分隔式循环水池塘养殖系统设计与试验

田昌凤，刘兴国,2※，车 轩，顾兆俊，曾宪磊，朱 浩，杨家朋



分隔式循环水池塘养殖系统设计与试验

田昌凤1，刘兴国1,2※，车 轩1，顾兆俊1，曾宪磊1，朱 浩1，杨家朋1

（1. 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092；2. 农业部渔业装备与工程重点试验室，上海 200092）

为了解决池塘养殖设施化程度低、净化能力不足和排污效果差等问题，设计了分隔式循环水池塘养殖系统。该系统由20%水面的吃食性鱼类养殖区和80%水面的滤杂食性鱼类养殖区构成，配置过水堰、螺旋桨式和水车式推流装置、集污和吸污装置等养殖系统设施和装备。性能测试结果表明：螺旋桨式推流装置提水动力效率为340 m3/（kW·h），流量为204 m3/ h，空载噪音为60 dB；水车式推流装置提水动力效率为360 m3/(kW·h)，流量为180 m3/ h，空载噪音为67 dB；过水堰过水的总流量约为331 m3/ h，利用水循环装备实现水体流动可实现水体日交换量7 900 m3，达到养殖池塘水体的50%左右。利用推流装置搅动水体，可实现水体大范围的对流，交替暴晒水体，增加水体中的溶解氧，试验池塘中下层溶解氧水平比对照塘高出59.5%，试验池塘叶绿素a浓度比对照塘低，说明一定程度上限制了浮游植物过渡繁殖。该养殖系统可为池塘健康养殖系统模式构建提供参考。

渔业；水产养殖；水质；分隔；循环水；过水堰；池塘养殖

0 引 言

据《2015中国渔业年鉴》[1]资料，2015年中国池塘养殖面积为311.9万hm2，养殖产量为2 319.843万t。池塘养殖已成为中国水产养殖的主要形式和水产品供应的主要来源[2-4]。中国的水产养殖向着高密度、集约化迅猛发展，越来越多的养殖废物在养殖环境中累积，造成养殖环境恶化，而中国还没有建立养殖废水排放标准，大量养殖废水排放到周围环境中，对生态环境也造成了巨大压力[5-7]。另外由于产业发展水平不高，池塘养殖的设施化程度很低，多数养殖池塘存在破败陈旧、坍塌淤积严重、设施化水平低和设施配置不足等问题[8-9]，近年来，随着池塘集约化养殖需求的提高，池塘设施化养殖成为发展的新方向。

池塘不仅是鱼类生活的场所，也是天然饵料的培育基地和有机物氧化分解的场所[10]。20世纪九十年代以来，随着养殖产量的不断提高和病害的不断爆发，池塘养殖系统等问题又成为养殖业者关注的新热点。为了提高池塘养殖效果，国内外许多科研人员研究了许多新的池塘养殖系统，取得了一定的成效，为池塘养殖健康可持续发展提供了新途径，但是这些系统中的循环水的设施与装备研究甚少。如李德尚等[11]研究构建的虾池封闭式综合养殖系统，黄国强等[12]设计的多池循环水对虾养殖系统，李谷等[13]研究构建的复合人工湿地-池塘养殖生态系统，刘兴国等[4]研究构建的池塘生态工程化循环水养殖系统等均未涉及到水循环动力系统的配置研究。在国外，虽然池塘养殖不是主要养殖方式，但国外水产科研人员对池塘养殖基础设施的基础研究比较深入，如研发的低碳高效循环水系统[14-16]利用罗茨风机与纳米管相结合的方式推动水体循环，水体流速大很难将污染物集中；Brune等[17]研发的分隔式池塘养殖系统和佛罗里达州立大学Lazur等[18]研究构建的跑道式池塘养殖系统，利用推水车为系统水体循环提供动力，但水循环动力系统和集排污系统的理论计算和分析未见报道。国内外的相关研究较好的解决了池塘养殖的节水、排放等问题，提高了池塘养殖效果，在一定程度上也推动了池塘养殖设施化的发展，但其对集污排污等问题却没有得到有效解决。

本文针对大宗淡水鱼的养殖特点，设计了一种分隔式循环水养殖系统，该系统利用水循环装备实现养殖水体循环和净化，利用集排污装置收集池塘沉积物，以期达到“节能、减排、生态、高效”养殖目的，为池塘健康养殖系统模式构建提供参考。

