底推流量對養殖工船分隔式艙養系統水質影響的初步研究

管崇武，張宇雷，2，張成林,2

(1 中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所,農業農村部漁業裝備與工程技術重點實驗室，上海 200092；2 青島海洋科學與技術試點國家實驗室，山東 青島 266237)

經過多年的探索，中國的漁業發展方針已明確從“以捕為主”向 “以養為主”的模式轉變[1]。2014年世界水產養殖產量超過了捕撈產量，成為漁業生產的主體[2-3]。中國海水養殖存在布局不合理、生產方式對環境影響較大等問題，為了加快產業轉型升級，向深遠海水域拓展養殖新空間，發展以養為主的海洋漁業新型生產方式，是漁業發展突破生態環境和自然資源約束性挑戰、培育新動能的重要戰略方向[4-5]。20世紀80～90年代，一些發達國家如挪威、日本等國已經出現海上工業化養魚[6-7]，目前中國也開始了大型養殖平臺的研發工作，但相關的學術研究還較少[8]。崔銘超等[9]系統地研究了封閉艙養式養殖工船的構建與總體技術，并開展船舶橫搖和縱搖運動對養殖魚艙中流場的影響研究[10-11]。肖凱隆等[12]研究了封閉艙養式養殖工船液艙晃蕩與船體運動的耦合。韓冰等[13]開展了養殖工船自航工況及系泊作業工況下的耐波性能研究。高瑞等[14]進行養殖水艙橫搖激勵下的適魚性影響情況研究。上述研究主要關注船體設計方面，對于養殖水艙具體養殖過程中涉及的問題牽扯較少。大型養殖工船屬于新興事物，船載養殖系統實際應用缺少基礎和經驗的支撐[10]。

本研究依據早期研究成果，在陸基條件下模擬構建一套養殖工船上的艙養系統，通過設計構建隔離網和底部推流泵來實現養殖與艙內殘飼和糞便的快速排出，分析底推流流量參數對池內水質指標的影響，確定適宜推流流量，并以此為基礎進行不同換水量條件下對養殖水質的凈化效果對比試驗，為后期養殖工船設計提供參考和基礎數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗系統

試驗系統構建于山東國信東方(煙臺)循環水鮭魚養殖基地的養殖車間內，設置試驗池和對照池各1口，池呈方切角狀，單個池的規格為9 m×9 m×3.5 m(長×寬×高)，有效養殖水體240 m3。試驗池切面圖如圖1所示，在離池底1 m高處鋪設一圈隔離網，隔離網寬2.4 m，傾角5°，隔離網下方4個角落放置4臺反沖水泵(CAL32-10-1 1.5kW)用于制造反沖洗水流；對照池則無鋪設隔離網和反沖水泵，其他與試驗池一致。

1.2 養殖對象

選用的大西洋鮭來自國信東方(煙臺)循環水鮭魚養殖基地。平均每個池放養392條，每條魚平均質量(2.79±0.23)kg，平均養殖密度4.21 kg/m3，試驗時投喂量為1.6 kg/d。于2020年4月29日將魚移入試驗系統，5月8日開始試驗，整個試驗周期約2個月。

1.3 試驗設計

1.3.1 隔離網對池內水流量的影響

為了驗證隔離網對池內水流的流速影響效果，采用多普勒測速法進行檢驗。對照池設定進水流量120 m3/h，通過兩根對角放置的進水管按每個60 m3/h的流量進水；試驗池通過1根進水管按40 m3/h的流量進水，并設定隔離網下方4個推流泵按每個10 m3/h和20 m3/h兩種底推流量狀態開啟。采用Flow Tracker 手持式聲學多普勒流速儀在試驗池中間軸線方向，按離池壁1 m、2 m、3 m，再按離池底0.6 m、1.2 m、1.8 m和2.4 m處進行采樣檢測流速量，檢測點分布位置如圖1所示，共設置24個采樣點。在設定流量穩定運行1 d后，在上述各檢測點檢測5 min后，記錄實測流速值。為保證試驗準確性和穩定性，在各檢測點檢測進行5次重復檢測。

