顧海濤，張祝利，曹建軍，韓夢遐，鐘 偉

(1中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2國家漁業(yè)機(jī)械儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，上海 200092)

涌浪式增氧機(jī)(以下簡稱涌浪機(jī))是一種集增氧、提水和造浪功能為一體的新型池塘養(yǎng)殖增氧設(shè)備。其工作機(jī)理是利用浮體中央的葉輪旋轉(zhuǎn)提水并共振造浪向四周擴(kuò)散，造成底層水流上升，從而構(gòu)成一個(gè)大范圍的立體循環(huán)水流[1- 2]。目前，國內(nèi)養(yǎng)殖池塘多為未經(jīng)工程改造的池塘，水體靜止或流動性差，存在著水域面積小、易污染、水環(huán)境容量小、水體自凈能力差等問題；另外，養(yǎng)殖對象的排泄物也極易造成水中懸浮物增多、濁度增大、有機(jī)物和細(xì)菌的含量增高。隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖向“綠色、環(huán)保、生態(tài)、節(jié)能”模式的轉(zhuǎn)變，涌浪式增氧機(jī)是目前養(yǎng)殖生產(chǎn)改善水質(zhì)的重要手段之一。歐陽敏等[3]研究認(rèn)為，涌浪機(jī)增氧的平面范圍大，同樣水面的池塘，要獲得相同的增氧效果，配置涌浪機(jī)的臺數(shù)比相同功率的葉輪式增氧機(jī)要少。吳宗凡等[4]研究認(rèn)為，涌浪式增氧的機(jī)械增氧能力只是作為池塘生態(tài)(藻類)增氧的一種補(bǔ)充，在提升底層水體的同時(shí)，輔以機(jī)械增氧，更有利于維持底層溶氧高水平。管崇武等[1]研究認(rèn)為，使用涌浪式增氧機(jī)可以提高陽光對水體的光照強(qiáng)度，促進(jìn)水體藻類的生長，充分發(fā)揮和利用池塘的生態(tài)增氧能力。本研究通過對涌浪式增氧機(jī)的增氧、提水和造浪功能試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，探討其在池塘養(yǎng)殖中的實(shí)際效果，為水產(chǎn)養(yǎng)殖用戶正確配置和使用涌浪式增氧機(jī)提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 增氧性能試驗(yàn)

1.1.1 試驗(yàn)設(shè)施與樣機(jī)

采用SC/T6009—1999《增氧機(jī)增氧能力試驗(yàn)方法》[5]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)水池進(jìn)行試驗(yàn)。選取0.75 kW涌浪式增氧機(jī)5臺樣機(jī)(編號分別為1#～5#)，在直徑6.3 m、水體體積32 m3、注水深度0.97 m的試驗(yàn)水池中進(jìn)行試驗(yàn)；選取1.5 kW涌浪式增氧機(jī)7臺樣機(jī)(編號分別為6#～12#)，在直徑8 m、水體體積63 m3、注水深度1.19 m的試驗(yàn)水池中進(jìn)行試驗(yàn)。

1.1.2 儀器與試劑

儀器：溶氧測試設(shè)備為YSI—58型溶氧儀3臺及計(jì)算機(jī)自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；功率測試設(shè)備為3169—20型電能質(zhì)量分析儀；氣壓測定儀為DYM3型空盒氣壓表。試劑：消氧劑采用亞硫酸鈉Na2SO3(工業(yè)純)，催化劑采用氯化鈷CoCl2·6H2O(分析純)。

1.1.3 試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)[5]進(jìn)行。先調(diào)節(jié)水池水深，然后根據(jù)試驗(yàn)水體，按100 g/m3的要求配置亞硫酸鈉溶液和2 g/m3的要求配置催化劑氯化鈷溶液，攪拌使之充分溶解后加入水體中，使水體初始溶氧(DO)質(zhì)量濃度接近0；開啟涌浪式增氧機(jī)開始試驗(yàn)，記錄溶氧值隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)，同時(shí)記錄有功功率值；根據(jù)記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算增氧能力(QS)和動力效率(ES)。

1.2 提水能力試驗(yàn)

