微循環流水跑道養殖-稻田互惠系統設計與應用

摘" 要：綜合稻田凈水和循環水跑道養魚的優勢，利用稻田進排水渠道空間，提出一種新型稻田凈水與循環水跑道養殖互惠共生系統的工藝設計方法，通過系統內循環、地表水補充的方式，確保系統各部分的正常運行，初次用水為地表水引入；系統內循環水的處理工藝部分由凈水區、清水池、過濾池、沉淀池及稻田處理區域5部分組成。示范工程效果表明，在沒占用稻田種植面積的情況下，每條養殖水槽可年產成魚5 000 kg，相當于新增精養池塘5～10畝，試驗區水稻畝產588 kg，同比增產7.5%。該研究提出的工藝可實現稻田跑道養魚一體化裝備，可為稻田精準化、集約化養殖生產和延伸生態農業產業鏈提供重要的科技支撐。

關鍵詞：綜合種養；循環水；互惠共生系統；工藝設計；示范工程

中圖分類號：S273 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2023）15-0031-05

Abstract： Combining the advantages of fish culture using clean water and circulating waterrunwaysin the paddy field， and making use of the space of paddy field inlet and drainage channels， this paper puts forward a new process design method of reciprocal symbiotic system of paddy field clean water and circulating water runway culture. Through the circulation in the system and the replenishment of surface water， the normal operation of all parts of the system is ensured， and the surface water is introduced for the first time. The treatment process of circulating water in the system consists of five parts： clean water area， clear water tank， filter tank， sedimentation tank， and paddy field treatment area. The effect of the demonstration project shows that without occupying the planting area of rice fields， each aqueduct can produce 5 000 kilograms of adult fish per year， which is equivalent to 5 million mu of intensive culture ponds， and the yield of rice in the experimental area is 588 kg per mu， an increase of 7.5 per cent over the same period last year. The technology proposed in this study can realize the integrated equipment of rice field runway fish culture， and can provide important scientific and technological support for rice field precision， intensive culture production and extension of eco-agricultural industry chain.

Keywords： integrated aquaculture; circulating water; reciprocal symbiotic system; process design; demonstration project

中國是世界上的農業大國，擁有悠久的農作物種植歷史，其中最具有代表性的就是稻漁綜合種養殖技術[1]。但是，該技術溝渠面積容易擴大，違背國家耕地保護政策，但面積過小又產量低，操作麻煩，而且基礎設施前期投入大，種養成本偏高，大多農民缺乏積極性，同時數字化養殖難度較高。慈溪市現代農業產業園的建設促進了其農業產業化水平的提高，加速了農業的現代化轉型[2]。隨著慈溪現代農業開發區的建設，在海涂圍墾地上建成了集中連片的水稻田，由于土壤肥力基礎差，水稻產量不高，效益差。為彌補海涂水稻田種植效益差問題，慈溪市現代開發區在近幾年也嘗試推廣稻田養小龍蝦、稻蟹混養等技術，推廣面積達到2 300多畝（1畝約等于667 m2），但由于受傳統稻漁綜合種養的技術限制，有些稻田養殖很少種稻，基本成為了池塘，違背國家對基本農田保護政策，有些稻田養殖虧損嚴重，難于繼續開展稻田養殖。如何在傳統稻漁綜合種養的基礎上，提出一種新的模式，既能增加養殖收入，又能改善水稻田土壤肥力結構和提高糧食作物增產的潛力，具有十分重要的重要意義。

循環水跑道養魚2013年由美國大豆出口協會首次引入我國，引入后該模式快速在我國各地推廣應用，至今已建成近萬條養魚槽[3]。循環水跑道養魚通過對池塘、沼澤等的改造，能夠實現智能現代化養魚，科學喂養下能夠同時實現高產、高效、高質量[4]，該技術與漁業互保、智慧漁業、休閑漁業等有機融合，養殖模式日益成熟[5]。但是“循環水跑道”養殖區末端吸污效率普遍不高，且養殖區前端凈化效果不夠好，如何優化集污、吸污區的設施設備，構建穩定有效的外塘生態系統，是亟待解決的關鍵技術難題。

