分隔式循環(huán)水池塘養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

田昌鳳，劉興國(guó),2※，車 軒，顧兆俊，曾憲磊，朱 浩，楊家朋

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分隔式循環(huán)水池塘養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

田昌鳳1，劉興國(guó)1,2※，車 軒1，顧兆俊1，曾憲磊1，朱 浩1，楊家朋1

（1. 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092；2. 農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程重點(diǎn)試驗(yàn)室，上海 200092）

為了解決池塘養(yǎng)殖設(shè)施化程度低、凈化能力不足和排污效果差等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了分隔式循環(huán)水池塘養(yǎng)殖系統(tǒng)。該系統(tǒng)由20%水面的吃食性魚類養(yǎng)殖區(qū)和80%水面的濾雜食性魚類養(yǎng)殖區(qū)構(gòu)成，配置過(guò)水堰、螺旋槳式和水車式推流裝置、集污和吸污裝置等養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)施和裝備。性能測(cè)試結(jié)果表明：螺旋槳式推流裝置提水動(dòng)力效率為340 m3/（kW·h），流量為204 m3/ h，空載噪音為60 dB；水車式推流裝置提水動(dòng)力效率為360 m3/(kW·h)，流量為180 m3/ h，空載噪音為67 dB；過(guò)水堰過(guò)水的總流量約為331 m3/ h，利用水循環(huán)裝備實(shí)現(xiàn)水體流動(dòng)可實(shí)現(xiàn)水體日交換量7 900 m3，達(dá)到養(yǎng)殖池塘水體的50%左右。利用推流裝置攪動(dòng)水體，可實(shí)現(xiàn)水體大范圍的對(duì)流，交替暴曬水體，增加水體中的溶解氧，試驗(yàn)池塘中下層溶解氧水平比對(duì)照塘高出59.5%，試驗(yàn)池塘葉綠素a濃度比對(duì)照塘低，說(shuō)明一定程度上限制了浮游植物過(guò)渡繁殖。該養(yǎng)殖系統(tǒng)可為池塘健康養(yǎng)殖系統(tǒng)模式構(gòu)建提供參考。

漁業(yè)；水產(chǎn)養(yǎng)殖；水質(zhì)；分隔；循環(huán)水；過(guò)水堰；池塘養(yǎng)殖

0 引 言

據(jù)《2015中國(guó)漁業(yè)年鑒》[1]資料，2015年中國(guó)池塘養(yǎng)殖面積為311.9萬(wàn)hm2，養(yǎng)殖產(chǎn)量為2 319.843萬(wàn)t。池塘養(yǎng)殖已成為中國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖的主要形式和水產(chǎn)品供應(yīng)的主要來(lái)源[2-4]。中國(guó)的水產(chǎn)養(yǎng)殖向著高密度、集約化迅猛發(fā)展，越來(lái)越多的養(yǎng)殖廢物在養(yǎng)殖環(huán)境中累積，造成養(yǎng)殖環(huán)境惡化，而中國(guó)還沒(méi)有建立養(yǎng)殖廢水排放標(biāo)準(zhǔn)，大量養(yǎng)殖廢水排放到周圍環(huán)境中，對(duì)生態(tài)環(huán)境也造成了巨大壓力[5-7]。另外由于產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平不高，池塘養(yǎng)殖的設(shè)施化程度很低，多數(shù)養(yǎng)殖池塘存在破敗陳舊、坍塌淤積嚴(yán)重、設(shè)施化水平低和設(shè)施配置不足等問(wèn)題[8-9]，近年來(lái)，隨著池塘集約化養(yǎng)殖需求的提高，池塘設(shè)施化養(yǎng)殖成為發(fā)展的新方向。

