赵思琪，赵三琴，顾家冰，丁超，丁为民
(1.南京财经大学食品科学与工程学院/江苏省现代粮食流通与安全协同创新中心,南京市,210023;2.南京农业大学工学院,南京市,210031)
投饲机是鱼塘养殖过程最重要的日常管理机械,其作业性能直接影响养殖产业效益。目前相关学者主要从机械参数角度设计改进投饲机[1-5],包括投饲能力、投饲面积、投饲破碎率、投饲均匀性和功耗等。然而,随着大面积高密度集中式投喂养殖模式的推广,这种指标下设计的投饲机投喂时存在投饲区缺氧而导致饵料利用率低、水质恶化的问题[6-8]。究其原因：现有投饲机设计时仅关注机具的机械参数,而对影响鱼类摄食的水质参数未考虑。因此,在现有机械设计参数的基础上,如何结合水质参数来设计改进投饲机是实现投饲设备转型升级亟需解决的问题。
关于投饲机作业性能对水质参数影响的研究,其实质是集中投喂过程养殖鱼类群聚摄食,摄食过程鱼群呼吸、食物消化等新陈代谢消耗大量溶解氧,而引起投饲区水体溶解氧稳定性变化的问题,从而因投饲区缺氧导致鱼类摄食率降低、饵料转化率下降,最终导致饵料浪费、水体污染。目前关于溶解氧与饵料利用率的实验室研究较多,已定性证明溶解氧含量影响摄食行为[9-11],并已报道鱼类摄食时的耗氧速率模型[12-14],这些已有的研究结论为研究投饲机投饲时溶解氧变化规律及其稳定性分析提供了理论基础。因此,本文根据鱼类呼吸耗氧速率模型和溶解氧收支平衡方程首先推导出投饲过程理论溶解氧稳定性模型,然后以3种典型投饲机试验验证模型有效性,分析投饲机作业性能对溶解氧稳定性影响,提出溶解氧参数应作为投饲机设计改进的重要指标之一,并以如何提高投饲区溶解氧稳定性为切入点,提出投饲机优化改进的研究方向。
1.1 投饲区溶解氧收支平衡分析
定点集中投饲模式下,投饲机直接作业对象是饵料,饵料分布影响鱼群分布,投饲区吸引鱼群大量聚集摄食,而摄食过程中鱼群呼吸、食物消化、残饵粪便分解等消耗大量溶解氧,进而影响投饲区溶解氧稳定性,引起溶氧不足问题,从而影响鱼群摄食率、饵料转化率,造成饵料浪费、水体污染。为解决集中投喂过程投饲区溶解氧不足的问题,首先要明确集中投喂过程投饲区溶解氧稳定性变化规律。投饲区溶解氧稳定性变化规律实质是对集中投饲时溶解氧暂态变化过程的研究,对于此暂态过程分析的前提需要了解溶氧收支平衡问题,目前已有研究证明影响水体溶氧的因素有光合增氧、机械增氧、空气溶氧、水呼吸、鱼呼吸、底泥呼吸[15-17]。因每日总投饲时长(日投饲3次,每次时长1 h)较短(占昼夜时长12.5%),且投饲过程投饲区鱼群密度较高,故认为集中投饲过程中溶解氧支出主要为鱼呼吸耗氧Rf[14-15],溶解氧收入主要为机械增氧QS[17]。
其中,每千克鱼每小时呼吸耗氧模型
(1)
式中：Rf——呼吸耗氧速率,mg/(kg·h);
Y0——比例系数;
DOt——投饲进行t时长时对应水体溶解氧值,mg/L;
θY——呼吸耗氧温度系数;
T——水体温度,℃;
b——呼吸耗氧体重指数;
W——鱼质量,g;
DOk——溶解氧半饱和浓度,mg/L。
机械增氧模型
(2)
QS=KLa(20)VCS(20)·10-3
(3)
KLa(20)=KLa(T)/1.024(T-20)
(4)
式中：dc/dt——单位容积内氧传递速率,mg/(L·h);
KLa——氧传递系数,h-1;
CS——液体饱和溶氧值,mg/L-1;
QS——标准状态下(20 ℃水温,1个标准大气压)增氧能力,kg/h;
KLa(20)——20 ℃水温条件下氧转移系数,h-1;
V——试验水体体积,m3;