圖1 采樣點設置Fig.1 Sampling points setting

1.3.2 底推流量對水質的影響

為了驗證隔離網下推流泵的底推流量對水質的凈化影響效果，采用對比試驗池的表層和底層氨氮質量濃度和濁度等水質指標的變化情況分析其影響效果。試驗池的養殖密度為4.5 kg/m3，按每天早晚各投喂1次，每次投喂飼料量為1 kg。設定試驗池的進水流量為40 m3/h，在每次投喂時開啟4臺推流泵，開啟2 h后關閉推流泵，通過設定每臺推流泵的流量(按0 m3/h、20 m3/h、30 m3/h和40 m3/h的流量)進行推流，分析不同底推流量對水質的作用影響。在開始投喂后0 h、0.5 h、1 h和2 h時，分別在離池壁1 m、離池底0.5 m處采集底部水樣A，在離池壁1 m、離水面下0.5 m處采集頂部水樣B，采集方法通過固定水泵定點抽吸方式。為保證試驗準確性和穩定性，各不同流量試驗組分別進行3次重復試驗。

1.3.3 隔離網底推養殖系統的水質變化

為了驗證隔離網底推養殖系統在實際養殖過程中的水質凈化效果，試驗池設定進水流量為40 m3/h，在每次投喂時開啟1 h的推流泵，底推流量為160 m3/h。試驗池的養殖密度為4.5 kg/m3，按每天早晚投喂2次，每次投喂飼料量為1 kg。對照池的養殖密度和投喂量與試驗池一致，進水流量為120 m3/h。在每天早上喂食1 h后在各池的離池壁1 m、離池底0.5 m處采用水泵定點抽吸的方式進行采樣，進行氨氮、濁度、水色、溶氧等指標檢測。

1.4 水質檢測方法和數據處理

水溫、溶氧等常規水質參數使用YSI ODO光學溶氧儀檢測；氨氮質量濃度的檢測使用水楊酸分光光度法(HJ 536—2009)[15]；水色的檢測使用Pt-Co標準比色法(GB/T 11903—1989)[16]；濁度的檢測采用分光光度法(GB/T 13200—1991)[17]，流速的檢測使用Flow Tracker 手持式聲學多普勒流速儀檢測，進水流量的檢測使用電磁流量計檢測。

使用SPSS Statistics 20統計軟件對數據進行處理及統計分析，使用獨立樣本T-檢驗進行差異性比較，檢驗顯著水平P=0.05，結果用平均值±標準差(Mean±SD)表示，圖表用Excel 2016繪制。

2 結果

2.1 底推流速對隔離網養殖系統的水流流速分布影響

圖2為對照池各檢測點位流速值分布情況，在進水流量120 m3/h時，離池底1.2 m處靠近池壁處流速值最高，即Ba采樣點和Bf采樣點處，分別達到(21.16±4.86)cm/s和(19.98±3.66)cm/s；靠近中心區流速值偏低，均在12 cm/s以下；其他A、C和D這3個不同水層檢測點的流速值基本呈較為均一的分布，數值在8.38～13.90 cm/s的范圍內。

圖2 進水流量為120 m3/h時對照池各采樣點的水流流速分布Fig.2 The distribution of flow velocity at sampling points of the control tank when the inlet flow is 120 m3/h

圖3為試驗池在進水流量40 m3/h條件下，底推流量分別為40 m3/h(10 m3/h×4臺)和80 m3/h(20 m3/h×4臺)時，池內不同位置的水流速度分布情況。可以看出在水平方向上，池內流速分布呈離池壁距離近的流速值比靠近中心位置的高；在垂直方向上，在靠近池壁位置離池底越遠流速值越低。在底推流量為80 m3/h條件下，不同水平位置大部分以離池底距離為1.8 m處即C水層的流速值最高；底推流量的加大，會導致池內整體流速值的增大。A水層和B水層分別位于隔離網的上下兩個區域，其流速值在底推流量為40 m3/h時，兩者間無明顯差異；但在底推流量為80 m3/h時，A水層處的流速值高于B水層，表明隔離網底部的推流有利于底部區域水流流速的增快，可能會加速池底顆粒物向中心排污管運動，有助于池底污物的聚集和排出。

圖3 底推流速對試驗池各采樣點的水流流速分布Fig.3 Influence of bottom pushing velocity on flow velocity distribution of sampling points in experimental tank

總體而言，進水流量高的池內水體流速值也呈較高水平，在高進水流量條件下，池內水體的流速值相對混合比較均勻，無明顯的分區域分布趨勢；在低進水流量條件下，提高底推流量將有助于隔離網上下兩層水流速值差異化分布。

