多营养级池塘养殖系统设计与试验

车 轩，田昌凤，张 俊，朱 林，刘兴国，周 寅，陈晓龙

(1中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，农业农村部渔业装备与工程技术重点实验室，上海 200092;2上海海洋大学工程学院，上海 201306)

池塘养殖是中国水产养殖的主要生产模式之一，产量约占淡水养殖总产量的73%[1]，对保证国家粮食安全和动物蛋白供给具有重要的战略意义[2-5]。随着养殖密度的提高，池塘养殖环境污染问题成为社会关注的热点[5]，污染物主要来自未被养殖生物利用的饲料营养物质。研究表明，饲料中仅有20%～30%的氮和40%～45%的磷被养殖生物利用，其他的全部以残饲、粪便和溶解态的形式进入养殖环境，成为污染水体的富营养物质[6]。因此，解决水产养殖环境污染的关键之一是使营养素尽量多地转化为主养鱼类的生物量，降低进入环境的营养物质含量。

增加生态系统的营养利用层级是提高水产饲料利用效率的有效手段[7]，池塘是人工构建的生态系统，在这种相对封闭的系统中投放不同生态位的养殖生物，低营养级的生物吸收利用高营养级养殖生物未利用的饲料营养后，作为高营养级生物的饵料进一步提高营养物质向养殖对象的转化。传统池塘养殖的生物品种单一，一般为1种主养经济鱼类和1种调节水质的混养鱼类，食物链短，这种养殖系统生物营养级的缺乏，导致物质循环不畅，生态效率较低。因此，根据养殖对象的生物习性和营养需求设计有针对性的池塘设施系统是亟待解决的技术问题。

分隔池塘养殖系统是对池塘进行物理分隔，并高效管理养殖过程的水产品生产设施系统[5]，具有养殖效率高、生产管理方便、节水减排的特点，是国内外池塘养殖绿色发展的重要方向之一。Brune等[8-10]研发的分隔池塘养殖系统(Partitioned Aquaculture System)，将高效藻类塘应用到池塘养殖水质调控，有效降低了污染物排放，使鱼类产量大幅提高[11]。田昌凤等[12]研究了主养鳊鱼的分隔池塘系统，研发了大流量水泵，使总氮排放下降了21.4%，总磷排放下降了59.5%，饲料系数下降了23.5%，鳊鱼产量提高了21.1%。

本研究按照分隔池塘养殖系统的理念，借鉴营养多层级利用的原理，设计了一种多营养级池塘养殖系统(Multi-trophic Aquaculture Pond System, MAPS)，建立了中试试验系统，开展了水质调控和流态模拟试验。

1 系统设计

1.1 设计思路

图1所示，将养殖池塘根据养殖对象的生态位设计为3个营养层级：

图1 多营养级池塘养殖系统功能示意图Fig.1 Functional diagram of the Multi-trophicAquaculture Pond System

Ⅰ级饲料营养利用层级：草鱼、河蟹，直接利用饲料营养。

Ⅱ级饲料营养利用层级：螺蛳摄食残饲、粪便等有机沉积物，鲢鳙滤食浮游生物。螺蛳通过人工收获，成为河蟹的天然饵料。

Ⅲ级饲料营养利用层级：沉水植物吸收未利用的富营养物质，按时人工打捞，作为草鱼的生物饵料。

水流流程：水流由草鱼养殖区进入螺蛳鲢鳙养殖区，经生态沟过滤、沉淀后进入河蟹养殖区，养殖水经过过滤坝，由水泵提升返回到草鱼养殖池。

1.2 系统设计与构建

对上海市崇明区扣蟹养殖池塘进行改建，构建多营养级池塘养殖系统，系统长190 m，宽70 m，占地面积1.33 hm2，主要包括草鱼养殖区(0.13 hm2)、螺蛳鲢鳙养殖区(0.19 hm2)、河蟹养殖区(0.93 hm2)和水处理设施等(图2、图3、图4)。

图2 系统结构布局示意图Fig.2 Schematic diagram of the system structure

图3 水体循环流程示意图Fig.3 Schematic diagram of the water flow

图4 试验系统航拍图Fig.4 Aerial photo of the pilot scale experimental system

6个草鱼高密度养殖池由不锈钢材料建成，方切角形结构，尺寸为15 m×15 m ×2 m，切角边为2 m，最大设计水深1.8 m，草鱼养殖区占系统总面积的10%。每2个养殖池为1套，其间设置闸板，以便开展两阶段的序批式生产。每个养殖池内均安装有水车增氧机(0.75 kW)、水泵(0.5 kW)，水泵实现整个系统的水体循环，6个池塘池底部中心位置均设有底孔，鱼类排泄物、残余饲料等颗粒物经养殖池底孔和管道收集到集污井，再依靠水位差由排污底管流到后端的螺蛳鲢鳙养殖区进行物理沉淀。

