分隔式循环水池塘养殖系统设计与试验田昌凤

第33卷第8期农业工程学报Vol.33No.82017年4月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringApr.2017183分隔式循环水池塘养殖系统设计与试验田昌凤1，刘兴国※1,2，车轩1，顾兆俊1，曾宪磊1，朱浩1，杨家朋1（1.中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海200092；2.农业部渔业装备与工程重点试验室，上海200092）摘要：为了解决池塘养殖设施化程度低、净化能力不足和排污效果差等问题，设计了分隔式循环水池塘养殖系统。该系统由20%水面的吃食性鱼类养殖区和80%水面的滤杂食性鱼类养殖区构成，配置过水堰、螺旋桨式和水车式推流装置、集污和吸污装置等养殖系统设施和装备。性能测试结果表明：螺旋桨式推流装置提水动力效率为340m3/（kW·h），流量为204m3/h，空载噪音为60dB；水车式推流装置提水动力效率为360m3/(kW·h)，流量为180m3/h，空载噪音为67dB；过水堰过水的总流量约为331m3/h，利用水循环装备实现水体流动可实现水体日交换量7900m3，达到养殖池塘水体的50%左右。利用推流装置搅动水体，可实现水体大范围的对流，交替暴晒水体，增加水体中的溶解氧，试验池塘中下层溶解氧水平比对照塘高出59.5%，试验池塘叶绿素a浓度比对照塘低，说明一定程度上限制了浮游植物过渡繁殖。该养殖系统可为池塘健康养殖系统模式构建提供参考。关键词：渔业；水产养殖；水质；分隔；循环水；过水堰；池塘养殖doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.025中图分类号：S95文献标志码：A文章编号：1002-6819(2017)-08-0183-08田昌凤，刘兴国，车轩，顾兆俊，曾宪磊，朱浩，杨家朋.分隔式循环水池塘养殖系统设计与试验[J].农业工程学报，2017，33(8)：183－190.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.025[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2017,33(8):183－190.(inChinesewithEnglishabstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.025引言据《2015中国渔业年鉴》[1]资料，2015年中国池塘养殖面积为311.9万hm2，养殖产量为2319.843万t。池塘养殖已成为中国水产养殖的主要形式和水产品供应的主要来源[2-4]。中国的水产养殖向着高密度、集约化迅猛发展，越来越多的养殖废物在养殖环境中累积，造成养殖环境恶化，而中国还没有建立养殖废水排放标准，大量养殖废水排放到周围环境中，对生态环境也造成了巨大压力[5-7]。另外由于产业发展水平不高，池塘养殖的设施化程度很低，多数养殖池塘存在破败陈旧、坍塌淤积严重、设施化水平低和设施配置不足等问题[8-9]，近年来，随着池塘集约化养殖需求的提高，池塘设施化养殖成为发展的新方向。池塘不仅是鱼类生活的场所，也是天然饵料的培育基地和有机物氧化分解的场所[10]。20世纪九十年代以来，收稿日期：2016-11-08修订日期：2017-02-17基金项目：现代农业产业技术体系建设专项资金资助(CARS-46)；节水高效全循环池塘养殖关键技术合作研究（2015-Z16）作者简介：田昌凤，女，安徽宿州人，助理研究员，从事池塘养殖机械装备研发。上海中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，200092。Email：[e-mail]※通信作者：刘兴国，男，山东潍坊人，研究员，博士，从事养殖水环境调控研究。上海中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，200092。Email：[e-mail]随着养殖产量的不断提高和病害的不断爆发，池塘养殖系统等问题又成为养殖业者关注的新热点。为了提高池塘养殖效果，国内外许多科研人员研究了许多新的池塘养殖系统，取得了一定的成效，为池塘养殖健康可持续发展提供了新途径，但是这些系统中的循环水的设施与装备研究甚少。如李德尚等[11]研究构建的虾池封闭式综合养殖系统，黄国强等[12]设计的多池循环水对虾养殖系统，李谷等[13]研究构建的复合人工湿地-池塘养殖生态系统，刘兴国等[4]研究构建的池塘生态工程化循环水养殖系统等均未涉及到水循环动力系统的配置研究。在国外，虽然池塘养殖不是主要养殖方式，但国外水产科研人员对池塘养殖基础设施的基础研究比较深入，如研发的低碳高效循环水系统[14-16]利用罗茨风机与纳米管相结合的方式推动水体循环，水体流速大很难将污染物集中；Brune等[17]研发的分隔式池塘养殖系统和佛罗里达州立大学Lazur等[18]研究构建的跑道式池塘养殖系统，利用推水车为系统水体循环提供动力，但水循环动力系统和集排污系统的理论计算和分析未见报道。国内外的相关研究较好的解决了池塘养殖的节水、排放等问题，提高了池塘养殖效果，在一定程度上也推动了池塘养殖设施化的发展，但其对集污排污等问题却没有得到有效解决。本文针对大宗淡水鱼的养殖特点，设计了一种分隔式循环水养殖系统，该系统利用水循环装备实现养殖水农业工程学报（）2017年184体循环和净化，利用集排污装置收集池塘沉积物，以期达到“节能、减排、生态、高效”养殖目的，为池塘健康养殖系统模式构建提供参考。