输水工程中淡水壳菜侵蚀混凝土的机理研究

淡水壳菜附着在输水建筑物内壁会导致混凝土性能劣化,研究淡水壳菜附着规律与侵蚀混凝土的微观机理对建筑物防护对策的制定具有重要价值。本文研究了淡水壳菜在输水建筑物内部附着规律、足丝入侵机制、体长空间差异性;通过原位混凝土硬度、侵蚀深度测试,分析了淡水壳菜对混凝土物理性质的影响;基于侵蚀前后混凝土微观形貌、化学元素变化及XRD衍射图谱,解析了淡水壳菜对混凝土侵蚀的微观机理,提出了侵蚀后混凝土的物相转化机制。结果表明:淡水壳菜附着密度在渡槽内部自入口到出口呈现出衰减规律;在倒虹吸内部附着密度呈现出沿程波动特点,但总体稳定。淡水壳菜平均垂向分离力与体长呈正相关关系;淡水壳菜体长在大尺度空间上表现为“南方长,北方短”特点,相差10 mm,体长分布形式符合高斯分布。淡水壳菜长期附着下,混凝土硬度降低、侵蚀深度有所增加;微观形貌疏松多孔,Ca、Fe等元素流失;混凝土的侵蚀产物主要为二氧化硅。

输水建筑物表面淡水壳菜防护涂层研发及适用性分析

淡水壳菜附着在输水建筑物壁面会导致输水结构混凝土性能劣化、糙率增加等诸多严重问题,然而当前尚缺乏切实有效的防治对策。针对输水建筑物中淡水壳菜防治难题,研发了一种无毒新型淡水壳菜防护涂层,通过试验手段表征了涂层微结构、表面能、力学性能等;研究了淡水壳菜活体在涂层表面的行为特性,对比了研发涂层与6种现存涂层表面淡水壳菜的平均附着率和平均垂向分离力,深入分析了淡水壳菜在现存涂层表面的附着机理及研发涂层的防附着机理。结果表明:与6类无毒现存涂层中防附着效果较好的硅橡胶涂层相比,本文所研发涂层淡水壳菜平均附着率、平均垂向分离力分别下降58.33%,46.67%;与混凝土表面相比,涂层表面淡水壳菜平均附着率、平均垂向分离力分别下降80.26%,91.11%。研发涂层同时具备“低表面能”“微结构”“弹性”“低污损脱除参量”特点,污损脱除参数优于同类涂层。本研究可为输水建筑物中淡水壳菜防护涂层选择与性能分析提供参考,对淡水壳菜防治提供一种新路径。

生物附着现象对有压输水工程过流能力的影响

针对我国输水工程中生物污损现象造成的壁面混凝土剥落、有效过水断面缩小以及水质恶化等问题,依托南水北调中线某输水建筑物,开展了不同面积占比下的室内模型试验,并采用多孔介质域数值仿真分析了以淡水壳菜为主的生物附着下的有压管道三维流场和淡水壳菜附着对有压输水工程过流能力的影响。结果表明:受淡水壳菜附着的影响,有压管道水流呈主流偏移现象,近壁面水流质点动量交换更加剧烈;断面糙率与附着厚度及面积占比均呈正相关关系,低密度时,影响因素主要为淡水壳菜附着数目,高密度时,附着厚度为主要因素。

