常江凡，白秀琴,b，袁成清,b

(武漢理工大學(xué)，a.國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心可靠性工程研究所；b.船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430063)

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武漢新港至洋山港江海直達(dá)船海洋污損生物附著分析

常江凡a，白秀琴a,b，袁成清a,b

(武漢理工大學(xué)，a.國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心可靠性工程研究所；b.船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430063)

針對武漢新港至洋山港這一典型航線的江海直達(dá)運(yùn)輸船，調(diào)查船舶航行水域鹽度的差異和洋山港水域的主要海洋污損生物種類，結(jié)合船舶浸水部位的區(qū)域特性以及江海直達(dá)船的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，得出江海直達(dá)船不同部位海洋污損生物的附著情況，并對硅藻、網(wǎng)紋藤壺和僧帽牡蠣這三種主要污損生物的生長特性和附著機(jī)理進(jìn)行了分析，以期為江海直達(dá)船的防污損提供一些理論依據(jù)。

江海直達(dá)船;污損生物;船體表面；鹽度；防污

近年來隨著武漢新港和上海洋山港的崛起，武漢地方政府部門對于江海直達(dá)業(yè)務(wù)的支持，以及2014年《國務(wù)院關(guān)于依托黃金水道推動長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展的指導(dǎo)意見》的出臺，長江水系江海直達(dá)業(yè)務(wù)進(jìn)入蓬勃發(fā)展時代。武漢新港至洋山港江海直達(dá)外貿(mào)集裝箱航線已成為武漢新港航運(yùn)服務(wù)的生命線，實(shí)現(xiàn)了與處于國際黃金海運(yùn)帶的洋山港對接。然而航運(yùn)業(yè)每年由生物污損造成的損失非常大，目前對于遠(yuǎn)洋船舶污損狀況及相應(yīng)防污措施的研究已相對比較成熟，但對于江海直達(dá)運(yùn)輸船生物污損的研究較少。江海直達(dá)運(yùn)輸船由于其航線的特殊性，以及船體本身結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性，生物污損情況與遠(yuǎn)洋船舶有一定差異。本文針對武漢新港至上海洋山港這一特定航線上的江海直達(dá)船進(jìn)行海洋污損生物附著情況分析，以期為江海直達(dá)船的防污提供理論基礎(chǔ)。

1　水域劃分及洋山港水域典型污損生物

全世界海洋污損生物有4 000多種，我國各海域主要污損生物約有2 000多種，海洋污損生物分布地域性差異明顯，不同航線船舶附著的主要污損生物種類差異較大[1-3][4]61。航行水域的鹽度是影響船舶污損生物棲息、繁殖的主要因素之一。根據(jù)鹽度的不同，武漢新港至上海洋山港江海直達(dá)船航線所經(jīng)水域可劃分為4個區(qū)域[5-6]。

表1　武漢新港至上海洋山港長江水域區(qū)域劃分

通常，武漢新港至洋山港江海直達(dá)船在第Ⅰ和第Ⅳ水域(洋山港水域)停泊時間較長。第Ⅰ水域?yàn)榈Ｑ笪蹞p生物難以存活，但存在多種淡水污損生物，由于目前國內(nèi)外對于污損生物的研究基本上是針對海洋污損生物，且淡水污損生物對船舶危害相對于海洋污損生物要低許多，故本文暫不考慮淡水污損生物。第Ⅱ和第Ⅲ水域船舶只是正常航行經(jīng)過，在船舶正常航行時，水流的沖刷使污損生物很難附著。海洋污損生物的附著主要是在第Ⅳ水域，武漢新港至洋山港特定航線的江海直達(dá)船附著的海洋污損生物應(yīng)以洋山港水域主要污損生物為主，第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ水域鹽度的差異會對附著在其表面海洋污損生物的生長產(chǎn)生巨大的影響。

孫玲霜對洋山港水域的浮游植物進(jìn)行了調(diào)查研究[6]，在洋山港碼頭海域、港區(qū)航道海域和港區(qū)近岸海域共采集到浮游植物292種，隸屬于7門，分別為硅藻門、甲藻門、綠藻門、藍(lán)藻門、金藻門、裸藻門和黃藻門。在藻類的各大門類中，硅藻門、綠藻門、褐藻門、紅藻門和藍(lán)藻門在污損生物中具有實(shí)際意義[4]271，在洋山港水域出現(xiàn)了硅藻門、綠藻門和藍(lán)藻門這3種，其中硅藻門在洋山港水域中全年均占浮游植物總種類數(shù)的80%以上，綠藻門和藍(lán)藻門均不足3%，硅藻門為主要浮游污損生物。

