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研究發展

養殖池清淤技術-用工程創意突破養殖瓶頸
文˙圖/朱元南

  我由臺大農工系機械組畢業,大學訓練著重於農業機械,從未接觸過水產養殖。在德州農工大學農業工程系攻讀博士時,發現有老師研究循環水養殖系統,可以在室內養蝦,覺得很新奇。1980年代,德州的超市大量出現臺灣養殖的草蝦,我才知道臺灣的養殖產業這麼好,到我要畢業的時候,就想到要用我的機電專長,協助養殖產業發展現代化的生產科技。這是一個很大膽的想法,因為我對養殖一竅不通,但是我本來的訓練就是跨工程和生物,所以也不害怕。

  回臺灣之後,到海洋大學養殖系找陳瑤湖教授,又去農委會漁業署找江英智科長,他們都非常熱忱的歡迎我參與養殖,還告訴我很多產業的需求。後來農委會要推動農業自動化,就安排我和幾位人員參觀國內、日本和歐洲的養殖業,讓我更了解產業的現況和需要,開啟了往後20年的研究生涯。

   剛開始我和養殖專家合作,共同研發養殖自動化分級和收穫設備,後來興趣逐漸轉向養殖,在臺大建立了一套循環水道式養蝦池,養了兩年成果不錯,也申請到臺灣和大陸專利,就去宜蘭租了池塘,用養殖生產的規模來養蝦養魚,10年來累積了很多實地經驗。

清淤技術突破瓶頸

  養殖產業有一個根本的問題,就是池底會沈積淤泥,累積久了會讓水質惡化,淤泥還會釋放出有毒的阿摩尼亞和硫化氫,危害魚蝦健康。養殖的人都知道用換水來穩定水質,但是對於使水質惡化的源頭-淤泥,卻幾乎束手無策。

  我長時間在養殖現場工作,很了解淤泥的特性。淤泥分布在池底,是很細的顆粒,受一點擾動就容易懸浮擴散。用吸水方式去除淤泥比較安全,但是會吸出很多乾淨的上層水,浪費水資源,且單一吸水口只能移除少量淤泥,整排吸水口則很難平均分配水流,加上淤泥每天持續累積,用人力吸淤對於動輒幾分地的池塘成本太高,並不可行。

  於是我研發出用「噴水」來排除淤泥。噴水效率高,噴過的地方一下就乾淨了,但是很危險。如果你拿水管對著淤泥噴,淤泥會立刻爆散到水中,劇毒的硫化氫和阿摩尼亞隨之擴散,整池魚蝦可能很快就會出問題。我教創意設計,而我的養殖場卻被淤泥問題困擾,這問題挑戰了我的專業自尊,讓我下定決心要找出辦法來解決。後來我真的找到一個辦法,既有噴水的高效率,又有吸水的安全,而且用很簡單的設備就可以達成,既便宜又耐用。

  有一天,我洗完澡,趁著缸裡還有水,就跪在缸邊玩水。我發現一個特別的現象,就是在水體中間噴水,會造成紊流,讓水散開,就像淤泥會散開一樣。但是若在水底沿池底噴水,不但不容易散開,而且會將旁邊的水吸過去。第二天,我用一個簡單的模型試驗利用這個現象清淤的新方法,一次就成功了。後來我才知道,這個現象是結合了「壁面噴流」和「白努利定理」兩個效應。

  壁面噴流(Wall-jet)是一種水流特性,如果靠近一個平面,以平行於平面的方向噴水,水流就會沿著平面前進,由於平面的導引,水流前進時比較不容易與前方的水體互相推撞而產生紊流,不容易散開,前進的距離也比較遠。而根據白努利定理(Bernoulli’s principle),水流會產生負壓,流速愈高負壓愈多,會吸入周圍的水體,加入噴射水流一起向前移動,就好像捷運車廂離站時會帶走一陣風一樣。