池塘不僅是魚類生活的場(chǎng)所，也是天然餌料的培育基地和有機(jī)物氧化分解的場(chǎng)所[10]。20世紀(jì)九十年代以來(lái)，隨著養(yǎng)殖產(chǎn)量的不斷提高和病害的不斷爆發(fā)，池塘養(yǎng)殖系統(tǒng)等問(wèn)題又成為養(yǎng)殖業(yè)者關(guān)注的新熱點(diǎn)。為了提高池塘養(yǎng)殖效果，國(guó)內(nèi)外許多科研人員研究了許多新的池塘養(yǎng)殖系統(tǒng)，取得了一定的成效，為池塘養(yǎng)殖健康可持續(xù)發(fā)展提供了新途徑，但是這些系統(tǒng)中的循環(huán)水的設(shè)施與裝備研究甚少。如李德尚等[11]研究構(gòu)建的蝦池封閉式綜合養(yǎng)殖系統(tǒng)，黃國(guó)強(qiáng)等[12]設(shè)計(jì)的多池循環(huán)水對(duì)蝦養(yǎng)殖系統(tǒng)，李谷等[13]研究構(gòu)建的復(fù)合人工濕地-池塘養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)，劉興國(guó)等[4]研究構(gòu)建的池塘生態(tài)工程化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)等均未涉及到水循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)的配置研究。在國(guó)外，雖然池塘養(yǎng)殖不是主要養(yǎng)殖方式，但國(guó)外水產(chǎn)科研人員對(duì)池塘養(yǎng)殖基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)研究比較深入，如研發(fā)的低碳高效循環(huán)水系統(tǒng)[14-16]利用羅茨風(fēng)機(jī)與納米管相結(jié)合的方式推動(dòng)水體循環(huán)，水體流速大很難將污染物集中；Brune等[17]研發(fā)的分隔式池塘養(yǎng)殖系統(tǒng)和佛羅里達(dá)州立大學(xué)Lazur等[18]研究構(gòu)建的跑道式池塘養(yǎng)殖系統(tǒng)，利用推水車為系統(tǒng)水體循環(huán)提供動(dòng)力，但水循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)和集排污系統(tǒng)的理論計(jì)算和分析未見(jiàn)報(bào)道。國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究較好的解決了池塘養(yǎng)殖的節(jié)水、排放等問(wèn)題，提高了池塘養(yǎng)殖效果，在一定程度上也推動(dòng)了池塘養(yǎng)殖設(shè)施化的發(fā)展，但其對(duì)集污排污等問(wèn)題卻沒(méi)有得到有效解決。

本文針對(duì)大宗淡水魚的養(yǎng)殖特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種分隔式循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用水循環(huán)裝備實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖水體循環(huán)和凈化，利用集排污裝置收集池塘沉積物，以期達(dá)到“節(jié)能、減排、生態(tài)、高效”養(yǎng)殖目的，為池塘健康養(yǎng)殖系統(tǒng)模式構(gòu)建提供參考。

1 養(yǎng)殖系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.1 設(shè)計(jì)原則

1.1.1 工藝思路

分隔式循環(huán)水池塘養(yǎng)殖系統(tǒng)由吃食性魚類養(yǎng)殖區(qū)和濾雜食性魚類養(yǎng)殖區(qū)組成，養(yǎng)殖池塘的20%水面養(yǎng)殖不同規(guī)格的吃食性魚類，80%水面養(yǎng)殖濾雜食性魚類，2個(gè)養(yǎng)殖區(qū)之間用水泥墻隔開(kāi)，分隔墻兩側(cè)有水流通道，系統(tǒng)進(jìn)水端通道通過(guò)螺旋槳式和水車式推流裝置使水體循環(huán)流動(dòng)，經(jīng)過(guò)吃食性魚類養(yǎng)殖區(qū)的生態(tài)溝渠過(guò)濾后，再通過(guò)過(guò)水堰返回到濾雜食性魚類養(yǎng)殖區(qū)，形成分隔式循環(huán)水池塘養(yǎng)殖系統(tǒng)，如圖1所示。為了更好的引導(dǎo)水流，濾雜食性魚類養(yǎng)殖區(qū)設(shè)計(jì)有導(dǎo)流墻，使水流能夠更加均勻的分布。吃食性魚類養(yǎng)殖區(qū)設(shè)計(jì)有3排魚池，分別為小規(guī)格魚種養(yǎng)殖池、矩形大規(guī)格魚種養(yǎng)殖池和切角方形成魚養(yǎng)殖池，每排魚池由3種不同規(guī)格的魚池組成一個(gè)養(yǎng)殖單元，3個(gè)養(yǎng)殖單元面積比為1∶3.5∶7[19]。

1. 螺旋槳式推流裝置 2. 水車式推流裝置 3. 過(guò)水堰 4. 吸污裝置 5. 集污裝置

1.1.2 過(guò)水堰設(shè)計(jì)

過(guò)水堰設(shè)計(jì)成有側(cè)收縮矩形薄壁堰，其堰口寬度小于行近渠道的寬度。養(yǎng)殖池塘系統(tǒng)利用長(zhǎng)方形池塘進(jìn)行改造，現(xiàn)有長(zhǎng)寬比為2∶1，水深2.0 m左右[20]，水面面積為4 600 m2，要求2 d系統(tǒng)水體量循環(huán)一次，故循環(huán)量約為192 m3/h，安全系數(shù)取1.6～1.7，則系統(tǒng)所需總流量為300 m3/h，按此目標(biāo)流量設(shè)計(jì)矩形過(guò)水堰參數(shù)[21]。

