图1 北京市农林科学院水产科学研究所示范基地(地理区位图)
Fig.1 Demonstration base of Fisheries Science Institute，Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences(geographical location map)
池塘养殖是中国淡水养殖的主要方式，根据2022年渔业年鉴统计[1]，全国淡水养殖面积达到4 983 870 hm2，其中池塘养殖面积为2 604 630 hm2，占淡水养殖总面积的52.26%。鱼池是鱼类养殖的主要生产单元，是鱼类赖以生存的场所，池内流态和水质的优劣直接影响鱼类的生存和生长[2]。常用鱼池的形状有圆形、矩形和方形直切角等[3]。圆形鱼池能充分利用二次流的原理，通过一定的水力驱动设计，产生良好的流态和集排污效果，具有水流死区少、容易清淤等特点，是典型且常用的鱼类养殖池类型[4]。目前，池塘养殖集排污水力驱动装置主要有水车式增氧机[5]和射流管，但这些装置动力有限，只能驱动小范围水体。潜水推流器[6]是一种潜在的具有推广应用价值的水产养殖装备，目前已经在北京等地有所推广。推流器的主要作用之一就是有效推动大型养殖池塘内的水体[7]，进而使水体充分混合并使污物汇集至养殖池中心，然后排出养殖池。然而，养殖池内潜水推流器的布置方式尚无理论依据，大多仅凭水产养殖者的主观经验，缺乏专业的科学指导。因此，通过现代科技手段对其流场进行精准测量，探索优化流动环境是淡水池塘养殖中亟待解决的问题。
随着对池塘养殖研究的不断深入，养殖池水动力特性的研究受到越来越多的关注。部分学者通过物理试验对集污水动力特性进行了探讨。如赵乐等[8]采用控制变量法研究发现，在双射流管驱动模式下，射流角度固定时，射流速度越大，池心低流速区域越小；Zhang等[9]通过物理模型试验发现，单进水管采用布设角度为20°～30°，布设距离比为1/4时，养殖池自清洗性能较高；冯德军等[10]利用小尺寸物理试验研究发现，进水管不同流量驱动下，鱼类养殖密度和养殖池水动力特性密切相关。近年来，随着计算机科学技术的发展，也有部分学者利用数值模拟对养殖池水动力特性开展了研究。如Gorle等[11]利用计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)研究发现，靠近角壁的进气管道比靠近侧壁的进气管道阻力小29%；Liu等[12]应用离散相模型(discrete phase model，DPM)生成颗粒轨迹，建立的水动力三维数值模型能较为准确地模拟八角形养殖池内固体颗粒的运动轨迹；刘乃硕等[13]利用CFD模拟分析发现，Cornell和Waterline两种典型的双通道圆形养殖池池底自净能力与出水结构相关；任效忠等[14]通过数值模拟研究发现，在单管弧壁、对弧双管两种进水方式下，进水管角度设置在50°时养殖池内水体平均流速最高；薛博茹等[15]通过数值模拟研究发现，进径比C/B(C为进水管到养殖池池壁的水平距离，B为养殖池短边边长)为0.02～0.04时，养殖池内水动力系数最优。上述已有的研究主要是以物理模型试验和数值模拟[16]为主，受试验尺度效应的影响，研究结果应用具有一定的局限性。目前，关于大尺寸圆形养殖池水动力特性研究较少[17]，难以为优化圆形养殖池工程设计提供参考。
本研究中，以常见的大型圆形养殖池为研究对象，通过现场测试的方法，探究了不同潜水推流器数量(n=2、4)对圆形养殖池不同水层流场分布特性的影响规律。利用本研究团队与安徽欣思创科技有限公司联合设计研发的无人船搭载声学多普勒流速剖面仪(acoustic doppler current profiler，ADCP)系统，对养殖池内流场分布进行精细化测量，分析了大型圆形鱼池流场特性的基本规律，以期为大型养殖池内水动力特性的研究和养殖固废的高效聚集与排除提供参考依据。
