Гидравлика рыбоводных бассейнов УЗВ и двойной дренаж

Как круглые бассейны УЗВ самоочищаются, как двойной дренаж Корнелльского типа делит поток между донным и боковым сливом и как задают водообмен, вращение и скорость воды для рыбы.

Рыбоводный бассейн — первый узел установки замкнутого водоснабжения (УЗВ), и его гидравлика определяет, как быстро отходы попадают в контур очистки. Бассейн, который быстро концентрирует и выносит взвеси, защищает фильтры ниже по потоку; бассейн, в котором взвеси оседают и разлагаются, добавляет в систему потребление кислорода и аммиак.

Почему круглые бассейны самоочищаются

В круглом бассейне или квадратном со срезанными углами вся толща воды вращается вокруг центра. Руководство FAO по рециркуляционной аквакультуре отмечает, что благодаря этому органические частицы находятся в бассейне всего несколько минут в зависимости от его размера. SRAC Publication 453 объясняет механизм: даже слабая циркуляция сносит взвеси к центру, где радиальные скорости минимальны, поэтому бассейн с центральным сливом естественным образом хорошо удаляет взвеси. Удаление можно усилить уклоном дна к центру или центральной системой двойного дренажа вместе с оптимальным соотношением глубины и диаметра. FAO добавляет, что уклон дна мало влияет на самоочищение как таковое, но облегчает полный слив.

Форма — это компромисс. По данным SRAC 453, прямоугольные бассейны примерно на 20% эффективнее используют площадь и удобнее для облова, но плохо перемещают взвеси; FAO описывает восьмиугольные бассейны как компромисс, сохраняющий гидравлику круглых при лучшем использовании площади, а бассейны-«стадионы» (D-ended raceway) — как гибрид, который на практике применяют редко. Поскольку толща воды постоянно перемешивается, кислород в круглом бассейне распределён почти равномерно, и FAO рекомендует ставить датчик кислорода у выпуска, вдали от точек подачи кислорода.

Двойной дренаж Корнелльского типа

Бассейн с двойным дренажом Корнелльского типа имеет два выпуска: донный центральный слив и приподнятый боковой слив в стенке. Небольшой донный поток уносит сконцентрированные оседающие частицы в компактный отстойник, а основная часть потока, уже бедная оседающими частицами, уходит через боковой слив в основной контур очистки. В бассейне объёмом 150 м³, изученном Davidson и Summerfelt (Aquacultural Engineering, 2005), около 92–93% расхода уходило через боковой слив и 7–8% — через донный центральный. Вычислительное исследование восьмиугольных бассейнов с таким дренажом (Computers and Electronics in Agriculture, 2018) использовало базовый вариант с 45% расхода через центральный слив и оценивало, как распределение потока меняет скорость, однородность и завихренность; это показывает, что распределение — параметр проектирования, а не фиксированное правило.

Донный расход и вынос взвесей

Davidson и Summerfelt (Aquacultural Engineering, 2004) провели измерения в бассейнах Корнелльского типа объёмом 10 м³ и 150 м³ с арктическим гольцом или радужной форелью при товарной плотности посадки. Скорость выноса оседающих частиц сильно зависела от расхода через донный центральный слив и от периода вращения воды. Донный расход не менее 5–6 л/мин на квадратный метр площади дна выносил оседающие частицы за 1–2 минуты в бассейне 10 м³ и за 3–6 минут в бассейне 150 м³, а период вращения 1,3–1,7 минуты давал оптимальные для выноса скорости.

Время гидравлического обмена

Время гидравлического пребывания (обмена) — это время, за которое поток заменяет один объём бассейна, то есть объём, делённый на расход. В исследовании 2004 года относительно равномерное перемешивание достигалось при высокой плотности посадки 90–98 кг/м³ и обмене одного объёма бассейна каждые 20–32 минуты. В этих условиях при содержании кислорода на входе 16–18 мг/л растворённый кислород по сечению бассейна составлял от 10,0 до 10,6 мг/л в бассейне 10 м³ и от 9,0 до 11,2 мг/л в бассейне 150 м³. Перемешивание в этом исследовании не зависело от донного расхода в изученном диапазоне, но зависело от ориентации входных сопел.

Настройка скорости вращения

Скорость вращения в бассейне с двойным дренажем максимальна у стенки и в измерениях 2004 года росла почти линейно с удалением от центра, поэтому рыба может выбирать предпочтительное течение. Подтверждены два простых способа регулировки: бо́льшая доля донного расхода (12% против 6% или 0%) давала более высокие скорости вращения, а поворот входных сопел напрямую менял скорость; разворот одного из шести сопел под 45° снизил скорость у стенки бассейна 10 м³ с 17,8 до 13,4 см/с. FAO называет вертикальную подающую трубу с горизонтально регулируемыми выпусками эффективным способом управления течением. Экспериментальное исследование 2025 года в журнале Water показало, что расход на входе, расстояние подающей трубы от стенки, угол и конструкция трубы влияют на среднюю скорость, однородность скоростей и распределение кислорода по слоям в круглом бассейне.

Скорость воды для рыбы

Скорость должна подходить не только для выноса взвесей, но и для рыбы. Министерство сельского хозяйства, продовольствия и агробизнеса Онтарио выражает течение для лососёвых в длинах тела в секунду (BL/s): скорость в см/с, делённая на длину рыбы в см. Его рекомендации ориентированы примерно на 1,0 BL/s; сообщается, что такой уровень снижает агрессию и уровень гормонов стресса, улучшает рост и однородность размеров у нескольких видов форели, гольцов и лососей. Более крупная рыба лучше переносит меньшие относительные скорости. В установках на суше скорость повышают увеличением притока, снижением уровня воды или ускорением вращения в круглых бассейнах. FAO отмечает различия между видами: камбалообразным, таким как тюрбо и морской язык, нужна большая площадь дна, их можно содержать при меньшей глубине и течении, тогда как пелагическим видам, например лососёвым, полезны больший объём и более высокая скорость воды.