池塘水產(chǎn)養(yǎng)殖投飼區(qū)溶解氧穩(wěn)定性分析研究*

趙思琪，趙三琴，顧家冰，丁超，丁為民

(1.南京財(cái)經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院/江蘇省現(xiàn)代糧食流通與安全協(xié)同創(chuàng)新中心,南京市,210023;2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,南京市,210031)

0 引言

投飼機(jī)是魚塘養(yǎng)殖過程最重要的日常管理機(jī)械,其作業(yè)性能直接影響?zhàn)B殖產(chǎn)業(yè)效益。目前相關(guān)學(xué)者主要從機(jī)械參數(shù)角度設(shè)計(jì)改進(jìn)投飼機(jī)[1-5],包括投飼能力、投飼面積、投飼破碎率、投飼均勻性和功耗等。然而,隨著大面積高密度集中式投喂養(yǎng)殖模式的推廣,這種指標(biāo)下設(shè)計(jì)的投飼機(jī)投喂時(shí)存在投飼區(qū)缺氧而導(dǎo)致餌料利用率低、水質(zhì)惡化的問題[6-8]。究其原因：現(xiàn)有投飼機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)僅關(guān)注機(jī)具的機(jī)械參數(shù),而對(duì)影響魚類攝食的水質(zhì)參數(shù)未考慮。因此,在現(xiàn)有機(jī)械設(shè)計(jì)參數(shù)的基礎(chǔ)上,如何結(jié)合水質(zhì)參數(shù)來設(shè)計(jì)改進(jìn)投飼機(jī)是實(shí)現(xiàn)投飼設(shè)備轉(zhuǎn)型升級(jí)亟需解決的問題。

關(guān)于投飼機(jī)作業(yè)性能對(duì)水質(zhì)參數(shù)影響的研究,其實(shí)質(zhì)是集中投喂過程養(yǎng)殖魚類群聚攝食,攝食過程魚群呼吸、食物消化等新陳代謝消耗大量溶解氧,而引起投飼區(qū)水體溶解氧穩(wěn)定性變化的問題,從而因投飼區(qū)缺氧導(dǎo)致魚類攝食率降低、餌料轉(zhuǎn)化率下降,最終導(dǎo)致餌料浪費(fèi)、水體污染。目前關(guān)于溶解氧與餌料利用率的實(shí)驗(yàn)室研究較多,已定性證明溶解氧含量影響攝食行為[9-11],并已報(bào)道魚類攝食時(shí)的耗氧速率模型[12-14],這些已有的研究結(jié)論為研究投飼機(jī)投飼時(shí)溶解氧變化規(guī)律及其穩(wěn)定性分析提供了理論基礎(chǔ)。因此,本文根據(jù)魚類呼吸耗氧速率模型和溶解氧收支平衡方程首先推導(dǎo)出投飼過程理論溶解氧穩(wěn)定性模型,然后以3種典型投飼機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證模型有效性,分析投飼機(jī)作業(yè)性能對(duì)溶解氧穩(wěn)定性影響,提出溶解氧參數(shù)應(yīng)作為投飼機(jī)設(shè)計(jì)改進(jìn)的重要指標(biāo)之一,并以如何提高投飼區(qū)溶解氧穩(wěn)定性為切入點(diǎn),提出投飼機(jī)優(yōu)化改進(jìn)的研究方向。

1 投飼區(qū)溶解氧穩(wěn)定性分析

1.1 投飼區(qū)溶解氧收支平衡分析

定點(diǎn)集中投飼模式下,投飼機(jī)直接作業(yè)對(duì)象是餌料,餌料分布影響魚群分布,投飼區(qū)吸引魚群大量聚集攝食,而攝食過程中魚群呼吸、食物消化、殘餌糞便分解等消耗大量溶解氧,進(jìn)而影響投飼區(qū)溶解氧穩(wěn)定性,引起溶氧不足問題,從而影響魚群攝食率、餌料轉(zhuǎn)化率,造成餌料浪費(fèi)、水體污染。為解決集中投喂過程投飼區(qū)溶解氧不足的問題,首先要明確集中投喂過程投飼區(qū)溶解氧穩(wěn)定性變化規(guī)律。投飼區(qū)溶解氧穩(wěn)定性變化規(guī)律實(shí)質(zhì)是對(duì)集中投飼時(shí)溶解氧暫態(tài)變化過程的研究,對(duì)于此暫態(tài)過程分析的前提需要了解溶氧收支平衡問題,目前已有研究證明影響水體溶氧的因素有光合增氧、機(jī)械增氧、空氣溶氧、水呼吸、魚呼吸、底泥呼吸[15-17]。因每日總投飼時(shí)長(zhǎng)(日投飼3次,每次時(shí)長(zhǎng)1 h)較短(占晝夜時(shí)長(zhǎng)12.5%),且投飼過程投飼區(qū)魚群密度較高,故認(rèn)為集中投飼過程中溶解氧支出主要為魚呼吸耗氧Rf[14-15],溶解氧收入主要為機(jī)械增氧QS[17]。

