钉螺生物特性及其对温度变化的响应

1.钉螺的生存环境

钉螺为雌雄异体、卵生、水陆两栖动物，成螺以陆生为主，喜欢在土质肥沃、杂草丛生的地方生话。在河沟塘边，钉螺以距常年水位线上3m的范围最多。钉螺的生存和扩散受到很多环境因素的影响，具体有：纬度、温度、高程、水位、土壤和植被等。

（1）纬度。气候影响使得钉螺在高纬度区域无法生存。根据目前研究结果表明钉螺在大于33°15’以北的地区，钉螺很难生存。

（2）温度。环境温度是钉螺十分重要的生态因子，其直接或间接地影响着钉螺的生长、发育、繁殖与分布。钉螺是一种狭温性动物，适宜钉螺生活与繁殖的温度为20～30℃，过冷或过热均不利于其活动、繁殖甚至影响寿命。根据钉螺的生态习性研究的结果表明，温度变化影响着钉螺的螺卵的发育、钉螺的耗氧量、钉螺酶的活性等钉螺的生理特性。洪青标等研究表明螺卵的发育零点为11.79℃，高温临界温度为38.22℃，螺卵的发育速率随环境温度的升高而加快，但温度过高对螺卵的发育有抑制作用，27℃左右为钉螺卵发育的最适温度。杭德荣、周晓农等研究表明钉螺的耗氧量随着温度的增加而增加（如图9-2所示），过高和过低的温度明显抑制钉螺氧代谢，温度为36℃时耗氧量达到最大。杨坤、周晓农研究了春季温度变化对钉螺酶活性的影响，研究结果表明温度变化对钉螺酶（NOH、SDH、LDH、AchE）的活性有明显的影响。温度升高酶的活性也相应增强，钉螺的活动性和繁殖能力也随之增强。

图9-2　钉螺（每只）的耗氧量和环境温度

图9-3　钉螺的外形

表9-1　钉螺分级表

2.钉螺的静水沉速

钉螺的静水沉速是钉螺的主要水力特性之一。对研究钉螺在江、河、渠道中的运动以及设计防止钉螺扩散的工程措施，静水沉速是一项重要因素。

（1）钉螺静水沉速分析。钉螺静水沉速的物理意义是钉螺在静态水体中下沉的速度，单位用cm/s，常用符号ω0表示。钉螺属水陆两栖螺蛳，其生物活动能力非常小。钉螺一旦脱离水面就像无生命物体一样受重力的支配而下沉，因此，可以运用一般运动学理论来研究钉螺在静水中的运动规律。假定一只钉螺的体积为V，它在水中以等速运动下沉，根据惯性定律导出钉螺静水沉速的理论表达式为：

式9.1中V——钉螺的体积，cm3；

S——钉螺下沉方向（即钉螺承受阻力面）的投影面积，cm2；

γs——钉螺的重率，γs=1.80g/cm3；

γ0——水的平均重率，γ0=1.00g/cm3；

g——重力加速度，g=981cm/s2；

ψ——形状修正系数，ψ=φ；

Ca——阻力系数。

从式（9.1）中看出，影响钉螺静水沉速的主要因素一共有7个，其中γs、γ0和g为固定常数，其余4个（V、S、ψ、Ca）为变数，因此，式（9.1）的求解还需要确定这4 个变数的函数关系。

钉螺的体积V与螺体的几何尺寸和几何形状有关，不同级别的钉螺，几何尺寸不一样，几何形状也不尽相似，但均可看作近似圆锥体，故V的函数关系可用圆锥体公式：

钉螺承受阻力面面积与钉螺下沉方向有关，其值等于钉螺下沉方向投影面面积。根据长科院的试验，钉螺一般以水平方向下沉如图9-4，则有

形状修正系数ψ为无因次系数，在静水沉降中暂时假定ψ=φ=h/D。

将上述函数关系合并到式（9.1）并简化求得：

式（9.4）代表钉螺静水沉速的一般表达式，式中的阻力系数Ca为待定值，需通过试验来确定。

图9-4　钉螺下沉示意图

长科院的试验资料表明，钉螺的沉降速度随螺体的增大而增大，阻力系数则与此相反，随螺体的增大而减小。钉螺在静水中下沉一般比较平稳，只有极个别钉螺在下沉过程中略显摆动，其下沉轨迹与水平线接近于垂直。无论采用何种方式（螺口向下、向上或水平，如图9-5所示）投放，螺体均以水平方式下沉，见图9-4和图9-5（c）。不同级钉螺的沉速和阻力系数变化范围如表9-2。