CS(20)——标准状态下的理论饱和溶解氧浓度值,mg/L;
KLa(T)——任意水温下氧转移系数,h-1。
通过以上对投饲区溶解氧收支来源分析与鱼塘水体溶解氧收支平衡原理,得到投饲机作业过程投饲区溶解氧动态数学模型
(5)
式中：DO0——投饲起始溶解氧浓度,mg/L;
M——载鱼量,kg;
t——投饲时长,h;
S——投饲区覆盖面积,m2;
h——鱼塘水深度,m。
1.2 投饲区溶解氧稳定性模型构建
1) 振动式投饲机(Vibrating Feeder,VFM)和气动式投饲机(Pneumatic Feeder,PFM)溶解氧稳定性模型。从溶解氧收支平衡角度分析,振动式和气动式投饲机作业时溶解氧支出均主要为鱼呼吸消耗,没有溶解氧收益,需满足
(DO0-DOt)Sh=MRft
(6)
化简式(6)为溶解氧值DOt和时间t的函数
(7)
由式(7)可得VFM和PFM作业时水体溶解氧DOt随时间t变化规律曲线如图1(a)、图1(b)所示,发现投饲区溶解氧随时间呈现渐进下降的趋势,分析知该变化规律与米氏酶促反应模型初始反应速度曲线特征相似,对式(7)转化得
(a) 振动式投饲机
(8)
式中：tm——溶氧浓度降至初始溶氧DO0与最低溶氧DOmin差值一半时所对应投饲时长,min。
2) 风送投饲增氧一体式投饲机(Feeding-Aerobic Feeder,AFM)溶解氧稳定性模型。从溶解氧收支平衡角度分析,风送投饲增氧一体式投饲机作业时溶解氧支出为鱼呼吸消耗,溶解氧收益为机械增氧,需满足
(DO0-DOt)Sh+QSt=
(9)
化简得
(10)
由式(10)可得一体机作业时投饲区溶解氧DOt随时间t变化规律曲线,如图1(c)所示,分析发现在投饲过程中,溶解氧与时间呈现较强线性关系,则式(10)转化为
DOt=kt+DO0
(11)
式中：k——溶解氧变化率。
3) 溶解氧变异系数(DCV)
(12)
(13)
(14)
式中：a——投饲过程溶解氧均值,mg/L;
n——投饲过程水体溶氧测量次数;
ai——投饲过程第i次测量溶解氧值,mg/L;
S0——溶解氧标准差,mg/L;
DCV——投饲过程水体溶解氧变异系数,%。
同等投饲时长下DCV越小表明溶解氧稳定相越好,机具作业性能也越好。
观察图1,VFM和PFM在集中投喂过程中,投饲区溶氧浓度随时间变化趋势较为一致,均呈现渐进下降规律,但溶解氧波动幅度存在明显差异。因VFM和PFM工作时投饲区溶氧收支来源一致,两者主要存在投饲区覆盖面积S不同,投饲区覆盖面积S的差异不影响溶解氧变化规律性,但投饲区覆盖面积越大溶解氧稳定性越好。相较而言,AFM与增氧技术相结合,提高了投饲区溶解氧稳定性,但其自动化、智能化水平较低,难以根据投饲过程水体溶解氧变化规律合理配置和开启增氧机,存在盲目增氧问题。由图1及上述分析可知3种投饲机作业时投饲区溶解氧稳定性具有明显差异,目前仅根据机械参数设计的投饲机存在集中投饲作业过程投饲区溶氧不足及盲目增氧的问题。
探讨集中投饲过程投饲机设计性能对投饲区溶解氧稳定性的影响,实质上是探讨不同机具作业时投饲区溶解氧变异系数DCV随时间的变化规律,用溶解氧变异系数DCV对溶解氧稳定性进行量化分析。从养殖对象摄食生长角度分析,溶解氧稳定性程度直接影响鱼群呼吸耗氧Rf,进而影响鱼群摄食率、摄食强度等生理过程,而投饲机最终作业对象是鱼类,鱼类生长好坏直接反映投饲机性能。上述分析表明,投饲机性能对溶解氧稳定性具有重要影响,进而影响鱼类摄食生长,溶解氧参数应同机械参数结合作为投饲机优化改进的重要指标。因而针对现有投饲机设计仅关注机械参数,未考虑影响鱼类摄食生长的溶解氧参数而引起投饲区溶解氧不足、盲目增氧、水质污染等方面问题,以如何提高溶解氧稳定性为切入点,将溶解氧参数与机械参数相结合对投饲机进行改进升级。以3种常用投饲机实地鱼塘试验验证并讨论投饲区溶解氧稳定性模型有效性和投饲机作业性能对溶解氧稳定性的重要影响,给出不同载鱼量下各投饲机投饲区溶解氧稳定性曲线,并从如何提高溶解氧稳定性角度从内部结构、投饲模式和智能化水平3个方面对投饲机优化改进进行探讨。