其中,每千克魚每小時(shí)呼吸耗氧模型

(1)

式中：Rf——呼吸耗氧速率,mg/(kg·h);

Y0——比例系數(shù);

DOt——投飼進(jìn)行t時(shí)長(zhǎng)時(shí)對(duì)應(yīng)水體溶解氧值,mg/L;

θY——呼吸耗氧溫度系數(shù);

T——水體溫度,℃;

b——呼吸耗氧體重指數(shù);

W——魚質(zhì)量,g;

DOk——溶解氧半飽和濃度,mg/L。

機(jī)械增氧模型

(2)

QS=KLa(20)VCS(20)·10-3

(3)

KLa(20)=KLa(T)/1.024(T-20)

(4)

式中：dc/dt——單位容積內(nèi)氧傳遞速率,mg/(L·h);

KLa——氧傳遞系數(shù),h-1;

CS——液體飽和溶氧值,mg/L-1;

QS——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(20 ℃水溫,1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)增氧能力,kg/h;

KLa(20)——20 ℃水溫條件下氧轉(zhuǎn)移系數(shù),h-1;

V——試驗(yàn)水體體積,m3;

CS(20)——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的理論飽和溶解氧濃度值,mg/L;

KLa(T)——任意水溫下氧轉(zhuǎn)移系數(shù),h-1。

通過以上對(duì)投飼區(qū)溶解氧收支來源分析與魚塘水體溶解氧收支平衡原理,得到投飼機(jī)作業(yè)過程投飼區(qū)溶解氧動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型

(5)

式中：DO0——投飼起始溶解氧濃度,mg/L;

M——載魚量,kg;

t——投飼時(shí)長(zhǎng),h;

S——投飼區(qū)覆蓋面積,m2;

h——魚塘水深度,m。

1.2 投飼區(qū)溶解氧穩(wěn)定性模型構(gòu)建

1) 振動(dòng)式投飼機(jī)(Vibrating Feeder,VFM)和氣動(dòng)式投飼機(jī)(Pneumatic Feeder,PFM)溶解氧穩(wěn)定性模型。從溶解氧收支平衡角度分析,振動(dòng)式和氣動(dòng)式投飼機(jī)作業(yè)時(shí)溶解氧支出均主要為魚呼吸消耗,沒有溶解氧收益,需滿足

(DO0-DOt)Sh=MRft

(6)

化簡(jiǎn)式(6)為溶解氧值DOt和時(shí)間t的函數(shù)

(7)

由式(7)可得VFM和PFM作業(yè)時(shí)水體溶解氧DOt隨時(shí)間t變化規(guī)律曲線如圖1(a)、圖1(b)所示,發(fā)現(xiàn)投飼區(qū)溶解氧隨時(shí)間呈現(xiàn)漸進(jìn)下降的趨勢(shì),分析知該變化規(guī)律與米氏酶促反應(yīng)模型初始反應(yīng)速度曲線特征相似,對(duì)式(7)轉(zhuǎn)化得

(a) 振動(dòng)式投飼機(jī)

(8)

式中：tm——溶氧濃度降至初始溶氧DO0與最低溶氧DOmin差值一半時(shí)所對(duì)應(yīng)投飼時(shí)長(zhǎng),min。

2) 風(fēng)送投飼增氧一體式投飼機(jī)(Feeding-Aerobic Feeder,AFM)溶解氧穩(wěn)定性模型。從溶解氧收支平衡角度分析,風(fēng)送投飼增氧一體式投飼機(jī)作業(yè)時(shí)溶解氧支出為魚呼吸消耗,溶解氧收益為機(jī)械增氧,需滿足

