舟山近海海域養(yǎng)殖水體懸浮物沉降特性試驗研究

桂福坤，方 帥，曲曉玉，張清靖，張學芬，馮德軍

舟山近海海域養(yǎng)殖水體懸浮物沉降特性試驗研究

桂福坤1，方 帥1，曲曉玉2，張清靖3，張學芬1，馮德軍1※

（1. 浙江海洋大學國家海洋設施養(yǎng)殖工程技術研究中心，舟山 316022；2. 浙江海洋大學水產(chǎn)學院，舟山 316022；3. 北京市水產(chǎn)科學研究所，漁業(yè)生物技術北京市重點實驗室，北京 100068）

了解海水中懸浮物顆粒的靜沉降特性，對于海水工廠化養(yǎng)殖的水源處理具有重要指導意義。該研究以舟山長峙島海域為例，通過2019年7－9月進行的靜沉降試驗，分析總結(jié)水體中懸浮物濃度和粒徑分布隨時間的變化規(guī)律，采用斯托克斯沉速公式和重復深度吸管法計算懸浮物顆粒的沉降速率。結(jié)果表明：1）在懸浮物靜沉降特性試驗中，沉降裝置直徑的小幅度變化對沉降結(jié)果的影響基本可以忽略；2）舟山近海海域表層海水懸浮物的粒徑分布屬于粉砂范疇，很難通過靜沉降的方式完全除去；3）沉降初期，以大顆粒懸浮物沉降為主，沉降速率大；沉降中后期，以小顆粒懸浮物絮凝沉降為主，沉降速率??；4）通過重復深度吸管法計算得到舟山近海海域懸浮物沉降速率范圍為0.001～0.01 cm/s，并通過非線性擬合，得到懸浮物平均沉降速率與懸浮物濃度之間的Logistic曲線關系。研究結(jié)果可以為舟山近海海域工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖用水懸浮物去除提供數(shù)據(jù)支撐。

水產(chǎn)養(yǎng)殖；粒徑；懸浮物濃度；靜沉降；沉降速率

0 引 言

工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖利用現(xiàn)代工業(yè)技術開展高密度、集約化的水產(chǎn)養(yǎng)殖，能夠有效降低養(yǎng)殖過程對外界環(huán)境的依賴與污染，提高養(yǎng)殖用水的利用率，提升水產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，是中國未來陸基水產(chǎn)養(yǎng)殖的重要模式[1-2]。水處理技術貫穿于工廠化養(yǎng)殖模式的始終[3]，包括源頭水處理、養(yǎng)殖池內(nèi)水處理以及養(yǎng)殖尾水處理，是實現(xiàn)養(yǎng)殖節(jié)水和減少環(huán)境污染的重要保障。

水體中懸浮顆粒物的沉降特性與顆粒粒徑分布、質(zhì)量濃度等密切相關[4-5]，是研究工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖水處理技術的重要前提。目前，已有的懸浮物沉降特性研究大多集中在海岸工程[6-8]、湖泊生態(tài)環(huán)境調(diào)查[9-10]、市政污水處理[11-12]和網(wǎng)箱養(yǎng)殖對海區(qū)環(huán)境影響評價[13-15]等方面，然而在工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中的研究相對較少，且主要集中在養(yǎng)殖尾水內(nèi)懸浮顆粒的沉降特性方面[16]。劉長發(fā)等[17]研究了牙鲆養(yǎng)殖循環(huán)系統(tǒng)中懸浮固體顆粒的產(chǎn)生量以及斜板式沉淀槽中沉積顆粒物的粒徑分布和沉降特性，得到溢流率與去除率之間的關系，為沉淀槽結(jié)構參數(shù)設定提供了參考。張成林等[18]研發(fā)了用于去除養(yǎng)殖系統(tǒng)中固體懸浮顆粒物的多向流重力沉淀裝置，并研究了水力停留時間、斜管規(guī)格和固體懸浮顆粒物粒徑與去除率的關系。嚴峻等[19]通過靜沉降試驗研究了對蝦大棚養(yǎng)殖廢水中懸浮物的性質(zhì)和靜沉降規(guī)律，為優(yōu)化對蝦養(yǎng)殖廢水的達標處理技術提供了參考依據(jù)。季明東等[20]研究了烏龜溫室養(yǎng)殖水中懸浮顆粒物的沉降特性，確定了沉淀池的溢流速率和顆粒物去除率之間的關系，為龜鱉養(yǎng)殖池和沉淀池設計優(yōu)化提供了依據(jù)。袁新程等[21]測定了養(yǎng)殖池塘內(nèi)養(yǎng)殖廢水中總懸浮物、總氨氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽、總氮和總磷等指標隨沉降時間的變化情況，結(jié)果表明自由沉降對養(yǎng)殖廢水具有較好的沉降作用。Wong等[22]和Merino等[23]分別測定了虹鱒魚和比目魚跑道式養(yǎng)殖池尾水區(qū)內(nèi)懸浮顆粒物的沉降特性，為尾水區(qū)沉淀池優(yōu)化設計提供依據(jù)，結(jié)果還表明尾水區(qū)懸浮顆粒物的沉降特性與飼料的性質(zhì)密切相關。綜合以上分析可以發(fā)現(xiàn)，已有的相關研究主要針對工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水區(qū)懸浮物沉降特性，專門針對工廠化養(yǎng)殖源頭海水懸浮物沉降特性的研究卻鮮有報道。

