底推流量对养殖工船分隔式舱养系统水质影响的初步研究

管崇武，张宇雷，2，张成林,2

(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 青岛海洋科学与技术试点国家实验室，山东 青岛 266237)

经过多年的探索，中国的渔业发展方针已明确从“以捕为主”向 “以养为主”的模式转变[1]。2014年世界水产养殖产量超过了捕捞产量，成为渔业生产的主体[2-3]。中国海水养殖存在布局不合理、生产方式对环境影响较大等问题，为了加快产业转型升级，向深远海水域拓展养殖新空间，发展以养为主的海洋渔业新型生产方式，是渔业发展突破生态环境和自然资源约束性挑战、培育新动能的重要战略方向[4-5]。20世纪80～90年代，一些发达国家如挪威、日本等国已经出现海上工业化养鱼[6-7]，目前中国也开始了大型养殖平台的研发工作，但相关的学术研究还较少[8]。崔铭超等[9]系统地研究了封闭舱养式养殖工船的构建与总体技术，并开展船舶横摇和纵摇运动对养殖鱼舱中流场的影响研究[10-11]。肖凯隆等[12]研究了封闭舱养式养殖工船液舱晃荡与船体运动的耦合。韩冰等[13]开展了养殖工船自航工况及系泊作业工况下的耐波性能研究。高瑞等[14]进行养殖水舱横摇激励下的适鱼性影响情况研究。上述研究主要关注船体设计方面，对于养殖水舱具体养殖过程中涉及的问题牵扯较少。大型养殖工船属于新兴事物，船载养殖系统实际应用缺少基础和经验的支撑[10]。

本研究依据早期研究成果，在陆基条件下模拟构建一套养殖工船上的舱养系统，通过设计构建隔离网和底部推流泵来实现养殖与舱内残饲和粪便的快速排出，分析底推流流量参数对池内水质指标的影响，确定适宜推流流量，并以此为基础进行不同换水量条件下对养殖水质的净化效果对比试验，为后期养殖工船设计提供参考和基础数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验系统

试验系统构建于山东国信东方(烟台)循环水鲑鱼养殖基地的养殖车间内，设置试验池和对照池各1口，池呈方切角状，单个池的规格为9 m×9 m×3.5 m(长×宽×高)，有效养殖水体240 m3。试验池切面图如图1所示，在离池底1 m高处铺设一圈隔离网，隔离网宽2.4 m，倾角5°，隔离网下方4个角落放置4台反冲水泵(CAL32-10-1 1.5kW)用于制造反冲洗水流；对照池则无铺设隔离网和反冲水泵，其他与试验池一致。

1.2 养殖对象

选用的大西洋鲑来自国信东方(烟台)循环水鲑鱼养殖基地。平均每个池放养392条，每条鱼平均质量(2.79±0.23)kg，平均养殖密度4.21 kg/m3，试验时投喂量为1.6 kg/d。于2020年4月29日将鱼移入试验系统，5月8日开始试验，整个试验周期约2个月。

1.3 试验设计

1.3.1 隔离网对池内水流量的影响

为了验证隔离网对池内水流的流速影响效果，采用多普勒测速法进行检验。对照池设定进水流量120 m3/h，通过两根对角放置的进水管按每个60 m3/h的流量进水；试验池通过1根进水管按40 m3/h的流量进水，并设定隔离网下方4个推流泵按每个10 m3/h和20 m3/h两种底推流量状态开启。采用Flow Tracker 手持式声学多普勒流速仪在试验池中间轴线方向，按离池壁1 m、2 m、3 m，再按离池底0.6 m、1.2 m、1.8 m和2.4 m处进行采样检测流速量，检测点分布位置如图1所示，共设置24个采样点。在设定流量稳定运行1 d后，在上述各检测点检测5 min后，记录实测流速值。为保证试验准确性和稳定性，在各检测点检测进行5次重复检测。

