吳彥飛， 張清靖， 桂福坤， 張澤坤， 陳慶龍， 馮德軍*

(1. 浙江海洋大學(xué)，國(guó)家海洋設(shè)施養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心，浙江 舟山 316022；2. 北京市農(nóng)林科學(xué)院水產(chǎn)科學(xué)研究所，漁業(yè)生物技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100068；3. 浙江海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，浙江 舟山 316022；4. 廣東海洋大學(xué)海洋工程學(xué)院，廣東 湛江 524088)

池塘養(yǎng)殖是中國(guó)重要的水產(chǎn)養(yǎng)殖模式，根據(jù)2020年漁業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒，中國(guó)池塘養(yǎng)殖面積達(dá)到2.645×103hm2，占淡水養(yǎng)殖總面積比重的51.69%[1]。近年來(lái)，我國(guó)的池塘養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)有了較大的發(fā)展，對(duì)我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生了促進(jìn)作用[2-3]。但是，由于缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，水域養(yǎng)殖水環(huán)境容量、污染負(fù)荷缺乏科學(xué)研究，投餌養(yǎng)殖過(guò)程中產(chǎn)生的殘餌、糞便等固態(tài)污染物累積造成的池塘養(yǎng)殖水質(zhì)惡化等問(wèn)題亟待解決[4]。飼料殘餌和動(dòng)物糞便是養(yǎng)殖水質(zhì)污染的主要來(lái)源，如果不及時(shí)處理將會(huì)嚴(yán)重影響?zhàn)B殖對(duì)象的生長(zhǎng)[5]。目前，池塘養(yǎng)殖集排污方式比較粗糙，通過(guò)水車(chē)式增氧機(jī)驅(qū)動(dòng)養(yǎng)殖池內(nèi)的污物聚集至養(yǎng)殖池的中央，然后拔管進(jìn)行底部排污是主要的集排污方式。但是，水車(chē)式增氧機(jī)的主要作用是增氧，而且其動(dòng)力有限，只能驅(qū)動(dòng)小范圍內(nèi)的水體。潛水推流器作為一種重要的污水處理設(shè)備[6-7]，被廣泛地應(yīng)用于生物法污水處理工藝中，其主要作用是防止生物池內(nèi)產(chǎn)生活性污泥沉積。潛水推流器的工作原理是通過(guò)潛水電機(jī)經(jīng)過(guò)減速裝置帶動(dòng)葉輪低速旋轉(zhuǎn)[8]，從而推動(dòng)水體混合流動(dòng)，因此具有混合水體和推流的雙重作用。目前，已有養(yǎng)殖企業(yè)將潛水推流器應(yīng)用于大型室外養(yǎng)殖池內(nèi)，是驅(qū)動(dòng)池塘養(yǎng)殖池水體并將污物聚集至養(yǎng)殖池中央的一種嘗試。然而，養(yǎng)殖池內(nèi)潛水推流器的布置方式尚沒(méi)有理論依據(jù)，大多僅憑水產(chǎn)養(yǎng)殖者的主觀經(jīng)驗(yàn)，缺乏專(zhuān)業(yè)的科學(xué)指導(dǎo)。因此，如何設(shè)置潛水推流器實(shí)現(xiàn)水體混合攪拌的同時(shí)還能增強(qiáng)池塘養(yǎng)殖池的集污能力是亟待解決的問(wèn)題。

