循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中水動(dòng)力特性及其與魚(yú)類(lèi)相互影響研究進(jìn)展

車(chē)宗龍，任效忠，張倩

(設(shè)施漁業(yè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(大連海洋大學(xué))，遼寧 大連 116023)

20世紀(jì)70年代，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)在世界范圍內(nèi)迅速興起，在之后的水產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程中，中國(guó)成為第一個(gè)也是唯一一個(gè)在養(yǎng)殖產(chǎn)量上超過(guò)捕撈量的國(guó)家[1]。在過(guò)去的幾十年里，中國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展速度超過(guò)全球人口的增速，并成為世界第一水產(chǎn)養(yǎng)殖大國(guó)[2]。2020年中國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量為5 224.20 萬(wàn)t，占全年水產(chǎn)品總產(chǎn)量的79.77%[3]。隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展，環(huán)境污染、水質(zhì)惡化、水資源浪費(fèi)、水產(chǎn)品品質(zhì)下降等一系列問(wèn)題日益突出。如傳統(tǒng)的池塘養(yǎng)殖基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，導(dǎo)致水產(chǎn)品品質(zhì)、產(chǎn)量逐步降低；而隨著養(yǎng)殖密度的增加，養(yǎng)殖水體易富營(yíng)養(yǎng)化，水質(zhì)受污染嚴(yán)重，養(yǎng)殖尾水排放帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題增多[4]。為解決這些難題，維持綠色、健康的養(yǎng)殖環(huán)境，高效循環(huán)水養(yǎng)殖模式逐漸走向產(chǎn)業(yè)化并呈現(xiàn)快速發(fā)展勢(shì)頭。

工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖通過(guò)去除養(yǎng)殖水體中的殘餌與糞便等固體顆粒物及有害物質(zhì)并經(jīng)過(guò)多種水處理程序，以保持水質(zhì)穩(wěn)定及健康的養(yǎng)殖環(huán)境，符合科學(xué)環(huán)保及可持續(xù)發(fā)展理念；其綜合現(xiàn)代生物技術(shù)及信息化科學(xué)、工程應(yīng)用技術(shù)等于一體，為實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)保及水產(chǎn)品的高品質(zhì)、高產(chǎn)量起到了重要作用[1,5]。與傳統(tǒng)養(yǎng)殖生產(chǎn)方式相比，工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖具有養(yǎng)殖環(huán)境可控、空間利用率高、水資源節(jié)約、養(yǎng)殖密度高、環(huán)境污染小、產(chǎn)品品質(zhì)可控、供應(yīng)安全穩(wěn)定、養(yǎng)殖生產(chǎn)與投資風(fēng)險(xiǎn)低等優(yōu)點(diǎn)[6]，使其成為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)展的重要方向之一。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)在循環(huán)水養(yǎng)殖模式構(gòu)建中更多地集中在養(yǎng)殖魚(yú)種的選育、水處理技術(shù)和養(yǎng)殖裝備的攻關(guān)研究上，對(duì)于養(yǎng)殖池及其流態(tài)的研究相對(duì)較少。由于進(jìn)水系統(tǒng)的能量是養(yǎng)殖池系統(tǒng)流場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)力，也關(guān)系到養(yǎng)殖池內(nèi)殘餌、糞便等廢棄物的匯聚與排出，良好的水動(dòng)力性能有利于污染物的排出，養(yǎng)殖池水動(dòng)力直接影響生物的健康和福利。因此，養(yǎng)殖池水動(dòng)力的研究至關(guān)重要。本文綜述了循環(huán)水養(yǎng)殖池系統(tǒng)中水動(dòng)力及其與魚(yú)類(lèi)相互影響的研究進(jìn)展，旨在為進(jìn)一步研究養(yǎng)殖池內(nèi)流場(chǎng)特性，優(yōu)化池內(nèi)養(yǎng)殖動(dòng)物的生存環(huán)境提供借鑒，為實(shí)現(xiàn)循環(huán)水養(yǎng)殖模式的優(yōu)化發(fā)展提供科學(xué)參考。

1 循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)水動(dòng)力研究方法

為研究循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)內(nèi)流場(chǎng)現(xiàn)象及水動(dòng)力的作用機(jī)理，采用適宜的研究方法與技術(shù)手段尤為重要。目前，循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)內(nèi)水動(dòng)力的研究方法主要分為物理模型試驗(yàn)法和數(shù)值模擬法(表1)。

1.1 物理模型試驗(yàn)法

物理模型試驗(yàn)法是基于物理模型試驗(yàn)建立的試驗(yàn)系統(tǒng)，并利用流速測(cè)量?jī)x器等跟蹤記錄流場(chǎng)分布的變化情況。流速分布是流體運(yùn)動(dòng)的主要特性之一，流速測(cè)量是養(yǎng)殖池水動(dòng)力研究中的核心內(nèi)容，因而測(cè)速技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。目前，隨著計(jì)算機(jī)、激光、超聲、圖像處理等先進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展，流速測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從單點(diǎn)到多點(diǎn)、從單向到多向、從穩(wěn)態(tài)到瞬態(tài)的進(jìn)步，并且已實(shí)現(xiàn)了水流瞬時(shí)全場(chǎng)測(cè)量[7]。同時(shí)，流速測(cè)量?jī)x器也從畢托管、熱線熱膜風(fēng)速儀、轉(zhuǎn)子式流速儀、電磁流速儀等接觸式測(cè)量發(fā)展到聲學(xué)多普勒儀和粒子流速儀等非接觸式測(cè)量，其中，聲學(xué)多普勒儀包括聲學(xué)多普勒電流剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP)、超聲多普勒儀(Acoustic Doppler Velocimetry，ADV)和激光多普勒測(cè)速儀(Laser Doppler Velocimetry，LDV)，粒子流速儀包括粒子圖像流速儀(Particle Image Velocimetry，PIV)和粒子追蹤流速儀(Particle Tracking Velocimetry，PTV)[8]。

循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)水動(dòng)力研究中，以ADV、PIV應(yīng)用較多并取得一定的研究成果。ADV是基于聲學(xué)多普勒效應(yīng)原理，由相干聲學(xué)脈沖的頻移或相移來(lái)計(jì)算3個(gè)接收探頭方向的速度，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為正交坐標(biāo)系中的流速，主要用于記錄相對(duì)高頻率的單點(diǎn)瞬時(shí)速度分量[9]。ADV以操縱簡(jiǎn)單、精度高、無(wú)需率定、可用于三維速度測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，已成為物理模型試驗(yàn)流場(chǎng)測(cè)量中使用廣泛的測(cè)量手段。但ADV也存在一定的局限性，由于采樣點(diǎn)與發(fā)射及接收探頭存在一定的距離，因此，距離水面相對(duì)較近的位置無(wú)法獲取測(cè)量數(shù)據(jù)，而儀器本身也同樣存在缺陷，導(dǎo)致流速信號(hào)存在噪聲部分，對(duì)數(shù)據(jù)的精確程度存在一定的影響。此外，ADV在清澈的水流中難以準(zhǔn)確測(cè)量，需添加一定濃度的懸浮顆粒反射超聲波信號(hào)以提高測(cè)量精度[10]。有學(xué)者采用ADV對(duì)曝氣池內(nèi)的流場(chǎng)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了流場(chǎng)分布情況及紊動(dòng)強(qiáng)度[11]。相比于ADV等傳統(tǒng)的流速測(cè)量技術(shù)，PIV是一種非接觸式瞬時(shí)全流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)，其突破了單點(diǎn)測(cè)量的局限性，實(shí)現(xiàn)了全流場(chǎng)瞬態(tài)測(cè)量及無(wú)干擾測(cè)量[12-13]。PIV能更好地評(píng)估加入擋板后漩渦分離池內(nèi)的流速分布，實(shí)現(xiàn)流動(dòng)條件的改善[14]。也有學(xué)者同時(shí)采用PIV和ADV測(cè)量了與池式魚(yú)道底部和側(cè)壁平行的平面上多個(gè)位置的水流速度和湍動(dòng)能(TKE)，并分析了兩種方法的差異，結(jié)果表明，兩種方法監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)具有良好的吻合性[15]。

