第 0 章 引言:为什么这本手册存在

0.1 RAS 工程的两个世界

循环水养殖系统(Recirculating Aquaculture System, RAS)的工程设计,实际上由两个相对独立的世界组成。

第一个世界是工艺水质设计——投饲量决定氨氮、二氧化碳、固体的产生速率,生物滤池决定氨氮去除能力,蛋白分离器处理悬浮物,氧锥维持溶氧。这套体系本质上是一个稳态物料平衡,基于 Timmons & Ebeling 教科书和大量同行工业实测建立,iras.cn 工具覆盖的就是这个世界。给定鱼种、规模、温度和工艺参数,工具能算出工艺水量、设备容量、车间面积、投资和运行成本。

第二个世界是池内水力学——水进入鱼池后如何旋转、固体如何被冲到中心、流速分布是否均匀、鱼是否能在合适的流场中正常游动。这个世界由切向进水的动量守恒、双排污的流量分配、池几何对流场的约束、鱼对流场的反作用等问题构成。它本质上是一个三维流场问题,稳态算式不能精确描述,真正的精确解需要 CFD(计算流体动力学)。

这两个世界必须配合工作。工艺设计给出了"每池容积 320 m³,循环流量 80 m³/h",但池子怎么建、水从哪里进、固体怎么排,需要水力学世界回答。如果工艺设计完美但池内流场糟糕,鱼仍然会贴边乱游、固体堆积、FCR 上升。反之,池子流场完美但工艺水量不足,鱼会缺氧。

问题是,中文工程文献长期把这两个世界割裂开:工艺设计有大量国内同行论文和教科书,水力学的中文实用资料却极度稀缺——要么是 CFD 模拟论文(对工程师太学术),要么是设备厂商技术资料(闭源、商用绑定)。本手册尝试填补这个空白:把国际主流水力学文献的核心成果整合为中文工程实践指南,与 iras.cn 主工具配套使用。

0.2 谁该读这本手册

本手册的目标读者:

• RAS 设计院工程师——已经会做工艺水量平衡,需要进一步回答池子怎么设计
• 业主项目经理——需要判断设计单位提交的池型方案是否合理
• 高校研究者——需要工程实践视角下的水力学参考
• RAS 设备厂工艺工程师——需要把设备选型与池内流场协同

本手册不替代以下工作:

• CFD 模拟——大型项目和新池型仍然需要 CFD 详细分析
• 厂商驻场调试——具体喷嘴、底排板、流量计等设备的调试需要厂商工程师
• 有资质设计单位的施工图设计——本手册提供概算精度的工程指导,不出具施工依据

本手册要求读者具备的基础:

• 流体力学基本概念(动量、连续性、雷诺数等本科水平)
• RAS 工艺基本认知(鱼池-滤池-增氧-补水的基本回路)
• iRAS 工具基本使用经验(本手册的部分案例假设你已经用 iras.cn 做过工艺方案)

0.3 本手册的方法论原则

RAS 水力学的国际文献已经积累四十余年,质量参差不齐。本手册引用文献遵循三条筛选原则:

① 来源团队属于水产工程主流学派——美国 Cornell University Freshwater Institute(Davidson、Summerfelt 团队)、挪威 Nofima(Gorle、Terjesen 团队)、西班牙 UPC Barcelona(Oca、Masaló 团队)、荷兰 Wageningen 等。这些团队的工作经过工业界长期验证,被同行反复引用和采纳。

② 实验方法学经得起复核——测量设备(ADV、电磁流量计、PIV)、池规模(优先采用工业尺度而非实验室小水族箱)、几何配置(切向进水的角度、底排位置)在文献中清晰说明。方法学不透明的研究,即使发表在主流期刊,亦不纳入。

③ 关键数据点至少两个独立来源交叉验证——例如鲑鱼最优巡游速度约 1 BL/s 这一结论,同时见于 Brett 1964 在 Sockeye salmon 上的奠基生理学研究、Timmerhaus et al. 2021 在 RAS post-smolt 三文鱼上的对照实验,以及大量野外迁徙鲑科鱼类的加速度追踪数据(Drenner et al. 2012 等)。多源相互印证才采用。

在本手册的编制过程中,曾对一篇发表于 Scientific Reports 的圆池水力学正交实验论文进行评估,因其作者团队不属于水产工程主流学派(来自农业生物系统工程与基础与应用科学系)、研究方法学与挪威/北美/西班牙主流团队的体系不完全衔接,决定不纳入本手册的参考清单。这并非否定该论文的学术合规性,而是出于工程参考可靠性的考虑。详细评估方法见附录 C。

0.4 v0.1 范围与未来计划

本手册 v0.1 覆盖:

• 圆池、八角池、方圆角池的水力学基础
• 鱼种推荐流速(以鲑鱼、大菱鲆数据为骨架,温水鱼数据较弱)
• 切向进水的设计方法(冲量公式、喷嘴角度、单/多点配置)
• Dual-drain 双排污的设计方法(底排比例、开孔板、侧排标高)
• 池径深比 D/H 的工程范围
• 鱼对流场的反作用(国内外文献的最新进展)
• CFD 在工程设计中的角色(从工程师视角,不教 CFD 操作)
• 现场调试与运营观察 checklist

v0.1 暂不覆盖:

• 具体 CFD 操作教程(OpenFOAM / Fluent 使用)
• 大量公开工程案例的详细分析(待 v0.2 补充 Atlantic Sapphire、Salmon Evolution 等)
• 温水鱼种(石斑、加州鲈、鳜、鳗鲡)的流速准则(数据不足,待补)
• 对虾、海参等非鱼类水产的水力学(仅在池型决策表中简略提及,不做专门展开)
• 开放跑道池、矩形池、生物絮团池等非主流池型

v0.2 计划补充内容(预计 2026 年下半年):

• 3-5 个公开工程案例的池型与流场分析
• 温水鱼流速准则(以国内文献为主线)
• CFD 入门与简易工具介绍
• 排水管网与渠道水力学(从池外排到 RDF 之间)

本手册采用 CC-BY-SA 4.0 协议开放发布,欢迎工程师同行通过 GitHub Issue 或邮件反馈数据修正、案例补充、术语商榷。

第 1 章 鱼池作为水力学反应器

1.1 鱼池的双重身份矛盾

RAS 鱼池的工程设计,本质上是在两个相互矛盾的目标之间寻找平衡。

从水处理工程的角度看,鱼池是一个沉淀池兼水流反应器——固体废物(粪便、未食饲料)需要被流场快速冲到底排口,避免在池底堆积发酵。固体输运的最低流速来自经典文献的实测:在 RAS 池底部,推动可沉淀固体向中心排水口运动的最低水平流速约为 15-30 cm/s(Burrows & Chenoweth 1970, Mäkinen 1988)。低于这个值,固体停留时间过长,会被鱼搅起或在原地腐烂,直接污染水质。

从养殖生物学的角度看,鱼池又是一个鱼类活动空间——鱼需要在水流中游动,但流速不能超过它的可持续游动能力。鱼类游泳的代谢能耗随速度快速上升(克服水阻力的机械功率理论上随速度的三次方增长,但鱼实测的氧耗-速度幂指数通常在 1.5-2.5 之间,因肌肉效率和基础代谢叠加而低于纯流体力学预测),长期高速游动会消耗大量能量、降低 FCR、引发慢性应激。对于大西洋三文鱼 post-smolt 阶段,文献验证的最优持续游泳速度约 1 body length per second(BL/s),在养殖工况下大约对应 25-40 cm/s 的池内流速(Timmerhaus et al. 2021)。对底栖鱼(大菱鲆)上限更低,约 0.9 BL/s 对应 18 cm/s(Li et al. 2019)。

这就构成了 RAS 鱼池设计的核心矛盾:

对鲑鱼场,这个窗口大约是 20-35 cm/s,操作余量约 15 cm/s。对大菱鲆场,窗口非常窄甚至接近闭合——这就是为什么大菱鲆 RAS 通常采用浅池(降低水柱高度,缩短固体到底排的路径),并需要更频繁的人工或自动清池辅助,而不能完全依赖流场自清。对温水鱼如罗非鱼,上限较高(约 20-30 cm/s 持续游动可接受,Balarin & Haller 1982),但温水鱼粪便密度低、易破碎,固体自清反而更困难。

本手册后续各章,本质上都是在解释如何让这个工作窗口能够稳定打开:第 3 章讨论如何通过切向进水把动能转化为合适的旋转速度,第 4 章讨论如何通过双排污系统让池底快速冲洗而不需要全池高流速,第 5 章讨论如何选择池径深比让窗口在所有水深位置都成立。

1.2 圆池为什么主流

圆形养殖池在 RAS 工业中占据绝对主流地位,这不是惯性使然,而是水力学决定的。

1.2.1 二次流与固体富集(Boycott 效应)

当水从池壁切向进入并绕池中心旋转时,会产生一个三维流场结构:

• 主旋转流(tangential flow)——围绕池中心做圆周运动,流速在池壁附近最高(典型 25-40 cm/s),向中心递减
• 二次流(secondary flow)——由于离心力梯度,池底水沿径向流向中心,池表面水从中心流向池壁,形成一个垂直平面内的环状流

这种二次流(也称茶杯效应)是圆池自清能力的核心——比水重的颗粒(粪便、未食饲料)在旋转流场中沿径向向心运动,在中心被底排口捕获。这个过程类似一个连续运转的水力旋流分离器(hydrocyclone),固体被自动富集到中心,无需外部能量。

Davidson & Summerfelt 2004 在 Freshwater Institute 的 10 m³ 和 150 m³ Cornell-type 圆池中实测验证了这一机制:在 90-98 kg/m³ 高密度负载下、水力停留时间一池水 20-32 分钟工况下,池内溶氧分布在横断面上的最低-最高范围为:10 m³ 池 10.0-10.6 mg/L(跨断面差 0.6 mg/L),150 m³ 池 9.0-11.2 mg/L(跨断面差 2.2 mg/L),此时进水溶氧 16-18 mg/L。这说明圆池流场能维持非常均匀的水质条件。

1.2.2 流速分布连续无死角

方形池或矩形池的四角天然形成低速死区——水流绕角度不够、固体堆积、生物膜疯长。Oca & Masaló 团队的多项研究(2007、2013、2014)系统量化了这种差异:在相同入流条件下,圆形池能实现比矩形池更高的平均流速和更好的均匀性,并且其旋转流自清效率显著优于方形池。这一差异通过她们提出的池阻力系数 Ct 和速度分布均匀性 DU50(后文 2.4 节详述)量化。

这意味着对同样的工艺水量,圆池能够实现更好的固体输运和水质均一化,等价于"用更少的能量完成更好的水处理工作"。

1.2.3 鱼自然贴壁逆游

圆池的另一个优势来自鱼的行为生理。鱼在感受到水流时会本能地逆流游动(rheotaxis,趋流性),在圆池中这表现为沿池壁逆时针(或顺时针,取决于水流方向)绕圈巡游。这种运动模式:

• 促进肌肉锻炼,提升体型和肉质
• 维持有氧代谢主导,降低应激激素水平
• 使鱼群分布相对均匀,避免局部高密度
• 提升对低氧、温度波动等环境压力的耐受力

这一现象的工程价值在三文鱼 post-smolt 阶段已被反复验证(Timmerhaus et al. 2021),也是为什么挪威三文鱼工业坚持使用圆池或八角池的核心生物学理由。

1.2.4 圆池的局限

圆池并非完美。在工程实践中,圆池有三个不利之处:

• 空间利用率低——圆形相对于占地矩形面积,水域利用率约 π/4 ≈ 78%,剩余 22% 是车间死角
• 建造成本高——圆形池壁难以与厂房直墙共用,模块化拼接复杂
• 中心环状死区——当池径深比过大或过小时,中心可能形成低速涡环(Sin 2021),后文 5.2 节详述

这三个局限催生了两个工程演化方向:八角池(保留圆池水力学优势,改善建造和空间)和方圆角池(进一步迁就建造,部分牺牲水力学)。这两条路径分别由挪威工业和中国工业主导。

1.3 八角池的崛起

2010 年后,挪威三文鱼陆基 RAS 工业逐渐从圆池转向八角池(octagonal tank),这一趋势在大型 post-smolt 设施和近期的陆基商业养殖项目(如 Salmon Evolution、Andfjord Salmon 等)中尤为明显。

1.3.1 八角池的几何与水力学特性

八角池是用八条直边近似圆形的池型。从纯水力学角度看,八条边接圆的程度足够高,使得流场特性与圆池相近——挪威 Nofima 与 Cornell 联合团队的 Gorle、Terjesen、Summerfelt 在 2018 年 Computers and Electronics in Agriculture 151: 354-364 发表的研究,采用 CFD 方法对 100 m³ 全尺寸八角池进行了流场分析,证明 Cornell-type dual-drain 配置的八角池能够实现稳定的旋转流场。

更具说服力的是同年另一篇商业实测论文(Gorle, Terjesen, Mota, Summerfelt 2018, Aquacultural Engineering 81: 89-100):该研究在挪威两个大型三文鱼 smolt 商业站点进行 ADV 流速实测——站点 1 配置 2 个圆池(密度 35、48 kg/m³),站点 2 配置 4 个八角池(密度 54、74、58、64 kg/m³),池体约 788 m³。在带鱼工况下,所有池的最大旋转流速约 40 cm/s、最小约 25-26 cm/s,接近三文鱼 smolt 推荐的 1-1.5 BL/s 最优速度区间。这是迄今为止挪威工业商业站点圆池 vs 八角池带鱼运行的最系统对比实测,圆池与八角池在水流速度场上行为相似。

1.3.2 八角池的工程优势

八角池真正胜过圆池的地方,不在水力学,而在工程经济和施工:

• 可拼装混凝土或玻璃钢模块——八条直边可以工厂预制后现场拼装,减少现场湿作业
• 多池阵列布置紧凑——相邻八角池可以共用直墙,大型养殖车间内能够实现更高的池数密度
• 设备走线规则——进水管、排水管、监测探头沿直边布置,管路系统比圆池更整齐
• 检修通道规划方便——八边形允许在两条边之间设计标准宽度的人行/设备通道