目前，潛水推流器的研究主要集中在污水處理方面。李正勇[9]在研究潛水推流器對(duì)于煉油污水的作用中發(fā)現(xiàn)氧化溝的充氧和推流之間必須通過(guò)潛水推流器實(shí)現(xiàn)，潛水推流器的投入使用，起到混合污物，提供足夠的水平流速作用。陳云峰等[10]通過(guò)數(shù)值模擬研究了推流器布置對(duì)實(shí)驗(yàn)池水流速度場(chǎng)的影響，提出三推流器方案，并通過(guò)加設(shè)導(dǎo)流板和調(diào)節(jié)潛水推流器的角度得到了較為理想的環(huán)流速度場(chǎng)。但針對(duì)潛水推流器布設(shè)方式對(duì)養(yǎng)殖池內(nèi)殘餌糞便等污物運(yùn)動(dòng)聚集方面還未見(jiàn)研究報(bào)道，很難為潛水推流器布設(shè)方式提供科學(xué)全面的指導(dǎo)。目前常用的養(yǎng)殖池塘集排驅(qū)動(dòng)設(shè)備是射流管和水車(chē)式增氧機(jī)。于林平等[11]在單進(jìn)水管結(jié)構(gòu)對(duì)單通道矩形圓弧角養(yǎng)殖池進(jìn)行了水動(dòng)力特性研究，通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)，基于有限體積法和有限差分法進(jìn)行三維數(shù)值計(jì)算模擬，結(jié)果顯示，進(jìn)水管采用圓弧角位置布設(shè)，同一日循環(huán)次數(shù)(射流孔數(shù)恒定)工況下，弧壁單管布設(shè)位置的養(yǎng)殖池底部速度分布均勻性明顯優(yōu)于直壁單管布設(shè)位置。趙樂(lè)等[12]研究了循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)管式射流池內(nèi)的集污效果。桂福坤等[13]通過(guò)水車(chē)式增氧機(jī)驅(qū)動(dòng)下方形圓切角養(yǎng)殖池集污水動(dòng)力試驗(yàn)，研究了水車(chē)式增氧機(jī)在不同的布設(shè)角度、布設(shè)距離比、驅(qū)動(dòng)流速對(duì)方形圓切角養(yǎng)殖池內(nèi)污物聚集和流場(chǎng)特性的影響。這些研究之間雖然不直接相關(guān)，但可以為在室外大型養(yǎng)殖池中潛水推流器的布設(shè)方式提供參考依據(jù)。

本研究以典型的八邊形養(yǎng)殖池為對(duì)象，通過(guò)物理模型試驗(yàn)的方法，嘗試探究潛水推流器的布設(shè)角度θ(葉輪軸線與養(yǎng)殖池池壁方向組成的銳角)，布設(shè)距離比d/a(中垂線模式：d1為推流器葉輪軸線中點(diǎn)與最近的池壁之間的距離，a1為八邊形養(yǎng)殖池長(zhǎng)邊邊長(zhǎng)；對(duì)角線模式：d2為推流器葉輪軸線中點(diǎn)與最近的短邊邊長(zhǎng)之間的距離，a2為八邊形養(yǎng)殖池排污口與最近的短邊邊長(zhǎng)之間的距離)、潛水推流器數(shù)量n以及布設(shè)模式(潛水推流器在八邊形養(yǎng)殖池的布設(shè)模式，分為對(duì)角線模式和中垂線模式兩種)等布設(shè)參數(shù)對(duì)池內(nèi)污物聚集特性的影響規(guī)律，研究結(jié)果可為八邊形養(yǎng)殖池內(nèi)潛水推流器的布設(shè)方式提供參考與依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)在浙江海洋大學(xué)國(guó)家海洋設(shè)施養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心設(shè)施養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，養(yǎng)殖池為八邊形(圖1-a)，池壁長(zhǎng)a=120 cm，切角邊b=30 cm，內(nèi)壁高40 cm (圖1-b)，池底中心設(shè)有半徑為1 cm的圓形排污口。按照1∶10的幾何比例制作潛水推流器模型，模型主要由電機(jī)(常州市麗控機(jī)電有限公司，轉(zhuǎn)速400 r/min)、葉輪(圖1-c，半徑6.9 cm)、固定裝置等組成(圖1-d)。試驗(yàn)中使用自來(lái)水，中心水深25 cm，邊長(zhǎng)∶水深=24∶5。根據(jù)物理模型試驗(yàn)中的模型相似原則，在潛水推流器模型縮放比為1∶10時(shí)，污物模擬物也應(yīng)該縮小10倍，但實(shí)際中難以獲得此尺寸的污物替代物，考慮到污物尺寸對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較小并且參照已有的研究[14]，使用直徑1.6 mm，長(zhǎng)度3.0 mm的柱形沉性對(duì)蝦飼料替代養(yǎng)殖池內(nèi)的殘餌等固體顆粒污物。通過(guò)養(yǎng)殖池集污試驗(yàn)照片(圖1-b)可以看出，不銹鋼板上固定量角器，在量角器上用指針規(guī)定起始方向和角度，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)不銹鋼棒調(diào)節(jié)潛水推流器與池壁的角度，通過(guò)調(diào)節(jié)推流器在鋁型材軌道上的位置調(diào)節(jié)潛水推流器的布設(shè)距離。使用固定在養(yǎng)殖池正上方的高清相機(jī)(aoni奧尼C95)拍攝池內(nèi)污物的分布情況。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)方案 本研究通過(guò)物理模型試驗(yàn)的方法研究潛水推流器布設(shè)角度θ、布設(shè)距離比d/a、數(shù)量n以及布設(shè)模式對(duì)八邊形養(yǎng)殖池內(nèi)污物聚集特性的影響。具體實(shí)驗(yàn)方案及試驗(yàn)工況如下。

