循環(huán)水養(yǎng)殖中水動力特性對魚類影響的研究進展

王江竹，宛 立，任效忠，史憲瑩，張 倩，薛博茹

( 1.大連海洋大學(xué)，遼寧 大連 116023； 2.設(shè)施漁業(yè)教育部重點實驗室，遼寧 大連 116023 )

水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)在我國擁有重要的地位。在過去50多年間，以中國為代表的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展速度已超過全球人口增速，全球已經(jīng)有39個國家和地區(qū)的水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量超過了捕撈產(chǎn)量，中國則以水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量占漁業(yè)總產(chǎn)量的73%位列第一[1-2]。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和養(yǎng)殖規(guī)模的不斷提升，養(yǎng)殖業(yè)出現(xiàn)了生產(chǎn)方式落后、效率低下、養(yǎng)殖環(huán)境污染、水域生態(tài)破壞、病害頻發(fā)等一系列亟待解決的問題[3-4]。在資源環(huán)境制約的背景下，工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖模式被重視起來，逐漸成為未來我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的主要發(fā)展方向之一。工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖模式是以養(yǎng)殖用水經(jīng)物理和生物濾池等環(huán)節(jié)處理后循環(huán)利用為核心特征，具有節(jié)水、節(jié)地的優(yōu)點，符合當(dāng)前國家提出的循環(huán)經(jīng)濟、節(jié)能減排的戰(zhàn)略需求[5]。由于工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖是一種高度依賴設(shè)施和高密度的養(yǎng)殖模式，且養(yǎng)殖動物整個生命周期內(nèi)均在養(yǎng)殖設(shè)施的單元中生長，因而它對魚類的影響明顯有別于傳統(tǒng)生產(chǎn)模式和深水養(yǎng)殖模式。開展工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖環(huán)境中養(yǎng)殖池結(jié)構(gòu)和池內(nèi)水動力條件對魚類影響的研究，對提高養(yǎng)殖效率具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。

1 工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖發(fā)展現(xiàn)狀

工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖模式在國外起步于20世紀60年代，世界各國養(yǎng)殖方式及種類呈現(xiàn)出不同的特點。美國主要以養(yǎng)殖虹鱒(Oncorhynchusmykiss)、條紋鱸(Moronesaxatilis)、黑斑石首魚(Sciaenopsocellatus)為主；荷蘭主要用于養(yǎng)殖歐洲鰻鱺(Anguillaanguilla)和非洲鲇(Heterobranchusbidorsalis)，生產(chǎn)中保持低換水率或零換水率,接近完全循環(huán)利用的生產(chǎn)理念；澳大利亞將養(yǎng)殖池和水處理系統(tǒng)組合，并構(gòu)建保溫設(shè)施，形成一體化循環(huán)水養(yǎng)魚模式；挪威的循環(huán)水養(yǎng)殖以大西洋鮭(Salmosalar)為主，與傳統(tǒng)模式相比，水質(zhì)保持良好，餌料利用率高，對提高大西洋鮭的產(chǎn)量發(fā)揮了重要作用[6]。目前，國外工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖已快速發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于各種水產(chǎn)品養(yǎng)殖，做到了從魚苗孵化至成魚均采用循環(huán)水一體化養(yǎng)殖模式。與傳統(tǒng)的流水養(yǎng)殖模式相比，每日補水量僅為系統(tǒng)總水體的5%，節(jié)水可達90%以上，短期內(nèi)實現(xiàn)了舌齒鱸(Dicentrarchuslabrax)、鮭魚、大菱鲆(Scophthalmusmaximus)的高產(chǎn)[7-8]。

我國傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖方式采用海上筏式養(yǎng)殖、內(nèi)灣近岸網(wǎng)箱養(yǎng)殖，陸地采用池塘、湖泊、溫室大棚加深井海水的流水養(yǎng)殖模式[9]，受限因素較多，易受到自然條件制約和災(zāi)害的影響。此外，養(yǎng)殖廢水直接排放會造成水體富營養(yǎng)化。20世紀90年代初，循環(huán)水養(yǎng)殖模式在我國開始起步發(fā)展。相比傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式，循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的養(yǎng)殖密度可提高35～50倍[10]，90%的養(yǎng)殖用水可循環(huán)利用，提高了水資源利用率并減少了環(huán)境污染[11-12]，因而過去30年內(nèi)循環(huán)水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展。