1 养殖系统整体结构

1.1 设计原则

1.1.1 工艺思路

分隔式循环水池塘养殖系统由吃食性鱼类养殖区和滤杂食性鱼类养殖区组成，养殖池塘的20%水面养殖不同规格的吃食性鱼类，80%水面养殖滤杂食性鱼类，2个养殖区之间用水泥墙隔开，分隔墙两侧有水流通道，系统进水端通道通过螺旋桨式和水车式推流装置使水体循环流动，经过吃食性鱼类养殖区的生态沟渠过滤后，再通过过水堰返回到滤杂食性鱼类养殖区，形成分隔式循环水池塘养殖系统，如图1所示。为了更好的引导水流，滤杂食性鱼类养殖区设计有导流墙，使水流能够更加均匀的分布。吃食性鱼类养殖区设计有3排鱼池，分别为小规格鱼种养殖池、矩形大规格鱼种养殖池和切角方形成鱼养殖池，每排鱼池由3种不同规格的鱼池组成一个养殖单元，3个养殖单元面积比为1∶3.5∶7[19]。

1. 螺旋桨式推流装置 2. 水车式推流装置 3. 过水堰 4. 吸污装置 5. 集污装置

1.1.2 过水堰设计

过水堰设计成有侧收缩矩形薄壁堰，其堰口宽度小于行近渠道的宽度。养殖池塘系统利用长方形池塘进行改造，现有长宽比为2∶1，水深2.0 m左右[20]，水面面积为4 600 m2，要求2 d系统水体量循环一次，故循环量约为192 m3/h，安全系数取1.6～1.7，则系统所需总流量为300 m3/h，按此目标流量设计矩形过水堰参数[21]。

式中为过水堰流量，m3/s；C为流量系数；为重力加速度，m/s2；b为堰口的有效宽度，m；h为有效水头，m[20]。

（2）

式中为堰口高度，为0.3 m；为上游堰口高度，为 1.7 m，C为0.588 7[21]。

式中为堰口宽度，0.3 m，K为粘滞力的校正值，mm。查表的K值为2.4 mm，则b为0.302 4[20]。

（4）

式中K为表面张力的校正值，取0.001 m，则有效水头h为0.300 1 m。将上述参数代入公式（1）可得流量为311 m3/h，此流量大于目标流量300 m3/h，故满足设计要求。

1.2 循环水设备配置

分隔式循环水池塘养殖系统的改造工程主要集中在吃食性鱼类养殖区，主要改造内容修建养殖池的隔离墙、过水堰通道、铺设进排水管、安装推流装置、集污和吸污装置等（见图1），其中图中标注文字的水流方向为主体流态方向，而未标注文字的水流方向为养殖区内流水方向。

1.2.1 螺旋桨式推流装置

1）设计思路

目前市面上销售的低扬程大流量的泵多为轴流泵，系统设计初期选用市面上已有的轴流泵，功率N为 3 kW，每天运行24 h的能耗太高，故采用泵的相似理论对模型泵进行改进设计，通过改进电机转速，叶轮直径等参数研发低功耗低扬程大流量的螺旋桨式推流装置。

2）理论计算

泵的相似理论在泵的设计和试验中广泛应用，按相似理论可以把模型试验结果换算到实型泵参数上。

①实型泵与模型泵流量之间的关系：对于几何相似的泵，在相似的运转工况下，其流量之比与叶轮外径三次方成正比，与转速一次方成正比，与其容积效率成正比[22]。

②实型泵与模型泵扬程之间的关系：对于几何相似的泵，在相似的运转工况下，其扬程之比与其叶轮外径的平方成正比，与其转速的平方成正比，与其水力效率成正比[22]。

（6）

③实型泵与模型泵功率之间的关系：对于几何相似的泵，在相似的运转工况下，其轴功率之比与液体的密度成正比，与叶轮外径的五次方成正比，与其转速的三次方成正比，与其机械效率成反比[22]。

相似定律中的尺寸2、转速对实型泵和模型泵来说都是容易确定的值，但是要精确决定模型泵和实型泵的各种效率十分困难。根据大量试验证明，在实际应用中，如果实型泵和模型泵尺寸，转速相差不太大时，可以认为在相似工况运转时，各种效率相等，则式（5）、（6）、（7）变为

（8）

（10）

式中Q为模型泵流量，300 m3/s；n为模型泵转速， 1 450 r/min；H为模型泵扬程，6 m；N为模型泵功率，3 kW；ρ为模型泵液体密度，kg/m3；2M为模型泵叶轮外径，200 m；1为实型泵流量，m3/s；1为实型泵转速，r/min；1为实型泵扬程，m；1为实型泵功率，kW；1为实型泵液体密度，kg/m3；2为实型泵叶轮外径，m。

