输水通道中沼蛤入侵及水力学防治

滤食性底栖动物沼蛤极易入侵水利工程的输水通道,在输水结构上高密度附着,造成生物污损,堵塞管道,降低输水效率,污染水质,腐蚀结构,威胁工程运行,也给跨流域调水带来潜在危险。本文对输水工程水源长期密集采样观测,研究沼蛤幼虫发育阶段及运动特性;开展水力试验,研究幼虫的沉降、在脉动流场中的死亡特性,提出防治幼虫入侵的方法。研究结果表明:沼蛤幼虫在其水中浮游生活的阶段,依赖水流流动入侵输水通道,通过分泌足丝附着在结构壁面。沼蛤幼虫、稚贝具有沉降特性,尺寸合适的沉降池能够使大量幼虫、稚贝沉底。幼虫会被高频湍流灭杀,当湍流中小涡尺度与幼虫体长相当时,对幼虫的灭杀效果显著,灭杀率与湍流平均流速及湍流作用时间正相关。防止沼蛤入侵输水通道的关键是减少水流中沼蛤幼虫的数量,可采用沉降及高频湍流灭杀沼蛤幼虫的综合方法实现防治目标。     

沼蛤幼虫管道湍流灭杀试验研究Ⅰ: 水力学特征

沼蛤(Limnoperna fortunei)是贻贝科软体动物,可在管道造成生物污损和堵塞。沼蛤以浮游幼虫形态随水流入侵管道,其幼虫死亡率在高频脉动作用下明显提高。为寻找控制沼蛤入侵管道的有效途径,本研究选取3种孔板和3种筛网采用50 cm和25 cm两种间隔布置在试验管道中制造紊动,利用多普勒声学流速仪(ADV)测量其下游流场、紊动场和能谱特征等水力特性。结果发现致紊材料下游流速均出现短暂波动。大孔径孔板下游横向流速波动增强,加密布置可抑制此波动。筛网的阻水效应很小,加密布置可提高水流过筛流速。孔板下游紊动强度分布呈明显带状特征,筛网则不如孔板均匀,两者下游紊动强度均沿程降低。在下游5 cm距离内,孔板可大幅提高高频脉动能量,进而提升下游紊动强度,减小紊动长度尺度。筛网下游高频脉动能量提升幅度较小,同时低频脉动能量减弱。单级筛网比孔板消耗的水头小,加密布置并不增大单级致紊材料消耗的水头。综合来看,6 mm孔板、10 mm孔板和3 mm筛网具有较高管道湍流灭杀沼蛤幼虫的潜力。     

沼蛤幼虫管道湍流灭杀试验研究Ⅱ:灭杀效果

沼蛤(Limnoperna fortunei)作为典型入侵性底栖动物,可造成管道严重堵塞,威胁技术供水系统正常运转。前期试验研究了致紊材料对管道水力特性的改变,为验证致紊材料对管道沼蛤幼虫灭杀效果,本研究选用水力学试验推荐的4种致紊材料并采用普通和加密两种方式布置在管道中。分别进行了脉动灭杀试验(试验系统流量=0.018 m~3/s)和死循环(系统补给流量≈0 m~3/s)灭杀试验,采样和显微观测统计不同发育阶段幼虫的密度及死亡率。结果表明试验期间沼蛤幼虫基本处于前期壳顶阶段,经过脉动管后死亡方式主要为组织流出、组织脱落和壳体破碎。脉动试验中6 mm孔板对沼蛤幼虫灭杀效果最好,加密布置可以提升大孔径孔板和筛网的灭杀效果。采用幼虫相对体长d*(幼虫体长与Kolmogorov长度尺度之比)衡量致紊材料的灭杀效果,当下游主流区(d*)_(max)0.7时灭杀效果明显。死循环在5 min内可以迅速提高沼蛤幼虫死亡率,之后死亡率基本稳定,所以如能保证幼虫在脉动场中被作用达一定时间,即能对其进行有效灭杀。     

水利工程污损生物沼蛤的附着特性研究

近年来,水利工程遭受沼蛤污损的问题日益突出。污损生物沼蛤附着于输水管道等水工建筑物后会腐蚀附着面,降低管道等输水建筑物的过流能力,使阀门、闸门等关键设施启闭困难,严重影响水利工程的安全运营。文章通过实验分析了沼蛤的几何特征及附着特点,探讨沼蛤附着特性及基于附着特性的生态防治措施。研究表明,沼蛤体长与体宽、体高呈线性相关,体长与体重呈指数相关;黏附率与基质粗糙率之间呈正相关关系,基质越粗糙越易附着;附着基质粒径小于10 mm时能够明显抑制沼蛤黏附。     

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5～10 km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1.2 m/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.     

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。     

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。     

沼蛤对抽水蓄能电站管道的危害及防治

针对桐柏抽水蓄能电站管道内部大量滋生沼蛤的情况及对设备造成的危害,从电站运行方式、设备结构特点等多个方面分析这种状况发生的原因,并结合国内外其他大型输水工程中先进的防治沼蛤措施及抽水蓄能电站自身特点,提出了物理防治、生物防治等具有针对性的防治措施,为电站的运行维护检修提供了思路。     

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。     

沼蛤侵蚀对混凝土的性能损伤试验研究

沼蛤侵蚀给混凝土带来的性能影响对防治措施的选择与决策具有重要的参考意义。对于受侵蚀1年的自制试件和受侵蚀20余年的现场芯样,本文采用浸泡增重法、压汞法、场发射环境扫描电镜法和热重法分别测试了有贝附着组和无贝对照组的表层吸水率、表层孔隙特征与孔径分布、表层形貌和成分变化,以及表层钙成分含量变化这4个指标,研究了沼蛤侵蚀混凝土前后以及侵蚀时间对微观性能的影响。定量分析表明:沼蛤附着侵蚀混凝土后,混凝土不同尺寸的孔隙均有增加,同时表观密度分别下降了13.5%(侵蚀1年)和19.5%(侵蚀20余年),表层吸水率分别增加了82%(侵蚀1年)和101%(侵蚀20余年),混凝土表面的铝元素、铁元素和锰元素大幅增加,钙元素尤其是碳酸钙流失严重,分别减少了41.7%(侵蚀1年)和82%(侵蚀20余年)。因此,沼蛤的侵蚀会造成混凝土的微观性能损伤,受侵蚀时间越长,性能损伤越严重。