图1 采样点设置Fig.1 Sampling points setting

1.3.2 底推流量对水质的影响

为了验证隔离网下推流泵的底推流量对水质的净化影响效果，采用对比试验池的表层和底层氨氮质量浓度和浊度等水质指标的变化情况分析其影响效果。试验池的养殖密度为4.5 kg/m3，按每天早晚各投喂1次，每次投喂饲料量为1 kg。设定试验池的进水流量为40 m3/h，在每次投喂时开启4台推流泵，开启2 h后关闭推流泵，通过设定每台推流泵的流量(按0 m3/h、20 m3/h、30 m3/h和40 m3/h的流量)进行推流，分析不同底推流量对水质的作用影响。在开始投喂后0 h、0.5 h、1 h和2 h时，分别在离池壁1 m、离池底0.5 m处采集底部水样A，在离池壁1 m、离水面下0.5 m处采集顶部水样B，采集方法通过固定水泵定点抽吸方式。为保证试验准确性和稳定性，各不同流量试验组分别进行3次重复试验。

1.3.3 隔离网底推养殖系统的水质变化

为了验证隔离网底推养殖系统在实际养殖过程中的水质净化效果，试验池设定进水流量为40 m3/h，在每次投喂时开启1 h的推流泵，底推流量为160 m3/h。试验池的养殖密度为4.5 kg/m3，按每天早晚投喂2次，每次投喂饲料量为1 kg。对照池的养殖密度和投喂量与试验池一致，进水流量为120 m3/h。在每天早上喂食1 h后在各池的离池壁1 m、离池底0.5 m处采用水泵定点抽吸的方式进行采样，进行氨氮、浊度、水色、溶氧等指标检测。

1.4 水质检测方法和数据处理

水温、溶氧等常规水质参数使用YSI ODO光学溶氧仪检测；氨氮质量浓度的检测使用水杨酸分光光度法(HJ 536—2009)[15]；水色的检测使用Pt-Co标准比色法(GB/T 11903—1989)[16]；浊度的检测采用分光光度法(GB/T 13200—1991)[17]，流速的检测使用Flow Tracker 手持式声学多普勒流速仪检测，进水流量的检测使用电磁流量计检测。

使用SPSS Statistics 20统计软件对数据进行处理及统计分析，使用独立样本T-检验进行差异性比较，检验显著水平P=0.05，结果用平均值±标准差(Mean±SD)表示，图表用Excel 2016绘制。

2 结果

2.1 底推流速对隔离网养殖系统的水流流速分布影响

图2为对照池各检测点位流速值分布情况，在进水流量120 m3/h时，离池底1.2 m处靠近池壁处流速值最高，即Ba采样点和Bf采样点处，分别达到(21.16±4.86)cm/s和(19.98±3.66)cm/s；靠近中心区流速值偏低，均在12 cm/s以下；其他A、C和D这3个不同水层检测点的流速值基本呈较为均一的分布，数值在8.38～13.90 cm/s的范围内。

图2 进水流量为120 m3/h时对照池各采样点的水流流速分布Fig.2 The distribution of flow velocity at sampling points of the control tank when the inlet flow is 120 m3/h

图3为试验池在进水流量40 m3/h条件下，底推流量分别为40 m3/h(10 m3/h×4台)和80 m3/h(20 m3/h×4台)时，池内不同位置的水流速度分布情况。可以看出在水平方向上，池内流速分布呈离池壁距离近的流速值比靠近中心位置的高；在垂直方向上，在靠近池壁位置离池底越远流速值越低。在底推流量为80 m3/h条件下，不同水平位置大部分以离池底距离为1.8 m处即C水层的流速值最高；底推流量的加大，会导致池内整体流速值的增大。A水层和B水层分别位于隔离网的上下两个区域，其流速值在底推流量为40 m3/h时，两者间无明显差异；但在底推流量为80 m3/h时，A水层处的流速值高于B水层，表明隔离网底部的推流有利于底部区域水流流速的增快，可能会加速池底颗粒物向中心排污管运动，有助于池底污物的聚集和排出。

图3 底推流速对试验池各采样点的水流流速分布Fig.3 Influence of bottom pushing velocity on flow velocity distribution of sampling points in experimental tank

总体而言，进水流量高的池内水体流速值也呈较高水平，在高进水流量条件下，池内水体的流速值相对混合比较均匀，无明显的分区域分布趋势；在低进水流量条件下，提高底推流量将有助于隔离网上下两层水流速值差异化分布。