2.1 材料与方法
试验于江苏省南京市六合区长江农场进行(北纬32°12′13.44″;东经118°58′3.40″),试验选取3口毗邻且规格一致(面积1.33 hm2,长宽比2.7∶1,深2～2.2 m,东西走向)的精养高产鱼塘为研究对象。各塘口最大载鱼量15 000 kg/hm2,主养草鱼、花鲢、鲫鱼,放养比例4∶3∶3。
2.1.1 试验设备
VFM(型号：STLZ-120,功率120 W)、PFM(型号：STFZ-3000,功率3 kW)、AFM(型号：STFZY-4000,功率4 kW)3种类型投饲机如图2所示。
(a) VFM
试验利用丹麦欧式卡OxyGuard溶氧仪(测量范围0～20 mg/L;氧分压0～200%;温度-5 ℃～+45 ℃;精确度≥99%;响应时间<20 s)和自行研制全自动增氧机监控系统[19]对投饲过程溶解氧进行监测、保存,期间通过欧式卡便携式溶氧仪对其进行校准。
2.1.2 试验方法
VFM设为试验组A,PFM设为试验组B,AFM设为试验组C。各塘每天投饲3次：早8：00～9：00,午12：30～13：30,晚16：30～17：30,饵料均选择3 mm柱形鱼用饲料。每个试验组设置3个测氧点,各测氧点均匀布置在3种投饲机作业时饲料密集分布区,分别为距离VFM(7 m)、PFM(17 m)、AFM(17 m)水深0.5 m处,从投饲起始利用溶氧仪每隔5 min记录1次当前水体溶解氧值,每个工况下测量3次重复。为保持试验条件一致性,各试验组增氧机每天开启数量、开启时间、开启时长等养殖管理措施保持一致,每塘配置YL-3000增氧机4台共12 kW。
2.2 投饲机鱼塘试验效果分析
试验统计发现早投饲时溶解氧浓度较低,为(3±0.5) mg/L,且早投饲量相对较少,占日投饲量25%±3%(图3),为验证效果更为明显,本文以占日投饲量70%以上且溶氧浓度相对较高的午投饲和晚投饲为研究对象。
图3 投饲初始溶解氧浓度及早投饲量比重Fig.3 Feed initial dissolved oxygen and the proportion of morning-feed
在试验测量及前人研究基础上完成对所推导构建溶解氧稳定性模型各参数取值,其中DOt≥DOS(大宗淡水鱼类呼吸受抑制阈值,取1.5 mg/L)[20];DO0由试验测量统计VFM和PFM取9 mg/L,AFM取8 mg/L;DOk试验测量得出2.3 mg/L;S投饲区覆盖面积,根据实地测量结果VFM取226 m2,PFM和AFM取1 256 m2;h取2 m(鱼塘水深度);M按照试验塘不同养殖生长期时载鱼量取值;W取70 g(处于幼鱼生长期时呼吸耗氧速率最高[21-22],为提高溶解氧稳定性模型适应性,在此选取呼吸速率最高时鱼体质量);Y0、θY和b参考前人结果[12,14,23-24]分别取0.359、1.07、0.82;T水体温度根据实测值取值。
2.2.1 溶解氧稳定性变化规律分析
将各参数带入溶解氧稳定性模型式(7)、式(10),图4表示投饲机作业过程投饲区溶解氧浓度理论值和实测值。
(a) 振动式投饲机溶解氧理论值与实测值