式中為過(guò)水堰流量，m3/s；C為流量系數(shù)；為重力加速度，m/s2；b為堰口的有效寬度，m；h為有效水頭，m[20]。

（2）

式中為堰口高度，為0.3 m；為上游堰口高度，為 1.7 m，C為0.588 7[21]。

式中為堰口寬度，0.3 m，K為粘滯力的校正值，mm。查表的K值為2.4 mm，則b為0.302 4[20]。

（4）

式中K為表面張力的校正值，取0.001 m，則有效水頭h為0.300 1 m。將上述參數(shù)代入公式（1）可得流量為311 m3/h，此流量大于目標(biāo)流量300 m3/h，故滿足設(shè)計(jì)要求。

1.2 循環(huán)水設(shè)備配置

分隔式循環(huán)水池塘養(yǎng)殖系統(tǒng)的改造工程主要集中在吃食性魚類養(yǎng)殖區(qū)，主要改造內(nèi)容修建養(yǎng)殖池的隔離墻、過(guò)水堰通道、鋪設(shè)進(jìn)排水管、安裝推流裝置、集污和吸污裝置等（見(jiàn)圖1），其中圖中標(biāo)注文字的水流方向?yàn)橹黧w流態(tài)方向，而未標(biāo)注文字的水流方向?yàn)轲B(yǎng)殖區(qū)內(nèi)流水方向。

1.2.1 螺旋槳式推流裝置

1）設(shè)計(jì)思路

目前市面上銷售的低揚(yáng)程大流量的泵多為軸流泵，系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期選用市面上已有的軸流泵，功率N為 3 kW，每天運(yùn)行24 h的能耗太高，故采用泵的相似理論對(duì)模型泵進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，通過(guò)改進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，葉輪直徑等參數(shù)研發(fā)低功耗低揚(yáng)程大流量的螺旋槳式推流裝置。

2）理論計(jì)算

泵的相似理論在泵的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)中廣泛應(yīng)用，按相似理論可以把模型試驗(yàn)結(jié)果換算到實(shí)型泵參數(shù)上。

①實(shí)型泵與模型泵流量之間的關(guān)系：對(duì)于幾何相似的泵，在相似的運(yùn)轉(zhuǎn)工況下，其流量之比與葉輪外徑三次方成正比，與轉(zhuǎn)速一次方成正比，與其容積效率成正比[22]。

②實(shí)型泵與模型泵揚(yáng)程之間的關(guān)系：對(duì)于幾何相似的泵，在相似的運(yùn)轉(zhuǎn)工況下，其揚(yáng)程之比與其葉輪外徑的平方成正比，與其轉(zhuǎn)速的平方成正比，與其水力效率成正比[22]。

（6）

③實(shí)型泵與模型泵功率之間的關(guān)系：對(duì)于幾何相似的泵，在相似的運(yùn)轉(zhuǎn)工況下，其軸功率之比與液體的密度成正比，與葉輪外徑的五次方成正比，與其轉(zhuǎn)速的三次方成正比，與其機(jī)械效率成反比[22]。

相似定律中的尺寸2、轉(zhuǎn)速對(duì)實(shí)型泵和模型泵來(lái)說(shuō)都是容易確定的值，但是要精確決定模型泵和實(shí)型泵的各種效率十分困難。根據(jù)大量試驗(yàn)證明，在實(shí)際應(yīng)用中，如果實(shí)型泵和模型泵尺寸，轉(zhuǎn)速相差不太大時(shí)，可以認(rèn)為在相似工況運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，各種效率相等，則式（5）、（6）、（7）變?yōu)?/p>

（8）

（10）

式中Q為模型泵流量，300 m3/s；n為模型泵轉(zhuǎn)速， 1 450 r/min；H為模型泵揚(yáng)程，6 m；N為模型泵功率，3 kW；ρ為模型泵液體密度，kg/m3；2M為模型泵葉輪外徑，200 m；1為實(shí)型泵流量，m3/s；1為實(shí)型泵轉(zhuǎn)速，r/min；1為實(shí)型泵揚(yáng)程，m；1為實(shí)型泵功率，kW；1為實(shí)型泵液體密度，kg/m3；2為實(shí)型泵葉輪外徑，m。