沼蛤(Limnoperna fortunei)幼虫的附着行为特性

沼蛤(Limnoperna fortunei Dunker,1857),俗称淡水壳菜,是一种扩散能力与适应能力都较强的入侵性底栖动物,它对自然环境与输水工程的侵入和大规模附着,不仅会破坏当地的生物群落结构,而且沼蛤成贝在工程内稳定附着后难以去除,造成重大工程危害。通过试验研究沼蛤幼虫的附着行为特性,并利用该特性对原水中的幼虫进行吸引附着处理,以减少幼虫进入工程造成污损附着。选用前期研究推荐的沼蛤幼虫喜好附着的黄麻材料制成的附着排作为试验材料,设置5组附着排长度工况:1,3,5,6,8 m,在5组流量工况:3.1,5.7,6.7,9.6,12.1 L/s下开展试验,研究不同附着排长度和流量条件下沼蛤幼虫的附着行为,以便优选出吸附幼虫的最佳条件。试验结果表明:(1)黄麻材料的吸附效果与附着排长度呈正相关关系,材料长度为3—5m时,吸附率即可达到50%;材料长度为6—8 m时,平均效果为62—76%,最佳吸附率可达93%;(2)流量过大会降低幼虫吸附效果,吸附也更不稳定;(3)幼虫发育先后经历D型幼虫、前期壳顶幼虫、后期壳顶幼虫、踯行期4个时期,吸附材料对后期壳顶和踯行期幼虫的吸附效果较前期壳顶幼虫更好;(4)附着材料密集布置于较短的长度内比稀疏布置于较长的长度内更有利于提高附着效果。

Experimental Study of Invasion and Biofouling of Freshwater Mussel <i>Limnoperna fortunei</i>

Golden mussel Limnoperna fortunei(Dunker 1857) is a filter-collector species of fresh water mussel originating from southern China. In the water transfer tunnels from the East River to Shenzhen and Hong Kong, golden mussels attach to the walls of pipelines and gates, causing serious biofouling, increased flow resistance, and resulted in corrosion of the tunnel wall. Golden mussel has very high environmental adaptability and may colonize habitats with low dissolved oxygen and a wide range of trophic levels. The colonization process of the species on solid surface was studied in the Xizhijiang River, a tributary of the East River and the main water resource of Shenzhen from March 2010 to April 2011. The results showed that the golden mussel completed three generations and reproduced six cohorts per year in the tropic zone. Water temperature was the controlling factor for the growth rate and maturity of each cohort. Based on the results, an ecological method for controlling the invasion of golden mussels in water transfer tunnels was proposed.

北京典型水域贝类和虾类生物多样性监测及入侵风险分析

【目的】了解北京地区典型水域贝类和虾类生物多样性,分析外来水生入侵物种的生态风险。【方法】选取北运河、潮白河、永定河、大清河和蓟运河五大水系以及南水北调蓄水工程沿线等北京地区典型水域,于2020年6、8和10月开展3次监测工作。共设置监测站点48个,涵盖河流、湖泊、水库等不同水体类型。通过对采集样品的分类鉴定,分析北京地区贝类和虾类物种组成、分布特征和生物多样性,同时对入侵贝类沼蛤的生态风险进行初步分析。【结果】本研究共鉴定出贝类和虾类13科27种,其中,贝类11科22种,虾类2科5种。角形环棱螺、纹沼螺、中华新米虾和铜锈环棱螺为各监测站点中的优势物种。从监测时间分析,各监测站点贝类和虾类的物种数量、密度和生物量都随着监测时间的延续表现为先升高后降低的趋势,而生物多样性表现为持续升高趋势。从水体类型分析,各监测站点贝类和虾类的物种组成和生物多样性没有表现出显著差异,同质化趋势明显,而湖泊型水体贝类和虾类的生物量和密度较高。此外,本研究在玉渊潭西湖和龙潭闸2个站点均采集获得入侵贝类沼蛤的活体样品,且在3次监测中沼蛤种群密度均较大,这表明北京地区沼蛤生物入侵风险较大,需持续开展跟踪监测并密切关注其种群发展动态。【结论】北京地区底栖动物尤其是贝类和虾类资源较为丰富,但相关监测调查仍然没有全面覆盖本地贝类和虾类物种,在后续工作中应该加大监测力度,同时应密切关注入侵生物沼蛤的种群动态和入侵情况。