2.2 底推流速对水质的作用影响

2.2.1 底推流速对池中氨氮质量浓度的作用影响

图4为进水流量为40 m3/h时4种不同底推流量对试验池中表层和底层水体的氨氮质量浓度变化情况。从图4可以看出，水体中氨氮质量浓度去除效果随着底推流量的加大而增强。在开启推流时长为0.5 h时，各不同推流量的试验组大部分都表现出氨氮质量浓度上升的趋势，并且随着推流量的加大上升幅度加强，在底推流量为160 m3/h的条件下，表层和底层的水中氨氮质量浓度值相对于初始值分别上升22.09%和47.31%。在开启推流时长为1 h时，不开推流和底推流量为80 m3/h的试验池中底层水的氨氮质量浓度尚高于初始值，其他均显著下降，以底推流量为160 m3/h时去除效果最佳，表层和底层的水中氨氮质量浓度值相对于初始值分别去除68.02%和58.68%。在开启推流时长2 h时，各组氨氮质量浓度均低于初始值，但对氨氮质量浓度的去除效果与1 h时相接近。

图4 换水量为40 m3/h时4种不同推流量对试验池中表层和底层水体的氨氮质量浓度变化情况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 底推流速对池中浊度的作用影响

图5为进水流量为40 m3/h时4种不同底推流量对试验池中表层和底层水体的浊度变化情况。对于浊度下降效果而言，底推流量160 m3/h的试验组随着时间的增加表现出明显的下降趋势，其他3种条件均表现出中途有升高的状态，可能是推流将原沉淀的污物搅起导致。表层水中浊度相对于底层无明显变化，在开推流时长2 h时，推流量分别为0 m3/h、80 m3/h、120 m3/h和160 m3/h条件下底层水中浊度分别为初始值的43.09%、65.32%、72.31%和36.61%，以推流量为160 m3/h对池中浊度去除效果最佳。

图5 换水量为40 m3/h时4种不同推流量对试验池中表层和底层水体的浊度变化情况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 隔离网底推养殖系统的水质变化情况

在为期1个多月的养殖试验期间，试验池与对照池的水质情况如图6所示。试验池的氨氮质量浓度为0.007～0.087 mg/L，平均值为(0.046±0.024 )mg/L，对照池的氨氮质量浓度为0.012～0.094 mg/L，平均值为(0.040±0.023)mg/L；试验池的浊度为0.231～0.850 NTU，平均值为(0.504±0.190)NTU，对照池的浊度为0.191～0.805 NTU，平均值为(0.380±0.180)NTU；试验池的水色为1～8.3 mg/L PtCo，平均值为(3.9±2.0)mg/L PtCo，对照池的水色为1～9 mg/L PtCo，平均值为(3.8±2.5)mg/L PtCo。通过独立样本T检验，试验池与对照池的氨氮质量浓度、浊度和水色均无显著性差异(P>0.05)。表明采用底推流与隔离网结合的方式，在换水流量降低70%条件下，也能达到较好水质调控效果，可以有效解决无稳定旋转流态鱼池中排污和调控水质的问题。

图6 试验池和对照池的水质对比情况Fig.6 Comparison of water quality between experimental tank and control tank

3 讨论

3.1 分隔式舱养模拟系统流态分析

开展养殖工船构建技术研究是当前研究热点之一，船载养殖舱内的水体在船体摇摆作用下产生晃荡作用，对舱内的水流和颗粒物的集排污形成的较大影响，但目前养殖舱晃荡对水流速与流态的影响鲜有研究[10]。宋协法等[8]研究发现养殖池内水体速度呈对称分布，水流速度由池壁向池中心逐渐减小，池中心存在一定规模死水区，会影响水舱的排污能力。崔铭超等[10]研究发现舱内产生围绕横摇轴旋转的水流，在轴中心位置仍存在低速区。本试验研究结果与上述研究相同，对照池的进水流速远大于试验池，池内各检测点的流速均高于试验池，而且池内水平方向水流速度呈池壁往池中心减小的趋势，但垂直方向无明显变化规律。底推流的推流流量对试验池的水流流速影响较大，随着底推流速的增大，其向前推动水体流动的强度就越大，在隔离网上下两层有明显分层现象，有利于养殖池底部沉积的沉积污物(残饲、粪便等)排出。