本研究整合稻漁綜合種養和循環水跑道養魚的優勢，提出了一種新型稻田凈水與循環水跑道養殖互惠共生系統，以期為實現稻田精準化和集約化養殖提供技術支撐。

1" 設計概況

本設計項目總用地約18 900 m2，其中稻田區域用地約17 390 m2，養殖區域用地約220 m2，水處理區域用地約420 m2，其他區域用地約870 m2。本項目采用露天養殖模式，養殖區域配備曝氣增氧設備，用于水處理和養殖的區域之和不大于總面積的10%。與此同時還采用了系統內循環、地表水補充的方式確保系統各部分的正常運行，初次用水為地表水引入。本項目設計的新型稻田養魚互惠共生系統，整個系統融合了露天精養池塘、傳統跑道養殖、工廠化養殖和濕地水處理技術原理，養殖水體和能量完全在系統內部循環，是一種低碳、生態、綠化、高產高效可持續發展的養殖方式。其中設計了系統內循環、地表水補充的方式，確保系統各部分的正常運行，初次用水為地表水引入，系統內循環水的處理工藝部分由凈水區、清水池、過濾池、沉淀池和稻田處理區域5部分組成（圖1）。

2" 主體工藝設計

2.1" 平面布置圖設計

以慈溪市杭州灣某60畝水稻田為例，利用其灌溉渠空間對跑道魚養系統進行了工藝設計。系統的平面布置圖如圖2所示。

2.2" 主體工藝單元設計

2.2.1" 格柵與蓄水區

格柵的主要作用是保護水泵，保證后續處理系統的正常運作。按照柵條的凈間隙可分為粗格柵（50-100 mm）、中格柵（10～40 mm）、細格柵（1.5～10 mm）和超細格柵（0.5～1.0 mm）4種，按照排渣方式則可分為機械排渣和人工排渣[6]。由于本設計在運行過程中水體環境較好，大型的漂浮和懸浮物較少，為保證養殖區域的進水質量和系統進水中攜有的較大的懸浮物得以有效去除，采用以人工清渣方式的中格柵即可滿足要求。提升泵用來將經過格柵進行初步處理的水提升至生物反應池，水泵的工作流量為養殖區的換水流量16 m3/h，水泵揚程為2.8 m，水泵的工作水位為0.6 m以上，當水位低于0.6 m時停止工作。

2.2.2" 沉淀池

本項目設計的沉淀池為作為養殖排水殘餌和排泄物的集中采集構筑物。沉淀池根據池內的水流方向可以分為平流式、豎流式和輻流式[7]。其中平流式沉淀池在應對沖擊負荷[8]和溫度變化方面展現出較強的適應能力，施工簡單且造價低，但由于用于排泥的設備位于水下，因此更容易遭受腐蝕；豎流式沉淀池雖然在應對沖擊負荷和溫度的變化方面展現的適應能力較差，但占地面積小，排泥方便；輻流式雖然排泥方便，但水流流速不穩定，且易出現異重流現象，排泥設備復雜，對施工要求高。結合養殖區的日均換水流量和水中懸浮物的含量，本設計采用底補給水上部排水豎流式結構作為處理懸浮物的有效手段。

2.2.3" 過濾池

養殖塘日換水量較小且處理水水質要求不高，運行管理方便以普通快濾池為基礎設計。濾池濾料不采用常規濾池使用的石英砂等濾料，而是使用以生物質灰渣制成的多孔磚。生物質灰渣對于生活污水中的COD、氨氮有良好的去除能力，鋸木、稻殼等不同材料形成的灰渣對P有良好的吸附能力[9-12]，因而對于養殖尾水中的COD、N、P也有良好的去除效果。濾池在整個養殖周期內不需進行反沖洗，因而不需設置進出水閥門，也不需進行排水槽、反沖洗系統設計。

本項目所設計濾池處理的水質較好且波動不大，水量較為穩定，故為每個養殖區配備2個串聯且填有不同粒徑濾料的濾池即可滿足要求，如圖3所示。濾池一以粒徑為30～40 mm的生物質填料作為濾料，采用的是上端進水下端集水的過濾方式；濾池二以粒徑為10～20 mm的生物質填料作為濾料，采用的是下端進水上端溢流的過濾方式；2個濾池具有相同的濾料厚度和設計流速。