螺蛳鲢鳙养殖区占系统总面积的15%。水深大于3 m，塘埂较缓，坡比3∶1，以增加螺蛳的栖息面积。螺蛳鲢鳙养殖区大量投放螺蛳，刮食塘底有机沉降物，投放量不低于3 kg/m2，增殖的螺蛳定期收获，投放到河蟹养殖区作为生物饵料，实现饲料营养的二次利用。鲢鳙按照3∶1的质量比例投放，滤食水体中的藻类。

河蟹养殖区占系统总面积的70%，为四周环沟形式，环沟水深1 m、宽5 m，凸台水深0.6 m。凸台主要种植苦草，环沟内主要种植伊乐藻，进行水质净化，吸收水体中的富营养物质成为水草生物体，定期打捞投放到草鱼养殖池作为饲料，使草鱼未摄食的部分营养物质经水草吸收后返回到鱼体内。

螺蛳鲢鳙养殖塘与河蟹养殖塘由生态沟连接。生态沟宽6 m，沟内种植挺水植物，悬挂立体弹性填料，主要作用是提高进入河蟹养殖区的水体透明度，以免影响河蟹养殖塘沉水植物的存活率。

2 材料与方法

2.1 水体流态特征研究

2.1.1 系统全域流动特性计算机数值模拟

利用CFD软件建立全域养殖系统水循环过程的计算模型，研究全域系统水循环过程的流动特性。网格划分的要点在于保证高质量的基础上划分合适的网格数量，网格的质量和数量对于控制微分方程的精度和速度有着重要影响[13-14]。如图4所示，使用网格划分软件对多营养级池塘养殖试验系统的1∶1比例模型进行网格划分，为了提高数值模拟的准确性，对靠近养殖池和管道的部分细化加密，网格数量为150万个。其次验证池塘全域网格的无关性，当网格数为500万时的模拟结果和150万个网格数量的模拟结果没有显著变化，通过了网格无关性的验证，可以进行数值模拟。为了便于计算，采用150万个网格数量。

2.1.2 草鱼养殖池水体流动特性计算机数值模拟

利用网格划分软件对单个草鱼养殖池的1∶1比例模型进行网格划分，如图5所示，对进水口和出水口进行网格细化加密，网格数量为110万个。其次验证单个养殖池网格的无关性，当网格数为500万时的模拟结果和110万个网格数量的模拟结果没有显著变化。为了便于计算，采用110万个网格数量。

图5 单个草鱼养殖池网格图Fig.5 Grid diagram of the grass carp culture tank

草鱼养殖池的进水口设定为速度进口，进水密度为998.2 kg/m3，动力黏度为1.003×10-3Pa·s，速度设为1.5 m/s(水泵流量为45 m3/h)。单个养殖池的出口溢流和底流都是出流边界条件，设定养殖池的水体没有滑移和剪切速度[15-21]，可以认为是自由界面，压力值为1.013×105Pa，池底和池壁都是固壁边界条件。

为研究不同参数下养殖池内部流场分布特性，设置监测面1 Y=0和监测面2 Z=7.5 m作为流场监测面。

图6 草鱼养殖池监测面位置示意图Fig.6 Location of monitoring surface in grass carp culture tank

2.2 水质调控效果研究

采样点设置(图7)：在试验系统内设14个采样点，对多营养级池塘养殖系统的水质调控效果进行研究，6个草鱼养殖池各设1个采样点(采样点9、10、11、12、13、14)，河蟹养殖区设5个采样点(分别为采样点1、2、3、4、5)，生态沟设1个采样点(采样点6)，螺蛳鲢鳙养殖区设1个采样点(采样点7)，过滤坝设1个采样点(采样点8)。采用单点采样法，采样时间为上午10:00，在水面下50 cm处取水样，带回实验室，分析水质。系统于2019年6月投入鱼种进行试验，7～10月每月采样1次。

图7 采样点位置示意图Fig.7 Schematic diagram of sampling point location

2.3 水质测试方法

按照SC/T 9101—2007《淡水池塘养殖水排放要求》[22]的标准，要求淡水养殖排放水的总氮≤5 mg/L，总磷≤1 mg/L，化学需氧量(COD)≤25 mg/L。因此，本研究选用总氮、总磷、COD作为主要监测指标，水质指标测定参考《水和废水检测分析方法》[23]。总氮，碱性过硫酸钾紫外分光光度法；总磷，钼酸铵分光光度法；COD，联合消解-分光光度法。

