优化水产养殖中的被动通风：利用基于人工智能的预测方法对堰式设计进行性能评估

《Aquacultural Engineering》：OPTIMIZING PASSIVE AERATION IN AQUACULTURE: PERFORMANCE EVALUATION OF WEIR DESIGNS USING AI-BASED PREDICTION

　　辛杜阿比纳亚·拉金德拉恩|穆罕默德·坦维尔|艾哈迈德·巴伊拉尔
泰米尔纳德邦渔业工程学院水产养殖工程系
纳加帕蒂南贾亚拉利塔渔业大学，邮编611002

**摘要**
氧气转移对于维持水质和提升水产养殖生产力至关重要。本研究探讨了不同堰体结构在受控水环境中的氧气转移影响。研究建立了计算模型来评估这些堰体的充氧效率。实验在受控条件下进行，保持初始水位、流量、水深以及初始溶解氧浓度一致。研究了包括带端收缩的矩形堰、半圆形堰、梯形堰（西波莱蒂堰）、具有45°、90°和135°夹角的三角形堰以及无端收缩的矩形堰等多种堰体类型在不同流态下的充氧性能。基于实验数据，研究人员建立了预测模型，该模型在估算氧气转移量方面表现出良好精度。研究结果表明，堰体几何形状会显著影响进入水中的氧气量，因为不同形状会产生不同的湍流程度和空气卷入程度。某些堰体结构在提升溶解氧水平方面比其他结构更有效。研究结论表明，重力驱动式充氧系统是一种节能的方法，可有效提升水体中的氧气含量，非常适合用于水产养殖和水资源管理领域。此外，该研究还表明，将实验研究与计算建模相结合，有助于更好地理解水流特性与氧气转移过程之间的关系。

**引言**
氧气是所有生物生存所必需的元素，而水中的溶解氧含量则是衡量水质的重要指标。水生生物及有机物的分解会自然消耗水中的氧气并释放二氧化碳。然而，来自城市、农业和工业活动的过量有机废物可能超出水生系统的自然净化能力，从而导致溶解氧水平大幅下降。此外，过量的营养物质还会引发藻类大量繁殖，而藻类的进一步分解又会进一步降低氧气浓度。这一现象被称为富营养化，是水生生态系统鱼类死亡的主要原因之一。通常认为，维持冷水鱼种生存所需的最低溶解氧浓度为5.0毫克/升。

氧气是通过空气泡的卷入进入水中的，这一过程称为充氧。充氧可通过自然或机械方式增加水与空气的接触。它主要有三大功能：释放被困气体、补充氧气以及改善水的化学和物理性质。水工结构可通过产生湍流来提升氧气转移效率，从而促进空气泡进入水流中。堰体就是一种此类结构，落水射流的速度加快有助于氧气转移。当水流经过堰体并落入接收池时，如果射流冲击速度超过临界值，就会卷入空气，进而启动充氧过程（Ervine等人，1980年）。湍流射流的初始速度通常约为1米/秒，不过表面扰动也会影响其特性。Ervine等人（1980年）根据落水射流的湍流程度提出了四种空气卷入机制，后来Tsang（1987年）将这些机制进一步分类，将传统堰体和平行堰体产生的自由落体射流分为平滑型、粗糙型、振荡型和破碎型四种类型。

如图1和图2所示，水流经过堰体时表现为自由落体射流。与这类射流相关的空气卷入和氧气转移机制十分复杂，取决于射流速度、形状以及表面粗糙度等因素。接收池的几何形状也对湍流混合程度以及卷入空气泡的移动起着关键作用。此外，接收池的深度也会显著影响充氧效率，因为氧气转移在一定程度上取决于空气泡在水中的停留时间。如果接收池深度小于气泡穿透深度，气泡的流动路径和停留时间会因与池底的相互作用而缩短，从而限制充氧效率。相反，当接收池深度超过气泡穿透深度时，进一步增加深度对充氧效率的影响则较小（Wormleaton和Tsang，2000年）。

