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  • ISSN 1007-6336
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方形圆弧角海水养殖池排污特性的试验研究

任效忠 王江竹 薛博茹 姜恒志 宛立 王国峰 车宗龙

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方形圆弧角海水养殖池排污特性的试验研究

    作者简介: 任效忠(1981-),男,山西孝义人,博士,主要研究方向为工程水动力学及工程设计,E-mail:renxiaozhong@dlou.edu.cn;
    通讯作者: 宛 立(1970-),女,辽宁大连人,博士,主要研究方向为海洋环境,E-mail:wanli@dlou.edu.cn
  • 基金项目: 国家自然科学基金面上项目(31872609);南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)项目(GML2019ZD0402);国家重点研发计划项目(2017YFD0701701);广东省重点领域研发计划项目(2019B020215001);自治区(新疆)重点研发计划项目(2017B01004-2)
  • 中图分类号: S955.1

Experimental study on the blowdown characteristics of square arc-angle maricultural tank

  • 摘要: 为研究工厂化海水养殖系统方形圆弧角养殖池的排污效果,本文建立了单通道排污的养殖池物理模型试验系统,开展了水体日循环次数、射流角度、径深比、相对弧宽比参数对养殖池集排污特性影响的试验研究,分析了固体颗粒物排污规律以及影响池内排污效果的主要因素。本文试验结果表明:水体日循环次数是影响单通道方形圆弧角养殖池系统排污效果的首要因素,池内平均速度越快,养殖池系统的排污效果越好;以20°为间隔开展单管弧壁进水试验,进水管入射角度为40°时池内排污效果最优;固体颗粒物排污效率的明显分界径深比为6∶1,方形圆弧角养殖池径深比小于6∶1时更有利于系统排污;方形圆弧角养殖池的排污效果明显优于方形养殖池,相对弧宽比为R/B=0.2时排污效果最佳。研究表明,优化方形圆弧角养殖池结构及水力驱动条件可不同程度地提高养殖池的系统排污效率,本研究可为改善方形圆弧角养殖池快速排污问题提供理论参考和优化方向。
  • 图 1  排污试验模型图

    Figure 1.  Model diagram of blowdown experiment

    图 2  进水位置示意图

    Figure 2.  Single pipe water inlet position diagram

    图 3  单管进水时不同日循环次数下饲料排出率随时间变化图及最终排出率

    Figure 3.  Graph of feed discharge rate over time and final discharge rate under different daily circulation times when single pipe inlet

    图 4  双管进水时不同日循环次数下饲料排出率随时间变化图及最终排出率

    Figure 4.  Change graph of feed discharge rate with time and the final discharge rate under different daily circulation times during double-tube water intake

    图 5  单管进水与双管进水饲料最终排出率对比图

    Figure 5.  Comparison of final feed discharge rate between single tube feed and double tube feed

    图 6  单管弧壁进水时不同入射角度下饲料排出率随时间变化图及最终排出率

    Figure 6.  The change chart of feed discharge rate with time and the final discharge rate under different incident angles when single tube arc wall inlet

    图 7  单管弧壁进水入射角度为80°时不同时刻试验过程图

    Figure 7.  Test process diagram at different moments when the incident angle of the single tube arc wall water inlet is 80°

    图 8  不同径深比情况下饲料排出率随时间变化图及最终排出率

    Figure 8.  The change chart of feed discharge rate with time and the final discharge rate under different ratio of diameter to depth

    图 9  不同R/B饲料排出率随时间变化图及最终排出率

    Figure 9.  The graph of discharge rate with time and final discharge rate of different R/B feed

    表 1  径深比试验分组

    Table 1.  Experimental grouping of the ratio of diameter to water depth

    径深比水深/cm进水流量/m3·h−1开孔数
    4∶1250.83323
    5∶1200.66718
    6∶116.70.55615
    7∶114.30.47713
    8∶112.50.41711
    9∶111.10.3710
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-06-28
  • 录用日期:  2020-08-09
  • 刊出日期:  2021-10-20