(DO0-DOt)Sh+QSt=

(9)

化簡(jiǎn)得

(10)

由式(10)可得一體機(jī)作業(yè)時(shí)投飼區(qū)溶解氧DOt隨時(shí)間t變化規(guī)律曲線,如圖1(c)所示,分析發(fā)現(xiàn)在投飼過程中,溶解氧與時(shí)間呈現(xiàn)較強(qiáng)線性關(guān)系,則式(10)轉(zhuǎn)化為

DOt=kt+DO0

(11)

式中：k——溶解氧變化率。

3) 溶解氧變異系數(shù)(DCV)

(12)

(13)

(14)

式中：a——投飼過程溶解氧均值,mg/L;

n——投飼過程水體溶氧測(cè)量次數(shù);

ai——投飼過程第i次測(cè)量溶解氧值,mg/L;

S0——溶解氧標(biāo)準(zhǔn)差,mg/L;

DCV——投飼過程水體溶解氧變異系數(shù),%。

同等投飼時(shí)長(zhǎng)下DCV越小表明溶解氧穩(wěn)定相越好,機(jī)具作業(yè)性能也越好。

觀察圖1,VFM和PFM在集中投喂過程中,投飼區(qū)溶氧濃度隨時(shí)間變化趨勢(shì)較為一致,均呈現(xiàn)漸進(jìn)下降規(guī)律,但溶解氧波動(dòng)幅度存在明顯差異。因VFM和PFM工作時(shí)投飼區(qū)溶氧收支來源一致,兩者主要存在投飼區(qū)覆蓋面積S不同,投飼區(qū)覆蓋面積S的差異不影響溶解氧變化規(guī)律性,但投飼區(qū)覆蓋面積越大溶解氧穩(wěn)定性越好。相較而言,AFM與增氧技術(shù)相結(jié)合,提高了投飼區(qū)溶解氧穩(wěn)定性,但其自動(dòng)化、智能化水平較低,難以根據(jù)投飼過程水體溶解氧變化規(guī)律合理配置和開啟增氧機(jī),存在盲目增氧問題。由圖1及上述分析可知3種投飼機(jī)作業(yè)時(shí)投飼區(qū)溶解氧穩(wěn)定性具有明顯差異,目前僅根據(jù)機(jī)械參數(shù)設(shè)計(jì)的投飼機(jī)存在集中投飼作業(yè)過程投飼區(qū)溶氧不足及盲目增氧的問題。

探討集中投飼過程投飼機(jī)設(shè)計(jì)性能對(duì)投飼區(qū)溶解氧穩(wěn)定性的影響,實(shí)質(zhì)上是探討不同機(jī)具作業(yè)時(shí)投飼區(qū)溶解氧變異系數(shù)DCV隨時(shí)間的變化規(guī)律,用溶解氧變異系數(shù)DCV對(duì)溶解氧穩(wěn)定性進(jìn)行量化分析。從養(yǎng)殖對(duì)象攝食生長(zhǎng)角度分析,溶解氧穩(wěn)定性程度直接影響魚群呼吸耗氧Rf,進(jìn)而影響魚群攝食率、攝食強(qiáng)度等生理過程,而投飼機(jī)最終作業(yè)對(duì)象是魚類,魚類生長(zhǎng)好壞直接反映投飼機(jī)性能。上述分析表明,投飼機(jī)性能對(duì)溶解氧穩(wěn)定性具有重要影響,進(jìn)而影響魚類攝食生長(zhǎng),溶解氧參數(shù)應(yīng)同機(jī)械參數(shù)結(jié)合作為投飼機(jī)優(yōu)化改進(jìn)的重要指標(biāo)。因而針對(duì)現(xiàn)有投飼機(jī)設(shè)計(jì)僅關(guān)注機(jī)械參數(shù),未考慮影響魚類攝食生長(zhǎng)的溶解氧參數(shù)而引起投飼區(qū)溶解氧不足、盲目增氧、水質(zhì)污染等方面問題,以如何提高溶解氧穩(wěn)定性為切入點(diǎn),將溶解氧參數(shù)與機(jī)械參數(shù)相結(jié)合對(duì)投飼機(jī)進(jìn)行改進(jìn)升級(jí)。以3種常用投飼機(jī)實(shí)地魚塘試驗(yàn)驗(yàn)證并討論投飼區(qū)溶解氧穩(wěn)定性模型有效性和投飼機(jī)作業(yè)性能對(duì)溶解氧穩(wěn)定性的重要影響,給出不同載魚量下各投飼機(jī)投飼區(qū)溶解氧穩(wěn)定性曲線,并從如何提高溶解氧穩(wěn)定性角度從內(nèi)部結(jié)構(gòu)、投飼模式和智能化水平3個(gè)方面對(duì)投飼機(jī)優(yōu)化改進(jìn)進(jìn)行探討。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