图9-5　投放钉螺3种方式示意图

表9-2　不同级别钉螺静水沉速、阻力系数变化范围表

（2）钉螺静水沉降阻力系数。由公式（9.4）知，钉螺的沉降阻力系数Ca，是计算钉螺静水沉速不可少的重要参数，根据试验资料推算，Ca的值不是一个常数，而且变幅很大，它的最大最小比值约为140，即大小相差140 倍左右，因此，还必须对Ca 的变化规律进行分析研究。

根据物体沉降理论，物体在介质中运动，其阻力系数与介质的绕流性质有关，代表流体绕流性质的特征数一般用颗粒雷诺数Red表示：

上式中，v为水的动滞性率。

钉螺的沉降阻力系数和它的绕流雷诺数之间存在某种函数关系，对试验实测资料的分析可以找出这种关系的变化规律。对不同级别的钉螺情况不同，分别是：第Ⅰ组钉螺（幼螺）Ca、Red 点子分布在9＜Red＜50，3.1＜Ca＜42.1区间，这一级钉螺阻力系数与雷诺数变化的特点是：雷诺数的变幅不很大，但阻力系数的变幅却相对较大，大小比值达13 倍多；表现为阻力系数与雷诺数倒数成比例关系，即

第Ⅱ级和第Ⅲ级钉螺，Ca、Red 点子分别在300＜Red＜600、0.42＜Ca＜l.35和600＜Red＜1200、0.35＜Ca＜0.93两个区间，这两级钉螺Ca～Red关系变化的共同特点是雷诺数的变幅较大而阻力系数的值变幅较小，因此，这两级钉螺的阻力系数均可视为常数。根据试验资料统计，第Ⅱ级钉螺阻力系数的平均值为0.80，第Ⅲ级钉螺阻力系数的平均值为0.50。这两个数值可以作为这两级钉螺阻力系数的平均值。

（3）钉螺静水沉速的应用公式。根据不同级钉螺阻力系数的变化，可以分别得各级钉螺的静水沉速公式如下：

Ⅰ级钉螺Red＜50、ψ＜2.0、螺旋数＜4.5 旋

Ⅱ级钉螺300＜Red＜600、2.0＜ψ＜2.5、螺旋数4.5～7.5 旋

Ⅲ级钉螺 Red＞600、ψ＞2.5、螺旋数＞8 旋

3.钉螺螺卵的重率和静水沉速

（1）螺卵的重率。螺卵，这里是指包括泥皮和卵胚在内的两种物质结构。螺卵呈土黄色圆珠体，在显微镜下观察它的几何形状，大多数接近圆球体，少数近似椭球体，颗粒直径在0.5～1.0mm之间，大部分为0.7mm左右，级配比较均匀。在常温下采用滤纸和变色硅胶干燥方法测得螺卵的平均重率为2.29g/cm3。

（2）螺卵的静水沉速。由于螺卵的形状接近圆球体，故螺卵静水沉速可以采用圆球体沉速的基本公式：

式中ω代表螺卵的静水沉速，D代表螺卵的直径，γS、γ0分别代表螺卵和水的重率，Ca代表螺卵的沉降阻力系数。只要确定了螺卵的沉降阻力系数Ca的值，便可以根据螺卵的大小利用（9.10）式来计算它的静水沉速。根据长科院所做实验资料，可知螺卵沉降阻力系数和雷诺数（螺卵颗粒雷诺数Red=ω D/v）关系为：

最后得螺卵的静水沉速公式为：

4.钉螺的动水沉速

物体在流动水体中沉降，是江河中常见的一种现象。动水沉速的物理意义概括起来说，就是指物体（包括钉螺）在流水中向下运动的速度。物体在紊流中下沉，一般受重力、惯性力、紊动向上的上举力和阻力这四种力的综合作用。在水流雷诺数不太大（Re＜4×104）条件下，上举力相对的较重力和惯性力小得多，因而可以略去不计，则主要的作用力是重力、惯性力和阻力三项。假定钉螺在流水中以等速直线运动方式下沉，根据惯性定律，可以推导得钉螺动水沉速的基本公式为：

Cp为作用力系数；Cb为动水沉降阻力系数。(www.xing528.com)

由于钉螺的几何形状为圆锥体，而它在动水中沉降方向也和在静水中一样，一般以水平形式下沉，故水流作用于螺体面的投影面积SP和阻力方向投影面积Sb为等值，即K1的值可以取其等于1。同样圆锥体的各个侧面都是对称的，因而K2的值也可取其等于1。K3的取值比较困难，因为迄今尚无适当方法和仪器分别测出作用力系数和阻力系数的值。但是从相对运动分析，这两者的物理性质并无差异，它们的差别仅在于数值上可能有所不同，即Cp=Cb，Cp＞Cb，Cp＜Cb三种情况都有可能，因此K3也可能出现三种情况，K3=1，K3＜1或K3＞1。鉴于当前的测量水平，目前只能暂时采用K3=1。

