一种提升贝类浮筏养殖区海底营养盐的装置及方法与流程

1.本发明主要涉及贝类养殖设备技术领域，可广泛应用于将底层海水提升至表层，增加表层水体营养盐，这里，特别涉及一种提升贝类浮筏养殖区海底营养盐的装置及方法。


背景技术：

2.适当发展浅海贝类养殖不仅可以为人类提供大量的优质海产品，而且可以有效控制海洋富营养化，防止赤潮发生，具有显著的生态环境效益，是一种双赢的人类生产活动。目前贝类养殖方法主要有底播养殖、插柱养殖、延绳式养殖、固定架养殖和筏式养殖等方法；随着近海筏式养殖业的发展，我国浅海筏式贝类养殖规模不断扩大，海面上出现了大面积的养殖筏式，整个筏体的空间布置，对养殖区水体的水动力交换性能产生了一定的影响，改变了养殖区及邻近海域的水动力特性，与此同时，也弱化了海区的物质输运扩散能力。
3.贝类饵料包括天然浮游动物、单细胞藻类等，传统方式的养殖方式是利用海水中的天然浮游动物、单细胞藻类作为基础饵料，但是这种方式已不能满足贝类的正常生长需要。近年来，贝类养殖出现了位于筏区最外两侧的贝类生长态势良好，中间筏区贝类长势较差，甚至出现滞长或大规模死亡的现象；研究团队发现筏养贝类大规模死亡主要外因是缺乏饵料“饥饿”而死，原因就是由于养殖区水动力条件受筏体影响所限，阻碍了营养盐和饵料输送的通畅度，导致海水中海洋微藻、天然浮游动物等生长繁殖所需要的有机质和营养盐等物质缺乏，贝类供饵力较低，导致筏养贝类大规模死亡；而有机质和营养盐往往处于海底，水深海域因温跃层和盐跃层影响，海底营养盐较难输送到海表真光层，导致海水中海洋微藻、天然浮游动物供饵不足。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种提升贝类浮筏养殖区海底营养盐的装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.本发明提供一种提升贝类浮筏养殖区海底营养盐的装置，贝类浮筏包括浮筏、连接在海底与所述浮筏之间的限位缆绳，所述限位缆绳通过固定锚和海底连接。
7.提升贝类浮筏养殖区海底营养盐装置包括设置在海底上的底筏，所述底筏上固定设置有若干组喷射管，每组所述喷射管上开设有若干个喷口；所述喷射管连通有空气导管，所述空气导管的一端贯穿所述浮筏且伸出海面，所述空气导管上连接有上增压机构和下增压机构。
8.优选的，所述浮筏和底筏之间设置有若干组锚绳，每组所述锚绳上固定连接有养殖吊笼，所述喷射管的喷口垂直向上喷射，且所述喷口设置在相邻所述养殖吊笼之间。
9.优选的，所述浮筏包括上下分布的上筏体和下筏体，且所述上筏体和下筏体分设在海面上下两侧，所述下筏体固定连接有若干组梗绳，每组所述梗绳均固定连接有浮球，所述浮球漂浮在上筏体和海面之间。
10.优选的，所述空气导管的外侧套设有隔离管，所述隔离管的一端和底筏固定连接，所述隔离管的另外一端贯穿所述上筏体和下筏体伸出海面，所述隔离管伸出海面的一侧固定连接有限位板。
11.优选的，所述上增压机构包括气泵，所述气泵连接有供能机构。
12.优选的，所述供能机构包括若干组太阳能电池板，若干组所述太阳能电池板电性连接有储能电池，所述气泵和储能电池电性连接，所述气泵和储能电池外侧均设置有密封壳体。
13.优选的，所述底筏包括底筏体，所述底筏体的下方固定连接有若干组固定缆绳，所述固定缆绳固定连接有配种。
14.优选的，所述下增压机构包括密封增压箱，所述密封增压箱内固定设置有空气增压泵，所述空气增压泵的进气端与空气导管连通，所述空气增压泵的出气端与喷射管相连通，所述空气增压泵通过驱动轴驱动，所述驱动轴上固定连接有涡轮叶片。
15.一种提升贝类浮筏养殖区海底营养盐的方法，包括以下步骤：
16.s1.安装浮筏和底筏，通过限位缆绳和固定锚固定浮筏，并将底筏设置在海底；
17.s2.安装空气导管，空气导管的一端与喷射管连通，空气导管的另外一端伸出海面，并将上增压机构和下增压机构安装在安装空气导管上，并将喷射管内部的水排空；
18.s3.上增压机构和下增压机构工作，将气体通过空气导管输送到喷射管并通过喷口排出形成气幕向海面导流，气幕带动海底水上升。
19.优选的，s3中，太阳能电池板产生的电量存储在储能电池中，储能电池为气泵提供电能；海底的水流动带动涡轮叶片旋转，螺旋叶片带动驱动轴旋转，从而带动空气增压泵工作实现气体的二次增压。
