池塘水產養殖投飼區溶解氧穩定性分析研究*

趙思琪，趙三琴，顧家冰，丁超，丁為民

(1.南京財經大學食品科學與工程學院/江蘇省現代糧食流通與安全協同創新中心,南京市,210023;2.南京農業大學工學院,南京市,210031)

0 引言

投飼機是魚塘養殖過程最重要的日常管理機械,其作業性能直接影響養殖產業效益。目前相關學者主要從機械參數角度設計改進投飼機[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殖模式的推廣,這種指標下設計的投飼機投喂時存在投飼區缺氧而導致餌料利用率低、水質惡化的問題[6-8]。究其原因：現有投飼機設計時僅關注機具的機械參數,而對影響魚類攝食的水質參數未考慮。因此,在現有機械設計參數的基礎上,如何結合水質參數來設計改進投飼機是實現投飼設備轉型升級亟需解決的問題。

關于投飼機作業性能對水質參數影響的研究,其實質是集中投喂過程養殖魚類群聚攝食,攝食過程魚群呼吸、食物消化等新陳代謝消耗大量溶解氧,而引起投飼區水體溶解氧穩定性變化的問題,從而因投飼區缺氧導致魚類攝食率降低、餌料轉化率下降,最終導致餌料浪費、水體污染。目前關于溶解氧與餌料利用率的實驗室研究較多,已定性證明溶解氧含量影響攝食行為[9-11],并已報道魚類攝食時的耗氧速率模型[12-14],這些已有的研究結論為研究投飼機投飼時溶解氧變化規律及其穩定性分析提供了理論基礎。因此,本文根據魚類呼吸耗氧速率模型和溶解氧收支平衡方程首先推導出投飼過程理論溶解氧穩定性模型,然后以3種典型投飼機試驗驗證模型有效性,分析投飼機作業性能對溶解氧穩定性影響,提出溶解氧參數應作為投飼機設計改進的重要指標之一,并以如何提高投飼區溶解氧穩定性為切入點,提出投飼機優化改進的研究方向。

1 投飼區溶解氧穩定性分析

1.1 投飼區溶解氧收支平衡分析

定點集中投飼模式下,投飼機直接作業對象是餌料,餌料分布影響魚群分布,投飼區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,進而影響投飼區溶解氧穩定性,引起溶氧不足問題,從而影響魚群攝食率、餌料轉化率,造成餌料浪費、水體污染。為解決集中投喂過程投飼區溶解氧不足的問題,首先要明確集中投喂過程投飼區溶解氧穩定性變化規律。投飼區溶解氧穩定性變化規律實質是對集中投飼時溶解氧暫態變化過程的研究,對于此暫態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]。因每日總投飼時長(日投飼3次,每次時長1 h)較短(占晝夜時長12.5%),且投飼過程投飼區魚群密度較高,故認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械增氧QS[17]。

其中,每千克魚每小時呼吸耗氧模型

(1)

式中：Rf——呼吸耗氧速率,mg/(kg·h);

Y0——比例系數;

DOt——投飼進行t時長時對應水體溶解氧值,mg/L;

θY——呼吸耗氧溫度系數;

T——水體溫度,℃;

b——呼吸耗氧體重指數;

W——魚質量,g;

DOk——溶解氧半飽和濃度,mg/L。

機械增氧模型

(2)

QS=KLa(20)VCS(20)·10-3

(3)

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

(4)

式中：dc/dt——單位容積內氧傳遞速率,mg/(L·h);

KLa——氧傳遞系數,h-1;

CS——液體飽和溶氧值,mg/L-1;

QS——標準狀態下(20 ℃水溫,1個標準大氣壓)增氧能力,kg/h;

KLa(20)——20 ℃水溫條件下氧轉移系數,h-1;

V——試驗水體體積,m3;

CS(20)——標準狀態下的理論飽和溶解氧濃度值,mg/L;

KLa(T)——任意水溫下氧轉移系數,h-1。

通過以上對投飼區溶解氧收支來源分析與魚塘水體溶解氧收支平衡原理,得到投飼機作業過程投飼區溶解氧動態數學模型

(5)

式中：DO0——投飼起始溶解氧濃度,mg/L;

M——載魚量,kg;

t——投飼時長,h;

S——投飼區覆蓋面積,m2;

h——魚塘水深度,m。

1.2 投飼區溶解氧穩定性模型構建

1) 振動式投飼機(Vibrating Feeder,VFM)和氣動式投飼機(Pneumatic Feeder,PFM)溶解氧穩定性模型。從溶解氧收支平衡角度分析,振動式和氣動式投飼機作業時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)

化簡式(6)為溶解氧值DOt和時間t的函數

(7)

