童敦龙¹，安晓伟²，危春阳*²

（1.福建华电金湖电力有限公司，福建三明353300；2.中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，江苏苏州215123）

【目的/意义】水电站过水道结构表面易受贻贝等淡水生物附着，从而引发水流堵塞、流速衰减及污损腐蚀等问题。【分析/评论/进展】系统探讨了淡水生物的附着类型、机理及与海水环境的差异，分析附着生长过程、生物类群特性及对水电工程的危害；综述了不同科学领域的主流防污技术，结合国际工程案例评估了不同防污涂层的应用效能与选型逻辑。淡水生物通过静电吸附、足丝黏附等复杂机制造成严重污损，其中贻贝因附着强度高、繁殖速度快成为核心危害物种；防污涂层可有效抑制贻贝及藻类生长，铜基与有机硅基涂层能显著降低贻贝附着率，节省年度清理维护费用。【结论/展望】物理清除水电站结构污损存在停机损耗，化学防治存在生态风险，兼具环保、长效、经济优势的环保型防污涂层如低表面能增强有机硅复合涂层具有较好的应用前景。

水电站污损；淡水生物污损；水生物附着；污损机理；防污措施；防污涂层

10.12020/j.issn.0253-4312.2025-362

福建华电金湖电力有限公司与中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所科技合作项目（NANM2025102701）

E-mail：cywei2019@sinano.ac.cn

海洋与淡水系统是地球生命演化与生态循环的重要载体，但两者在物理化学性质、水动力特征及地理连通性等方面存在显著差异。海洋覆盖地球表面积约71%，以高盐度、高连通性为主要特征；淡水水域面积不足地球地表总面积的1%，却栖息着全球超10%的已知生物物种，具有流量多变、区域特异性强的生态特点。这些差异共同塑造了2类水体独特的生态结构与生物适应策略，也导致水生物在2类环境中的吸附与生长机理存在显著差异，其中主要吸附生物物种及其代表性生物类别的差异如表1所示。

水体含盐浓度的差异直接决定了离子的界面行为与生物污损的吸附机理，且水生物在水下结构表面的附着过程还受到物体表面极性的调控。

Yang等针对不同种类有机物在不同盐度下的吸附机理与生长模式开展了深入研究，选取海藻酸钠（SA，模拟多糖）、腐殖酸（HA，模拟天然有机物）及十六烷基三甲基溴化铵（CTAB，模拟表面活性生物）3种代表性有机物，以低盐度0.25%NaCl溶液与高盐度3.7%NaCl溶液为介质，系统探究了盐度对界面相互作用的影响规律，生物源有机物在不同盐度水中的吸附机理如表2所示。

该研究结果表明，生物吸附过程主要受材料表面极性调控：在低盐度条件下，表面极性的增加会因静电吸引力增强而加剧亲水性污染物（如SA和HA）的吸附，可通过稳定水合层减轻疏水性分子（如CTAB）的吸附；在高盐度环境下，尽管生物在低极性表面的附着更为严重，但高极性表面对各类生物均表现出显著且更优异的防污性能。

因此，在淡水（极低盐度）环境中，水下结构的防污策略可通过构建低极性表面抑制亲水性生物膜的形成，同时利用疏水相互排斥原理阻止疏水型有机生物体的附着，从而实现高效防污。

淡水环境中的生物附着通常可划分为表面条件膜形成、微生物生物膜定殖、微观附着群落发展和宏观附着生物聚集4‍个连续而又相互重叠的阶段。当固体表面浸入淡水后，立即发生物理化学吸附作用，形成纳米级厚度的条件膜。随后，微生物利用鞭毛或菌毛等附属结构初步接触条件膜，通过范德华力实现可逆附着，并分泌胞外聚合物形成黏性基质，转变为不可逆附着状态。在细菌生物膜框架上，真核微生物开始大量出现并改变微环境，形成简单的微食物网，增强结构稳定性。最终，形成肉眼可见的生物附着群落，包括丝状藻类、淡水海绵、苔藓动物和贻贝等双壳类软体动物等，这些生物通过特异性的附着结构实现长期固定吸附，彻底改变水下结构表面的生态系统。

水电站淡水生态系统中的附着生物涵盖从微生物到大型无脊椎动物的多个类群，各类群在附着机制、生态功能及工程影响方面存在显著差异。图2列出了水电站结构上附着的主要淡水生物类群。