2.2 底推流速對水質的作用影響

2.2.1 底推流速對池中氨氮質量濃度的作用影響

圖4為進水流量為40 m3/h時4種不同底推流量對試驗池中表層和底層水體的氨氮質量濃度變化情況。從圖4可以看出，水體中氨氮質量濃度去除效果隨著底推流量的加大而增強。在開啟推流時長為0.5 h時，各不同推流量的試驗組大部分都表現出氨氮質量濃度上升的趨勢，并且隨著推流量的加大上升幅度加強，在底推流量為160 m3/h的條件下，表層和底層的水中氨氮質量濃度值相對于初始值分別上升22.09%和47.31%。在開啟推流時長為1 h時，不開推流和底推流量為80 m3/h的試驗池中底層水的氨氮質量濃度尚高于初始值，其他均顯著下降，以底推流量為160 m3/h時去除效果最佳，表層和底層的水中氨氮質量濃度值相對于初始值分別去除68.02%和58.68%。在開啟推流時長2 h時，各組氨氮質量濃度均低于初始值，但對氨氮質量濃度的去除效果與1 h時相接近。

圖4 換水量為40 m3/h時4種不同推流量對試驗池中表層和底層水體的氨氮質量濃度變化情況Fig.4 The change of ammonia nitrogen concentration in the surfaceand bottom water of the experimentaltank under four different pushing flow rates when the water exchange rate is 40 m3/h

2.2.2 底推流速對池中濁度的作用影響

圖5為進水流量為40 m3/h時4種不同底推流量對試驗池中表層和底層水體的濁度變化情況。對于濁度下降效果而言，底推流量160 m3/h的試驗組隨著時間的增加表現出明顯的下降趨勢，其他3種條件均表現出中途有升高的狀態，可能是推流將原沉淀的污物攪起導致。表層水中濁度相對于底層無明顯變化，在開推流時長2 h時，推流量分別為0 m3/h、80 m3/h、120 m3/h和160 m3/h條件下底層水中濁度分別為初始值的43.09%、65.32%、72.31%和36.61%，以推流量為160 m3/h對池中濁度去除效果最佳。

圖5 換水量為40 m3/h時4種不同推流量對試驗池中表層和底層水體的濁度變化情況Fig.5 Turbidity changes of surface water and bottom water in the experimentaltank under four different pushing flow rates when the water exchange rate is 40 m3/h

2.3 隔離網底推養殖系統的水質變化情況

在為期1個多月的養殖試驗期間，試驗池與對照池的水質情況如圖6所示。試驗池的氨氮質量濃度為0.007～0.087 mg/L，平均值為(0.046±0.024 )mg/L，對照池的氨氮質量濃度為0.012～0.094 mg/L，平均值為(0.040±0.023)mg/L；試驗池的濁度為0.231～0.850 NTU，平均值為(0.504±0.190)NTU，對照池的濁度為0.191～0.805 NTU，平均值為(0.380±0.180)NTU；試驗池的水色為1～8.3 mg/L PtCo，平均值為(3.9±2.0)mg/L PtCo，對照池的水色為1～9 mg/L PtCo，平均值為(3.8±2.5)mg/L PtCo。通過獨立樣本T檢驗，試驗池與對照池的氨氮質量濃度、濁度和水色均無顯著性差異(P>0.05)。表明采用底推流與隔離網結合的方式，在換水流量降低70%條件下，也能達到較好水質調控效果，可以有效解決無穩定旋轉流態魚池中排污和調控水質的問題。

圖6 試驗池和對照池的水質對比情況Fig.6 Comparison of water quality between experimental tank and control tank

3 討論

3.1 分隔式艙養模擬系統流態分析

開展養殖工船構建技術研究是當前研究熱點之一，船載養殖艙內的水體在船體搖擺作用下產生晃蕩作用，對艙內的水流和顆粒物的集排污形成的較大影響，但目前養殖艙晃蕩對水流速與流態的影響鮮有研究[10]。宋協法等[8]研究發現養殖池內水體速度呈對稱分布，水流速度由池壁向池中心逐漸減小，池中心存在一定規模死水區，會影響水艙的排污能力。崔銘超等[10]研究發現艙內產生圍繞橫搖軸旋轉的水流，在軸中心位置仍存在低速區。本試驗研究結果與上述研究相同，對照池的進水流速遠大于試驗池，池內各檢測點的流速均高于試驗池，而且池內水平方向水流速度呈池壁往池中心減小的趨勢，但垂直方向無明顯變化規律。底推流的推流流量對試驗池的水流流速影響較大，隨著底推流速的增大，其向前推動水體流動的強度就越大，在隔離網上下兩層有明顯分層現象，有利于養殖池底部沉積的沉積污物(殘飼、糞便等)排出。

