基于实测的海洋气象数据，对三种海洋养殖鱼箱中溶解氧分布的比较分析

　　本文提出了一种高效理论模型，用于预测离岸网箱在不同尺寸和密度下的溶解氧（DO）分布，替代传统CFD方法。研究表明，50米直径网箱在最大密度25 kg/m3时DO保持安全水平，而105米和150米网箱分别有22%和48%的体积存在缺氧风险，需将密度降至16.5 kg/m3和9.55 kg/m3。模型通过简化假设实现快速计算，为早期设计提供可靠工具，并强调网箱尺寸与密度需协同优化。

　　
挪威近海三文鱼网箱的溶解氧分布与安全养殖密度研究

一、研究背景与意义
全球气候变化背景下，海洋渔业面临传统近海养殖的诸多挑战，包括赤潮灾害、寄生虫侵袭以及水体交换不足等问题。挪威作为全球最大的三文鱼出口国，其深远海养殖规模持续扩大。研究显示，当网箱直径超过50米时，水体交换效率显著降低，可能导致溶解氧（DO）不足引发鱼类窒息。本文通过建立理论模型，评估不同规模网箱在不同环境条件下的DO分布特征，为制定安全养殖策略提供科学依据。

二、理论模型构建与验证
（一）模型假设与简化
研究采用稳态流动假设，认为在低流速（<0.1m/s）条件下，网箱内部DO分布具有时间稳定性。通过无量纲分析得出Péclet数均大于86,207（基于表3数据），验证了忽略扩散项的合理性。模型主要简化包括：1）鱼类均匀分布假设；2）忽略垂直方向的水体交换差异；3）不考虑非稳态流动影响。

（二）模型验证与精度分析
通过对比Alver等（2023）、Wen等（2025）和Nguyen等（2025a）的CFD计算结果，验证模型准确性。结果显示最大偏差达17%，主要源于湍流扩散系数选择差异（0.002-0.512m2/s）。三个独立验证案例（表4-6）均显示模型预测DO分布趋势与CFD结果一致，特别是在网箱下游区域DO梯度变化方面具有较高吻合度。

三、典型案例研究分析
（一）50米直径传统网箱
在最大养殖密度25kg/m3条件下，DO最低值6.4mg/L（图6），表明现有规范在中小型网箱中仍适用。临界流速分析显示，当流速低于0.037m/s时需调整密度（图8）。该网箱体积约6.7万立方米，可承载约170万尾4kg/尾的三文鱼，符合挪威现行管理标准。

（二）105米半远海网箱
常规养殖密度下（25kg/m3），下游48%体积出现DO<6mg/L区域（图11）。通过敏感性分析确定安全阈值：流速需≥0.0625m/s，对应密度16.5kg/m3（图14）。此时总生物量约85万尾，较传统密度降低34%。值得注意的是，网箱结构产生的尾流效应使DO最低值下降至5.3mg/L（图15），显示物理结构对DO分布的影响。

（三）150米深远海网箱
该概念型网箱在常规密度下，48%体积出现严重DO不足（图19）。通过优化将密度降至9.55kg/m3（约47万尾），可消除所有危险区域（图17）。临界流速提升至0.089m/s，较传统网箱提高135%。这表明：
1. 网箱直径每增加50米，需将密度降低至原值的38%
2. 流速需提升至原有值的2.1倍才能维持安全DO水平
3. 150米网箱的总养殖容量仅为50米的1.4倍（表7），经济性显著下降

四、关键发现与行业启示
（一）DO分布规律
1. 网箱下游区域DO降幅最大，呈现明显的"浓度梯度"特征
2. 网箱直径每增大50米，DO最大降幅增加3.2mg/L（表8）
3. 温度每升高1℃，DO需求增加17%（公式11）
4. 流速降低10%，DO消耗量增加25%（图9-14）

（二）养殖管理建议
1. 临界流速阈值：
- 50米网箱：0.037m/s
- 105米网箱：0.0625m/s
- 150米网箱：0.089m/s
2. 养殖密度调整：
- 50米网箱维持现行25kg/m3标准
- 105米需降至16.5kg/m3（-34%）
- 150米更需严控在9.55kg/m3（-62%）
3. 网箱尺寸优化：
- 每增加50米直径，需将高度提高23%以维持DO平衡
- 150米网箱单位面积生物量仅为50米的28%

（三）技术经济分析
1. 网箱直径与成本呈指数关系（公式推导略），150米网箱建设成本较50米增加4.7倍
2. 养殖密度降低带来的产量损失：
- 105米网箱：密度降低34%导致产量减少38%
- 150米网箱：密度降低62%导致产量减少53%
3. 经济性平衡点：
- 当单位养殖成本（包括监测、保险等）低于$120/kg时，50米网箱最优
- 若采用105米网箱，需将单位成本控制在$85/kg以下
- 150米网箱仅在经济价值超过$200/kg时具有可行性

五、模型应用与局限性
（一）适用场景
1. 网箱直径≤150米
2. 流速范围0.01-0.5m/s
3. 水温5-20℃
4. 网箱结构为标准圆形或六边形截面

（二）局限性分析
1. 未考虑鱼类行为调整：实际养殖中鱼类会向高DO区域聚集，使模型预测的临界密度偏保守
2. 垂直梯度影响：深度超过50米时，DO分层效应显著增强
3. 非均匀分布修正：建议后续研究引入鱼类密度分布函数
4. 结构复杂性：未考虑网箱分舱、斜坡设计等结构因素

六、政策与产业建议
（一）监管标准修订
1. 建立网箱尺寸与流速的匹配规范：
- 50米网箱：流速≥0.037m/s
- 105米网箱：流速≥0.0625m/s
- 150米网箱：流速≥0.089m/s
2. 引入动态密度调整机制：
- 根据实时流速调整养殖密度（公式9）
- 设置每日DO监测阈值（建议值：6.0mg/L）

（二）技术创新方向
1. 开发可变直径网箱系统（直径调节范围50-150米）
2. 引入尾流优化装置（如螺旋桨式导流板）
3. 建立基于物联网的实时DO调控系统
4. 研究鱼类行为与DO分布的耦合模型

（三）区域发展策略
1. 北部峡湾（<500米水深）：发展50米直径标准化网箱
2. 中部海域（500-3000米）：推广105米半远海网箱
3. 南部深海（>3000米）：试验150米概念型网箱
4. 建立跨区域DO预警系统，整合气象、水文和养殖数据

七、研究展望
1. 开发多尺度耦合模型：整合微尺度鱼类行为与宏观网箱流体动力学
2. 建立气候情景数据库：涵盖不同CO?浓度和温度升高情景
3. 探索光能-DO协同调控：利用LED光照促进光合作用产氧
4. 人工智能优化：基于机器学习算法自动匹配最优网箱参数

本研究为深远海网箱养殖提供了量化决策工具，其理论模型在预测不同规模网箱的DO分布方面具有显著应用价值。通过敏感性分析揭示的临界参数，可为政策制定和技术创新提供明确方向，对实现海洋渔业可持续发展具有重要指导意义。后续研究应着重解决模型在复杂海况下的适用性问题，并开发配套的智能监测与调控系统。