20.本发明公开了以下技术效果：本发明采用人工干预的方式，利用上增压机构和下增压机构为空气导管将海面上方的气体导入到海底提供动力，并通过喷射管及其上方开设的喷口将气体喷出，形成气幕，并依据水体伯努利能量守恒方程及气幕法的原理，使筏式养殖区产生上升流，将养殖区经济生物所需的微藻生长所必需的海底营养盐等物质跟随气幕向上输送，很大程度上也增加了表层水体中的溶解氧，改善水质，提高养殖区域饵料微藻的丰度，从而提高筏养贝类成活率和产量，并降低养殖成本出发，提升海底营养盐的有效利用率，进而提高生物产量，保障养殖户和企业的经济效益。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本发明提升贝类浮筏养殖区海底营养盐装置的结构示意图；
23.图2为本发明气幕结构示意图；
24.图3为本发明喷射管结构示意图；
25.图4为本发明喷口结构示意图；
26.其中，1为浮筏，2为限位缆绳，3为固定锚，4为底筏，5为喷射管，6为喷口，61为喷气
孔，7为空气导管，8为锚绳，9为养殖吊笼，10为上筏体，11为下筏体，12为梗绳，13为浮球，14为隔离管，15为限位板，16为气泵，17为太阳能电池板，18为底筏体，19为固定缆绳，20为配种，21为密封增压箱，22为空气增压泵，23为驱动轴，24为涡轮叶片。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
29.参照图1
‑
4，本发明提供一种提升贝类浮筏养殖区海底营养盐的装置，贝类浮筏包括浮筏1、连接在海底与浮筏1之间的限位缆绳2，限位缆绳2通过固定锚3和海底连接；浮筏1包括固定连接且上下分布的上筏体10和下筏体11，且上筏体10和下筏体11分设在海面上下两侧，下筏体11固定连接有若干组梗绳12，每组梗绳12均固定连接有浮球13，浮球13漂浮在上筏体10和海面之间，通过多组浮球13为整个贝类浮筏和提升贝类浮筏养殖区海底营养盐装置提供浮力，并通过限位缆绳2和固定锚3将浮筏1和海底连接，限制贝类浮筏包括浮筏1的位置，防止其随海浪飘走。
30.提升贝类浮筏养殖区海底营养盐装置包括设置在海底上的底筏4，底筏4上固定设置有若干组喷射管5，每组喷射管5上开设有若干个喷口6，喷口6包括两组同心设置的环形喷管，两组所述环形喷管之间连通有多组气管，两组环形喷管和气管上均开设有若干组喷气孔61，从而喷口6形成柱状羽流；喷射管5连通有空气导管7，空气导管7的一端贯穿浮筏1且伸出海面，空气导管7上连接有上增压机构和下增压机构。
31.同时，浮筏1为分体式结构，上筏体10设置在海面之上，为太阳能电池板以及相关设备提供安装位置，且防止其与海水接触；下筏体11设置在海面之下，下筏体11和底筏4之间设置有若干组锚绳8，每组锚绳8上固定连接有养殖吊笼9，养殖吊笼9内养殖有贝类，且通过锚绳8限制养殖吊笼9的位置。喷射管5的喷口6垂直向上喷射，且喷口6设置在相邻养殖吊笼9之间，避免气幕直接吹向网箱，影响贝类的生长生活。喷射管5的喷口6内部均设置有单向阀，防止海水进入喷射管5的喷口6中。
32.底筏4包括底筏体18，底筏体18的下方固定连接有若干组固定缆绳19，固定缆绳19固定连接有配种20，配种20可以防止底筏4随海浪飘走，同时可以将底筏体18和海底面隔离开，防止海底里的物质将其掩埋。底筏体18、上筏体10和下筏体11均为现有技术，均通过钢管等管材固定连接而成，在此不在赘述。
33.空气导管7的外侧套设有隔离管14，隔离管14的一端和底筏4固定连接，隔离管14的另外一端贯穿上筏体10和下筏体11伸出海面，隔离管14伸出海面的一侧固定连接有限位板15，限位板15防止隔离管14在海浪以及潮汐等作用下与浮筏1和底筏4分离。同时隔离管14为可曲折柔性管材，隔离管14保障其内部的空气导管7防止或者减少海水压强对其造成的影响，降低上增压机构和下增压机构所需提供的压强，降低上增压机构和下增压机构两者工作所需的能耗。同时，隔离管14的端部贯穿上筏体10和下筏体11，为活动端，隔离管14
可以保证在潮涨潮落的情况下，空气导管7不受外界影响，且隔离管14内不会进入海水。
34.上增压机构包括气泵16，气泵16连接有供能机构。供能机构包括若干组太阳能电池板17，若干组太阳能电池板17电性连接有储能电池，气泵16和储能电池电性连接，气泵16和储能电池外侧均设置有密封壳体。太阳能电池板17在光照的作用下发电并将电能存储在储能电池内，储能电池再为气泵16提供电能，保证其可以正常工作，储能电池能够将电能存储起来，保证气泵16在阴雨天气以及夜间正常工作。
35.下增压机构包括密封增压箱21，密封增压箱21内固定设置有空气增压泵22，空气增压泵22的进气端与空气导管7连通，空气增压泵22的出气端与喷射管5相连通，空气增压泵22通过驱动轴23驱动，驱动轴23上固定连接有涡轮叶片24。海底的水具有流动性，在海水冲击的作用下，涡轮叶片24旋转带动驱动轴23旋转，从而使空气增压泵22工作，空气导管7内部的气体进行二次加压，减小气泵所需提供的压强，降低气泵所需功率，降低能耗。