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)施、樣機(jī)與測試設(shè)備

本項(xiàng)試驗(yàn)在長30 m×寬7 m×深1.5 m的長方形養(yǎng)殖池塘中進(jìn)行，樣機(jī)為YYL—1.5型1.5 kW涌浪式增氧機(jī)(編號為13#)。流速測試設(shè)備為YSI型水流跟蹤者；功率測試設(shè)備為3169—20型電能質(zhì)量分析儀；導(dǎo)流筒尺寸直徑1 850 mm×長500 mm。

1.2.2 試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)處理

(1)安裝布置。涌浪機(jī)的測試安裝如圖1所示，將導(dǎo)流筒安裝固定在水面下400 mm處，在其正上方安放涌浪機(jī)。

(2)試驗(yàn)方法。試驗(yàn)采用截面測流速的方法進(jìn)行：①流速測試儀的探頭被置于圖1中導(dǎo)流筒的檢測截面A—A的直徑線上，測試點(diǎn)的位置從導(dǎo)流筒的中心點(diǎn)開始向外，按圖2所示的距離設(shè)置一點(diǎn)，共計(jì)9點(diǎn)；②開啟13#涌浪機(jī)工作2 min后，開始記錄相應(yīng)測試點(diǎn)的流速數(shù)據(jù)值；③記錄涌浪機(jī)工作時(shí)的有功功率。

(3)計(jì)算方法。提水量計(jì)算公式：

現(xiàn)如今，學(xué)校為了讓“減負(fù)”出成效，往往與教師簽訂“減負(fù)”工作責(zé)任書，把數(shù)學(xué)課堂作業(yè)能否當(dāng)堂完成列入考核內(nèi)容。很多教師迫于學(xué)?？己说膲毫Γ旬?dāng)堂完成課堂作業(yè)簡單的等同于完成教學(xué)任務(wù)。

(1)

式中：Q總為涌浪式增氧機(jī)的提水量，m3/h；Qi為各測試點(diǎn)測得流量，m3/h。

提水動力效力計(jì)算公式：

(2)

式中：N為提水動力效率，m3/ kW·h；W為有功功率，kW。

圖1 安裝示意圖Fig.1 Installation diagram

圖2 測速儀測點(diǎn)示意圖Fig.2 Speedometer measuring point diagram

1.3 造浪波幅試驗(yàn)

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)施、樣機(jī)與測試設(shè)備

本項(xiàng)試驗(yàn)在35 m×35 m×2.5 m的長方形養(yǎng)殖池塘中進(jìn)行，選取YYL—1.5型1.5 kW涌浪式增氧機(jī)(編號13#)。測量標(biāo)桿設(shè)置點(diǎn)采用30 m皮尺，測量造浪波幅采用3 m規(guī)格的標(biāo)桿。

(1)安裝布置。造浪波幅是測試離涌浪機(jī)中心30 m處的波幅，因此將涌浪機(jī)固定在池塘中央位置，離涌浪機(jī)中心30 m處設(shè)置標(biāo)桿(圖3)。

圖3 造浪強(qiáng)度檢測布置Fig.3 Wave strength detection arrangement

(2)試驗(yàn)方法。在無風(fēng)水面平靜條件下測出平靜水面在標(biāo)桿上的濕線標(biāo)高A1；啟動涌浪機(jī)，使波浪擴(kuò)散至標(biāo)桿，2 min后測出波浪在標(biāo)桿上造成的濕線標(biāo)高A2。

(3)計(jì)算方法。造浪波幅計(jì)算公式：

H= 2×(A2-A1)

(3)

式中：H—離涌浪機(jī)中心30 m處波幅，mm；A1—開機(jī)前濕線標(biāo)高，mm；A2—開機(jī)后濕線標(biāo)高，mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 增氧性能

增氧能力和動力效率是評價(jià)增氧機(jī)機(jī)械性能的主要指標(biāo)[6]。試驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)水池中進(jìn)行。

(1)0.75 kW涌浪式增氧機(jī)增氧能力試驗(yàn)結(jié)果。樣機(jī)來源為2009—2015年期間國家漁業(yè)機(jī)械儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心受理的不同生產(chǎn)企業(yè)的委托檢驗(yàn)。5臺樣機(jī)中，最高增氧能力為1.63 kg/h，最低增氧能力為0.71 kg/h，平均增氧能力為1.17 kg/h；最高動力效率為1.65 kg/kW·h，最低動力效率為1.02 kg/kW·h，平均動力效率值為1.29 kg/kW·h。表1為1#～5#樣機(jī)的增氧能力和動力效率試驗(yàn)結(jié)果。