试验在北京市农林科学院水产科学研究所平谷示范基地进行(图1)，鱼池数量为13个，水域面积为6.277 hm2。其中，试验用9号圆形池水域面积为3 874 m2，上边缘直径为73 m，底边缘直径为55 m，水面直径为66 m。养殖池结构尺寸及池内推流器设置见图2，其中，红色圆圈为潜水推流器，主要由推流器叶轮(半径1.5 m)和电机(功率7.5 kW)组成。池塘底部为与水平位置呈15°倾斜夹角的坡面，便于残饵粪便等固态污染物向池塘底部中心处汇集[18]，集污池直径(包括上部水平边沿)d=11.4 m，池塘底部边沿到池塘上边沿的距离h1=3.51 m，集污池上边沿到池塘上边沿的距离h2=3.95 m，集污池上边沿到集污池底部的距离h3=1.6 m。
图1 北京市农林科学院水产科学研究所示范基地(地理区位图)
Fig.1 Demonstration base of Fisheries Science Institute，Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences(geographical location map)
图2 圆形养殖池结构尺寸及池内推流器设置示意图
Fig.2 Schematic diagram of the structural dimensions of the circular tank and the setup of the thruster in the tank
利用无人船[19]搭载的ADCP系统测量圆形养殖池内的流速，其中，测流无人船主要由船体、通信基站、遥控器和软件控制端组成(图3)。
图3 小型测流无人船结构组成
Fig.3 Structure of a small unmanned current measurement vessel
船体采用铝合金材料制作，规格为1 000 mm×1 200 mm×450 mm(长×宽×高)，总质量为28 kg，航行模式分为航线规划模式和遥控器控制模式。船内搭载ADCP测流仪、电源系统、控制系统和螺旋桨，相应的仪器参数见表1。
表1 小型测流无人船技术参数
Tab.1 Technical parameters of small unmanned current measurement vessels
产品product 技术参数technical parameter参数的定性或定量qualitative or quantitative parameter尺寸1 000 mm×1 200 mm×450 mm船体充气浮桶船体结构vessel structure抗风浪等级4～5级内河质量28 kg材质铝合金供电电池24 V 40 A续航时间3～4 h电气与通信electricity and communication定位系统GPS通信方式电台通信距离1 000～3 000 m推进系统propulsion system推进器防水草无刷电机陆上基站land-based station控制方式无人船专用软件控制搭载设备mounted equipment声学多普勒流速剖面仪
1.2.1 野外作业步骤
1)准备设备。设备主要有无人船、电池、操控器、天线、通信基站、笔记本电脑和串口线等。
2)现场勘查。熟悉圆形养殖池基本情况，如下水点、上岸点、水草、水深和通视条件等。
3)仪器调试。调试好无人船，利用无人船规划航行路线，设置流速测量点(图4)。
图4 现场调试小型测流无人船
Fig.4 Field commissioning of a small unmanned current measurement vessel
4)流速测量。通过无人船搭载的ADCP控制系统采集流速数据。
1.2.2 近底流场测量 试验中使用无人船搭载的ADCP测流仪[20-21]测量圆形养殖池内的流场分布情况，该流速仪可以测得其探头下方5 cm处水体微团的流速。待池内水体流动稳定后(即养殖池表层白色泡沫板经过同一位点的时间间隔相等)，按照图5红色实心点所示的布点方案测量流速分布情况[22]。本次在养殖池内均匀设置4条测量线，每个测量线设置10个测量点，测量点分为横竖和交叉共4个断面，横竖每个断面各设置10个点，斜向交叉断面各设置10个点，共计40个测量点。利用ADCP对每条测量线表层、中层、底层(1.5、2.0、2.5 m)进行测量。具体测量设置及过程见图6、图7，分为主测量线和单次测量点，利用无人船设置流速测量点，每个测量点持续采集时长为60 s，船航行速度为1 m/s。
图5 流速测点布设
Fig.5 Layout map of flow rate measurement points