方形圆弧角海水养殖池排污特性的试验研究

    作者简介:任效忠(1981-),男,山西孝义人,博士,主要研究方向为工程水动力学及工程设计,E-mail:renxiaozhong@dlou.edu.cn
    通讯作者: 宛 立(1970-),女,辽宁大连人,博士,主要研究方向为海洋环境,E-mail:wanli@dlou.edu.cn
  • 1. 大连海洋大学 海洋科技与环境学院,辽宁 大连 116023
  • 2. 设施渔业教育部重点实验室,辽宁 大连 116023
  • 3. 大连海洋大学 海洋与土木工程学院,辽宁 大连 116023
  • 4. 国家海洋环境监测中心,辽宁 大连 116023
  • 5. 沈阳工程学院,辽宁 沈阳 110136
基金项目: 国家自然科学基金面上项目(31872609);南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)项目(GML2019ZD0402);国家重点研发计划项目(2017YFD0701701);广东省重点领域研发计划项目(2019B020215001);自治区(新疆)重点研发计划项目(2017B01004-2)

摘要: 为研究工厂化海水养殖系统方形圆弧角养殖池的排污效果,本文建立了单通道排污的养殖池物理模型试验系统,开展了水体日循环次数、射流角度、径深比、相对弧宽比参数对养殖池集排污特性影响的试验研究,分析了固体颗粒物排污规律以及影响池内排污效果的主要因素。本文试验结果表明:水体日循环次数是影响单通道方形圆弧角养殖池系统排污效果的首要因素,池内平均速度越快,养殖池系统的排污效果越好;以20°为间隔开展单管弧壁进水试验,进水管入射角度为40°时池内排污效果最优;固体颗粒物排污效率的明显分界径深比为6∶1,方形圆弧角养殖池径深比小于6∶1时更有利于系统排污;方形圆弧角养殖池的排污效果明显优于方形养殖池,相对弧宽比为R/B=0.2时排污效果最佳。研究表明,优化方形圆弧角养殖池结构及水力驱动条件可不同程度地提高养殖池的系统排污效率,本研究可为改善方形圆弧角养殖池快速排污问题提供理论参考和优化方向。

English Abstract

  • 随着人类对海产品需求的增加以及近海渔业资源的枯竭,海水养殖规模不断扩大,并已成为获取海产品的重要方式[1]。与此同时,传统养殖业出现了发展方式粗放、养殖环境污染、水域生态破坏、病害频发、养殖风险居高不下等一系列亟待解决的问题[2-4]。在资源环境风险制约的背景下,工厂化海水循环养殖模式日益受到重视,成为我国水产养殖业转型升级的主要发展方向之一。循环水养殖是一种设施依赖度高、分布密度高的生产方式,养殖动物的整个生命周期都在养殖池单元中生长,残饵粪便等废弃物极易滞留于养殖池内(尤其是池底),其中有机物含量占80%左右[5]。不合适的饲料投喂策略和废弃物去除手段,容易造成悬浮颗粒物在系统中的累积和分解矿化[6],进而对养殖生物健康、水质稳定等产生负面影响。因此,及时高效排污是工厂化海水养殖需要解决的首要问题之一。

    双通道大流量排水和保持池内水体高回旋速度是增强养殖池排污效果最常用的两种方法。通过池底的大量排水排污,水流带动废弃物一起从排污口及时排出,但大流量排水增加了循环水养殖的水处理与能耗等运行成本;保持水体高回旋速度排污是基于“茶杯效应”现象[7],当流体在一个平底容器中做圆周运动时,靠近底部的流体层,因其离心力较小而流向内侧,从而导致容器底部的小颗粒被带到中心堆积起来[8]