水电站设施表面污损最为严重、数量最多的附着生物为双壳类软体动物（如斑马贻贝），其分泌由蛋白质和多酚类物质组成的足丝，附着强度极高且繁殖能力极强，易造成拦污栅、管道堵塞及缝隙腐蚀；苔藓动物和水螅通过形成分枝状群体或利用基盘分泌的黏液临时固着，截留大量沉积物和有机碎屑，与贻贝形成叠加污损并加剧局部腐蚀；海绵和昆虫幼虫则通过硅质骨针锚定在硬质表面或用丝线构建固定管巢，进一步增加表面不规则性与生物群生性，导致附着生物层加厚，降低过水流道的过流速度。

贻贝因能在水下表面形成致密的黏附聚集体，成为对水电站危害最大的生物污损类型，其主要物种包括斑马贻贝、淡水壳菜及斑驴贻贝。贻贝通过足丝实现强大的水下黏附，足丝是由足丝线和黏附盘组成的特化黏附结构（图3）。

足丝黏附通过多种化学相互作用介入，包括氢键、疏水效应、静电力和金属配位作用，而且贻贝具有高度的入侵性，破坏本地底栖的群落，腐蚀水下基础设施，并堵塞管道中的水流，导致高昂的维护成本和环境退化。因此，治理这些贻贝在水下表面的大规模黏附已成为水电站淡水生物污损控制的最大挑战。

水生物附着与孳生给水电站水下结构带来的运营与安全危害主要体现在以下3‍个方面。

（1）拦污栅堵塞问题。

斑马贻贝和淡水壳菜又称金贻贝在过水流道内捕食浮游生物，在拦污栅上大量定殖生长[图4（a）、（b）]，导致过水面积减少，局部流速加快；水头损失增大，上下游水位差加大；拦污栅通流面积减小，机组进水流量不足，使机组无法满负荷运行；流态紊乱及局部流速不均使水轮机偏离设计工况，运行效率会下降1%~5%，严重时可超过10%。

（2）过流水道与引水管道阻塞问题。

生物附着层增大流道结构表面的粗糙度，使流速下降，局部形成涡流与沉积区，降低过流能力，导致流态不均，水轮机进水条件恶化；更严重的后果是附着层可能脱落进入机组，引发叶片磨损或卡阻。

（3）设备腐蚀与材料损伤。

生物附着可通过微生物腐蚀、缝隙腐蚀、酸性分泌物侵蚀及机械应力多重作用，加速钢结构材料腐蚀老化[图4（c）]。淡水厌氧菌附着成膜后，依托代谢生成硫化氢等腐蚀性产物，借助阴极去极化作用加快金属离子溶出，同时改变腐蚀产物形貌与特性，进一步加剧腐蚀进程。

综上所述，生物污损不仅对水工结构造成生物腐蚀，还会对水电站发电效率造成严重影响。过流管道阻塞可能引发机组振动、噪声及发电波动，增加设备疲劳损伤风险，使得机组运行稳定性下降；为清理附着物，机组需频繁停机检修，造成非计划停运损失和维护成本上升，降低电站经济性。

物理防治主要有机械清除和物理场干预。机械清除技术如高压水射流、旋转刷洗和刮板清理等方法，是目前水电站应用最广泛的清污方法，需要起吊拦污栅甚至停机作业，易损伤基材，无法根除生物膜，运维频次高；贻贝附着强度高，清理斑马贻贝更是需要 20~50 MPa高压才能剥离，清污效率与效果受限。

超声波、紫外辐照等物理场干预技术绿色无残留，但设备成本高，大型水工结构施工难度大，需长期持续运行，仅能作用于早期附着生物，对成熟贻贝及大型污损群体清除效果差，仅适用于小型设备局部预处理，难以满足水电工程大规模防污治理需求。

化学防治主要通过向水体投加具有生物毒性的药剂，消杀水体细菌与附着生物幼虫，主要分为氧化性杀生物剂与生物化学抑制剂2类。其中液氯、次氯酸钠、过氧化氢等氧化性杀生物剂，可通过破坏生物细胞结构实现防污抑菌效果，但长期使用易产生有毒副产物，还会使污损生物产生耐药性。针对水电站大流量泄水工况，药剂残留的余氯及三卤甲烷等副产物会随水流扩散，对下游水生物及水环境造成二次生态污染。生物化学抑制剂应用成本较高，难以适配水电站开放式大水体的规模化防污需求，同时，生化制剂在自然水体中降解迅速，极易出现防污失效问题，水电站下游多承担灌溉、饮用水供给功能，因此该方法也存在生态合规性不足。综上，化学防治技术无法适用于水电站水工结构的生物污损治理。