①布設(shè)角度θ對(duì)池內(nèi)污物分布特性的影響：在潛水推流器數(shù)量為2，布設(shè)模式為對(duì)角線模式，布設(shè)距離比為1/4的設(shè)置工況下，分別將布設(shè)角度θ依次調(diào)整為0°、10°、20°、30°、40°、45°、50°、60°、70°、80°、90°，觀察八邊形養(yǎng)殖池內(nèi)污物運(yùn)動(dòng)及聚集情況。

②布設(shè)距離比d/a對(duì)池內(nèi)污物分布特性的影響：在上一步的基礎(chǔ)上選取試驗(yàn)效果較好的布設(shè)角度：30°、40°、45°、50°，分別選取2個(gè)潛水推流器中垂線放置、對(duì)角線放置，然后將布設(shè)距離比d/a依次調(diào)整為0、1/2 (1/4工況在試驗(yàn)方案①做過(guò))，研究2個(gè)推流器作用下中垂線及對(duì)角線兩種布設(shè)模式情況下布設(shè)距離比對(duì)養(yǎng)殖池內(nèi)污物聚集效果的影響。

③潛水推流器數(shù)量n對(duì)池內(nèi)污物分布特性的影響。依據(jù)①②的研究結(jié)果，選取推流器推流角度θ為40°、45°、50°，布設(shè)距離比為1/4中垂線放置，將推流器數(shù)量分別調(diào)整為1、2、3、4個(gè)，研究潛水推流器數(shù)量對(duì)八邊形養(yǎng)殖池集污性能的影響。①、②中已經(jīng)做過(guò)的工況，不再重復(fù)。

④潛水推流器布設(shè)模式對(duì)池內(nèi)污物分布特性的影響。在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上選取2個(gè)潛水推流器，選擇試驗(yàn)聚污效果較好的推流角度20°、30°、40°、45°、50°、60°、70°，布設(shè)距離比為1/4，研究2個(gè)推流器作用下中垂線及對(duì)角線兩種布設(shè)模式情況下養(yǎng)殖池污物聚集情況。①、②、③中已經(jīng)做過(guò)的工況，不再重復(fù)。

實(shí)驗(yàn)流程 ①檢查潛水推流器能否正常運(yùn)行，按照試驗(yàn)方案依次調(diào)節(jié)潛水推流器數(shù)量n、布設(shè)角度θ、布設(shè)距離比d/a以及布設(shè)模式，為了模擬養(yǎng)殖池的實(shí)際養(yǎng)殖情況，將1根亞克力管插在排水口處，防止污物從中心的排污口流出。②開(kāi)啟潛水推流器直至養(yǎng)殖池內(nèi)水體運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定(約需5 min)，然后開(kāi)啟相機(jī)。③稱(chēng)取30 g沉性固體顆粒飼料均勻撒于養(yǎng)殖池內(nèi)，觀察并記錄養(yǎng)殖池內(nèi)污物的運(yùn)動(dòng)聚集過(guò)程。④ 30 min后關(guān)閉潛水推流器和相機(jī)，拔掉排污口處的亞克力管，排凈池內(nèi)的污物，然后進(jìn)行下一組試驗(yàn)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用MATLAB軟件處理相機(jī)采集到的污物分布圖像[15-17]：①利用rgb2gray函數(shù)將原始圖像轉(zhuǎn)化成灰度圖[18]。②將灰度化的圖像進(jìn)行二值化處理，通過(guò)設(shè)定閾值將污物與池底面分離。該研究中將灰度索引值閾值設(shè)置為140，即像素點(diǎn)的灰度索引值大于140時(shí)，將像素點(diǎn)的顏色設(shè)為白色，像素點(diǎn)的灰度索引值小于140時(shí)，將像素點(diǎn)的顏色設(shè)為黑色，進(jìn)而確定污物的位置[19]。③根據(jù)每個(gè)污物點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算出其到養(yǎng)殖池中心(排污口)的距離，找出所有污物距離中的最大值。為了后續(xù)表達(dá)簡(jiǎn)潔，本研究將污物分布距離的最大值記為L(zhǎng)max。每種工況下，Lmax數(shù)值越大，表明污物距離池中心越遠(yuǎn)，排污時(shí)越不容易排出。因此，通過(guò)比較不同試驗(yàn)工況下污物的Lmax可以衡量潛水推流器的設(shè)置對(duì)八邊形養(yǎng)殖池集污性能的影響。

