循環水養殖中水動力特性對魚類影響的研究進展

王江竹，宛 立，任效忠，史憲瑩，張 倩，薛博茹

( 1.大連海洋大學，遼寧 大連 116023； 2.設施漁業教育部重點實驗室，遼寧 大連 116023 )

水產養殖業在我國擁有重要的地位。在過去50多年間，以中國為代表的水產養殖業的發展速度已超過全球人口增速，全球已經有39個國家和地區的水產養殖產量超過了捕撈產量，中國則以水產養殖產量占漁業總產量的73%位列第一[1-2]。隨著經濟的發展和養殖規模的不斷提升，養殖業出現了生產方式落后、效率低下、養殖環境污染、水域生態破壞、病害頻發等一系列亟待解決的問題[3-4]。在資源環境制約的背景下，工廠化循環水養殖模式被重視起來，逐漸成為未來我國水產養殖業的主要發展方向之一。工廠化循環水養殖模式是以養殖用水經物理和生物濾池等環節處理后循環利用為核心特征，具有節水、節地的優點，符合當前國家提出的循環經濟、節能減排的戰略需求[5]。由于工廠化循環水養殖是一種高度依賴設施和高密度的養殖模式，且養殖動物整個生命周期內均在養殖設施的單元中生長，因而它對魚類的影響明顯有別于傳統生產模式和深水養殖模式。開展工廠化循環水養殖環境中養殖池結構和池內水動力條件對魚類影響的研究，對提高養殖效率具有重要的科學意義和應用價值。

1 工廠化循環水養殖發展現狀

工廠化循環水養殖模式在國外起步于20世紀60年代，世界各國養殖方式及種類呈現出不同的特點。美國主要以養殖虹鱒(Oncorhynchusmykiss)、條紋鱸(Moronesaxatilis)、黑斑石首魚(Sciaenopsocellatus)為主；荷蘭主要用于養殖歐洲鰻鱺(Anguillaanguilla)和非洲鲇(Heterobranchusbidorsalis)，生產中保持低換水率或零換水率,接近完全循環利用的生產理念；澳大利亞將養殖池和水處理系統組合，并構建保溫設施，形成一體化循環水養魚模式；挪威的循環水養殖以大西洋鮭(Salmosalar)為主，與傳統模式相比，水質保持良好，餌料利用率高，對提高大西洋鮭的產量發揮了重要作用[6]。目前，國外工廠化循環水養殖已快速發展，并廣泛應用于各種水產品養殖，做到了從魚苗孵化至成魚均采用循環水一體化養殖模式。與傳統的流水養殖模式相比，每日補水量僅為系統總水體的5%，節水可達90%以上，短期內實現了舌齒鱸(Dicentrarchuslabrax)、鮭魚、大菱鲆(Scophthalmusmaximus)的高產[7-8]。

我國傳統水產養殖方式采用海上筏式養殖、內灣近岸網箱養殖，陸地采用池塘、湖泊、溫室大棚加深井海水的流水養殖模式[9]，受限因素較多，易受到自然條件制約和災害的影響。此外，養殖廢水直接排放會造成水體富營養化。20世紀90年代初，循環水養殖模式在我國開始起步發展。相比傳統養殖模式，循環水養殖系統的養殖密度可提高35～50倍[10]，90%的養殖用水可循環利用，提高了水資源利用率并減少了環境污染[11-12]，因而過去30年內循環水養殖產業得到快速發展。

鑒于工廠化循環水養殖具有對設施設備高度依賴、前期投資成本高的特點，目前國外主要應用于大西洋鮭、虹鱒、歐洲鰻鱺、暗斑梭鱸(Stizostedionlucioperca)、白斑紅點鮭(Salvelinusleucomaenis)、鱘魚、尼羅羅非魚(Oreochromisniloticus)[13]。國內主要應用在經濟價值高的養殖品種上，如紅鰭東方鲀(Takifugurubripes)、半滑舌鰨(Cynoglossussemilaevis)、吉富羅非魚(GIFTOreochromisniloticus)、虹鱒、大菱鲆、石斑魚(Epinephelus)、鱘魚、鰱魚(Hypophthalmichthysmolitrix)、鰻鱺(A.japonica)、哲羅鮭(Husotaimen)、藍鰓太陽魚(Lepomismacrochirus)等；除魚類外,循環水養殖也用于蝦、蟹、海參、貝類等品種[13-14]。