图6 利用无人船设置流速测量点
Fig.6 Using unmanned vessel to set up flow measurement points
图7 流速测量无人船及ADCP控制系统
Fig.7 Flow rate measurement unmanned vessel and ADCP control system
1.2.3 水动力指标的测定与计算 利用Matlab软件处理流速数据[23]，对所测得的数据首先进行滤波处理，剔除异常值，求出平均值作为该点的流速值。利用griddata函数对养殖池近表层离散的流速数据进行插值[24]，获得整个养殖池近表层流速的分布情况。考虑到外插数据准确度低，因此，删除外插流速数据。最后利用quiver和imagesc函数分别绘制流速箭头图和流场云图，利用colorbar给图形添加色标，详细显示不同试验工况下池内不同水层的流场分布特性。为了进一步定量描述和比较不同工况下圆形养殖池内水动力特性，本研究中使用养殖池内平均流速vavg(养殖池内各测量点流速的平均值，m/s)和速度分布均匀系数XDU50 2个水动力学特征量[25]对流场进行具体分析。计算公式为
XDU50=(v50/v)×100%，
(1)
(2)
式中：XDU50为养殖池内流速分布均匀系数，该值越接近100 代表水流速度分布越均匀；v50为某深度截面各监测点速度较低的前50%速度平均值(m/s)；vi为监测点的速度(m/s)；ri为监测点距池中心的距离(m)；v为由vi和ri计算得出的平均加权速度(m/s)，为了后续表达简洁，本文将不同工况下距离水面1.5、2.0、2.5 m的水层分别记为表层、中层和底层。通过比较不同试验工况下水层的流速，分析大型圆形养殖池内的水动力特性。
图8显示了2个推流器作用下圆形养殖池内不同水层流场的分布情况，其中，黑色实线箭头代表推流器水流方向，推流器形成的水流方向均为顺时针方向。从图8可见：当推流器数量为2个时，1.5、2.0、2.5 m水层池边流速分别为0.4、0.3、0.1 m/s，整个圆形养殖池池壁附近流速随着水层深度的增加而逐渐减小，池中心的低流速区面积随着水层深度的增加而逐渐增大；当距离水面为1.5 m(表层)时，圆形养殖池内流场分布效果最好，由中心至池壁产生较为明显的流场分区现象，高流速区均匀分布在贴近圆形池壁处；当距离水面为2.5 m(底层)时，圆形养殖池流场分布效果最差，池壁处的流速较小且池内无法形成有利于污物汇集的高流速区，此时圆形养殖池内流速趋近于0，污物无法有效汇集。
图8 2个推流器作用下不同水层内流场的分布
Fig.8 Distribution of flow field in different water layers under the action of two thrusters
从图9可见：当推流器数量为4时，1.5、2.0、2.5 m水层池边流速分别为0.6、0.4、0.3 m/s，整个圆形养殖池池壁附近流速随着水层深度的增加而逐渐减小；当距离水面为1.5 m时，养殖池内流速最大，接近0.6 m/s，池内流场分布效果最好。不同水层的流场都会出现环流区，越靠近底层，池中心的低流速区域面积越大；越靠近表层，圆形池中心附近的低流速区面积越小，池壁的高流速区面积就越大。各水层中心区域由于水流向心速度分量增大，导致高速环流区逐渐向养殖池中间区域迁移，从而使贴近池壁区域的流速逐渐减小。
图9 4个推流器作用下不同水层内流场的分布
Fig.9 Distribution of flow field in different water layers under the action of four thrusters
由于不同水层的流场分布特征相似，因此，本研究中仅选取位于表层(h=1.5 m)流场分布特性较好的2个和4个推流器养殖池的流场分布特性进行分析(图8(a)和图9(a))，由于大型圆形养殖池水体总量大，以及水力驱动装备功率较小，养殖池中心仍存在大量低流速区域。当2个推流器处于运转状态时，圆形养殖池池壁附近流速接近0.4 m/s，而当4个推流器处于运转状态时，圆形养殖池池壁附近流速接近0.6 m/s，表明圆形养殖池池壁高流速区域随着推流器数量的增多而逐渐增大，但此时无论推流器数量是2个还是4个，圆形养殖池由中心至池壁均产生较为明显的流场分区现象，都能在养殖池内产生旋转流，但高流速区仅仅在养殖池边缘附近。