(2)1.5 kW涌浪式增氧機(jī)增氧能力試驗(yàn)結(jié)果。樣機(jī)來源為2011年至2017年期間國家漁業(yè)機(jī)械儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心受理的不同生產(chǎn)企業(yè)的委托檢驗(yàn)。7臺樣機(jī)中，最高增氧能力為2.44 kg/h，最低增氧能力為1.75 kg/h，平均增氧能力為2.06 kg/h；最高動力效率為1.66 kg/kW· h，最低動力效率為1.03 kg/ kW· h，平均動力效率值為1.30 kg/kW· h。表2為6#～12#樣機(jī)增氧能力和動力效率的試驗(yàn)結(jié)果。

表1 0.75 kW涌浪機(jī)的增氧能力和動力效率Tab.1 Aeration capacity and power efficiency of 0.75 kW surge aerator

表2 1.5 kW涌浪機(jī)的增氧能力和動力效率Tab.2 Aeration capacity and power efficiency of 1.5 kW surge aerator

2.2 提水性能

對13#樣機(jī)進(jìn)行提水性能試驗(yàn)。由導(dǎo)流筒中心作為基準(zhǔn)，測點(diǎn)按表5中距導(dǎo)流筒中心距離逐個(gè)測定水體向上流速，共在9個(gè)測點(diǎn)測得流速，并記錄樣機(jī)的輸入功率。表3為提水性能試驗(yàn)的流速檢測試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)測得平均輸入功率為1.608 kW。經(jīng)計(jì)算，提水能力為3 006.05 m3/h，提水動力效率為1 869.4 m3/kW·h。

表3 流速和功率試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Results of flow rate and power

2.3 造浪波幅

對13#樣機(jī)進(jìn)行造浪波幅試驗(yàn)。先將涌浪式增氧機(jī)固定在池塘中央位置，在離涌浪機(jī)中心30 m處設(shè)置標(biāo)桿，并記錄標(biāo)桿的標(biāo)高。試驗(yàn)結(jié)果顯示，開動涌浪機(jī)前標(biāo)桿的標(biāo)高A1為300 mm，2 min后測出波浪在標(biāo)桿上造成的濕線標(biāo)高A2為340 mm，按公式(3)計(jì)算得到造浪波幅為80 mm。

3 討論

3.1 涌浪式增氧機(jī)增氧性能接近水車式增氧機(jī)

通過對5臺0.75 kW涌浪式增氧機(jī)和7臺1.5 kW涌浪式增氧機(jī)增氧性能檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)得知，前者的增氧能力為0.71～1.63 kg/h，平均增氧能力為1.17 kg/h，略低于水車式增氧機(jī)的1.12～1.75 kg/h[7]，平均增氧能力超過SC/T6017—1999《水車式增氧機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定增氧能力1.10 kg/h的要求；后者的增氧能力為1.75～2.44 kg/h，平均增氧能力為2.06 kg/h，略低于水車式增氧機(jī)的1.83～2.77 kg/h，平均增氧能力超過水車式增氧機(jī)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定增氧能力1.90 kg/h的要求；前者的動力效率為1.02～1.65 kg/kW·h，略低于水車式增氧機(jī)的1.25～1.74 kg/kW·h，平均動力效率為1.29 kg/kW·h，超過水車式增氧機(jī)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定動力效率1.25 kg/kW·h的要求；后者的動力效率為1.03～1.66 kg/kW·h，略低于水車式增氧機(jī)的1.33～1.71 kg/kW·h，平均動力效率為1.30 kg/kW·h，平均動力效率超過水車式增氧機(jī)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定動力效率1.25 kg/kW·h的要求。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在標(biāo)準(zhǔn)水池試驗(yàn)時(shí)，涌浪式增氧機(jī)增氧性能總體接近于水車式增氧機(jī)，平均性能均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求。以上檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，與管崇武等[1]在對涌浪式增氧機(jī)在對蝦養(yǎng)殖中增氧作用的研究結(jié)果基本相同。

