水流對魚類生長影響的研究綜述

中圖分類號(hào)：S917.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在全球食物生產(chǎn)體系中，水產(chǎn)養(yǎng)殖作為重要的一環(huán)，為人們提供了豐富的蛋白質(zhì)來源。隨著人們對水產(chǎn)品需求的不斷增長，提高水產(chǎn)養(yǎng)殖的效率和質(zhì)量成為研究的關(guān)鍵方向。魚類作為水生生物，其整個(gè)生命歷程都與水體環(huán)境緊密相連，而水體的流動(dòng)特性，諸如流速、流態(tài)以及湍流等，深刻影響著魚類的生存與繁衍。在自然環(huán)境中，魚類經(jīng)過長期進(jìn)化，已然適應(yīng)了特定的水流條件，這些水流條件不僅為它們供應(yīng)了充足的氧氣與食物，還在魚卵孵化、幼魚成長以及成魚洄游等諸多環(huán)節(jié)發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在人工養(yǎng)殖環(huán)境下，模擬和調(diào)控適宜的流體力學(xué)條件，有助于營造出與自然環(huán)境相近的生態(tài)系統(tǒng)，從而促進(jìn)魚類的健康生長，降低疾病發(fā)生率，提升養(yǎng)殖產(chǎn)量與質(zhì)量。

眾多學(xué)者采用實(shí)驗(yàn)室模擬、野外監(jiān)測、數(shù)值模擬等方法，探究流體力學(xué)與魚類生長的關(guān)系，積累了大量資料。然而，前人研究存在局限。實(shí)驗(yàn)室模擬因條件限制，難以精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)自然水體復(fù)雜多變的流態(tài)，致使實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際有偏差；野外監(jiān)測雖能獲取真實(shí)數(shù)據(jù)，但環(huán)境干擾大，變量難控，監(jiān)測范圍與時(shí)長有限，難以全面揭示二者長期復(fù)雜的關(guān)系；數(shù)值模擬雖能構(gòu)建復(fù)雜場景，但模型依賴諸多假設(shè)與參數(shù)，部分參數(shù)準(zhǔn)確性存疑，影響模擬可靠性。文章綜述了這些研究成果，闡述了流體力學(xué)對魚類生長條件的影響，期望能為水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)施的優(yōu)化設(shè)計(jì)、養(yǎng)殖過程的精準(zhǔn)管理以及可持續(xù)發(fā)展提供理論支撐與技術(shù)參考。

1水流對魚類生長的影響

1.1 流速對魚類生長的影響

魚類在自然水體中，始終與水流環(huán)境相互作用，流速作為關(guān)鍵的水環(huán)境因子之一，對魚類生長有著多方面且復(fù)雜的影響。大量研究表明，適宜流速能夠促進(jìn)魚類生長，流速過高或過低會(huì)抑制甚至對魚類生存造成威脅。LIU等1學(xué)者以草魚、鯽魚和團(tuán)頭魴為研究對象展開實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，隨著流速由慢到快變化，這三種魚的特定生長率、攝食率和飼料轉(zhuǎn)化效率均呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。TUNCELLI等人[以虹鱒為實(shí)驗(yàn)對象，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)養(yǎng)殖水體的流速保持為 1BL/s 時(shí)，虹的攝食率顯著提高。這是由于適宜的流速能夠刺激虹鱒的新陳代謝，增強(qiáng)其消化酶的活性。在這種情況下，虹鱒攝取和消化食物的效率更高，從而為自身生長提供了充足的能量和營養(yǎng)物質(zhì)。這些充足的能量和營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)一步促進(jìn)了虹體長和體重的增加，使其生長態(tài)勢更為良好。從行為學(xué)角度上看，適宜流速促使魚類增加游泳活動(dòng)。適度的游泳鍛煉能夠使魚類的肌肉更發(fā)達(dá)，尤其是與游泳相關(guān)的肌肉群。從程成[3]等人的研究發(fā)現(xiàn)，在適宜流速下的鱸魚，其肌肉纖維直徑增大，肌肉蛋白含量提高，不僅提升了魚肉品質(zhì)，也在整體上促進(jìn)了魚體生長。同時(shí)，魚類在適宜流速下，會(huì)調(diào)整自身的行為模式，更積極地探索環(huán)境、尋找食物，這種行為上的改變也有助于其生長。