設(shè)計(jì)的實(shí)型泵葉輪尺寸與模型泵相同，均為200 mm直徑的葉輪，實(shí)型泵的電機(jī)根據(jù)市場(chǎng)銷售電機(jī)已有的型號(hào)，選用轉(zhuǎn)速為910 r/min的6級(jí)電機(jī)，將以上參數(shù)代入式（8）、（9）、（10）可得流量1約為188.3 m3/h，揚(yáng)程1約為2.4 m，功率1約為0.74 kW，所以電機(jī)選型時(shí)選擇功率為0.75 kW，轉(zhuǎn)速為910 r/min的交流電機(jī)。

3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

螺旋槳式推流裝置主要由電機(jī)、聯(lián)軸器、軸承、電機(jī)座、主軸、桶體、螺旋槳及其附件組成（圖2）。螺旋槳通過(guò)螺栓固定在主軸上；螺旋槳式推流裝置通過(guò)支架固定在分隔式循環(huán)水池塘養(yǎng)殖系統(tǒng)的隔離墻上。

1.2.2 水車式推流裝置

1）設(shè)計(jì)思路

水車式推流裝置要同時(shí)實(shí)現(xiàn)6個(gè)養(yǎng)殖池水體循環(huán)，并有一定的增氧能力，設(shè)計(jì)時(shí)采用1臺(tái)動(dòng)力源帶動(dòng)3對(duì)葉輪同時(shí)為6個(gè)養(yǎng)殖池推水，兼有增氧的功能。

2）理論計(jì)算：推流裝置參考泵的設(shè)計(jì)進(jìn)行理論計(jì)算，泵的設(shè)計(jì)一般假定總耗功全部轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，而水車式推流裝置的總耗功轉(zhuǎn)化為機(jī)械能和動(dòng)能。系統(tǒng)所需總流量為300 m3/h，螺旋槳式推流裝置設(shè)計(jì)流量為180 m3/h，水車式推流裝置設(shè)計(jì)流量為150 m3/h，揚(yáng)程需大于0.02 m（隔墻高度為0.02 m，推水裝置的水流需越過(guò)隔墻高度）。水車式推流裝置將水體拋散到遠(yuǎn)處，水體的運(yùn)動(dòng)屬于拋物線運(yùn)動(dòng)，故水體的運(yùn)動(dòng)估計(jì)按照拋物線的運(yùn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。水體的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示。

水體從O點(diǎn)沿著軸方向?yàn)樽杂陕潴w運(yùn)動(dòng)，軸方向?yàn)閯蛩龠\(yùn)動(dòng)。設(shè)沿著方向運(yùn)動(dòng)到垂直速度為0時(shí)所需的時(shí)間為。水體運(yùn)行時(shí)間時(shí)，其水平距離和垂直距離運(yùn)動(dòng)方程為

（12）

式中為水體線速度，m/s；為水體運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s；為水體線速度與水平線之間夾角，（°）；為水體水平方向運(yùn)動(dòng)的距離，m；為豎直方向運(yùn)動(dòng)的距離，m?？紤]到隔墻高度的因素取60°，根據(jù)公式（12）可得為2.3 m/s，推流裝置中推水板直徑為0.67 m，寬度為0.2 m通過(guò)水體線速度可換算出葉輪轉(zhuǎn)速為65 r/min。根據(jù)以上參數(shù)可計(jì)算出實(shí)際劃水面積為0.030 5 m2，故需要葉輪約為6個(gè)。

水車式推流裝置的總功耗包括水體的動(dòng)能和勢(shì)能2部分，其動(dòng)能和勢(shì)能的方程為

（14）

式中1為水體的動(dòng)能，kW；2為水體的勢(shì)能，kW；為單位時(shí)間內(nèi)輸送的水體的質(zhì)量，kg；為液體密度，1′103kg/ m3。將已知值代入公式（13）、（14）可得1為0.03 kW，2為0.081 kW，故總功耗為0.11 kW，取水容積效率為0.5，機(jī)械效率為0.5，所以實(shí)際功率為0.44 kW，根據(jù)市面上銷售的電機(jī)選擇電機(jī)功率為0.55 kW。

3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水車式推流裝置主要由電機(jī)、擋水板、葉輪、主軸、軸承座、浮體支架、泡沫塑料、聯(lián)軸器、鏈輪及其附件組成（圖4）。根據(jù)以上的理論計(jì)算，選擇功率為0.55 kW，轉(zhuǎn)速1 500 r/min的交流電機(jī)，經(jīng)過(guò)減速器和鏈輪減速到65 r/min；泡沫塑料固定支架底部，為電機(jī)、葉輪、擋水板及其附件整體提供浮力。

