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池塘、水槽、水道池. Aquacultural Engineering W - 12. 前言. 養殖魚蝦貝類需要有承接之構造 Ponds, tanks, raceways, nets, and other structures 等, 本章將探討各種構造之應用、建造及維護。. PONDS . 養殖池塘有兩主要型式: 築堤式池塘 (embankment pond) 開挖式池塘 (excavated pond). 築堤式池塘 (embankment pond). 位址選擇 (Site Selection) 池塘 構造 (Pond Conformation)

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Presentation Transcript
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池塘、水槽、水道池

Aquacultural Engineering

W - 12

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前言
  • 養殖魚蝦貝類需要有承接之構造
    • Ponds, tanks, raceways, nets, and other structures等,
  • 本章將探討各種構造之應用、建造及維護。
ponds
PONDS
  • 養殖池塘有兩主要型式:
    • 築堤式池塘(embankment pond)
    • 開挖式池塘(excavated pond)
embankment pond
築堤式池塘(embankment pond)
  • 位址選擇 (Site Selection)
  • 池塘構造(Pond Conformation)
  • 壩(Dam) 堤(Dyke)
  • 堤頂寬度
  • 水壩邊坡坡度
  • 出水高(Freeboard)
  • 容許沉陷量(Settlement Allowance)
  • 坡浪高度(Wave Height)
  • 凍結作用(Frost Action)
  • 壩高計算(Calculation of Dam Height)
  • 池塘出水口(Pond Outlets)
  • 池底密封 (Pond Sealing)
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位址選擇
  • 坡度
    • 一方向或兩方向具有適當坡度(1 – 5%)之地點最佳
    • 陡峭坡度只能挖小型池塘
  • 土壤種類:低滲透性
  • 水質良好,水量足夠,地面排水及河水不可淹灌池塘。
  • 水權問題、自然保育問題及環保問題。
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池塘構造
  • 養殖池不可有著根水生植物: 水深必需1 m以上。
  • 池岸儘量陡峭,以減少淺水區面積。
    • 一般土堤坡度為2:1 or 3:1 (horizontal to vertical)。
    • 岩石可使用坡度比 2:1更陡者。
    • 不穩定土堤坡度大於 3:1。
  • 池底向排水口傾斜,
    • 坡度至少 1000:1 (horizontal to vertical),1000:3 - 1000:6更佳。
    • 池塘排水口附近需挖深 45 - 60 cm,面積為池塘之1 – 10%,以利集魚收穫。
dam dyke
壩(Dam) 堤 (Dyke)
  • 壩高度 < 15 m
  • 壩之基礎土壤支稱強度
    • 沼澤地及泥地不適合當作基礎,高可塑性黏土當作基礎時宜充分研究,有機物土壤不可當作基礎,基礎材料必需具低滲透性,為降低漏水可於基礎設截水牆
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堤頂寬度
  • 水壩高度3 m 時,壩頂寬必需2.5 m。
  • 若以水壩當作池塘進出通路之車道,則壩頂寬至少為3.7 m而以4 - 4.5 m較佳。
  • 池塘至少有一邊設置進出通路。
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水壩邊坡坡度
  • 邊坡坡度視所用土壤而定,
  • 常用坡度為3:1 (horizontal to vertical),
  • 高穩定度土壤坡度可降為2.5:1 (上游) 及2: 1 (下游)。
  • 不穩定土壤坡度需為4: 1 或更平緩。
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出水高
  • 為水壩需增加之高度,以為安全因子,避免水壩溢頂。
  • 此高度為溢洪道於設計高度洩洪時,池塘水面與壩頂之距離。
  • 出水高依當地需求而定。
    • 池塘長200 m 以內時,出水高0.3 m,
    • 池塘長200 - 400 m 時出水高0.5 m,
    • 池塘長400 - 800 m 出水高0.6 m。
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容許沉陷量
  • 建造時土壤需壓實,
    • 每填土15 - 20 cm 厚,需充分壓實後再填第二層。
  • 沉陷量視土壤性質、含水量、建造速度及基礎材料特性而定。
  • 容許沉陷量以設計為5 – 10 % 壩高為宜。
  • 沖積堤防未能充分壓實,設計容許沉陷量為20 - 25 %沖積堤高。
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坡浪高度
  • 壩高需避免波浪作用而溢頂。波浪高度為(fetch)之函數(fetch為離水壩之不受阻礙最長直線距離)。波高與fetch 之關係方程式為