2 養殖池結構對養殖效果的影響

在工廠化循環水養殖中，養殖池結構直接影響養殖池內水動力特性，進而影響池內水體流態、死水體積及養殖動物代謝物的排出。因此，為確保系統的穩定性，養殖池單元的設計尤為重要。養殖池的研究主要集中在池形、進水結構、排水結構、徑深比、循環量等對養殖系統的水動力特性及排污特性影響上。目前國內外利用率較高的養殖池類型以及其對不同養殖魚類的生長影響情況見表1，其中存活率75%～99.7%，質量增加率34%～439.1%，特定生長率0.17%/d～2.68%/d，最終養殖密度19.74～104.2 kg/m3。

表1 養殖池池型對不同養殖魚類生長的影響

2.1 圓形養殖池

圓形養殖池具有較好的自凈能力和集污效果，水體混合較均勻，死水體積少，易清洗，因此在國內外水產養殖中應用較為廣泛。其進水方式和徑深比會影響池內水體混合均勻性及集污效果。圓形養殖池沿切線方向進水，能產生均勻的流態和較高的水流回轉速度，旋轉速度在很大程度上取決于切向注入圓形養殖池的水流沖力(進水口孔數、開孔面積及流量)[28]。Oca等[29]分析了不同進水速度、流量及沖擊力下具有切向進水和底部中心出水的圓形水池徑軸速度分布，池內水流速度均呈現由池壁到1/2半徑處遞減，之后到池中心遞增的趨勢。只有在流量較低的試驗中，池中心的速度隨池壁距離的減小而減小。流量較高時池中心附近速度遞增是因為水體在水池內旋轉運動形成了一個漩渦，越靠近漩渦，速度就越大。漩渦的產生也與進水流量大小有關。圓形養殖池進水方式主要分為：開放式單管、均勻開孔的橫管和垂直管、均勻開孔的橫管加垂直管4種[30](圖1)。目前，均勻開孔的垂直管進水結構因其水流均勻性和集污效果最佳，在工廠化循環水養殖中應用較多。進水管采用等距雙管布置，進水入射角為45°時切向速度最高[31]。

圓形養殖池推薦的合適徑深比為3∶1～10∶1[32-33]，具體選擇取決于養殖池的規格、進水速度及進水位置等因素。圓形池采用的徑深比超過一定范圍時，養殖池內中心至池壁間將出現環形無漩區，該區域水體混合差、流速低，不利于養殖池內廢物的排出。因此，試驗或實際養殖中，除考慮水力混合特性外還需根據占地面積、成本、飼養物種、操作方便程度等綜合選擇適合的徑深比。

圖1 圓形養殖池4種進水方式

2.2 矩形養殖池

矩形池相鄰池壁共用，具有建筑成本低，土地利用率高、易人工清潔和管理便捷的優點，流態也更接近天然河道。但循環水養殖中傳統矩形池的流動模式通常達不到最佳流態，具有一定面積死水區和低流速區，養殖池內流場始終處于非平衡狀態，水體混合不均勻，養殖魚類殘餌及糞便易沉積于池底局部，直接影響到水質和養殖魚類的健康，通過調整進水方式來改善矩形池弊端的效果有限。矩形池進水方式主要分為：單一水平單口進水和垂直單口進水、多個垂直單口進水、底部雙向切向進水4種[34](圖2)。單一水平單口進水和垂直單口進水時，池內出現多處漩渦，漩渦中心為死區，導致水體混合能力和排污能力較差；多個垂直單口進水時，水流呈單向、向前推進的流動模式，接近活塞流流動條件，較單一垂直單口進水方式下水體混合效果明顯增強；底部雙向切向進水，位于矩形池較長側壁的中心，此方式下池內流速大小分布均勻，具有最高的平均速度，可防止固體廢棄物沉積，因而達到改善養殖水質的效果[33-35]。目前，在矩形循環水養殖池中使用較多的為單管垂向均勻開孔的進水方式，可為養殖池系統提供分層水平驅動，達到除近池底外各層水動力條件基本相同的效果。矩形養殖池采用的徑深比范圍與圓形養殖池大致相似。

圖2 矩形養殖池4種進水方式

2.3 其他結構養殖池

除圓形養殖池和矩形養殖池外，多單元養殖池及方形圓弧角養殖池在循環水養殖中應用也較多。多單元養殖池是將傳統矩形池分為多個矩形單元，每個單元內有單個切向進水裝置。通過優化傳統池內進水布置，每個單元內就可形成旋轉流動池，模擬了圓形池內的流態，具有圓形池的自凈功能，水流混合更均勻。