    Oca等[9]对矩形虾池不同进水、出水方式下流场进行测量,发现进水方式由垂直改成水平,可以有效减少旋涡产生和防止固体废弃物沉积,从而达到改善养殖池水质的效果。刘威[10]对矩形养殖池不同射流流速进行试验研究,发现速度的大小是影响污染物聚集的重要因素,流速越大聚集效果越好。赵乐等[11]对圆形虾池进水管入射角度进行研究,结果表明:进水管与池壁切向呈40°夹角时,圆形虾池的池底流速较好且利于池底颗粒物的排出。李琦等[12]通过试验研究了不同循环水量与对虾养殖水质调控效果的关系,结果表明:提高循环水量对改善水质调控效果起到了积极作用。

    方形圆弧角养殖池在空间利用和水流流态改善方面兼顾了圆形池和方形池的优点,在工厂化海水养殖中的应用日渐广泛[13-14]。目前,方形圆弧角养殖池相关研究较少且排污机制尚不明确,池内任一参数的选择或改变都将直接影响养殖池内的水动力特性,以及与之相关的集排污性能。因此,对方形圆弧角养殖池不同参数变化下排污效果开展系统深入的研究,增强养殖池的自净能力,对保证养殖池系统的稳定运行十分必要。

    本文采用物理模型试验的方法,对方形圆弧角养殖池水体日循环次数、进水管入射角度、径深比和相对弧宽比4个参数与养殖池排污性能的关系开展研究,分析了固体颗粒物排污规律以及影响池内排污效果的主要因素,为方形圆弧角养殖池快速排污问题提供理论参考和应用优化方向。

    • 循环水养殖池系统由正方形模型水池、清水池、排水管、捷勤旋涡式自吸电泵(750 W)、酷鱼变频潜水泵(500~2500 L/h)、阀门、搏声涡轮流量计(0.4~8 m3/h)、过滤棉和进水管等部件构成,如图1所示。

      图  1  排污试验模型图

      Figure 1.  Model diagram of blowdown experiment

      模型水池尺寸:长×宽×高=100 cm×100 cm×60 cm(均为模型内净尺寸),底面无坡度;排水管与进水管均为PVC材质,池中心设有内径为2 cm的排水口;进水管射流孔径为0.4 cm,下端封口,孔中心距池壁约3 cm,各工况均采用水深范围内均匀开孔(模型参数参照某养殖场矩形圆弧角养殖池以8∶1比例缩放加工)。试验过程中两台水泵共同作用,通过流量计和阀门调节,使模型水池内液面保持恒定高度。方形圆弧角养殖池通过在方形池四角粘贴不同半径的圆弧板构建。

    • 试验以常兴鲆鲽鱼类2#沉性饲料代替固体污染物颗粒(残饵),粒径为(2.5±0.2)mm,粒径厚度1∶(1.0±0.1)mm,保证饲料撒入水中可快速沉降池底。试验过程中饲料颗粒在水中可保持原状,无松散分解现象。试验中先启动养殖池循环系统,待系统流场稳定约20 min后,向池内均匀撒入20 g饲料,并开始计时,每30 s拍摄一张池内照片,连续拍摄10 min,以此记录10 min内固体污染物颗粒排出过程及效率。

      试验拍摄照片使用matlab软件进行图像分析。将调整尺寸及清晰度后的图片导入matlab程序代码,程序自动识别图片中颗粒物的总像素面积,再根据公式(1)计算出各时刻固体污染物颗粒累计排出率。

      式中:S为20 g颗粒物总像素面积;St为各时刻池内剩余颗粒物像素面积(SSt均为程序自动识别照片像素面积)。

      由于试验过程中可能存在某时刻饲料纵向重叠的现象,因此对试验结果进行误差分析,首先计算出3组试验各时刻的饲料排出率平均值,然后分别求出3组试验各时刻排出率与平均值的绝对差值,最后将所有绝对差值进行平均获得平均总误差。同一工况进行3次重复试验得出试验误差及软件识别误差约为2%,符合试验及分析的精度要求。

