調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.山東省水利科學研究院，濟南 250013；2.山東省農村供排水安全工程技術研究中心，濟南 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等眾多跨流域、跨區域調水工程[1-3]。這些調水工程雖在一定程度上緩解了缺水地區的水資源壓力，但同時也帶來了比較嚴重的生物污損[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水渠道入侵到我國的北方地區[7-9]，如山東省境內南水北調干線、區域配套工程(特別是調蓄水庫)等均出現了不同程度的淡水殼菜入侵滋生問題。

調水工程多為當地重要水源，但淡水殼菜附著在調水工程的渠道、啟閉閘門、泵站葉輪等關鍵位置上，不僅影響工程運行效率，給工程安全帶來隱患，而且也威脅水質安全，破壞入侵地生態系統平衡。因此，預防調水工程中淡水殼菜的入侵，清除已入侵的淡水殼菜，減少其對工程和設備的運行影響，對保障區域供水安全和生態安全尤為必要。本文研究目的是在系統分析淡水殼菜生長特性的基礎上，總結歸納當前淡水殼菜處理的常規方法，并探索性地提出工程條件下的綜合防控技術，為下一步開展實際工作提供科學依據。

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的淡水河流和湖泊中[11-13]，20世紀60年代之后，在東南亞、東亞地區瘋狂繁殖、蔓延[14,15]，通過附著于遠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，殼質薄而堅硬，靠分泌足絲附著生存[19]，以纖毛運動攝取水中的浮游生物和有機碎屑等為生[20,21]；生長發育經歷幼蟲、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，淡水殼菜年度內繁殖期可達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、水流條件等要素關系密切[27]，豐富的藻類和有機質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定的附著環境。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[34]。

1.2 危 害

(1)降低工程輸水能力。李代茂通過監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，易在通道轉折處或分水口處沉積，嚴重時堵塞輸水通道。

(2)影響工程和機械運行安全。淡水殼菜新陳代謝產物[36]引發的化學腐蝕和足絲附著的物理侵蝕會導致輸水通道混凝土保護層脹裂、剝落；閘門、攔污柵以及水輪機葉片等重要水力機械處的附著滋生，容易造成監測數據收集不準確、機械無法正常啟用等潛在危險。

(3)污染水體環境。淡水殼菜代謝消耗溶解氧，排出氨氮和營養鹽，增大了水體富營養化風險，死亡的個體腐爛、發臭，污染水體[37]，同時又易促生真菌和細菌，加劇水質惡化。

(4)破壞原有生態系統平衡。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]，嚴重時甚至可導致宿主生物死亡，種間競爭生物被取代，威脅本地生物生存。

2 常規防治方法

目前，針對淡水殼菜滋生問題，國內外專家學者從物理、化學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，物理方法和化學方法可隨輸水通道沿途發揮作用，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：人工或機械刮除、封閉缺氧、離水干燥、增設預處理設施、調節流速、涂刷特定建筑材料減少附著等。其中，調節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。

調節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；涂料的持續性較差、易脫落，釋放的重金屬對水質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模型試驗，發現當水流流速保持1.2 m/s以上時，可有效抑制淡水殼菜的附著，當水流流速高于2 m/s時，可使已經附著的淡水殼菜脫落，沖刷脫落率可達到30%以上[39,40]。

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

2.2 化學方法

傳統化學方法包括足絲溶解和藥劑殺滅兩大類[41]。

氯是水廠應用最廣泛的水處理消毒劑，之前主要用于去除藻類、有機物，后經實驗發現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境下進行閉殼自我保護的本能，并且過量的消毒副產物會對水體造成二次污染，所以綜合考慮經濟成本和滅殺率，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物質，對種間或種內生物產生直接或間接、促進或抑制的影響[45-47]。基于前期他感作用滅螺的研究效果顯著[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行淡水殼菜滅殺室內模擬實驗，發現0.1%濃度的夾竹桃水浸液40 h左右滅殺率可達到90%[52]。

采用化學方法清除淡水殼菜，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一步論證。

2.3 生物方法

生物方法是指利用生態系統中生物鏈關系，達到防治淡水殼菜的目的。

一種方法是放養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到弱依次為鯉魚、青魚和三角魴，且鯉魚和青魚下咽齒發達，可攝食淡水殼菜的殼長也更長。另一方面，鯉魚和三角魴產黏性卵，可在靜水環境中生存并繁殖形成種群，而青魚產漂流性卵，只能在流水環境中繁殖。故在生產實際中，可根據環境條件混養捕食性魚類，增強治理效果，同時要注意在放養之前用淡水殼菜對魚進行訓食，減小魚類對食物的選擇性。

另一種方法是放養以藻類為食的魚類。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。

結合實際生產和魚類的生活習性發現，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，既能維護生態系統的平衡，保障生態效益，又能產生一定的經濟效益。但相比物理和化學方法，此法作用周期長，不能立竿見影，且對水質的要求較高。