淡水入侵生物沼蛤的污损机制与防污措施研究进展

沼蛤是一种典型的淡水入侵贝类,能够利用其分泌的足丝牢固黏附在多种水下基质表面,引起严重的生物污损问题。沼蛤污损不但影响水生态系统健康,也给水利工程、交通运输、水产养殖等行业带来经济损失,已成为全球水生态系统安全和国民经济重要行业的潜在威胁,相关防污工作亟待开展。欲从根本上解决沼蛤污损问题,一方面需要加强对其基础生物学特性和污损机制的深入解析,另一方面也需要在此基础上研发更加经济、高效、环境友好的防污措施。本文综述了近年来国内外关于沼蛤污损生物学特性、污损机制和防污措施方面的研究进展,尤其是对沼蛤生物污损发生的主要机制如足探测识别、足丝黏附和环境影响等方面进行了总结,也从物理、化学、生物和防污材料等角度阐述了现有的沼蛤污损控制措施并对未来发展方向进行了展望,以期更加深入地理解沼蛤生物污损现象,为揭示其作用机制、制定科学有效的防污措施、维护水生态系统安全提供数据支撑,综述内容对于水下仿生材料研发也具有重要的参考价值。

封闭缺氧法杀灭和去除管道中的淡水壳菜研究

在人为隔绝氧气和食物等养分的条件下，研究了淡水壳菜的壳长、水温、其与原水体积比、水中溶解氧等因素对淡水壳菜生存状况的影响。结果表明，壳长为0～5mm的淡水壳菜对缺氧环境的耐受力较差，至第8天时就已完全死亡，而壳长为10～20mm的淡水壳菜则耐受力相对较强，达100％死亡率约需11d；高水温时水中溶解氧值下降明显，导致淡水壳菜的死亡速度加快，25℃时只需7d即全部死亡，而20℃时则需11d；淡水壳菜与原水的体积比越大则溶解氧的消耗越快，淡水壳菜的死亡率随之增加。当淡水壳菜与原水体积比分别为1／3（A组）和1／4（B组）时，自试验的第2天起A组的溶解氧值一直低于B组，至第7天时A、B两组的溶解氧分别降至1．49mg/L和2．01mg／L，并且A组在第7天达100％死亡率，B组则在第9天才全部死亡。

高锰酸钾对淡水壳菜的杀灭试验

为减少淡水壳菜对原水输水管道造成的危害,对不同条件下原水中高锰酸钾对淡水壳菜的杀灭效果进行研究,结果表明:高锰酸钾对于淡水壳菜具有一定的杀灭作用,在同一温度下,杀灭效果先随质量浓度增加而增加,当质量浓度达1.5 mg/L时,杀灭速率最快,在1.8 mg/L溶液中速率稍有下降.接触2 mg/L以上高锰酸钾溶液淡水壳菜便长时间闭壳自我保护,闭壳时间可达8 d以上,此时,杀灭效果与闭壳保护时间有关,与药剂质量浓度关系不大,当闭壳达到自身营养物质消耗殆尽时则死亡.因此,高锰酸钾的投加质量浓度选择1.2～1.8 mg/L可达到尽快杀灭淡水壳菜的目的,同时节约药剂成本.随着温度的升高,杀灭效果明显提高.不同壳长的淡水壳菜对药剂的忍耐力也不同,壳长小于10 mm和大于20 mm的对药剂的忍耐力稍弱,而处于中间壳长的忍耐力较强.

原水管道中淡水壳菜足丝的溶解性能研究

淡水壳菜依靠足丝附着在管道内壁,并快速大量繁殖,会导致管道、阀门等堵塞。研究了足丝在强酸、强碱、水处理氧化剂中的溶解性能。结果表明:除次氯酸钠外,其他试验药剂都不能溶解淡水壳菜的足丝。导致足丝溶解的有效成分是次氯酸根。水中余氯达到1mg/L的次氯酸钠溶液,可在36h内完全溶解分泌24h后的足丝,127h内完全溶解老化的足丝。因此,可以通过投加次氯酸钠降低足丝的附着能力,从而去除管道中的贝壳。

原水输送涵管中贝类代谢特性研究

沼蛤是一种淡水污损贻贝,在室内试验条件下对其耗氧率和排氨率进行了研究。结果表 明,水温增高,沼蛤的耗氧率和排氨率也增大,随贝龄的增加和体重的增大,单位组织干重沼蛤的耗 氧率和排氨率降低。耗氧率(RO)和干肉重(W)的关系为RO=0．233 6 W-0.679(R=0．738 3,p <0．01,n=8),排氨率(RN)与干肉重的关系为RN=0．033 2 W-0.7952(R=0．805 6,p<0．01,n= 8)。在有光照和无光照情况下,沼蛤的耗氧率和排氨率没有显著差异。