设计的实型泵叶轮尺寸与模型泵相同，均为200 mm直径的叶轮，实型泵的电机根据市场销售电机已有的型号，选用转速为910 r/min的6级电机，将以上参数代入式（8）、（9）、（10）可得流量1约为188.3 m3/h，扬程1约为2.4 m，功率1约为0.74 kW，所以电机选型时选择功率为0.75 kW，转速为910 r/min的交流电机。

3）结构设计

螺旋桨式推流装置主要由电机、联轴器、轴承、电机座、主轴、桶体、螺旋桨及其附件组成（图2）。螺旋桨通过螺栓固定在主轴上；螺旋桨式推流装置通过支架固定在分隔式循环水池塘养殖系统的隔离墙上。

1.2.2 水车式推流装置

1）设计思路

水车式推流装置要同时实现6个养殖池水体循环，并有一定的增氧能力，设计时采用1台动力源带动3对叶轮同时为6个养殖池推水，兼有增氧的功能。

2）理论计算：推流装置参考泵的设计进行理论计算，泵的设计一般假定总耗功全部转化为势能，而水车式推流装置的总耗功转化为机械能和动能。系统所需总流量为300 m3/h，螺旋桨式推流装置设计流量为180 m3/h，水车式推流装置设计流量为150 m3/h，扬程需大于0.02 m（隔墙高度为0.02 m，推水装置的水流需越过隔墙高度）。水车式推流装置将水体抛散到远处，水体的运动属于抛物线运动，故水体的运动估计按照抛物线的运动关系进行设计计算。水体的运动轨迹如图3所示。

水体从O点沿着轴方向为自由落体运动，轴方向为匀速运动。设沿着方向运动到垂直速度为0时所需的时间为。水体运行时间时，其水平距离和垂直距离运动方程为

（12）

式中为水体线速度，m/s；为水体运动时间，s；为水体线速度与水平线之间夹角，（°）；为水体水平方向运动的距离，m；为竖直方向运动的距离，m。考虑到隔墙高度的因素取60°，根据公式（12）可得为2.3 m/s，推流装置中推水板直径为0.67 m，宽度为0.2 m通过水体线速度可换算出叶轮转速为65 r/min。根据以上参数可计算出实际划水面积为0.030 5 m2，故需要叶轮约为6个。

水车式推流装置的总功耗包括水体的动能和势能2部分，其动能和势能的方程为

（14）

式中1为水体的动能，kW；2为水体的势能，kW；为单位时间内输送的水体的质量，kg；为液体密度，1´103kg/ m3。将已知值代入公式（13）、（14）可得1为0.03 kW，2为0.081 kW，故总功耗为0.11 kW，取水容积效率为0.5，机械效率为0.5，所以实际功率为0.44 kW，根据市面上销售的电机选择电机功率为0.55 kW。

3）结构设计

水车式推流装置主要由电机、挡水板、叶轮、主轴、轴承座、浮体支架、泡沫塑料、联轴器、链轮及其附件组成（图4）。根据以上的理论计算，选择功率为0.55 kW，转速1 500 r/min的交流电机，经过减速器和链轮减速到65 r/min；泡沫塑料固定支架底部，为电机、叶轮、挡水板及其附件整体提供浮力。

1.2.3 集污和吸污装置

1）工艺要求：

养殖池与养殖池之间都是互通的，最终集中在切角方形养殖池集中排污。切角方形养殖池底部为中间低周围高的锅底形，从中心到周围的坡度为1%，池底部设计有集污装置，侧面有吸污装置，池面安装涌浪机，将池内的比重较大的污物搜集到池底中央，通过集污装置和吸污装置排出养殖池外集中处理；而水体中比重较小的粪便、残饵等上浮到水体中，随水流进入滤杂食性养殖区，为滤杂食性鱼类提供饵料，既保障了吃食鱼类养殖区的水质，又满足滤杂食性鱼类饵料需要，可有效提高池塘的养殖生态效果，减少养殖污染。

2）结构设计

根据工艺要求，设计的集污和吸污装置主要由集污装置、缓冲连接装置和吸污泵组成（见图5）。排污防逃装置呈圆形，其框架结构上表面铺设的不锈钢网由外向内分别为外圈、中圈、内圈；外圈包括侧面和上顶面，铺设较大网孔滤水网，网孔尺寸为1目；中圈铺设较小网孔滤水网，网孔尺寸为100目；内圈不过水，铺设不锈钢板或其他挡水板；内圈与外圈之间设计有竖直、均匀布置多个旋流导向板，旋流导向板的高度等于或接近外圈侧面的高度。