通過對火山石、珊瑚石、白色彈性毛刷、藍色立體彈性填料、多孔組合球及聚乙烯小球6種載體填料進行掛膜實驗得知：在相同的進水條件下，6種生物填料的掛膜時間均在20 d以內，其中毛刷類型的填料掛膜所需的時間較長，而多孔型的珊瑚石、火山石等填料掛膜所需的時間則相對較短[13]。本次設計所采用的生物質功能填料也是一種多孔型材料，生物質灰渣質地疏松、顆粒細小且容重較小，比重在1.2～1.25 g/cm3左右，低于玻璃微珠、石英砂等同類材料[14]，在反沖洗過程中所需的能耗較少。生物質灰渣內部孔徑結構發達，比表面積更是高達15.097 m2/g，屬于介孔材料，在吸附能力方面優于石英砂，能夠更好地對水體中異味、有機物、膠體及鐵等雜質進行有效去除；另外還可以同時降低水體的濁度、色度，進一步凈化水質。除此之外，生物質灰渣具有更大的吸附容量，脫附效率和凈化恢復能力優于石英砂，在吸附達到飽和后，經過反沖洗操作后能夠更快地恢復、凈化。另外，生物質灰渣還具有吸附底泥以及養殖水體中含有的有毒、有害物質，降低氨氮、硫化氫、亞硝酸鹽等物質含量的作用，可以有效減少這些影響水中氧氣含量的化學耗氧物質對水生動物造成的傷害。生物質灰渣與石英砂等傳統濾料相比，在水質凈化效果與水質穩定性方面可以表現出更佳的性能，并對低濁度原水具有更好的凈化效果。

考慮到生物質灰渣多孔磚含污能力較好，且養殖水要求不如生活飲用水水質要求高，在整個養殖周期內濾池不需要進行反沖洗，因而濾池實際工作時間為24 h。本設計周期循環水量較小，因此濾速可取2.12 m/h。過濾區濾池的面積設計為7.56 m2，高度為2.5 m。由于2個串聯的濾池濾料的粒徑和水的進出方式不同，因此，在部分設計高度上有一定的差異。濾池配水系統的作用是過濾時均勻收集過濾水，沖洗時均勻分布沖洗水，設計濾池在整個養殖周期內不需要進行反沖洗，故不需考慮沖洗水分布均勻問題，只需使得過濾水收集均勻，又考慮到節能因素，設計采用小阻力配水系統的鋼筋混凝土孔板。

鋼筋混凝土孔板強度和耐久性好，不易損壞可以反復使用，濾板大小和開孔比易于控制，建造方便且價格便宜。單個濾池面積為7.56 m2，結合實際情況每個濾池的承托層由3個規格相同的混凝土濾板組成，每個濾板的規格為1.8 m長、1.4 m寬、50 mm厚。孔眼設計為上、下相同的圓孔，濾池一采用直徑為20 mm的圓孔，濾池二采用直徑為8 mm的圓孔。

2.2.4" 養殖區及曝氣系統設計

本項目養殖區分為2部分，2部分池體構造完全相同（即長度均為20 m），2個池體中間用墻隔開，故養殖區域的總面積為261 m2。根據養殖的魚種確定本項目養殖區設計的有效水深為2.3 m，由于養殖區底部具有一定的坡度，養殖區初始有效水深為2.0 m，故實際有效水深為2.0～2.3 m；養殖池超高0.3 m。水流的流速和流向是魚類生長的重要環境因子，靜水不利于魚類的增長和增重，流動的水流與垂直曝氣均對魚類具有促進生長的作用，特別是水平流環境更有利于養殖魚類的生長，養殖區域水平平均水流速設計為0.38 mm/s。根據GB 11607—1989《漁業水質標準》，從事24 h連續養殖的水體中，須保持溶解氧大于5 mg/L的水平16 h以上，任何時候不得低于3 mg/L。本項目設計養殖區最大溶氧量為7 mg/L，經過初步查閱滿足魚類養殖需求，假設開始曝氣時池塘內的溶解氧為0 mg/L，則每個養殖區所需曝氣量為1.625 kg。考慮到一部分氣體動力用于推流，本設計采用功率為1.6 kW、增氧效率4.0 kg/kW的曝氣設備。