養(yǎng)殖池水動(dòng)力是循環(huán)水養(yǎng)殖池系統(tǒng)固體顆粒物集排污的直接驅(qū)動(dòng)力，對(duì)固體顆粒物的排出及分布有顯著影響，通過(guò)分析固體顆粒物的聚集分布特征進(jìn)而也能反映出池內(nèi)流場(chǎng)分布特性。由高分辨率照相機(jī)、電腦、控制軟件組成的圖像采集系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于采集養(yǎng)殖池內(nèi)污染物的聚集分布圖像處理，并通過(guò)圖像處理方法對(duì)采集到的圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理、圖像增強(qiáng)、圖像分割、二值化和輪廓提取等相關(guān)處理步驟，進(jìn)而采用處理后的圖像分析污染物的聚集分布特征[16-17]，污染物的聚集分布特征也間接地反映出池內(nèi)水動(dòng)力特性。

1.2 數(shù)值模擬法

數(shù)值模擬法是根據(jù)工程及物理問(wèn)題等運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模并進(jìn)行模擬計(jì)算，達(dá)到解決實(shí)際問(wèn)題的目的。應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)數(shù)值模擬分析循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)內(nèi)水動(dòng)力特性，是優(yōu)化與獲得較好的結(jié)構(gòu)參數(shù)及運(yùn)行參數(shù)的有效手段之一。隨著CFD的迅速發(fā)展，養(yǎng)殖池內(nèi)水動(dòng)力研究從單相流發(fā)展到多相流，并成為物理模型試驗(yàn)手段的有效補(bǔ)充與重要支撐。迄今為止，CFD已被廣泛用于養(yǎng)殖池中的水動(dòng)力特性研究。相關(guān)成果中多為利用CFD技術(shù)模擬分析養(yǎng)殖池結(jié)構(gòu)對(duì)養(yǎng)殖池內(nèi)流態(tài)分布的影響[18]，近年來(lái)，關(guān)于固-液和固-液-氣多相流的數(shù)值模型研究也逐步發(fā)展起來(lái)。Liu等[19]利用CFD建立循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)八角形養(yǎng)殖池三維數(shù)值模型，通過(guò)模擬獲得了養(yǎng)殖池內(nèi)的流速分布及固體顆粒的去除效率，并將數(shù)值結(jié)果與一個(gè)完整的物理模型監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，其結(jié)果具有一致性。汪翔等[20]利用CFD對(duì)養(yǎng)殖跑道、集污區(qū)進(jìn)行固-液-氣三相流稠密離散相模型模擬，研究了跑道式養(yǎng)殖系統(tǒng)內(nèi)的流速分布及集污區(qū)固相顆粒的分布特征。

CFD的應(yīng)用促進(jìn)了養(yǎng)殖池水動(dòng)力研究的發(fā)展，相比于物理模型試驗(yàn)法，CFD能更加全面地反映養(yǎng)殖池內(nèi)的流場(chǎng)信息，具有建立模型系統(tǒng)便捷、易于調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)、不占用場(chǎng)地、周期短、成本低等優(yōu)點(diǎn)，極大地節(jié)省了人力、物力和財(cái)力[21]。但CFD技術(shù)也存在一定的不確定性，需要數(shù)值模型建立準(zhǔn)確、網(wǎng)格劃分適宜、邊界條件設(shè)置合理等理論技術(shù)支撐以提高模擬的精確性，同時(shí)，數(shù)值模型的應(yīng)用還需要物理模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證作為支持。物理模型試驗(yàn)研究和數(shù)值模型模擬研究互為補(bǔ)充，二者結(jié)合可以更好更準(zhǔn)確地開(kāi)展養(yǎng)殖池系統(tǒng)水動(dòng)力學(xué)研究，以明確流場(chǎng)分布規(guī)律及深層次的流體力學(xué)機(jī)理。

2 循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)水動(dòng)力特性

在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中，養(yǎng)殖池是魚(yú)類(lèi)及其他養(yǎng)殖動(dòng)物賴以生存的場(chǎng)所，而良好的水動(dòng)力環(huán)境有利于創(chuàng)建優(yōu)質(zhì)的養(yǎng)殖環(huán)境以保證魚(yú)類(lèi)的健康和福利。通過(guò)調(diào)控養(yǎng)殖池內(nèi)的流場(chǎng)，使其達(dá)到魚(yú)類(lèi)的偏好流速，從而構(gòu)建適宜的魚(yú)類(lèi)養(yǎng)殖環(huán)境，這對(duì)魚(yú)類(lèi)生長(zhǎng)、品質(zhì)養(yǎng)成均起著至關(guān)重要的作用[24]。因此，研究養(yǎng)殖池內(nèi)水動(dòng)力特性對(duì)提供良好的養(yǎng)殖環(huán)境，提高養(yǎng)殖動(dòng)物的品質(zhì)，增加經(jīng)濟(jì)收益等方面均有重要意義。

養(yǎng)殖池結(jié)構(gòu)是影響水體流動(dòng)模式的主要因素，對(duì)其進(jìn)行合理設(shè)計(jì)是滿足魚(yú)類(lèi)最優(yōu)流場(chǎng)速度、有效水體交換、均勻進(jìn)料分配、良好水質(zhì)及較低能量消耗的關(guān)鍵。養(yǎng)殖池結(jié)構(gòu)的細(xì)微變化也會(huì)對(duì)養(yǎng)殖池內(nèi)的水動(dòng)力特性產(chǎn)生較大的影響[25]，在當(dāng)前應(yīng)用大型養(yǎng)殖池以降低成本的發(fā)展趨勢(shì)下，優(yōu)化養(yǎng)殖池設(shè)計(jì)對(duì)于實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖池內(nèi)的水體流動(dòng)條件發(fā)揮著不可低估的作用[26-27]。養(yǎng)殖池參數(shù)包括養(yǎng)殖池的形狀與尺寸、進(jìn)水結(jié)構(gòu)(進(jìn)水位置、入射角度等)、排水結(jié)構(gòu)、進(jìn)水流速、出水流速、循環(huán)量等操作參數(shù)，還包括切向與徑向速度分量、雷諾數(shù)、沖力等功能參數(shù)[28-30]。目前，在養(yǎng)殖池設(shè)計(jì)優(yōu)化方面已取得了一定的研究進(jìn)展，其中，養(yǎng)殖池的池型、進(jìn)水結(jié)構(gòu)、排水結(jié)構(gòu)等是影響?zhàn)B殖池水動(dòng)力的主要因素。

2.1 養(yǎng)殖池池型對(duì)流態(tài)的影響

池型結(jié)構(gòu)是影響?zhàn)B殖池內(nèi)水動(dòng)力的最重要參數(shù)之一，常見(jiàn)有圓形、矩形、方形圓弧角、跑道式、八角形、圓錐形養(yǎng)殖池等。循環(huán)水養(yǎng)殖池的池型各異，各種池型優(yōu)缺點(diǎn)同樣明顯。

圓形養(yǎng)殖池具有優(yōu)良的流態(tài)，水體交換均勻、無(wú)死角，且近似于圓柱體易產(chǎn)生二次流，有利于固體廢棄物匯聚到池底中央排水口并順利排出，但其空間利用率低、養(yǎng)殖水體造價(jià)較高。矩形養(yǎng)殖池雖有較高的空間利用率，但并不具備活塞流、混合流兩種理想流動(dòng)模式，與圓形池相反，由于池角處存在死水區(qū)，水體的整體流態(tài)較差，不利于污物的聚集與排出。方形圓弧角養(yǎng)殖池即方形圓切角養(yǎng)殖池，其結(jié)合了圓形養(yǎng)殖池和矩形養(yǎng)殖池各自池型的優(yōu)良特性，在養(yǎng)殖池內(nèi)流態(tài)和空間利用率方面都具有相對(duì)較好的優(yōu)勢(shì)，具備良好的產(chǎn)業(yè)推廣價(jià)值[31]。此外，跑道式養(yǎng)殖池、八角形養(yǎng)殖池除了自身優(yōu)勢(shì)外，也存在死水區(qū)、集排污效果不佳的困擾。