1.2.3 集污和吸污裝置

1）工藝要求：

養(yǎng)殖池與養(yǎng)殖池之間都是互通的，最終集中在切角方形養(yǎng)殖池集中排污。切角方形養(yǎng)殖池底部為中間低周圍高的鍋底形，從中心到周圍的坡度為1%，池底部設(shè)計(jì)有集污裝置，側(cè)面有吸污裝置，池面安裝涌浪機(jī)，將池內(nèi)的比重較大的污物搜集到池底中央，通過(guò)集污裝置和吸污裝置排出養(yǎng)殖池外集中處理；而水體中比重較小的糞便、殘餌等上浮到水體中，隨水流進(jìn)入濾雜食性養(yǎng)殖區(qū)，為濾雜食性魚類提供餌料，既保障了吃食魚類養(yǎng)殖區(qū)的水質(zhì)，又滿足濾雜食性魚類餌料需要，可有效提高池塘的養(yǎng)殖生態(tài)效果，減少養(yǎng)殖污染。

2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)工藝要求，設(shè)計(jì)的集污和吸污裝置主要由集污裝置、緩沖連接裝置和吸污泵組成（見(jiàn)圖5）。排污防逃裝置呈圓形，其框架結(jié)構(gòu)上表面鋪設(shè)的不銹鋼網(wǎng)由外向內(nèi)分別為外圈、中圈、內(nèi)圈；外圈包括側(cè)面和上頂面，鋪設(shè)較大網(wǎng)孔濾水網(wǎng)，網(wǎng)孔尺寸為1目；中圈鋪設(shè)較小網(wǎng)孔濾水網(wǎng)，網(wǎng)孔尺寸為100目；內(nèi)圈不過(guò)水，鋪設(shè)不銹鋼板或其他擋水板；內(nèi)圈與外圈之間設(shè)計(jì)有豎直、均勻布置多個(gè)旋流導(dǎo)向板，旋流導(dǎo)向板的高度等于或接近外圈側(cè)面的高度。

吸污裝置污水泵功率為3 kW，流量為50 m3/h，揚(yáng)程10 m。開(kāi)啟排污水泵時(shí)，由于外圈和外側(cè)的網(wǎng)孔、面積較大，內(nèi)圈的網(wǎng)孔、面積較小，因此大部分水體從外圈和外側(cè)流入，順勢(shì)進(jìn)入水池底部的排污口；小部分水體從中圈流入，順勢(shì)進(jìn)入水池底部的排污口；內(nèi)圈由于被蓋板封死，不會(huì)有水體進(jìn)入。由此可見(jiàn)，位于外圍的水質(zhì)污染較嚴(yán)重的區(qū)域的水體被優(yōu)先排出，而相對(duì)中心區(qū)域的水質(zhì)較為清潔的水體被延遲排出，排污的效率大大提高。同時(shí)可以根據(jù)具體情況調(diào)節(jié)外、中、內(nèi)圈面積的大小比例，以及外圈與中圈網(wǎng)孔大小比例，從而更具適應(yīng)性。此外，由于內(nèi)圈采用封閉式結(jié)構(gòu)，此處原本負(fù)壓最大的區(qū)域由于封閉蓋板的存在大大降低了負(fù)壓，防止魚被水流帶動(dòng)流向排污口，造成堵塞。旋流導(dǎo)向板的作用是制造旋流效果，加快水體排出的速度，以及提高各個(gè)方向排污的均勻性。

圖5 集污和吸污裝置及水流示意圖

1.3 方法與儀器

1.3.1 過(guò)水堰過(guò)水性能試驗(yàn)檢測(cè)

為了驗(yàn)證過(guò)水堰過(guò)水性能，采用截面測(cè)速法進(jìn)行檢查。當(dāng)分隔式循環(huán)水池塘養(yǎng)殖系統(tǒng)推流裝置運(yùn)行時(shí)，在矩形過(guò)水堰處選取一個(gè)截面，測(cè)定截面水體上的流速?gòu)亩?jì)算流量。由于該截面上的水體流速隨距離水面高度變化而不同，流量亦也不相同。因此將該截面按不同高度分割成若干層，各層流量之和即為提水的總流量。從矩形堰的底部向上，以0.05 m為步長(zhǎng)將截面分割成6層，測(cè)定每層的平均流速。由平均流速、層面積計(jì)算得該層的水流量，各層流量總和即為提水的總流量[23]。試驗(yàn)選用多普勒流速測(cè)定儀（US69M/SONTEK Flow Tracker，美國(guó)）測(cè)定流速。試驗(yàn)前，先將一個(gè)長(zhǎng)0.5 m，高2 m的矩形支架放在過(guò)水堰的前方，以方便固定和移動(dòng)Flow Tracker。