2 結(jié)果

2.1 布設(shè)角度對(duì)污物聚集的影響

2個(gè)潛水推流器形成的水流方向?yàn)槟鏁r(shí)針，除80°和90°之外，其余布設(shè)角度下養(yǎng)殖池內(nèi)的飼料均聚集在養(yǎng)殖池的中心排水口附近，飼料總體傾向于集中分布在排污口附近，隨著推流角度θ增大，污物聚集度明顯升高，當(dāng)推流器角度θ為45°時(shí)聚集度最高，之后，污物聚集度隨著推流角度逐漸增大而降低，當(dāng)推流角度超過(guò)70°時(shí)污物聚集度明顯降低，飼料的離散度也較大(圖2)。

圖2 不同推流角度(θ)下污物分布原圖水流方向?yàn)槟鏁r(shí)針，下同。Fig. 2 Original photo of waste distribution under different deployment angles (θ)Water flow direction is counterclockwise, the same below. d/a=1/4, (a) θ=0°, (b) θ=10°, (c) θ=20°, (d) θ=30°, (e) θ=40°, (f) θ=45°, (g) θ=50°, (h) θ=60°,(i) θ=70°, (j) θ=80°, (k) θ=90°.

進(jìn)一步利用MATLAB圖像分析量化不同布設(shè)角度θ條件下的污物聚集情況(圖3)，x軸代表潛水推流器的布設(shè)角度，單位(°)，y軸代表各工況下污物分布距離的最大值Lmax，單位cm。不同布設(shè)工況下的污物距離(最大相對(duì)距離)隨著推流角度從0°～45°的增大而逐漸減小，之后污物距離隨著推流角度從45°～70°的增大而逐漸增大，污物的聚集度開(kāi)始降低(圖3)。當(dāng)推流角度θ為45°時(shí)，Lmax在10 cm附近，此時(shí)污物距離最短。當(dāng)推流角度θ為0°時(shí)，最大相對(duì)距離Lmax為17.78 cm，此時(shí)污物距離最長(zhǎng)。而80°、90°集污效果極差且養(yǎng)殖池邊緣存在集污死角，因此不再對(duì)其進(jìn)行定量分析(圖2)。綜上所述，2個(gè)潛水推流器對(duì)角線放置，布設(shè)距離比1/4，當(dāng)推流角度θ為45°時(shí)，污物距離最小，集污效果最好。

圖3 不同推流角度(θ)下污物距池心的最大相對(duì)距離Fig. 3 Maximum relative distance of waste from the centre of tank under different deployment angles (θ)

2.2 布設(shè)距離比對(duì)污物聚集的影響

圖4為中垂線模式下不同布設(shè)距離比工況下的污物分布原圖，圖中3行4列分別代表3種布設(shè)距離比和4種布設(shè)角度。分析圖中的4列可以清晰地發(fā)現(xiàn)，在布設(shè)角度θ為30°、40°、45°和50°工況下，污物距離排污口最大相對(duì)距離Lmax均隨潛水推流器布設(shè)距離比的增加(0、1/4、1/2)而逐漸減小，污物的聚集效果也逐漸變好。當(dāng)潛水推流器布設(shè)距離比為0時(shí)，此時(shí)污物及其飼料聚集呈橢圓形，而且隨著布設(shè)距離比的增加，污物的聚集形狀也在發(fā)生變化，八邊形養(yǎng)殖池內(nèi)污物的聚集效果較差。當(dāng)潛水推流器布設(shè)距離比為1/2時(shí)，污物距離最小，污物形狀變成了圓，更有利于八邊形養(yǎng)殖池集污，因此，在此布設(shè)工況下八邊形養(yǎng)殖池集污效果最好。進(jìn)一步利用MATLAB圖像分析量化不同布設(shè)距離比工況下污物距池心的最大相對(duì)距離，當(dāng)布設(shè)距離比為0時(shí)，污物分布最大相對(duì)距離隨著推流角度θ在30°～50°區(qū)間內(nèi)的增大而減??；當(dāng)布設(shè)距離比為1/4或1/2時(shí)，污物分布最大相對(duì)距離隨著推流角度θ在30°～45°區(qū)間內(nèi)的增大而減小，隨著推流角度θ在45°～50°的增大而逐漸增大。當(dāng)布設(shè)距離比為較小值(近似取0)，推流角度θ為30°時(shí)，污物最大相對(duì)距離為28.23 cm；相同的推流角度θ下，當(dāng)布設(shè)距離比為1/2時(shí)集污效果最好，各推流角度工況下污物距離整體在10 cm附近，推流角度θ為45°時(shí)，污物最大相對(duì)距離最小，Lmax僅為6.39 cm。在中垂線模式下研究的30°、40°、45°、50°工況范圍內(nèi)，潛水推流器布設(shè)距離比為1/2時(shí)，污物聚集效果最好(圖5)。