為實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖池內(nèi)良好的流態(tài)及混合性，許多學(xué)者開(kāi)展了養(yǎng)殖池池型結(jié)構(gòu)方面的研究。研究發(fā)現(xiàn)，“矩形混合池養(yǎng)殖單元”通過(guò)將矩形養(yǎng)殖池改裝成6個(gè)相鄰反向旋轉(zhuǎn)的混合單元，排水口位于每個(gè)單元的底部中心，切向射流于單元池內(nèi)建立旋轉(zhuǎn)循環(huán)，這些矩形單元池的混合流動(dòng)特性與圓形池中監(jiān)測(cè)到的流場(chǎng)形態(tài)相似[32]。此外，在相似結(jié)構(gòu)的養(yǎng)殖池中也獲得了類(lèi)似的水體流動(dòng)特性，并且在兩個(gè)連續(xù)進(jìn)水口之間設(shè)置擋板有助于在原有的基礎(chǔ)上提高池內(nèi)水體平均速度、速度均勻性和旋轉(zhuǎn)養(yǎng)殖單元中的對(duì)稱性[33-34]。因此，選擇合適的池型是實(shí)現(xiàn)高效養(yǎng)殖的關(guān)鍵，通過(guò)選擇理想池型，調(diào)整養(yǎng)殖池內(nèi)可控參數(shù)，達(dá)到水動(dòng)力條件的最優(yōu)狀態(tài)是實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中亟須解決的問(wèn)題。

2.2 養(yǎng)殖池進(jìn)水結(jié)構(gòu)對(duì)流態(tài)的影響

養(yǎng)殖池進(jìn)水結(jié)構(gòu)主要分為單管和多管進(jìn)水，水力驅(qū)動(dòng)裝置主要有射流管和射流混合噴射器等，其中，射流管是不同養(yǎng)殖池內(nèi)應(yīng)用較廣的水力驅(qū)動(dòng)裝置，其動(dòng)力來(lái)源于水泵驅(qū)動(dòng)。射流混合噴射器應(yīng)用較少，其動(dòng)力來(lái)源于本身機(jī)械裝置，在切向速度、均勻性、混合時(shí)間、集排污效率等方面展現(xiàn)出了比射流管更好的效果，同時(shí)，射流角度也是影響水動(dòng)力條件的重要因素[29]。近年來(lái)，部分學(xué)者針對(duì)不同養(yǎng)殖池內(nèi)進(jìn)水結(jié)構(gòu)對(duì)水動(dòng)力特性的影響開(kāi)展了一些研究。如本研究團(tuán)隊(duì)對(duì)方形圓弧角養(yǎng)殖池進(jìn)水管布設(shè)位置進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，進(jìn)水管布設(shè)于方形圓弧角養(yǎng)殖池的圓弧角位置是優(yōu)選布設(shè)，有利于改善養(yǎng)殖池底部水動(dòng)力特性[35]。進(jìn)一步研究表明，單管設(shè)置在弧壁中間位置及雙管設(shè)置在相對(duì)的兩個(gè)弧壁中間位置是單管和雙管兩種進(jìn)水結(jié)構(gòu)的優(yōu)選布設(shè)方式；兩種進(jìn)水方式下，進(jìn)水管入射角度約 50°時(shí)池內(nèi)水體平均流速最高；兩種進(jìn)水布設(shè)方式下，池內(nèi)水體平均流速較高且隨水體日循環(huán)次數(shù)的增加池內(nèi)流場(chǎng)效果越佳[36]。

矩形養(yǎng)殖池內(nèi)，在具有單一入水口的結(jié)構(gòu)中，出現(xiàn)了較多的死水區(qū)(低流速區(qū))，排污效果較差；當(dāng)采用多個(gè)進(jìn)水管時(shí)，進(jìn)水管之間的距離對(duì)養(yǎng)殖池內(nèi)的速度均勻性有較大的影響；采用矩形養(yǎng)殖池長(zhǎng)邊中心的底部雙向切向進(jìn)水，此方式下養(yǎng)殖池內(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，有利于提升養(yǎng)殖池的自動(dòng)清潔能力并達(dá)到改善養(yǎng)殖水質(zhì)的效果[37]。多單元跑道式養(yǎng)殖池中，噴嘴直徑對(duì)養(yǎng)殖池內(nèi)的流速影響明顯，對(duì)底部中心的排水率影響較小，并且噴嘴直徑和底部中心的排水率均不影響徑向流速分布的均勻性[38]。也有學(xué)者得出相似的結(jié)論，并且可以通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)水管入射角度改變圓形養(yǎng)殖池內(nèi)的流速，隨著底部流量的增加，養(yǎng)殖池中心附近的速度明顯增加[30]。除此之外，在養(yǎng)殖池內(nèi)增加徑向流動(dòng)可以有效地改善八角形養(yǎng)殖池內(nèi)的流體混合和流動(dòng)的均勻性，提高水動(dòng)力性能[25]

綜合來(lái)看，進(jìn)水結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)循環(huán)水養(yǎng)殖不可或缺的一環(huán)，無(wú)論是射流管還是其他水力驅(qū)動(dòng)裝置，一旦找準(zhǔn)合適的位置布設(shè)，就會(huì)成功實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖池內(nèi)最優(yōu)流速及自清潔能力。

2.3 養(yǎng)殖池排水結(jié)構(gòu)對(duì)流態(tài)的影響

養(yǎng)殖池排水結(jié)構(gòu)分為單通道排水和多通道排水，在單管入流和雙管入流的條件下，以多通道排水方式構(gòu)建的養(yǎng)殖池系統(tǒng)內(nèi)的平均流速、均勻性均優(yōu)于單通道排水養(yǎng)殖池系統(tǒng)[39]。

為了控制養(yǎng)殖池內(nèi)的流量，滿足流動(dòng)旋轉(zhuǎn)性和均勻性要求，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖池中所需的流動(dòng)模式，多通道排水系統(tǒng)目前被廣泛應(yīng)用。最典型的是Waterline和Cornell型兩種雙通道養(yǎng)殖池(圖1)，其分別在養(yǎng)殖池中心設(shè)置溢流管和在養(yǎng)殖池側(cè)壁較高位置設(shè)置出水口。目前，Waterline型養(yǎng)殖池應(yīng)用較多，底流分流比是影響雙通道養(yǎng)殖池內(nèi)流場(chǎng)特性的重要參數(shù)之一。研究表明，在底流分流比較小時(shí)，Waterline型養(yǎng)殖池池底自清潔能力、養(yǎng)殖池整體流場(chǎng)均勻性均優(yōu)于Cornell型養(yǎng)殖池[16]。底流分流比對(duì)Waterline型養(yǎng)殖池流場(chǎng)特性影響較小。采用雙通道排水能有效改善養(yǎng)殖池內(nèi)水動(dòng)力條件，增強(qiáng)水體混合[39]。此外，帶有池壁排水的雙通道系統(tǒng)可以較快地排出固體顆粒等污染物，同時(shí)降低水體循環(huán)流速，從而根據(jù)需要控制流態(tài)，此方面Cornell型雙通道養(yǎng)殖池較為典型。有學(xué)者研究了Cornell型雙通道養(yǎng)殖池中的水動(dòng)力特性，其中，池內(nèi)大部分固體顆粒物隨著小流量的水體通過(guò)底部中央排水口排出，而剩余顆粒物隨著大流量水體通過(guò)位于養(yǎng)殖池側(cè)壁的高排水口排出，且在這種出流條件下，養(yǎng)殖池內(nèi)水體呈現(xiàn)出良好的混合特性[30]。通過(guò)調(diào)節(jié)Cornell型雙通道圓形養(yǎng)殖池中的水循環(huán)率，底部中心排水管的表面負(fù)荷率，進(jìn)水口的大小、數(shù)量和角度，可實(shí)現(xiàn)有效的水體速度、相對(duì)均勻的水體混合和快速的固體沖洗速度[40]?？梢?jiàn)，合理利用排水結(jié)構(gòu)，根據(jù)需要設(shè)置排水口的數(shù)量、位置，可以實(shí)現(xiàn)固體顆粒物等污染物的迅速排出，優(yōu)化養(yǎng)殖環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖池內(nèi)良好流態(tài)的較好方法。