近海海水的靜態(tài)沉降，是水產(chǎn)養(yǎng)殖用水處理的第一步，是保證海水工廠化養(yǎng)殖成功的關鍵環(huán)節(jié)。目前，養(yǎng)殖人員對沉降時間的判斷大多憑借主觀經(jīng)驗，缺乏科學指導。一般說來水力停留時間越長，沉降效果越明顯[18]，但考慮到養(yǎng)殖高峰期換水的迫切性和需求量大，僅增加沉淀時間并不是最佳選擇。因此，本研究以長峙島海域7－9月懸浮物沉降特性為切入點（7－9月一般為養(yǎng)殖的高峰時節(jié)，用水量大），綜合考慮水體懸浮物濃度和粒徑分布隨時間的變化，并進一步得到懸浮物沉降速率范圍，進而得到最佳的沉降時間，為后續(xù)的水體處理提供參考依據(jù)，以期為舟山海水工廠化養(yǎng)殖水源處理提供科學的指導和參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

舟山群島海域既是杭州灣向東輸運泥沙的主要通道，也是東海沿岸流攜帶泥沙向南輸運的過渡地帶[24]。特殊的地理位置導致舟山海域海水懸浮物濃度大，可見度低。長峙島位于舟山本島東南處，距本島350 m，陸域面積6.3 km2，地勢平坦，四面環(huán)海，有利于成片開發(fā)，形成規(guī)模效應，極具工廠化海水養(yǎng)殖基地開發(fā)潛能。

1.2 靜態(tài)沉降試驗裝置

本研究利用有機玻璃圓筒制作沉降裝置3套（如圖1所示），沉降裝置A，B，C用于研究懸浮顆粒物質(zhì)量濃度、粒徑分布隨時間的變化等沉降特性及裝置直徑對沉降特性的影響；沉降裝置B用于研究懸浮顆粒物的沉降速率。沉降裝置A、B、C內(nèi)徑分別為10、20、30 cm，相應的截面積分別為78.5、314.0以及706.5 cm2，高度為200 cm（常見海水養(yǎng)殖廠源水沉淀池水深約為200 cm）。在沉降裝置底部中心開孔并設置1根內(nèi)徑為1 cm、長度為20 cm的有機玻璃細管，其中上部分10 cm在沉降裝置內(nèi)部，用于取距沉降裝置底部10 cm處的水樣做沉降特性分析。此外，在沉降裝置B外壁從上至下設置3個取樣口，用于測定懸浮物的沉降速率，與沉降裝置底部的距離分別為110、60、10 cm。