表2显示了推流器作用下养殖池内不同水层的水动力参数，主要包括平均流速及速度分布均匀系数。无论推流器数量是2个还是4个时，养殖池内平均流速变化趋势相同，均随着水层深度的增加而逐渐减小；当推流器数量为4个时，养殖池内表层的平均流速最高，达到0.233 m/s，当推流器数量为2个时，养殖池内底层的平均流速最低，仅为0.094 m/s。当推流器数量为4个时，养殖池内的均匀系数随着水层深度的增加而逐渐减小，当推流器数量为2个时，养殖池内的均匀系数随着水层深度的增加而逐渐增大，但趋势较为缓慢(表2)。根据平均流速越大、流场均匀系数越大，越有利于养殖池内的污物汇集排出的原则，以及综合考虑实际机器运转及降低能耗方面的影响，建议养殖池内潜水推流器数量根据实际能耗及残饵粪便等固态污染物的尺寸和大小选择。
表2 推流器作用下圆形养殖池内不同水层的水动力参数
Tab.2 Hydrodynamic characteristics of different water layers in a circular aquaculture tank under the action of thrusters
推流器数量number of thrusters水层/mwater layer平均流速/(m·s-1)average velocity均匀系数(U)uniformity coefficient1.50.18511.36822.00.15212.4692.50.09413.6281.50.23334.50142.00.18515.9032.50.1139.638
养殖池是水产养殖产业的基础设施和鱼类赖以生存的重要场所，池内水质的优劣直接影响养殖对象的健康[26]。在高密度池塘养殖中，养殖对象数量多，密度和投喂量大，如果鱼类的残饵、粪便和代谢物不及时去除，滞留在养殖池底部时间过长，在无机物分解作用下会产生亚硝氨和氨氮，导致水产养殖环境水质恶化，一旦发生病害对整个养殖池塘内生物的健康及生长都极为不利[27]。因此，利用水动力特性及时清除养殖池固体废弃物是改善养殖水质环境的重要手段。
通常在水动力作用下，池塘内均能产生水平流和垂直流。在水平流方面已有一些相关研究，如Oca等[28]通过多普勒测速仪现场测试不同流量、进水速度和水深对切向进水和底部中央出水口圆形池在直径轴上的速度分布及影响，结果表明，水流速度总是从外壁到池中心逐渐减小，在中心半径处达到最小值；史宪莹等[29]通过数值模拟软件搭建方形圆弧角单管养殖池及仿生鱼模型，研究养殖鱼放养密度、个体体积和空间分布对养殖池水动力特性的影响，结果表明，养殖池内中心区域附近出现较大面积的低流速区域，并且这种现象随着养殖池内养殖鱼放养密度的增大而增大。本研究中，养殖池内水平方向流速随着池边缘距池中心距离的减小而逐渐减小，贴近池壁处形成了较高流速区域，而到池中心附近时，流速非常低，接近于0。本研究结果与上述文献报道的研究结果高度一致。这是由于推流器驱动时，在圆形养殖池池壁碰撞损失了大量能量，仅在池壁处碰撞形成了较高的高速环流[30]，且养殖池水域面积大，推流器功率较小，驱动产生的流速沿着池边缘至池中心距离的减小而逐渐减少。
垂直方向的水流也会随着水深变化产生流速差异。朱放等[31]通过物理模型试验，利用粒子图像测速技术(PIV)研究了不同进水管设置角度下距离池底 1、2、10、19 cm(底层、近底层、中层、上层)水层的流场分布特征及其对圆形养殖池自清洗能力的影响，结果表明，不同高度水层平均流速较为接近，底层流场流速略低于上层流速；胡佳俊等[30]基于CFD技术，通过STAR-CCM+软件模拟圆形循环水养殖池在进水管布设角度和布设位置工况下，研究了流场分布特性和固体颗粒物的运动特性，结果发现，在进水管布设角度θ=0°、布设位置d=0 cm条件下贴近池壁时，越靠近表层，养殖池中心高流速区域的面积越大。本研究中，推流器能在养殖池内产生旋转流，但高流速仅仅在养殖池边缘附近，而且随着池水深度的增加而降低。流速大小是污物能否起动的关键，流态决定污物汇集的方向，当推流器驱动功率一定时，进水结构的冲击力[Fi=ρ/Q(vin-vavg)]与水的密度(ρ)、进水流量(Q)及进水速度(vin)与平均速度(vavg)的差值成正比[15]，且由于养殖池底层水流与池底壁面摩擦会损耗底层流场的动能，导致底层流速低于上层流速。综上可知，无论上述物理模型试验还是数值模拟结果，均与本研究结果高度一致，养殖池内垂直方向不同水层(表层、中层、底层)的流场分布特征相似，池中心的低流速面积区域随着水层深度的增加而逐渐增大。