圖1 雙通道圓形養(yǎng)殖池側(cè)視圖[18]

2.4 養(yǎng)殖池其他參數(shù)對(duì)流態(tài)的影響

養(yǎng)殖池內(nèi)的流速及混合程度不僅取決于流量、進(jìn)水方式、排水方式、入射角度、噴嘴直徑、底部分流比及進(jìn)水管間的距離，還取決于進(jìn)水速度、循環(huán)量等重要參數(shù)。

養(yǎng)殖池內(nèi)水流的速度受到入口沖擊力的控制，本質(zhì)上系統(tǒng)入水能量的大小與系統(tǒng)流場(chǎng)性能直接相關(guān)，通過(guò)調(diào)整入口沖擊力可優(yōu)化池內(nèi)速度和流速分布[41]。而水體循環(huán)次數(shù)的增加，有助于增加養(yǎng)殖池內(nèi)的平均速度和速度分布均勻性[35]。計(jì)算流體力學(xué)(CFD)是一種有效的系統(tǒng)水動(dòng)力學(xué)研究手段，通過(guò)計(jì)算可以獲得更豐富的流場(chǎng)信息，改進(jìn)和優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。研究表明，方形圓弧角養(yǎng)殖池相對(duì)弧寬比(R/B，R為圓弧角半徑，B為養(yǎng)殖池短邊邊長(zhǎng))和進(jìn)徑比(C/B，直壁單管，C為射流管中心距養(yǎng)殖池壁的水平距離)(圖2)的優(yōu)化有利于改善養(yǎng)殖池內(nèi)的水動(dòng)力性能，提高養(yǎng)殖池內(nèi)平均流速及流場(chǎng)均勻性[42-43]。此外，底面坡度、水流回轉(zhuǎn)速度對(duì)方形圓切角養(yǎng)殖池的水動(dòng)力性能及凈水性能存在一定影響[44]。

圖2 方形圓弧角養(yǎng)殖池相對(duì)弧寬比和進(jìn)徑比參數(shù)示意圖[42-43]

3 循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)水動(dòng)力對(duì)污染物集排污的影響

3.1 固體顆粒物集排污性能

循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中固體顆粒如殘餌、糞便等在水中容易分解礦化，產(chǎn)生氨氮、亞硝酸鹽等污染物，對(duì)養(yǎng)殖水體污染較為嚴(yán)重，直接威脅到魚(yú)類(lèi)及其他養(yǎng)殖動(dòng)物的健康和福利。養(yǎng)殖池內(nèi)的水動(dòng)力條件是系統(tǒng)固體顆粒物集排污性能的動(dòng)力來(lái)源，對(duì)固體顆粒物集排污性能起到直接影響，因而研究養(yǎng)殖池內(nèi)的水動(dòng)力對(duì)控制排污、穩(wěn)定水質(zhì)有重要意義。

1)沉降分離促進(jìn)排污。養(yǎng)殖池內(nèi)主要借助水流旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力或二次流產(chǎn)生的向心力和懸浮顆粒物自身重力來(lái)沉降清除水體中糞便、殘餌等可沉降懸浮顆粒物[45]。養(yǎng)殖池內(nèi)的流場(chǎng)和運(yùn)動(dòng)特性(如養(yǎng)殖池內(nèi)的速度場(chǎng))對(duì)固體顆粒沉降產(chǎn)生重要影響。有學(xué)者研究了兩種入流結(jié)構(gòu)(水平和垂直入流)對(duì)養(yǎng)殖池內(nèi)顆粒物沉降效率的影響，與水平入流相比，垂直入流引起的流場(chǎng)顯著提高了沉降效率，而沉降效率的相對(duì)提高與入口懸浮液濃度成反比[46]。

2)養(yǎng)殖池參數(shù)設(shè)置促進(jìn)排污。增加養(yǎng)殖池底流分流比、底部排水量、水循環(huán)率、平均速度均能促進(jìn)排污，同樣合適的徑深比、入射角度、射流速度、進(jìn)水方式、抽吸模式也有利于固體顆粒物的匯聚與排出。其中，增加底部中心排水量可以改善圓形養(yǎng)殖池內(nèi)水流速度的均勻性。同樣，較高的底流分流比增加了底部中心排水口附近的水流速度，可實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖池池底固體廢棄物快速有效地去除，中心排水口處較高的流速可以有效避免固體顆粒物的沉積和滯留[40]。為了在大型圓形養(yǎng)殖池中徹底清除固體顆粒物，保持水循環(huán)次數(shù)在0.6～2.0 次/h甚至更高是有效的[47]。針對(duì)不同循環(huán)水量對(duì)養(yǎng)殖水質(zhì)影響的試驗(yàn)表明，提高循環(huán)水量能有效地改善養(yǎng)殖池水質(zhì)[48]。同時(shí)，有學(xué)者定義了養(yǎng)殖池內(nèi)的阻力系數(shù)(Ct)，通過(guò)調(diào)整水的交換率和射流速度計(jì)算Ct值，可以更直觀地獲得養(yǎng)殖池中所需的平均速度，并用于排污研究[49]。

3)優(yōu)化池型結(jié)構(gòu)促進(jìn)排污。池型結(jié)構(gòu)也對(duì)排污有著重要的影響。相比較于矩形養(yǎng)殖池，圓形養(yǎng)殖池的切向進(jìn)水模式?jīng)_力大、能量消耗低，擁有較高的切向速度，使溶解氧和代謝廢物等分布均勻，能實(shí)現(xiàn)水體充分混合，并有利于固體顆粒物的快速清除，保持養(yǎng)殖池的自清潔能力。矩形圓弧角養(yǎng)殖池和八角形養(yǎng)殖池綜合了圓形、矩形養(yǎng)殖池的特點(diǎn)，不僅可以維持更高的空間利用率，而且可以利用養(yǎng)殖池內(nèi)產(chǎn)生的二次流快速地匯聚固體顆粒等污染物并排出[50]。除此之外，錐形養(yǎng)殖池型的設(shè)計(jì)可促進(jìn)固體顆粒的運(yùn)動(dòng)和水體間更好的混合，能有效提高養(yǎng)殖池系統(tǒng)的自清潔能力[51]。

綜上，養(yǎng)殖池的排污與流場(chǎng)性能尤其是池底的流場(chǎng)性能直接相關(guān)，養(yǎng)殖池底部特有的排污結(jié)構(gòu)及養(yǎng)殖池壁與水流的相互作用，會(huì)造成一定的動(dòng)能損失。因此，研究養(yǎng)殖池結(jié)構(gòu)對(duì)水動(dòng)力特性的影響，可以明確水動(dòng)力特性對(duì)固體顆粒物的影響機(jī)制。

3.2 可溶性及懸浮污染物的輸移擴(kuò)散

隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的不斷發(fā)展，循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)水體中可溶性及懸浮污染物的有效去除已成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。污染物的輸移擴(kuò)散主要分為水體內(nèi)污染物和大氣中污染物兩部分。水體內(nèi)污染物主要指殘餌、糞便等分解形成的懸浮污染物，以及分解礦化過(guò)程產(chǎn)生氨氮、亞硝酸鹽等可溶性污染物。已有研究多集中于養(yǎng)殖池內(nèi)可溶性及懸浮污染物的去除性能方面，應(yīng)用生物濾池等水處理技術(shù)可降低污染物的濃度，而忽略了水流對(duì)可溶性及懸浮污染物累積與擴(kuò)散的影響，對(duì)于污染物隨水流的輸移擴(kuò)散規(guī)律研究較少。