3 结果

3.1 水体流态特征

3.1.1 全域流动特性计算机数值模拟结果

池塘全域水循环流动的速度流线图如图8。

图8 池塘全域水循环流动的流线图Fig.8 Streamline diagram of water circulation in all ponds

从图8中可以明显看出，草鱼养殖池的排放水经过池底部管道排出，进入螺蛳鲢鳙养殖区，依次流经生态沟、河蟹养殖区，在此过程中，水流受到塘埂的阻流作用，水流速度减小、局部流态复杂紊乱，在塘埂附近形成了涡流。养殖水经过滤坝进一步净化后由水泵抽取回到草鱼养殖池，实现了整个系统的水循环。

为研究多营养级池塘养殖系统水流分布的均匀性，对6个水体循环泵开启后不同时刻的全域水循环流动特性进行了模拟计算，图9a、9b、9c、9d分别代表水泵开启后的30 s、100 s、300 s和500 s。结果显示，随着时间的推移，水体在整个系统中的流态趋于稳定，系统开启运行300 s后，水流达到稳定状态(如图9c、9d所示)，水体在系统各个池塘中的分布基本均匀。

图9 不同时刻下的流线图Fig.9 Streamline diagram at different times

3.1.2 单个草鱼养殖池的流动特性

草鱼养殖池在监测面1和监测面2上的速度云图，如图10、图11所示。

图10 监测面1速度云图Fig.10 Velocity nephogram of monitoring surface 1

图11 监测面2速度云图Fig.11 Velocity nephogram of monitoring surface 2

通过观察监测面1和监测面2上的水流速度，可以看到在养殖池中心区域有明显的旋流、涡流产生。养殖池池壁附近的速度值大于轴心区域部分的水体流速。在低流速区域内，未摄食的饲料、鱼类排泄物等颗粒废物可以快速沉淀，沉积的颗粒物容易向池中间的排污口聚集，有利于养殖池的及时集污排污[24-25]。

3.2 水质调控效果

3.2.1 总氮质量浓度

对试验系统内14个采样点水体中总氮的含量进行监测(图12)，经水质分析，水体中总氮含量均在5 mg/L以下，其中7、8、10三个月份数值均集中在2.7 mg/L以下，水体中总氮含量总体上稳定，水体中总氮值均较低。

图12 各采样点的总氮Fig.12 Total nitrogen of each sampling point

监测起始点7月份总氮含量在1.73～2.35 mg/L之间，各监测点间波动不大。随着时间推移，水体中的总氮含量呈先上升后下降的状态，并于9月份达到峰值，各监测点均值3.34 mg/L，随后下降。在14个监测点中，7月份的最高值为2.35 mg/L，出现在监测点12(草鱼池)，8月份的最高值为2.61 mg/L，出现在监测点11(草鱼池)，9月份的最高值为4.24 mg/L，出现在监测点7(螺蛳鲢鳙养殖区)，10月份的最高值为2.16 mg/L，出现在监测点1(河蟹养殖区)。

3.2.2 总磷质量浓度

对试验系统内14个采样点水体中总磷的含量进行监测，结果表明，除7月份监测1的极端数值外，其余水体中总磷含量均在1 mg/L以下，其中7、8、10三个月份数值均集中在0.7 mg/L以下(图13)。

图13 各采样点的总磷Fig.13 Total phosphorus of each sampling point

监测起始点7月份总磷含量在0.13～0.19 mg/L之间，各监测点间波动不大。随着时间推移，水体中的总磷数值呈先上升后下降的状态，并于9月份达到峰值，各监测点均值为0.63 mg/L，随后下降。在14个监测点中，7月份的最高值为0.19 mg/L，出现在监测点9(草鱼养殖池)中，8月份的最高值为0.43 mg/L，出现在监测点7(螺蛳鲢鳙养殖区)中，9月份的最高值为0.9 mg/L，出现在监测点6(生态沟)中，10月份的最高值为0.63 mg/L，出现在监测点11(草鱼养殖区)中。

3.2.3 COD质量浓度

对试验系统内14个采样点水体中COD进行监测，经水质分析，水体中COD呈现上升的趋势，于10月份达到峰值(图14)。在14个监测点中，7月份的最高值为20 mg/L，出现在监测点6(生态沟)，8月份的最高值为50 mg/L，出现在监测点1(河蟹养殖区)，9月份的最高值为53 mg/L，出现在监测点3(河蟹养殖区)，10月份的最高值为73 mg/L，出现在监测点1(河蟹养殖区)。