2.1 材料與方法

試驗(yàn)于江蘇省南京市六合區(qū)長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行(北緯32°12′13.44″;東經(jīng)118°58′3.40″),試驗(yàn)選取3口毗鄰且規(guī)格一致(面積1.33 hm2,長(zhǎng)寬比2.7∶1,深2～2.2 m,東西走向)的精養(yǎng)高產(chǎn)魚塘為研究對(duì)象。各塘口最大載魚量15 000 kg/hm2,主養(yǎng)草魚、花鰱、鯽魚,放養(yǎng)比例4∶3∶3。

2.1.1 試驗(yàn)設(shè)備

VFM(型號(hào)：STLZ-120,功率120 W)、PFM(型號(hào)：STFZ-3000,功率3 kW)、AFM(型號(hào)：STFZY-4000,功率4 kW)3種類型投飼機(jī)如圖2所示。

(a) VFM

試驗(yàn)利用丹麥歐式卡OxyGuard溶氧儀(測(cè)量范圍0～20 mg/L;氧分壓0～200%;溫度-5 ℃～+45 ℃;精確度≥99%;響應(yīng)時(shí)間<20 s)和自行研制全自動(dòng)增氧機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)[19]對(duì)投飼過程溶解氧進(jìn)行監(jiān)測(cè)、保存,期間通過歐式卡便攜式溶氧儀對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。

2.1.2 試驗(yàn)方法

VFM設(shè)為試驗(yàn)組A,PFM設(shè)為試驗(yàn)組B,AFM設(shè)為試驗(yàn)組C。各塘每天投飼3次：早8：00～9：00,午12：30～13：30,晚16：30～17：30,餌料均選擇3 mm柱形魚用飼料。每個(gè)試驗(yàn)組設(shè)置3個(gè)測(cè)氧點(diǎn),各測(cè)氧點(diǎn)均勻布置在3種投飼機(jī)作業(yè)時(shí)飼料密集分布區(qū),分別為距離VFM(7 m)、PFM(17 m)、AFM(17 m)水深0.5 m處,從投飼起始利用溶氧儀每隔5 min記錄1次當(dāng)前水體溶解氧值,每個(gè)工況下測(cè)量3次重復(fù)。為保持試驗(yàn)條件一致性,各試驗(yàn)組增氧機(jī)每天開啟數(shù)量、開啟時(shí)間、開啟時(shí)長(zhǎng)等養(yǎng)殖管理措施保持一致,每塘配置YL-3000增氧機(jī)4臺(tái)共12 kW。

2.2 投飼機(jī)魚塘試驗(yàn)效果分析

試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)早投飼時(shí)溶解氧濃度較低,為(3±0.5) mg/L,且早投飼量相對(duì)較少,占日投飼量25%±3%(圖3),為驗(yàn)證效果更為明顯,本文以占日投飼量70%以上且溶氧濃度相對(duì)較高的午投飼和晚投飼為研究對(duì)象。

圖3 投飼初始溶解氧濃度及早投飼量比重Fig.3 Feed initial dissolved oxygen and the proportion of morning-feed

在試驗(yàn)測(cè)量及前人研究基礎(chǔ)上完成對(duì)所推導(dǎo)構(gòu)建溶解氧穩(wěn)定性模型各參數(shù)取值,其中DOt≥DOS(大宗淡水魚類呼吸受抑制閾值,取1.5 mg/L)[20];DO0由試驗(yàn)測(cè)量統(tǒng)計(jì)VFM和PFM取9 mg/L,AFM取8 mg/L;DOk試驗(yàn)測(cè)量得出2.3 mg/L;S投飼區(qū)覆蓋面積,根據(jù)實(shí)地測(cè)量結(jié)果VFM取226 m2,PFM和AFM取1 256 m2;h取2 m(魚塘水深度);M按照試驗(yàn)塘不同養(yǎng)殖生長(zhǎng)期時(shí)載魚量取值;W取70 g(處于幼魚生長(zhǎng)期時(shí)呼吸耗氧速率最高[21-22],為提高溶解氧穩(wěn)定性模型適應(yīng)性,在此選取呼吸速率最高時(shí)魚體質(zhì)量);Y0、θY和b參考前人結(jié)果[12,14,23-24]分別取0.359、1.07、0.82;T水體溫度根據(jù)實(shí)測(cè)值取值。