淡水壳菜在含氯水中的开闭壳行为与杀灭效果分析

对淡水壳菜在含氯和不含氯原水中的开闭壳行为进行了观测分析,对比了在短期加氯、间歇性加氯和持续加氯情况下活体淡水壳菜开闭壳行为的变化。结果表明,淡水壳菜在余氯为0.5 mg/L的原水中具有闭壳保护的能力,转移至无氯环境中后即开壳摄取养分;不同加氯方式对淡水壳菜的杀灭效果不同,持续加氯的效果最好,间歇性加氯的次之,短期加氯的杀灭效果最差。

沼蛤的生态水力学特性研究

我国南方地区的取水工程常受一种贝类———沼蛤的困扰,沼蛤在一些引水设施,如取水泵站、输水管道、电站冷凝系统、水厂集水井、沉淀池等水域大量繁殖、附着,堵塞过水通道,它们排出的粪便会对周围水体产生二次污染。同时沼蛤的生长,尤其是大量生长,会消耗水体中的溶解氧,使水质进一步恶化,从而带来严重经济损失和环境危害。生态水力学的近年发展起来的新兴学科,属流体力学、生物学、生态学、环境科学与工程科学的交叉学科,主要研究水中生命体的扩散输移规律及其属力学范畴的控制技术。采用河流动力学的方法对沼蛤生态水力学特性进行研究,分别对沼蛤的几何形状特征、对温度、水深和水流改变的敏感性等方面进行研究。

淡水壳菜对鄱阳湖区双壳类的感染状况调查

2001-11～2002-05的鄱阳湖候鸟保护区淡水壳菜对双壳类的感染情况调查显示,淡水壳菜对双壳类的感染具有普遍性,扭蚌、背瘤丽蚌、洞穴丽蚌、猪耳丽蚌等种类的感染率较高,所有个体的平均感染率为35.3%;不同的个体间,感染强度的变化比较大,所有被感染个体的平均感染强度为6.6;感染强度≥10的个体仅占被感染个体的18.4%;淡水壳菜主要寄生在双壳类的壳顶和进、出水管附近.

防护材料防止淡水壳菜附着的试验研究

淡水壳菜对混凝土具有一定的侵蚀性,涂料防附是一种相对可行、高效的防治方法,找到最优的防附涂料对以广州蓄能水电厂工程（以下简称＂广蓄工程＂）为代表的水利工程防治生物污损具有重要的现实意义。利用9个月的自然附着试验研究了市场上常用的18种混凝土防附涂料（聚脲、硅烷、环氧树脂等）防止淡水壳菜附着的效果,结果表明：排在第一梯队（附着密度在空白组的15%以内）的材料有硅烷浸渍、氟碳树脂、SK-聚脲1和SK-环氧YEC,排在第二梯队（附着密度在空白组的15%~30%）的材料有SK-聚脲2、改性硅酸盐和改性丙烯酸树脂。结合涂料的耐久性考虑,最后推荐SK-聚脲1和SK-环氧YEC作为适用广蓄工程的混凝土防附材料。

沼蛤对长距离输水工程入侵调查研究

基于深圳市东江水源工程,分析了影响沼蛤附着的因素,沼蛤入侵输水管道的特征和规律,以及沼蛤造成的生物污损对管壁的腐蚀程度。调查发现:沼蛤附着密度随着距取水口的距离成指数衰减,且水源能够影响的密度范围相差2～4个量级;如取水口后方无开敞或无压结构时,一般附着密度能够在距离取水口后方5～10km范围内迅速衰减到0;在同一压力结构段中沼蛤附着密度呈一致性衰减;当压力段遇到开敞水池或无压结构时,沼蛤的附着密度都会发生剧烈波动,密度变化范围相差1～2个量级。当水流流速长期高于1.2m/s,能够抑制壁面沼蛤附着,当水流偶然高流速高于2m/s时,壁面已经附着的沼蛤会被水流冲刷下来。沼蛤对管道结构壁面的腐蚀与其附着密度是互促增长的过程。