吸污装置污水泵功率为3 kW，流量为50 m3/h，扬程10 m。开启排污水泵时，由于外圈和外侧的网孔、面积较大，内圈的网孔、面积较小，因此大部分水体从外圈和外侧流入，顺势进入水池底部的排污口；小部分水体从中圈流入，顺势进入水池底部的排污口；内圈由于被盖板封死，不会有水体进入。由此可见，位于外围的水质污染较严重的区域的水体被优先排出，而相对中心区域的水质较为清洁的水体被延迟排出，排污的效率大大提高。同时可以根据具体情况调节外、中、内圈面积的大小比例，以及外圈与中圈网孔大小比例，从而更具适应性。此外，由于内圈采用封闭式结构，此处原本负压最大的区域由于封闭盖板的存在大大降低了负压，防止鱼被水流带动流向排污口，造成堵塞。旋流导向板的作用是制造旋流效果，加快水体排出的速度，以及提高各个方向排污的均匀性。

图5 集污和吸污装置及水流示意图

1.3 方法与仪器

1.3.1 过水堰过水性能试验检测

为了验证过水堰过水性能，采用截面测速法进行检查。当分隔式循环水池塘养殖系统推流装置运行时，在矩形过水堰处选取一个截面，测定截面水体上的流速从而计算流量。由于该截面上的水体流速随距离水面高度变化而不同，流量亦也不相同。因此将该截面按不同高度分割成若干层，各层流量之和即为提水的总流量。从矩形堰的底部向上，以0.05 m为步长将截面分割成6层，测定每层的平均流速。由平均流速、层面积计算得该层的水流量，各层流量总和即为提水的总流量[23]。试验选用多普勒流速测定仪（US69M/SONTEK Flow Tracker，美国）测定流速。试验前，先将一个长0.5 m，高2 m的矩形支架放在过水堰的前方，以方便固定和移动Flow Tracker。

1.3.2 提水性能试验

螺旋式推流装置的提水性能检测采用质量法，在测量流量之前，事先找到2个容积一样的水桶，并经过标准的磅秤称出一桶水的质量。然后在螺旋式推流装置出水口处，交替接水，同时用秒表记录下接水时间[22]。在接水时间内，水泵所抽水的总质量除以总时间即为总流量。

水车式推流装置的提水性能检测采用截面法，通过测量叶轮过流截面上的平均流速，再乘以有效过流截面积，即得到过流截面上的流量。

1.3.3 养殖水质采样设置与测定

试验池塘共有5个采样点，分别为9-1、9-2、9-3、9-4、9-5，具体位置如图6所示，其中9-2、9-3、9-4为混合样。每月采样1次，采用2 L有机玻璃采集表层水，对照塘为传统池塘，分别在进水口2～3 m处和出水口2～3 m处采集中下层水（距离水面1 m左右），混合成一个样，采样方法同上。总氮（total nitrogen，TN）、总磷（total phosphorus，TP）、氨氮、亚硝氮、化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）采用HACH试剂测定，叶绿素a通过浮游植物叶绿素荧光仪测定（Phyto-PAM），透明度采用透明度盘测定，溶氧DO（Dissolved oxygen）采用YSI测定，水质指标的测定方法参照《水和废水监测方法（第四版）》[24]。试验期间，试验池塘水车式增氧机仅白天运行10 h，晚上开微孔增氧机，对照池塘叶轮式增氧机仅晚上运行10 h。试验池塘养殖密度为6尾/m2，鱼苗日龄为220 d。

注：9-1～9-5分别代表不同采样点。

2 结果与分析

2.1 过水堰过水性能试验

分隔式循环水系统运行1 h后待水流稳定后开始由堰口底部向上测定水的流速，每层中心位置、距中心位置左、右两侧0.1 m处，测量水流速度，求平均值，试验结果如表1所示。分析表1可得出过水堰过水总流量约为331 m3/h，大于计算流量300 m3/h，满足设计要求。池塘水体日交换量约7 900 m3，达到养殖池塘水体的50%左右。测试发现，过水堰堰口宽度为0.32 m，堰口高度为0.31 m，过水堰过水宽度为1.6 m，过水平均流速随距离过水堰水面高度增大而增大，即过水堰表面水的流速最大。过水堰过水流畅，过水效果好，过水堰堰口可安装闸板，适当调节过水堰的过水量。

表1 过水堰不同层的过水性能测试结果

2.2 提水性能试验

螺旋桨式推流装置提水性能试验该试验在水深 1.8 m，直径6.5 m的圆形水池内进行了测试。试验重复3次，每次抽10 min，3次水体体积分别为35、31、36 m3，求3次的平均值即总流量为204 m3/h，大于设计流量 180 m3/h，满足设计要求。