Hw = 0.014(F)1/2

F = fetch (m) ;

hw = wave height (m)。

  • 波浪可造成壩面之沖蝕(erosion)
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凍結作用
  • 土壤水分結凍時,
    • 土壩因膨脹及收縮作用而隆起。
  • 凍結及溶解使水壩不穩定,因此
    • 壩高需考慮增加凍結深入深度。
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壩高計算
  • 水深確定後,壩高

H = h + hw + hF + hs + hFr

H = 壩高;

h = 水深;

hw = 波浪作用需增加壩高;

hF = 出水高;

hs = 預留沉陷壩高;

hFr = 凍結作用壩高

pond outlets
池塘出水口(Pond Outlets)
  • 跌水式進水口
  • 費用高,不適用於食用魚之養殖
  • 水不易完全排乾,
  • 它包含一矩形堰,堰冠高度固定,維持池內水位固定。
  • 優點為機械溢洪道與緊急溢洪道合一。
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包括設於水壩上游之豎管及一水平導管,導管與豎管底部連接。
  • monk design 由水面排水
  • 洩水捕魚時,速度需夠快,以免魚缺氧。
  • 豎管直徑需20 cm 以上,水平管直徑 15 cm 以上。
pond sealing
池底密封 (Pond Sealing)
  • 土壤壓實、 黏土毯、bentonite (般脫土)、添加化學藥劑及使用防水襯裡。
  • 各種條件中主要的為土壤中粗粒砂、碎石、細粒黏土及細泥之比例。
compaction
壓實法(Compaction)
  • 為最便宜之方法,但對土壤配比規格之要求最嚴格,必須含有粗顆粒至細顆粒分配之土壤,且至少需含10%以上黏土。
  • 施工步驟
    • 移除池中植物、
    • 以不滲透物質填補所有殘枝孔隙及裂縫並深入底部 20 - 25 cm以下。
    • 移去石頭、根及其他障礙物,調整土壤水分至最佳壓實條件,以羊蹄腳滾輪滾壓4 - 6次。
    • 水深3 m以下之池子,壓實深度至少需20 cm,水深大於3 m 者,壓實深度依比例增加,且需分層(每層20 cm)壓實。
clay blankets
黏土毯(Clay Blankets)
  • 粗粒土壤缺乏足夠的黏土成分,池底未能密封
    • 可使用一層含20%以上黏土且分級良好之粗粒土壤當作密封層,
    • 此層必需涵蓋池底及池壁至水面深度。
    • 池水水深3 m以下者,黏土毯之厚度需至少30 cm,水深每再增加30 cm,黏土毯厚度需增加5 cm。
  • 為避免乾、濕及凍、融變化,使黏土毯產生裂縫,可於其上鋪30 - 45 cm 厚之碎石以為保護。
  • 進水口等構造物區,水流速度大,應加強保護。
bentonite
Bentonite 添加劑
  • Bentonite為一種細粒膠體黏土,可加入粗粒土壤中以當作池塘密封層。
  • 潮濕狀態之Bentonite可吸收其重量數倍重之水分,其體積膨脹8 - 20 倍。
  • 粗粒土壤中加入夠量之bentonite,於潮濕時將吸收水分膨脹,形成密封層;
  • 但乾燥時,Bentonite 將收縮龜裂。
  • Bentonite 使用量為5 - 15 kg of bentonite/m2。
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化學添加劑
  • 化學添加劑(Chemical Additives)可密封池底。
  • 含高比例細粒黏土及細泥之土壤,常結合成大型團塊,產生多孔性土壤結構易漏水。
  • 土塊粉碎後,土壤之滲透性降低,可有效地密封池底,而添加分散劑(dispersing agents)可破壞土壤結塊。
  • 可用的藥劑有聚磷酸鈉及氯化鈉,其中焦磷酸四鈉及三聚磷酸鈉最有效。
    • 用量:4.5 - 10 kg/m2聚磷酸鈉;32 kg/m2氯化鈉;9.7 - 19.4 kg/m2蘇打灰;
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但所使用藥劑不可對魚有毒性,亦不可於魚體具有累積性。但所使用藥劑不可對魚有毒性,亦不可於魚體具有累積性。
  • 使用方法
    • 分散劑(95 % 以上通過No. 30 篩及5 %以下通過No. 100篩) 撒佈於池底,
    • 以滾輪滾壓混合,
    • 再於最佳含水率時以羊蹄腳滾壓。
  • 不透水層上,鋪設30 - 45 cm 厚碎石層,可保護不透水層,避免機械損害。
waterproof lining
防水襯墊(Waterproof lining)
  • polyethylene, vinyl, and butyl rubber等防漏水效果好、可靠但費用高;
  • 其價格以黑色PE膜最低,乙烯(vinyl)其次,丁基橡膠(butyl rubber)最高;
  • 抗老化性能則以PE 優於乙烯;
  • 耐衝擊力依序為乙烯優於聚乙烯;
  • 組裝方法中
    • 乙烯可補洞及與其他材質膠合,
    • 聚乙烯需以加熱結合、黏劑或膠帶結合;
    • 丁基橡膠以接著劑黏補或結合。