王寶強(qiáng)[7]采用碼頭水泥柱樁采樣統(tǒng)計(jì)的方式對洋山港碼頭潮間帶污損生物進(jìn)行了調(diào)查研究，采樣統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，洋山港碼頭污損生物種類較少，群落結(jié)構(gòu)單一，污損生物的數(shù)量和密度在不同潮區(qū)有明顯差異，高潮區(qū)最低，隨著潮位的降低逐漸升高，低潮區(qū)時達(dá)到最高。洋山港碼頭水域高潮區(qū)主要污損生物是白脊管藤壺、短濱螺和東方小藤壺，中潮區(qū)污損生物的優(yōu)勢種為網(wǎng)紋藤壺和僧帽牡蠣，但是優(yōu)勢并不明顯，低潮區(qū)群落組成仍以網(wǎng)紋藤壺和僧帽牡蠣為主。船舶在水中的狀態(tài)與碼頭水泥柱樁不同，船舶的浸水部位只與載重有關(guān)，而與潮汐無關(guān)。船舶在吃水不變的情況下其浸水部位不會隨著潮位的變化而改變，而碼頭水泥柱樁的浸水部位隨著潮位的變化而變化，故船舶吃水線類似與碼頭水泥柱樁的低潮位，因此碼頭水泥柱樁上高潮區(qū)、中潮區(qū)的污損生物對于船舶污損沒有實(shí)際意義，只有低潮區(qū)及其以下的污損生物才會對船舶進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的附著污損。故洋山港碼頭船舶污損生物主要是僧帽牡蠣和網(wǎng)紋藤壺。

對于洋山港海域污損生物的調(diào)查方式研究者采用的是掛板方式[8]。掛板分為月板、季板、半年板、年板和累計(jì)板，其中累計(jì)板掛板時間是4月至翌年3月。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，4月至6月累計(jì)板上污損生物的覆蓋面積和濕重并不大，軟體動物類和甲殼類污損生物濕重所占的比例也較小，從7月開始軟體動物類和甲殼類污損生物濕重所占的比例開始急劇增長，累計(jì)板上污損生物的覆蓋面積和濕重也急劇增大，8月時甲殼類和軟體動物類污損生物濕重所占比例達(dá)到80%以上，此時污損生物濕重已達(dá)到423 g/m2，覆蓋面積達(dá)到88.5%，此后直至翌年3月甲殼類和軟體動物類污損生物濕重比例穩(wěn)定在80%以上。可見，甲殼類和軟體動物類污損生物是洋山港海域的主要污損生物，而網(wǎng)紋藤壺和僧帽牡蠣分別是甲殼類和軟體動物類污損生物占絕對優(yōu)勢的種群。

以上研究表明，洋山港水域?qū)Υ爱a(chǎn)生附著污損的主要浮游污損生物是硅藻門，主要大型污損生物是網(wǎng)紋藤壺和僧帽牡蠣。

2　武漢新港至洋山港江海直達(dá)船污損狀況

船體不同區(qū)域因其浸水情況不同，污損情況不相同。如水線帶附著的污損生物以藻類為主；船底部位則以貝殼類、藤壺類和軟體動物為主，還會有一些水螅、牡蠣、苔蘚蟲等固著生物；舵和螺旋槳處附著的主要是一些粘附能力極強(qiáng)的藤壺，還有一些苔蘚蟲、牡蠣和龍介蟲等。依據(jù)船舶水線將船體表面劃分為不同的區(qū)域，船舶水線區(qū)域示意見圖1，其中A區(qū)域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)水線和設(shè)計(jì)水線之間的區(qū)域，B區(qū)域?yàn)樵O(shè)計(jì)水線和輕載水線之間的區(qū)域，C區(qū)域?yàn)檩p載水線和基線之間的區(qū)域。

圖1　船舶水線區(qū)域示意

船舶下水后船體表面就會吸附有機(jī)物，然后是微生物附著、生物膜形成，以及大型污損生物附著[9]。生物膜具有脫吸附作用，中低速流體的切應(yīng)力有利于生物膜生長，高速流體的切應(yīng)力可以提高生物膜的脫吸率[10]，不利于污損生物附著。因此，船舶污損生物附著主要發(fā)生在船舶低速航行和在港灣碼頭停泊期間。