目前，懸浮顆粒的去除方法主要有沉降分離、篩網(wǎng)分離、泡沫分離、介質(zhì)過(guò)濾和臭氧氧化等[45]。養(yǎng)殖池內(nèi)水流作用對(duì)懸浮顆粒等懸浮污染物的擴(kuò)散規(guī)律研究幾乎未涉及，同時(shí)可溶性污染物隨水流擴(kuò)散研究也鮮有報(bào)道。循環(huán)量是影響污染物去除、調(diào)節(jié)污染物濃度的重要參數(shù)之一。隨著循環(huán)量的增加，養(yǎng)殖系統(tǒng)水體內(nèi)氨氮、亞硝酸鹽的去除效率增加，濃度也相應(yīng)降低[52]。有關(guān)水體內(nèi)可溶性及懸浮污染物輸移擴(kuò)散的研究多集中在近海岸，如連云港近岸海域污染物的濃度增量與污染物的排放量成正比，與水體流速、流量成反比[53]。簡(jiǎn)單波流場(chǎng)對(duì)近岸點(diǎn)源和連續(xù)源情況下污染物的輸移擴(kuò)散特征的影響試驗(yàn)表明，瞬時(shí)點(diǎn)源擴(kuò)散呈圓環(huán)分布，濃度值在中心最大并向外部遞減，連續(xù)源擴(kuò)散濃度則隨空間呈橢圓分布，距離點(diǎn)源越遠(yuǎn)相對(duì)濃度越小，并逐漸趨向于穩(wěn)定值[54]。此外，沿岸方向?qū)α髯饔檬撬w表面污染物擴(kuò)散的主要?jiǎng)恿σ蛩?，破波帶?nèi)波流同時(shí)存在，由于受到沿岸流的影響，破波帶內(nèi)污染物主要沿海岸方向擴(kuò)散[55]。

近?？扇苄约皯腋∥廴疚锏妮斠茢U(kuò)散較大程度上取決于流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，同樣，養(yǎng)殖池內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)污染物擴(kuò)散也存在較大影響。目前，有關(guān)循環(huán)水養(yǎng)殖池內(nèi)可溶性及懸浮污染物的輸移擴(kuò)散研究幾乎未見(jiàn)報(bào)道，因此，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)養(yǎng)殖池內(nèi)的污染物輸移擴(kuò)散機(jī)制研究可借鑒近海岸可溶性及懸浮污染物研究的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與水處理技術(shù)的有效結(jié)合，才能最大程度地去除養(yǎng)殖池內(nèi)可溶性及懸浮污染物。因此，開(kāi)展污染物輸移擴(kuò)散機(jī)理的研究，對(duì)污染物的去除不僅具有重要的理論意義，而且具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

4 增氧設(shè)備對(duì)水動(dòng)力的影響

增氧設(shè)備在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)通過(guò)機(jī)械設(shè)備向水中增加氧氣以改善養(yǎng)殖環(huán)境、提高養(yǎng)殖密度。目前，增氧設(shè)備主要有微孔爆氣技術(shù)、曝氣插流裝置、水車(chē)式增氧機(jī)等。現(xiàn)階段，利用增氧設(shè)備在向水體增氧的同時(shí)，改善養(yǎng)殖池內(nèi)流速分布及增強(qiáng)集污性能是一個(gè)新的研究方向。在養(yǎng)殖池底部安裝曝氣設(shè)備既能影響?zhàn)B殖池內(nèi)的水流，又能提高增氧效果。

在工廠化養(yǎng)殖中，微孔曝氣技術(shù)是一種應(yīng)用較為廣泛的高效曝氣技術(shù)，其利用微孔曝氣管將氣體以微小氣泡的形式分散到水體中，在氣泡上升過(guò)程中水體隨之流動(dòng)，上層溶解氧濃度較高的水體被帶入下層，同時(shí)水流加速了微孔管周?chē)呷芙庋跛w的擴(kuò)散，提高了水體的溶解氧含量，同時(shí)增加了水體的均勻性，有利于養(yǎng)殖生物的生長(zhǎng)和福利[56]。曝氣插流裝置(APFD)則較好地利用了曝氣技術(shù)，使水塘溝道系統(tǒng)循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)，在提高溶解氧的同時(shí)促進(jìn)了系統(tǒng)的流通[57]。水車(chē)式增氧機(jī)也是養(yǎng)殖池使用較廣泛的增氧設(shè)備，其利用葉輪擊打水體，在提升下層水體到大氣中增加溶解氧的同時(shí)，推動(dòng)養(yǎng)殖池內(nèi)水的流動(dòng)形成環(huán)流，有利于實(shí)現(xiàn)殘餌、糞便等固體顆粒物的匯聚與排出[58]。研究表明，水車(chē)式增氧機(jī)在不同布設(shè)角度、布設(shè)距離比，以及不同驅(qū)動(dòng)流速對(duì)方形圓切角養(yǎng)殖池內(nèi)污物匯集與流場(chǎng)特性均有一定影響；在一定的布設(shè)比工況下，布設(shè)角度為45°時(shí)，集污效果最佳[59]。另有學(xué)者研究表明，四角形擴(kuò)散器具有最佳的污物收集效果及良好的曝氣性能，是循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)增氧設(shè)備的最佳選擇[60]。

通過(guò)增氧設(shè)備代替養(yǎng)殖池內(nèi)傳統(tǒng)的射流管進(jìn)行水力驅(qū)動(dòng)及集排污是一種良好的優(yōu)化方法，也是重點(diǎn)研究方向之一，與射流管相似，增氧設(shè)備的位置及角度等均會(huì)使養(yǎng)殖池內(nèi)的水力特性發(fā)生改變，因此，選擇合適的增氧設(shè)備布設(shè)方式，既能產(chǎn)生良好的水力特性，又能增加養(yǎng)殖池內(nèi)的溶解氧。

5 水動(dòng)力與魚(yú)類(lèi)的相互影響

5.1 水動(dòng)力條件對(duì)魚(yú)類(lèi)的影響

良好的水動(dòng)力條件有利于魚(yú)類(lèi)的生長(zhǎng)和福利，而不佳的水動(dòng)力條件如超出魚(yú)類(lèi)所適應(yīng)的紊流、剪切力等會(huì)增加魚(yú)類(lèi)的能量消耗，甚至對(duì)魚(yú)類(lèi)造成損傷。魚(yú)類(lèi)的規(guī)格大小、品質(zhì)、健康狀態(tài)與養(yǎng)殖池的水動(dòng)力條件密不可分，構(gòu)建適宜的流場(chǎng)條件有利于魚(yú)類(lèi)的健康、高效生長(zhǎng)。魚(yú)類(lèi)通常規(guī)避溶解氧含量低、流速過(guò)快及代謝廢物過(guò)高的區(qū)域。因此，了解水動(dòng)力對(duì)魚(yú)類(lèi)的影響機(jī)制至關(guān)重要，對(duì)魚(yú)類(lèi)養(yǎng)殖及經(jīng)濟(jì)收益均有深遠(yuǎn)意義。水動(dòng)力條件對(duì)魚(yú)類(lèi)影響主要表現(xiàn)在魚(yú)類(lèi)游泳行為、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、生活習(xí)性、生長(zhǎng)、攝食及空間分布等方面。

5.1.1 流場(chǎng)對(duì)魚(yú)類(lèi)分布的影響 魚(yú)類(lèi)在水體中的分布是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，取決于一系列復(fù)雜的生物和非生物環(huán)境因素，大多數(shù)因素都影響魚(yú)類(lèi)分布。其中，非生物因素主要是水流對(duì)魚(yú)類(lèi)分布的影響[61]。目前，關(guān)于循環(huán)水養(yǎng)殖生產(chǎn)池內(nèi)魚(yú)類(lèi)分布規(guī)律的研究較少，部分研究?jī)H在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行。