1养殖系统整体结构1.1设计原则1.1.1工艺思路分隔式循环水池塘养殖系统由吃食性鱼类养殖区和滤杂食性鱼类养殖区组成，养殖池塘的20%水面养殖不同规格的吃食性鱼类，80%水面养殖滤杂食性鱼类，2个养殖区之间用水泥墙隔开，分隔墙两侧有水流通道，系统进水端通道通过螺旋桨式和水车式推流装置使水体循环流动，经过吃食性鱼类养殖区的生态沟渠过滤后，再通过过水堰返回到滤杂食性鱼类养殖区，形成分隔式循环水池塘养殖系统，如图1所示。为了更好的引导水流，滤杂食性鱼类养殖区设计有导流墙，使水流能够更加均匀的分布。吃食性鱼类养殖区设计有3排鱼池，分别为小规格鱼种养殖池、矩形大规格鱼种养殖池和切角方形成鱼养殖池，每排鱼池由3种不同规格的鱼池组成一个养殖单元，3个养殖单元面积比为1∶3.5∶7[19]。1.螺旋桨式推流装置2.水车式推流装置3.过水堰4.吸污装置5.集污装置1.Propellerflowdevice2.Paddlewheeldevice3.Overflowweir4.Pollutantabsorptiondevice5.Pollutantcollectiondevice图1分隔式循环水池塘养殖系统布置示意图Fig.1Sketchmapofpartitionedrecirculatingpondaquaculturesystemlayout1.1.2过水堰设计过水堰设计成有侧收缩矩形薄壁堰，其堰口宽度小于行近渠道的宽度。养殖池塘系统利用长方形池塘进行改造，现有长宽比为2∶1，水深2.0m左右[20]，水面面积为4600m2，要求2d系统水体量循环一次，故循环量约为192m3/h，安全系数取1.6～1.7，则系统所需总流量为300m3/h，按此目标流量设计矩形过水堰参数[21]。13222(2)3eeeQCgbh（1）式中Q为过水堰流量，m3/s；Ce为流量系数；g为重力加速度，m/s2；be为堰口的有效宽度，m；he为有效水头，m[20]。0.5890.0018(/)eChp（2）式中h为堰口高度，为0.3m；p为上游堰口高度，为1.7m，Ce为0.5887[21]。ebbbK（3）式中b为堰口宽度，0.3m，Kb为粘滞力的校正值，mm。查表的Kb值为2.4mm，则be为0.3024[20]。ehhhK（4）式中Kh为表面张力的校正值，取0.001m，则有效水头he为0.3001m。将上述参数代入公式（1）可得流量Q为311m3/h，此流量大于目标流量300m3/h，故满足设计要求。1.2循环水设备配置分隔式循环水池塘养殖系统的改造工程主要集中在吃食性鱼类养殖区，主要改造内容修建养殖池的隔离墙、过水堰通道、铺设进排水管、安装推流装置、集污和吸污装置等（见图1），其中图中标注文字的水流方向为主体流态方向，而未标注文字的水流方向为养殖区内流水方向。1.2.1螺旋桨式推流装置1）设计思路目前市面上销售的低扬程大流量的泵多为轴流泵，系统设计初期选用市面上已有的轴流泵，功率NM为3kW，每天运行24h的能耗太高，故采用泵的相似理论对模型泵进行改进设计，通过改进电机转速，叶轮直径等参数研发低功耗低扬程大流量的螺旋桨式推流装置。2）理论计算泵的相似理论在泵的设计和试验中广泛应用，按相似理论可以把模型试验结果换算到实型泵参数上。①实型泵与模型泵流量之间的关系：对于几何相似的泵，在相似的运转工况下，其流量之比与叶轮外径三次方成正比，与转速一次方成正比，与其容积效率成正比[22]。32112VMMMMVQnDQnD（5）②实型泵与模型泵扬程之间的关系：对于几何相似的泵，在相似的运转工况下，其扬程之比与其叶轮外径的平方成正比，与其转速的平方成正比，与其水力效率成正比[22]。2222122hMMMMhHDDHDD（6）③实型泵与模型泵功率之间的关系：对于几何相似的泵，在相似的运转工况下，其轴功率之比与液体的密度成正比，与叶轮外径的五次方成正比，与其转速的三次方成正比，与其机械效率成反比[22]。5321121mMMMMMmNDnNDn（7）相似定律中的尺寸D2、转速n对实型泵和模型泵来说都是容易确定的值，但是要精确决定模型泵和实型泵的各种效率十分困难。根据大量试验证明，在实际应用中，如果实型泵和模型泵尺寸，转速相差不太大时，可以认为在相似工况运转时，各种效率相等，则式（5）、（6）、第8期田昌凤等：分隔式循环水池塘养殖系统设计与试验185（7）变为32112MMMQnDQnD（8）222112MMMHnDHnD（9）5321121MMMMNDnNDn（10）式中QM为模型泵流量，300m3/s；nM为模型泵转速，1450r/min；HM为模型泵扬程，6m；NM为模型泵功率，3kW；ρM为模型泵液体密度，kg/m3；D2M为模型泵叶轮外径，200m；Q1为实型泵流量，m3/s；n1为实型泵转速，r/min；H1为实型泵扬程，m；N1为实型泵功率，kW；ρ1为实型泵液体密度，kg/m3；D2为实型泵叶轮外径，m。设计的实型泵叶轮尺寸与模型泵相同，均为200mm直径的叶轮，实型泵的电机根据市场销售电机已有的型号，选用转速n为910r/min的6级电机，将以上参数代入式（8）、（9）、（10）可得流量Q1约为188.3m3/h，扬程H1约为2.4m，功率N1约为0.74kW，所以电机选型时选择功率为0.75kW，转速为910r/min的交流电机。3）结构设计螺旋桨式推流装置主要由电机、联轴器、轴承、电机座、主轴、桶体、螺旋桨及其附件组成（图2）。螺旋桨通过螺栓固定在主轴上；螺旋桨式推流装置通过支架固定在分隔式循环水池塘养殖系统的隔离墙上。1.电机2.联轴器3.平垫圈4.轴承5.骨架油封6.电机座7.桶体8.主轴9.轴套10.橡胶轴承11.螺旋桨1.M