然而，當(dāng)流速超出魚類適宜范圍時(shí)，負(fù)面效應(yīng)隨之顯現(xiàn)。王婕等人[4發(fā)現(xiàn)過高流速會(huì)導(dǎo)致魚類面臨巨大的水流脅迫。此時(shí)，魚類需要消耗大量能量（約 60% ）用于對抗水流，維持自身在水體中的位置，這使得用于生長和繁殖的能量大幅減少。在LI等人[5]的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，大菱鲆在 0.18m/s 的流速下，生長與免疫方面表現(xiàn)出色。然而，當(dāng)流速升至0.36m/s 時(shí)，大菱鲆卻受到應(yīng)激，生長速率明顯降低 27% ，同時(shí)免疫指標(biāo)超氧化物歧化酶（SOD）和谷胱甘肽（GSH）活性顯著下降，血漿中應(yīng)急指標(biāo)尿素氮（BUN）和總膽紅素（TBIL）濃度上升，皮膚中組織蛋白酶D和溶菌酶（LZM）的表達(dá)上調(diào)，嚴(yán)重影響其生長和健康。

1.2流態(tài)對魚類生長的影響

流態(tài)作為水環(huán)境的重要組成部分，涵蓋水流均勻性、漩渦形成等多方面特征，對魚類生長發(fā)揮著不可忽視的作用。其影響機(jī)制復(fù)雜且多元，通過作用于魚類的生存環(huán)境、行為模式以及生理機(jī)能，全方位地影響著魚類的生長進(jìn)程。

均勻穩(wěn)定的水流是魚類生長的理想環(huán)境基礎(chǔ)。在自然水域與人工養(yǎng)殖環(huán)境中，水流均勻性都深刻影響著魚類生存與生長。在循環(huán)水養(yǎng)殖池中，均勻的水流分布能為魚類營造穩(wěn)定環(huán)境。以圓形養(yǎng)殖池為例，其四周無死角，水流順暢，可形成穩(wěn)定環(huán)流[7]。在養(yǎng)殖鮭魚這類對水質(zhì)和水流要求嚴(yán)苛的魚類時(shí)，圓形池能高效模擬自然水流環(huán)境，促使水體中溶解氧、溫度、營養(yǎng)物質(zhì)均勻分布。鮭魚在這樣的環(huán)境下，攝食、呼吸及代謝活動(dòng)穩(wěn)定，生長速度與成活率顯著提升[6]

漩渦作為特殊流態(tài)，對魚類生長影響利弊兼具。適度漩渦能增強(qiáng)水體混合與溶氧傳遞效率[8]在一些自然河流的淺灘或礁石區(qū)域，小型漩渦促使底層富含營養(yǎng)物質(zhì)的水體與表層水混合，增加了水體溶解氧與營養(yǎng)鹽濃度，為魚類提供更豐富的食物資源。CHEMAGIN[9]觀察到一些魚類會(huì)利用漩渦邊緣水流覓食，可提升覓食效率 20% ，促進(jìn)生長[9]然而大型漩渦會(huì)因其強(qiáng)大的水流沖擊力，使魚類難以抵御，易被卷入漩渦中心，造成體力過度消耗甚至受傷，影響生長與生存。

1.3 湍流對魚類生長的影響

在水生生態(tài)系統(tǒng)里，湍流作為常見且復(fù)雜的水動(dòng)力現(xiàn)象，多維度影響著魚類生長。它區(qū)別于平穩(wěn)水流，流體運(yùn)動(dòng)不規(guī)則，流速、流向等參數(shù)在時(shí)空上隨機(jī)變化。

適度湍流對魚類生理有益。它加快水中溶解氧擴(kuò)散，讓魚類鰓與富氧水接觸更頻繁。在適度湍流環(huán)境下，魚類鰓絲表面積增大，氣體交換效率顯著提升，為生長提供更充足氧氣。LIAO等[]證實(shí)湍流增氧效率較靜水高 40% ，促進(jìn)鰓絲氣體交換。同時(shí)，湍流讓水體營養(yǎng)物質(zhì)分布更均勻，增強(qiáng)魚類對食物顆粒的感知與攝取。ENDERS等[發(fā)現(xiàn)其可使幼鮭消化酶活性提升 30% 。行為學(xué)上，湍流形成的微生境為鲇魚等底棲魚類提供庇護(hù)所與食物富集區(qū)。

