Математическое моделирование уровня растворённого кислорода на многоярусной лососевой ферме

Растворённый кислород (РК) является критически важным фактором для здоровья и роста атлантического лосося (Salmo salar) в садках. Низкий уровень кислорода может привести к гипоксии, что вызывает стресс, снижение аппетита, ухудшение конверсии корма и даже острую смертность. Уровень РК ниже 6 мг/л обычно считается гипоксическим, и риск гипоксии увеличивается при высоких температурах, когда потребление кислорода рыбой возрастает, а уровень насыщения кислородом в морской воде снижается.

Для эффективного управления уровнем кислорода в садках необходимо не только контролировать его с помощью датчиков, но и использовать математические модели для прогнозирования пространственного распределения кислорода. Это исследование направлено на разработку и валидацию математической модели, которая учитывает динамику процессов, определяющих содержание кислорода в садках для лосося.

Методология

1. Сбор данных:
- Полевые исследования проводились с использованием 15 датчиков растворённого кислорода (DO), профилографа тока и акустических меток для отслеживания местоположения рыбы.
- Концентрация растворённого кислорода измерялась в 12 точках на трёх глубинах в одном из шести садков на ферме.

2. Математическая модель:
- Модель основана на уравнении адвекции-диффузии, которое описывает перенос кислорода в воде, а также на модели потребления кислорода рыбой.
- Учитывается пространственное распределение рыбы и динамика кормления, что позволяет более точно моделировать уровень кислорода в садках.

3. Параметры модели:
- Модель учитывает влияние потребления кислорода в соседних клетках на уровень кислорода в контролируемом садке.
- Для уточнения конфигурации использовались данные о местоположении 8 рыб, оснащённых акустическими метками.

Результаты

1. Сравнение моделей:
- Моделирование всех клеток на ферме показало значительно лучшее соответствие реальным данным по сравнению с моделированием только одной садки.
- Также было достигнуто более точное соответствие в модели одной садки с внесёнными изменениями, что указывает на наличие дополнительных факторов, которые следует учитывать.

2. Влияние соседних клеток:
- Потребление кислорода в соседних садках оказывает значительное влияние на уровень кислорода в контролируемом садке. Это подчеркивает важность комплексного подхода к моделированию, который учитывает взаимодействие между различными клетками.

3. Валидация модели:
- Результаты моделирования были подтверждены с помощью измерений уровня кислорода на Ocean Farm 1, что является важным шагом для проверки точности модели в реальных условиях.

Обсуждение

- Практическое применение:
- Математическая модель может служить инструментом для мониторинга и прогнозирования уровня растворённого кислорода в садках для выращивания лосося.
- Она может помочь в оценке необходимости активного насыщения кислородом, что может снизить риск гипоксии.

- Ограничения модели:
- Модель не учитывает все возможные факторы, влияющие на уровень кислорода, такие как изменение температуры или загрязнение воды, что может потребовать дальнейших исследований.

- Перспективы:
- Разработка цифрового двойника биологических процессов в рыбоводстве может стать следующим шагом в использовании математических моделей для управления аквакультурой.

Математическое моделирование уровня растворённого кислорода в садках для лосося является эффективным инструментом для прогнозирования и управления условиями содержания рыбы. Исследование показало, что комплексный подход к моделированию с учетом взаимодействия между клетками и динамикой кормления значительно улучшает точность прогнозов. Это открывает новые возможности для оптимизации условий аквакультуры и повышения устойчивости рыб к стрессовым факторам.


Исследование: Aquaculture