1.3.2 提水性能試驗(yàn)

螺旋式推流裝置的提水性能檢測(cè)采用質(zhì)量法，在測(cè)量流量之前，事先找到2個(gè)容積一樣的水桶，并經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的磅秤稱出一桶水的質(zhì)量。然后在螺旋式推流裝置出水口處，交替接水，同時(shí)用秒表記錄下接水時(shí)間[22]。在接水時(shí)間內(nèi)，水泵所抽水的總質(zhì)量除以總時(shí)間即為總流量。

水車式推流裝置的提水性能檢測(cè)采用截面法，通過(guò)測(cè)量葉輪過(guò)流截面上的平均流速，再乘以有效過(guò)流截面積，即得到過(guò)流截面上的流量。

1.3.3 養(yǎng)殖水質(zhì)采樣設(shè)置與測(cè)定

試驗(yàn)池塘共有5個(gè)采樣點(diǎn)，分別為9-1、9-2、9-3、9-4、9-5，具體位置如圖6所示，其中9-2、9-3、9-4為混合樣。每月采樣1次，采用2 L有機(jī)玻璃采集表層水，對(duì)照塘為傳統(tǒng)池塘，分別在進(jìn)水口2～3 m處和出水口2～3 m處采集中下層水（距離水面1 m左右），混合成一個(gè)樣，采樣方法同上?？偟╰otal nitrogen，TN）、總磷（total phosphorus，TP）、氨氮、亞硝氮、化學(xué)需氧量（chemical oxygen demand，COD）采用HACH試劑測(cè)定，葉綠素a通過(guò)浮游植物葉綠素?zé)晒鈨x測(cè)定（Phyto-PAM），透明度采用透明度盤測(cè)定，溶氧DO（Dissolved oxygen）采用YSI測(cè)定，水質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定方法參照《水和廢水監(jiān)測(cè)方法（第四版）》[24]。試驗(yàn)期間，試驗(yàn)池塘水車式增氧機(jī)僅白天運(yùn)行10 h，晚上開(kāi)微孔增氧機(jī)，對(duì)照池塘葉輪式增氧機(jī)僅晚上運(yùn)行10 h。試驗(yàn)池塘養(yǎng)殖密度為6尾/m2，魚苗日齡為220 d。

注：9-1～9-5分別代表不同采樣點(diǎn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 過(guò)水堰過(guò)水性能試驗(yàn)

分隔式循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行1 h后待水流穩(wěn)定后開(kāi)始由堰口底部向上測(cè)定水的流速，每層中心位置、距中心位置左、右兩側(cè)0.1 m處，測(cè)量水流速度，求平均值，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。分析表1可得出過(guò)水堰過(guò)水總流量約為331 m3/h，大于計(jì)算流量300 m3/h，滿足設(shè)計(jì)要求。池塘水體日交換量約7 900 m3，達(dá)到養(yǎng)殖池塘水體的50%左右。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，過(guò)水堰堰口寬度為0.32 m，堰口高度為0.31 m，過(guò)水堰過(guò)水寬度為1.6 m，過(guò)水平均流速隨距離過(guò)水堰水面高度增大而增大，即過(guò)水堰表面水的流速最大。過(guò)水堰過(guò)水流暢，過(guò)水效果好，過(guò)水堰堰口可安裝閘板，適當(dāng)調(diào)節(jié)過(guò)水堰的過(guò)水量。

表1 過(guò)水堰不同層的過(guò)水性能測(cè)試結(jié)果

2.2 提水性能試驗(yàn)

螺旋槳式推流裝置提水性能試驗(yàn)該試驗(yàn)在水深 1.8 m，直徑6.5 m的圓形水池內(nèi)進(jìn)行了測(cè)試。試驗(yàn)重復(fù)3次，每次抽10 min，3次水體體積分別為35、31、36 m3，求3次的平均值即總流量為204 m3/h，大于設(shè)計(jì)流量 180 m3/h，滿足設(shè)計(jì)要求。

水車式推流裝置提水性能試驗(yàn)通過(guò)測(cè)速儀測(cè)定葉輪的轉(zhuǎn)速換算成線速度，負(fù)載情況下3次測(cè)得的轉(zhuǎn)速分別為63、65、66 r/min，換算成線速度分別為2.21、2.28、2.32 m/s，得平均速度為2.27 m/s，有效過(guò)流截面積為 0.022 m2，得到總流量為180 m3/h，滿足設(shè)計(jì)要求。