由式(7)可得VFM和PFM作業時水體溶解氧DOt隨時間t變化規律曲線如圖1(a)、圖1(b)所示,發現投飼區溶解氧隨時間呈現漸進下降的趨勢,分析知該變化規律與米氏酶促反應模型初始反應速度曲線特征相似,對式(7)轉化得

(a) 振動式投飼機

(8)

式中：tm——溶氧濃度降至初始溶氧DO0與最低溶氧DOmin差值一半時所對應投飼時長,min。

2) 風送投飼增氧一體式投飼機(Feeding-Aerobic Feeder,AFM)溶解氧穩定性模型。從溶解氧收支平衡角度分析,風送投飼增氧一體式投飼機作業時溶解氧支出為魚呼吸消耗,溶解氧收益為機械增氧,需滿足

(DO0-DOt)Sh+QSt=

(9)

化簡得

(10)

由式(10)可得一體機作業時投飼區溶解氧DOt隨時間t變化規律曲線,如圖1(c)所示,分析發現在投飼過程中,溶解氧與時間呈現較強線性關系,則式(10)轉化為

DOt=kt+DO0

(11)

式中：k——溶解氧變化率。

3) 溶解氧變異系數(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量次數;

ai——投飼過程第i次測量溶解氧值,mg/L;

S0——溶解氧標準差,mg/L;

DCV——投飼過程水體溶解氧變異系數,%。

同等投飼時長下DCV越小表明溶解氧穩定相越好,機具作業性能也越好。

觀察圖1,VFM和PFM在集中投喂過程中,投飼區溶氧濃度隨時間變化趨勢較為一致,均呈現漸進下降規律,但溶解氧波動幅度存在明顯差異。因VFM和PFM工作時投飼區溶氧收支來源一致,兩者主要存在投飼區覆蓋面積S不同,投飼區覆蓋面積S的差異不影響溶解氧變化規律性,但投飼區覆蓋面積越大溶解氧穩定性越好。相較而言,AFM與增氧技術相結合,提高了投飼區溶解氧穩定性,但其自動化、智能化水平較低,難以根據投飼過程水體溶解氧變化規律合理配置和開啟增氧機,存在盲目增氧問題。由圖1及上述分析可知3種投飼機作業時投飼區溶解氧穩定性具有明顯差異,目前僅根據機械參數設計的投飼機存在集中投飼作業過程投飼區溶氧不足及盲目增氧的問題。

探討集中投飼過程投飼機設計性能對投飼區溶解氧穩定性的影響,實質上是探討不同機具作業時投飼區溶解氧變異系數DCV隨時間的變化規律,用溶解氧變異系數DCV對溶解氧穩定性進行量化分析。從養殖對象攝食生長角度分析,溶解氧穩定性程度直接影響魚群呼吸耗氧Rf,進而影響魚群攝食率、攝食強度等生理過程,而投飼機最終作業對象是魚類,魚類生長好壞直接反映投飼機性能。上述分析表明,投飼機性能對溶解氧穩定性具有重要影響,進而影響魚類攝食生長,溶解氧參數應同機械參數結合作為投飼機優化改進的重要指標。因而針對現有投飼機設計僅關注機械參數,未考慮影響魚類攝食生長的溶解氧參數而引起投飼區溶解氧不足、盲目增氧、水質污染等方面問題,以如何提高溶解氧穩定性為切入點,將溶解氧參數與機械參數相結合對投飼機進行改進升級。以3種常用投飼機實地魚塘試驗驗證并討論投飼區溶解氧穩定性模型有效性和投飼機作業性能對溶解氧穩定性的重要影響,給出不同載魚量下各投飼機投飼區溶解氧穩定性曲線,并從如何提高溶解氧穩定性角度從內部結構、投飼模式和智能化水平3個方面對投飼機優化改進進行探討。

2 試驗驗證與分析

2.1 材料與方法

試驗于江蘇省南京市六合區長江農場進行(北緯32°12′13.44″;東經118°58′3.40″),試驗選取3口毗鄰且規格一致(面積1.33 hm2,長寬比2.7∶1,深2～2.2 m,東西走向)的精養高產魚塘為研究對象。各塘口最大載魚量15 000 kg/hm2,主養草魚、花鰱、鯽魚,放養比例4∶3∶3。

2.1.1 試驗設備

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

(a) VFM

試驗利用丹麥歐式卡OxyGuard溶氧儀(測量范圍0～20 mg/L;氧分壓0～200%;溫度-5 ℃～+45 ℃;精確度≥99%;響應時間<20 s)和自行研制全自動增氧機監控系統[19]對投飼過程溶解氧進行監測、保存,期間通過歐式卡便攜式溶氧儀對其進行校準。