36.一种提升贝类浮筏养殖区海底营养盐的方法，包括以下步骤
37.s1.安装浮筏1和底筏4，通过限位缆绳2和固定锚3固定浮筏1，并将底筏4设置在海底；
38.s2.安装空气导管7，空气导管7的一端与喷射管5连通，空气导管7的另外一端伸出海面，并将上增压机构和下增压机构安装在安装空气导管7上，并将喷射管5内部的水排空；
39.s3.上增压机构和下增压机构工作，将气体通过空气导管7输送到喷射管5并通过喷口6排出形成气幕向海面导流，气幕带动海底水上升。太阳能电池板17产生的电量存储在储能电池中，储能电池为气泵16提供电能；海底的水流动带动涡轮叶片24旋转，螺旋叶片带动驱动轴23旋转，从而带动空气增压泵22工作实现气体的二次增压。
40.本装置主旨在浮筏养殖区设计一种能使海区海底的营养盐往海水表面输送，供给微藻生长所用的装置。渔场区基本均存在海水上升流，在上升流流股相对较强的海区，养殖场也基本围绕具有这一特征水体的海区而建。本装置借助于水体自身的动力趋势，采取一种顺势而为的思路，让没有上升流的海区产生上升流，让上升流较小的海区流势增强。本发明采用人工干预的方式，利用上增压机构和下增压机构为空气导管将海面上方的气体导入到海底提供动力，并通过喷射管及其上方开设的喷口将气体喷出，形成气幕，并依据水体伯努利能量守恒方程及气幕法的原理，使筏式养殖区产生上升流，将海底的营养盐等物质跟随气幕向上输送，供给饵料微藻生长，提高养殖区域饵料微藻的丰度，从而提高筏养贝类成活率和产量，并降低养殖成本出发，提升海底营养盐的有效利用率，进而提高生物产量，保障养殖户和企业的经济效益。
41.将上述装置的试样于辽宁省大连市长海县的扇贝养殖筏地进行示范应用，具体过程如下：
42.首先，利用经验公式、模型试验或数值模拟等方法对海区的水动力分布特征进行计算，进而评价水体的空间交换性能，科学合理确定放置位置。
43.其次，本发明产品在养殖筏地区域进行施放和观测，通过多次实验，基于多元一阶数值逼近的最小二乘法原理获得其本构关系。即：
44.f＝f(a，h，u，w，s，d，n)
ꢀꢀ
(1)
45.式中，f代表动力(发电机的读数)，a代表筏区面积，h代表水深，u分别代表水体的流速，w为泵的功率，s代表生物量,d、n分别代表导气孔的直径与个数。
46.已获得的实验关系数据对有(a1,h1,u1,w1,s1,d1,n1,f1)、(a2,h2,u2,w2,s2,d2,n2,f2)、(a3,h3,u3,w3,s3,d3,n3,f3)、(a4,h4,u4,w4,s4,d4,n4,f4)、(a5,h5,u5,w5,s5,d5,n5,f5)、(a6,h6,u6,w6,s6,d6,n6,f6)、(a7,h7,u7,w7,s7,d7,n7,f7)；
47.利用最小二乘法的标准型，令：
48.f
计
＝f(a，h，u，w，s，d，n)＝a0 a1a a2h a3u a4w a5s a6d a7n
ꢀꢀ
(2)
49.利用离差的平方和最小为优化依据的定义：
50.φ＝∑(f
i
‑
f
计
)2
ꢀꢀ
(3)
51.此时，将式(2)代入式(3)。
52.当∮＝∑(f
i
‑
f
计
)2最小时，可用函数∮对a0、a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7分别求偏导数等于零。然后，得到关于a0、a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7这8个未知数的八元一次方程组，求这8个方程组得出a0、a1、a2……
a7的值。
53.最后，把a0、a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7都代入表达式(2)中，此时的式(2)就是回归线性方程，具体称为最小二乘法的表达式，也即本发明所形成本构关系所依据的数学模型。
54.在扇贝养殖的典型时期分别记录扇贝的体长、数量和重量，并与以往同期的生长信息进行对比，发现本发明的技术方案确实是有效的。
55.10个月实验周期，试验区一龄贝较对照区成活率提高28％，鲜重提高18％，试验区二龄贝较对照区成活率提高16％，鲜重提高25％。
56.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
57.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。