方形圓弧角養殖池在空間和水流形態方面兼顧了圓形池和矩形池的優點，用1/4圓弧代替正方形直角，與圓形養殖池相比增加了車間面積利用率，同時避免了方形池直角區易沉積污染物的缺點。進水方式可采用直邊邊壁進水也可在圓弧角處切向進水，現階段研究結果表明，相同條件下，圓弧角處切向進水可使池內水流產生更高的平均速度。池內流場特性與圓形養殖池類似，水體在池內做旋轉運動，池中心處形成的漩渦更便于污染物排出，具有水流混合均勻、集污效果較好的優點。這也是值得推廣使用的一種池形。

3 水動力條件對養殖魚類的影響

工廠化循環水養殖系統中，水動力條件對魚類的影響表現在行為、攝食、生長等方面，能夠刺激魚的感覺器官，引起大多數生活在中上層的魚類產生趨流性[36]。研究水動力條件對魚類產生的影響有助于了解魚類的活動規律、習性，進而為魚類提供良好的水動力環境，實現魚類福利化養殖，促進魚類高效生長，最終實現較好的經濟效益，因此研究養殖魚類的水動力需求意義重大。

3.1 流速

3.1.1 對魚類行為的影響

魚類在靜水條件下，游泳無特定的方向性，但在一定流速下，就會有明顯的趨流行為，趨流性可以作為研究魚類行為響應的參數。紅鰭銀鯽(Barbodesschwanenfeldi)、羅非魚幼魚和雜交鱘(A.schrenckii♀×A.baeri♂)幼魚的趨流率、擺尾頻率均隨流速增加，兩者之間呈顯著線性正相關[37-38]，這一結論與鯉魚(Cyprinuscarpio)、草魚(Ctenopharyngodonidellus)等幾種淡水魚類似[36]。其他學者對條紋斑竹鯊(Chiloscylliumplagiosum)、鰈魚等海洋魚類的趨流性進行研究,結果也表明，魚的趨流率在一定流速范圍內均隨流速的增大而升高,說明流速是魚類保持較高趨流率的必要條件[39-40]。另外,不同魚類對流速的感知和喜好各不相同,許氏平鲉(Sebastodesschlegelii)幼魚的感應流速為0.1～0.15 m/s，喜愛流速為0.2～0.45 m/s，當流速達到0.6 m/s時其趨流率接近100%[41]；白魚(Anabariliusgrahami)趨流率達到100%時池內流速為0.25 m/s[42]。施氏鱘(A.schrenckii)在0.18 m/s的環境中,全部呈現同一方向的逆流游泳[43]。掌握了魚類的行為規律后，可以在養殖中對流速進行調控，達到為魚類提供適合的生存空間，實現有限養殖空間充分利用的目標。

3.1.2 對魚類攝食、生長的影響

流速可通過調節神經激素來影響魚類的食欲進而影響攝食量[44]，在一定條件下與魚類的生長呈正相關。在設計流速范圍內(0.06～0.36 m/s)，流速越大，大菱鲆幼魚攝食量越大，特定生長率、質量增加率也隨之增大，呈先快速上升后緩慢上升的趨勢,飼料系數則相反[45]。黃寧宇等[46]發現，流速與西伯利亞鱘的生長效率之間存在顯著正相關,其他指標(體質量、體長、凈增加質量、日生長率)也均隨流速增大。劉穩等[47]發現，當鯽魚(Carassiusauratus)生活在小于其喜好流速上限(0.6 m/s)時,流速對鯽魚的生長起到一個促進作用；而當鯽魚生活在大于其喜好流速上限時,流速對鯽魚的生長起到一個阻礙作用。

3.2 流場

剪切力和切應力存在于大多數水流系統中。洄游魚類可利用河流中的紊流來減少洄游過程中的能量消耗，提高在水中的游動速度，一些魚類還能在可預測的擾動環境中游泳并從中捕獲能量[48]，但不適當的紊流與剪切力會對魚類產生損傷乃至死亡。