水车式推流装置提水性能试验通过测速仪测定叶轮的转速换算成线速度，负载情况下3次测得的转速分别为63、65、66 r/min，换算成线速度分别为2.21、2.28、2.32 m/s，得平均速度为2.27 m/s，有效过流截面积为 0.022 m2，得到总流量为180 m3/h，满足设计要求。

测试结果显示螺旋桨式和水车式推流装置的实际功率分别为0.6和0.5 kW；空载噪声分别为60和67 dB；根据所测数据，计算得提水动力效率分别为340和360 m3/ (kW· h)；推流装置总流量为384 m3/h，大于系统所需的总流量300 m3/h。

2.3 养殖水质试验

在养殖期内，定期对试验塘和对照塘进行水质采集分析，如表2所示。在8个月养殖时间内（4月份到11月份），养殖水体中总氮的平均质量浓度降低了21.4%，总磷的平均质量浓度降低了53.1%，中下层溶氧水平提高了59.5%，但由于养殖密度比对照塘密度高，氨氮、亚硝氮含量均有所上升。但总体而言，试验池塘水质良好，尤其是溶氧水平提升显著。

表2 养殖水质试验数据

注：同列中大写字母不同代表差异极显著(<0.01)，小写字母不同代表差异显著(<0.05)。

Note: Different capital letters mean highly significant difference (<0.01) and different lowercase letters mean significant difference (<0.05) in the same column

2.4 养殖效果试验与经济分析

分隔式循环水养殖池塘系统2015年在“中国水产科学研究院池塘生态工程研究中心（上海松江）”正式运行。本次试验采用2口相同大小池塘，养殖池塘和对照塘面积均为4 600 m2，平均水深1.7 m。试验池塘和对照塘主养鳊鱼，套养鲢鱼，养殖周期为3月底至11月初。对试验池塘和对照池塘中全部鱼类进行捕捞和计量的统计，结果显示分隔式循环水养殖池塘系统鲢鱼产量652 kg，鳊鱼产量10 280 kg（2.2 kg/m2），饵料系数为1.7；传统养殖模式鲢鱼产量668 kg，鳊鱼产量8 488 kg（1.8 kg/m2），饵料系数为2.1，试验池塘中鳊鱼产量比对照池塘分别增产了21.1%，养殖饲料系数也下降了23.5%，表明使用分隔式养殖系统可以提高鱅鱼的产量。

分隔式循环水养殖池塘系统构建成本为22万元，剩下残值5万元，使用年限15 a，按照直线折旧计算平均每年成本为1.13万元，以及每年维修维护成本为0.2万元；传统养殖模式每年池塘清整维护费用0.1万元/a。以市场价鳊鱼13元/kg、鲢鱼5元/kg计算收益，分隔式循环水养殖池塘系统收入为136 900元，传统养殖模式收入为113 684元，从表3可以计算出分隔式循环水养殖池塘系统比传统养殖模式多了13 972元的成本投入，但产值收入多了23 216元，即实际净收入提高了9 244元/a。

表3 养殖成本分析

3 讨 论

分隔式循环水池塘养殖系统的推流装置符合“节能、环保”的生产要求，可实现水体大范围的对流，交替暴晒水体，0.75 kW螺旋式推流装置推水流量能达到200 m3/h，提水动力效率为340 m3/(kW×h)，空载噪声60 dB；0.75 kW水车式推流装置推水流量能达到180 m3/h，提水动力效率为360 m3/(kW×h)，空载噪声67 dB。各项性能指标均达到设计要求，可用于水体交换大循环水养殖池塘系统。

推流装置提水动力效率高，水体循环流量大，利用该装置搅动水体，可实现水体大范围的对流，交替暴晒水体，增加水体中的溶解氧，试验池塘中下层溶解氧水平比对照塘高出59.5%，得益于本试验池塘的推流装置。研究显示静止状态下空气中融入氧的速度是非常缓慢的，而且仅限于表层[24]，通过机械搅动水体不仅能加速空气中的溶解氧进入水体，还可以使上层水体的中藻类光合作用产生的溶氧更加均匀地分布在水体中[25-27]。推流装置造成水体流动是影响水体环境和藻类生长的重要因素，试验池塘叶绿素a浓度比对照塘低，一定程度上有利于限制浮游植物疯长。研究显示，机械干预水体流动有助于改少水体环境并优化藻群结构[25-30]。推流装置通过提水和推水对水体造成扰动，有利于池塘养殖环境的改善。