圖4 中垂線模式下不同布設(shè)距離比(d/a)工況下污物分布原圖Fig. 4 Original photo of waste distribution under different installation distance ratios (d/a) in the perpendicular bisector pattern(a) θ=30°, d/a=0; (b) θ=40°, d/a=0; (c) θ=45°, d/a=0; (d) θ=50°, d/a=0; (e) θ=30°, d/a=1/4; (f) θ=40°, d/a=1/4; (g) θ=45°, d/a=1/4; (h) θ=50°, d/a=1/4;(i) θ=30°, d/a=1/2; (j) θ=40°, d/a=1/2; (k) θ=45°, d/a=1/2; (l) θ=50°, d/a=1/2, the same as Fig. 6.

圖5 中垂線模式下不同布設(shè)距離比(d/a)工況下污物距池心的最大相對(duì)距離Fig. 5 Maximum relative distance of waste from the centre of tank under different installation distance ratios (d/a) in the perpendicular bisector pattern

圖6為對(duì)角線模式下不同布設(shè)距離比工況下的污物分布原圖，圖中3行4列分別代表3種布設(shè)距離比和4種布設(shè)角度。分析圖中的4列可以清晰地發(fā)現(xiàn)，推流角度在布設(shè)角度θ為30°、40°、45°和50°工況下，污物距離排污口最大相對(duì)距離Lmax均隨潛水推流器布設(shè)距離比的增加(0、1/4、1/2)而逐漸減小，污物的聚集效果逐漸變好。當(dāng)潛水推流器布設(shè)距離比為0時(shí)，污物及其飼料聚集呈橢圓形，而且隨著布設(shè)距離比的增加，污物的形狀也在發(fā)生變化，八邊形養(yǎng)殖池內(nèi)污物的聚集效果較差。當(dāng)潛水推流器布設(shè)距離比為1/2時(shí)，污物距離最小，污物形狀變成了圓，更有利于八邊形養(yǎng)殖池集污，因此，在此布設(shè)工況下八邊形養(yǎng)殖池集污效果最好。進(jìn)一步利用MATLAB圖像分析量化不同布設(shè)距離比工況下污物距池心的最大相對(duì)距離(圖7)，無(wú)論布設(shè)距離比為0、1/4還是1/2，污物分布最大相對(duì)距離隨著推流角度θ在30°～45°區(qū)間內(nèi)的增大而減小，隨著推流角度θ在45°～50°的增大而逐漸增大；當(dāng)布設(shè)距離比為較小值(近似取0)，推流角度θ為30°時(shí)，污物最大相對(duì)距離為22.80 cm。相同的推流角度θ下，當(dāng)布設(shè)距離比為1/2時(shí)集污效果最好，各推流角度工況下污物距離整體在10 cm附近，推流角度θ為45°時(shí)，污物最大相對(duì)距離最小，Lmax僅為6.07 cm。在對(duì)角線模式下研究的30°、40°、45°、50°工況范圍內(nèi)，潛水推流器布設(shè)距離比為1/2時(shí)，污物聚集效果最好。

圖6 對(duì)角線模式下不同布設(shè)距離比(d/a)工況下污物分布原圖Fig. 6 Original photo of waste distribution under different installation distance ratios (d/a) in the diagonal pattern

圖7 對(duì)角線模式下不同布設(shè)距離比(d/a)工況下污物距池心的最大相對(duì)距離Fig. 7 Maximum relative distance of waste from the centre of tank under different installation distance ratios (d/a) in the diagonal pattern