鑒于工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖具有對設(shè)施設(shè)備高度依賴、前期投資成本高的特點，目前國外主要應(yīng)用于大西洋鮭、虹鱒、歐洲鰻鱺、暗斑梭鱸(Stizostedionlucioperca)、白斑紅點鮭(Salvelinusleucomaenis)、鱘魚、尼羅羅非魚(Oreochromisniloticus)[13]。國內(nèi)主要應(yīng)用在經(jīng)濟價值高的養(yǎng)殖品種上，如紅鰭東方鲀(Takifugurubripes)、半滑舌鰨(Cynoglossussemilaevis)、吉富羅非魚(GIFTOreochromisniloticus)、虹鱒、大菱鲆、石斑魚(Epinephelus)、鱘魚、鰱魚(Hypophthalmichthysmolitrix)、鰻鱺(A.japonica)、哲羅鮭(Husotaimen)、藍鰓太陽魚(Lepomismacrochirus)等；除魚類外,循環(huán)水養(yǎng)殖也用于蝦、蟹、海參、貝類等品種[13-14]。

2 養(yǎng)殖池結(jié)構(gòu)對養(yǎng)殖效果的影響

在工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖中，養(yǎng)殖池結(jié)構(gòu)直接影響?zhàn)B殖池內(nèi)水動力特性，進而影響池內(nèi)水體流態(tài)、死水體積及養(yǎng)殖動物代謝物的排出。因此，為確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，養(yǎng)殖池單元的設(shè)計尤為重要。養(yǎng)殖池的研究主要集中在池形、進水結(jié)構(gòu)、排水結(jié)構(gòu)、徑深比、循環(huán)量等對養(yǎng)殖系統(tǒng)的水動力特性及排污特性影響上。目前國內(nèi)外利用率較高的養(yǎng)殖池類型以及其對不同養(yǎng)殖魚類的生長影響情況見表1，其中存活率75%～99.7%，質(zhì)量增加率34%～439.1%，特定生長率0.17%/d～2.68%/d，最終養(yǎng)殖密度19.74～104.2 kg/m3。

表1 養(yǎng)殖池池型對不同養(yǎng)殖魚類生長的影響

2.1 圓形養(yǎng)殖池

圓形養(yǎng)殖池具有較好的自凈能力和集污效果，水體混合較均勻，死水體積少，易清洗，因此在國內(nèi)外水產(chǎn)養(yǎng)殖中應(yīng)用較為廣泛。其進水方式和徑深比會影響池內(nèi)水體混合均勻性及集污效果。圓形養(yǎng)殖池沿切線方向進水，能產(chǎn)生均勻的流態(tài)和較高的水流回轉(zhuǎn)速度，旋轉(zhuǎn)速度在很大程度上取決于切向注入圓形養(yǎng)殖池的水流沖力(進水口孔數(shù)、開孔面積及流量)[28]。Oca等[29]分析了不同進水速度、流量及沖擊力下具有切向進水和底部中心出水的圓形水池徑軸速度分布，池內(nèi)水流速度均呈現(xiàn)由池壁到1/2半徑處遞減，之后到池中心遞增的趨勢。只有在流量較低的試驗中，池中心的速度隨池壁距離的減小而減小。流量較高時池中心附近速度遞增是因為水體在水池內(nèi)旋轉(zhuǎn)運動形成了一個漩渦，越靠近漩渦，速度就越大。漩渦的產(chǎn)生也與進水流量大小有關(guān)。圓形養(yǎng)殖池進水方式主要分為：開放式單管、均勻開孔的橫管和垂直管、均勻開孔的橫管加垂直管4種[30](圖1)。目前，均勻開孔的垂直管進水結(jié)構(gòu)因其水流均勻性和集污效果最佳，在工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖中應(yīng)用較多。進水管采用等距雙管布置，進水入射角為45°時切向速度最高[31]。

圓形養(yǎng)殖池推薦的合適徑深比為3∶1～10∶1[32-33]，具體選擇取決于養(yǎng)殖池的規(guī)格、進水速度及進水位置等因素。圓形池采用的徑深比超過一定范圍時，養(yǎng)殖池內(nèi)中心至池壁間將出現(xiàn)環(huán)形無漩區(qū)，該區(qū)域水體混合差、流速低，不利于養(yǎng)殖池內(nèi)廢物的排出。因此，試驗或?qū)嶋H養(yǎng)殖中，除考慮水力混合特性外還需根據(jù)占地面積、成本、飼養(yǎng)物種、操作方便程度等綜合選擇適合的徑深比。