2.1.2 試驗方法

VFM設為試驗組A,PFM設為試驗組B,AFM設為試驗組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。每個試驗組設置3個測氧點,各測氧點均勻布置在3種投飼機作業時飼料密集分布區,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次當前水體溶解氧值,每個工況下測量3次重復。為保持試驗條件一致性,各試驗組增氧機每天開啟數量、開啟時間、開啟時長等養殖管理措施保持一致,每塘配置YL-3000增氧機4臺共12 kW。

2.2 投飼機魚塘試驗效果分析

試驗統計發現早投飼時溶解氧濃度較低,為(3±0.5) mg/L,且早投飼量相對較少,占日投飼量25%±3%(圖3),為驗證效果更為明顯,本文以占日投飼量70%以上且溶氧濃度相對較高的午投飼和晚投飼為研究對象。

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

在試驗測量及前人研究基礎上完成對所推導構建溶解氧穩定性模型各參數取值,其中DOt≥DOS(大宗淡水魚類呼吸受抑制閾值,取1.5 mg/L)[20];DO0由試驗測量統計VFM和PFM取9 mg/L,AFM取8 mg/L;DOk試驗測量得出2.3 mg/L;S投飼區覆蓋面積,根據實地測量結果VFM取226 m2,PFM和AFM取1 256 m2;h取2 m(魚塘水深度);M按照試驗塘不同養殖生長期時載魚量取值;W取70 g(處于幼魚生長期時呼吸耗氧速率最高[21-22],為提高溶解氧穩定性模型適應性,在此選取呼吸速率最高時魚體質量);Y0、θY和b參考前人結果[12,14,23-24]分別取0.359、1.07、0.82;T水體溫度根據實測值取值。

2.2.1 溶解氧穩定性變化規律分析

將各參數帶入溶解氧穩定性模型式(7)、式(10),圖4表示投飼機作業過程投飼區溶解氧濃度理論值和實測值。

(a) 振動式投飼機溶解氧理論值與實測值

由式(15)～式(17)分別計算得出各測量點理論值和實測溶氧值的均方根誤差RMSE、平均絕對誤差MAE、平均相對誤差MRE如表1所示。

表1 投飼區溶解氧穩定性模型測量誤差統計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量次數;

bi——投飼過程第i次測量溶解氧實際值,mg/L;

ci——投飼過程第i次測量對應溶解氧理論值,mg/L。

從圖4分析可知,VFM和PFM作業過程投飼區溶解氧呈現漸進下降的趨勢,在投飼進行40 min時長過程實測值略低于理論值,因為投飼區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,故在構建溶解氧穩定性模型時只考慮魚呼吸耗氧;投飼進行40 min以后實測值略高于理論值,因為投飼進行40 min以后部分魚飽食離開投飼區,緩解了對投飼區溶解氧需求壓力。AFM作業過程投飼區溶解氧呈現緩慢線性變化趨勢,在投飼10 min時出現波谷,主要因為投飼前期魚群短時間內大量聚集至投飼區攝食,而AFM中增氧輪增氧需要一定過程,難以滿足投飼區需氧量的急劇增加,故造成投飼前期溶解氧下降;而投飼進行10 min以后溶解氧逐漸回升,因為增氧輪的轉動促進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測值與理論值雖存在一定偏差,但整體的溶氧變化趨勢及溶解氧值結果較為一致。

2.2.2 溶解氧變異系數分析

由式(12)～式(14)及圖4得出3種投飼機作業時水體溶解氧濃度由起始值降至最低需氧值(國家漁業水質標準[18],5 mg/L)時所對應溶解氧變異系數DCV、實際投飼時長tk、理論投飼時長t0,如表2所示。

表2 投飼區溶解氧穩定性模型溶解氧變異系數統計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的理論值與實測值相差不大,平均絕對誤差MAE均在5%和5 min以內。且溶解氧變異系數DCV與tk呈負相關關系,DCV越小,則tk越大,機具作業表現越好;DCV與實際投飼時長t0呈正相關關系,隨著DCV降低,t0逐漸增加。在投飼機作業時,如何確保投飼期間tk>t0是投飼機設計、改進的重點,而溶解氧變異系數DCV與tk、t0密切相關,降低DCV提高投飼區溶解氧穩定性是設計、改進關鍵;同時表2分析發現在不同載魚量下,3種投飼機投飼區溶解氧變異系數DCV均表現顯著差異性(P<0.05),上述分析表明投飼機性能對溶解氧穩定性具有重要影響,溶解氧穩定性應作為投飼機設計改進的重要指標之一,該結果與1.1中理論分析結論一致。