A區(qū)域只有在重載情況下才會浸入水中，其他載重情況都是在水面以上，其浸水情況類似于碼頭水泥柱樁的高潮區(qū)，與碼頭水泥柱樁的不同之處在于其在重載情況下浸入水中時船舶基本處于航行狀態(tài)，故此區(qū)域生物污損情況比碼頭水泥柱樁好得多，基本不會附著大型污損生物。B區(qū)域的浸水情況類似于碼頭水泥柱樁中潮區(qū)，在大部分航行時間是浸沒于水中，但是船舶航行時不利于污損生物附著，在船舶系泊期間船舶一般是沒有裝載貨物的，此時B區(qū)域處于水面以上，已附著的污損生物因日曬缺水會大量死亡，故此區(qū)域海洋生物污損情況比碼頭水泥柱樁要好得多，大型污損生物附著較少。C區(qū)域在整個船舶營運(yùn)期間一直浸沒于水中，浸水情況類似于碼頭水泥柱樁低潮區(qū)，此區(qū)域是海洋污損生物附著的主要部分。

江海直達(dá)船因其航線的特殊性，設(shè)計(jì)成淺吃水肥大船型，其方形系數(shù)高于海船，遠(yuǎn)洋貨輪的方形系數(shù)一般在0.70～0.78之間[11]6，江海直達(dá)船的方形系數(shù)一般在0.80～0.84之間[12]。

船舶航行時，因水具有粘性，沿船體表面會形成一層邊界層，邊界層的厚度從艏至艉逐漸增厚[13]。因艏部邊界層較薄，且江海直達(dá)船的方形系數(shù)較大，艏部水線進(jìn)角大，對來流產(chǎn)生阻塞作用，使船艏附近水流流速降低，壓力增大，水流流經(jīng)艏部船體表面的切應(yīng)力更加直接的作用于船體表面，使得艏部的生物膜和附著生物更易脫附，因此污損生物在江海直達(dá)船艏部比海船更加容易脫附。另外，江海直達(dá)船長寬比較小，船體較為豐滿，在較豐滿船舶艉部常會產(chǎn)生漩渦，使得表面壓力下降[11]154，切應(yīng)力降低，且艉部邊界層最厚，因此相對于海船江海直達(dá)船的艉部更有利于污損生物附著生長。圖2為“國裕10號”江海直達(dá)船生物污損情況，圖中可以明顯反映出艉部生物污損情況比艏部嚴(yán)重的多。

圖2　“國裕10號”生物污損情況

注：“國裕10號”總長135 m，型寬22.6 m，型深8.6 m，是12 000 t級江海直達(dá)散貨船，運(yùn)營于國內(nèi)沿海至長江中、下游航線，主要運(yùn)輸?shù)V石、煤炭、糧食等，隸屬于武漢江裕海運(yùn)發(fā)展有限公司。

武漢新港至洋山港江海直達(dá)船航經(jīng)4個水域，鹽度的差異會對已附著的污損生物的生長產(chǎn)生巨大影響。海船進(jìn)江在淡水水域停泊幾天，大量的海洋污損生物會自然死亡，這也是常用的減少海洋污損生物附著的方法。武漢新港至洋山港江海直達(dá)船船體表面的污損生物在洋山港水域進(jìn)行附著后，一旦船舶進(jìn)入長江內(nèi)淡水水域，所附著的海洋污損生物就會大量死亡脫落。因此，海洋污損生物在武漢新港至洋山港江海直達(dá)船舶上總體的污損程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于海船的污損程度。