图14 各采样点的CODFig.14 COD of each sampling point

4 讨论

4.1 多营养级池塘养殖系统的水体流态特征

多营养级养殖系统的关键4个基本要素是水、功能群、营养物通量和收获的管理，水体的物理连通性是保证物质能量传递的重要因素。与海洋牧场的多营养级综合水产养殖(IMTA)主要依靠海域纵深自然传递营养物不同，多营养级池塘养殖系统的水深较浅，养殖不同生态位水生生物的池塘沿水平布置，水流主要靠水泵驱动，水体在系统各个区域中的分布是否均匀直接关系到营养物能否由一个功能群传递到下一个养殖物种，因此，是保证多营养级池塘养殖系统营养物通量的关键因素。池塘设施是实现多营养级池塘养殖系统功能的前提和基础，本研究通过对池塘设施的改造，在不同的养殖空间生产不同的养殖生物，水体作为物质能量传递的载体，保证了营养物在不同生态位养殖生物中的循环。有研究表明，连续的水流对于分隔池塘是至关重要的，保证了良好的水质，确保鱼在良好的环境里生长。水体均匀的流动保证物质充分混合，使得浮游植物的生产力和群落结构更加稳定[26-31]。本研究对单个养殖池和全域流动特性的计算机模拟结果进一步证实了多营养级养殖系统设计的两个关键点，一是草鱼养殖池的颗粒废物快速沉淀，并及时排出，保证草鱼养殖池的水质，且为下一级生物提供营养。二是水体在系统各个区域中的均匀分布，保证物质能量循环的畅通。

4.2 多营养级池塘养殖系统的水质调控效果

近年来，随着环保压力的加大和消费者对水产品质量安全的持续关注，传统池塘养殖的生态环境压力越来越大，池塘养殖尾水治理成为科研人员和产业可持续发展的焦点问题。为实现池塘养殖尾水的达标排放，全国各地陆续制定了相关政策，支持养殖池塘尾水处理设施的工程改造，如上海市按照5 000元/亩的标准进行财政投入。本研究研发的多营养级池塘系统为池塘养殖的水质控制提供了一种解决方案，不将养殖生产产生的碳、氮、磷作为污染物进行去除，而是视为营养物质进行再利用，降低了尾水处理压力。本研究结果表明，该系统在不换水的情况下，养殖全程的总氮、总磷没有超过排放标准，但对COD的控制效果不显著。由此可见，有必要对多营养级池塘养殖系统的结构进行进一步优化，加强系统对有机物浓度的控制效能。池塘水体COD质量浓度与残饵、粪便、池塘底泥有关，本试验测得的COD最高值主要出现在河蟹养殖池，估计与河蟹底栖的习性有关，河蟹的运动导致了底泥中有机物的释放，导致了水体COD质量浓度的升高。本系统主要通过过滤坝进行COD的去除，过滤坝由于成本较低，近几年在池塘养殖尾水处理中应用较多，而从本试验数据来看，过滤坝对养殖鱼类的池塘COD的处理效果有限，这主要是由于过滤坝容积有限，水力停留时间较短，不具备截留水体悬浮有机物和微藻的水力条件。因此，过滤坝主要适用于养殖青虾、河蟹等单位产量较低的池塘尾水处理，主养鱼类的池塘由于养殖密度大、有机物质量浓度高，应采用人工湿地等更加高效的水处理设施。刘兴国等[32]研发的生态工程化循环水池塘养殖系统，其中的潜流湿地对养殖排放水体中COD 的去除率达到了17%～42%，表明人工湿地对养殖水体中有机物去除效果明显。

5 结论

多营养级池塘养殖系统通过投放不同生态位的养殖生物延长了食物链，使营养物质尽可能多的转为养殖生物的生物量，降低营养素进入周边环境的比例，为水产养殖环境污染的解决提供了一种可行的途径。系统水泵开启运行300 s后，水体在整个系统中的流态趋于稳定，水体在系统各个池塘中的分布基本均匀；草鱼养殖池池壁附近的速度值大于轴心区域部分的水体流速，有利于颗粒废物的快速沉淀，及时集污排污。试验系统对养殖水体氮、磷的去除效果显著，养殖全程的总氮质量浓度低于4.2 mg/L，总磷质量浓度低于0.9 mg/L，均没有超标，但对COD的控制效果不显著，应进一步优化。

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