目前，防污涂层的系统研究理论和应用实践主要来源于海洋防污领域，而且2种环境的防污机理存在诸多相似之处，探讨主流海洋防污涂层材料的技术特点与应用场景，可为水电站工程实践中的材料选择和研发提供理论依据与技术参考。但淡水防污涂层材料需要针对淡水壳菜等特定物种的防治以及高速水流和汛期泥沙冲刷的应用环境。

铜基防污涂料凭借防护效果稳定、成本适中的优势，目前仍是海洋防污主流防污材料。该涂料依靠释放二价铜离子抑制藻类、贝类附着生长，实际应用中常复配辅助杀生剂，可适配多样水域工况与使用场景。相较于已被禁用的有机锡（TBT）涂料，铜基涂料的毒性显著降低，同时对淡水和海水环境均有良好的适应性，特别对斑马贻贝等淡水污损生物效果显著。然而，铜基防污技术也面临诸多挑战和限制，环保问题是最大的制约因素，尽管铜的毒性低于有机锡化合物，但长期积累仍可能对水域生态系统造成不良影响，特别是对非目标生物的毒性效应。

该类涂层材料在淡水环境中的应用还局限于验证和试用的规模。从海洋向淡水应用延伸时需要研究和测试对淡水生物的有效性，涂层能否应对水电站过流部件水头高、流速快，易导致涂层冲蚀剥离等挑战，以及对水域环保的风险控制。

有机硅与氟聚合物基防污涂层凭借独特的表面物理特性及绿色环保优势，已成为铜基防污涂料的重要替代材料。该类材料摒弃传统化学杀生机制，依靠低表面能与特殊微观结构弱化生物附着能力，使污损生物难以稳固黏附，可在水流冲刷下自然脱落，代表了防污技术由化学毒杀向物理被动防护的绿色发展趋势。

有机硅涂层的低表面能特性，可有效阻碍生物黏附蛋白在材料表面润湿铺展，显著降低水生生物附着强度。水电站拦污栅、过流水道具备高水头、高流速的工况特征，持续水流冲刷能够抑制生物膜定殖，为该类涂层的应用提供了有利条件。但有机硅涂层力学强度偏低、耐划伤性差，河道汛期泥沙冲磨会对涂层造成严重损伤。因此，在保障优异淡水防污性能的前提下，提升涂层耐磨蚀能力，是目前该技术工程应用亟待突破的核心难题。

氟硅复合涂层技术结合了有机硅低表面弹性、耐水性强和含氟聚合物疏水疏油、耐化学腐蚀的双重优势，可进一步降低表面自由能、提升疏水性，能够有效防治生物膜初期附着与形成。Akzo Nobel公司的产品Intersleek 1100SR是复合氟油的有机硅聚合物涂层材料，通过为期12个月的实海浸泡试验发现该产品比纯有机硅复合物具有更好的静态污损自脱附的效果。Smith等在堪萨斯州马里恩水库对该公司的另一款氟硅基污损脱附型产品进行16 个月的对比试验，结果显示涂层表面基本无贻贝附着，可显著降低淡水设施生物附着的风险。Intersleek 1100SR为高分子含氟聚合物涂膜，在现行欧盟法规（EU 2025/1988）和持久性有机污染物相关法规下，它不属于被禁的全氟和多氟烷基物质“氟油”（PFAS）等流体类氟化物，目前仍然在国际防污涂料市场应用，远期需要关注与PFAS有关法规的发展。

通过复合防污机制克服单一机制的局限性正成为发展趋势，例如，将低表面能材料与可控释放的防污剂结合，或将纳米结构与化学活性成分整合，形成具有协同效应的防污系统。这种复合策略可以延长涂层的有效防污期，同时减少对环境的负面影响。

另一个方向是将低表面能特性与微纳米结构结合，构建类液体表面（liquid-like surfaces），也称为滑动液膜表面（SLIPS），是目前仿生防污领域最前沿的研究方向之一。这种表面由分子尺度流动的聚合物链构成，能有效防止生物黏附并提高涂层的自清洁能力。它打破了传统固体表面的物理限制，通过“以柔克刚”的方式让水生物无法找到着力点。

目前这些新型的防污涂层技术还是以研究为主，鲜有在工程应用实践的案例报道，探讨涂层的应用技术需要考虑水电站污损生物的习性，还必须考虑应用环境，如汛期有大量泥沙冲刷，其耐磨性是一个关键性能要求，以及包括水体类型、流速、温度和环保法规等因素，才能实现最佳的综合效果。