圖1 圓形養(yǎng)殖池4種進水方式

2.2 矩形養(yǎng)殖池

矩形池相鄰池壁共用，具有建筑成本低，土地利用率高、易人工清潔和管理便捷的優(yōu)點，流態(tài)也更接近天然河道。但循環(huán)水養(yǎng)殖中傳統(tǒng)矩形池的流動模式通常達不到最佳流態(tài)，具有一定面積死水區(qū)和低流速區(qū)，養(yǎng)殖池內(nèi)流場始終處于非平衡狀態(tài)，水體混合不均勻，養(yǎng)殖魚類殘餌及糞便易沉積于池底局部，直接影響到水質(zhì)和養(yǎng)殖魚類的健康，通過調(diào)整進水方式來改善矩形池弊端的效果有限。矩形池進水方式主要分為：單一水平單口進水和垂直單口進水、多個垂直單口進水、底部雙向切向進水4種[34](圖2)。單一水平單口進水和垂直單口進水時，池內(nèi)出現(xiàn)多處漩渦，漩渦中心為死區(qū)，導(dǎo)致水體混合能力和排污能力較差；多個垂直單口進水時，水流呈單向、向前推進的流動模式，接近活塞流流動條件，較單一垂直單口進水方式下水體混合效果明顯增強；底部雙向切向進水，位于矩形池較長側(cè)壁的中心，此方式下池內(nèi)流速大小分布均勻，具有最高的平均速度，可防止固體廢棄物沉積，因而達到改善養(yǎng)殖水質(zhì)的效果[33-35]。目前，在矩形循環(huán)水養(yǎng)殖池中使用較多的為單管垂向均勻開孔的進水方式，可為養(yǎng)殖池系統(tǒng)提供分層水平驅(qū)動，達到除近池底外各層水動力條件基本相同的效果。矩形養(yǎng)殖池采用的徑深比范圍與圓形養(yǎng)殖池大致相似。

圖2 矩形養(yǎng)殖池4種進水方式

2.3 其他結(jié)構(gòu)養(yǎng)殖池

除圓形養(yǎng)殖池和矩形養(yǎng)殖池外，多單元養(yǎng)殖池及方形圓弧角養(yǎng)殖池在循環(huán)水養(yǎng)殖中應(yīng)用也較多。多單元養(yǎng)殖池是將傳統(tǒng)矩形池分為多個矩形單元，每個單元內(nèi)有單個切向進水裝置。通過優(yōu)化傳統(tǒng)池內(nèi)進水布置，每個單元內(nèi)就可形成旋轉(zhuǎn)流動池，模擬了圓形池內(nèi)的流態(tài)，具有圓形池的自凈功能，水流混合更均勻。

方形圓弧角養(yǎng)殖池在空間和水流形態(tài)方面兼顧了圓形池和矩形池的優(yōu)點，用1/4圓弧代替正方形直角，與圓形養(yǎng)殖池相比增加了車間面積利用率，同時避免了方形池直角區(qū)易沉積污染物的缺點。進水方式可采用直邊邊壁進水也可在圓弧角處切向進水，現(xiàn)階段研究結(jié)果表明，相同條件下，圓弧角處切向進水可使池內(nèi)水流產(chǎn)生更高的平均速度。池內(nèi)流場特性與圓形養(yǎng)殖池類似，水體在池內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運動，池中心處形成的漩渦更便于污染物排出，具有水流混合均勻、集污效果較好的優(yōu)點。這也是值得推廣使用的一種池形。

3 水動力條件對養(yǎng)殖魚類的影響

工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中，水動力條件對魚類的影響表現(xiàn)在行為、攝食、生長等方面，能夠刺激魚的感覺器官，引起大多數(shù)生活在中上層的魚類產(chǎn)生趨流性[36]。研究水動力條件對魚類產(chǎn)生的影響有助于了解魚類的活動規(guī)律、習(xí)性，進而為魚類提供良好的水動力環(huán)境，實現(xiàn)魚類福利化養(yǎng)殖，促進魚類高效生長，最終實現(xiàn)較好的經(jīng)濟效益，因此研究養(yǎng)殖魚類的水動力需求意義重大。