推流器数量(转速)及其布设方式与养殖池内流场分布特性密切相关。郭平巧[32]通过数值模拟的方法系统地研究了水车式增氧机数量对正方形和长方形养殖池内流场分布的影响，结果表明，水车式增氧机(电机转速100 r/min)数量至少在2个以上，但过多的水车数量会增加电费成本；吴彦飞等[7]利用物理模型试验研究了潜水推流器(电机转速400 r/min)数量对八边形养殖池内集污性能的影响，结果表明，养殖池集污性能随潜水推流器数量的增加整体呈现增强的趋势，尤其是潜水推流器数量从1个增加至 2个时，集污性能明显提升，但是持续增加后，集污性能不再有明显的提升。这些研究结果与本研究结果基本吻合。本研究中，当距离水面1.5 m(表层)时，推流器数量为4个的圆形池池壁高流速区域比推流器数量为2个时大，但无论推流器数量是2个还是4个，圆形养殖池由中心至池壁均产生较为明显的流场分区现象，高流速仅仅在养殖池边缘附近。养殖池的能量主要由推流器驱动提供，能量损失包括克服养殖系统的阻力和水粒子的相对运动，养殖池内的阻力损失包括摩擦损失和池壁处的冲击损失[9]。相对运动的能量损失是由水粒子之间的碰撞造成的，这有助于维持养殖池内的水循环。因此，考虑到潜水推流器实际作业效果及养殖的经济效益等情况，建议在圆形养殖池内布设潜水推流器以2个为佳。
推流器作用下养殖池内不同水层的水动力参数既有相同又有差异。无论推流器数量是2个还是4个，养殖池内平均流速变化趋势相同，均随着水层深度的增加而逐渐减小。平均流速越大，越有利于残饵、粪便等固态污染物的起动与汇集。养殖池内推流器水力驱动导致底部水流与池底碰撞，在碰撞过程中损失大量能量造成平均流速下降。当推流器数量为4个时，养殖池内均匀系数随着水层深度的增加而逐渐减小，这可能是养殖池尺寸、水域面积和池内水体容量较大造成的；而推流器数量为2个时，养殖池内均匀系数随着水层深度的增加而逐渐增大，但趋势较为缓慢。这一方面可能与推流器布设在养殖池斜坡上，与养殖池底层距离较近有关；另一方面由于水体较为浑浊，且存在各种能耗及养殖生物等自然因素影响，难以预测评估。速度分布均匀系数越大，表示养殖池内流场均匀性越好，池内溶解氧的分布及养殖生物的分布也越均匀。在大尺寸圆形养殖池内开展水动力特性研究是服务生产实践最直接且有效的方法[33]，但是实际生产中养殖池尺寸越大越难以聚污。利用水产养殖装备，选择合适的水动力特性，改善大型养殖池内流速分布，促进养殖固废高效聚集[34]是未来重要的研究方向。
本文通过开发的专用于大型养殖池塘水流环境测量的智能无人监测系统，现场测定了叶轮半径为1.5 m和电机功率为7.5 kW的潜水推流器不同数量(n=2、4)对圆形养殖池不同水层流场分布特性的影响。主要结论如下：
1)水平方向上，养殖池内流速随着池边缘距池中心距离的减小而逐渐减小；垂直方向上，养殖池内流速随着水层深度的增加而逐渐降低。表明高流速区域分布在养殖池表层池壁附近，且用来维持水循环相对运动的能量损失是由水粒子之间的碰撞造成的。
2)当推流器数量为2个时，仅池边产生高流速区域，且平均流速随着水层深度的增加而逐渐降低，而速度分布均匀系数则随着水层深度的增加变化较为平缓；当推流器数量为4个时，养殖池内平均速度、速度分布均匀系数均随着水层深度的增加而逐渐减小。表明推流器数量与不同水层流场分布特性密切相关，养殖池内不同水层的平均流速均随着推流器数量的增加而增大。
3)从流场分布特性可以看出，无论利用2个还是4个推流器推流，都能在养殖池内产生旋转流，但高流速仅仅在养殖池池壁附近，且养殖池中心附近的流速接近于0，导致污物很难到达养殖池中心的排污口。表明大尺寸圆形养殖池在初始水动力条件、推流器数量一定时，环流仅在池边产生，池塘中间位置产生环流较小。
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