分隔式循环水池塘养殖系统水质总体良好，总氮、总磷均有所降低，水体透明度比对照塘好，一方面养殖池塘滤杂食性鱼类养殖区栽种有水葫芦，对总氮、总磷具有一定吸收作用，另一方面，试验池塘具有吸污排污装置，大部分饲料残饵和代谢废物被排除系统外，降低了系统总氮、总磷含量。分隔式循环水池塘养殖系统可以提高主养品种鳊鱼的产量21.1%以上，饲料系数下降了23.5%以上，年纯产值收益提高了6%，分隔式循环水池塘养殖系统可有效改善养殖环境，提高养殖鱼类成活率，具有明显的经济效益。但也存在着分隔式循环水池塘养殖系统一次性投入大，需要专业的技术人员对系统中的设施与装备进行维护，比传统养殖模式的维护成本高等问题，随着养殖系统的进一步优化完善，一定会成为较为成熟可靠的新型池塘养殖系统。

4 结 论

分隔式循环水池塘养殖系统的推流装置具有良好的机械推水性能，能耗低，效率高，水流稳定等优点，螺旋桨式推流装置和水车式推流装置的空载噪声分别为60 和67 dB，提水动力效率分别为340和360 m3/(kW·h)，能够有效将池塘水体循环起来，达到流水养鱼的目的，特别适合池塘循环水养殖的低扬程大流量的需求。养殖效果试验显示，分隔式循环水养殖池塘系统鳊鱼产量 2.2 kg/m2，饵料系数为1.7；传统养殖模式鳊鱼产量1.8 kg/m2，饵料系数为2.1，试验池塘中鳊鱼产量比对照池塘分别增产了21.1%，养殖饲料系数也下降了23.5%，表明该系统能够有效降低养殖饵料系数，提高养殖产量，在养殖周期内试验水体一直维持在良好的状态。

[1] 农业部渔业局. 中国渔业年鉴[M]. 北京：中国农业出版社，2015.

[2] 张杨宗，谭玉钧，欧阳海. 中国池塘养鱼学[M]. 北京：科学出版社，1989.

[3] 刘焕亮，黄樟翰. 中国水产养殖学[M]. 北京：科学出版社，2008.

[4] 刘兴国，刘兆普，徐皓，等. 生态工程化循环水池塘养殖系统[[J]. 农业工程学报，2010，26(11)：237－243. Liu Xingguo, Liu Zhaopu, Xu Hao, et al. Ecological engineering water recirculating ponds aquaculturesyestem[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(11): 237－243. (in Chinese with English abstract)

[5] 周劲风，温琰茂. 珠江三角洲基塘水产养殖对水环境的影响[[J]. 中山大学学报：自然科学版，2004，43(5)：104－106. Zhou Jinfeng, Wen Yanmao. Effects of fish aquaculture on water environment in the zhujiang river delta[J]. Acta Scientiarum Natcralium Universitatis Sunyatseni, 2004, 43 (5): 104－106. (in Chinese with English abstract)

[6] 聂湘平，王翔，陈菊芳. 水产养殖与有毒有害污染物残留及其环境影响[J]. 环境科学与技术，2007，30(4)：106－110. Nie Xiangping, Wang Xiang, Chen Jufang. Aquaculture and the residues of environmental xenobiotics and its impacts upon aquatic environment[J]. Environmental Science & Technology, 2007, 30(4): 106－110. (in Chinese with English abstract)

[7] 边蔚，王路光，胡晓波，等. 水产养殖对水域环境的影响及污染防治对策[J]. 河北农业科学，2009，13(6)：91－93. Bian Wei, Wang Luguang, Hu Xiaobo, et al. Effects of aquaculture on water environment and the control counter measures[J]. Journal of Hebei Agricultural Sciences, 2009，13(6): 91－93. (in Chinese with English abstract)

[8] 徐皓，刘兴国，吴凡. 淡水池塘规范化改造与养殖系统模式构建[J]. 中国水产，2009，405(8):7－9. Xu Hao, Liu Xingguo, Wu Fan. Freshwater ponds standardize and culture system constructed[J]. Chinese Fisheries, 2009, 405(8): 7－9. (in Chinese with English abstract)

[9] 刘兴国. 新型高效设施化池塘养殖系统构建与应用[J]. 科学养鱼，2016(9)：18－20.

[10] 戈贤平，刘兴国，刘文彬，等. 池塘养鱼[M]. 北京：高等教育出版社，2009.