然而，高強(qiáng)度湍流給魚類帶來巨大生理壓力。湍急水流沖擊力強(qiáng)，魚類需消耗大量能量維持自身位置與平衡，導(dǎo)致用于生長和繁殖的能量大幅減少。BARBIER等[報(bào)道大西洋鮭在強(qiáng)湍流下生長能效降低 35% 。而且，高強(qiáng)度湍流可能損傷魚類鰓結(jié)構(gòu)，影響呼吸功能，阻礙生長。REYES等[13]實(shí)驗(yàn)顯示斑馬魚鰓小片破損率達(dá) 60% ，呼吸功能嚴(yán)重受損。

從行為學(xué)角度，適度湍流會(huì)改變魚類棲息和游動(dòng)行為。它營造多樣化微生境，為魚類提供更多藏身與覓食機(jī)會(huì)。例如，鲇魚等底棲魚類常利用湍流形成的縫隙或凹陷區(qū)域進(jìn)行棲息與避敵。此外，湍流揚(yáng)起的底層有機(jī)碎屑和小型無脊椎動(dòng)物，為其提供了食物來源，促進(jìn)覓食行為，利于個(gè)體生長。但高強(qiáng)度湍流會(huì)干擾魚類定向和導(dǎo)航，使其游動(dòng)混亂。洄游魚類（如鮭魚）更易因湍流失向而耗盡能量儲(chǔ)備，影響繁殖地的繁殖和生長[14]

2池型結(jié)構(gòu)對魚類生長的影響

2.1 養(yǎng)殖池形狀對魚類生長的影響

養(yǎng)殖池的形狀是影響流體力學(xué)特性的重要因素之一。不同形狀的養(yǎng)殖池，其內(nèi)部水流模式、流速分布以及能量利用效率存在顯著差異，進(jìn)而對魚類生長產(chǎn)生不同影響。

TIMMONS等人[15]通過在圓形養(yǎng)殖池內(nèi)設(shè)計(jì)切線進(jìn)水和中心底部排水，可以使圓形養(yǎng)殖池形成穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)流，這種水流模式可減少死區(qū)，死區(qū)面積lt;5% ，促進(jìn)水體均勻混合與氧氣擴(kuò)散，維持良好水質(zhì)，為魚類營造適宜的生存環(huán)境，利于其生長。馮德軍等人[16也指出，圓形養(yǎng)殖池在水流均勻性和水體混合性方面表現(xiàn)出色，自凈化能力強(qiáng)，自凈化效率較矩形池高 40% ，其特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使水流形成穩(wěn)定環(huán)流，減少水流不規(guī)則性和死區(qū)產(chǎn)生。

與圓形池相比，矩形養(yǎng)殖池存在水流分布不均勻、易形成死區(qū)的問題。OCA等人[17]通過合理設(shè)計(jì)矩形池，調(diào)整長寬比用以優(yōu)化水流特性。通過優(yōu)化長寬比（推薦 1.0～1.43 ）及增設(shè)斜向擋板，死區(qū)比例可從 30% 降至 12% ，減少了死區(qū)面積，提高水流均勻性。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)長寬比大于1.43時(shí)，水流模式出現(xiàn)顯著差異，主漩渦無法覆蓋整個(gè)旋轉(zhuǎn)單元區(qū)域，養(yǎng)殖池內(nèi)出現(xiàn)了明顯的死區(qū)和次級(jí)漩渦，漩渦核心發(fā)生扭曲，周圍速度很低，水流均勻性被破壞。他們還提到在矩形養(yǎng)殖池中設(shè)置斜向擋板，能引導(dǎo)水流方向，增加中心排水口周圍的流速，提高水體交換效率，減少代謝廢物積累，間接促進(jìn)魚類生長。

八角形養(yǎng)殖池在空間利用上具有一定優(yōu)勢，但是八角形養(yǎng)殖池易出現(xiàn)死區(qū)。在溫度方面，溫度分布存在差異，八角形養(yǎng)殖池整體溫度略高，比如在養(yǎng)殖適宜溫度為 17^°C 的三文魚時(shí)，其水溫下降慢，可能超出適宜范圍影響魚的生長，可能會(huì)影響魚類的生長和健康。在水流速度上，八角形養(yǎng)殖池平均流速低于圓形養(yǎng)殖池，邊緣區(qū)域流速低，水流模式紊亂，不利于固體廢棄物排出和水質(zhì)均勻混合。CHOI等[18]指出其邊緣流速僅為中心的 20% ，且溫度均勻性較圓形池低 15% ，需優(yōu)化結(jié)構(gòu)以減少死區(qū)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)養(yǎng)殖魚類的特點(diǎn)和需求，選擇合適的養(yǎng)殖池形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.2 養(yǎng)殖池進(jìn)排水口對魚類生長的影響