測(cè)試結(jié)果顯示螺旋槳式和水車式推流裝置的實(shí)際功率分別為0.6和0.5 kW；空載噪聲分別為60和67 dB；根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算得提水動(dòng)力效率分別為340和360 m3/ (kW· h)；推流裝置總流量為384 m3/h，大于系統(tǒng)所需的總流量300 m3/h。

2.3 養(yǎng)殖水質(zhì)試驗(yàn)

在養(yǎng)殖期內(nèi)，定期對(duì)試驗(yàn)塘和對(duì)照塘進(jìn)行水質(zhì)采集分析，如表2所示。在8個(gè)月養(yǎng)殖時(shí)間內(nèi)（4月份到11月份），養(yǎng)殖水體中總氮的平均質(zhì)量濃度降低了21.4%，總磷的平均質(zhì)量濃度降低了53.1%，中下層溶氧水平提高了59.5%，但由于養(yǎng)殖密度比對(duì)照塘密度高，氨氮、亞硝氮含量均有所上升。但總體而言，試驗(yàn)池塘水質(zhì)良好，尤其是溶氧水平提升顯著。

表2 養(yǎng)殖水質(zhì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

注：同列中大寫字母不同代表差異極顯著(<0.01)，小寫字母不同代表差異顯著(<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 養(yǎng)殖效果試驗(yàn)與經(jīng)濟(jì)分析

分隔式循環(huán)水養(yǎng)殖池塘系統(tǒng)2015年在“中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院池塘生態(tài)工程研究中心（上海松江）”正式運(yùn)行。本次試驗(yàn)采用2口相同大小池塘，養(yǎng)殖池塘和對(duì)照塘面積均為4 600 m2，平均水深1.7 m。試驗(yàn)池塘和對(duì)照塘主養(yǎng)鳊魚，套養(yǎng)鰱魚，養(yǎng)殖周期為3月底至11月初。對(duì)試驗(yàn)池塘和對(duì)照池塘中全部魚類進(jìn)行捕撈和計(jì)量的統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示分隔式循環(huán)水養(yǎng)殖池塘系統(tǒng)鰱魚產(chǎn)量652 kg，鳊魚產(chǎn)量10 280 kg（2.2 kg/m2），餌料系數(shù)為1.7；傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式鰱魚產(chǎn)量668 kg，鳊魚產(chǎn)量8 488 kg（1.8 kg/m2），餌料系數(shù)為2.1，試驗(yàn)池塘中鳊魚產(chǎn)量比對(duì)照池塘分別增產(chǎn)了21.1%，養(yǎng)殖飼料系數(shù)也下降了23.5%，表明使用分隔式養(yǎng)殖系統(tǒng)可以提高鱅魚的產(chǎn)量。

分隔式循環(huán)水養(yǎng)殖池塘系統(tǒng)構(gòu)建成本為22萬(wàn)元，剩下殘值5萬(wàn)元，使用年限15 a，按照直線折舊計(jì)算平均每年成本為1.13萬(wàn)元，以及每年維修維護(hù)成本為0.2萬(wàn)元；傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式每年池塘清整維護(hù)費(fèi)用0.1萬(wàn)元/a。以市場(chǎng)價(jià)鳊魚13元/kg、鰱魚5元/kg計(jì)算收益，分隔式循環(huán)水養(yǎng)殖池塘系統(tǒng)收入為136 900元，傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式收入為113 684元，從表3可以計(jì)算出分隔式循環(huán)水養(yǎng)殖池塘系統(tǒng)比傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式多了13 972元的成本投入，但產(chǎn)值收入多了23 216元，即實(shí)際凈收入提高了9 244元/a。

表3 養(yǎng)殖成本分析

3 討 論

分隔式循環(huán)水池塘養(yǎng)殖系統(tǒng)的推流裝置符合“節(jié)能、環(huán)?！钡纳a(chǎn)要求，可實(shí)現(xiàn)水體大范圍的對(duì)流，交替暴曬水體，0.75 kW螺旋式推流裝置推水流量能達(dá)到200 m3/h，提水動(dòng)力效率為340 m3/(kW×h)，空載噪聲60 dB；0.75 kW水車式推流裝置推水流量能達(dá)到180 m3/h，提水動(dòng)力效率為360 m3/(kW×h)，空載噪聲67 dB。各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可用于水體交換大循環(huán)水養(yǎng)殖池塘系統(tǒng)。