圖1 沉降裝置示意圖

1.3 取樣時間與方法

試驗過程中先后在舟山長峙島海域（29°57′N，112°11′E）共取表層水樣4次，分別是如下日期的高潮時段：2019年7月12日，8月2日，8月17日，9月7日。7、8月份的3次水樣用來測量近底層懸浮物濃度和粒徑分布變化，9月份的水樣用于測量懸浮物沉降速率，試驗組次安排見表1。取樣時風力等級為2～3級，可反映該海域夏季小風情況下表層海水懸浮物的分布情況。取樣成功后，將水樣移至實驗室充分攪拌。在試驗組次1～3中，沉降時間達到預設的取樣時間時，從底部取樣口取樣150 mL，用于測量近底層水體粒徑分布和懸浮物濃度，并分析沉降裝置直徑對沉降效果的影響。在試驗組次4中，除了從沉降裝置B的底部取樣口取樣150 mL外，還在側(cè)壁3個取樣口處取樣50 mL（防止取樣過多，導致液面下降明顯），用于測量沉降裝置內(nèi)不同深度剖面水體內(nèi)懸浮物粒徑分布和濃度，進而計算浮物沉降速率。為了保證在沉降初始階段，沉降裝置內(nèi)懸浮物濃度上下分布均勻，試驗前人工充分攪拌水樣。試驗中，沉降裝置液面高度保持在160 cm，水樣溫度穩(wěn)定在25 ℃左右，取樣時間為試驗開始的0、7、15、22、30、45、60、120、240、360、540、720、960、1 200、1 440 min。

1.4 測定內(nèi)容及分析方法

海水懸浮物質(zhì)量濃度的測量使用海洋監(jiān)測規(guī)范中的重量法[25]。具體方法簡單闡述如下：

質(zhì)量測定：電子分析天平（梅特勒ME104），精度為0.000 1 g。

固體懸浮顆粒物質(zhì)量濃度的測定：在45 ℃烘干恒質(zhì)量的醋酸纖維濾膜（孔徑0.45m，直徑47 mm）質(zhì)量為1(mg)，該濾膜抽濾體積為(L)的水樣后，在45 ℃烘干6 h，冷卻后質(zhì)量為2(mg)，空白濾膜校正值為Δ(mg)，依據(jù)下式計算懸浮物的質(zhì)量濃度：

其中空白濾膜校正值Δ的依據(jù)計算下式：

式中W為過濾后空白濾膜的質(zhì)量，mg；W為過濾前空白濾膜質(zhì)量，mg；為空白校正濾膜個數(shù)。

顆粒物體積粒徑分布：Bettersize2000激光粒度儀，儀器的測量范圍0.02～2000m，重復測量誤差小于1%。

1.5 懸浮顆粒物沉降速率計算

關于懸浮顆粒物沉降速率的計算，國內(nèi)外常見的研究方法有理論法、室內(nèi)測定與現(xiàn)場測定[26]。本文結(jié)合水體懸浮物濃度與粒徑分布變化，使用斯托克斯沉速修訂公式[27]和重復深度吸管法[28]分別計算懸浮顆粒物沉降速率。

1.5.1 斯托克斯沉速修訂公式

本研究中懸浮物的中值粒徑均在10m左右，屬于黏性細顆粒泥沙范疇，對于黏性細顆粒泥沙（<0.1 mm,R<0.50），斯托克斯公式修訂為[27]：

式中為重力加速度，m/s2；為水的運動學黏性系數(shù)，m2/s，γ和分別為泥沙和水的容重，N/m3；為泥沙的粒徑，mm；為沉降速率，cm/s。

1.5.2 重復深度吸管法

由于懸浮泥沙在靜水中絮凝沉降基本上是一維的，McLaughlin[28]對泥沙連續(xù)性方程（4）進行積分得到方程（5）：

通過測定不同時間的含沙量垂線分布，運用圖積分的方法，即可求出不同深度處的瞬時速率隨沉降時間的變化。

需要注意的是，該瞬時速率隨深度和時間而變化，本文根據(jù)不同時刻沉降裝置B上、中、下3層懸浮物質(zhì)量濃度計算顆粒懸浮物的沉降速率。同時采用濃度加權的方法求取3個取樣口的平均沉降速率，計算方法[29]如下：