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聚乙烯及 乙烯應避免覆土之機械傷害,必需鋪不含雜質的細粒土壤15 cm以上。
  • 丁基橡膠襯墊可不用覆蓋土壤,但人員等可能進入池內時,應覆土20 - 25 cm。
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防水襯墊厚度需求
  • 土粒微細者
    • 使用0.20 mm (polyethylene or vinyl)、
    • 0.38 mm (butyl rubber);
  • 含黏土碎粒者
    • 使用0.38 mm (polyethylene or vinyl films)、
    • 0.76 mm (butyl rubber films)。
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襯墊鋪設施工
  • 施工時需將石頭、植物等雜物清理乾淨,
  • 若需要,則先鋪設一層細粒土壤,充分乾燥,以免施工時受壓沉陷。
  • 池邊坡度3:1 以免土滑落。
  • 為避免植物生長穿透襯墊,可使用藥劑,消毒土壤。
  • Vinyl and butyl rubber linings必需平坦鋪設。polyethylene linings鋪設時需有10 %之疏鬆度。每片間需有15 cm 寬重疊。
  • 邊緣線需延伸至水位線以上並錨碇於20 - 25 cm 寬及30 cm 深之溝渠。
  • 以分級良好之土壤回填(backfilling)溝渠。
excavated pond
開挖式池塘(excavated pond)
  • 最普遍之池塘形狀為矩形池。
  • 開挖式池子,用於養殖時所受限制:
    • 必需使用抽水機,
    • 可能受高潮洪水淹沒,
    • 換水及排除污染物需使用抽水機,
    • 需使用機械曝氣以維持溶氧濃度,
    • 收穫操作較困難。
raceways
RACEWAYS(水道池)
  • 相當長而水深淺 (i.e., 1 - 2 m maxi.) 之矩形池,池中流量很大。
  • 水流動式、養殖密度高、疾病易防治。
    • 魚攝食率及收穫量增加。
  • 易建造及維護。
  • 並聯水道池需大量用水,但串聯時用水量降低。
  • 並聯水道池間需求高程差 0.3 - 1.0 m (Figure 12.9):水頭損失、代謝產物之累積及曝氣問題可減至最小,但需水量隨池數增加而增加。
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水道池之應用與設計
  • 廣泛用於孵化場:
    • 代謝產物濃度及溶氧問題降至最低,並強迫魚運動,生產之魚苗較強壯。
  • 易觀察、易管理、病害處理容易。
  • 寬6 – 7 m,易投飼。
  • 建造材料:土壤、混凝土、塑膠;
  • 水流型態:與明渠相同。
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水道池設計
  • 設計流速:
    • 因魚種、密度、投餌率、水溫及供水量等因素而定。
  • 流量
    • 根據耗氧率、供氧率、氨濃度及魚最大可忍受流速設定。
  • 欲達自清
    • 流速需 0.24 - 0.3 m/s for salmon waste
    • 0.15 m/s 不足以維持oyster 廢物之懸浮
    • 小魚在自清流速之槽中無法穩定游動。
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水道池水流型態
  • 進水口(inlet)、出水口(outlet)及水道(raceway)本身必需設計成為柱塞流,
  • 柱塞流(Plug flow)中流體分子有同樣之水平流速,
  • 短流(Short-circuiting)應減至最低。
  • 水道池偏離柱塞流,將
    • 有部分區域成為死流區(i.e., areas with limited water exchange),
    • 將缺氧,有機固體沉積於此分解,使缺氧現象惡化。
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養殖池塘水槽
  • 池塘(ponds)面積大、土造,
  • 水槽(tanks)面積小、混凝土及玻璃纖維等材質製造。
  • 理想之養殖槽需具下列特性:
    • 1. 內部平滑,以免魚摩擦受傷;
    • 2. 可自清;
    • 3. 可提供最佳水質;
    • 4. 具耐久性及足夠之機械強度;
    • 5. 易清洗及滅菌;
    • 6. 內表面不具毒性,亦不成為致病生物之庇護所;
    • 7. 價格便宜;
    • 8. 不受腐蝕。
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建造材料
  • 混凝土
    • 用於大型養殖槽,具耐久性,價格低及易成型等優點。
    • 但重量大,不易移動。
    • 表面若未經處理,無法避免細菌滋生。
    • 可使用環氧樹酯(epoxy)等材料作表面處理。
    • 新建池子,pH值高。
    • 木造池子材料便宜,需加塗料作表面處理以免腐爛。
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塑膠材料