3 討論

本文以定點投喂式投飼機作業時,魚群集中攝食引起投飼區溶解氧不足、飼料利用率降低的問題為切入點,對投飼過程中的溶解氧穩定性進行深入分析,以下從溶解氧穩定性模型、3種投飼機作業的溶解氧穩定性對比、投飼機改進建議3個方面進行討論。

1) 溶解氧穩定性模型。本文從魚塘溶解氧收支平衡角度,首先推導出投飼過程溶解氧動態數學模型,然后結合不同類型投飼機作業特點構建溶解氧穩定性模型。彌補了龔望寶等[16]就魚塘溶氧收支問題以及成永旭等[25]關于投飼區與非投飼區溶解氧僅定性分析的不足。與魚塘試驗實測相比,均方根誤差RSME為0.363 mg/L,平均絕對誤差MAE為0.273 mg/L,平均相對誤差MRE為5.702%,表明本文推導構建溶解氧穩定性模型可行有效。

2) 3種投飼機作業的溶解氧穩定性對比研究。本文以溶解氧變異系數DCV為指標,對當前常用3種投飼機作業時溶解氧穩定性進行研究,理論與試驗測量結果分別為43.56%/42.28%(VFM);12.50%/14.92%(PFM);1.96%/3.88%(AFM),表明各機具作業過程溶解氧穩定性表現具有顯著差異性(P<0.05)。雖然葛一健[26]、吳強澤等[27]對中國各類型投飼機作業性能均從機械指標進行定性對比分析,但并未考慮溶解氧參數指標;而陳曉龍等[1]雖指出因投飼不均勻、投飼面積小,造成投飼區缺氧,餌料利用率低的問題,從增大投飼區面積的角度提高溶解氧穩定性,但對投飼區溶解氧穩定性變化規律缺少有效的量化描述,難以指導實際應用。主要因為(1)相關研究人員集中從機械參數角度對投飼機優化改進及性能評價;(2)之前市面上尚未有比較成熟完善的溶解氧傳感器,難以對溶解氧進行連續、長時間準確測量。本文基于課題組自主研制全自動增氧系統[19]及丹麥歐式卡溶解氧傳感器對3種機型投飼機投飼區溶解氧進行連續長時間測量,并以溶解氧變異系數對其進行有效量化分析,發現投飼機作業性能對溶解氧穩定性具有重要影響,指出溶解氧參數應與機械設計參數共同作為投飼機優化改進的重要指標。

3) 投飼機優化改進建議。本文通過對3種機型投飼機作業溶解氧對比研究發現,VFM溶解氧穩定性最差,主要因為其投飼區覆蓋面積太小,投飼時單位水體載魚量過高;PFM通過對輸料、拋料機構設計優化,增大投飼區范圍[28],但提高溶解氧穩定性程度有限;相較前兩者,AFM與增氧技術相結合,投飼過程溶解氧穩定性最高,但其自動化、智能化水平較低[29-30],難以根據投飼過程水體溶解氧變化規律合理配置和開啟增氧機。上述研究結果表明投飼機的優化改進方向應主要集中在如何高效提高投飼區溶解氧穩定性方面：(1)內部結構改進建議：建立溶解氧穩定性與投飼機機械參數相關關系,進而建立機械參數與投飼機內部機械結構相關關系,優化改進投飼機內部拋料結構,提高投飼均勻性,增加投飼區覆蓋面積以提高投飼區溶解氧穩定性;(2)投飼模式改進建議：變定點集中投飼模式為動點移動投飼模式,增加投飼區覆蓋面積,降低單位載魚量,以提高投飼區溶解氧穩定性;(3)提高智能化水平：投飼技術與增氧技術和水質監控系統相結合,根據投飼區溶解氧變化規律及下降程度,合理開啟和配置增氧機,達到高效增強投飼區溶解氧穩定性的目的,提高魚群攝食率,降低餌料浪費。

4 結論

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構建投飼區溶解氧穩定性模型,比較理論值和實測值,各測量點溶解氧的均方根誤差RMSE為0.376 mg/L,平均絕對誤差MAR為0.290 mg/L,平均相對誤差MRE為6.080%,說明所構建模型有效可行。

2) 以溶解氧變異系數DCV為指標實現溶氧穩定性量化分析,3種投飼機投飼過程DCV實測值/理論值分別為39.32%/38.33%(VFM);12.50%/14.92%(PFM);1.96%/3.88%(AFM),各機具之間溶解氧穩定性均表現顯著差異性(P<0.05),該結果表明溶解氧參數應作為投飼機設計優化的重要指標之一,并提出以提高溶解氧穩定性為目的,從內部結構、投飼模式、智能化水平3方面進行投飼機優化改進的建議,可為設計綜合性能較好的投飼設備提供參考。