2.4 應用實例

生產實際中，淡水殼菜入侵問題發生前期一般采用物理方法中的人工或機械刮除，見效快，但刮除后容易增大內壁粗糙度，更方便附著；化學藥劑使用最為普遍，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防和治理效果，多選用多種方法同時作用。表1為常規防治方法應用實例。

表1 常規防治方法應用實例

3 工程條件下的新方法探索

通過常規方法在生產實際中的應用發現，單一防治方法短期內雖能發揮一定作用，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，本文進行了工程條件下淡水殼菜防治方法的融合探索，創造性提出工程條件下的綜合防治方法。

3.1 設計理念

淡水殼菜防治是一項系統性工程， 既要充分發揮單一方法的優點，更應兼顧工程實際，增進不同方法間的協調互補。調水工程一般具有水量大、流速快、輸水過程不能中斷等特點，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段，各區段特征明顯。故探尋工程條件下的防治方法時，要結合工程特點，盡可能遵循現有工程基礎，從工程全線或某一特征區段入手，單點選取現有適宜方法的基礎上，將物理、化學和生物方法融合，建立鏈式反應機制，實現功能互補，既保證單點作用的發揮，又提升整個渠道防治作用的系統性和長效性，增強防治效果，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計思路在于根據調水工程的區段特點，分別采取相宜的防治方法，集原生控制、物理隔離和化學滅殺功能于一體，使防控網覆蓋整個工程。多級分段防控法可有兩種表現方式，具體見圖1所示。

圖1 多級分段法示意圖

水源段可充分發揮生物防治的作用，通過放養經濟魚類，建立捕食或競爭關系，防止原生環境中淡水殼菜的大量繁殖。利用化學藥劑，增強對輸水管線沿途的滅殺防控，對于新設通道，可在內壁涂刷特定材料防止附著。在取水口段設置濾網、砂濾池等，意在截留一部分成體和幼蟲，減少侵入量；而在出口段進行物理截留，主要可避免前面區段死亡和殘留的淡水殼菜進入后續系統，影響正常的運行管理。

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

3.3 集中分區防控法

“集中”意為選取工程的某一特征處作為控制段，“分區”則是在控制段內劃分不同的功能區。根據實際需要，段內進行不同防治方法的功能組合即為“集中分區防控法”。控制段水平剖面圖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1為沉降附著區，一方面可通過降低渠底高程，增大過水斷面，改變水動力場，降低水流速，便于淡水殼菜附著；另一方面順水流方向放置格柵，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1聚集，進一步提高功能區1的功效。功能區3設置紫外線照射，進一步殺滅水流中可能殘存的淡水殼菜卵。

3個功能區疊加，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。功能分區的數量和方法類型可根據實際需要進行調整和選擇。

3.4 方法比較

多級分段防控法對現有工程的適應性強，可實現調水工程全程控制，既充分發揮常規防治方法的作用，又可實現方法間的互補增強。但該方法涉及范圍廣，聯合調控難度大，面臨管理和投資的雙重困難，且缺乏滅卵的針對性措施，后期滋生的風險較高。

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

兩種方法形式上雖明顯不同，但功能特點比較一致，不僅可以清理已經入侵的淡水殼菜，還可以有效預防淡水殼菜的入侵，防治結合。

綜上所述，工程條件較為理想且對水生生物無要求時，集中分區防控法優勢明顯；工程沿線地形條件不允許或專業標準達不到的情況下，多級分段防控法因地制宜的特點突顯。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條件和現有方法技術，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，有效預防淡水殼菜入侵。另一方面，可在本文方法的基礎上，替換或添加防治其他生物污損的措施單元，實現循環利用或梯級利用，發揮多項功能。

新方法在不增加新型技術難點的情況下，依托現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防的雙重要求，又符合資源節約和可持續的生態理念，經濟效益比顯著，可為工程安全有效運行、確保區域供水安全提供重要保障。

4 結 語

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

(2)常規的物理、化學和生物防治方法，在殺滅效果、實用性和經濟成本等方面各有利弊。綜合來看，物理方法簡單，但大范圍應用的難度較高；化學方法效果明顯，但添加劑副產物對水質安全存在潛在風險；生物方法遵循自然規律，既追求防治效果，又保護生態，但產生作用所需時間較長。

(3)基于工程條件，對常規方法進行組合互補，探索出多級分段防控和集中分區防控兩種新方法。集中分區防控法便于管理，經濟實用，但對場地和設施要求較高，且影響其他水生生物生存；多級分段防控法尊重現有工程基礎，注重方法間融合，但聯合調度復雜，管理困難。

(4)截至目前，淡水殼菜防治仍存在清除不徹底、添加劑副產物污染水體等問題。滅殺率高、對水質或其他生物不產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，建立聯合作用機制，原生地控制繁殖，過程段阻斷附著衍生，入侵地嚴格清除，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。