参考麦克诺恩等人的试验，形状修正系数采用　、并用（9.2）、（9.3）两式表示V和Sb的值，则公式（9.13）可简化为：

公式（9.14）为钉螺动水沉速应用公式，该式的应用需通过水槽试验确定其中的主要参数，即动水沉降阻力系数Cb的值。

根据长科院试验结果，钉螺在流动水体中沉降运动状态表现有以下几个特点：

（a）钉螺在动水中的下沉方式与在静水中下沉方式一样，一般以水平形式下沉，水流作用方向的投影面和螺体前进方向的投影面均为钉螺的侧截面。

（b）钉螺在下沉过程中一般能保持平稳状态，但个别钉螺略有摆动。

（c）在水流流速小于10cm/s时，钉螺下沉到水底后立即停止运动，不产生位移；在水流流速大于10cm/s时，钉螺下沉到水底后出现滑动或滚动现象，滑动或滚动距离随流速的增大而加长，在遇到河底有障碍物时，钉螺才停止滚动。

（d）钉螺下沉运动的轨迹，在流速小于10cm/s 时接近于直线运动；当流速超过10cm/s 时，钉螺的运动轨迹略呈抛物线型。

（e）在水流流速较大，紊动强度较高（如水流雷诺数Re＞4×104）时，钉螺脱离水面后虽然最终也沉到水底，但呈现“漂移”现象，出现阻力系数为虚数，说明需要考虑水流紊乱动对钉螺沉降的影响。

5.钉螺的起动流速

（1）钉螺的起动状态。钉螺具有三种不同的起动状态：无吸附力（闭厣）状态；动床有吸附力起动和定床有吸附力起动状态。钉螺在不同状态下起动，其起动流速的临界值也不相同，分述如下：

l）无吸附力起动。钉螺的吸附力是在它开厣进行生物活动时才会存在，闭厣时钉螺便完全丧失了它的吸附能力。钉螺在闭厣状态下起动，起动流速的临界值最小且可以与水力因素变化建立关系。

2）动床有吸附力起动。动床有吸附力起动是指钉螺吸附在可冲性河床表面上的起动。在这种状态下，由于吸附力的作用，钉螺可以抵抗一定流速的水流对它的冲击，因而起动流速的临界值要大于无吸附力的起动流速临界值。但当水流作用于螺体时受到螺体的阻碍，底部流速将发生局部绕流，当绕流流速超过床沙起动临界流速时，床面将发生冲刷并带动钉螺也随之而起动。这种情况钉螺起动的边界条件最复杂，由水流强度、床沙起动条件和钉螺吸附力强弱等诸因素所决定。因而这种状态的起动不能单纯依靠水力学方法解决。

3）定床有吸附力起动。如果河床由岩石或水泥板构成，钉螺吸附在这些不可冲（或称耐冲性强）的床面上，称为定床有吸附力起动。这种状态起动除与水力强度和钉螺吸附能力强弱有关外，还与构成床面材料的性质（木板、铁板、水泥板、岩石等）和粗糙程度有关，也不能简单依靠水力学方法解决。

（2）钉螺的起动现象和起动流速公式。

1）钉螺起动现象。水下钉螺起动具有以下特点：

钉螺无论在何种状态下起动，一旦起动都以滚动形式向前滚动，很少以滑动或跳跃的形式运动。螺体的运动方向一般是螺径方向与流向平行，螺高方向与流向垂直，因为螺体沿螺径方向的几何形状为圆形，易于滚动而且滚动的摩擦阻力最小。

在三种不同起动状态下，以无吸附力状态的起动流速为最小，最大值不超过19cm/s，最小值仅14cm/s。定床有吸附力状态的起动流速值为最大，流速达到60cm/s时只有少量钉螺可以起动，流速达107cm/s时起动的钉螺数尚在40%以内，即大部分钉螺尚未能起动。动床有吸附力状态居中，起动流速在30～40cm/s之间。

以上特点是在试验室条件下观察到的现象，影响水下钉螺运动还有其他因素，如水深、时间以及钉螺的生物特性等，在目前条件下尚难进行试验。

2）无吸附力钉螺起动流速公式。根据滚动力矩平衡以及采用垂线流速指数分布公式形式，推导得钉螺起动流速表达式为：

式中K代表钉螺起动的综合系数；m代表流速分布指数。这两个无因次数均通过试验来决定。

通过对实验资料进行分析，K值随水深有所变化，当水深H≤30cm时，K=0.26；当H＞30cm时，K=0.22。