魚類的損傷率和死亡率隨紊動強度、剪切力及其在紊流中停留時間的增加而提高。當紊流速度為0.56～6.64 cm/s時，鯽魚可維持正常的游泳姿勢，并能利用渦旋提高自身游動效率，適合其生存；紊流速度大于9.09 cm/s時，鯽魚表面損傷嚴重，陸續死亡[49]。高剪切力下幼魚死亡率隨之增加，剪切力在161.3 N/m2時，幼魚初始死亡率為17%；1 h后死亡率為75%；當剪切力達到474.3 N/m2時，幼魚死亡率達到了83%[50]。美洲狼鱸(Moroneamericana)在剪切力為35 N/m2的紊流中1 min后死亡率為38%，4 min后死亡率達75%[51]。由于生理結構差異，同一切應力下，對不同種類的魚類產生的影響均不同。Turnpenny等[52]發現，切應力最小時，鯡形目魚1 h后便全部死亡,而鰻鱺目魚即使在高切應力下損傷也極低。造成魚類損傷差異性的原因主要是因為兩種魚的黏膜層堅硬程度不同，鯡形目魚黏膜層易受破壞，導致損傷率較高。

雖然循環水養殖水動力條件可進行設計調控，但養殖池中流場并非均勻狀態，在排污口、進水口，甚至養殖池池壁附近均易出現復雜流場，不同池形結構的流場復雜程度也有很大差別，不同魚類對復雜流場的耐受程度也有差異。

3.3 排污

無論工廠化循環水養殖模式還是其他流水養殖模式，養殖飼料利用率均不能達到100%，殘餌與養殖動物糞便組成的廢棄物會留存于養殖池水環境中，成為粒徑0.1～1.0 mm、密度1.06～1.19 g/cm3的懸浮顆粒，其中有機物含量約占80%[53]。不恰當的飼料投喂策略和去除手段，易造成懸浮顆粒物在系統中的累積和分解礦化[54]，進而對魚體健康、養殖水質等產生負面影響，因此養殖池內的及時排污極其重要。池內增強排污效果最常采用雙通道大流量排水和保持水體高回旋速度兩種方法。通過池底的大量排水，廢棄物隨水流自出水口排出，但大流量排水增加了循環養殖的運行成本；保持水體高回旋速度，是基于“茶杯效應”[55]這種現象，利用池底的徑向流將廢棄物運送到排污口周圍，流速越大集污的效果越好。

3.4 水循環率

水循環率在系統中對水質的好壞及養殖魚類的生長健康起著不可忽視的作用。增加水循環率可提高養殖水體中氨氮和亞硝態氮及其他有害物的去除速度,減緩水質惡化及對養殖動物的危害,起到加快養殖動物生長速度的作用。隨著水循環次數的增加，水體中各種污染物消除速率隨之增加。水循環次數為1～8次/h時,大菱鲆幼魚的特定生長率隨水循環次數的升高而增大；水循環次數為12、24、36、48次/d時，大菱鲆的體質量增量、質量增加率和平均日增加質量亦隨系統中水循環次數的升高而增加,餌料系數則隨之減小[56-57]。而在水交換量較低時，水中氨氮含量升高，虹鱒出現側游加重的行為；無水體交換時，虹鱒出現畸形乃至死亡的情況[58]。

養殖水體日循環次數關系到養殖污染物去除、養殖動物健康成長與養殖成本上的相互制約。因此，綜合經濟因素、養殖水體環境和養殖魚類的需求，可在養殖中適當提高水循環率，保持水質條件良好，維持動物健康和養殖成本合理，縮短養殖動物生長周期，提高養殖效益。由于不同魚類對水質環境的耐受性不同，在實踐中需針對不同養殖魚類的最佳循環率開展理論和實際研究。

4 展 望

目前，我國循環水養殖的研究方向主要集中在現代化養殖設施的研發、循環水尾水處理技術和部分關鍵處理設備的可靠性及精確性的提升[59-62],忽略了養殖池結構及池內水動力特性對魚類的影響。養殖池結構設計的初衷是側重于創造一個具有足夠水流速度的理想水流模式，為魚類提供最佳的生長環境。相比較而言，圓形養殖池及方形圓弧角養殖池具有更好的速度均勻性和污染物排出能力，因此養殖中得到了較廣泛的應用。同一池形下，池內平均流速很大程度上取決于進水速度及進水管位置，相同條件下不同的徑深比也會造成池內速度差異。因此，實際養殖中應針對養殖魚類的生活習性和對速度的偏好來選擇合適的養殖池結構及進水特性。此外，當前循環水養殖中還存在能源和餌料支出占據產品成本較高比例[14]、循環水設備集污能力不夠理想等問題。因此，加強對養殖池水動力特性的研究、降低能耗及生產運營成本、研發節能高效的設備、提高循環水養殖系統集污排污的能力及尾水高效處理技術，是今后工廠化循環水養殖模式發展方向。