需要指出的是，水工结构的充氧效率已有多项研究探讨。Wilhelms等人（1993年）、Chanson（1995年）、Ervine（1998年）以及Gulliver等人（1998年）对这些研究进行了全面综述。Gameson（1957年）最早报道了河流中堰体的充氧潜力。此后，也有不少关于堰体充氧的研究，其中包括Baylar和Bagatur在2001a、2001b年，2006年发表的多篇研究，以及Baylar和Emiroglu在2002年、2007年发表的文章，还有Baylar在2002年、2003年发表的成果，此外还有Baylar等人于2001a、2001b、2008年，2009a、2009b、2010年、2014年发表的多篇研究，Emiroglu和Baylar在2003a、2003b年发表的文章，Emin Emiroglu和Baylar在2005年发表的研究，Emiroglu和Baylar在2006年发表的成果，Ozkan等人（2009年），Unsal等人（2010年），Jahromi等人（2019年），Singh和Kumar（2022年）以及Varaki等人（2023年）的研究。

近年来，由于能够解决复杂问题，软计算方法在水利、水资源和水文学领域得到了广泛应用（Sihag等人，2019年；Singh等人，2017年；Salmasi等人，2021年）。与充氧系统相关的研究也广泛采用了软计算模型和方法（Sattar等人，2019年；Aradhana等人，2021年；Sangeeta等人，2021年；Singh等人，2021年；Jaiswal等人，2023年；Luxmi等人，2023年；Tiwari等人，2023a、2023b年；Yadav和Roy，2023年；Narwal等人，2024年；Yadav等人，2024年；Puri等人，2025a、2025b年；Shukla等人，2026年；Sihag和Baylar，2025年）。重力驱动式充氧系统是一种高效且节能的方法，可用于提升水中的溶解氧含量。这类系统特别适合用于水产养殖和水资源管理，因为它们几乎不需要外部能源输入，构造简单，还能轻松集成到渠道、池塘和养鱼场中。通过利用流动水的自然水力能量，重力驱动式充氧系统无需机械动力设备即可实现氧气转移，从而降低运营成本和能耗，同时推动环保型水产养殖方式的普及。

充氧系统在维持适宜的溶解氧浓度和改善水质方面，对水产养殖和环境水资源管理起着至关重要的作用（Boyd和Ahmad，1987年）。目前，有多种充氧技术被广泛应用于增氧，比如桨轮式充氧器和扩散式充氧系统（Boyd和Martinson，1984年；Moore和Boyd，1992年）。机械式充氧器通过搅动水面、产生飞溅和气泡来提升氧气转移效率，而水力式充氧器则利用重力驱动的水流、湍流生成以及空气卷入机制来提高水中氧气的溶解度（Avery和Novak，1978年）。通常，人们会通过氧气转移率（OTR）和充氧效率（E）等参数来评估充氧系统的性能（Boyd，1998年）。这些参数会受到充氧器几何形状、出水条件、操作压力、气泡特性以及水力能量损耗等多方面因素的影响（Baylar等人，2006年）。虽然传统的机械式充氧器在增氧方面效果显著，但它们需要持续的外部动力，这会导致运营成本和能耗上升（Ahmad和Boyd，1988年）。相比之下，利用水头损失和流动能量的重力驱动式充氧方法则是一种更为可持续且节能的替代方案（Kumar等人，2014年）。

不同的堰体几何形状会产生不同的流动模式、水幕特征、湍流强度以及空气卷入机制，而这些因素都会显著影响氧气转移效率（Baylar等人，2014年）。因此，在为水产养殖应用设计高效且经济实惠的充氧系统时，必须仔细考虑充氧装置的水力条件和结构几何形状。常见的重力驱动式充氧结构包括带端收缩的矩形堰、半圆形堰、梯形（西波莱蒂）堰、具有45°、90°和135°夹角的三角形堰，以及无端收缩的矩形堰。每种几何形状都会产生独特的水力特性，这些特性会影响射流破碎、水幕流动行为、气泡卷入、回流区域以及湍流生成情况。因此，充氧结构的几何形状在决定氧气转移效率方面起着关键作用。