2 結(jié)果與討論

2.1 懸浮物初始質(zhì)量濃度與粒徑分布

沉降試驗中懸浮物初始濃度與累積分布粒徑值的測定結(jié)果如表1所示（需要指出的是，由于真空泵的抽吸方式和懸浮物顆粒的不均勻分布，很難保證轉(zhuǎn)移至3個沉降裝置內(nèi)的水體初始濃度與粒徑分布完全一致）。前3組試驗中3個裝置(為了探究沉降裝置內(nèi)徑對沉降特性的影響)內(nèi)懸浮物初始濃度，以及第4組試驗裝置B內(nèi)的懸浮物初始濃度分別為206.7、260.7、234.0和250.0 mg/L，相應的懸浮物粒徑累積分布90平均值分別為20.727、21.147、25.482和45.800m。雖然4組試驗所取水樣懸浮物濃度稍有差別，但粒徑分布基本處在粉砂粒級范圍內(nèi)。

2.2 懸浮顆粒物質(zhì)量濃度與沉降時間的關系

一般而言，水體中懸浮物的沉降方式分為2種：一種是粒徑較大的顆粒，往往以單顆粒形式沉降，沉降速度較快；一種是直徑<30m的顆粒，由于在沉降時會與水體中其他顆粒結(jié)合，往往以絮凝[4-5]的方式沉降。黃建維等[18-19]對太湖淤泥的靜水沉降特性進行了初步研究，得出隨著含沙量的不同，按淤泥沉降機理，大致可以分為3種不同性質(zhì)的階段，其中水體初始懸浮顆粒物濃度介于0.0046～10.6 kg/m3時，由于含沙濃度低，泥沙顆粒以絮團方式沉降，處于絮凝沉降段。本文所研究的水體也處于該階段。試驗組次1～3中，3種沉降裝置內(nèi)近底層懸浮顆粒物質(zhì)量濃度隨沉降時間變化情況如圖2所示。

表1 7－9月沉降試驗中懸浮物初始濃度與累積分布粒徑值

注：10、50、90分別指累積粒度分布達到10%、50%、90%時所對應的粒徑值，下同。

Note: The particle size when the accumulating particle volume reaches 10%、50%、90%is referred to as10,50,90. The same as below.

圖2 懸浮顆粒物質(zhì)量濃度隨沉降時間的變化

如圖2所示，沉降初期，雖然3次沉降試驗初始濃度不同粒徑分布略有差異，但沉降趨勢大致相同，均出現(xiàn)近底層懸浮物濃度隨沉降時間先上升后下降再趨于平緩的趨勢。試驗結(jié)果與關山月等[12]研究的低濃度生活污水中懸浮物自由沉降以及袁新程等[21]研究的池塘養(yǎng)殖水自由沉降變化趨勢接近。在前22 min內(nèi)，懸浮物濃度隨時間急劇變化，這是因為沉降初期上部的大顆粒懸浮物快速下沉導致濃度的急劇變化。22 min后懸浮物濃度出現(xiàn)下降趨勢，40 min時懸浮物濃度恢復至初始濃度附近。之后，由于小顆粒物的絮凝沉降，下層濃度逐漸下降，但沉速變小，6～9 h后懸浮物濃度降為初始濃度的40%以下，12 h后懸浮物濃度雖有降低，但穩(wěn)定在50～60 mg/L。這也說明，由于舟山長峙島海域懸浮物基本處在粉砂粒級范圍，僅僅用自然沉降的方法很難完全除去。

2.3 懸浮顆粒物粒徑分布變化與沉降時間的關系

以第3次沉降試驗裝置C中水樣為例，在0、7、360、1 440 min的懸浮顆粒的累積分布粒徑值如表2所示。

表2 不同沉降時間的懸浮物累積分布粒徑值

如表2所示，在沉降初期，近底層懸浮顆粒物各項累積分布粒徑值均出現(xiàn)增大趨勢，這與中上層大顆粒物沉降有關。在沉降6 h后，水體中的90值小于沉降初期50值，這說明大部分粒徑大于10m懸浮物沉降完成。根據(jù)公式（3），粒徑為10m的顆粒物，其沉降速率為0.007 cm/s，完全沉降至底層需6 h，與試驗結(jié)果一致。