关于养殖池的水体流速分布规律已有相关报道，早在1989年，杜汉斌等[18]研究圆形鱼池进水设施与流速排污的问题，指出排污的关键是使池底各点的流速都大于污物的止动流速。Davidson等[19]比较了双排水养殖系统的流速分布，提出1.3～1.7 min的旋转周期为从双排水系统中排出池底污物的最佳水速。Oca等[20]提出循环水养殖池的流场特性受流速、水深、进水量与出水量的影响。于林平等[21]通过流体力学仿真技术研究了单进水管结构对单通道圆弧角养殖池水动力特性的影响，研究表明进水管采用圆弧角位置布设，日循环次数为100～120 次/d 时，养殖池内尤其是底部能达到较优流场状态。赵乐等[22]研究发现工厂化养殖池内水体的流场分布特性直接决定了其对残饵、粪便等的排污性能，在射流角度固定的情况下，射流速度越大，池心低流速区域越小，污物向池心的聚集效果越好。本研究表明，推流流量从40 m3/h提高到80 m3/h时，A处流速从(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有利于残饲粪便向排污口汇聚迁移，因此在后续试验中推流流量为160 m3/h。

针对隔离网用于养殖系统水层的分隔研究尚无报道。田昌凤等[23]设计了分隔式循环水池塘养殖系统，进行吃食性鱼类养殖区和滤杂食性鱼类养殖区的分隔。这与本研究设计理念不完全相同，本隔离系统是垂直方向进行上下水层分隔，其为水平方向进行左右位置的分隔。Cui等[24]开展双层网底鲆鲽网箱耐流特性的数值模拟研究，发现双层网底鲆鲽网箱的网底结构在水流作用下会发生倾斜与转动。众多国内外学者[24-26]对水流下网衣的水动力特性进行了许多研究，表明网衣会产生一定阻流效应，形成流速的明显衰减。本研究中隔离网与水平方向呈5%夹角布置，A处流速比B处平均高24%，表现出一定程度的阻流效应，这与赵云鹏等[27]研究结果相近，隔离网上下水流流速变化规律也与刘超等[28]发现的网箱系统内部与周围流场分布及流速变化规律相符。

3.2 分隔式舱养模拟系统运行效果分析

本研究采用浊度来反映水中悬浮颗粒物的变化情况。浊度指水体中悬浮物质的含量，既反映水的表观质量，又反映水的内在质量[29]。它并不能直接表示水中悬浮物杂质颗粒的具体含量，但能通过其数值的变化反应水中悬浮颗粒数量的变化趋势[30]。在本研究中试验池与对照池的浊度变化无显著差异，表明采用分隔式底推流技术可以实现养殖池的有效集排污。

养殖系统的电费支出在养殖成本中占了相当大的比例[31]，在水质指标保持相对稳定条件下，本舱养模拟系统换水量可以从120 m3/h降低至40 m3/h，按流量40 m3/h扬程9 m潜水泵功率2.2 kW计，流量120 m3/h潜水泵功率要7.5 kW，推流泵按每台1.5 kW计，对照池每天运行能耗180 kWh，试验池每天运行能耗64.8 kW/h(4台推流泵开启2 h/d)，每天运行能耗降低115.2 kWh。从运行成本上来看，舱养模拟系统相对于传统流水养殖方式具有良好的节能效果。

4 结论

设计了一套在养殖池底部设置分隔网和4台推流泵构建的舱养模拟系统，研究了底推流量对系统流速和水质的影响，并与传统高进水流量的流水养殖池进行对比。提高推流的流量将有助于隔离网上下两层水流速值差异化分布，有利于养殖池底部沉积的沉积污物(残饲、粪便等)排出；底推流量与水质净化效果呈正相关关系，在相同进水流量条件下，以底推流量为160 m3/h时对水质净化效果最佳；进行为期1个多月养殖对比试验，进水流量为40 m3/h的舱养模拟系统水质指标与进水流量为120 m3/h的对照池无显著差异，表明该舱养模拟系统可有效降低运行换水量，具有良好节能效果。

□