    • 单管弧壁、对直双管两种进水位置下方形圆弧角养殖池流场特性整体较好[14-16],因此,本试验选择这两种进水位置开展研究。进水位置如图2所示:(a)单进水管位于圆弧角中心简称单管弧壁;(b)双进水管位于相对的两个直边壁中心简称对直双管。

      图  2  进水位置示意图

      Figure 2.  Single pipe water inlet position diagram

      水体日循环次数是工厂化循环水养殖中一个重要的控制参数,与设计系统的水体处理设施容量、处理效率以及养殖能耗成本密切相关,根据养殖池水体体积计算对应所需的进水流量(公式2):

      式中:Q为进水流量(m3/h);n为日循环次数;V为水体体积(m3)。

      试验对单管弧壁和对直双管两种进水方式进行研究。每种进水方式设计了6组工况,分别为:日循环100次(Q=0.833 m3/h),日循环90次(Q=0.75 m3/h),日循环80次(Q=0.667 m3/h),日循环70次(Q=0.583 m3/h),日循环60次(Q=0.5 m3/h),日循环50次(Q=0.417 m3/h)。其他试验参数:水深20 cm,圆弧角半径20 cm,进水管入射角度为0°。单管弧壁进水管水深范围内均匀开18孔,对直双管每根进水管均匀开9孔,双管共18孔。

    • 试验采用单管弧壁的进水方式,选择5组入射角度,分别为:0°、20°、40°、60°及80°。其他试验参数:水深20 cm,圆弧角半径20 cm,进水流量为0.667 m3/h(日循环80次),进水管水深范围内均匀开18孔。

    • 养殖池径深比即养殖池边长与水深的比值。试验采用单管弧壁进水方式,入射角度为0°,圆弧角半径20 cm,水体日循环80次,其他参数见表1。本试验通过调整水深设计不同的径深比工况,各工况饲料撒入量按水深20 cm/20 g的比例随水深增减同比例增加或减少。

      径深比水深/cm进水流量/m3·h−1开孔数
      4∶1250.83323
      5∶1200.66718
      6∶116.70.55615
      7∶114.30.47713
      8∶112.50.41711
      9∶111.10.3710

      表 1  径深比试验分组

      Table 1.  Experimental grouping of the ratio of diameter to water depth

    • 相对弧宽比即圆弧角半径与养殖池边壁宽度的比值。试验设置了4组工况,分别为圆弧角半径为0 cm(方形池)、10 cm、20 cm、30 cm,对应的相对弧宽比R/B分别为0.0、0.1、0.2、0.3。采用对直双管进水,进水流量为0.5 m3/h(日循环60次),水深为20 cm,入射角度为0°,每个进水管在水深范围内均匀开9孔,共开18孔。

    • 单管弧壁、对直双管两种进水位置下方形圆弧角养殖池不同水体循环次数对养殖池排污影响的试验结果如图3图4所示。水体日循环次数与池内排污效率两者呈正相关关系,随着水体日循环次数增大,排污速率呈现加快趋势且最终排出率增高。由于养殖水体日循环次数增加,单位时间输入养殖池系统的总能量增加,而水流与养殖池体摩擦冲击消耗能量占输入养殖池系统的总能量比率减小,进而养殖池水体维持了更高的整体流速,此时池内径向流速变化梯度相对较大,这种径向流速的大小随径向距离变化的现象易在池底形成向心次生流作用,对于携带池底污物移动至排污口是有利因素[17-18]

      图  3  单管进水时不同日循环次数下饲料排出率随时间变化图及最终排出率

      Figure 3.  Graph of feed discharge rate over time and final discharge rate under different daily circulation times when single pipe inlet

      图  4  双管进水时不同日循环次数下饲料排出率随时间变化图及最终排出率

      Figure 4.  Change graph of feed discharge rate with time and the final discharge rate under different daily circulation times during double-tube water intake