關于養殖池的水體流速分布規律已有相關報道，早在1989年，杜漢斌等[18]研究圓形魚池進水設施與流速排污的問題，指出排污的關鍵是使池底各點的流速都大于污物的止動流速。Davidson等[19]比較了雙排水養殖系統的流速分布，提出1.3～1.7 min的旋轉周期為從雙排水系統中排出池底污物的最佳水速。Oca等[20]提出循環水養殖池的流場特性受流速、水深、進水量與出水量的影響。于林平等[21]通過流體力學仿真技術研究了單進水管結構對單通道圓弧角養殖池水動力特性的影響，研究表明進水管采用圓弧角位置布設，日循環次數為100～120 次/d 時，養殖池內尤其是底部能達到較優流場狀態。趙樂等[22]研究發現工廠化養殖池內水體的流場分布特性直接決定了其對殘餌、糞便等的排污性能，在射流角度固定的情況下，射流速度越大，池心低流速區域越小，污物向池心的聚集效果越好。本研究表明，推流流量從40 m3/h提高到80 m3/h時，A處流速從(3.74±0.72)cm/s上升至(6.12±0.66)cm/s，略低于于林平[21]研究中得到的平均流速7.3～8.2 cm/s有利于殘飼糞便向排污口匯聚遷移，因此在后續試驗中推流流量為160 m3/h。

針對隔離網用于養殖系統水層的分隔研究尚無報道。田昌鳳等[23]設計了分隔式循環水池塘養殖系統，進行吃食性魚類養殖區和濾雜食性魚類養殖區的分隔。這與本研究設計理念不完全相同，本隔離系統是垂直方向進行上下水層分隔，其為水平方向進行左右位置的分隔。Cui等[24]開展雙層網底鲆鰈網箱耐流特性的數值模擬研究，發現雙層網底鲆鰈網箱的網底結構在水流作用下會發生傾斜與轉動。眾多國內外學者[24-26]對水流下網衣的水動力特性進行了許多研究，表明網衣會產生一定阻流效應，形成流速的明顯衰減。本研究中隔離網與水平方向呈5%夾角布置，A處流速比B處平均高24%，表現出一定程度的阻流效應，這與趙云鵬等[27]研究結果相近，隔離網上下水流流速變化規律也與劉超等[28]發現的網箱系統內部與周圍流場分布及流速變化規律相符。

3.2 分隔式艙養模擬系統運行效果分析

本研究采用濁度來反映水中懸浮顆粒物的變化情況。濁度指水體中懸浮物質的含量，既反映水的表觀質量，又反映水的內在質量[29]。它并不能直接表示水中懸浮物雜質顆粒的具體含量，但能通過其數值的變化反應水中懸浮顆粒數量的變化趨勢[30]。在本研究中試驗池與對照池的濁度變化無顯著差異，表明采用分隔式底推流技術可以實現養殖池的有效集排污。

養殖系統的電費支出在養殖成本中占了相當大的比例[31]，在水質指標保持相對穩定條件下，本艙養模擬系統換水量可以從120 m3/h降低至40 m3/h，按流量40 m3/h揚程9 m潛水泵功率2.2 kW計，流量120 m3/h潛水泵功率要7.5 kW，推流泵按每臺1.5 kW計，對照池每天運行能耗180 kWh，試驗池每天運行能耗64.8 kW/h(4臺推流泵開啟2 h/d)，每天運行能耗降低115.2 kWh。從運行成本上來看，艙養模擬系統相對于傳統流水養殖方式具有良好的節能效果。

4 結論

設計了一套在養殖池底部設置分隔網和4臺推流泵構建的艙養模擬系統，研究了底推流量對系統流速和水質的影響，并與傳統高進水流量的流水養殖池進行對比。提高推流的流量將有助于隔離網上下兩層水流速值差異化分布，有利于養殖池底部沉積的沉積污物(殘飼、糞便等)排出；底推流量與水質凈化效果呈正相關關系，在相同進水流量條件下，以底推流量為160 m3/h時對水質凈化效果最佳；進行為期1個多月養殖對比試驗，進水流量為40 m3/h的艙養模擬系統水質指標與進水流量為120 m3/h的對照池無顯著差異，表明該艙養模擬系統可有效降低運行換水量，具有良好節能效果。

□