3.2 涌浪式增氧機(jī)提水性能可顯著改善池塘底層水體溶氧

在對自然狀態(tài)下養(yǎng)殖池塘中24 h溶氧變化的研究[8]中得知，隨著池塘水深的增加，水體溶氧含量逐漸減少，池塘底層水體(1.5 m水深以下)的含氧量接近于零。而養(yǎng)殖池塘生態(tài)系統(tǒng)的增氧途徑，一是使用機(jī)械能促進(jìn)空氣與水體接觸，使更多的氧融入水中;二是促進(jìn)上下水層交換，使下層水體上涌承受光照，利用自然能增加水體溶氧[9- 10]。本研究的提水性能試驗(yàn)結(jié)果得出，1.5 kW的涌浪式增氧機(jī)的提水性能可達(dá)到

3 006.05 m3/h，提水動力效率為1 869.4 m3/kW·h。依照本試驗(yàn)的結(jié)果推算，一個(gè)100 m×50 m×1.8 m的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)殖池塘的水體總量約為9 000 m3，如果把水體總量1/3作為底層水體，那么從理論上說，一臺1.5 kW的涌浪式增氧機(jī)運(yùn)行1 h，可以完成與整個(gè)池塘底層水體等量水體的提升。

本研究認(rèn)為，涌浪式增氧機(jī)具有將水體從底層提升至表層的功能[11- 12]，可以改善下層水體的溶氧量。就對水層交換而言，與使用最廣泛的葉輪式增氧機(jī)比較，一臺0.75 kW涌浪機(jī)開啟110 min的上、下層水體交換效果[13]，與一臺3 kW葉輪式增氧機(jī)開啟80 min可使下層水體溶氧與上層水體溶氧基本一致[14- 15]的結(jié)果基本相當(dāng)，優(yōu)于耕水機(jī)[16]需要運(yùn)行24 h才能使整個(gè)池塘水體溶氧量趨于一致的水體交換能力。

3.3 涌浪式增氧機(jī)的造浪功能可提高增氧效率

造浪是涌浪式增氧機(jī)的主要功能，通過葉片對水的推力作用，使水以波浪的形式向四周擴(kuò)散，以人工的方式達(dá)到造浪的目的。研究表明，與光照、溫度、溶氧、營養(yǎng)鹽一樣，水體的擾動也是影響水體環(huán)境和藻類生長的重要因素[17- 20]。池塘水面是基本的氣—水接觸面，風(fēng)力造成的浪花和水流會增加接觸面。與靜止接觸面相比，在風(fēng)力作用下的氧擴(kuò)散效率(氧轉(zhuǎn)移系數(shù))倍增，實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)是10～24倍，在池塘綜合條件下為5倍。以上研究結(jié)果說明，在風(fēng)力作用下使水面產(chǎn)生波浪，可以對上下層水體進(jìn)行攪拌，形成上下水體的交換，可成倍提高池塘水體的增氧效率。涌浪式增氧機(jī)的造浪功能，模擬了風(fēng)力對池塘水面的作用，提高了水面和空氣的接觸面積，使空氣中的氧氣不斷溶入水中。本研究試驗(yàn)結(jié)果顯示，涌浪式增氧機(jī)可以在距固定位置30 m距離的水面形成波幅為80 mm的波浪，其造浪能力可提高池塘的增氧效率。因此，在實(shí)際使用中，涌浪式增氧機(jī)的增氧效率優(yōu)于水車式增氧機(jī)；這也是在同樣水面的養(yǎng)殖池塘中配置涌浪機(jī)的臺數(shù)比相同功率葉輪式增氧機(jī)要少的主要原因。

以上研究表明，波浪可以提高池塘水體的增氧效率，但波浪高度與池塘增氧效率的關(guān)系，目前未查閱到相關(guān)研究報(bào)道，還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

從標(biāo)準(zhǔn)水池試驗(yàn)結(jié)果看，涌浪式增氧機(jī)的絕對增氧能力與同功率水車增氧機(jī)相近，達(dá)到SC/T6017—1999《水車式增氧機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)的要求。1.5 kW涌浪式增氧機(jī)的提水性能可以達(dá)到3 006.05 m3/h，提水動力效率為1 869.4 m3/h·kW。從理論上說，一臺1.5 kW的涌浪式增氧機(jī)運(yùn)行1 h可以完成一個(gè)100 m×50 m標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)殖池塘底層水體和上層水體的交換；涌浪式增氧機(jī)可以在距離固定位置30 m的水面形成波幅為80 mm的波浪。實(shí)際使用中涌浪式增氧機(jī)的增氧效率優(yōu)于水車式增氧機(jī)。波浪高度和池塘增氧效率的關(guān)系還有待進(jìn)一步研究。