对千吨级、万吨级的大型陆基三文鱼项目,这些工程优势往往是决定性的——同样规模下,八角池阵列的占地、土建投资可以比圆池阵列低 10-20%。

1.3.3 八角池的水力学微差

八角池并非与圆池完全等同。Gorle 团队 2018 年的 CFD 研究在 100 m³ 八角池模型中观察到,八个直边接缝处的曲率突变会形成局部涡流,该位置流速低于直边段中部。这种局部死区对水质和鱼分布的实际影响在大型池(>200 m³)中通常可以忽略,但在小型池(<50 m³)中可能成为限制因素。

1.3.4 进水管位置:角落 vs 侧壁中部

Gorle 团队 2020 年在 International Journal of Mechanical Sciences 188: 105944 上的 CFD 研究(采用 OpenFOAM Eulerian-Lagrangian 方法,针对挪威接近 1000 m³ 的大型陆基商业 RAS 池设计)系统比较了四种进出水位置组合(进水管侧壁 vs 角落,出水底排 vs 上排),给出两个对工程师特别有价值的定量结果:

• 进水管布置在池角落附近(corner wall)比布置在侧壁中部(sidewall),阻力小 29%——这直接影响进水冲量的有效利用
• 底排出水(bottom outlet)比上排出水(elevated drain)在流速分布和颗粒输运两方面均表现更好——支持 Cornell-type dual-drain 工艺的几何选择

这篇论文的研究对象是一个具体的商业 RAS 池设计(Marine Harvest 提供的设计参数),论文中并未把结论限定于某一种几何形状,因此其工程意义跨越圆池、八角池、方圆角池——只要是带切向进水的大型陆基养殖池,"进水管尽量靠近角落、底排优于上排"这两条原则都值得在设计阶段考虑。

这是一个具体的、可立即应用的设计优化点,基于 OpenFOAM CFD 分析与 Atlantic salmon RAS 工程经验。

因此工程上的一个经验规则是:大池(>200 m³)优先八角,小池(<50 m³)仍然圆形。中等规模(50-200 m³)两者皆可,主要看现场施工条件和模块化方案。

1.4 方圆角池的中国应用

国内 RAS 工业(尤其是大菱鲆、罗非鱼、加州鲈、石斑等温水/温带鱼种养殖)广泛采用方圆角池(square tank with rounded corners,又称方形圆切角池)。这种池型是方形或长方形的四个直角被圆弧过渡替代,弧度半径通常为短边的 15-30%。

1.4.1 为什么国内偏好方圆角池

方圆角池在中国流行有几个现实理由:

• 建造简单——绝大部分国内 RAS 采用现浇混凝土池,方形池模板比圆形池模板成本低、施工误差小
• 空间利用率高——方圆角池占地利用率接近 90%(相对圆池 78%),对中小型车间(占地 500-2000 m²)经济价值显著
• 底栖鱼养殖需求——大菱鲆等底栖鱼对水柱深度不敏感,但对底面积非常敏感,方形池在同样体积下提供更大底面积
• 历史路径依赖——国内早期(2000-2010)从日本、韩国引进养殖工艺时,日韩鲆鲽养殖多用方圆角池,工程惯例沿袭至今

1.4.2 方圆角池的水力学折中

方圆角池牺牲部分水力学性能换取建造便利。中文文献(车宗龙等 2021)对方圆角池流场的总结:

• 圆切角部分流场接近圆池,有局部旋转
• 四条直边段流场近似平推流(plug flow),没有显著旋转
• 固体输运效率不如圆池(具体差距随长宽比和入流方式变化),需要更高的总循环流量补偿
• 需要在直边段适当位置设置辅助底排或人工冲洗

对大菱鲆、罗非鱼等不需要严格水柱旋转流场的鱼种,这种折中是可以接受的。但对鲑鱼这种依赖切向流场训练肌肉的鱼种,方圆角池不是合适选择。

1.4.3 长边中心双向切向进水的优化

近年中文文献综述(大连海洋大学水产养殖工程团队 2021-2023 系列论文)提出,在矩形或方圆角池的长边中心采用底部双向切向进水,可以使池内流速分布更均匀、平均流速更高,有效防止固体沉积。这一设计方向在国内一些温水鱼项目中已有应用。

这是一个值得关注的方向:国内对方圆角池水力学的研究,在某些方面已经超越国际文献的覆盖范围,因为国际主流(挪威、北美)集中在圆池和八角池,对方圆角池关注较少。

1.5 池型选择决策树

综合前四节,给出工程实践中的池型选择决策原则:

第 2 章 流速准则:鱼的生理需求

2.1 BL/s 概念与生理基础

在水产工程中,鱼类游泳速度的标准化度量是 body lengths per second(BL/s)——鱼每秒游过的距离相当于自身体长的多少倍。这一度量的优势是跨鱼种、跨阶段可比:一条 10 cm 的幼鱼以 0.2 m/s 游动等价于一条 50 cm 的成鱼以 1.0 m/s 游动,都是 2.0 BL/s。

2.1.1 鱼类游泳的三种代谢模式

鱼类游泳从生理角度可分为三种模式。需要强调的是:这一经典分类(Beamish 1978)的核心判据是"可持续时间"而非速度——同一速度对不同鱼种、不同体长可能属于不同模式。速度区间只是粗略的伴随特征,且个体差异很大(例如某些鱼临界游泳速度可超过 4 BL/s)。

临界游泳速度(U_crit,Brett 1964 测定法)大致标定了 sustained 与 prolonged 之间的过渡点——当游泳速度试验中每级速度持续约 1 小时时,测得的 U_crit 近似等于最大可持续速度。RAS 设计目标始终是让鱼处于持续(sustained)模式:长期可持续的有氧代谢游动促进生长、抗病、改善肉质;一旦进入耐久(prolonged)模式,鱼开始累积无氧代谢的乳酸,长期暴露会导致氧债增加、应激激素水平上升、生长抑制。

对鲑科鱼类,sustained / prolonged 的过渡通常在 U_crit 附近——不同研究测得鲑鳟 U_crit 在 2-5 BL/s 范围,因体长、温度、个体而异;爆发速度上限文献普遍报告约 10 BL/s 量级。RAS 工程目标流场远低于这些上限,通常控制在 1 BL/s 附近(详见 2.1.2)。

2.1.2 最优巡游速度的概念

在巡游范围内,存在一个最优速度(optimal swimming speed, U_opt),定义为能量消耗效率最高的速度——单位距离游动消耗的能量(cost of transport, COT)在此速度时最低。

对于鲑科鱼类,Brett 1964 在 Sockeye salmon(红鲑)上的经典生理学研究确立:鲑鳟的 U_opt(最优持续游泳速度)在 1-2 BL/s 范围内,Webb 1971 在虹鳟上验证了类似结论。野外迁徙的鲑科鱼类(Sockeye、Coho 等)通过加速度传感器实测,平均巡游速度同样约 1 BL/s 量级(Drenner et al. 2012)。这一速度成为 RAS 三文鱼养殖流场设计的天然参照值。Hvas & Oppedal 2017 的综述"Sustained swimming capacity of Atlantic salmon"系统整理了大西洋三文鱼的游泳能力数据,可作为深入阅读的入口。

近年针对 RAS 工况的实验研究进一步细化了最优速度:Timmerhaus et al. 2021 将 2400 尾 post-smolt 大西洋三文鱼(平均初始体重 80 g)分入 12 个池(每池 200 尾),按三重复设置在四个连续流速下饲养——L(low)0.5 BL/s、M(medium)1.0 BL/s、H(high)1.8 BL/s、VH(very high)2.5 BL/s,实验持续 3 个月。结论是:

• 较高流速组(尤其 1.8 BL/s 和 2.5 BL/s)鱼最终体重显著高于低速组,生长速度与流速呈正相关
• 但 H(1.8 BL/s)和 VH(2.5 BL/s)组的鱼出现明显的外部福利评分下降:鱼黏膜健康受损、聚集行为异常(扎堆在池内特定区域)
• L 组(0.5 BL/s)鱼分布均匀但生长偏弱
• 综合生长与福利,post-smolt 阶段最优速度在 1 BL/s 附近,过高流速虽然加速肌肉发育但牺牲整体福利

这与挪威工业实践一致——挪威三文鱼大型 RAS 站点实测流速普遍在 25-40 cm/s,对应 post-smolt(典型体长 25-30 cm)的 1.0-1.5 BL/s。

2.2 鱼种推荐流速速查表

下表汇总主要 RAS 养殖鱼种的推荐流速准则,每行注明数据来源和置信度。读者应特别注意"温水鱼数据弱"的标注——这是文献现实,本手册不掩饰。

2.2.1 通用经验范围

对于本表未列出或数据不足的鱼种,可参考水产工程经典经验范围:0.5-2.0 BL/s 是大多数鱼种健康巡游的安全区间(Losordo & Westers 1994)。这一范围在文献中反复出现,可以作为设计起点。实际工程中:

• 新鱼种或缺乏文献数据时,从 1.0 BL/s 起步,根据鱼的实际行为(贴边、游动姿态)调整
• 底栖鱼一律取下限(0.3-0.9 BL/s),且关注底部流速而非全池平均流速
• 水柱主动游泳鱼(鲑科)取中等到上限(1.0-1.8 BL/s)
• 苗种期普遍偏高(1.5-2.0 BL/s)以加强肌肉发育,但要监测体型系数

2.3 流速过低 / 过高的症状

设计流场和实际运行流场往往有差距。流速设置不当的症状一般在投鱼后 1-3 周内显现。工程师和养殖员应共同观察以下信号:

2.3.1 流速过低(< 0.3 BL/s)的症状

2.3.2 流速过高(> 2.0 BL/s 长期)的症状

2.3.3 流速适宜的正面信号

• 所有鱼朝同一方向均匀分布巡游,无明显空白区
• 鱼群分布与池子体积成比例,无密集堆叠
• 投喂时鱼快速响应,从巡游切换到摄食,投喂后迅速恢复巡游
• 池底无可见沉积物堆,中央排水口持续有少量固体输出
• 体型系数(K = 100×W/L³)在鱼种正常范围

2.4 流速分布而非单一值

前面所有讨论都使用"流速"这一单一数值,但实际池内流速并非均匀。工程上必须区分几个不同的流速概念:

2.4.1 均匀性系数 DU50

Oca & Masaló 2013 定义了池内流速分布的均匀性系数 DU50(Distribution Uniformity of lowest 50% values):

DU50 取值 0-1,数值越接近 1 表示流速分布越均匀。本手册推荐以下分级作为工程参考(借鉴灌溉工程中分布均匀性 DU 评级惯例,非 Oca & Masaló 原论文阈值):

• DU50 ≥ 0.7:优秀,鱼分布将非常均匀,水质均一性高
• DU50 ≥ 0.5:中等,工程可接受
• DU50 < 0.5:差,池内有显著死区或高低流速对比,需要优化进出水结构

DU50 不能通过单点流量计测量,通常需要多点流速计实测(典型 15-30 个测点)或 CFD 模拟。新建项目可以在调试阶段做一次 ADV 多点测量作为基线,后期出问题时作为对照。

2.4.2 流速分布的工程优化方向

同样的总流量,通过改变进水方式可以显著改变流速分布:

• 单点切向进水 → DU50 通常 0.3-0.5,流速高度集中在进水口下游圆弧
• 水平多孔管(多喷嘴) → DU50 提升到 0.5-0.7
• 垂直立管多孔(全水柱激励) → DU50 可达 0.6-0.8
• 多个立管 + 合理布置 → DU50 接近 0.7-0.8 的工程上限

详细的喷嘴配置设计方法见第 3 章。

2.5 固体自清最低流速

RAS 池设计中,流速下限不是由鱼决定,而是由固体输运决定。即使鱼能在 0.2 BL/s 下生活,如果池底流速不能把固体冲到底排口,池子也无法运行——固体堆积会导致厌氧分解、亚硝酸盐峰值、鱼大量死亡。

2.5.1 固体自清的物理

RAS 中固体废物的水力输运,本质上是颗粒在水流中的滚动和滑移。颗粒受到的力包括重力、浮力、水流剪切力、颗粒之间的接触摩擦。颗粒开始运动的临界水平流速(也称启动速度,initiation velocity)取决于颗粒密度、粒径、池底粗糙度。

RAS 鱼粪的典型物理参数:

• 湿密度:1100-1300 kg/m³(略高于水)
• 湿粒径:1-5 mm
• 含水率:60-80%
• 抗剪强度:很低,易破碎

这些参数使鱼粪成为易输运但易破碎的颗粒——15-30 cm/s 的水平流速足以推动它们沿池底滑动,但过强的水流(>50 cm/s)或机械搅拌会把它们破碎成 <100 μm 的悬浮微粒,反而难以被 RDF(转鼓过滤器)拦截。

2.5.2 最低自清流速的文献值

工程上,池底设计目标:>15 cm/s(下限),典型值 20-25 cm/s(留余量),避免长期 >40 cm/s(防止颗粒破碎)。

2.5.3 自清失败的几种典型原因

实际工程中,设计的池底流速看起来满足要求,但运行后仍然出现固体堆积。常见原因:

1. 二次流不足——切向流速太低或被鱼/障碍削弱时,茶杯效应的径向二次流不足以把固体推到中心。Cornell-type 圆池靠的是二次流而非陡峭池底坡度输送固体(Davidson & Summerfelt 2004 实测的 150 m³ 池甚至是平底);若二次流弱,适度增大池底向中心的缓坡(通常 1-3%)可作为辅助,但根本解决靠提高切向冲量
2. 底排口太小或被堵——固体到达中心但出不去,在底排周围堆积。底排口直径应不小于池径 10%(RASTECH Magazine 2025)
3. 切向进水冲量不足——总流量看似足够,但喷嘴直径过大、喷嘴速度太低,实际传递给池水的旋转动量不足
4. 鱼载量过高扰动池底——底栖鱼贴近池底活动会扰动已经沉降的固体,使它们重新悬浮再循环
5. 进水管位置过高——进水管远离池底时,池底主流速由二次流维持,通常只有水面以下深度的 40-60%。深池(>3m)单层进水管时,池底流速可能只有水面附近的一半

第 5 项是设计中最常被忽视的——把进水管假设在某个深度提供池底流速,实际池底流速远低于估算。深池(三文鱼成鱼 5-7m)的标准做法是设置 2-3 层进水管,或者使用立管多孔,确保整个水柱都被切向动量激励。

第 3 章 切向进水设计

切向进水(tangential inlet)是 RAS 圆池/八角池水力学的核心驱动装置——所有池内流场都来自进水水流的动量。本章给出切向进水的设计方法:物理原理、喷嘴角度、单/多点配置、喷嘴数量与直径的工程选择,以及挪威工业的典型配置经验。