由式(15)～式(17)分别计算得出各测量点理论值和实测溶氧值的均方根误差RMSE、平均绝对误差MAE、平均相对误差MRE如表1所示。
表1 投饲区溶解氧稳定性模型测量误差统计Tab.1 Statistical analysis of errors between theoretical and measured values in feeding area
(15)
(16)
(17)
式中：n——投饲过程水体溶解氧浓度测量次数;
bi——投饲过程第i次测量溶解氧实际值,mg/L;
ci——投饲过程第i次测量对应溶解氧理论值,mg/L。
从图4分析可知,VFM和PFM作业过程投饲区溶解氧呈现渐进下降的趋势,在投饲进行40 min时长过程实测值略低于理论值,因为投饲区溶解氧支出除鱼呼吸耗氧部分外还包括浮游生物呼吸和残饵分解耗氧等部分,因其他耗氧支出所占比例较小,故在构建溶解氧稳定性模型时只考虑鱼呼吸耗氧;投饲进行40 min以后实测值略高于理论值,因为投饲进行40 min以后部分鱼饱食离开投饲区,缓解了对投饲区溶解氧需求压力。AFM作业过程投饲区溶解氧呈现缓慢线性变化趋势,在投饲10 min时出现波谷,主要因为投饲前期鱼群短时间内大量聚集至投饲区摄食,而AFM中增氧轮增氧需要一定过程,难以满足投饲区需氧量的急剧增加,故造成投饲前期溶解氧下降;而投饲进行10 min以后溶解氧逐渐回升,因为增氧轮的转动促进周围及上层富氧水体交换,打破水体氧差。从图4和表1分析可知投饲过程溶解氧浓度的实测值与理论值虽存在一定偏差,但整体的溶氧变化趋势及溶解氧值结果较为一致。
2.2.2 溶解氧变异系数分析
由式(12)～式(14)及图4得出3种投饲机作业时水体溶解氧浓度由起始值降至最低需氧值(国家渔业水质标准[18],5 mg/L)时所对应溶解氧变异系数DCV、实际投饲时长tk、理论投饲时长t0,如表2所示。
表2 投饲区溶解氧稳定性模型溶解氧变异系数统计Tab.2 Statistics dissolved oxygen variation coefficient of theoretical and measured values in feeding area
从表2中分析可知,DCV、tk的理论值与实测值相差不大,平均绝对误差MAE均在5%和5 min以内。且溶解氧变异系数DCV与tk呈负相关关系,DCV越小,则tk越大,机具作业表现越好;DCV与实际投饲时长t0呈正相关关系,随着DCV降低,t0逐渐增加。在投饲机作业时,如何确保投饲期间tk>t0是投饲机设计、改进的重点,而溶解氧变异系数DCV与tk、t0密切相关,降低DCV提高投饲区溶解氧稳定性是设计、改进关键;同时表2分析发现在不同载鱼量下,3种投饲机投饲区溶解氧变异系数DCV均表现显著差异性(P<0.05),上述分析表明投饲机性能对溶解氧稳定性具有重要影响,溶解氧稳定性应作为投饲机设计改进的重要指标之一,该结果与1.1中理论分析结论一致。
本文以定点投喂式投饲机作业时,鱼群集中摄食引起投饲区溶解氧不足、饲料利用率降低的问题为切入点,对投饲过程中的溶解氧稳定性进行深入分析,以下从溶解氧稳定性模型、3种投饲机作业的溶解氧稳定性对比、投饲机改进建议3个方面进行讨论。
1) 溶解氧稳定性模型。本文从鱼塘溶解氧收支平衡角度,首先推导出投饲过程溶解氧动态数学模型,然后结合不同类型投饲机作业特点构建溶解氧稳定性模型。弥补了龚望宝等[16]就鱼塘溶氧收支问题以及成永旭等[25]关于投饲区与非投饲区溶解氧仅定性分析的不足。与鱼塘试验实测相比,均方根误差RSME为0.363 mg/L,平均绝对误差MAE为0.273 mg/L,平均相对误差MRE为5.702%,表明本文推导构建溶解氧稳定性模型可行有效。