養(yǎng)殖池進(jìn)水口和排水口的設(shè)計(jì)對流體力學(xué)特性及魚類生長影響重大。進(jìn)水口方面，其位置、角度、數(shù)量和方式均會(huì)改變水流狀態(tài)。VENEGAS等人[發(fā)現(xiàn)，在圓形水箱養(yǎng)殖試驗(yàn)中，對比垂直噴霧與噴射器這兩種進(jìn)水裝置，于不同流量、角度條件下，其水動(dòng)力影響有別。噴射器 45^° 運(yùn)行時(shí)，切向速度更高，流態(tài)更均勻，混合時(shí)間更短，固體廢棄物排出效果更好，更利于魚類生長。 GORLE^[20] 的實(shí)驗(yàn)表明，改變大西洋鮭養(yǎng)殖池入口噴嘴角度，能影響水流注入方式，具有徑向分量的流入可改善混合和水流均勻性，減少死區(qū)；在進(jìn)水口設(shè)計(jì)這方面，LIU和XUE等學(xué)者指出[21進(jìn)水口位置和相對流入距離（C/B）影響顯著，C/B在 0.02～0.04 時(shí)，養(yǎng)殖池平均流速高、能量有效利用率穩(wěn)定，利于魚類生長；ZHANG等人[22]基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)，開展了雙排水養(yǎng)殖池流場的三維數(shù)值模擬，將方池直角結(jié)構(gòu)優(yōu)化為圓弧角形式。同時(shí)評(píng)估了不同相對圓弧半徑與池寬比（R/B）條件下的水動(dòng)力特性，并與等空間利用率的八邊形養(yǎng)殖池進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明，當(dāng)R/B處于0.2～0.4范圍內(nèi)時(shí)，圓弧角方池流場分布最為均勻，低流速區(qū)減少，水動(dòng)力性能最佳。在雙排水系統(tǒng)配置下，固體廢棄物排出效率顯著提升，水體交換效果良好，系統(tǒng)能耗增加lt;10% ，在效益與能耗間實(shí)現(xiàn)良好平衡。同時(shí)雙進(jìn)水口設(shè)計(jì)促進(jìn)更大的二次渦旋和更小的渦旋柱形成，利于水體物質(zhì)均勻分布。實(shí)際設(shè)計(jì)中，合理優(yōu)化排水口參數(shù)并結(jié)合池體與養(yǎng)殖魚類特性，可通過數(shù)值模擬等手段進(jìn)行評(píng)估優(yōu)化，從而提升養(yǎng)殖效益。

2.3其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對魚類生長的影響

在水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域，養(yǎng)殖池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對其流體力學(xué)特性及魚類生長有著深遠(yuǎn)影響。除養(yǎng)殖池形狀、進(jìn)水口和排水口設(shè)計(jì)外，其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同樣至關(guān)重要。車宗龍等人[23的研究以方形圓弧角養(yǎng)殖池為對象，采用物理模型實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)分析了徑深比（2：1～7：1）對養(yǎng)殖池內(nèi)流場特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，徑深比顯著影響?zhàn)B殖池的水動(dòng)力特性，隨著徑深比增大，養(yǎng)殖池水體平均流速下降，在2：1～4：1時(shí)下降較快。當(dāng)徑深比為 3：1～6：1 時(shí)，養(yǎng)殖池呈現(xiàn)出良好的水動(dòng)力特性，低流速區(qū)比例低、水體均勻，有利于養(yǎng)殖池空間高效利用和營養(yǎng)物質(zhì)均勻分布。該比值范圍已在國內(nèi)鮭魚循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)（RAS）中獲得驗(yàn)證，具備良好的實(shí)用性和適應(yīng)性。這與REN等人[24]對矩形弧角養(yǎng)殖池徑深比的研究結(jié)果相近。類似地，張俊等人[25]以方形切角養(yǎng)殖池為研究對象，發(fā)現(xiàn)底面坡度對其內(nèi)部流場和凈水效能影響顯著。隨著底面坡度增加，養(yǎng)殖池內(nèi)部流態(tài)紊亂程度減小，流場湍流強(qiáng)度降低，更有利于固相顆粒物沉降。當(dāng)水流回轉(zhuǎn)速度為 0.25rad/s 底部坡度為 12^° 時(shí)，養(yǎng)殖池的凈水效能達(dá)到最高，為魚類生長創(chuàng)造了良好的水質(zhì)條件。陳聰聰?shù)葘W(xué)者[26]聚焦于導(dǎo)流盤對正八邊形養(yǎng)殖池的作用，其幾何參數(shù)和位置會(huì)影響流速分布、渦量、強(qiáng)度、壁面剪切應(yīng)力和水體混合均勻性等。當(dāng)導(dǎo)流盤安裝在距池底 20mm～ 40mm 、直徑與養(yǎng)殖池寬度之比為 0.05～0.08 時(shí)，能增大養(yǎng)殖池底流口附近速度梯度，減少池壁與水體碰撞，提升渦流強(qiáng)度和水力混合均勻性，優(yōu)化顆粒物聚集和排出的水動(dòng)力條件，增強(qiáng)養(yǎng)殖池自凈化能力，間接促進(jìn)魚類生長。