3.1 切向进水物理:从动量到旋转速度

3.1.1 动量传递的基本图像

当水从进水管以速度 V_in 沿切线方向射入池中时,水流携带的动量传递给池水,使池水做圆周旋转。这一过程类似于不停转动一个茶杯里的水——杯子壁面切向施加力量,杯内水开始整体旋转。

不同的是,RAS 池中的"切向力"来自高速进水射流,而池水的旋转速度受到三个因素制约:

• 进水流量 Q(m³/s)和进水速度 V_in(m/s)的乘积——决定了输入动量
• 池壁、池底、空气界面、鱼的存在产生的阻力——消耗动量
• 池几何尺寸——池水越大,达到目标平均流速需要的总动量越多

稳态运行时,输入动量与阻力消耗动量平衡,池水以某个稳定旋转速度运转。

3.1.2 冲量力公式

Tvinnereim & Skybakmoen 1989 提出了切向进水的冲量力(impulse force)计算公式:

这个公式的物理意义直观:进水射流的动量(ρ·Q·V_in)减去射流被池水"拖慢"后剩余的动量(ρ·Q·V_1),就是真正传递给池水产生旋转的净动量。

稳态时,这个净动量等于池水克服阻力所需的动量。如果池子阻力低、动量损耗慢,V_1 会接近 V_in;如果池子大、阻力高,V_1 远低于 V_in。

3.1.3 池阻力系数 Ct

Oca & Masaló 2007/2013 进一步定义了池阻力系数 Ct(无量纲),把上述物理过程进一步压缩成一个工程估算公式:

Ct 的物理意义类似于一个"摩擦因子"——综合了池壁粗糙度、池底坡度、鱼存在情况、二次流耗散等所有阻力贡献。下表为工程估算参考(综合 Oca & Masaló 2013 实测数据、挪威工业经验、Davidson & Summerfelt 2004 等多源得到):

3.1.4 工程估算流程

给定一个 RAS 鱼池设计任务,推导切向进水方案的标准流程:

1. 从鱼种 + 阶段确定目标流速 V_avg(第 2 章速查表,例如三文鱼 post-smolt 取 V_avg = 0.30 m/s)
2. 从 iras.cn 工艺设计获取池几何和总流量(例如 D = 10m, H = 5m, Q_total = 250 m³/h)
3. 计算池湿面积 A(= π·10²/4 + π·10·5 = 78.5 + 157 = 235.5 m²)
4. 选择 Ct 估值(例如带鱼运行的标准圆池,取 Ct = 0.04)
5. 反推进水速度 V_in:
   V_in = V_avg² · A · Ct / (2 · Q) = 0.30² · 235.5 · 0.04 / (2 · 250/3600) = 0.30² · 235.5 · 0.04 / 0.139 ≈ 6.10 m/s
6. 选择喷嘴方案使 V_in 落在 1.5-3 m/s 合理工程区间(下文 3.4 节)
7. 校核:估算的 V_avg 是否在目标区间(若 V_in 不在合理区间,需要调整 Q 或喷嘴方案,迭代回第 5 步)

注意第 5 步中 V_in = 6.10 m/s 偏高,意味着如果用单点小直径喷嘴会产生很高的射流速度——空蚀风险大、噪音大、容易冲伤鱼。这种情况下需要采用多喷嘴方案把进水流量分配到多个出口,使每个喷嘴的 V_in 降到 1.5-3 m/s。

3.2 喷嘴角度

喷嘴相对池壁的角度直接决定了输入动量的方向有效性。工程上有三种典型选择:

3.2.1 三种角度的物理对比

主流文献(Tvinnereim & Skybakmoen 1989, Davidson & Summerfelt 2004, Oca & Masaló 2013)一致推荐 15-30° 的偏切向角度。在这个范围内,绝大部分动量转化为切向旋转,小部分指向池中心的分量有助于打破中心环状死区。

Gorle 团队 2019 年在 Computers and Electronics in Agriculture 158: 79-91 发表的研究专门针对挪威三文鱼养殖池做了喷嘴角度的系统 CFD 分析(题为"Hydrodynamics of Atlantic salmon culture tank: Effect of inlet nozzle angle on the velocity field")。研究采用 ADV 实测验证的 CFD 模型,系统比较了不同喷嘴角度对流速场、流速均匀性、流场对称性的影响。后续文献综述(如 Hu et al. 2022 关于八角池进水布局)进一步确认:Gorle 2019 关于下层喷嘴径向取向(radial orientation of lower inlet nozzles in a dual-inlet tank)的结论已成为大型工业 RAS 池喷嘴布置的设计参考。

3.2.2 实际工程角度选择

3.2.3 喷嘴朝向的常见错误

角度选择正确但安装错误,在实际工程中并不少见:

• 喷嘴方向反了——所有进水变成"反向切向",池内可能仍有旋转但方向与设计相反,与底排几何配合错误
• 水平角对了但俯仰角错——喷嘴应水平方向射出(沿水平面),如果向上倾斜会冲击水面产生气泡,向下倾斜会冲击池底搅起沉积物
• 多个喷嘴角度不一致——多点进水时所有喷嘴必须同方向,否则形成相互抵消的对冲流场

这些错误在设计图纸上往往看不出来,需要施工和安装阶段现场确认。挪威工业的标准做法是:进水管安装完成后、注水之前,目视检查每个喷嘴的角度,并用激光笔标定射流方向。

3.3 单点 / 多点 / 立管多孔

切向进水的几何配置主要有三种方案。从早期的单点进水演化到现代立管多孔,核心驱动是提升 DU50 流速均匀性。

3.3.1 单点切向进水

最简单也是最早的配置:一根进水管沿池壁切向插入,在某一标高(通常水面下 0.3-0.5m)开一个出口。

优点:结构简单、施工成本低、检修方便。

缺点:

• 动量集中在进水点附近,沿池壁顺水方向形成高速带,池中心和上游部分流速低
• 水柱不同深度的流速差异大——表层流速高,池底流速可能只有表层的 40-60%(尤其是 H/D > 0.4 的深池)
• DU50 典型在 0.3-0.5

适用场景:小池(< 30 m³)、浅池(H < 1.5m)、低密度饲养。例如苗种期、隔离池、研究小池。商业养殖池(>50 m³)通常不再使用单点。

3.3.2 水平多孔管

沿池壁切向布置一根水平管,在管上等距开孔(多个喷嘴),水流从所有喷嘴同时切向射出。

优点:

• 动量在池壁周长上分布,DU50 提升至 0.5-0.7
• 每个喷嘴的流量减小,射流速度更低,对鱼更友好
• 单孔堵塞不影响整体运行,鲁棒性高

缺点:

• 仍然只在一个标高激励池水,水柱深处仍有流速衰减
• 管沿池壁走线,占用部分鱼群空间

适用场景:中等水深(1.5-3m)的圆池或八角池,各鱼种均可。是国内大菱鲆、罗非鱼养殖池的常见配置。

3.3.3 垂直立管多孔

从池底或池壁引出一根或多根垂直管,管表面在不同高度上开孔(多个喷嘴),水流沿整个水柱深度同时切向射出。

优点:

• 全水柱流场激励——表层、中层、底层都有切向动量输入,流速分布在垂直方向上更均匀
• DU50 可达 0.6-0.8,接近工程实践上限
• 立管布置灵活,可以在池内多点设置(典型 2-4 根立管)
• 对深池(三文鱼 5-7m)效果显著

缺点:

• 结构复杂,施工成本高
• 立管占用池内空间,鱼会绕管游动(但实际观察对鱼影响很小)
• 检修需要进入水中或排空池

适用场景:大池(>200 m³)、深池(H > 3m)、高价值鱼种(三文鱼)。2010 年后挪威三文鱼大型 RAS 的主流配置。

3.3.4 三种配置的工程对比

3.4 喷嘴数量与直径选择

给定总流量 Q 和目标进水速度 V_in 后,喷嘴数量 N 和单孔直径 d 的选择遵循连续性方程:

这给出了 N 和 d 的组合自由度——可以选少喷嘴大孔径(例如 4 个 25mm 孔),也可以选多喷嘴小孔径(例如 20 个 12mm 孔),都能实现相同的总流量和射流速度。两种选择的差异在于:

3.4.1 工程经验的 V_in 范围

实际工程中,V_in 的合理范围:

• V_in < 1.5 m/s:动量不足,旋转速度不够,易形成池内分层流
• V_in = 1.5-2.5 m/s:中等工程值,适合大多数情况
• V_in = 2.5-3.5 m/s:较高,适合大池或深池,需要喷嘴材质和密封件耐压
• V_in > 3.5 m/s:接近空蚀和噪音问题阈值,工程上避免

3.4.2 喷嘴直径的工程经验

3.4.3 喷嘴数量的工程经验

喷嘴数量主要由池周长(水平管布置)或立管数 × 单立管孔数(立管布置)决定:

• 水平管:沿池周长每 0.5-1.5m 一个喷嘴。例如周长 30m 的池(D≈9.5m),喷嘴数 20-60 个之间
• 垂直立管:每根立管沿水柱深度每 0.3-0.8m 一个喷嘴。例如 5m 水深的立管,每根 6-15 个喷嘴;典型 2-4 根立管,总喷嘴数 12-60 个

3.4.4 设计例

沿用 3.1.4 节的输入条件:D = 10 m,H = 5 m,Q = 250 m³/h(= 0.0694 m³/s),V_avg 目标 0.30 m/s。前面通过 V_avg² · A · Ct / (2·Q) 反推得到 V_in = 6.10 m/s。这个单点 V_in 显然过高(超过工程上限 3.5 m/s),必须采用多喷嘴方案,把总流量分散到多个出口,降低每个喷嘴的射流速度。

多喷嘴方案的设计公式基于连续性:

选定目标 V_in 后,N 和 d 之间有一个权衡。下面演示三个备选方案,选定 V_in = 2.5 m/s(中等工程值):

得到喷嘴方案后,需要回到 §3.1.4 第 7 步校核:用实际配置反算 V_avg,看是否落在 0.25-0.35 m/s 目标区间。如果偏离过大,需调整 V_in(改变 d 或 N)再次迭代。注意 Ct 估值的不确定性会传导到 V_avg 估算上,因此初步设计 ±15% 偏差是正常的,详细设计需要 CFD 或实测校核。

3.4.5 更精确的孔口方程

上面用的连续性式 Q = N·a·V_in 假设孔出口速度恰好等于 V_in,适合概算。更精确的工程做法是采用孔口方程,把进水孔当作孔口流动,引入流量系数和水头损失(RASTECH 2025):

设计流程:先选定单孔孔径,用孔口方程算出满足设计进水流量所需的总孔面积 A,再除以单孔面积得到孔数。这一方法的优势是显式包含了进水管路的水头损失——水头损失直接关系到水泵扬程和能耗。h 取 0.6-1.2 m 是工程经验值:太低则射流动量不足,太高则水泵能耗浪费。挪威工业的进水结构(立管 + 螺纹孔)通常用这个方法配孔,并通过堵孔或加装螺纹弯头微调射流方向和水头损失。

3.5 三文鱼场典型配置经验

挪威大型陆基三文鱼 RAS 站点(典型规模 500-3000 吨/年)的切向进水配置已经形成相对成熟的工程惯例。以一个典型 1000 吨/年 post-smolt 模块为例,主要参数:

这一配置在挪威 Atlantic Sapphire、Salmon Evolution、Andfjord Salmon 等近年大型项目中被反复采用,差异主要在规模和模块数,核心水力学原则一致。

3.5.1 几个不直观的工程细节

从图纸到落地的几个容易被忽视的细节:

进水立管的固定方式——立管承受切向射流的反作用力,如果只在顶部和底部固定,中间部分会在长期运行中出现微振动,导致法兰、密封件松脱。挪威标准做法是每 1.5-2m 增加一个支撑卡件,固定在池壁预埋件上。

立管的检修拆卸预留——立管在投产 2-5 年后必须能够整根抽出清洁(内壁生物膜、外壁附着、喷嘴堵塞清理)。立管顶部应有快速拆卸法兰,池盖应有可开启的检修口,池内不应有阻挡立管垂直抽出的构件(如顶部走道、传感器架等)。

喷嘴的防回流设计——停泵时,池水会通过喷嘴向进水管反向流动,可能把池水中的固体、藻丝带入进水管系统,导致下次启动时大量颗粒堵塞喷嘴。商业项目通常在每根立管顶部安装止回阀,或者在管路上设置常闭电磁阀停泵时关闭。

喷嘴的防生物附着——海水 RAS 的进水管和喷嘴内壁会附着藤壶、贻贝幼体等海洋生物,严重时堵塞喷嘴出口。常见处理是:进水主管材质用 HDPE 或 PVC(不锈钢和铜管被海生物视为基底);定期(每 6-12 个月)用次氯酸钠或过氧乙酸做管道杀菌循环;喷嘴选用可拆卸结构,可单孔检修。

3.5.2 中国温水鱼场的对应配置

国内典型的大菱鲆、罗非鱼、加州鲈 RAS 场(规模通常 100-500 吨/年),切向进水配置与挪威项目有几点典型差异:

• 池型多为方圆角池或圆池,直径 6-10m
• 水深 1-2m,显著浅于三文鱼池
• 水平多孔管布置为主流(立管多孔较少见),沿池壁切向 24-40 个 15-20mm 喷嘴
• 水力交换率类似,1.0-2.0 倍/小时,但绝对流量小
• 底排比例通常更高(15-25%),因温水鱼粪便破碎更快,需要快速冲洗

国内方圆角池的特殊设计——在长边中心增加额外切向进水管,形成"双向切向进水"——是近年中文工程文献(大连海洋大学学报 2025)推荐的优化方向,有助于解决方形池四角死区问题。

3.6 工程速查:流量与喷嘴方案对照

下表汇总常见 RAS 池规模与典型切向进水方案,作为概算阶段的快速参考。表中数据基于 V_in = 2.0-2.5 m/s、Ct = 0.04 假设,实际工程必须重新校核。

表中"推荐进水配置"和"喷嘴方案"是工程实践的常见区间,不是唯一最优方案。在具体项目中,应根据鱼种(决定 V_avg)、Ct 估值(决定 V_in)、池形(决定喷嘴布置)、施工条件(决定立管 vs 水平管)等多因素综合优化。