流場(chǎng)是循環(huán)水系統(tǒng)營(yíng)造時(shí)考慮的重要水動(dòng)力條件，與養(yǎng)殖動(dòng)物福利和效益密切相關(guān)，魚(yú)類(lèi)分布反映了魚(yú)類(lèi)對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境的喜好與適應(yīng)性。魚(yú)類(lèi)在養(yǎng)殖池內(nèi)的分布情況，直接反映了系統(tǒng)構(gòu)建水體的有效利用情況，間接反映了池內(nèi)的水流速度、流場(chǎng)的均勻性，以及污染物與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)如溶解氧等的累積分布狀態(tài)。眾所周知，圓形養(yǎng)殖池內(nèi)流場(chǎng)均勻性較好，池中魚(yú)類(lèi)分布較均勻，養(yǎng)殖水體空間利用率更高、更充分。養(yǎng)殖池內(nèi)的水流速度顯著影響魚(yú)類(lèi)的分布并具有正相關(guān)關(guān)系，應(yīng)用魚(yú)類(lèi)分布均勻性系數(shù)(FCU)可以更好地評(píng)估養(yǎng)殖池中魚(yú)類(lèi)分布的均勻性[62]。自然界淡水水體大致可以分為兩種類(lèi)型，一種是低換水率的靜水水體(湖泊、水庫(kù)和池塘)，另一種是高換水率的動(dòng)水水體(河流和溪流)。影響魚(yú)類(lèi)分布的因素多種多樣，在靜水中水流的影響較小，相反在動(dòng)水中水流為主要影響因素[61]。魚(yú)的種類(lèi)不同，對(duì)流場(chǎng)條件的偏好也有差異。魚(yú)類(lèi)的分布主要取決于其主動(dòng)選擇最佳的流場(chǎng)區(qū)域。一些棲息在河溝中的魚(yú)類(lèi)，尤其是梭鱸，喜好利用高流速的地貌特征在河底附近游動(dòng)，而絕大多數(shù)非洄游魚(yú)類(lèi)(鯉科魚(yú)類(lèi)等)更喜好異質(zhì)的棲息地、河岸帶、島嶼、沙嘴和河灣后面的平靜水域部分。此外，水流速度也是影響魚(yú)類(lèi)遷徙的指標(biāo)之一[63]。

5.1.2 流場(chǎng)對(duì)魚(yú)類(lèi)行為的影響 魚(yú)類(lèi)有流場(chǎng)偏好，在一定流速范圍內(nèi)，隨著流速的增大趨流性魚(yú)類(lèi)的趨流率、擺尾頻率、耗氧率均顯著上升，且不同魚(yú)類(lèi)所適應(yīng)的流速范圍不同[64-66]。若養(yǎng)殖池內(nèi)的水流速度低于最佳值時(shí)，由于較高的自發(fā)性活動(dòng)(如攻擊性)而損失大量能量，在高于最佳速度時(shí)，魚(yú)類(lèi)的活動(dòng)變得不可持續(xù)、有壓力，造成缺氧，最終導(dǎo)致疲勞[67]。

張倩[68]研究表明，同一溫度條件下，流速對(duì)團(tuán)頭魴幼魚(yú)的游速、游距、轉(zhuǎn)角及游泳軌跡均有顯著影響，團(tuán)頭魴幼魚(yú)游速、游距及轉(zhuǎn)角隨流速的增加而增大，游泳軌跡愈加復(fù)雜。Polverino等[69]研究顯示，食蚊魚(yú)的活動(dòng)性及行為會(huì)受到養(yǎng)殖池大小的影響，食蚊魚(yú)的平均活動(dòng)性會(huì)隨著養(yǎng)殖池的增大而增加，不同規(guī)格的養(yǎng)殖池會(huì)造成不同大小魚(yú)類(lèi)間的行為差異。曹平[70]在針對(duì)均勻流場(chǎng)和豎縫式魚(yú)道特征流場(chǎng)對(duì)草魚(yú)幼魚(yú)的游泳能力及行為影響試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)試驗(yàn)魚(yú)會(huì)避開(kāi)流速和紊動(dòng)能較高的區(qū)域，并且發(fā)現(xiàn)草魚(yú)幼魚(yú)上溯所喜好的池室流速為0.05～0.60 m/s，其中，所受到的水流阻力是影響其通過(guò)的重要因素，阻力越大，成功率越低。這表明，魚(yú)類(lèi)通常會(huì)躲避混亂、波動(dòng)大的水流，而具有可預(yù)測(cè)性的水流會(huì)吸引魚(yú)類(lèi)。此外，魚(yú)類(lèi)能利用水流經(jīng)過(guò)物理結(jié)構(gòu)或者其他生物推進(jìn)作用產(chǎn)生的渦旋來(lái)提高本身的游泳能力，降低能量消耗,并且渦旋提供了一個(gè)能量豐富的環(huán)境[71]。

5.1.3 流場(chǎng)對(duì)魚(yú)類(lèi)生長(zhǎng)、攝食的影響 適宜流速對(duì)魚(yú)類(lèi)的生長(zhǎng)、攝食產(chǎn)生積極影響，并且存在一個(gè)閾值。當(dāng)流速小于閾值0.6 m/s時(shí)，流速對(duì)鯽的生長(zhǎng)在短期內(nèi)起到促進(jìn)作用；動(dòng)能梯度能很好地反映鯽的能量消耗情況，隨著動(dòng)能梯度的增大鯽所耗費(fèi)的能量增加，其體質(zhì)量增長(zhǎng)率隨之減小，鯽生長(zhǎng)所需動(dòng)能梯度閾值為0.009 J/(kg·m)[72]。

流速通過(guò)調(diào)控水體中氨氮等污染物的濃度影響魚(yú)類(lèi)的食欲進(jìn)而反饋到生長(zhǎng)。較高的氨氮含量會(huì)極顯著地影響魚(yú)類(lèi)的攝食及特定生長(zhǎng)率[73]。對(duì)循環(huán)水養(yǎng)殖大菱鲆的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流速增加到一定范圍時(shí)，氨氮等污染物的濃度最低，大菱鲆的攝食量和生長(zhǎng)速度最高[74]。此外，循環(huán)量也是影響魚(yú)類(lèi)生長(zhǎng)的重要因素之一。隨著水體日循環(huán)次數(shù)的增加，水體中污染物濃度降低，從而減小水中有害物質(zhì)對(duì)大菱鲆的脅迫作用，其特定生長(zhǎng)率隨之增加，餌料系數(shù)則隨之降低[75]。

5.1.4 流場(chǎng)對(duì)魚(yú)類(lèi)健康的影響 及時(shí)高效的排污、適宜的紊動(dòng)條件等對(duì)魚(yú)類(lèi)的健康尤為重要。不恰當(dāng)?shù)耐段共呗砸鸬臍堭D過(guò)多，若未及時(shí)排出，其分解產(chǎn)生氨氮、亞硝酸鹽等有害物質(zhì)會(huì)造成水質(zhì)污染，將嚴(yán)重危害魚(yú)類(lèi)的健康。

提高流速、增加水循環(huán)率能促進(jìn)排污，有效減小養(yǎng)殖水體中有害物質(zhì)的積累速度。研究表明，水循環(huán)率較低時(shí)，水體中氨氮等有害物質(zhì)增加，虹鱒出現(xiàn)行為異常、畸形甚至死亡的情況[30]。由于液體具有黏滯性，紊流和剪切力存在于大多數(shù)水體中，魚(yú)類(lèi)能利用承受范圍內(nèi)的紊動(dòng)水流提高游泳能力并獲取能量，而當(dāng)紊動(dòng)強(qiáng)度過(guò)大，超出魚(yú)類(lèi)承受范圍時(shí)，會(huì)對(duì)魚(yú)類(lèi)造成不同程度地?fù)p傷，如黏膜破壞、鰓損傷甚至死亡等。研究表明，紊動(dòng)強(qiáng)度為0.56～6.64 cm/s時(shí)，適合鯽生存，鯽能利用渦旋提高自身游泳能力，紊動(dòng)強(qiáng)度大于9.09 cm/s時(shí)，鯽出現(xiàn)黏膜破壞，眼睛受損，鰓孔出血等現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)死亡[76]。