北美地区存在大量的淡水生物污损问题，美国五大湖区水电站（New York Power Authority）斑马贻贝的堵塞问题极具代表性，其幼虫微小且适应性强，可轻易进入冷却系统并在内部附着生长，导致管道有效直径缩小、水流阻力增加，严重影响发电效率。美国水电站的发电效率损失和贻贝防控年度成本超 5亿美元。为解决该问题，美国铜业发展协会（CDA）联合能源公司（We Energies）和涂料公司（Cook Legacy Coating Company），在密歇根的橡树溪电站（Oak Creek Power Plant）开展实地验证，将含铜量高于25%的涂层应用于进水口闸门和冷却管等关键部位。铜离子的持续释放创造了表面微环境，有效抑制了贻贝幼虫的附着和发育过程。实施后，贻贝附着率锐减90%以上，每年节省维护费用约12‍万美元，实现6年以上无贻贝附着效果，是铜基防污涂层在电站取水口贻贝防控的一个应用案例。

美国内政部一项3年的项目对8座美国和5座加拿大的水电站进行了调研，研究了这些水电站在遭遇斑马贻贝科贝类入侵时，造成的运行效率损失及采取的防控措施的成本，应用最广泛的防控技术为氯制剂消杀与水光学消毒（HOD）紫外处理技术，氯处理系统的初期投入为10万~130万美元；HOD紫外设备的成本则在 100万~210万美元之间。但是加氯消毒会影响下游的水生生物，HOD紫外技术环境友好，但需要不断的耗能。该项目的结论是：水电站需结合自身条件推行主动预防性方案，如涂层防污策略，综合筛选最优防控技术。

美国垦务局2013—2015年在帕克坝水电站拦污栅开展试验，验证阿克苏诺贝尔Intersleek 970氟硅涂层防污效果，经18个月监测，该涂层可有效抑制贻贝附着，综合性能位居50 余种参评涂层首位。

2022年美国西北太平洋国家实验室完成Intersleek 1100SR低表面能脱附型有机硅涂层为期 12 个月的测试，现场实测其贻贝附着率≤5%，远低于空白基材 80%~100%的附着。项目评价该涂层防污寿命可达5年，施工成本为 80~100 美元/m²。但该涂层质地偏软，耐磨抗刮性能较差，不宜应用于含泥沙、高摩擦磨损的水工工况。

欧洲和亚洲地区的水电站也积极探索适合本地特点的防污解决方案。例如，莱茵河流域的斑马贻贝严重堵塞水电站冷油器。铜基涂层因重金属浸出风险被限制，德国的一些水利研究机构探索将合成辣素融入聚氨酯基底，以适应欧盟严格的环保法规。辣素能通过刺激贻贝足丝中的神经受体，使其产生“灼烧感”从而主动逃逸。日本水电站（如关西电力、东京电力下属机组）面临的主要也是淡水壳菜问题。其策略倾向于零药剂释放的物理手段，所以尝试使用纳米结构表面，通过物理方式阻止生物附着。不同地域采用不同的涂层材料技术反映出：水电站防污不宜采用“毒杀”型防污，而是需要综合水力学、材料学与生态学的策略，并考虑本地生物种类、水质参数和环保要求等多重因素，才能制定出最优的解决方案。

中国作为全球水电装机容量最大的国家，不同于北美地区以斑马贻贝为主要威胁，中国南方水电站普遍面临大量淡水壳菜的侵害，这种生物具有极强的繁殖能力和附着强度，可迅速在混凝土和金属表面形成致密覆盖层。国内一大型水电站经过综合防治5‍个月后的监测结果表明，水电站机组和库区内淡水壳菜幼虫和成贝的密度较2021年同期明显降低，减少了80%以上。

目前，我国水电站尚未查到应用防污涂层案例的报道。但其面临的水生物污损的挑战与国外具有共性，长江流域和闽江等支流域的电站淡水壳菜污损问题突出，国外工程案例具有重要的借鉴价值。一方面可借鉴铜基防污材料的防污效果，但需正视其环境友好性不足的问题；另一方面需积极研发绿色涂层替代技术。从国外的工程应用案例来看，低表面能有机硅防污涂层是当前最具前景的防控技术，兼具环保、长效与经济优势，但必须提升涂层抗水流和泥沙冲刷的耐磨性，如研发增强型有机硅低表面能技术。未来研究应聚焦于材料组分的环保性、防污的长效性、功能协同性与现场应用验证相结合，推动防污涂层材料在我国水电工程中规模化和标准化的应用。