2.2.1 溶解氧穩(wěn)定性變化規(guī)律分析

將各參數(shù)帶入溶解氧穩(wěn)定性模型式(7)、式(10),圖4表示投飼機(jī)作業(yè)過程投飼區(qū)溶解氧濃度理論值和實(shí)測(cè)值。

(a) 振動(dòng)式投飼機(jī)溶解氧理論值與實(shí)測(cè)值

由式(15)～式(17)分別計(jì)算得出各測(cè)量點(diǎn)理論值和實(shí)測(cè)溶氧值的均方根誤差RMSE、平均絕對(duì)誤差MAE、平均相對(duì)誤差MRE如表1所示。

表1 投飼區(qū)溶解氧穩(wěn)定性模型測(cè)量誤差統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistical analysis of errors between theoretical and measured values in feeding area

(15)

(16)

(17)

式中：n——投飼過程水體溶解氧濃度測(cè)量次數(shù);

bi——投飼過程第i次測(cè)量溶解氧實(shí)際值,mg/L;

ci——投飼過程第i次測(cè)量對(duì)應(yīng)溶解氧理論值,mg/L。

從圖4分析可知,VFM和PFM作業(yè)過程投飼區(qū)溶解氧呈現(xiàn)漸進(jìn)下降的趨勢(shì),在投飼進(jìn)行40 min時(shí)長(zhǎng)過程實(shí)測(cè)值略低于理論值,因?yàn)橥讹晠^(qū)溶解氧支出除魚呼吸耗氧部分外還包括浮游生物呼吸和殘餌分解耗氧等部分,因其他耗氧支出所占比例較小,故在構(gòu)建溶解氧穩(wěn)定性模型時(shí)只考慮魚呼吸耗氧;投飼進(jìn)行40 min以后實(shí)測(cè)值略高于理論值,因?yàn)橥讹曔M(jìn)行40 min以后部分魚飽食離開投飼區(qū),緩解了對(duì)投飼區(qū)溶解氧需求壓力。AFM作業(yè)過程投飼區(qū)溶解氧呈現(xiàn)緩慢線性變化趨勢(shì),在投飼10 min時(shí)出現(xiàn)波谷,主要因?yàn)橥讹暻捌隰~群短時(shí)間內(nèi)大量聚集至投飼區(qū)攝食,而AFM中增氧輪增氧需要一定過程,難以滿足投飼區(qū)需氧量的急劇增加,故造成投飼前期溶解氧下降;而投飼進(jìn)行10 min以后溶解氧逐漸回升,因?yàn)樵鲅踺喌霓D(zhuǎn)動(dòng)促進(jìn)周圍及上層富氧水體交換,打破水體氧差。從圖4和表1分析可知投飼過程溶解氧濃度的實(shí)測(cè)值與理論值雖存在一定偏差,但整體的溶氧變化趨勢(shì)及溶解氧值結(jié)果較為一致。

2.2.2 溶解氧變異系數(shù)分析

由式(12)～式(14)及圖4得出3種投飼機(jī)作業(yè)時(shí)水體溶解氧濃度由起始值降至最低需氧值(國(guó)家漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[18],5 mg/L)時(shí)所對(duì)應(yīng)溶解氧變異系數(shù)DCV、實(shí)際投飼時(shí)長(zhǎng)tk、理論投飼時(shí)長(zhǎng)t0,如表2所示。

表2 投飼區(qū)溶解氧穩(wěn)定性模型溶解氧變異系數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics dissolved oxygen variation coefficient of theoretical and measured values in feeding area