推流裝置提水動(dòng)力效率高，水體循環(huán)流量大，利用該裝置攪動(dòng)水體，可實(shí)現(xiàn)水體大范圍的對(duì)流，交替暴曬水體，增加水體中的溶解氧，試驗(yàn)池塘中下層溶解氧水平比對(duì)照塘高出59.5%，得益于本試驗(yàn)池塘的推流裝置。研究顯示靜止?fàn)顟B(tài)下空氣中融入氧的速度是非常緩慢的，而且僅限于表層[24]，通過(guò)機(jī)械攪動(dòng)水體不僅能加速空氣中的溶解氧進(jìn)入水體，還可以使上層水體的中藻類光合作用產(chǎn)生的溶氧更加均勻地分布在水體中[25-27]。推流裝置造成水體流動(dòng)是影響水體環(huán)境和藻類生長(zhǎng)的重要因素，試驗(yàn)池塘葉綠素a濃度比對(duì)照塘低，一定程度上有利于限制浮游植物瘋長(zhǎng)。研究顯示，機(jī)械干預(yù)水體流動(dòng)有助于改少水體環(huán)境并優(yōu)化藻群結(jié)構(gòu)[25-30]。推流裝置通過(guò)提水和推水對(duì)水體造成擾動(dòng)，有利于池塘養(yǎng)殖環(huán)境的改善。

分隔式循環(huán)水池塘養(yǎng)殖系統(tǒng)水質(zhì)總體良好，總氮、總磷均有所降低，水體透明度比對(duì)照塘好，一方面養(yǎng)殖池塘濾雜食性魚類養(yǎng)殖區(qū)栽種有水葫蘆，對(duì)總氮、總磷具有一定吸收作用，另一方面，試驗(yàn)池塘具有吸污排污裝置，大部分飼料殘餌和代謝廢物被排除系統(tǒng)外，降低了系統(tǒng)總氮、總磷含量。分隔式循環(huán)水池塘養(yǎng)殖系統(tǒng)可以提高主養(yǎng)品種鳊魚的產(chǎn)量21.1%以上，飼料系數(shù)下降了23.5%以上，年純產(chǎn)值收益提高了6%，分隔式循環(huán)水池塘養(yǎng)殖系統(tǒng)可有效改善養(yǎng)殖環(huán)境，提高養(yǎng)殖魚類成活率，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。但也存在著分隔式循環(huán)水池塘養(yǎng)殖系統(tǒng)一次性投入大，需要專業(yè)的技術(shù)人員對(duì)系統(tǒng)中的設(shè)施與裝備進(jìn)行維護(hù)，比傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式的維護(hù)成本高等問(wèn)題，隨著養(yǎng)殖系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化完善，一定會(huì)成為較為成熟可靠的新型池塘養(yǎng)殖系統(tǒng)。

4 結(jié) 論

分隔式循環(huán)水池塘養(yǎng)殖系統(tǒng)的推流裝置具有良好的機(jī)械推水性能，能耗低，效率高，水流穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，螺旋槳式推流裝置和水車式推流裝置的空載噪聲分別為60 和67 dB，提水動(dòng)力效率分別為340和360 m3/(kW·h)，能夠有效將池塘水體循環(huán)起來(lái)，達(dá)到流水養(yǎng)魚的目的，特別適合池塘循環(huán)水養(yǎng)殖的低揚(yáng)程大流量的需求。養(yǎng)殖效果試驗(yàn)顯示，分隔式循環(huán)水養(yǎng)殖池塘系統(tǒng)鳊魚產(chǎn)量 2.2 kg/m2，餌料系數(shù)為1.7；傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式鳊魚產(chǎn)量1.8 kg/m2，餌料系數(shù)為2.1，試驗(yàn)池塘中鳊魚產(chǎn)量比對(duì)照池塘分別增產(chǎn)了21.1%，養(yǎng)殖飼料系數(shù)也下降了23.5%，表明該系統(tǒng)能夠有效降低養(yǎng)殖餌料系數(shù)，提高養(yǎng)殖產(chǎn)量，在養(yǎng)殖周期內(nèi)試驗(yàn)水體一直維持在良好的狀態(tài)。

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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

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金資助 (CARS-46)；節(jié)水高效全循環(huán)池塘養(yǎng)殖關(guān)鍵技術(shù)合作研究（2015-Z16）

田昌鳳，女，安徽宿州人，助理研究員，從事池塘養(yǎng)殖機(jī)械裝備研發(fā)。上海中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，200092。 Email：tianchangfeng@fmiri.ac.cn

劉興國(guó)，男，山東濰坊人，研究員，博士，從事養(yǎng)殖水環(huán)境調(diào)控研究。上海中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，200092。 Email：liuxingguo@fmiri.ac.cn

田昌鳳，劉興國(guó)，車 軒，顧兆俊，曾憲磊，朱 浩，楊家朋.分隔式循環(huán)水池塘養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，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