從研究進(jìn)展來(lái)看，水動(dòng)力對(duì)魚(yú)類(lèi)分布及生長(zhǎng)的影響研究雖有一定學(xué)術(shù)成果，但多數(shù)集中在單一流場(chǎng)參數(shù)對(duì)魚(yú)類(lèi)的影響方面，且試驗(yàn)研究居多，因缺少實(shí)際養(yǎng)殖環(huán)境中多種因素的影響，試驗(yàn)研究存在一定的局限性，未來(lái)需模擬實(shí)際養(yǎng)殖環(huán)境中的水動(dòng)力，在水動(dòng)力多流場(chǎng)參數(shù)對(duì)魚(yú)類(lèi)的影響及水動(dòng)力與魚(yú)類(lèi)的相互影響等方面均存在較大的研究空間。相信未來(lái)水動(dòng)力研究領(lǐng)域會(huì)有較大拓展，為水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)提供科學(xué)參考。

5.2 魚(yú)類(lèi)對(duì)水動(dòng)力條件的影響

魚(yú)類(lèi)亦會(huì)對(duì)養(yǎng)殖池內(nèi)的水動(dòng)力條件造成一定的影響，與純流場(chǎng)的養(yǎng)殖池系統(tǒng)相比，魚(yú)類(lèi)加入循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)會(huì)引起湍流變化、平均流速降低、水循環(huán)阻力增強(qiáng)及水體混合程度加快等，而流速分布、溶解氧的分布也發(fā)生了改變。

部分學(xué)者基于魚(yú)類(lèi)對(duì)養(yǎng)殖池系統(tǒng)的流場(chǎng)影響開(kāi)展了試驗(yàn)研究，研究主要集中在魚(yú)類(lèi)的規(guī)格、密度對(duì)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)流場(chǎng)的影響。Masaló等[77]研究了黑鱸游動(dòng)對(duì)圓形養(yǎng)殖池平均流速及流速剖面的影響，分析了不同工況下有魚(yú)、無(wú)魚(yú)及不同規(guī)格的魚(yú)對(duì)水流的影響。結(jié)果表明：由于魚(yú)類(lèi)游動(dòng)引起的湍流增加了運(yùn)動(dòng)渦流黏度，養(yǎng)殖池中心排水口附近流速降低，養(yǎng)殖池阻力系數(shù)增加；在相同的放養(yǎng)密度(14.6 kg/m3)下，小規(guī)格魚(yú)(154 g)養(yǎng)殖系統(tǒng)的阻力系數(shù)略高于大規(guī)格魚(yú)(330 g)。Gorle等[78]研究表明，圓形和八角形養(yǎng)殖池在垂向均呈現(xiàn)出相對(duì)均勻的水速度場(chǎng)，有魚(yú)的養(yǎng)殖池內(nèi)水流速度較無(wú)魚(yú)時(shí)降低了約25%，魚(yú)的存在對(duì)水流流態(tài)影響較大；此外，魚(yú)的游泳行為也是養(yǎng)殖池內(nèi)水體湍流和非線性的主要來(lái)源。研究表明，養(yǎng)殖池內(nèi)魚(yú)的存在，會(huì)明顯使養(yǎng)殖池內(nèi)平均流速降低、水體混合增強(qiáng)；隨著養(yǎng)殖密度的增加，循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)平均流速顯著降低，流速分布、溶解氧分布也隨之改變[79-80]。與試驗(yàn)觀測(cè)相比，數(shù)值模擬方法提供了豐富的流動(dòng)細(xì)節(jié)，更加適合研究魚(yú)類(lèi)對(duì)水動(dòng)力的影響。Tang等[81]通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)模型發(fā)現(xiàn)，靜水中魚(yú)的圓周運(yùn)動(dòng)會(huì)使網(wǎng)箱中心產(chǎn)生低壓區(qū)，并沿網(wǎng)箱中心線產(chǎn)生強(qiáng)烈的垂直流動(dòng)，且單魚(yú)的規(guī)格對(duì)整個(gè)流場(chǎng)影響較小，在達(dá)到一定的魚(yú)群密度時(shí)，流場(chǎng)變化顯著。而Xu等[82]研究顯示，單魚(yú)和魚(yú)群均能引起射流魚(yú)泵內(nèi)壁面靜壓峰值，并且這個(gè)峰值的振幅由魚(yú)和內(nèi)部流的速度差決定；單魚(yú)對(duì)主流和混合流的流量影響并不顯著，然而，當(dāng)魚(yú)群通過(guò)魚(yú)泵時(shí)，混合流的流量明顯減小，且魚(yú)的運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)壓力分布、軸向速度及徑向速度產(chǎn)生影響。

綜上，未來(lái)需深入研究魚(yú)類(lèi)對(duì)水動(dòng)力的影響規(guī)律，掌握不同規(guī)格、密度、種類(lèi)魚(yú)的加入對(duì)養(yǎng)殖池內(nèi)水動(dòng)力特性的變化機(jī)理，根據(jù)不同種類(lèi)魚(yú)的適應(yīng)條件差異，進(jìn)而調(diào)整放養(yǎng)策略，以達(dá)到放養(yǎng)魚(yú)類(lèi)健康生長(zhǎng)、養(yǎng)殖池空間充分利用的目標(biāo)。

6 存在問(wèn)題與展望

6.1 存在問(wèn)題

循環(huán)水養(yǎng)殖池系統(tǒng)中水動(dòng)力問(wèn)題不僅影響池內(nèi)流態(tài)、固體顆粒集排污、可溶性及懸浮性污染物擴(kuò)散等，也與養(yǎng)殖動(dòng)物的健康和福利息息相關(guān)。此外，系統(tǒng)流態(tài)也會(huì)影響?zhàn)B殖耗能、生產(chǎn)操作的便捷性和養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)效益。但循環(huán)水養(yǎng)殖池內(nèi)的水動(dòng)力問(wèn)題研究目前仍然存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。

1)中國(guó)循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)相對(duì)落后，水動(dòng)力學(xué)研究未受到足夠重視。中國(guó)的循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)與國(guó)外比較相對(duì)落后，中國(guó)對(duì)養(yǎng)殖池結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化、凈化水質(zhì)工藝、養(yǎng)殖溫度傳感器等循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的科研投入仍較少。國(guó)外注重系統(tǒng)整體功能的完備性，而國(guó)內(nèi)則側(cè)重研究新型水循環(huán)系統(tǒng)、凈水設(shè)備及殺菌裝置等單個(gè)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)推廣，單一設(shè)備產(chǎn)品往往受到系統(tǒng)整體性能的制約無(wú)法發(fā)揮應(yīng)有的效能。循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)離不開(kāi)關(guān)鍵技術(shù)的科研投入，也必然離不開(kāi)對(duì)水動(dòng)力問(wèn)題的認(rèn)識(shí)，循環(huán)水養(yǎng)殖池系統(tǒng)的水動(dòng)力基礎(chǔ)研究長(zhǎng)期未受到重視，現(xiàn)有的養(yǎng)殖系統(tǒng)常出現(xiàn)流態(tài)不佳、集排污性能不良等困擾生產(chǎn)的問(wèn)題。養(yǎng)殖系統(tǒng)內(nèi)細(xì)顆粒無(wú)法高效去除，當(dāng)前構(gòu)建的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)基本可以管理氮廢物和氣體交換，但不能良好的管理固體廢棄物，主要的瓶頸在于，目前可用的技術(shù)無(wú)法充分從水體中去除系統(tǒng)中產(chǎn)生的細(xì)顆粒。而顆粒物的去除又與系統(tǒng)水動(dòng)力學(xué)和顆粒特性密切相關(guān)。