水力式充氧系统的性能通常通过溶解氧增量（ΔDO）、氧气转移比（r）、充氧效率（E）、标准充氧效率（E??）以及氧气转移率（OTR）等指标来评估。表1列出了不同充氧器的氧气转移率（OTR）和充氧效率（E）数值。以往的研究表明，由于湍流强度和空气卷入行为的差异，堰体几何形状和出水条件的不同会显著影响氧气转移效率。不过，目前只有少数研究在受控水力条件下系统地比较了多种堰体几何形状，并结合预测建模方法来估算氧气转移量。因此，本研究在受控水力条件下通过实验分析了不同堰体几何形状的氧气转移特性，同时建立了基于人工神经网络（ANN）的预测模型，利用水力参数和氧气转移参数来估算充氧性能。

本研究旨在探究在受控水力条件下，尖顶堰体的氧气转移性能。具体目标包括：（一）评估堰体几何形状和流动条件对氧气转移特性的影响；（二）在不同出水条件下，量化溶解氧增量（ΔDO）、氧气转移率（OTR）以及充氧效率（E）等关键氧气转移参数；（三）建立基于人工神经网络（ANN）的预测模型，利用水力参数和氧气转移参数来估算充氧性能。该预测模型是基于从不同堰体结构和流动条件下获得的实验数据建立并验证的。通过对比分析水力充氧性能并应用数据驱动的建模技术，本研究旨在进一步提升人们对重力驱动式充氧系统中氧气转移机制的理解和预测能力。本研究的结果有助于开发出高效、可持续且经济实惠的充氧技术，应用于水产养殖和水资源管理领域。

**实验设计与研究框架**
所有实验都在受控水力条件下进行，以确保结果的一致性和可靠性。实验装置保持了0.50米的恒定上游水头、均匀的堰顶高度，以及1–4升/秒的恒定出水流量，适用于所有堰体结构。在整个研究过程中，接收池中的尾水深度始终保持不变。每次实验都处于准稳态流动状态，且上游的溶解氧浓度也基本相同。

**水产养殖系统中的堰体**
在水产养殖系统中，有七种不同的堰体被用来调节水量。这些堰体要么是常用类型，要么可以通过改造使用，具体包括：
a. 边缘缩短的矩形堰
b. 半圆形堰
c. 梯形堰
d. 具有45°夹角的三角形堰
e. 具有90°夹角的三角形堰
f. 具有135°夹角的三角形堰
g. 无边缘缩短的矩形堰

实验在受控实验室环境中进行，水位保持在0.50米不变，而流量则有所变化。

**人工智能在堰体充氧研究中的应用**
像堰体这样的水工结构中的氧气转移过程，是由多种水力和物理过程相互作用的复杂结果，这些过程包括流速、湍流生成、水幕破碎、空气卷入以及气液界面的气体传输。尽管实验研究能够提供关于充氧性能的可靠信息，但利用传统经验公式或半经验公式来建立通用预测模型仍然面临挑战。

**总结与结论**
•通过研究七种不同的堰体几何形状及其在重力驱动流作用下水提升溶解氧的能力，本研究在受控水力条件下对其被动充氧性能进行了系统性分析。
•研究结果表明，堰体几何形状和出水流量会对氧气转移效率产生显著影响。在所有测试配置中，溶解氧增量（?DO）、氧气转移比（r）以及标准充氧效率（E20）均随……而上升。

**未引用参考文献**
（Baylar和Bagatur，2000年；Baylar等人，2007年；Boyd和Ahmad，1987年；Esmaeili Varaki等人，2023年）

**CRediT作者贡献说明**
穆罕默德·坦维尔：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，指导，项目管理，实验研究，概念构思。
艾哈迈德·巴伊拉尔：撰写——审阅与编辑，数据整理。辛杜阿比纳亚·拉金德拉恩：写作——初稿撰写、验证、方法论、正式分析。利益冲突声明作者声明不存在任何可能影响本文所述研究的已知财务利益或个人关系。致谢我们非常感谢泰米尔纳德邦J.贾亚拉利塔渔业大学渔业工程学院水产养殖工程系对我们研究工作的支持。利益冲突声明作者声明没有利益冲突。