第 4 章 Dual-drain 排水设计

双排污(dual-drain)是现代 RAS 圆池/八角池设计的标志性配置。它把单一排水拆成两路——底排带走少量高浓度固体废水,侧排带走大部分低浓度循环水——从而把传统"鱼池-沉淀池"的串联工艺集成在鱼池本身。本章给出双排污的设计方法:工作原理、底排比例选择、底排开孔板、侧排结构、与下游旋流分离器的衔接,以及若干典型失败模式。

4.1 Cornell-type Dual-drain 原理

4.1.1 设计思想的演化

早期(1970-1990 年代)的圆池采用单一底排——所有循环水都从池底中心排出。这种配置有两个问题:

• 底排流量大,流速高,把已经聚集到中心的固体颗粒强力剪切破碎,小颗粒被推入下游 RDF 难以拦截
• 所有循环水浓度被固体污染,下游全流量水处理负担大

1990 年代,以美国 Cornell University 和挪威工程团队为主推动的 Cornell-type dual-drain 设计逐渐成熟。J. Wayne Van Toever 1997 年的美国专利 5,593,574 是该工艺工业化的里程碑之一,挪威团队(Lunde、Skybakmoen、Schei 等)也在同时期发表了相关粒子拦截和池底自清设计的工业实践成果。该设计的核心思想是把单一排水拆成两路:

• 底排(bottom drain):少量水(占总流量 5-20%),但含 80-95% 的固体废物
• 侧排(sidewall drain / elevated drain):大部分水(占 80-95%),固体浓度极低

这一拆分把"水流"和"固体"两个工艺目标解耦——大部分循环水保持低固体浓度,直接进入下游生物滤池等水质处理设备;少量高浓度固体水进入旋流分离器/沉淀池/RDF 等固液分离设备。

4.1.2 物理机制:茶杯效应与浓度分层

双排污能够实现固体富集,本质上依赖圆池二次流(茶杯效应):

1. 切向进水驱动池水旋转,形成主旋转流
2. 离心力梯度使池底水沿径向流向中心,池表面水从中心流向池壁(二次流)
3. 比水重的固体颗粒(粪便、未食饲料)被二次流推向中心,聚集在池底中心区域
4. 底排口位于中心正下方,捕获富集后的固体
5. 侧排口位于池壁顶部(水面下 0.3-0.5m),从相对清洁的水柱中部抽出大部分循环水

Davidson & Summerfelt 2004 在 Freshwater Institute 的 10 m³ 和 150 m³ Cornell-type 双排污池中实测验证了浓度分层效应。RASTECH Magazine 2025 综述(Curtis Crouse, Freshwater Institute)给出的现代工程口径是:相对小的底排流量,其固体浓度可达通过侧壁排水口离开的其他 80-95% 流量的 10 倍之多,从而显著简化下游固液分离设备的设计负荷。

4.1.3 双排污的工艺收益

需要先澄清一个常见误解:Cornell-type dual-drain 不是让微滤鼓(RDF)只处理 5-20% 的水。实际工艺中,侧排的大流量水通常仍然要经过微滤鼓做主固体拦截;底排的小流量高浓度水则先经旋流分离器或沉淀器做一级浓缩。dual-drain 的真正收益在于把粗大、易碎的固体在被泵和管路剪切破碎之前,用低流量轻柔地提前分流出去。

这些收益使 dual-drain 成为 2000 年后大型 RAS 设计的默认配置。挪威、北美、北欧的大型陆基三文鱼项目几乎全部采用 dual-drain,中国近年新建的高端 RAS 项目也在迅速向 dual-drain 标准靠拢。

4.1.4 工业案例:NCSU + 挪威 SINTEF ECOFISH 集成验证(Twarowska 1997)

Twarowska、Westerman、Losordo 在 1997 年 Aquacultural Engineering 16(3): 133-147 发表的研究,是 dual-drain RAS 工业化整合的早期里程碑之一。该研究在美国 North Carolina State University 的 Fish Barn 设施中,把挪威 SINTEF Norwegian Hydrotechnical Laboratory 开发的 ECOFISH 多区池与NCSU 设计的水处理回路集成,完成了一次跨国工艺组合的实测验证。

关键工程参数:

• 池体:20 m³,内部分四个独立区(four-zone),每区池底配置专利粒子拦截器(particle traps)
• 放养鱼种与规模:约 2170 尾尼罗罗非鱼 × 杂交罗非鱼(Oreochromis niloticus, O. niloticus × O. aureus)
• 生长周期:从 3.6 g 长到 507 g,历时 177 天
• 水处理回路:粒子拦截 → 沉泥收集 → 旋转筛网过滤(rotating screen filter)→ 高速线流式生物滤池 → 双下行氧合柱

这一案例的工程意义在于:第一次系统证明了"挪威池 + 北美水处理"的跨学派工艺组合在商业尺度上可行,并量化了完整 RAS 回路的固体输运、水质参数和废物特性。该研究和 Davidson & Summerfelt 2004 的 Freshwater Institute 实测共同构成了现代 dual-drain RAS 设计的两块实证基石。

4.2 底排比例选择:5% / 10% / 20% 决策

双排污设计中最关键也最常被问到的问题是:底排应占总循环流量的多少?工程实践中常见的几个比例:5%、10%、15%、20%,对应不同的池底-侧排流量分配(95:5 至 80:20)。

4.2.1 底排比例的物理含义

底排比例不是越大越好,也不是越小越好。它由三组因素共同决定:

固体输运需求——底排流量必须足以把池中心富集的固体带走,而不让它们在底排口附近堆积。最低底排流量的工程经验:能在底排口附近维持 5-10 cm/s 向下流速。

排泥浓缩目标——底排比例越小,底排出水中固体浓度越高,下游旋流分离器或 RDF 浓缩效率越好。但底排比例过小,固体冲洗不彻底。

下游工艺承载——下游固液分离设备(RDF / 旋流 / 沉淀)的设计容量必须与底排流量匹配。底排流量改变意味着整条排泥支路重新设计。

4.2.2 工程实践推荐

4.2.3 默认推荐

当具体项目缺乏调试数据、设计师无法判断最优比例时,采用以下默认值作为起点,后续运行中根据底排出水实际固体浓度和池底自清效果调整:

4.2.4 流量分配的物理实现

底排和侧排的流量比例并非自动平衡,需要在管路设计中通过阻力分配主动控制。常见实现方式:

• 双管独立泵:底排和侧排各接独立的循环泵,通过泵流量直接控制比例。优点是精确可调,缺点是设备数量翻倍
• 单泵 + 比例阀:总循环泵后通过流量控制阀分配到底排和侧排支路。最常见的工程方案,阀门用调节阀或孔板
• 重力溢流:侧排口标高决定水位,底排口流量由水位差驱动。结构简单但比例不易精确控制

对千吨级以上大型项目,通常每个鱼池独立设置流量计监测底排和侧排实际流量,并定期校准比例。小型项目可以省略流量计,但要在管路上预留测压点供调试时插入流速计核对。

4.3 底排开孔板设计

底排口不是一个简单的孔,而是一个开孔板(perforated plate / strainer)结构,既要让固体顺利通过,又要防止鱼(尤其是苗种)被吸入。开孔板的设计直接关系到底排能否正常运行。

4.3.1 底排口位置与坡度

底排口位于池底中心正下方。关于池底坡度,需要纠正一个常见误解:Cornell-type 圆池主要靠旋转流的二次流(茶杯效应)把固体输运到中心,而不是靠陡峭的池底坡度。Davidson & Summerfelt 2004 实测的 150 m³ Cornell-type 池就是平底(不向中心倾斜),依然能有效集中固体。这正是圆池相对于沉淀池/漏斗池的核心优势——不依赖重力坡度。

实践中池底坡度的工程考虑:

• 平底到缓坡(0-2%):最常见,依赖二次流输送固体;排空检修时可能需要人工辅助清扫池底外围
• 缓坡(2-5%):在二次流之外增加一点重力辅助,也便于排空,是不少工程的折中选择
• 避免陡坡(>10%):陡坡不仅施工困难,还会在池壁与池底连接处形成死角,且对二次流主导的固体输运帮助有限

换句话说:坡度是"锦上添花",不是固体输运的主力。如果发现固体在池底外围沉积,首先应检查切向流速和二次流是否足够(见第 3 章和第 6 章),而不是简单地增大坡度。

4.3.2 底排口直径

底排口直径(开孔板直径)的工程经验:

这一比例是 RASTECH Magazine 2025 综述(Curtis Crouse, Freshwater Institute)给出的现代工程口径,目的是让底排口直径覆盖池中心的固体富集区,避免固体堆积在底排板外围。

4.3.3 开孔板的孔径和开孔率

开孔板的核心设计参数:

4.3.4 防鱼苗误吸的孔流速限制

底排开孔板最容易出问题的设计点:孔内流速过高会把鱼苗吸入,尤其在苗种期或鱼大小不均匀时。

工程上的限制:孔流速 ≤ 最小鱼体长 × 2-4 BL/s(RASTECH 2025, 工业惯例)。例如:

• 苗种期 5 cm 鱼苗 × 2 BL/s = 10 cm/s 是上限,设计取 8 cm/s 留余量
• 幼鱼 15 cm × 2 BL/s = 30 cm/s 是上限,实际取 20 cm/s
• post-smolt 25 cm × 2 BL/s = 50 cm/s 是上限,但通常孔流速远低于此

反推开孔板设计:已知底排流量 Q_bottom 和孔流速上限 V_hole,需要的总孔面积:

这个算例说明:在苗种期最严格的孔流速约束(8 cm/s)下,池径 10% 的标准底排板已经足够容纳所需孔面积。随着鱼长大、孔流速上限放宽(幼鱼期可到 20 cm/s),同一块板的余量更充裕。需要注意的是:孔流速上限随鱼大小变化,因此苗种期可能需要在标准开孔板上临时覆盖一层细目网降低单孔有效流速,待鱼长大后移除。

4.3.5 板防堵设计

开孔板长期运行中会发生堵塞,主要堵塞源:

• 大块未食饲料
• 脱落的池壁生物膜
• 死鱼或鱼鳃组织
• 外来异物(脱落的标签、毛发等)

常见防堵设计:

• 开孔板上方设置可拆卸的挡杂网(粗格栅,孔径 20-50mm),拦截大块杂物;每日检查清理
• 开孔板下方设置反冲洗水管,定期向上喷水冲掉板表面附着
• 开孔板设计为可整体抽出,大修或严重堵塞时整板提出清洗

4.4 侧排结构

侧排相对底排更简单,但有几个不容忽视的设计点。

4.4.1 侧排口标高

侧排口位于池壁,水面下 0.3-0.5m。这一标高的工程理由:

• 太靠近水面(<0.2m):空气进入侧排管,产生气塞;水面漂浮物(剩余饲料、油脂)被带入
• 太深(>0.7m):侧排区水流速度过低,固体可能在侧排口附近沉积;且会带走较多固体到侧排支路
• 0.3-0.5m 折中:足够避开水面气液界面,又位于水柱中清洁层

4.4.2 侧排口形状与朝向

侧排口通常是水平开口的矩形或圆形孔(也称 elevated drain weir),开在池壁内表面。设计要点:

• 开口面积按侧排流量 / 0.3 m/s 反推(开口流速 0.3 m/s 是工程默认值,避免鱼被吸入)
• 开口高度通常 50-200 mm,宽度 100-300 mm
• 多个侧排口(2-4 个)沿池壁均匀分布,避免单点抽水造成局部流场扰动
• 开口处加格栅或筛网,防止鱼进入侧排管

4.4.3 防虹吸设计

侧排管路必须有防虹吸措施。如果停泵时管路设计不当,池水会通过侧排管被虹吸排空,造成鱼搁浅死亡。

标准做法:

• 侧排管在出池后立即上翻到水面以上,形成"反 U 型"防虹吸弯
• 反 U 型弯顶端开通气孔,确保任何条件下不能形成连续液柱
• 所有自动控制阀停电时默认开启,不能在停电时关死侧排

这一设计在挪威工业是绝对强制的——某些项目曾因侧排防虹吸失效,在凌晨停电时全池排空死鱼。中国部分小型项目对此细节不够重视,设计时容易忽略。

4.4.4 流量监测与调节

侧排管路上通常配置:

• 流量计(电磁式优先,无活动部件抗生物污染):监测实时侧排流量
• 调节阀:微调侧排和底排的流量比例
• 液位变送器(在反 U 型弯外):监测水位,作为流量异常报警的次要指标

4.5 旋流分离器集成

底排出水含高浓度固体,通常不直接进入 RDF,而是先通过旋流分离器(swirl separator)二次浓缩。这一集成方案是 Cornell-type 双排污工艺的标准配套。

4.5.1 旋流分离器的工作原理

旋流分离器是一个锥形或圆柱锥形容器,水从切向进入产生旋转流场,固体颗粒在离心力作用下沿器壁向下运动,被锥底排泥口收集;清水从中心溢流口流出。本质上是将鱼池本身的茶杯效应在更小的设备中放大利用。

对 RAS 应用,典型旋流分离器:

需要注意:旋流分离器对 RAS 全系统 TSS 的单程去除率并不高(文献实测多在 25-65% 区间),其作用是浓缩底排小流量中的固体而非彻底去除。Davidson & Summerfelt 2005(Aquacult. Eng. 33: 47-61)在 150 m³ Cornell-type 池上的对比实验中,旋流分离器 TSS 去除率约 37%,辐流沉淀器(radial-flow settler)约 78% ——所以若以去除效率为首要目标,辐流沉淀器优于旋流分离器;旋流分离器的优势在于结构紧凑、占地小、无活动部件。无论采用哪种,下游微滤鼓(drum filter)处理全部循环流量仍然是 RAS 去除 TSS 的关键环节。

4.5.2 二级浓缩工艺流程

典型双排污 + 旋流的工艺布置:

这里的关键:侧排大流量是主循环的"水",必须经微滤鼓拦截细颗粒后回生物滤池;底排小流量是"泥",经旋流分离器浓缩后,上层相对清的水并回主循环,底层浓泥外排。两条支路各司其职——侧排管"水量"、底排管"固体浓缩"。

这一布置的工艺账:

• 总循环 1000 m³/h 中,底排 100 m³/h 进旋流
• 旋流上清液约 95 m³/h 回主循环,实际外排水量仅约 5 m³/h(0.5% 总循环)
• 5 m³/h 浓泥进储泥池或脱水,固体浓度可达 1-3% w/w
• 这样,排泥带走的水量极少(节水),同时大颗粒固体在被主循环泵剪切前就被分离出去。注意侧排的约 900 m³/h 仍需经微滤鼓处理,旋流不替代微滤鼓