從表2中分析可知,DCV、tk的理論值與實(shí)測(cè)值相差不大,平均絕對(duì)誤差MAE均在5%和5 min以內(nèi)。且溶解氧變異系數(shù)DCV與tk呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,DCV越小,則tk越大,機(jī)具作業(yè)表現(xiàn)越好;DCV與實(shí)際投飼時(shí)長(zhǎng)t0呈正相關(guān)關(guān)系,隨著DCV降低,t0逐漸增加。在投飼機(jī)作業(yè)時(shí),如何確保投飼期間tk>t0是投飼機(jī)設(shè)計(jì)、改進(jìn)的重點(diǎn),而溶解氧變異系數(shù)DCV與tk、t0密切相關(guān),降低DCV提高投飼區(qū)溶解氧穩(wěn)定性是設(shè)計(jì)、改進(jìn)關(guān)鍵;同時(shí)表2分析發(fā)現(xiàn)在不同載魚量下,3種投飼機(jī)投飼區(qū)溶解氧變異系數(shù)DCV均表現(xiàn)顯著差異性(P<0.05),上述分析表明投飼機(jī)性能對(duì)溶解氧穩(wěn)定性具有重要影響,溶解氧穩(wěn)定性應(yīng)作為投飼機(jī)設(shè)計(jì)改進(jìn)的重要指標(biāo)之一,該結(jié)果與1.1中理論分析結(jié)論一致。

3 討論

本文以定點(diǎn)投喂式投飼機(jī)作業(yè)時(shí),魚群集中攝食引起投飼區(qū)溶解氧不足、飼料利用率降低的問題為切入點(diǎn),對(duì)投飼過程中的溶解氧穩(wěn)定性進(jìn)行深入分析,以下從溶解氧穩(wěn)定性模型、3種投飼機(jī)作業(yè)的溶解氧穩(wěn)定性對(duì)比、投飼機(jī)改進(jìn)建議3個(gè)方面進(jìn)行討論。

1) 溶解氧穩(wěn)定性模型。本文從魚塘溶解氧收支平衡角度,首先推導(dǎo)出投飼過程溶解氧動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型,然后結(jié)合不同類型投飼機(jī)作業(yè)特點(diǎn)構(gòu)建溶解氧穩(wěn)定性模型。彌補(bǔ)了龔?fù)麑毜萚16]就魚塘溶氧收支問題以及成永旭等[25]關(guān)于投飼區(qū)與非投飼區(qū)溶解氧僅定性分析的不足。與魚塘試驗(yàn)實(shí)測(cè)相比,均方根誤差RSME為0.363 mg/L,平均絕對(duì)誤差MAE為0.273 mg/L,平均相對(duì)誤差MRE為5.702%,表明本文推導(dǎo)構(gòu)建溶解氧穩(wěn)定性模型可行有效。

2) 3種投飼機(jī)作業(yè)的溶解氧穩(wěn)定性對(duì)比研究。本文以溶解氧變異系數(shù)DCV為指標(biāo),對(duì)當(dāng)前常用3種投飼機(jī)作業(yè)時(shí)溶解氧穩(wěn)定性進(jìn)行研究,理論與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果分別為43.56%/42.28%(VFM);12.50%/14.92%(PFM);1.96%/3.88%(AFM),表明各機(jī)具作業(yè)過程溶解氧穩(wěn)定性表現(xiàn)具有顯著差異性(P<0.05)。雖然葛一健[26]、吳強(qiáng)澤等[27]對(duì)中國(guó)各類型投飼機(jī)作業(yè)性能均從機(jī)械指標(biāo)進(jìn)行定性對(duì)比分析,但并未考慮溶解氧參數(shù)指標(biāo);而陳曉龍等[1]雖指出因投飼不均勻、投飼面積小,造成投飼區(qū)缺氧,餌料利用率低的問題,從增大投飼區(qū)面積的角度提高溶解氧穩(wěn)定性,但對(duì)投飼區(qū)溶解氧穩(wěn)定性變化規(guī)律缺少有效的量化描述,難以指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用。主要因?yàn)?1)相關(guān)研究人員集中從機(jī)械參數(shù)角度對(duì)投飼機(jī)優(yōu)化改進(jìn)及性能評(píng)價(jià);(2)之前市面上尚未有比較成熟完善的溶解氧傳感器,難以對(duì)溶解氧進(jìn)行連續(xù)、長(zhǎng)時(shí)間準(zhǔn)確測(cè)量。本文基于課題組自主研制全自動(dòng)增氧系統(tǒng)[19]及丹麥歐式卡溶解氧傳感器對(duì)3種機(jī)型投飼機(jī)投飼區(qū)溶解氧進(jìn)行連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量,并以溶解氧變異系數(shù)對(duì)其進(jìn)行有效量化分析,發(fā)現(xiàn)投飼機(jī)作業(yè)性能對(duì)溶解氧穩(wěn)定性具有重要影響,指出溶解氧參數(shù)應(yīng)與機(jī)械設(shè)計(jì)參數(shù)共同作為投飼機(jī)優(yōu)化改進(jìn)的重要指標(biāo)。