2.4 懸浮顆粒物沉降速率計算

以第4組試驗為例，沉降裝置上、中、下層取樣口懸浮物濃度與沉降時間關系如圖3所示。上層和中層處水體懸浮物濃度隨沉降時間均呈下降趨勢，下層水體濃度變化趨勢與前3次試驗一致。不同的是，由于第4次試驗50、90偏大，導致沉降初期大顆粒懸浮物沉降速率快，引起下層濃度急劇變化，濃度下降階段出現(xiàn)的更早。隨著沉降時間的增加，沉降裝置中各位置懸浮物濃度差別變小。為了研究沉降期間沉降裝置內(nèi)懸浮物的垂向粒徑分布，特別在2 h上層、4 h中、下層、6 h下層和24 h上、中、下3層取樣，其粒徑分布見表3。

圖3 不同水層內(nèi)懸浮顆粒物質(zhì)量濃度隨沉降時間變化

表3 第4組沉降試驗中不同沉降時間、水層的懸浮物累計分布粒徑值

結(jié)合表3與表1數(shù)據(jù)可以看出，沉降2 h后，上層水體90值接近初始狀態(tài)50值，這說明上層水體大顆粒懸浮物沉降完畢；4 h后，中層水體大部分大顆粒懸浮物完成沉降，但下層水體仍然殘留較多大顆粒懸浮物，其90值接近30m；6 h后，下層水體90值為10.470m且小于16.910m，較大粒徑懸浮物沉降完全；24 h后，3層水體顆粒分布均勻，懸浮物質(zhì)量濃度穩(wěn)定在40～55 mg/L。

其次，通過測量沉降裝置內(nèi)不同水層懸浮物濃度隨時間的變化，可以得到相應水深處懸浮物的沉降速率。需要注意的是，下層懸浮物濃度隨沉降時間先上升后下降，故利用重復深度吸管法計算沉速時，起始沉降時間設置為30 min。30 min后，沉降裝置懸浮物平均沉速與時間關系見圖4。

圖4 平均沉速-沉降時間的關系

綜合分析表3和圖4可以發(fā)現(xiàn)：懸浮物沉降前期以大顆粒懸浮物為主，沉降速率較大；后期主要為小顆粒懸浮物，沉降速率減慢；6 h后的沉降過程中，懸浮物濃度和粒徑分布的變化均較之前有大幅度減緩。因此，選取0.001～0.01 cm/s作為該時段舟山近海海域水體懸浮物的特征沉降速率范圍。陳鋆等[29]在研究懸浮物的靜沉降特征時發(fā)現(xiàn)，懸浮物濃度和平均沉降速率的關系符合Logistic曲線，在此基礎上，將第4組試驗所測平均沉速與懸浮物濃度進行非線性擬合，如圖5所示，其關系式為

3 結(jié) 論

為了獲取舟山近海海域懸浮物沉降特性，該研究以長峙島海域海水為例，通過2019年7—9月進行的靜沉降試驗，對水體中懸浮物濃度和粒徑分布進行分析，并采用斯托克斯沉速公式和重復深度吸管法計算顆粒懸浮物的沉降速率，研究結(jié)果表明舟山近海海域，7—9月海水懸浮物粒徑分布基本處在粉砂粒級范圍，經(jīng)過12 h靜沉降后濃度穩(wěn)定在50～60 mg/L，說明舟山近海海水中的懸浮物很難通過沉降的方式完全除去；海水沉降前期以大顆粒懸浮物為主，沉降速率大，后期沉降以小顆粒懸浮物絮凝沉降形式為主，沉降速率急劇減小后趨于平穩(wěn)，沉降速率范圍為0.001～0.01 cm/s；懸浮物濃度與平均沉降速率符合Logistic模型，平均沉降速率隨懸浮物濃度增大先增大而后接近漸進值趨于穩(wěn)定；沉降裝置直徑小范圍變動對沉降試驗結(jié)果基本無影響。