3.1 流速

3.1.1 對魚類行為的影響

魚類在靜水條件下，游泳無特定的方向性，但在一定流速下，就會有明顯的趨流行為，趨流性可以作為研究魚類行為響應(yīng)的參數(shù)。紅鰭銀鯽(Barbodesschwanenfeldi)、羅非魚幼魚和雜交鱘(A.schrenckii♀×A.baeri♂)幼魚的趨流率、擺尾頻率均隨流速增加，兩者之間呈顯著線性正相關(guān)[37-38]，這一結(jié)論與鯉魚(Cyprinuscarpio)、草魚(Ctenopharyngodonidellus)等幾種淡水魚類似[36]。其他學(xué)者對條紋斑竹鯊(Chiloscylliumplagiosum)、鰈魚等海洋魚類的趨流性進行研究,結(jié)果也表明，魚的趨流率在一定流速范圍內(nèi)均隨流速的增大而升高,說明流速是魚類保持較高趨流率的必要條件[39-40]。另外,不同魚類對流速的感知和喜好各不相同,許氏平鲉(Sebastodesschlegelii)幼魚的感應(yīng)流速為0.1～0.15 m/s，喜愛流速為0.2～0.45 m/s，當(dāng)流速達到0.6 m/s時其趨流率接近100%[41]；白魚(Anabariliusgrahami)趨流率達到100%時池內(nèi)流速為0.25 m/s[42]。施氏鱘(A.schrenckii)在0.18 m/s的環(huán)境中,全部呈現(xiàn)同一方向的逆流游泳[43]。掌握了魚類的行為規(guī)律后，可以在養(yǎng)殖中對流速進行調(diào)控，達到為魚類提供適合的生存空間，實現(xiàn)有限養(yǎng)殖空間充分利用的目標(biāo)。

3.1.2 對魚類攝食、生長的影響

流速可通過調(diào)節(jié)神經(jīng)激素來影響魚類的食欲進而影響攝食量[44]，在一定條件下與魚類的生長呈正相關(guān)。在設(shè)計流速范圍內(nèi)(0.06～0.36 m/s)，流速越大，大菱鲆幼魚攝食量越大，特定生長率、質(zhì)量增加率也隨之增大，呈先快速上升后緩慢上升的趨勢,飼料系數(shù)則相反[45]。黃寧宇等[46]發(fā)現(xiàn)，流速與西伯利亞鱘的生長效率之間存在顯著正相關(guān),其他指標(biāo)(體質(zhì)量、體長、凈增加質(zhì)量、日生長率)也均隨流速增大。劉穩(wěn)等[47]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鯽魚(Carassiusauratus)生活在小于其喜好流速上限(0.6 m/s)時,流速對鯽魚的生長起到一個促進作用；而當(dāng)鯽魚生活在大于其喜好流速上限時,流速對鯽魚的生長起到一個阻礙作用。

3.2 流場

剪切力和切應(yīng)力存在于大多數(shù)水流系統(tǒng)中。洄游魚類可利用河流中的紊流來減少洄游過程中的能量消耗，提高在水中的游動速度，一些魚類還能在可預(yù)測的擾動環(huán)境中游泳并從中捕獲能量[48]，但不適當(dāng)?shù)奈闪髋c剪切力會對魚類產(chǎn)生損傷乃至死亡。

魚類的損傷率和死亡率隨紊動強度、剪切力及其在紊流中停留時間的增加而提高。當(dāng)紊流速度為0.56～6.64 cm/s時，鯽魚可維持正常的游泳姿勢，并能利用渦旋提高自身游動效率，適合其生存；紊流速度大于9.09 cm/s時，鯽魚表面損傷嚴重，陸續(xù)死亡[49]。高剪切力下幼魚死亡率隨之增加，剪切力在161.3 N/m2時，幼魚初始死亡率為17%；1 h后死亡率為75%；當(dāng)剪切力達到474.3 N/m2時，幼魚死亡率達到了83%[50]。美洲狼鱸(Moroneamericana)在剪切力為35 N/m2的紊流中1 min后死亡率為38%，4 min后死亡率達75%[51]。由于生理結(jié)構(gòu)差異，同一切應(yīng)力下，對不同種類的魚類產(chǎn)生的影響均不同。Turnpenny等[52]發(fā)現(xiàn)，切應(yīng)力最小時，鯡形目魚1 h后便全部死亡,而鰻鱺目魚即使在高切應(yīng)力下?lián)p傷也極低。造成魚類損傷差異性的原因主要是因為兩種魚的黏膜層堅硬程度不同，鯡形目魚黏膜層易受破壞，導(dǎo)致?lián)p傷率較高。

雖然循環(huán)水養(yǎng)殖水動力條件可進行設(shè)計調(diào)控，但養(yǎng)殖池中流場并非均勻狀態(tài)，在排污口、進水口，甚至養(yǎng)殖池池壁附近均易出現(xiàn)復(fù)雜流場，不同池形結(jié)構(gòu)的流場復(fù)雜程度也有很大差別，不同魚類對復(fù)雜流場的耐受程度也有差異。