2.3 推流器數(shù)量對(duì)污物聚集的影響

潛水推流器數(shù)量對(duì)集污性能的影響見(jiàn)圖8和圖9。圖8中n代表此時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的推流器數(shù)量，圖9給出了不同潛水推流器數(shù)量下污物距池心的最大相對(duì)距離。綜合圖9可以發(fā)現(xiàn)，在推流角度θ為40°、45°和50°工況下，只使用1個(gè)推流器時(shí)污物分布距離最大，污物聚集效果最差；各推流角度工況下的污物分布最大相對(duì)距離隨著潛水推流器數(shù)量從1～2的增大而減小。當(dāng)布設(shè)角度為40°時(shí)，污物最大相對(duì)距離隨著推流器數(shù)量從2～4區(qū)間的增加而逐漸減小；當(dāng)布設(shè)角度為45°時(shí)，污物最大相對(duì)距離隨著推流器數(shù)量從2～4區(qū)間內(nèi)的增大而逐漸增大且污物距離增加較平緩；當(dāng)布設(shè)角度為50°時(shí)，污物最大相對(duì)距離隨著推流器數(shù)量從2～4區(qū)間內(nèi)的增大而先增大后減小，且推流器數(shù)量為4個(gè)時(shí)污物最大相對(duì)距離最小，Lmax為11.13 cm，此時(shí)聚污效果最好。但是當(dāng)4個(gè)潛水推流器同時(shí)工作的時(shí)候，八邊形養(yǎng)殖池右上角出現(xiàn)了污物的殘留。當(dāng)推流器數(shù)量為2～4個(gè)時(shí)，各推流角度工況下污物最大相對(duì)距離在10 cm上下波動(dòng)，此時(shí)養(yǎng)殖池聚集效果較好，污物最大相對(duì)距離較為接近(圖9)。

圖8 不同推流器數(shù)量下污物分布原圖n. 此時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的推流器數(shù)量。Fig. 8 Original photo of waste distribution under different numbers of flow propellersn. the number of flow propellers. (a) θ=40°, n=1; (b) θ=40°, n=2; (c) θ=40°, n=3; (d) θ=40°, n=4; (e) θ=45°, n=1; (f) θ=45°, n=2; (g) θ=45°, n=3; (h)θ=45°, n=4; (i) θ=50°, n=1; (j) θ=50°, n=2; (k) θ=50°, n=3; (l) θ=50°, n=4.

2.4 布設(shè)模式對(duì)污物聚集的影響

潛水推流器中垂線和對(duì)角線兩種不同布設(shè)模式下污物聚集情況如圖10和圖11所示。兩個(gè)中垂線潛水推流器不同布設(shè)角度工況下的污物距離(最大相對(duì)距離)隨著推流角度在20°～45°區(qū)間的增大而逐漸減小，在45°～60°區(qū)間內(nèi)的增大而逐漸增大；當(dāng)推流角度為70°時(shí)，污物沒(méi)有在排污口附近聚集且飼料分散程度較大；當(dāng)推流角度θ為45°時(shí)，此時(shí)污物距離排污口最大相對(duì)距離最小，集污效果最好(圖10)。當(dāng)兩個(gè)對(duì)角線潛水推流器推流角度θ為45°時(shí)，污物距離排污口最大相對(duì)距離最小，池心附近出現(xiàn)了最佳的污物聚集效果(圖11)。兩個(gè)對(duì)角線推流器不同布設(shè)角度工況下的污物距離也隨著推流角度在20°～45°區(qū)間內(nèi)的增大而逐漸減小，在45°～60°區(qū)間內(nèi)的增大而逐漸增大，所有推流角度也會(huì)出現(xiàn)一定污物的聚集，且對(duì)角線放置的潛水推流器污物聚集離散度相對(duì)中垂線放置潛水推流器較小。無(wú)論潛水推流器中垂線放置，還是對(duì)角線放置，在20°～60°范圍內(nèi)，角度的改變對(duì)Lmax影響不大(圖12)。中垂線放置最大相對(duì)距離在20～25 cm范圍內(nèi)，對(duì)角線放置最大相對(duì)距離在10～15 cm范圍內(nèi)。相對(duì)而言，當(dāng)布設(shè)角度為45°時(shí)，對(duì)角線模式優(yōu)于中垂線模式。因此此時(shí)潛水推流器選擇對(duì)角線布設(shè)集污效果較好。

圖11 對(duì)角線模式下兩個(gè)推流器不同推流角度污物分布原圖Fig. 11 Original photo of waste distribution of two propellers with different deployment angles in the diagonal pattern