懸浮物靜態(tài)沉降是養(yǎng)殖源頭水質(zhì)管理的重要環(huán)節(jié)，本文通過研究舟山近海海域懸浮物靜沉降特性，以期為養(yǎng)殖工作的水源處理提供科學依據(jù)。但水體懸浮物沉降特性具有季節(jié)差異性，下一步需要針對一年內(nèi)養(yǎng)殖高峰期多時段采樣，更全面地掌握舟山近海海域海水懸浮物沉降特性。

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Experimental study on settling characteristics of suspended solids in seawater of nearshore in Zhoushan of China

Gui Fukun1, Fang Shuai1, Qu Xiaoyu2, Zhang Qingjing3, Zhang Xuefen1, Feng Dejun1※

(1.316022,;2.,316022,;3.100068,)

The industrial aquaculture has been widely applied all around the word for its obvious benefits of eco-friendly, water-saving and good welfare conditions due to the excellent use of technology to manage aquaculture environments effectively. Water quality management, mainly composed of sedimentation, filtration, biological purification, oxygenation, temperature regulation and sterilization, is of vital importance to the aquaculture. Generally, sedimentation can be applied to deal with the water before the influence into the aquaculture tank and that after the effluent from the aquaculture tank. Most of the previous studies focused on the settling characteristics of suspended solid in the waste water from the aquaculture tank. However, few attentions are paid to that in the source of water, resulting in limited knowledge on the determination of the appropriate time required for solid sedimentation. In this study, settling characteristics and size distribution of the SS (suspended solid) in the nearshore seawater of Changzhi island, Zhoushan have been investigated by carrying out four hydrostatic settling experiments. In addition, settling apparatus with different diameters have been developed to examine the effect of apparatus diameter on the settling characteristics. Stokes equation and Mclaughlin method have been applied to calculate the settling velocity in the fourth hydrostatic settling experiments. The results show that the accumulating particle size90(the accumulating particle volume reaches to 90%) of suspended solids in the seawater of Changzhi island is around 45.800m, indicating that the suspended solids are mainly composed of silts. The mass concentration of suspended solids increases sharply with time in the first 22 min due to the quick settlement of large particles, and recoveries to the initial level after 40 min. And it continues to decreases due to the flocculating settling of small particles and reaches the level less than 40% of that in the initial samples 6-9 h later. During the final stage, it decreases slightly, stabilizing at the level of 50-60 mg/L after 12 h. Thus, the settling characteristics demonstrates that it is difficult to completely remove the suspended solids in seawater by increasing settling time and other water management strategy also should be employed. The comparisons of settling characteristics among three purpose-designed settling apparatus show that the effect of apparatus diameter can be ignored in this study. As for the settling velocity, it reaches the maximum value of near 0.01 cm/s in the early stage because of the similar reason that the large particles settle first as in the concentration analysis. In the later stage, the settling velocity decreases rapidly and becomes less than 0.001 cm/s after 6 h. Moreover, the settling velocityand concentration has been fitted in a Logistic model and the fitting equation has been obtained. The results can enrich the understanding of the settling characteristics in the source water for industrial aquaculture in Zhoushan island and provide scientific guidance on how to set up appropriate setting time for source water in settling tank.

aquaculture; particle size; suspended solids concentration; hydrostatic settling; settling velocity

桂福坤，方帥，曲曉玉，等. 舟山近海海域養(yǎng)殖水體懸浮物沉降特性試驗研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2020，36(10)：206-212.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.025 http://www.tcsae.org

Gui Fukun, Fang Shuai, Qu Xiaoyu, et al. Experimental study on settling characteristics of suspended solids in seawater of nearshore in Zhoushan of China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(10): 206-212. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.025 http://www.tcsae.org

2019-12-05

2020-04-08

國家自然科學基金（31902425）；浙江省屬高?？蒲性核究蒲袠I(yè)務費（2019J00030）；舟山市科技項目（2018C21011、2020C21003）

桂福坤，博士，教授，主要從事設施養(yǎng)殖工程研究。Email：gui2237@163.com

馮德軍，博士，講師，主要從事工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖工程研究。Email：fengdj@zjou.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.025

S238

A

1002-6819(2020)-10-0206-07