這些研究成果表明，合理優(yōu)化養(yǎng)殖池的底面坡度、導(dǎo)流盤參數(shù)以及徑深比等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠有效改善養(yǎng)殖池的流體力學(xué)特性，為魚類生長提供更適宜的環(huán)境，對推動(dòng)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

3結(jié)語

文章系統(tǒng)綜述了流體力學(xué)因素對魚類生長條件的影響。流速、流態(tài)和湍流等流體力學(xué)因素通過直接作用于魚類的生理和行為，以及間接影響?zhàn)B殖環(huán)境，全方位地塑造著魚類的生長進(jìn)程。適宜流速促進(jìn)魚類生長、提高攝食率與消化酶活性，增加游泳活動(dòng)，提升魚肉品質(zhì)；過高流速則帶來水流脅迫，導(dǎo)致魚類生長受抑制、健康受損。均勻穩(wěn)定水流為魚類生長提供理想環(huán)境，適度漩渦有益，強(qiáng)力漩渦危害魚類生存。適度湍流利于魚類生理，高強(qiáng)度湍流則帶來生理壓力，干擾魚類行為。

養(yǎng)殖池的形狀、進(jìn)水口和排水口設(shè)計(jì)，以及其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，均與流體力學(xué)特性密切相關(guān)，進(jìn)而對魚類生長產(chǎn)生重要影響。圓形養(yǎng)殖池水流模式穩(wěn)定，利于魚類生長；矩形養(yǎng)殖池通過合理設(shè)計(jì)可優(yōu)化水流特性；八角形養(yǎng)殖池空間利用有優(yōu)勢，但存在死區(qū)和水流紊亂問題。進(jìn)水口和排水口設(shè)計(jì)影響水流狀態(tài)和水體交換效率，其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如底面坡度、導(dǎo)流盤和徑深比等，也會(huì)影響?zhàn)B殖池的流體力學(xué)特性和自凈化能力，為魚類生長創(chuàng)造不同條件。

為促進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖的科學(xué)發(fā)展，未來需深入研究魚類在不同流體力學(xué)條件下的生理和行為響應(yīng)機(jī)制，尤其是在復(fù)雜流場環(huán)境中的適應(yīng)性。同時(shí)，應(yīng)利用先進(jìn)技術(shù)手段，如數(shù)值模擬和智能監(jiān)測，精準(zhǔn)優(yōu)化養(yǎng)殖池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和水流調(diào)控策略，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖環(huán)境的精細(xì)化管理。加強(qiáng)跨學(xué)科合作，將流體力學(xué)與魚類生理學(xué)、生態(tài)學(xué)等學(xué)科深度融合，為建立高效、可持續(xù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖模式提供更堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，以滿足不斷增長的水產(chǎn)品需求，保障水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的健康、穩(wěn)定發(fā)展。

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A review of the research on the effect of water flow on fish growth

CHEN Long，YE Haixiong，WU Yu （ShanghaiOceanUniversity，Shanghai2O13O6，China）

Abstract：In modern aquaculture，the fluid dynamics conditions in the culture pond playa key role in the growth of fish.This paper reviews the effects offluid dynamics factors such as flow velocity，flow state，and turbulence on fish growth.Appropriate flow velocity，uniform and stable water flow，and moderate turbulence are beneficial to fish growth，while excessive flow velocity，strong vortex，and high-intensity turbulence are detrimental to fish.At the same time，the close connectionbetween the shape of the culture pond，the design of the water inlet and outlet， and other method structural designsand fluid dynamics characteristicsand their efectson fish growth are discussed.It aims to provideatheoretical basis and practical gudance for the scientific development of aquaculture and the construction of an environmentally friendly recirculating aquaculture system.

Keywords：fluid mechanics； fish growth; culture ponds ; hydrodynamic characteristics