圖12 不同布設(shè)模式下污物距池心的最大相對(duì)距離Fig. 12 Maximum relative distance of waste from the centre of tank under different position

3 討論

八邊形養(yǎng)殖池內(nèi)集污效果的好壞直接關(guān)系到養(yǎng)殖池內(nèi)水質(zhì)的優(yōu)劣，是池塘養(yǎng)殖過(guò)程中的核心問(wèn)題。潛水推流器是氧化溝內(nèi)常見(jiàn)的推流器械，潛水推流器作為污水處理中的一項(xiàng)重要設(shè)備，具有攪拌和推流的雙重功能[20-21]。將潛水推流器應(yīng)用在戶外養(yǎng)殖池塘，具有很大的應(yīng)用前景，其工作原理與射流管和水車(chē)式增氧機(jī)相同，都是通過(guò)推動(dòng)水流運(yùn)動(dòng)從而起到污物聚集的效果。與其他推流設(shè)備類(lèi)似，如果潛水推流器布設(shè)不合適，將會(huì)在養(yǎng)殖池邊壁附近產(chǎn)生集污死角，此區(qū)域流速低，污物容易沉積，且溶解氧也較低。因此，系統(tǒng)地研究潛水推流器的設(shè)置方式對(duì)養(yǎng)殖池內(nèi)污物運(yùn)動(dòng)匯集的影響，獲取合適的推流器設(shè)置參數(shù)，對(duì)提高養(yǎng)殖池的集污性能，提升養(yǎng)殖池的養(yǎng)殖效益具有明顯的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

本研究結(jié)果表明，當(dāng)潛水推流器沿著八邊形養(yǎng)殖池對(duì)角線布設(shè)，推流角度為45°時(shí)，可以在養(yǎng)殖池內(nèi)形成良好的水平環(huán)流，污物沿池中心擴(kuò)散半徑取得最小值，具有較好的污物聚集效果。這與趙樂(lè)等[12]通過(guò)控制變量法研究射流管的射流速度、射流角度對(duì)方形圓弧角養(yǎng)殖池流場(chǎng)特性和底部污物聚集影響的研究結(jié)果一致。研究發(fā)現(xiàn)，在雙射流管驅(qū)動(dòng)模式下，當(dāng)管式射流管的射流角度約為40°時(shí)，污物的聚集度最高，養(yǎng)殖池集污效果最好。Venegas等[22]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了射流混合噴射器對(duì)圓形養(yǎng)殖池水動(dòng)力的影響，結(jié)果表明當(dāng)噴射器的射流方向設(shè)置為45°時(shí)，養(yǎng)殖池的切向速度、均勻性、混合時(shí)間和從槽中去除固相的時(shí)間等均具有良好效果。這與本研究結(jié)果高度一致，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

在潛水推流器推流角度為45°工況下，布設(shè)距離比設(shè)置為1/2時(shí)，可以獲得良好的集污效果。薛博茹等[23]通過(guò)數(shù)值模擬研究了單射流管模式下，射流管的布設(shè)距離比對(duì)養(yǎng)殖池內(nèi)流場(chǎng)分布的影響，此時(shí)養(yǎng)殖池進(jìn)徑比(參數(shù)C/B，C為射流孔位置到養(yǎng)殖池池壁的水平距離，B為養(yǎng)殖池短邊邊長(zhǎng))設(shè)置在0.02～0.04有利于方形圓切角養(yǎng)殖池系統(tǒng)獲得最佳的流場(chǎng)條件。薛博茹等[23]研究了中垂線模式下的布設(shè)距離比養(yǎng)殖池內(nèi)流場(chǎng)分布特性，但在對(duì)角線模式下射流管布設(shè)距離比缺少進(jìn)一步研究。合理的水力驅(qū)動(dòng)設(shè)備能驅(qū)動(dòng)水體在養(yǎng)殖池內(nèi)形成較好的環(huán)流形態(tài)[24]，獲得最優(yōu)的污物聚集效果。因此，綜合考慮潛水推流器布設(shè)時(shí)的實(shí)際作業(yè)難度等，建議在實(shí)際養(yǎng)殖過(guò)程中，將潛水推流器布設(shè)角度設(shè)為45°，布設(shè)距離比保持在1/2池壁邊長(zhǎng)范圍左右，從而確保八邊形養(yǎng)殖池獲得較好的污物聚集效果。

