功能特點(diǎn)比較一致，不僅可以清理已經(jīng)入侵的淡水殼菜，還可以有效預(yù)防淡水殼菜的入侵，防治結(jié)合。

綜上所述，工程條件較為理想且對水生生物無要求時，集中分區(qū)防控法優(yōu)勢明顯；工程沿線地形條件不允許或?qū)I(yè)標(biāo)準(zhǔn)達(dá)不到的情況下，多級分段防控法因地制宜的特點(diǎn)突顯。因此實際工程中，需具體論證、比較兩種方法的可行性。

3.5 應(yīng)用前景

本文提出的工程條件下的淡水殼菜防治方法，一方面充分考慮了工程基礎(chǔ)條件和現(xiàn)有方法技術(shù)，通過不同方法間的靈活搭配，增大防治效果，清理已入侵淡水殼菜的同時，有效預(yù)防淡水殼菜入侵。另一方面，可在本文方法的基礎(chǔ)上，替換或添加防治其他生物污損的措施單元，實現(xiàn)循環(huán)利用或梯級利用，發(fā)揮多項功能。

新方法在不增加新型技術(shù)難點(diǎn)的情況下，依托現(xiàn)有工程條件因地制宜，整合利用資源，既滿足淡水殼菜治理和預(yù)防的雙重要求，又符合資源節(jié)約和可持續(xù)的生態(tài)理念，經(jīng)濟(jì)效益比顯著，可為工程安全有效運(yùn)行、確保區(qū)域供水安全提供重要保障。

4 結(jié) 語

(1)淡水殼菜繁殖力強(qiáng)，附著群居生長，影響工程輸水能力和水質(zhì)安全，威脅入侵地生態(tài)系統(tǒng)安全。

(2)常規(guī)的物理、化學(xué)和生物防治方法，在殺滅效果、實用性和經(jīng)濟(jì)成本等方面各有利弊。綜合來看，物理方法簡單，但大范圍應(yīng)用的難度較高；化學(xué)方法效果明顯，但添加劑副產(chǎn)物對水質(zhì)安全存在潛在風(fēng)險；生物方法遵循自然規(guī)律，既追求防治效果，又保護(hù)生態(tài)，但產(chǎn)生作用所需時間較長。

(3)基于工程條件，對常規(guī)方法進(jìn)行組合互補(bǔ)，探索出多級分段防控和集中分區(qū)防控兩種新方法。集中分區(qū)防控法便于管理，經(jīng)濟(jì)實用，但對場地和設(shè)施要求較高，且影響其他水生生物生存；多級分段防控法尊重現(xiàn)有工程基礎(chǔ)，注重方法間融合，但聯(lián)合調(diào)度復(fù)雜，管理困難。

(4)截至目前，淡水殼菜防治仍存在清除不徹底、添加劑副產(chǎn)物污染水體等問題。滅殺率高、對水質(zhì)或其他生物不產(chǎn)生影響或影響較小的理想試劑的選取或研制，是目前處理技術(shù)未能解決的難題之一。分別從原生地、入侵過程段和入侵地入手，建立聯(lián)合作用機(jī)制，原生地控制繁殖，過程段阻斷附著衍生，入侵地嚴(yán)格清除，降低甚至消除對水體的二次污染，是未來淡水殼菜防治工作研究的重點(diǎn)。