3　武漢新港至洋山港江海直達(dá)船附著的典型污損生物

洋山港水域典型污損生物有硅藻、網(wǎng)紋藤壺和僧帽牡蠣。硅藻是生物膜上早期附著種群之一，參與生物膜的形成[14]，與細(xì)菌形成互利關(guān)系，共同促進(jìn)生物膜生長[15]。硅藻為單細(xì)胞藻類，自養(yǎng)型生物，通過光合作用將海水中的無機(jī)物轉(zhuǎn)化為自身需要的有機(jī)物，是微型污損生物的一個主要類群。海洋中硅藻種類多，適應(yīng)能力強(qiáng)，分布廣。九江口及廈門灣附著硅藻調(diào)查結(jié)果顯示鹽度從1至接近30的水域均有硅藻分布，且從低鹽至高鹽呈現(xiàn)種類越來越多的態(tài)勢，廣鹽種和海水種居多[10]93。例如，硅藻門中的纖細(xì)角毛藻對鹽度的適應(yīng)范圍為5-35[16]。硅藻在船體附著后會分泌胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances)[17]，使之在船體表面形成群體。洋山港水域硅藻有200多種[7]57，其中的廣鹽種在武漢新港至洋山港江海直達(dá)船上附著后航經(jīng)不同鹽度的水域后不會全部死亡。硅藻需要進(jìn)行光合作用以滿足自身的需要，在船舶輕載水線以下因光線原因不利于硅藻生長，特別是在船舶進(jìn)入長江內(nèi)河水域后水的透明度急劇降低，更加不利于其生長，設(shè)計(jì)水線和輕載水線之間B區(qū)域是硅藻的主要附著區(qū)域。

藤壺和牡蠣是海洋中分布較廣的大型污損生物，一般認(rèn)為這種大型污損生物的附著發(fā)生在生物膜形成以后，也有學(xué)者認(rèn)為藤壺本身就能直接附著在船體表面[10]208，但是生物膜的形成對于藤壺和牡蠣的附著起著促進(jìn)作用是毋庸置疑的。因?yàn)樯锬ば纬珊髸勾w表面失去光澤，生物膜中的一些細(xì)菌可以提高介質(zhì)的堿度，利于碳酸鈣沉淀，而且生物膜中的硅藻可以作為藤壺和牡蠣的食物來源[18]。

藤壺的生活史分為2個主要階段：浮游生活階段和固著生活階段。藤壺的幼蟲無節(jié)幼體是浮游生活階段，而后發(fā)育成為腺介幼體，腺介幼體在合適的表面吸附、固定，稱為暫時粘附[19]。若物體表面適合附著，腺介幼體則會由暫時粘附轉(zhuǎn)變?yōu)橛谰眯哉掣健Ｔ跁簳r性粘附階段，腺介幼蟲的附著力大約能承受1.852 m/s的水流沖擊[10]16，約相當(dāng)于3.6 kn，江海直達(dá)船航速范圍是11.0～12.5 kn[20]，腺介幼蟲在暫時性粘附階段很容易被船舶航行時水流的切應(yīng)力沖掉，特別是船舶艏部。腺介幼蟲選定附著地點(diǎn)后，釋放出腺介幼蟲膠，形成永久附著。固著后的腺介幼體要經(jīng)歷脫去背甲并生長出藤壺殼的變態(tài)過程。進(jìn)入永久性粘結(jié)階段的腺介幼蟲分為2種情況，一是其完成了變態(tài)過程長出了藤壺殼；二是還沒有完成變態(tài)過程沒有長出藤壺殼。

船舶在洋山港水域停泊時間越長，長出藤壺殼的就越多。船舶航向武漢時，水中鹽度逐漸降低，環(huán)境越來越不適合其生長發(fā)育，特別是進(jìn)入長江內(nèi)淡水水域，腺介幼蟲以和已完成變態(tài)的網(wǎng)紋藤壺會大量死亡。未完成變態(tài)的腺介幼蟲死亡后會腐爛，因水流切應(yīng)力引起的生物膜脫吸附作用而脫離，完成變態(tài)的網(wǎng)紋藤壺死亡后其外殼繼續(xù)附著在船體上，因腺介幼蟲膠和藤壺膠粘性極強(qiáng)，水流切應(yīng)力并不能導(dǎo)致大量藤壺殼脫附，船體上附著的是較小的藤壺殼。經(jīng)年累月的積累，船體上小網(wǎng)紋藤壺殼越來越多，其附著量的增長符合阻滯增長模型。牡蠣的繁殖方式分為幼生型和卵生型，僧帽牡蠣屬于卵生型牡蠣，其把成熟的生殖細(xì)胞直接排出體外，精子和卵子在海水中受精，經(jīng)過一段時間的浮游期便附著在物體上變態(tài)成成體[10]30。即將固著的牡蠣幼蟲可以用足在船體上爬行，遇到合適的地方便放出足絲，使自己固著在船體表面，等到把左殼安妥好便從體內(nèi)釋放出膠粘物質(zhì)，完成附著。僧帽牡蠣在附著時就具備完整的石灰質(zhì)外殼，水域鹽度的變化對僧帽牡蠣的影響比網(wǎng)紋藤壺小。在江海直達(dá)船進(jìn)入長江內(nèi)淡水水域后，僧帽牡蠣同樣會大量死亡，由于僧帽牡蠣在附著時就長有完整的石灰質(zhì)外殼，死亡后的外殼一部分會因水流切應(yīng)力而脫附，另一部分繼續(xù)附著在船體上，經(jīng)長時間的積累，其附著情況與網(wǎng)紋藤壺相似。