泥沙落淤对输水工程中淡水壳菜污损的抑制作用

淡水壳菜(Limnoperna fortunei),学名沼蛤,是原产于我国南方自然水体中的滤食性淡水贻贝。其幼虫随水流进入输水工程,在结构表面聚团附着,形成生物污损,破坏混凝土壁面,增加输水阻力,甚至堵塞管道,死亡贝体会造成水质污染。基于深圳市东江水源工程中淡水壳菜生物污损的工程背景,利用工程停水检修期,对输水管线系统中淡水壳菜的附着情况进行了调查。结合工程取水水源河流中淡水壳菜在自然栖息地中的附着调查及监测试验,分析了泥沙落淤对淡水壳菜附着密度的影响。对输水管线调查的结果表明:在水流流速及结构型式相似的管段,淡水壳菜附着密度与结构面上泥沙落淤显著相关。在泥沙大量落淤的结构面上,淡水壳菜的附着密度极低,且死亡率极大;在泥沙不易落淤的附着面上淡水壳菜的附着密度远高于受泥沙落淤影响的附着面。对水源河流的调查与监测试验也表明:自然栖息地中,泥沙落淤也会抑制淡水壳菜的附着。当附着面上泥沙落淤量增加5倍时,淡水壳菜附着密度可降低80%。据此,可提出利用泥沙落淤抑制输水工程中淡水壳菜污损的防治思路。

调水工程中淡水壳菜防治方法研究

针对近几年输调水工程中频发的淡水壳菜滋生影响工程运行和水质安全问题,在调查研究淡水壳菜生长特性和危害的基础上,总结了物理、化学和生物三类常规防治方法的优缺点和适用情况,并探索性地介绍了两种工程条件下的防治新方法。结果表明:物理方法操作最简单,但工程实用性较差;化学方法效果最明显,但副产物容易造成水质二次污染;生物方法生态效益最高,但作用时间长。工程条件下的多级分段防控法和集中分区防控法,兼顾防治效果和工程特点,充分发挥单一方法的优点,又通过方法间融合与叠加,减弱甚至消除单一方法的弱点,为下一步探索科学有效、经济合理、绿色生态的防治方法提供了参考。

水利工程污损生物沼蛤对浮游植物的吸收

我国南方水利工程常遭受生物污损的危害,沼蛤(limnoperna fortunei)是主要的入侵型污损生物,其高密度附着于输水管道等水工建筑物表面,会造成管道输水能力降低,附着面腐蚀等问题,严重影响建筑物功能及水电设备的安全运营。沼蛤以水体中的浮游生物为食,体长约15 mm的个体对绿藻的吸收速率最大可达到0.000 42 mg/h,单次最大吸收量为0.002 8 mg,浮游植物为沼蛤生长繁殖提供充足的食物来源,因而沼蛤能够吸收水体中大量的浮游植物。探究了沼蛤对浮游植物的吸收作用,以从沼蛤与水环境的关系讨论沼蛤防治措施。

水利工程污损生物沼蛤的物理去除技术研究

我国南方水利工程常受到沼蛤(limnoperna fortunei)生物污损的危害,沼蛤高密度粘附在结构面上会改变建筑物功能结构,影响水利工程安全运营。通过研究沼蛤在离水干燥、高温水浴、超声波、电流作用下的死亡特征,探讨利用物理方法去除沼蛤的工程技术可行性。研究结果表明:沼蛤在环境温度为28℃的离水干燥条件下,3d就会因缺水而死亡;沼蛤在水浴温度为44℃的环境中的死亡时间为10h,当水浴温度>55℃时,在其接触高温水体瞬间就会死亡,内部组织与角质壳分离、脱落;在沼蛤集中的水环境中加载超声波和高压电流也能灭杀沼蛤幼虫及成贝,有效抑制其大量繁殖。研究了4种去除沼蛤的物理方法,其中离水干燥法和高温水浴法灭杀效率较高,而超声波和电流灭杀法具有较好的预防特性。