[11] 李德尚，董双林. 对虾与鱼、贝类封闭式综合养殖的试验研究[J]. 海洋与湖沼，2002，33(1)：90－95. Li Deshang, Dong Shuanglin. Summary of studies on closed- polyculture of penaeid shrimp with tilapia and molluscans[J]. Oceanologia et limnologiasinica, 2002, 33(1): 90－95. (in Chinese with English abstract)

[12] 黄国强，李德尚，董双林. 一种新型对虾多池循环水综合养殖模式[J]. 海洋科学，2001，25(4)：48－50. Huang Guoqiang, Li Deshang, Dong Shuanglin. A new shrimp poly-pond recirculating polyculture system[J]. Marine Sciences, 2001, 25(4): 48－50. (in Chinese with English abstract)

[13] 李谷，吴恢碧，姚雁鸿，等. 循环流水型池塘养鱼生态系统设计与构建[J]. 渔业现代化，2006(4)：6－7. Li Gu, Wu Huibi, Yao Yanhong, et al. Design and construction of circulating water pond fish culture ecosystem[J]. Fishery Modernization, 2006 (4): 6－7. (in Chinese with English abstract)

[14] 袁杰. 低成本池塘循环水养殖模式养高档鱼探索[J]. 当代水产，2016(3)：90－91. Yuan Jie. Study on the promotion of high grade fish with low cost pond recirculating aquaculture mode[J]. Current Fisheries, 2016(3): 90－91. (in Chinese with English abstract)

[15] 顾树庭，杜兴伟，杨小猛. 低碳·高效的池塘循环水养殖系统模块建设及功能分析[J]. 安徽农业科学，2016，44(10)：312－314. Gu Shuting, Du Xingwei, Yang Xiaomeng. Module construction and function analysis of a recirculating raceway system with low carbon and high efficiency[J]. Journal of Anhui Agri. Sci., 2016, 44(10): 312－314. (in Chinese with English abstract)

[16] 陈文华，聂家凯，闫磊，等. 低碳高效池塘循环流水养殖草新技术试验总结[J]. 科学养鱼，2014(10)：20－23.

[17] Brune D E, Schwartz G, Eversole A G, et al. 19 Partitioned aquaculture systems[J]. Developments in Aquaculture & Fisheries Science, 2004, 34(34): 561–584.

[18] Lazur A M, Pouder D B, Hill J E. Preliminary evaluation of gulf sturgeon production and sustainability of a zero- discharge pond water recirculating tank system[J]. North American Journal of Aquaculture, 2008, 70(3): 281–285.

[19] 刘兴国，朱浩，顾兆俊，等. 一种提高能效的养殖池塘系统：201410415815. 6 [P]. 2014-12-03.

[20] 王武. 鱼类增养殖学[M]. 北京：中国农业出版社，2000：262－293.

[21] 建设部标准定额研究所. 城镇建设行业标准：CJ/T 3008. 2-1993[S]. 北京：北京市市政工程局，1993.

[22] 关醒凡. 泵的理论与设计[M]. 北京：机械工程出版社，1986.

[23] 张志光. 几种简易测定方法[J]. 技术服务，2007，30(4)：32－33.

[24] 国家环境保护总局水和废水监测分析方法编委会. 水和废水监测分析方法：第4版[M].北京：中国环境科学出版社，2002：279－285.

[25] 吴宗凡，程果锋，王贤瑞，等. 移动式太阳能增氧机的增氧性能评价[J]. 农业工程学报，2014，30(23)：246－252. Wu Zongfan, Cheng Guofeng, Wang Xianrui, et al. Evaluation on aerator performance of movable solar aerator[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(23): 246－252. (in Chinese with English abstract)

[26] 李冬梅，高永利，田甜，等. 水体扰动对多种赤潮藻生长的影响[J]. 热带海洋学报，2010，29(6)：65－70. Li Dongmei, Gao Yongli, Tian Tian, et al. Effects of turbulence on phytoplankton: Species differences[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2010, 29(6): 65－70. (in Chinese with English abstract)

[27] Falkowski P G, Laroche J. Acclimation to spectral irradiance in algae [J]. Journal of Phycology, 2004, 27(1): 8－14.

[28] 吴宝迅. 水产养殖机械[M]. 北京：中国农业出版社，2000： 111.