  我研發的清淤機基本上只是一個L形結構,如圖1。L形結構由蓋板和毛刷組成,放在池底,與池底構成一個三面封閉的空間,可以前後銜接來延伸至需要的長度。因為噴頭噴出的水流被三面包覆,由於壁面噴流效應而可以前進很遠。水流的白努利效應使外圍池水被吸入L形結構,如圖2,並持續流向養殖池排水口方向排出,而達成移動淤泥且不使淤泥擴散的目的。

圖1:清淤模組示意圖(由下往上看)。
圖2:清淤模組中的水流示意圖。

  電腦模擬可以清楚顯示壁面噴流的效果,圖3a顯示水流自由噴出時,噴頭造成的流場的擾動非常劇烈,流體的流動方向沒有受到侷限,由噴頭噴出的流體快速的向左方、向兩邊擴散,顯示在一般的沖水條件下,為何噴水會使淤泥爆散開來。圖3b則顯示水流在L形結構中被引導向前,擴散大幅減少。

圖3:電腦流體動力模擬結果(上視圖):(a)水流無限制,(b)水流在L形結構中。

  圖4顯示使用4個噴頭接力帶動水流,右側起第一個噴頭噴出的水流被第二個噴頭水流合併繼續向左方移動,第三個噴頭帶動的水流又帶動第一、二個噴頭的水流,以此類推,可將淤泥推送到最左方的養殖池排水口全部排出。相比於噴頭出口只是集中的水流,排水口附近的水流則是廣範圍的吸水,其水流量必須超過四個噴頭的總流量。

圖4:清淤機4個噴頭及排水口之電腦流體動力模擬結果。

  圖5顯示一般養殖池中淤泥沈積的位置。由於增氧水車在池外圍持續運轉推動水流,會使淤泥向中央水流靜止區集中,因此只要將清淤機的一端連接養殖池中央排水管,讓清淤機迴轉,即可以旋轉掃描的方式將淤泥排出,每天只要運轉15分鐘,即可將一分地(1000m2)的養殖池的淤泥清除乾淨。

圖5:養殖池水車分布與淤泥沈積位置(本圖引用自Lawson, 1994)。

清淤技術的未來

  這個創新的清淤技術既簡單又有效,可以在養殖過程中持續排出淤泥,保持養殖水質的穩定,促進魚蝦的安全成長。我們的試驗也顯示,它可以節省一半左右的養殖用水,減少養殖對環境的衝擊,有助於整個養殖產業的永續經營。因為這個成果,我在去年榮獲農委會全國優秀農業人員獎(圖6)。除了研發出可在大型養殖池使用的自動清淤機,我也用同樣的原理研發出手持吸淤器,可以用在小型水泥池,未來還可針對不同的養殖魚種和養殖環境研發特用的清淤設備。清淤技術能夠解決現有養殖生產在水質維護的瓶頸,可望成為養殖漁業的重要技術。良好的水質條件可以提高單位面積的養殖密度和產量,在不增加土地使用的前提下增加養殖的產量,也可以減少養殖藥物的使用,使水產品更健康安全。

圖6:農委會陳武雄主委(左)頒發99年優秀農業人員獎。右為我父親。

延伸閱讀:
[1]Chu, Y. N., Kao C. Y., Chen, Y. R. 2008. Development and field test of a novel sediment removing system for intensive fish and shrimp ponds. Presented in Aquaculture Europe 2008. European Aquaculture Society.
[2]Chu, Y. N., Kao, C. Y. and Chen, Y. R. 2009. A Sediment removing system for intensive shrimp ponds. Presented in “Integrated Technologies for Advanced Shrimp Production”. Oceanic Institute, Honolulu, Hawaii.
[3]朱元南、高正一。2010。養殖池沈積物之排除方法與裝置。經濟部智慧財產局發明專利第I 331012號。2010/10/1-2028/5/15。

朱元南小檔案
  1980年臺大農工系機械組學士,1984年美國克萊門生大學農業工程碩士,1989年美國德州農工大學農業工程博士。現任臺大生物產業機電工程學系教授,教學課程包括電腦輔助設計、機動學、養殖工程、創意設計,研究興趣在機械與機構之創新發明。2008年獲德國紐倫堡發明展銀牌獎,2010年獲農委會優秀農業人員獎。

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