4.5.3 设计参数衔接

旋流分离器的设计参数应与底排流量匹配。从底排流量 Q_bottom 推导旋流尺寸的快速估算:

实际工程中,旋流分离器尺寸由制造厂家根据 Q_bottom 和目标 TSS 去除率定型,设计师只需提供工艺数据点。

4.6 80:20 设计的典型失败模式

双排污工艺看起来简单,但在工程实施和运营中容易出现几类典型错误。本节汇总实践中反复出现的失败模式,作为设计审查的 checklist。

4.6.1 底排和侧排标识反转

最初级也最荒诞的错误:施工图标注或现场施工时,底排和侧排的管路连接反了。结果是:

• "底排"(实际是侧排)管路流量 90%,大量循环水带走未浓缩的低固体浓度水
• "侧排"(实际是底排)管路流量 10%,无法满足主循环水量,生物滤池缺水

症状:主循环回路严重缺水报警;旋流分离器进水浓度异常低、几乎不出泥;RDF 反而长期高负荷。这一错误在投产首周通常被发现,但已经造成调试期延长 1-2 周。

防范:施工图明确标注"底排-高固体含量"和"侧排-低固体含量"功能描述;现场管路用不同颜色标识(底排标红,侧排标蓝是行业惯例);投产前由水力工程师现场核对管路走向。

4.6.2 底排开孔板孔径过小堵塞

设计时为了"安全",底排开孔板孔径取得过小(2-3 mm),结果运行中被未食饲料、生物膜碎片快速堵塞。底排实际流量降到设计值的 30-50%,固体冲洗失效。

症状:池底中心固体堆积可见;旋流出水变清(因为底排进水量不足);池水 TSS 缓慢上升。

防范:开孔板孔径不宜小于 5 mm;设置每日清理 SOP;开孔板上方配置粗格栅拦截大杂物;预留可整体抽出的检修方式。

4.6.3 底排比例过小,固体不能完全冲到中心

三文鱼场为追求节水,把底排比例设定到 3-5%。在投饲量较低时勉强工作,投饲增加后池底中心外围出现固体环堆,二次流不足以把它们推到底排板范围内。

症状:池底中心 1-2 m 半径内可见环状沉积物;停泵后底部固体厚度不均;鱼经常在沉积环附近徘徊。

防范:底排比例不要小于 5%;高饲喂期(投产中后期)适当调大到 10%;在初设阶段就保留底排支路扩容空间。

4.6.4 侧排标高漂移

侧排管路通过反 U 型防虹吸弯连接到下游。如果反 U 型弯的顶端高度不稳定(管路松动、支吊架变形),会改变侧排实际溢流标高,进而改变池水位和侧排流量。

症状:无明显原因的池水位波动;循环流量随时间漂移;有时白天和晚上流量不同(温度热胀冷缩导致管路变形)。

防范:防虹吸弯应有牢固的支撑;定期(每季度)用水准仪复核标高;长输管路用刚性支吊架而非软管连接。

4.6.5 侧排防虹吸失效

反 U 型弯顶端通气孔被生物膜、藻类、杂物堵塞;停电时侧排管成为完整的液柱通道;水池被虹吸排空。

这是 RAS 工业最严重的失败模式之一——可能在几小时内全池死鱼。挪威工业的标准做法是:

• 通气孔孔径不小于 25 mm
• 通气孔朝下或加防雨/防异物罩
• 每月人工检查通气孔通畅性
• 关键池配置低水位报警(独立电源,不依赖 PLC)

4.6.6 旋流分离器与底排流量不匹配

底排比例从初设的 10% 调整到 15% 后,旋流分离器未同步扩容。结果:旋流进水流速过高,缩短 HRT,固体来不及沉降,出水固体浓度反而升高;主循环回水变浊。

症状:调整底排比例后,主循环 TSS 反而恶化;旋流底部排泥含固率下降;生物滤池负荷异常。

防范:底排比例调整应与下游设备容量同步评估;旋流设计时按底排比例上限(15-20%)预留容量;关键调试节点做 TSS 实测确认。

第 5 章 池径深比 D/H 与池形决策

圆池或八角池的几何尺寸用直径 D 和水深 H 描述,但工程上更常用的是径深比 D/H(或反过来 H/D 高径比)。这一比值不仅决定土建成本和占地面积,更直接决定池内流场的稳定性。本章讨论 D/H 的工程范围、中心环状死区问题、八角池与圆池的几何微差,以及池深与鱼种的物理对应关系。

5.1 D/H 的工程范围

5.1.1 三种典型几何配置

5.1.2 浅池的水力学问题

D/H > 5 的浅池(典型大菱鲆池,直径 8m × 水深 1m)在水力学上有几个特殊问题:

• 水柱浅,切向进水的二次流发育不完整,茶杯效应弱
• 固体输运主要靠主旋转流的底部水平流速,二次流向心分量小
• 风扰、人员走动、鱼活动对水面的扰动直接影响整个水柱

大菱鲆等底栖鱼对这种水力学不敏感(它们本来就贴底生活,不依赖水柱旋转),但对水柱主动游泳的鱼种,浅池显著降低工艺效率。工程上的折中是:浅池配合更高的水力交换率(2-3 倍/小时,而不是 1-1.5 倍/小时)和更密集的水平喷嘴布置(每 0.5 m 一个)弥补二次流不足。

5.1.3 深池的水力学问题

D/H < 3 的深池(典型三文鱼成鱼池,直径 10m × 水深 5m)的水力学问题与浅池相反——水柱深度上流速衰减:

• 单层水平进水管在某一深度激励池水,该深度附近流速最高
• 距离进水管越远(向上或向下),流速依赖湍流和二次流传递,衰减明显
• 典型情况:进水管位于水面下 0.5m,池底(深度 5m)流速仅为进水层流速的 40-60%

这是为什么大型深池采用垂直立管多孔而非水平多孔管——立管沿整个水柱深度都有切向射流,池底流速不再依赖湍流传递,直接被立管底端喷嘴维持在工程目标范围。

5.1.4 工程上的常用范围与对应施工特点

5.2 中心环状死区问题

圆池或八角池在某些 D/H 比例下,会在池中心出现一个环状低速区(torus-shaped low velocity zone),也称中心环状死区。这是 Sin 等 2021 年 Journal of the World Aquaculture Society 论文系统研究的现象。

5.2.1 物理机制

在切向进水驱动的旋转流场中,流速沿径向不均匀:

• 池壁附近:切向射流直接作用,流速最高(30-50 cm/s)
• 中间区域:旋转主流稳定,流速 15-30 cm/s
• 中心附近:由于流体力学的无旋区(irrotational core)效应,中心点流速理论上为零;实际中心附近形成一个环带状的低速区

这一现象不可避免——旋转流体的角动量守恒要求中心流速向零趋近。但环状死区的径向范围(占池半径的多大比例)可以通过设计控制。

5.2.2 环状死区的影响

中心环状死区的工程后果:

• 固体颗粒到达中心区域后,可能在环状死区停留(被半径方向的辐流推到中心,但缺乏向下的二次流强度推到底排板)
• 溶氧分布在死区相对低
• 鱼可能在死区聚集(避开主流场的高速区),造成局部密度异常

5.2.3 减小环状死区的设计方法

Sin et al. 2021 通过 CFD + 实验设计(正交方法)系统研究了底排板形状、孔分布、底排比例对死区的影响,论文的总体结论是:通过对底排几何与喷嘴布置的协同优化,可以显著减小池中心 torus 形低速区的范围。具体的优化方法和定量参数应参考原文(J. World Aquac. Soc. 52: 1221-1233)。

5.3 八角池 vs 圆池

第 1.3 节已经讨论过八角池的工业意义,本节深入八角池与圆池的水力学差异。

5.3.1 几何近似的精度

正八角形外接圆的近似精度可以量化:

• 八角形面积 / 外接圆面积 = 0.828(损失 17.2% 面积)
• 八角形内接圆 / 外接圆半径比 = cos(22.5°) = 0.924(直边到中心比顶点到中心短 7.6%)

这意味着八角池的几何与圆池有约 8% 的"非圆度"。在水力学上,这一非圆度在八个直边段表现为略低的曲率,流速沿直边段时不旋转(类似平推流),只在每个顶点附近被"转向"。

5.3.2 Gorle 团队的系列研究

挪威 Nofima 的 Gorle、Terjesen、Summerfelt 团队针对挪威三文鱼 RAS 池做了一系列水力学研究,共四篇论文,从 CFD 数值模拟到商业站点实测,系统覆盖了大型 RAS 池设计的关键变量:

• Gorle 2018a(Aquacult. Eng. 81: 89-100):挪威两个年产 1000 / 1300 吨 smolt 商业站点的 ADV 实测,~788 m³ 池;站点 1 有 2 个圆池(密度 35、48 kg/m³),站点 2 有 4 个八角池(密度 54、74、58、64 kg/m³)。带鱼工况下最大流速 40 cm/s、最小 25-26 cm/s;鱼存在使流速降低 25%。圆池与八角池行为相似
• Gorle 2018b(Comput. Electron. Agric. 151: 354-364):100 m³ 八角池 + Cornell dual-drain 的 CFD 分析,Realizable k-ε 湍流模型,系统讨论 dual-drain 流量分配
• Gorle 2019(Comput. Electron. Agric. 158: 79-91):喷嘴角度对流速场影响的系统 CFD 研究,ADV 验证,得出双进水池下层喷嘴径向取向最优
• Gorle 2020(Int. J. Mech. Sci. 188: 105944):接近 1000 m³ 大型陆基商业 RAS 池 OpenFOAM CFD 分析(Marine Harvest 设计参数)。进水管布角落比布侧壁中部减阻 29%;底排出水优于上排出水

这一系列研究确立了八角池作为大型三文鱼 RAS 标准池型的工程依据,并提供了若干可立即应用的设计优化数据点。Gorle 2018a 商业实测同时显示:在挪威工业实践中,圆池和八角池在带鱼旋转流速、流场对鱼存在的响应规律上行为相似——选哪个主要看工程经济因素(见 §1.3.2)。

5.3.3 八角池设计的工程要点

5.4 池深与鱼种的物理对应

iRAS 主手册第 27 章已经给出了不同鱼种各阶段的推荐池深(recDepth_m 字段)。本节从水力学角度补充解读,说明为什么这些推荐值是合理的。

5.4.1 池深选择的工程权衡

对同一鱼种,加深池子意味着:

• 优点:同样的占地面积、同样的鱼载量下,水柱体积增加,稀释代谢污染;鱼分散度提升;水柱储能改善温度稳定性
• 缺点:水力学复杂度上升,需要立管多孔等高级进水方式;土建造价非线性增加(地下结构、深基础);检修难度提升;水力交换率达不到 1.0-1.5 倍/小时时,池底缺氧风险

三文鱼成鱼池经典的"5-7m 深"区间,就是上述权衡的工业实践共识——既给鱼足够垂直活动空间,又控制在水力学和土建可接受范围。

5.4.2 底栖鱼的特殊考虑

大菱鲆、半滑舌鳎、对虾等底栖物种,池深主要由水力学最低要求决定,而非生物学需求:

• 水深必须覆盖鱼体 + 一定水柱以维持水温缓冲
• 水深需要足以让切向进水形成基本的旋转流(经验下限 0.6-0.8m)
• 过深则增加水柱中无效利用部分,增加土建和水处理负担

实际工程中,底栖鱼池通常采用 0.8-1.2 m 水深,显著浅于水柱鱼池。

第 6 章 鱼对流场的反作用

大多数 RAS 水力学设计假设鱼是"被动的水流跟随者"——按设计流场推算需要的进水方案,设计完成后认为问题解决。这一假设在低密度饲养(<20 kg/m³)时尚可接受,但在现代高密度商业 RAS(60-100+ kg/m³)中显著偏离实际。本章讨论鱼对流场的反作用,以及由此带来的工程余量经验。

6.1 鱼不是被动颗粒,是流场反作用体

6.1.1 国际文献中的鱼-流场耦合

近十余年的水产工程研究已经清楚地证明:鱼并不是被动跟随水流的颗粒,而是主动影响和重塑流场的水力学要素。两项标志性研究在不同尺度上给出了一致结论。

挪威 Nofima 团队的商业 RAS 实测(Gorle et al. 2018a)。Gorle、Terjesen、Mota、Summerfelt 在 2018 年 Aquacultural Engineering 81: 89-100 发表的研究,在挪威两个大型三文鱼 smolt 站点(年产 1000 吨和 1300 吨)进行了实测:

• 站点 1:2 个圆池,带鱼工况下密度为 35 和 48 kg/m³
• 站点 2:4 个八角池,带鱼工况下密度为 54、74、58、64 kg/m³
• 池体规模约 788 m³ 每池,工业级 ADV(Acoustic Doppler Velocimetry)实测
• 每个池在空池和带鱼两种工况下分别测量,直接对比

关键结果:

• 带鱼工况下,所有池的最大旋转流速约 40 cm/s,最小约 25-26 cm/s——非常接近三文鱼 smolt 推荐的 1-1.5 BL/s 最优游泳速度区间
• 带鱼运行使流速比空池下降约 25%,这一比例在两个站点、6 个池上一致
• 带鱼工况下流场分布与空池显著不同——鱼成为湍流的主要来源,使流场非线性显著增强
• 圆池与八角池在这一规律上行为相似

西班牙 UPC 团队的工业级机理研究(Masaló & Oca 2016)。Masaló & Oca 在 Aquacultural Engineering 74: 84-95 发表的研究,在小型工业级圆池中通过分别测量空池和带鱼工况下的流场,从机理层面解析了这一现象:

• 带鱼运行时平均流速显著低于空池,鱼通过逆流游动从主流场中"提取"动量
• 反映到工程参数上,带鱼工况下池阻力系数 Ct 明显高于空池(Oca & Masaló 2013 提出的 Ct,详见第 3 章)
• 相同密度(14.6 kg/m³)下,小个体鱼(154 g)对池阻力的影响略大于大个体鱼(330 g)——更多鱼体表面增加水流阻力
• 平均流速大致与冲量力的平方根成正比,但鱼的存在使比例系数发生变化