  • 玻璃纖維(Fiberglass):
    • 質輕、抗張力強度大、價格合理、不與水及海水起反應,可模造成各種形狀;
    • 應避免玻璃纖維對魚之傷害。
  • 乙烯(vinyl):
    • 性柔軟、平滑、不透水、便宜、易清洗、需其他強軔物質支撐其結構體、可當養殖池之襯裡、但耐久性不佳。
  • 聚乙烯(polyethylene;PE)
    • 可當作不透水襯裡、價格便宜、可製成堅硬構造體。
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壓克力(acrylic materials)
    • 試驗用魚槽、透明便於觀察、易於加工、不與淡水及海水起反應、價格貴。
  • 聚丙烯(polypropylene)
    • 市售成品容積達1500 liters、大型水槽比玻璃纖維貴、必需以相同材料配件結合、不易與其他材質黏合。
  • 聚氯乙烯(polyvinyl chloride;PVC)
    • 可用以建水槽、大型者需外加支撐、可以黏膠結合或加熱焊接、主要用於輸水管線、不與淡水及海水起作用。
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金屬材料
  • 鋼鐵(steel)
    • 可用以造淡水槽、會生銹、適當塗裝可用於淡水及海水系統、用於結構支稱。
  • 鋁(aluminum):
    • 循環水系統長期使用時,必需注意溶解離子累積問題。
  • 不銹鋼(stainless steel)
    • 使用於淡水及海水系統,但仍會有腐蝕現象。價格貴,使用當作篩網。
tank shape
水槽形狀(Tank Shape)
  • 圓形
  • 矩形
  • 設有分隔牆之橢圓形
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圓形水槽
  • 圓形水槽水流由進水口延圓周切線方向注入,
  • 形成旋轉循環水流,
  • 由槽中央經豎管或底部排水口排出。
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圓形水槽流態
  • 水由噴嘴與水平方向呈不同角度射入。
  • 槽中水流混合狀況不一,
    • 有紊流區(turbulent zone、Zone A、C) 及
    • 緩流或滯流區(Zone B),水質差。
    • 由進水區A流入之水流向出水口D 區沿徑向流動,此為自清之動力。
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圓形池之優點
  • 水流流速比矩形池快,可用以調理移轉至室外池魚之狀況
  • 與水道池相比,飼料分散情形佳,自清能力較佳,可採用較小之水循環流速。
  • 矩形池易建造,但由野外收集之魚苗易集中於一角落,易缺氧及受傷。
  • 矩形池中之水流常有滯流區或短流現象,造成局部缺氧或代謝產物於滯流區累積,對魚產生緊迫。
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矩形水槽
  • 池中水之循環流動狀態及短流現象,受進、出水口設計、流量大小及其他變數之影響。
  • 矩形池中,除非流速與混合情形設計適當,固體廢物常積存於池中。
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矩形池排泥設計
  • 於池底設一排水道,其上設一蓋板,
  • 排水需經蓋板與排水道間孔隙流出,
  • 使沿池地板面之水平流速加快,促進固體物之流出。
  • 排水道內流速維持0.8 m/s 以上以避免固體沉澱。
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設有分隔牆之橢圓形水槽

  • 進流水以噴嘴射入,以推動水流,或加裝水車推動水流。
the foster lucas tank
The Foster-Lucas tank:特殊設計之橢圓形水槽,廣泛用於鮭、鱒魚養殖
slide48
Burrows and Chenoweth (1970) 重新設計Foster-Lucas pond成為循環矩形池,在矩形池之四個角落加裝導流葉片,中央出水口改為兩底篩網出水口。
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流態及短流情形之比較
  • 圓形池:
    • 底部有短流發生,此雖非理想流態但有助於自清作用。
    • 另一問題為有一呈甜甜圈狀之滯流區。
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水道池進出水口條件不同時,流態不同Figure 12.21a and 12.21b。
  • 進水流速大時,池中紊流區較長。
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池中設擋板,可控制減緩進流區之紊流及短流現象,使呈層流狀(Reynolds number < 2000)。
  • 矩形循環水池,可於紊流區設排水口,可增加水槽之自清能力
fish culture silo
筒倉式魚槽 (fish culture silo)
  • 水深大,
  • 進流水由底部打入,垂直往上流動,由溢流水管排出,經處理後,水循環使用。
  • 循環流量大,養殖密度高。