3.3 排污

無論工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖模式還是其他流水養(yǎng)殖模式，養(yǎng)殖飼料利用率均不能達到100%，殘餌與養(yǎng)殖動物糞便組成的廢棄物會留存于養(yǎng)殖池水環(huán)境中，成為粒徑0.1～1.0 mm、密度1.06～1.19 g/cm3的懸浮顆粒，其中有機物含量約占80%[53]。不恰當(dāng)?shù)娘暳贤段共呗院腿コ侄?，易造成懸浮顆粒物在系統(tǒng)中的累積和分解礦化[54]，進而對魚體健康、養(yǎng)殖水質(zhì)等產(chǎn)生負面影響，因此養(yǎng)殖池內(nèi)的及時排污極其重要。池內(nèi)增強排污效果最常采用雙通道大流量排水和保持水體高回旋速度兩種方法。通過池底的大量排水，廢棄物隨水流自出水口排出，但大流量排水增加了循環(huán)養(yǎng)殖的運行成本；保持水體高回旋速度，是基于“茶杯效應(yīng)”[55]這種現(xiàn)象，利用池底的徑向流將廢棄物運送到排污口周圍，流速越大集污的效果越好。

3.4 水循環(huán)率

水循環(huán)率在系統(tǒng)中對水質(zhì)的好壞及養(yǎng)殖魚類的生長健康起著不可忽視的作用。增加水循環(huán)率可提高養(yǎng)殖水體中氨氮和亞硝態(tài)氮及其他有害物的去除速度,減緩水質(zhì)惡化及對養(yǎng)殖動物的危害,起到加快養(yǎng)殖動物生長速度的作用。隨著水循環(huán)次數(shù)的增加，水體中各種污染物消除速率隨之增加。水循環(huán)次數(shù)為1～8次/h時,大菱鲆幼魚的特定生長率隨水循環(huán)次數(shù)的升高而增大；水循環(huán)次數(shù)為12、24、36、48次/d時，大菱鲆的體質(zhì)量增量、質(zhì)量增加率和平均日增加質(zhì)量亦隨系統(tǒng)中水循環(huán)次數(shù)的升高而增加,餌料系數(shù)則隨之減小[56-57]。而在水交換量較低時，水中氨氮含量升高，虹鱒出現(xiàn)側(cè)游加重的行為；無水體交換時，虹鱒出現(xiàn)畸形乃至死亡的情況[58]。

養(yǎng)殖水體日循環(huán)次數(shù)關(guān)系到養(yǎng)殖污染物去除、養(yǎng)殖動物健康成長與養(yǎng)殖成本上的相互制約。因此，綜合經(jīng)濟因素、養(yǎng)殖水體環(huán)境和養(yǎng)殖魚類的需求，可在養(yǎng)殖中適當(dāng)提高水循環(huán)率，保持水質(zhì)條件良好，維持動物健康和養(yǎng)殖成本合理，縮短養(yǎng)殖動物生長周期，提高養(yǎng)殖效益。由于不同魚類對水質(zhì)環(huán)境的耐受性不同，在實踐中需針對不同養(yǎng)殖魚類的最佳循環(huán)率開展理論和實際研究。

4 展 望

目前，我國循環(huán)水養(yǎng)殖的研究方向主要集中在現(xiàn)代化養(yǎng)殖設(shè)施的研發(fā)、循環(huán)水尾水處理技術(shù)和部分關(guān)鍵處理設(shè)備的可靠性及精確性的提升[59-62],忽略了養(yǎng)殖池結(jié)構(gòu)及池內(nèi)水動力特性對魚類的影響。養(yǎng)殖池結(jié)構(gòu)設(shè)計的初衷是側(cè)重于創(chuàng)造一個具有足夠水流速度的理想水流模式，為魚類提供最佳的生長環(huán)境。相比較而言，圓形養(yǎng)殖池及方形圓弧角養(yǎng)殖池具有更好的速度均勻性和污染物排出能力，因此養(yǎng)殖中得到了較廣泛的應(yīng)用。同一池形下，池內(nèi)平均流速很大程度上取決于進水速度及進水管位置，相同條件下不同的徑深比也會造成池內(nèi)速度差異。因此，實際養(yǎng)殖中應(yīng)針對養(yǎng)殖魚類的生活習(xí)性和對速度的偏好來選擇合適的養(yǎng)殖池結(jié)構(gòu)及進水特性。此外，當(dāng)前循環(huán)水養(yǎng)殖中還存在能源和餌料支出占據(jù)產(chǎn)品成本較高比例[14]、循環(huán)水設(shè)備集污能力不夠理想等問題。因此，加強對養(yǎng)殖池水動力特性的研究、降低能耗及生產(chǎn)運營成本、研發(fā)節(jié)能高效的設(shè)備、提高循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)集污排污的能力及尾水高效處理技術(shù)，是今后工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖模式發(fā)展方向。