3) 投飼機(jī)優(yōu)化改進(jìn)建議。本文通過對(duì)3種機(jī)型投飼機(jī)作業(yè)溶解氧對(duì)比研究發(fā)現(xiàn),VFM溶解氧穩(wěn)定性最差,主要因?yàn)槠渫讹晠^(qū)覆蓋面積太小,投飼時(shí)單位水體載魚量過高;PFM通過對(duì)輸料、拋料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化,增大投飼區(qū)范圍[28],但提高溶解氧穩(wěn)定性程度有限;相較前兩者,AFM與增氧技術(shù)相結(jié)合,投飼過程溶解氧穩(wěn)定性最高,但其自動(dòng)化、智能化水平較低[29-30],難以根據(jù)投飼過程水體溶解氧變化規(guī)律合理配置和開啟增氧機(jī)。上述研究結(jié)果表明投飼機(jī)的優(yōu)化改進(jìn)方向應(yīng)主要集中在如何高效提高投飼區(qū)溶解氧穩(wěn)定性方面：(1)內(nèi)部結(jié)構(gòu)改進(jìn)建議：建立溶解氧穩(wěn)定性與投飼機(jī)機(jī)械參數(shù)相關(guān)關(guān)系,進(jìn)而建立機(jī)械參數(shù)與投飼機(jī)內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)相關(guān)關(guān)系,優(yōu)化改進(jìn)投飼機(jī)內(nèi)部拋料結(jié)構(gòu),提高投飼均勻性,增加投飼區(qū)覆蓋面積以提高投飼區(qū)溶解氧穩(wěn)定性;(2)投飼模式改進(jìn)建議：變定點(diǎn)集中投飼模式為動(dòng)點(diǎn)移動(dòng)投飼模式,增加投飼區(qū)覆蓋面積,降低單位載魚量,以提高投飼區(qū)溶解氧穩(wěn)定性;(3)提高智能化水平：投飼技術(shù)與增氧技術(shù)和水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合,根據(jù)投飼區(qū)溶解氧變化規(guī)律及下降程度,合理開啟和配置增氧機(jī),達(dá)到高效增強(qiáng)投飼區(qū)溶解氧穩(wěn)定性的目的,提高魚群攝食率,降低餌料浪費(fèi)。

4 結(jié)論

1) 本文基于魚類呼吸耗氧模型及溶解氧收支平衡方程推導(dǎo)構(gòu)建投飼區(qū)溶解氧穩(wěn)定性模型,比較理論值和實(shí)測(cè)值,各測(cè)量點(diǎn)溶解氧的均方根誤差RMSE為0.376 mg/L,平均絕對(duì)誤差MAR為0.290 mg/L,平均相對(duì)誤差MRE為6.080%,說明所構(gòu)建模型有效可行。

2) 以溶解氧變異系數(shù)DCV為指標(biāo)實(shí)現(xiàn)溶氧穩(wěn)定性量化分析,3種投飼機(jī)投飼過程DCV實(shí)測(cè)值/理論值分別為39.32%/38.33%(VFM);12.50%/14.92%(PFM);1.96%/3.88%(AFM),各機(jī)具之間溶解氧穩(wěn)定性均表現(xiàn)顯著差異性(P<0.05),該結(jié)果表明溶解氧參數(shù)應(yīng)作為投飼機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化的重要指標(biāo)之一,并提出以提高溶解氧穩(wěn)定性為目的,從內(nèi)部結(jié)構(gòu)、投飼模式、智能化水平3方面進(jìn)行投飼機(jī)優(yōu)化改進(jìn)的建議,可為設(shè)計(jì)綜合性能較好的投飼設(shè)備提供參考。