      单管弧壁进水日循环100次时,未取得分析所需试验数据,因为池内平均速度较大,饲料撒入后排出率极快。当单管弧壁进水日循环为90次时,1.5 min饲料排出率达到90%,4 min可将饲料全部排出;随着日循环次数的降低,排出率曲线图逐渐变平缓,最终排出率也随之明显下降;日循环次数为50次时,10 min饲料最终排出率只有44.6%。

      对直双管进水时,日循环100次,饲料排出率达到90%需1.5 min,4 min左右可将饲料全部排出;日循环90次,排出率达到90%约需4.5 min,相同循环次数下较单管弧壁进水慢了近3 min;日循环次数为50次时,10 min饲料最终排出率只有34%。

      单管弧壁与对直双管两种进水方式下饲料最终排出率对比如图5所示,同一循环次数下单管弧壁的饲料最终排出率总是高于对直双管。系统流场是排污的能量来源与直接驱动力,排污是系统流场特性的表现形式之一。当进水管位于弧壁时,入水直接实现了水流的顺畅转向,减小了水流与池壁冲击造成的能量损失,而且单管进水入口冲击力及能量较双管进水更为集中,可获得更高的池内平均速度,利于污染物的排出。于林平等[14]、薛博茹等[15]对矩形圆弧角养殖池单管弧壁和单管直壁两种进水方式进行数值模拟,结果也表明:单管弧壁进水时养殖池底部速度分布均匀性明显优于单管直壁,更利于残饵粪便向排污口汇聚迁移。

      图  5  单管进水与双管进水饲料最终排出率对比图

      Figure 5.  Comparison of final feed discharge rate between single tube feed and double tube feed

    • 单管弧壁进水方式下进水管入射角度对方形圆弧角养殖池排污的影响如图6所示,当0°≤入射角度≤40°时,饲料最终排出率呈单调递增趋势,入射角度为40°时养殖池系统排污效果最好。随着入射角度的继续增加,饲料的最终排除率呈下降趋势。

      图  6  单管弧壁进水时不同入射角度下饲料排出率随时间变化图及最终排出率

      Figure 6.  The change chart of feed discharge rate with time and the final discharge rate under different incident angles when single tube arc wall inlet

      当进水管入射角度从0°变化到40°,此过程中进水口水流方向逐渐与水体运动切线方向趋于一致,维持水体运动的能量逐渐增加,池内各点速度增大,因此饲料排出率随之增大。当入射角度大于40°时,入射角度便会与水体运动切线方向出现夹角,导致切向流速方向上的水流冲击力减弱,引起切向流速变小,饲料排出率随之减少。Jayanti[19]、Patwardhan等[20]和Zughbi等[21]认为入射角度在一定范围内,进水口水体接触墙壁之前射流的路线或距离越远,水流冲击力越大,水体的切向速度则越快。

      当入射角度为80°时,由饲料排出率随时间变化曲线可以看出,饲料排出率出现阶段性上升的现象,曲线呈上升与平缓的交替变化趋势。由于入射角度为80°时,入流水体与水体运动轨迹切线方向夹角过大,进水水流冲击力被快速消散,导致池内水体速度较低,水流不能以较快的速度携带离排污口较远的饲料运动至排污口,此时离排污口较远的饲料运动轨迹主要呈现由边缘往中心聚集的状态,此阶段固体颗粒物排出较少,呈现排污平缓阶段;之后随着水流的带动,固体颗粒物逐渐到达排污口附近,在水泵抽吸及向心运动的共同作用下排出。

      计时10 min后,池底仍有大量固体颗粒物汇聚在养殖池系统低流速区域不能顺利排出,这反映出入射角度为80°时养殖池系统底部流场存在较大不均匀性,系统此现象直接影响了对池底固体颗粒物的启动、汇聚和最终排出,试验过程固体颗粒物汇聚排出过程见图7

      图  7  单管弧壁进水入射角度为80°时不同时刻试验过程图

      Figure 7.  Test process diagram at different moments when the incident angle of the single tube arc wall water inlet is 80°