2)大型養(yǎng)殖池流態(tài)設(shè)計(jì)復(fù)雜，未開(kāi)展系統(tǒng)性研究。養(yǎng)殖池系統(tǒng)存在邊界層、湍流(紊流)效應(yīng)、二次流等復(fù)雜流體力學(xué)現(xiàn)象與機(jī)理，部分參數(shù)的細(xì)微變化直接導(dǎo)致流場(chǎng)性能和集排污性能的較大改變。養(yǎng)殖池的設(shè)計(jì)應(yīng)基于評(píng)估預(yù)測(cè)三維流態(tài)、速度、壓力梯度、湍動(dòng)能及渦旋動(dòng)力學(xué)等基礎(chǔ)上，而目前對(duì)養(yǎng)殖池流態(tài)的系統(tǒng)性研究成果仍較缺乏，循環(huán)水養(yǎng)殖池系統(tǒng)的水動(dòng)力學(xué)研究仍處于起步階段。

3)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)尚未考慮養(yǎng)殖動(dòng)物在水中的影響。水動(dòng)力條件是影響魚(yú)類(lèi)生活的關(guān)鍵因素之一，但目前養(yǎng)殖池內(nèi)的水動(dòng)力學(xué)研究主要集中在不考慮魚(yú)類(lèi)的純流場(chǎng)性能及其對(duì)集排污的影響上。魚(yú)類(lèi)具有能動(dòng)性，是影響水動(dòng)力的關(guān)鍵因素，且魚(yú)類(lèi)與水動(dòng)力互為影響，因而不考慮魚(yú)類(lèi)的水動(dòng)力研究結(jié)論并不準(zhǔn)確，對(duì)于生產(chǎn)應(yīng)用存在較大的局限性。目前，魚(yú)類(lèi)與水動(dòng)力相互影響的研究成果也較少且大多為試驗(yàn)研究，多集中在少數(shù)幾種魚(yú)類(lèi)及其對(duì)流場(chǎng)參數(shù)的影響，即僅研究魚(yú)類(lèi)分布，以及規(guī)格、密度對(duì)流場(chǎng)的影響。

6.2 循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中水動(dòng)力未來(lái)重點(diǎn)研究方向

針對(duì)循環(huán)水養(yǎng)殖池系統(tǒng)中水動(dòng)力研究領(lǐng)域存在的問(wèn)題，今后可在以下幾方面開(kāi)展深入研究。

1)加強(qiáng)對(duì)養(yǎng)殖池水動(dòng)力學(xué)等的基礎(chǔ)研究及與養(yǎng)殖池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)的集成應(yīng)用。中國(guó)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的主要研究方向需與國(guó)際該領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題相結(jié)合，并根據(jù)中國(guó)國(guó)情與生產(chǎn)需求，遴選出亟須重點(diǎn)研究的方向。循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)為水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)服務(wù)，其研究任務(wù)不僅限于魚(yú)類(lèi)，作為系統(tǒng)基礎(chǔ)學(xué)科的水動(dòng)力學(xué)研究需要重視，并做好與其他技術(shù)、設(shè)備的集成應(yīng)用。如針對(duì)固體廢棄物的有效處理需要多重技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，開(kāi)發(fā)合適特性的飼料，調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)元素的來(lái)源(即進(jìn)料和進(jìn)料策略)，優(yōu)化養(yǎng)殖池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改善系統(tǒng)水動(dòng)力特性及固體顆粒物的去除效率等。

2)利用新型技術(shù)加強(qiáng)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)水動(dòng)力學(xué)研究。試驗(yàn)研究是工程水動(dòng)力研究的常用方法，直接測(cè)量數(shù)據(jù)也獲得研究者與生產(chǎn)者的重視，而CFD技術(shù)逐步發(fā)展成為流體力學(xué)研究的重要方式之一。目前，建立合適的計(jì)算模型來(lái)評(píng)估流場(chǎng)和養(yǎng)殖池結(jié)構(gòu)特性成了理論和試驗(yàn)研究的有效補(bǔ)充和驗(yàn)證手段。借助高端計(jì)算能力和瞬態(tài)湍流模型進(jìn)行計(jì)算研究可以模擬建立養(yǎng)殖池系統(tǒng)并對(duì)其流場(chǎng)做出預(yù)測(cè)與優(yōu)化，完善系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

3)積極開(kāi)展養(yǎng)殖系統(tǒng)可溶性及懸浮污染物的輸移擴(kuò)散機(jī)理研究。通過(guò)研究循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)污染物擴(kuò)散的影響及其與水處理技術(shù)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)可溶性及懸浮污染物的有效去除。

4)基于養(yǎng)殖魚(yú)類(lèi)開(kāi)展水動(dòng)力學(xué)研究?！棒~(yú)水不分家”，研究魚(yú)類(lèi)與水動(dòng)力的相互影響與作用機(jī)理將是未來(lái)的重點(diǎn)研究方向，無(wú)論試驗(yàn)研究還是數(shù)值模擬，未來(lái)的研究都要引入魚(yú)類(lèi)的參與，并考慮魚(yú)類(lèi)與系統(tǒng)流態(tài)的互相作用。利用CFD技術(shù)簡(jiǎn)化模擬魚(yú)類(lèi)在系統(tǒng)中的游泳運(yùn)動(dòng)，與魚(yú)類(lèi)運(yùn)動(dòng)和流態(tài)相互作用的試驗(yàn)研究形成有效補(bǔ)充。未來(lái)需豐富新型研究手段，提升系統(tǒng)水動(dòng)力學(xué)研究針對(duì)性和精準(zhǔn)性。

5)重視實(shí)際養(yǎng)殖環(huán)境的多重因素開(kāi)展魚(yú)類(lèi)與水動(dòng)力的互作研究。循環(huán)水養(yǎng)殖生產(chǎn)環(huán)境中存在生物因素及非生物因素對(duì)魚(yú)類(lèi)的影響，試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬只局限于魚(yú)類(lèi)與水動(dòng)力的相互影響，往往忽略了其他因素對(duì)魚(yú)類(lèi)運(yùn)動(dòng)及行為的影響，在魚(yú)類(lèi)運(yùn)動(dòng)與水動(dòng)力關(guān)系構(gòu)建上存在不足，與實(shí)際養(yǎng)殖環(huán)境下的水動(dòng)力特性與魚(yú)類(lèi)相互影響存在一定的差異。因此，為了提高研究結(jié)論的可靠性和適用性，模擬實(shí)際養(yǎng)殖環(huán)境的多重因素至關(guān)重要。

6)加強(qiáng)水動(dòng)力研究服務(wù)于養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)。依據(jù)養(yǎng)殖實(shí)際構(gòu)建研究系統(tǒng)，研究系統(tǒng)比尺縮放與設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化要服從研究理論和功能要求，緊密結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，讓優(yōu)化與提出的設(shè)計(jì)模型能更好地服務(wù)于養(yǎng)殖生產(chǎn)。

7)探索水動(dòng)力與魚(yú)類(lèi)行為的交叉結(jié)合研究。研究水動(dòng)力的最終目的是為了實(shí)現(xiàn)更高效的養(yǎng)殖生產(chǎn)，而魚(yú)類(lèi)作為生物具有能動(dòng)性和對(duì)環(huán)境的趨利避害性，不同魚(yú)在不同環(huán)境脅迫狀態(tài)下又有著巨大差異，魚(yú)類(lèi)與水動(dòng)力的相互影響必然因?yàn)檠芯繉?duì)象的不同而不斷變化。因此，針對(duì)特定養(yǎng)殖對(duì)象，加強(qiáng)水動(dòng)力與魚(yú)類(lèi)行為的交叉結(jié)合研究才能更精確地獲得流場(chǎng)構(gòu)建的適宜參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)有效構(gòu)建、精準(zhǔn)調(diào)控、高效生產(chǎn)。