桂福坤等[13]通過(guò)水車(chē)式增氧機(jī)驅(qū)動(dòng)下方形圓切角養(yǎng)殖池集污水動(dòng)力試驗(yàn)，研究了水車(chē)式增氧機(jī)在不同的布設(shè)角度、布設(shè)距離比、驅(qū)動(dòng)流速對(duì)方形圓切角養(yǎng)殖池內(nèi)污物聚集和流場(chǎng)特性的影響。研究結(jié)果表明，在45°工況下，隨著布設(shè)距離比的增加，污物的整體聚集效果逐漸增強(qiáng)。其結(jié)果與本研究潛水推流器數(shù)量基本吻合，當(dāng)推流器數(shù)量大于2時(shí)，各推流角度工況下污物最大相對(duì)距離在10 cm處波動(dòng)，此時(shí)養(yǎng)殖池內(nèi)污物聚集效果較好，污物最大相對(duì)距離相差不大?？紤]到潛水推流器布設(shè)時(shí)經(jīng)濟(jì)效益以及實(shí)際作業(yè)等情況，建議在八邊形養(yǎng)殖池內(nèi)布設(shè)2個(gè)潛水推流器。由圖12可以發(fā)現(xiàn)，中垂線放置模式下最大相對(duì)距離Lmax為20～25 cm，對(duì)角線放置模式下Lmax為10～15 cm。相對(duì)而言，當(dāng)布設(shè)角度為45°時(shí)，對(duì)角線模式優(yōu)于中垂線模式。因此潛水推流器建議按照對(duì)角線模式安裝，以期獲得較好的污物聚集效果。

4 結(jié)論

本研究探討了八邊形養(yǎng)殖池中，潛水推流器在不同推流角度、布設(shè)距離比、潛水推流器數(shù)量和布設(shè)模式工況下，八邊形養(yǎng)殖池底部污物聚集情況，結(jié)論如下：

①在2個(gè)潛水推流器對(duì)角線放置，布設(shè)距離比1/4的設(shè)置模式下，布設(shè)角度為45°附近時(shí)，最有利于池內(nèi)污物聚集；當(dāng)布設(shè)角度大于70°時(shí)，隨著布設(shè)角度的增大，八邊形養(yǎng)殖池逐漸出現(xiàn)集污死角，且飼料離散程度變大。

②在2個(gè)潛水推流器對(duì)角線放置，布設(shè)角度為30°、40°、45°、50°工況下，污物聚集效果隨著布設(shè)距離比的增大而逐漸增強(qiáng)，當(dāng)布設(shè)距離比為1/2時(shí)，此時(shí)污物聚集效果最好。

③考慮潛水推流器布設(shè)時(shí)的經(jīng)濟(jì)效益情況和實(shí)際作業(yè)情況等，潛水推流器布設(shè)時(shí)不少于2個(gè)，因此在實(shí)際養(yǎng)殖過(guò)程中，潛水推流器按照布設(shè)角度45°附近布設(shè)，并按照本試驗(yàn)的結(jié)果調(diào)節(jié)潛水推流器與池壁的相對(duì)距離(約1/2池長(zhǎng)處)以提高污物聚集效果。

本研究針對(duì)實(shí)驗(yàn)室八邊形養(yǎng)殖池在潛水推流器作用下的污物聚集特性進(jìn)行了試驗(yàn)，研究結(jié)果不僅可以為養(yǎng)殖者在布置潛水推流器時(shí)提供科學(xué)參考，也可以為后續(xù)研究提供對(duì)比和模型驗(yàn)證數(shù)據(jù)。由于本研究的主要目的是直觀地比較不同工況下的污物運(yùn)動(dòng)聚集特性，因此并沒(méi)有測(cè)量養(yǎng)殖池內(nèi)的流場(chǎng)分布狀況。接下來(lái)將開(kāi)展不同工況下養(yǎng)殖池內(nèi)的流場(chǎng)測(cè)量工作，以期從水動(dòng)力層面闡釋污物聚集的機(jī)制。實(shí)際生產(chǎn)中養(yǎng)殖池的形狀較多，且模型試驗(yàn)工況布置具有局限性，需要通過(guò)開(kāi)展數(shù)值模擬系統(tǒng)全面研究潛水推流器作用下養(yǎng)殖池水動(dòng)力特性和污物聚集特性，為生產(chǎn)實(shí)際提供可靠的技術(shù)支撐。

（作者聲明本文無(wú)實(shí)際或潛在的利益沖突）