關(guān)于網(wǎng)紋藤壺和僧帽牡蠣對鹽度的適應(yīng)性，黃宗國[10]98于1985年在珠江口和香港海域浮標(biāo)調(diào)查顯示，網(wǎng)紋藤壺從中低鹽度至高鹽度水域均有分布，僧帽牡蠣從中鹽度至高鹽度水域均有分布，在淡水水域均未發(fā)現(xiàn)網(wǎng)紋藤壺和僧帽牡蠣，并且雨季長期低鹽會導(dǎo)致網(wǎng)紋藤壺大量死亡。處于低鹽環(huán)境中網(wǎng)紋藤壺和僧帽牡蠣的石灰質(zhì)外殼會在短時間內(nèi)起到一定的保護(hù)作用，長期處于低鹽環(huán)境就會導(dǎo)致死亡，并且低鹽環(huán)境會抑制其新陳代謝，影響其附著和生長[21]。

較強(qiáng)的光線會對網(wǎng)紋藤壺和僧帽牡蠣的附著和生長產(chǎn)生不利影響，并且船舶系泊階段船舶吃水基本在輕載水線，輕載水線和設(shè)計(jì)水線之間的B區(qū)域大部分浸沒時間是在船舶正常航行時，因此網(wǎng)紋藤壺和僧帽牡蠣主要附著在船舶輕載水線以下的C區(qū)域。網(wǎng)紋藤壺和僧帽牡蠣在船舶縱向上的附著分布與硅藻一致，符合從艏至艉逐漸增多的趨勢。

4　結(jié)論

武漢新港至洋山港江海直達(dá)船主要生物污損水域是洋山港水域，主要污損生物有硅藻、網(wǎng)紋藤壺和僧帽牡蠣。附著的網(wǎng)紋藤壺和僧帽牡蠣以較小的個體為主，主要分布在輕載水線以下部分，且附著量從艏至艉逐漸增多。在垂向上大型污損生物主要附著在輕載水線以下C區(qū)域，輕載水線和設(shè)計(jì)水線之間的B區(qū)域是浮游污損生物藻類的主要附著區(qū)域，也會有少量的大型污損生物附著，如藤壺，A區(qū)域極少有污損生物附著。同時，江海直達(dá)船肥大型的結(jié)構(gòu)是船舶艏部產(chǎn)生阻塞作用不利于污損生物附著，但船舶艉部易產(chǎn)生漩渦卻對污損生物的附著有利。

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Analysis on Marine Fouling-organism to Hull Surface of River/coastal Ship from Wuhan Newport to Yangshan Port

CHANG Jiang-fana, BAI Xiu-qina,b, YUAN Cheng-qinga,b

(a Reliability Engineering Institute, National Engineering Research Center for Water Transport Safety;b Key Laboratory of Marine Power Engineering and Technology (Ministry of Communication),Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

For the river/coastal ships which are sailing in the typical route from Wuhan Newport to Yangshan port, the different water salinity in this typical route and the main marine fouling-organism around Yangshan port, the bio-fouling occurrence status at the hull surface of the river/coastal ship along the shipping route is investigated, combining with the characteristics of different hull immersed parts. The growth features and adhesion mechanisms of the main marine fouling organism, including diatom, amphibalanus reticulatus and saccostrea cucullata are analyzed as well to provide some theoretical references for anti-fouling of the river/coastal ship.

river/coastal ship; fouling-organism; hull surface; salinity; anti-fouling

2016-03-30

2016-04-15

國家科技支撐計(jì)劃課題(2014BAG04B01)

常江凡(1988—)，男，碩士生

U672.7

A

1671-7953(2016)04-0089-05

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.021

研究方向:船體表面防污技術(shù)

E-mail:496007468@qq.com