    • 养殖池径深比对池内排污的影响如图8所示。由饲料排出率随时间变化曲线可以看出,径深比在4∶1~6∶1范围内,10 min饲料排出率可以达到90%以上;径深比增大到7∶1时,排污效果明显下降,较6∶1时最终排出率下降约20%;径深比为9∶1时排污效果更差,饲料最终排出率只有57.32%。本文试验结果显示,6∶1是固体颗粒物排污效率的明显分界径深比,方形圆弧角养殖池径深比小于6∶1时更利于提高系统的排污效率,而径深比大于6∶1时系统的排污效率明显下降。

      图  8  不同径深比情况下饲料排出率随时间变化图及最终排出率

      Figure 8.  The change chart of feed discharge rate with time and the final discharge rate under different ratio of diameter to depth

      由于养殖池底面摩擦力的存在,径深比越大(池内水体越浅),整体流场受到底面摩擦力的作用越明显,水体运动速度和混合均匀性变差,不利于水流携带污染物排出。Timmons等[7]通过试验对比分析了圆形养殖池在不同径深比条件下,流场分布特性对固体颗粒物的运动规律与水力混合性能的影响,研究表明:圆形池的径深比超过一定范围后,池内的流态会有“无旋区”的存在,该区域水体混合差、流速低,易使养殖池内固体颗粒物滞留于排污口周围;适当提高池壁、池底的流速更有利于固体废弃物实现预期的去除效率;同时提出径深比的选择范围最好为3∶1~6∶1,与本文试验结论相近。

    • 养殖池相对弧宽比对池内排污的影响如图9所示。试验结果显示,R/B>0的方形圆弧角养殖池排污效果明显优于方形养殖池,R/B=0.2时排污效果呈现最优效率,相比方形养殖池固体颗粒物最终排出率高出约23%(排污效率提高约66%)。

      图  9  不同R/B饲料排出率随时间变化图及最终排出率

      Figure 9.  The graph of discharge rate with time and final discharge rate of different R/B feed

      由于方形养殖池进水水流垂直射向边壁,撞击瞬间能量损失较大,再经反射折射后给予水体运动的能量较少,导致方形养殖池内低流速区较多、排污能力较差。方形圆弧角养殖池弧壁较为顺畅地引导入射水体运动轨迹转向减缓了水流入射时的撞击程度,使水流转向过程中能量损失减小而给予维持水体运动的能量增大,池内流速有所提升且排污能力增强。当R/B从0.2增大到0.3时,邻近池壁的水体逐渐呈现明显的向池中心运动混合的趋势,离心运动状态逐渐明显,水体质点间的不规则运动与相互撞击伴随着较大的能量消耗[13,16],导致养殖池中间区域出现大面积低流速区,污染物易沉积,因此在进水流量较小的工况中,R/B=0.3的养殖池排污效果不及R/B=0.1和0.2的养殖池。

    • (1)水体日循环次数是影响单通道方形圆弧角养殖池系统排污效果的首要因素,单管弧壁与对直双管两种进水方式下饲料排出率变化规律均呈现相同的趋势。池内平均速度越快,养殖池系统的排污效果越好。

      (2)以20°角度间隔开展单管弧壁进水试验,在入射角度为40°时池内排污效果最佳。0°≤入射角度≤40°时,固体颗粒物最终排出率随着入射角度的增加总体呈现单调递增趋势;40°≤入射角度≤80°时,随着入射角度的增加固体颗粒物最终排出率总体呈现单调递减趋势。

      (3)6∶1是固体颗粒物排污效率的明显分界径深比,方形圆弧角养殖池径深比小于6∶1将更利于提高系统的排污效率。

      (4)方形圆弧角养殖池排污效果明显优于方形养殖池,R/B=0.2时排污效果呈现最优效率,相比方形养殖池固体颗粒物最终排出率高出约23%(排污效率提高约66%)。

参考文献 (21)

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