2) 3种投饲机作业的溶解氧稳定性对比研究。本文以溶解氧变异系数DCV为指标,对当前常用3种投饲机作业时溶解氧稳定性进行研究,理论与试验测量结果分别为43.56%/42.28%(VFM);12.50%/14.92%(PFM);1.96%/3.88%(AFM),表明各机具作业过程溶解氧稳定性表现具有显著差异性(P<0.05)。虽然葛一健[26]、吴强泽等[27]对中国各类型投饲机作业性能均从机械指标进行定性对比分析,但并未考虑溶解氧参数指标;而陈晓龙等[1]虽指出因投饲不均匀、投饲面积小,造成投饲区缺氧,饵料利用率低的问题,从增大投饲区面积的角度提高溶解氧稳定性,但对投饲区溶解氧稳定性变化规律缺少有效的量化描述,难以指导实际应用。主要因为(1)相关研究人员集中从机械参数角度对投饲机优化改进及性能评价;(2)之前市面上尚未有比较成熟完善的溶解氧传感器,难以对溶解氧进行连续、长时间准确测量。本文基于课题组自主研制全自动增氧系统[19]及丹麦欧式卡溶解氧传感器对3种机型投饲机投饲区溶解氧进行连续长时间测量,并以溶解氧变异系数对其进行有效量化分析,发现投饲机作业性能对溶解氧稳定性具有重要影响,指出溶解氧参数应与机械设计参数共同作为投饲机优化改进的重要指标。
3) 投饲机优化改进建议。本文通过对3种机型投饲机作业溶解氧对比研究发现,VFM溶解氧稳定性最差,主要因为其投饲区覆盖面积太小,投饲时单位水体载鱼量过高;PFM通过对输料、抛料机构设计优化,增大投饲区范围[28],但提高溶解氧稳定性程度有限;相较前两者,AFM与增氧技术相结合,投饲过程溶解氧稳定性最高,但其自动化、智能化水平较低[29-30],难以根据投饲过程水体溶解氧变化规律合理配置和开启增氧机。上述研究结果表明投饲机的优化改进方向应主要集中在如何高效提高投饲区溶解氧稳定性方面：(1)内部结构改进建议：建立溶解氧稳定性与投饲机机械参数相关关系,进而建立机械参数与投饲机内部机械结构相关关系,优化改进投饲机内部抛料结构,提高投饲均匀性,增加投饲区覆盖面积以提高投饲区溶解氧稳定性;(2)投饲模式改进建议：变定点集中投饲模式为动点移动投饲模式,增加投饲区覆盖面积,降低单位载鱼量,以提高投饲区溶解氧稳定性;(3)提高智能化水平：投饲技术与增氧技术和水质监控系统相结合,根据投饲区溶解氧变化规律及下降程度,合理开启和配置增氧机,达到高效增强投饲区溶解氧稳定性的目的,提高鱼群摄食率,降低饵料浪费。
1) 本文基于鱼类呼吸耗氧模型及溶解氧收支平衡方程推导构建投饲区溶解氧稳定性模型,比较理论值和实测值,各测量点溶解氧的均方根误差RMSE为0.376 mg/L,平均绝对误差MAR为0.290 mg/L,平均相对误差MRE为6.080%,说明所构建模型有效可行。
2) 以溶解氧变异系数DCV为指标实现溶氧稳定性量化分析,3种投饲机投饲过程DCV实测值/理论值分别为39.32%/38.33%(VFM);12.50%/14.92%(PFM);1.96%/3.88%(AFM),各机具之间溶解氧稳定性均表现显著差异性(P<0.05),该结果表明溶解氧参数应作为投饲机设计优化的重要指标之一,并提出以提高溶解氧稳定性为目的,从内部结构、投饲模式、智能化水平3方面进行投饲机优化改进的建议,可为设计综合性能较好的投饲设备提供参考。
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