两项研究在不同尺度(788 m³ 商业站点 vs 小型工业级实验池)、不同方法(直接对比测量 vs 阻力系数解析)上得到一致结论。"空池设计、带鱼运行"的传统假设站不住脚:如果工程师按空池目标流速 30 cm/s 设计,带鱼运行实际只能达到约 22-23 cm/s,可能低于鱼种最优速度区间。

挪威 Nofima 团队的 Gorle、Terjesen、Summerfelt 同期还在 Computers and Electronics in Agriculture 151 (2018b)、158 (2019)、International Journal of Mechanical Sciences 188 (2020) 上发表了一系列 CFD 研究,分别系统讨论了八角池 + Cornell dual-drain、喷嘴角度、进出水位置等参数对流场的影响,进一步建议在工业 RAS 池设计中考虑带鱼运行工况,而不仅是空池模拟。

6.1.2 国内的 CFD 模拟研究

大连海洋大学水产工程团队 2023 年发表的 CFD 研究(史宪莹、任效忠等,《养殖鱼对养殖池内水动力影响的数值模拟》,大连海洋大学学报 38(5)),在方圆角池上用 MRF(多重参考系法)模拟了鱼对流场的反作用,系统考察了三个因素:

• 放养密度:密度越高,池内平均流速下降越明显
• 个体大小:同密度下,鱼数量多(个体小)比鱼数量少(个体大)对流速衰减更显著——因为更多个鱼体表面增加了与水流的阻力
• 空间分布:鱼分布在水柱中层时对流速降低和湍流增强影响最大;分布在底层时影响最小;水面层影响中等

研究结论:循环水养殖中应根据养殖鱼放养密度、个体大小、空间分布的变化,适时调整养殖池进水速度。这意味着同一个 RAS 池在养殖周期不同阶段,设计运行参数应该是不同的。

6.1.3 物理机制

鱼对水流的反作用,本质是三个相互交织的物理过程:

1. 阻力消耗——每条鱼游动需要克服水阻力,反作用力作用于水流,消耗水流动量
2. 逆流游动的角动量提取——鱼贴壁逆游(rheotaxis)时,鱼的运动方向与水流方向相反,从水流中提取角动量
3. 尾鳍涡流——鱼尾鳍摆动产生尾涡(thrust vortex),增加水流湍流强度但不增加平均速度

这三个过程的综合效果是:平均流速下降、湍流强度上升、流速分布更复杂。后两个效应对水质混合实际上是有利的(湍流强化了 DO、TAN 等物质的均匀扩散),但对于工程师按"目标平均流速"做的设计,鱼造成的平均流速下降是必须计入的余量。

6.2 三因素分析框架:密度、个体、分布

大连海洋大学水产工程团队 2023 年的 CFD 研究(史宪莹、任效忠等)提出了一个对工程师特别有价值的分析框架:把"鱼对流场的反作用"分解为三个独立但相互耦合的因素来分别量化。本节按这一框架展开,把每一个因素的工程含义和设计要点逐一说明。

6.2.1 因素 1:放养密度

放养密度(kg/m³)是最直观的影响因素。在个体大小和空间分布保持不变的条件下,密度上升会导致池内平均流速持续下降。物理机制清晰:鱼体表面是水流的"湿面",更多的鱼意味着更大的总湿面面积,水流被"吃掉"的动量更多。

工程含义:

• 同一个 RAS 池在养殖周期内,密度从 10 kg/m³ 逐渐升至 80-100 kg/m³,池内实际流场强度随之线性或近线性下降
• 设计时必须区分"投苗期工况"和"出塘期工况"——前者鱼少,空池流场基本不受影响;后者高密度,流场被显著削弱
• 如果按出塘期工况设计进水冲量,投苗期会出现流速过高(鱼应激);如果按投苗期设计,出塘期流速不足(固体堆积、DO 不均)
• 解决方案:进水流量可调,养殖管理人员根据养殖阶段调整进水冲量(详见 6.4 节)

6.2.2 因素 2:个体体积(同密度下的数量)

这是史宪莹 2023 论文最有意思的发现之一:在相同密度(kg/m³)的条件下,鱼数量多(个体小)的工况比鱼数量少(个体大)的工况,对流速的削弱更显著。直观看似乎反直觉——大鱼"占地方"应该更阻流?

物理机制:阻流大小取决于鱼体的湿面总面积,而不是鱼的总体积。同样 50 kg 鱼,如果是 50 条 1 kg 个体,总湿面比 5 条 10 kg 个体大得多——因为鱼体表面积随个体直径的平方增长,而鱼体重随直径的立方增长。把鱼"切小"会显著增加总湿面。

这一发现在 Masaló & Oca 2016 的工业级实测中得到独立印证:154 g 个体鱼对池阻力系数 Ct 的影响略大于 330 g 个体鱼(相同密度 14.6 kg/m³ 工况下)。两项独立研究在两种不同方法(CFD 模拟 vs 实测)上得到了一致结论。

工程含义:

• 育苗期(高密度小个体)流场削弱比成鱼期(同密度大个体)更显著,需要更高的进水冲量
• 把鱼按大小分级转池(grading)不仅是养殖管理需求,也是水力学优化——大池放大鱼、小池放小鱼,各自匹配合适的流场
• 同一池里如果鱼大小差异显著,流场不均匀性增加

6.2.3 因素 3:空间分布(垂向位置)

史宪莹 2023 论文的第三个因素也最常被工程师忽略:鱼在水柱中的垂向分布显著影响整体流场,且影响方向不直观。在密度和个体不变的条件下:

• 鱼分布在水柱中层(mid-water)时,池内整体平均流速下降幅度最大,湍流强度增加也最显著
• 鱼分布在水柱下层(底层)时,对池整体平均流速和湍流强度的影响最小
• 表层分布介于两者之间

物理机制:圆池/八角池主旋转流的最强区域在中层(也是水柱"中性轴"附近),鱼在这个层级聚集,正好在主流场最活跃的位置形成阻力,削弱效应最大。底层主要是二次流(径向汇流),流速本来就低,鱼在底层对主旋转流的削弱反而较小。

工程含义:

• 不同鱼种的天然垂向偏好差异巨大:三文鱼 post-smolt 主要在中上层活动 → 流场削弱大;大菱鲆几乎全部在底层 → 对主旋转流影响小
• 这部分解释了为什么三文鱼 RAS 池需要比大菱鲆 RAS 池更大的设计冲量余量
• 水柱中层鱼分布在投喂前后会显著变化:投喂前底层聚集(等待)、投喂时表层冲击、投喂后中层巡游——同一天内不同时段流场都不同

6.2.4 三因素的综合工程含义

把三个因素综合起来,工程师面对一个 RAS 池的实际流场设计任务,需要回答四组问题:

研究的核心结论是:循环水养殖中应根据养殖鱼放养密度、个体大小、空间分布的变化,动态调整养殖池进水速度。这意味着 RAS 池不应该按"一个固定工况"设计,而应该按"工况包络"设计——进水冲量在养殖周期内可在合理范围调节。

6.2.5 高密度的极端情况

商业 RAS 追求高密度(典型 60-100 kg/m³,极限 120 kg/m³)。在 90 kg/m³ 以上时,鱼的体积占池水容积的比例已经接近 9-10%(假设鱼湿密度近似水),这一比例下的水力学已经不能用"水中有鱼"近似,而要按"鱼-水两相流"建模。这是当前 RAS 研究的前沿方向。

在高密度工况下,以下现象在工业实践中被普遍观察到(具体数字依鱼种、池型、流速而异,本节不给出精确百分比):

• 平均流速比空池显著下降,降幅明显大于低密度工况
• 池内有效"水通道"宽度变窄,旋转流被鱼群压缩到外圈
• 水体局部分区,DO 在某些区域可能显著低于平均值
• 固体输运效率下降,RDF 反冲洗频率增加

这是为什么高密度 RAS 的水力交换率(1.5-2.0 倍/小时)显著高于中等密度场(1.0-1.2 倍/小时)——必须用更高的总流量补偿鱼对流场的吞噬。

6.3 设计余量经验

鉴于鱼对流场的削减效应在不同密度下不同,工程实践中必须把这一效应作为设计余量计入。下表所列余量系数为工程经验范围,来源是工业实践综合,而非单一文献的精确测量,实际项目应根据相似工程的实测数据校核。

6.3.1 流场设计余量

例如,三文鱼 post-smolt 目标流速 30 cm/s,中等密度饲养,空池设计应达到 30 × 1.25 = 37.5 cm/s。这一余量通过加大进水流量、调整喷嘴方案实现。

6.3.2 调节弹性的工程实现

鱼的密度在养殖周期内是动态变化的(从苗种期 5 kg/m³ 升到成鱼出池前 90 kg/m³)。设计应预留调节弹性,使运行中可以根据实际密度调整流场:

• 主循环泵采用变频驱动(VFD),流量可调范围 50-120% 额定值
• 喷嘴上设置可调阀门或可更换喷嘴芯,允许调整 V_in
• 底排和侧排比例可调(详见 4.2.4 节)
• 多个进水立管之间可独立切换或调比例(部分大型项目设计)

这些设计余量虽然增加初投成本(变频器、调节阀、监测仪表),但显著提升运行灵活性。对千吨级以上项目,几乎是标准配置。

6.3.3 余量过大的反面问题

设计余量也不是越大越好。过度的余量会带来:

• 泵和管路过度设计,CAPEX 提高 15-25%
• 低密度阶段流速过高,鱼应激,FCR 上升
• 能耗提高(运行流量超过实际需要)

合理做法是按上文 6.3.1 表的"中-高密度"取 1.25-1.30,并通过 VFD 调节适应不同密度阶段——而不是单纯把设备容量加大。

第 7 章 CFD 在工程设计中的角色

计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)是 RAS 水力学详细设计阶段不可替代的工具。但 CFD 也不是万能的——使用不当会得到看似精美实则误导的结果。本章从工程师视角讨论 CFD 的适用边界、如何读 CFD 报告、CFD 验证方法,不教 CFD 操作本身。

7.1 什么时候需要 CFD

7.1.1 必须使用 CFD 的工程场景

以下情况建议或必须做 CFD 分析:

• 大池(>500 m³)新建项目——经验公式的精度在大池上显著下降,且建造成本高,流场问题修复昂贵
• 新池型——非标准圆池或八角池(如长椭圆池、复合几何),没有对照经验数据
• 关键项目——年产 >1000 吨的商业项目,流场设计错误的经济损失大于 CFD 投入
• 问题溯源——已建池子出现固体堆积、DO 不均、鱼分布异常等问题,需要 CFD 反推原因
• 非标进水方式——使用 eductor、jet mixer、复杂多立管等非标喷嘴时,经验公式不适用
• 设备厂家差异验证——比较不同厂家的池型方案,需要可比的定量评估

7.1.2 不需要 CFD 的场景

以下情况经验公式 + 工程惯例足够,做 CFD 浪费资源:

• 标准 8-12m 圆池——文献已经有大量实测和 CFD 结果,套用即可
• 小池苗种养殖——水力学影响小于水质工艺,投入 CFD 不划算
• 方圆角池标准方案——国内文献有充分案例
• 低密度商业项目(< 30 kg/m³)——鱼对流场影响小,空池设计接近实际

7.1.3 CFD 项目的典型成本与周期

这些是 2026 年中国市场的参考价格区间。挪威、北美 CFD 咨询费用通常是国内 2-3 倍。

7.2 工程师如何读 CFD 报告

大多数 RAS 工程师不会亲自做 CFD,但需要评审 CFD 报告。一份合格的 CFD 报告应包含以下核心内容,工程师应重点查验:

7.2.1 报告必查清单

7.2.2 CFD 报告的常见陷阱

即使是付费的专业 CFD 咨询报告,也可能存在以下陷阱:

1. 边界条件错误——把侧排和底排比例搞反、忘记设置自由水面、出水边界设为零压而实际有阻力。这些错误会让结果整体偏离
2. 空池模型当带鱼用——大多数 CFD 默认不建模鱼,结果是空池流速,直接用于设计会高估 25-30%
3. 网格不独立——只用一套网格,没有验证网格密度对结果的影响。高密度网格可能与低密度网格结果差 10-20%
4. 湍流模型选择不当——标准 k-ε 在强旋转流中表现不佳,RAS 池应该用 RNG k-ε 或 Realizable k-ε
5. 稳态 vs 瞬态——大多数 RAS 设计用稳态分析,但某些情况(投喂期、模块切换)需要瞬态。报告应说明哪种分析模式
6. 过度精美的可视化掩盖低质数据——彩色流场图本身不代表结果可信,要看背后的数值表和验证
7. 结果展示选择性偏差——只展示流速合理的截面,回避问题截面

7.2.3 工程师评审 CFD 报告的关键问题清单

评审会议上,工程师应该向 CFD 工程师提出的关键问题:

• "你们用的湍流模型是什么?为什么选这个?"
• "网格独立性验证做了吗?展示一下不同网格的结果对比"
• "鱼载量是怎么建模的?如果没建,结果如何修正?"
• "和已有实测数据或文献结果对比怎么样?"
• "DU50 是多少?池底流速、池中心流速、池壁流速各是多少?"
• "固体迹线分析显示固体最终都能到达底排板吗?"
• "如果改变底排比例从 10% 到 15%,结果会怎么变?(灵敏度分析)"

合格的 CFD 工程师能够答出大部分问题。如果对方含糊其辞、或者用术语掩盖,这份报告的可信度应该打折扣。

7.3 CFD 验证方法

CFD 结果必须经过验证才能用作设计依据。验证可以通过文献对照、相似工程对比、现场实测三个层次进行。

7.3.1 与已有文献对照

最简单的验证:把 CFD 计算池作为一个已知文献的对象,把 CFD 结果与文献实测对比。例如:

• Davidson & Summerfelt 2004 在 10 m³ 和 150 m³ Cornell-type 池的实测数据已公开发表(Aquacult. Eng. 32: 245-271)
• Gorle 2018a 在挪威两个三文鱼 smolt 商业站点的圆池和八角池 ADV 实测数据可作为大型池对照(Aquacult. Eng. 81: 89-100)
• Gorle 2018b 和 2020 的 100 m³ 和 ~1000 m³ 大池 CFD 数据(Open Access)可作为数值方法基准
• Oca & Masaló 团队多篇论文给出了 ADV 实测的池内流速分布
• Masaló & Oca 2016 给出了带鱼工况下池阻力系数变化的实测数据

如果 CFD 工具能够再现这些公开文献的实测数据(偏差 < 15%),那么它在相似配置上的预测是可信的。

7.3.2 示踪剂测试

在已建池中验证 CFD 流场,最经济的方法是示踪剂测试:

• 在进水管处注入一个脉冲式示踪剂(食用色素、盐峰、荧光染料)
• 在多个采样点(出水口、池底、池中心等)连续监测示踪剂浓度
• 得到示踪剂的停留时间分布(RTD)曲线
• 将实测 RTD 与 CFD 预测 RTD 对比

RTD 是流场宏观特性的综合指标——如果实测和 CFD 的 RTD 高度一致,说明 CFD 流场总体正确。RTD 不一致则提示流场某处偏差。

7.3.3 ADV / 流速计实测

更直接的验证:用声学多普勒流速仪(ADV)或电磁流速计在多个池内位置实测三维流速,与 CFD 预测对比。

ADV 测量精度高(±2-5%),但需要专用设备和操作经验,通常只在大型项目验证或学术研究中使用。商业项目验证更常用电磁流速计(精度 ±5-10%)做关键点对比。

7.3.4 鱼行为观察

定性但实用的验证:观察鱼的实际行为是否符合 CFD 预测。

• CFD 预测某区域流速合适 → 该区域鱼分布密集且巡游
• CFD 预测某区域是死区 → 该区域可能堆积固体或鱼避开
• CFD 预测主流速方向 → 鱼贴壁逆游方向

鱼是池内流场的"敏感传感器"——它们对水力学的微妙变化反应往往比仪器还灵敏。CFD 预测如果与鱼实际分布严重不符,说明 CFD 有问题。

第 8 章 现场调试与运营观察

设计完成、施工完成,池子注水投鱼后真正的考验开始——设计预期与实际运行的偏差,必须通过现场调试发现和修正。本章给出投产后第一周、第一年、长期运营的水力学观察 checklist,作为运营人员和工程师协同的工具。

8.1 启用第一周 checklist

新池投产的前 5-7 天是水力学调试的关键期。此阶段应该完成以下任务:

8.1.1 空池测试(D-7 至 D-3,投鱼前)

8.1.2 流场测试(D-3 至 D-1,投鱼前)

8.1.3 投鱼后第一周观察(D+1 至 D+7)

8.2 季节性调整

RAS 池的水力学不是"一次设计永久不变"。在养殖周期内,以下几个因素持续变化,需要相应调整流场:

8.2.1 鱼成长导致 BL/s 变化

鱼从入池到出池,体长可能增长 2-3 倍(三文鱼 post-smolt 从 25 cm 到 100 cm 单池内不到 1.5 倍,但跨阶段池间可能 4-5 倍)。同样的池内流速对应的 BL/s 完全不同:

• 入池时体长 20 cm × 30 cm/s 池流速 = 1.5 BL/s(偏高)
• 出池时体长 40 cm × 30 cm/s 池流速 = 0.75 BL/s(略低)

如果养殖周期内体长变化大,应在体长变化超过 30% 时调整流速。具体做法:通过变频泵调整总流量,或者调整喷嘴方案(可调阀)改变 V_in。

8.2.2 鱼载量增加

同一鱼池在养殖周期内鱼载量从初始 5-10 kg/m³ 增长到出池前 60-100 kg/m³,鱼对流场的削减效应从 10-15% 升到 30-35%。如果设计时空池余量取 1.25,则:

• 初期:实际流速 = 设计空池流速 × (1 - 0.10) ≈ 1.13 倍目标值,偏高
• 中期:实际流速 ≈ 1.0 倍目标值,正好
• 后期:实际流速 ≈ 0.85-0.9 倍目标值,偏低

大型商业项目通常在养殖周期内逐步增加循环流量(初期 0.8 倍额定,中期 1.0 倍,后期 1.2 倍),通过 VFD 主泵实现。

8.2.3 温度季节波动

水温变化影响水的密度和粘度,从而影响 Ct 和阻力。温度从 10°C 升到 25°C,水的运动粘度从 1.31 × 10⁻⁶ m²/s 降到 0.89 × 10⁻⁶ m²/s,降低约 32%。这意味着夏季同样的进水动量能产生略高的池内流速。

对温控严格的 RAS(三文鱼 12-14°C 恒温)这一效应可忽略。对温水鱼 RAS(温度 15-30°C 季节变化大),夏冬季流速差异可达 5-10%,需要相应调整。

8.2.4 生物膜与污垢累积

池壁、喷嘴内壁、底排板长期运行会有生物膜累积,影响:

• 池壁粗糙度上升,Ct 增加,旋转速度降低
• 喷嘴内壁附着导致 V_in 降低
• 底排板部分堵塞导致流量分配比例漂移

典型情况下,每 6-12 个月应做一次水力学复核:测量关键流速点,与基线对比,偏差 >15% 时进行清洁或调整。

8.3 警示信号

以下情况是运营中应该立即触发工程介入的水力学警示信号:

8.3.1 异常事件的事后复盘

RAS 项目运营 1-3 年后,通常会经历若干次水力学相关的异常事件——堵塞、流量波动、鱼分布异常、固体堆积、虹吸事件等。每一次异常应该完成事后复盘:

• 事件经过、时间线
• 当时关键参数(流量、压力、水位、温度、DO)
• 问题根本原因分析
• 设计层面、施工层面、运营层面的责任划分
• 修正措施
• 预防措施(SOP 修订、设备改造、监测加强)

这些复盘不仅有助于当前项目,更是 RAS 工程行业积累实践经验的核心方式。鼓励运营单位以匿名化方式向行业分享异常案例,加速整个行业的工程成熟度。

附录 A 中英术语对照

本附录汇总 RAS 水力学领域的核心术语中英文对照,供国内工程师查阅国际文献和与国外厂商沟通时参考。术语选择参考大连海洋大学学报 2021/2025 综述、Timmons & Ebeling 教科书、挪威/北美工业惯例。

A.1 池型与几何

A.2 进出水结构

A.3 水力学参数

A.4 鱼游泳与生物学

A.5 仪表与测量

附录 B 参考文献清单

本附录按章节分组列出本手册引用的核心文献。每条注明文献类型、关键贡献,以及对工程师"为什么值得读这一篇"的简短说明。

B.1 池水力学基础与圆池

1. Davidson, J., & Summerfelt, S. T. (2004). Solids flushing, mixing, and water velocity profiles within large (10 and 150 m³) circular 'Cornell-type' dual-drain tanks. Aquacultural Engineering, 32(1), 245-271. DOI: 10.1016/j.aquaeng.2004.03.009 (Open Access)
   Cornell-type 双排污圆池的开山实证研究,Freshwater Institute 10 m³ 和 150 m³ 池系统实测,固体输运、水流混合、流速分布的标杆数据。90-98 kg/m³ 高密度 + 20-32 min HRT 工况下 DO 横断面差异极小。RAS 工程师必读。
2. Davidson, J., & Summerfelt, S. T. (2005). Solids removal from a coldwater recirculating system — comparison of a swirl separator and a radial-flow settler. Aquacultural Engineering, 33(1), 47-61. DOI: 10.1016/j.aquaeng.2004.11.002
   在 150 m³ Cornell-type 双排污池底排支路上对比旋流分离器(swirl separator)和辐流沉淀器(radial-flow settler):TSS 去除率分别约 37% 和 78%。第 4.5 节旋流分离器数据来源。
3. Tvinnereim, K., & Skybakmoen, S. (1989). Water exchange and self-cleaning in fish-rearing tanks. In: De Pauw, N., Jaspers, E., Ackefors, H., & Wilkens, N. (Eds.), Aquaculture - A Biotechnology in Progress, Vol. 2, pp. 1041-1047. European Aquaculture Society, Bredene, Belgium.
   提出切向进水冲量力公式 F_i = ρ·Q·(V_in - V₁) 的奠基性工作,所有现代圆池水力学计算的物理起点。系统比较了点源、水平多孔、垂直多孔等四种进水方案。
4. Oca, J., & Masaló, I. (2007). Design criteria for rotating flow cells in rectangular aquaculture tanks. Aquacultural Engineering, 36(1), 36-44. DOI: 10.1016/j.aquaeng.2006.06.001
   多涡流(multi-vortex)矩形池的设计原理,把圆池水力学优势引入矩形池的尝试。
5. Oca, J., & Masaló, I. (2013). Flow pattern in aquaculture circular tanks: Influence of flow rate, water depth, and water inlet & outlet features. Aquacultural Engineering, 52, 65-72. DOI: 10.1016/j.aquaeng.2012.09.002
   系统提出池阻力系数 Ct 工程估算公式,本手册第 3 章核心引用。ADV 三维流速实测验证。注意:DU50 概念由 Oca & Masaló 2007b 和 Masaló & Oca 2010 首先提出,2013 论文综合应用。
6. Masaló, I., & Oca, J. (2014). Hydrodynamics in a multivortex aquaculture tank: Effect of baffles and water inlet characteristics. Aquacultural Engineering, 58, 65-76.
   多涡流池的挡板设计研究,对方形圆切角池的水力学优化有参考价值。比较多涡流池与同直径单涡流池的均匀性差异。
7. Masaló, I., & Oca, J. (2016). Influence of fish swimming on the flow pattern of circular tanks. Aquacultural Engineering, 74, 84-95.
   通过实测和数学模型量化鱼对池阻力系数的影响,小个体鱼(154 g)对池阻力的影响略大于大个体鱼(330 g),相同密度 14.6 kg/m³ 下。第 6 章核心引用。
8. Sin, M.-G., An, C.-H., Cha, S.-J., Kim, M.-J., & Kim, H.-N. (2021). A method for minimizing the zone of low water flow velocity in a bottom center drain circular aquaculture tank. Journal of the World Aquaculture Society, 52(6), 1221-1233. DOI: 10.1111/jwas.12792 [JWAS Editor's Choice Award]
   系统研究圆池中心 torus 形低速区,通过 CFD + 正交实验法 + 可调垂直立管多孔实现优化。第 5.2 节核心引用。作者团队来自朝鲜金日成大学(Kim Il Sung University)。

B.2 八角池与多池型对比

7. Gorle, J. M. R., Terjesen, B. F., Mota, V. C., & Summerfelt, S. T. (2018). Water velocity in commercial RAS culture tanks for Atlantic salmon smolt production. Aquacultural Engineering, 81, 89-100. DOI: 10.1016/j.aquaeng.2018.03.001
   挪威两个三文鱼 smolt 商业站点的 ADV 流速实测:站点 1 配置 2 个圆池(密度 35、48 kg/m³),站点 2 配置 4 个八角池(密度 54、74、58、64 kg/m³),~788 m³ 池体。带鱼工况下最大流速 40 cm/s、最小 25-26 cm/s,鱼存在使流速降低 25%。商业 RAS 圆池 vs 八角池带鱼运行最系统的对比实测,本手册第 1.3、6.1 章核心引用。
8. Gorle, J. M. R., Terjesen, B. F., & Summerfelt, S. T. (2018). Hydrodynamics of octagonal culture tanks with Cornell-type dual-drain system. Computers and Electronics in Agriculture, 151, 354-364. DOI: 10.1016/j.compag.2018.06.012 (Open Access, CC-BY)
   挪威 Nofima + Cornell 联合团队对 100 m³ 八角池 + Cornell dual-drain 的 CFD 研究。采用 Realizable k-ε 湍流模型分析了 dual-drain 流量分配的影响。八角池设计核心参考。
9. Gorle, J. M. R., Terjesen, B. F., & Summerfelt, S. T. (2019). Hydrodynamics of Atlantic salmon culture tank: Effect of inlet nozzle angle on the velocity field. Computers and Electronics in Agriculture, 158, 79-91. DOI: 10.1016/j.compag.2019.01.046
   挪威三文鱼养殖池喷嘴角度的系统 CFD 分析。ADV 实测验证,系统比较不同角度对流速场和均匀性的影响。结论关于"双进水池下层喷嘴径向取向最优"已成为大型 RAS 池喷嘴布置的设计参考。本手册第 3.2 节核心引用。
10. Gorle, J. M. R., Terjesen, B. F., & Summerfelt, S. T. (2020). Influence of inlet and outlet placement on the hydrodynamics of culture tanks for Atlantic salmon. International Journal of Mechanical Sciences, 188, 105944. DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2020.105944 (Open Access, CC-BY)
    采用 OpenFOAM Eulerian-Lagrangian 方法对挪威接近 1000 m³ 大型陆基商业 RAS 池四种进出水位置组合做 CFD 分析(Marine Harvest 提供设计参数)。关键发现:进水管布在角落处比布在侧壁中部减小 29% 阻力;底排出水比上排在流速和颗粒输运上表现更好。本手册第 1.3.4 节核心引用。
11. An, C.-H., Sin, M.-G., Kim, M.-J., Jong, I.-B., Song, G.-J., & Choe, C. (2018). Effect of bottom drain positions on circular tank hydraulics: CFD simulations. Aquacultural Engineering, 83, 138-150. DOI: 10.1016/j.aquaeng.2018.10.005
    同 Sin 2021 团队(朝鲜金日成大学),FLUENT CFD 比较底排居中 vs 偏心配置。8 种池型 × 2 种入水方式系统对比,中心排水池流速性能优于偏心排水池。