[29] 刘兴国. 池塘养殖污染与生态工程化调控技术研究[D]. 南京：南京农业大学，2011. Liu Xingguo. Study on the Freshwater Pond Aquaculture Pollution and Engineering Regulation Techniques[D]. Nanjing: Nanjing Agricultural University, 2011. (in Chinese with English abstract)

[30] 丁艳青，朱广伟，秦伯强，等. 波浪扰动对太湖底泥释放影响模拟[J]. 水科学进展，2011，22(2)：273－277. Ding Yanqing, Zhu Guangwei, Qin Boqiang, et al. Experimental study on the effect of wave disturbances on the phosphorus dynamics in shallow lakes[J]. Advances in water science, 2011, 22(2): 273－277. (in Chinese with English abstract)

Design and experiment of partitioned recirculating aquaculture pond system

Tian Changfeng1, Liu Xingguo1,2※, Che Xuan1, Gu Zhaojun1, Zeng Xianlei1, Zhu Hao1, Yang Jiapeng1

(1.200092,;2.200092,)

Pond aquaculture plays a very important role in China’s aquaculture industry and is the main source of aquatic product supply. To improve the effect of pond aquaculture, a partitioned recirculating aquaculture pond system (PRAPS) was designed and built based on the characteristics of pond aquaculture in freshwater, which consisted of feeding fish culture zone (20% of water surface) and filter-feeding fish culture zone (80% of water surface). The structure of facilities and equipment of PRAPS was optimized by setting up the overflow weir, propeller flow device, paddlewheel device, and pollutant absorption and collecting device. Tests on the mechanical properties revealed that both propeller flow device and paddlewheel device could achieve the design demand; the energy efficiency of the propeller flow device was about 340 m3/(kW·h), the flow rate was around 204 m3/h, and the no-load running noise was 60 dB; the energy efficiency of the paddlewheel device was about 360 m3/(kW·h), the flow rate was around 180 m3/h, and the no-load running noise was 67 dB; the total flow rate of the overflow weir was about 331 m3/h. The exchange capacity was totally about 7 900 m3/day, accounting for about 50% of the pond water capacity. Additionally, the system could reduce the total energy consumption and farming pollution and effectively improve the pond aquaculture ecological effect, which met the production requirement of energy saving and environmental protection. It was conducive to improve the water quality of the pond though the impeller disturbed the water. The pollutant could be gathered into the middle of bottom by the collecting device, and removed out of system by the pollutant absorption device, in which way the transparency of water was improved, and the content of TN (total nitrogen) and TP (total phosphorus) in the system was decreased. The propeller flow device and paddlewheel impeller stirring water could realize water convection in large scale, so the water was exposed to sunshine and air, which could increase the dissolved oxygen in the water. Tests showed that the dissolved oxygen of the middle and lower layer in the test pond was 59.5% higher than the control pond; the content of TN in the test pond was 21.4% lower than the control pond; the content of TP was 53.1% lower than the control pond; the chlorophyll a concentration in the test pond was lower than the control pond. Because the breeding density in the test pond was higher than the control pond, the content of ammonia nitrogen and nitrite nitrogen in the system was increased. Overall the water quality in the test pond was better than the control pond. For the PRAPS, the one-time investment was big at the beginning and it needed professional and technical personnel to maintain, while the PRAPS had a high economic efficiency. The yield of bream in the test pond was 10 280 kg, and the food coefficient was 1.7; the yield of bream in the control pond was 8 488 kg, and the food coefficient was 2.1. The result showed that the yield of bream increased by 21.1% using the PRAPS, the feed coefficient decreased by more than 23.5%, and the annual output value increased by 6%. The result provides the reference for the model establishment of healthy breeding pond system, which is helpful to make PRAPS become a more mature and reliable novel pond aquaculture system.

fisheries; aquaculture; water quality; partition; recirculating; overflow weir; pond culture

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.025

S95

A

1002-6819(2017)-08-0183-08

2016-11-08

2017-02-17

现代农业产业技术体系建设专项资金资助 (CARS-46)；节水高效全循环池塘养殖关键技术合作研究（2015-Z16）

田昌凤，女，安徽宿州人，助理研究员，从事池塘养殖机械装备研发。上海中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，200092。 Email：tianchangfeng@fmiri.ac.cn

刘兴国，男，山东潍坊人，研究员，博士，从事养殖水环境调控研究。上海中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，200092。 Email：liuxingguo@fmiri.ac.cn

田昌凤，刘兴国，车 轩，顾兆俊，曾宪磊，朱 浩，杨家朋.分隔式循环水池塘养殖系统设计与试验[J]. 农业工程学报，2017，33(8)：183－190. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.025 http://www.tcsae.org

Tian Changfeng, Liu Xingguo, Che Xuan, Gu Zhaojun, Zeng Xianlei, Zhu Hao, Yang Jiapeng.Design and experiment of partitioned recirculating aquaculture pond system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(8): 183－190. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.025 http://www.tcsae.org