2.2.5" 系統用水和排水設計

設計系統用水由旁邊河道采用埋管的方式進行引入，當河道水位滿足系統補充水位要求時，利用重力作用向系統內部注入補充水；當河道水位不能滿足要求時，可在出水端接入水泵向系統內注入補充水。由河道引入和稻田回流排出的水經過凈水區、蓄水池和清水池，進行泥沙的沉淀及營養物質的初步去除處理后流入格柵，經格柵攔截處理后的水在提升泵的作用下輸送至過濾池，在過濾池的過濾以及微生物的降解作用下水質得到進一步提升，后經過溢流板進入養殖區。在養殖區曝氣推流設備的作用下攜卷固體懸浮物進入沉淀池，固體懸浮物經過沉淀處理送入稻田作為營養肥，上層清水經大面積的稻田凈化區域進行凈化后回流到凈水區。

養殖區的進水口采用溢流板結構，水流經過過濾池處理后通過溢流的方式進入養殖區，進水口底部所在的溢流墻高于養殖區設計液面5 cm、低于過濾池設計液面7 cm。養殖區出水口位于養殖區末端底部，向下開口，自養殖區與沉淀池隔離墻底部向養殖區0.7 m處始至隔離墻止，共0.7 m長，單池寬5.4 m，為防止魚類逃脫，其上部裝有鋼質篦子。

2.2.6" 沉淀區及魚糞收集區設計

沉淀池與養殖區下端排口直接相連，與養殖區隔離的墻體部分底部位于養殖區底部0.2 m，沉淀池底部具有與水平夾角為7°向污泥泵傾斜的斜坡。沉淀池出水采用溢流的方式，經出水池定向排往稻田凈化區域。此沉淀池為用于生物處理前的初沉池，處理水質相較于生活污水水質較好，因而表面水力負荷可取較小值，取值為0.74 m3/（m2·h）。本項目所設計的沉淀池用于養殖區所排懸浮固體的初步快速沉淀處理，根據沉淀時間t=3 h，和表面水力負荷，則沉淀池的有效容積為48 m3。

如圖4所示，沉淀池自進水口底部有一定坡度的斜坡，斜坡末端與底部水平連接，自坡度上端起點至水平底部與污泥區具有0.02 m高度差值，則污泥區的設計高度為0.48 m；根據沉淀的懸浮物特性，本設計不采用刮泥機，設計的緩沖區高度為0.5 m；同時為保證項目的安全運行，沉淀池的超高設計為0.5 m。

由于本設計以稻田溝邊道路作為基準，稻田低于道路0.5 m左右，污泥泵的作用是將沉淀下來的固體懸浮物噴灑至稻田作為肥料，所以污泥泵所需揚程為2 m。每個沉淀池采用2個（一用一備）流量為15 m3/h，揚程為2 m的污泥泵，項目共采用污泥泵4臺（二用二備），污泥泵采用間斷的運行方式，定期進行排泥操作。

3" 示范工程建設與成效

依據設計在慈溪市進行了示范工程建設，建設跑道流水池、跑道前沉淀池、過濾池、跑道后沉淀池、濾水池、提水設備、增氧設施以及回水管道等內容，施工后的稻魚種養系統如圖5所示。示范工程建設前期需對水稻田的改造，為建設跑道魚養殖槽預留了施工區和進排水口。

通過示范工程施工，在60畝水稻田的灌溉渠上建造2條養殖水槽，有效提高水稻產量的同時提升農業附加值，增加農民收入。按照以上方式在60畝水稻田的灌溉渠上建造2條養殖水槽，根據試驗現場驗收數據，在沒占用稻田種植面積的情況下，每條養殖水槽可年產成魚5 000 kg，相當于新增精養池塘5～10畝，養殖尾水灌溉稻田，帶給水稻豐富的營養物質，試驗區水稻畝產588 kg，同比增產7.5%。

4" 結束語

本研究通過技術集成，設計了稻田凈水與循環流水跑道養殖互惠共生系統，綜合稻田綜合種養和循環水跑道養魚的優勢，利用稻田進排水渠道等空間，構建稻田凈水系統，排水進行循環水跑道養魚，解決稻漁綜合種養技術成本投資高、不易管理和實現智能化等劣勢。未來有望形成適宜于稻田的跑道養魚一體化裝備產業化，實現稻田精準化、集約化養殖生產，從而延伸生態農業產業鏈。

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