B.3 流速对鱼的影响

10. Timmerhaus, G., Lazado, C. C., Cabillon, N. A. R., Reiten, B. K. M., & Johansen, L. H. (2021). The optimum velocity for Atlantic salmon post-smolts in RAS is a compromise between muscle growth and fish welfare. Aquaculture, 532, Article 736076. DOI: 10.1016/j.aquaculture.2020.736076
    2400 尾三文鱼 post-smolt(初始 80 g)分入 12 池(三重复 × 四流速 0.5/1.0/1.8/2.5 BL/s)三个月对照实验,结论是 RAS post-smolt 最优速度在 1 BL/s 附近——过高流速虽然加速肌肉发育但显著影响福利(粘膜健康受损、聚集行为异常)。本手册第 2.2 节核心引用。
11. Waldrop, T., Summerfelt, S., Mazik, P., & Good, C. (2018). The effects of swimming exercise and dissolved oxygen on growth performance, fin condition and precocious maturation of early-rearing Atlantic salmon Salmo salar. Aquaculture Research. DOI: 10.1111/are.13511
    三文鱼幼鱼期 fry 阶段流速 × DO 交互对生长、鳍健康、性早熟的研究,1.5-2 BL/s + 100% DO 组合最优。
12. Waldrop, T., Summerfelt, S., Mazik, P. M., Kenney, P. B., & Good, C. (2020). The effects of swimming exercise and dissolved oxygen on growth performance, fin condition and survival of rainbow trout Oncorhynchus mykiss. Aquaculture Research, 51(6), 2582-2589. DOI: 10.1111/are.14600
    同一团队对虹鳟的 2 × 2 正交实验(BL/s × DO),12 个 0.5 m³ 池,18 g→1 kg。高速 + 高 DO 组合改善生长和心脏健康。
13. Li, X., Ji, L., Wu, L., Gao, X., Li, X., Li, J., & Liu, Y. (2019). Effect of flow velocity on the growth, stress and immune responses of turbot (Scophthalmus maximus) in recirculating aquaculture systems. Fish & Shellfish Immunology, 86, 1169-1176. DOI: 10.1016/j.fsi.2018.12.066
    大菱鲆(平均体长 20.10 cm)在 0.06/0.18/0.36 m/s(0.3/0.9/1.8 BL/s)三种流速下 60 天实验,0.9 BL/s 为最优速度。本手册大菱鲆数据核心来源。注:网络首发 2018 年 12 月 29 日,正式发表 2019 年 3 月。
14. Losordo, T. M., & Westers, H. (1994). System carrying capacity and flow estimation. In: Timmons, M. B., & Losordo, T. M. (Eds.), Aquaculture Water Reuse Systems: Engineering Design and Management. Developments in Aquaculture and Fisheries Science, Vol. 27. Elsevier, Amsterdam, pp. 9-60. ISBN 9780444895851
    RAS 工程经典文献,质量平衡法估算流量(DO、TAN、NO₃)和系统承载力。0.5-2.0 BL/s 通用经验范围的来源。
15. Brett, J. R. (1964). The respiratory metabolism and swimming performance of young sockeye salmon. Journal of the Fisheries Research Board of Canada, 21(5), 1183-1226. DOI: 10.1139/f64-103
    鲑科游泳能量学的奠基性研究,所有现代 BL/s 准则的生理学源头。建立了至今仍广泛使用的 U_crit 测定方法。
16. Webb, P. W. (1971). The swimming energetics of trout. I. Thrust and power output at cruising speeds. Journal of Experimental Biology, 55(2), 489-520. DOI: 10.1242/jeb.55.2.489
    虹鳟游泳能量学经典 Part I,U_opt 概念的实证基础。Part II(521-540,DOI: 10.1242/jeb.55.2.521)讨论 O₂ 消耗与游泳效率。
17. Burrows, R. E., & Chenoweth, H. H. (1970). The rectangular circulating rearing pond. Progressive Fish-Culturist, 32(2), 67-80.
    固体自清最低流速 15-30 cm/s 的经典源头文献,水产工程界长期引用。
18. Balarin, J. D., & Haller, R. D. (1982). The intensive culture of tilapia in tanks, raceways and cages. In: Muir, J. F., & Roberts, R. J. (Eds.), Recent Advances in Aquaculture, Vol. 1, pp. 265-356. Croom Helm, London.
    罗非鱼集约养殖经典综述,本手册罗非鱼流速 20-30 cm/s 上限的来源。

B.4 Dual-drain 工程实践

18. Van Toever, J. W. (1997). Water treatment system particularly for use in aquaculture. U.S. Patent 5,593,574.
    Cornell-type dual-drain 工程化的标志性专利,工业实践的源头之一。
19. Skybakmoen, S. (1989). Impact of water hydraulics on water quality in fish rearing units. In: Proceedings of Aqua Nor 89 Conference on Water Treatment and Quality, pp. 17-21. Trondheim, Norway.
    挪威工程师 Skybakmoen 早期对鱼池水力学的工业实践总结,经常与 Tvinnereim & Skybakmoen 1989 并列引用。
20. Lunde, T., Skybakmoen, S., & Schei, I. (1997). Particle trap. U.S. Patent 5,636,595.
    挪威团队对底排粒子拦截器的工程专利,Timmons 等 1998 综述将其作为圆池技术演进的关键节点之一。
21. Twarowska, J. G., Westerman, P. W., & Losordo, T. M. (1997). Water treatment and waste characterization evaluation of an intensive recirculating fish production system. Aquacultural Engineering, 16(3), 133-147.
    早期 dual-drain RAS 整体工艺评估,北美 NCSU Fish Barn 实验。结合挪威 SINTEF ECOFISH 池(4 区分隔池底带专利粒子拦截)+ NCSU 水处理,2170 尾罗非鱼 3.6→507 g 在 20 m³ 池 177 天。
22. Crouse, C. (2025). Fresh Tips: Culture tank design and setup. RASTECH Magazine, 2025. (作者隶属 The Conservation Fund's Freshwater Institute)
    综合 Cornell-type 双排污最新工程口径:底排 5-20%、开孔板 ≥ 池径 10%、孔流速限制 2-4 BL/s。本手册第 4 章的现代工程实践来源。

B.5 教科书与综述

23. Timmons, M. B., Ebeling, J. M., Wheaton, F. W., Summerfelt, S. T., & Vinci, B. J. (2002). Recirculating Aquaculture Systems, 2nd ed. NRAC Publication No. 01-002, Cayuga Aqua Ventures, Ithaca, NY. ISBN 0971264619
    RAS 工程领域的"黄皮书"(Yellow Book),由 Cornell University 团队编写,被 Aquacultural Engineering Society 长期视为标准参考。后续版本演化:Timmons & Ebeling 2007 (3rd ed.)、2010 (3rd ed. 修订 948 pp., ISBN 0971264625)、Timmons, Guerdat & Vinci 2018 (4th ed., Ithaca Publishing Company, ISBN 0971264670)。本手册多处隐含背景,尤其工艺水量平衡和工程方法学。
24. Lekang, O.-I. (2007/2013/2020). Aquaculture Engineering, 1st/2nd/3rd ed. Wiley-Blackwell.
    挪威 NMBU 副教授的水产工程教科书,北欧视角,与挪威工业实践紧密对应。
25. Lawson, T. B. (1995). Fundamentals of Aquacultural Engineering. Chapman & Hall, New York, 355 pp.
    老经典,部分鱼池水力学概念仍然有效。
26. Hvas, M., & Oppedal, F. (2017). Sustained swimming capacity of Atlantic salmon. Aquaculture Environment Interactions, 9, 361-369. DOI: 10.3354/aei00239
    综述大西洋三文鱼的持续游泳能力,讨论 0.3-0.9 BL/s 自愿巡游速度区间和 30-65 cm/s 不同流速下的群体行为模式。海上网箱视角,但 BL/s 准则部分适用于 RAS 工程。

B.6 中文核心文献

26. 赵晨旭, 吴罡, 孙伟, 胡伟, 任效忠, 张俊, 王仙 (2025). 循环水养殖系统中固体废物输运性能的研究进展. 大连海洋大学学报, 40(1): 174-184. DOI: 10.16535/j.cnki.dlhyxb.2024-161
    最新中文综述,综述 Davidson、Gorle、Oca-Masaló、Sin 等国际文献,涵盖池型、进排水结构、池底坡度对固体废物输运的影响。中文术语标准的重要参考。
27. 车宗龙, 任效忠, 张倩 (2021). 循环水养殖系统中水动力特性及其与鱼类相互影响研究进展. 大连海洋大学学报, 36(5): 886-898. DOI: 10.16535/j.cnki.dlhyxb.2021-104
    中文术语标杆,圆池/矩形/方形圆弧角池的系统对比综述。
28. 史宪莹, 李猛, 黄铮铮, 冯德军, 任效忠, 刘航飞, 孙伟 (2023). 养殖鱼对养殖池内水动力影响的数值模拟. 大连海洋大学学报, 2023, 38(5).
    CFD + MRF 方法模拟鱼对流场反作用的国内研究,系统考察放养密度、个体体积、空间分布(上/中/下层)三个因素的影响。本手册第 6 章核心引用之一。国际文献尚少。
29. 张成林, 张宇雷, 吴凡, 吴凯, 郑跃平 (2022). 基于 CFD 模拟及 PIV 技术的鱼池流场分析与优化. 渔业现代化, 49(2): 25-33. DOI: 10.3969/j.issn.1007-9580.2022.02.004
    中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所的 CFD + PIV 联合验证方法,数值误差控制在 8% 以内,国内 CFD 验证方法的代表性工作。

附录 C 文献可信度评估方法

本附录公开本手册引用文献的筛选过程,作为工程参考资料编制的方法论说明。

C.1 三条筛选原则

本手册采用的文献筛选原则:

原则一:来源团队属于水产工程主流学派。核心团队包括:

• 美国 Cornell University Freshwater Institute(Davidson、Summerfelt 等)
• 挪威 Nofima(Gorle、Terjesen 等)
• 挪威 NMBU(Lekang 等)
• 西班牙 UPC Barcelona(Oca、Masaló 等)
• 荷兰 Wageningen University(各团队)
• 美国 University of North Carolina(Losordo 等)
• 中国大连海洋大学(对国内 RAS 水力学的系统研究)
• 其他在 Aquacultural Engineering 等核心期刊上反复发表的团队

这些团队的工作经过工业界长期验证,被同行反复引用。"主流学派"不是单纯指机构名气,而是指其工作被业界采纳和落地的程度。

原则二:实验方法学经得起复核。具体要求:

• 测量设备清晰说明(品牌、型号、精度)
• 池规模优先工业尺度(> 10 m³),次选实验室尺度
• 几何配置(进水角度、底排位置、池形几何)清晰描述
• 实验条件(水温、盐度、鱼载量)报告
• 误差分析或重复实验

原则三:关键数据点至少两个独立来源交叉验证。不接受单源孤证作为工程依据。例如:

• 鲑鱼最优速度 1 BL/s:Brett 1964 + Timmerhaus et al. 2021 + Drenner et al. 2012 等迁徙实测 = 多源验证
• 底排板孔速 2-4 BL/s 限制:RASTECH 2025 (Crouse) + 工业惯例 = 工程经验广泛认可
• 固体自清最低流速 15-30 cm/s:Burrows & Chenoweth 1970 + Mäkinen et al. 1988 + Davidson & Summerfelt 2004 + Timmons 教科书 = 多源共识

C.2 不予采纳的典型案例

本手册编制过程中,曾对一篇发表于 Scientific Reports(Nature 出版集团)2022 年的圆池切向进水正交实验论文进行评估(El-Sayed Khater 等,DOI 10.1038/s41598-022-17186-z)。该论文有以下特征:

• 采用工业尺度圆池实物实验,系统正交设计,数据量丰富
• 研究因子涵盖流量、喷嘴直径、喷嘴数量等关键参数
• 发表于主流期刊,CC-BY 协议合规,可访问性好

但综合三条筛选原则评估:

• 作者团队隶属于 Benha University 农业生物系统工程系和 Arab Academy for Science and Technology and Maritime Transport 基础与应用科学系,不在水产工程领域主流学派的核心圈(Cornell / Nofima / Oca-Masaló / 大连海大等)
• 论文的部分参数取值(如池阻力系数 Ct = 0.08 单值)与挪威/北美/西班牙团队的实测分布范围有差距,且未给出本研究的 Ct 实测过程
• 本手册作者尚未将该论文的方法学和挪威工业实践之间建立完整的衔接关系

基于以上考虑,本手册 v0.1 暂不引用该论文。这不是否定该论文的学术合规性,只是出于工程参考一致性的稳健性考虑——本手册希望所引用的文献在方法学和数据上能够与挪威/北美主流工业实践直接衔接。读者如有更深入的评估,欢迎反馈以便 v0.2 重新评估。

C.3 读者反馈机制

本手册采用 CC-BY-SA 4.0 协议开放发布,读者发现以下情况欢迎反馈:

• 数据来源标注错误或可疑
• 关键文献缺失
• 工程经验数据与读者实际项目实测显著不符
• 术语翻译不准确或不统一
• 更新的文献(2025 年后发表)推荐

反馈渠道:

• GitHub: github.com/chengsunmail/iras (issue 提交)
• iras.cn 网站联系方式
• 下一版本(v0.2)将公开 changelog,记录每条修订对应的反馈来源

附录 D License 与引用规范

D.1 本手册的 License

本手册采用 Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License (CC-BY-SA 4.0) 协议发布。

许可全文:
https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/legalcode.zh-Hans

简言之:

• 允许任何形式的使用,包括商业用途(咨询、培训、设计、报告引用)
• 允许修改、重组、翻译,衍生作品
• 必须署名:引用本手册时必须标注作者、版本和原始来源
• 必须采用相同许可:基于本手册的衍生作品必须以 CC-BY-SA 4.0 或兼容协议发布

D.2 引用规范

在论文、报告、设计说明书中引用本手册时,推荐格式:

D.3 与 iRAS 工具的关系

本手册是 iRAS 项目(github.com/chengsunmail/iras)的资料库组成部分,与主项目共享开源精神,但版权和许可独立:

• iRAS 主工具(代码):AGPL-v3 协议
• iRAS 技术手册 v1.7(代码工具的使用说明):随主项目协议
• 本手册(RAS 水力学工程参考):CC-BY-SA 4.0

两套协议都属于"开源许可"家族,允许商业使用但要求衍生作品保持开放。

D.4 免责声明

D.5 联系与反馈

D.6 致谢

本手册的编制基于全球水产工程界数十年的研究积累。特别感谢以下团队和个人的开放学术贡献,使得本手册能够将分散的文献整合为中文工程实践指南:

• 美国 Cornell University Freshwater Institute 团队(已故 Michael Timmons 教授、Steven Summerfelt 博士、John Davidson 等)对 Cornell-type dual-drain 体系的奠基性工作
• 挪威 Nofima 团队(Bendik Fyhn Terjesen 博士、J. M. R. Gorle 博士等)对八角池和商业 RAS 实测的系统研究
• 挪威 NMBU Odd-Ivar Lekang 教授的 Aquaculture Engineering 教科书对北欧工程实践的整理
• 西班牙 UPC Barcelona 的 Joan Oca 教授和 Ingrid Masaló 博士对池阻力系数和均匀性的量化贡献
• 中国大连海洋大学水产养殖工程团队对国内 RAS 水力学的系统综述工作
• RASTECH Magazine 等行业期刊对工程实践口径的持续整理

本手册的疏漏由编者负责,与上述团队无关。期待与全球水产工程同行的持续交流,共同推动 RAS 工程实践的成熟。

— v0.1 完 —
2026 年 5 月 · 海南登登科技咨询有限公司
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