養(yǎng)殖水溶解氧監(jiān)控設(shè)備的選擇與維護(hù)

關(guān)炯暉 黎俊旺 鄧樂(lè)平 鄧煒樓

摘 要：隨著產(chǎn)業(yè)升級(jí)，溶解氧監(jiān)測(cè)相關(guān)產(chǎn)品日漸成熟，開(kāi)始向一線養(yǎng)殖戶推廣普及，配備1套合適的溶解氧監(jiān)控設(shè)備將對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖管理和病害防控起積極作用。本文分別闡述了溶解氧監(jiān)控設(shè)備在不同養(yǎng)殖方式、擺放位置和連接模式的設(shè)計(jì)思路，在如何合理選擇探頭配置，開(kāi)展日常維護(hù)和計(jì)算投入成本上進(jìn)行了探討。通過(guò)從養(yǎng)殖管理實(shí)踐的角度分析各類溶解氧監(jiān)控設(shè)備的選擇應(yīng)用，引導(dǎo)養(yǎng)殖戶根據(jù)自身情況合理配置，具有一定參考意義。

關(guān)鍵詞：溶解氧;監(jiān)控設(shè)備;選擇;維護(hù)

中圖分類號(hào)：S22

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190815022

前言

隨著養(yǎng)殖觀念的轉(zhuǎn)變，更多養(yǎng)殖戶從原來(lái)“治病”為主的管理方式慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)椤胺揽亍睘橹?，?duì)養(yǎng)殖水環(huán)境的調(diào)控越來(lái)越重視。pH、氨氮、亞硝酸鹽氮、個(gè)別重金屬離子濃度等指標(biāo)可以通過(guò)試劑盒定量。因?yàn)槠湓诟邼舛葧r(shí)相對(duì)準(zhǔn)確、操作簡(jiǎn)便且投入成本較低，所以這種水質(zhì)監(jiān)測(cè)方式已被一線養(yǎng)殖戶接受并得到廣泛應(yīng)用。水體中溶解氧直接影響水產(chǎn)動(dòng)物和浮游生物生長(zhǎng)，含量持續(xù)過(guò)低可導(dǎo)致浮頭、泛塘，在養(yǎng)殖水生態(tài)環(huán)境中作用十分關(guān)鍵。過(guò)去，養(yǎng)殖戶往往憑自己的經(jīng)驗(yàn)去判斷，難免會(huì)有措施不及時(shí)或造成誤判的風(fēng)險(xiǎn)。目前，各類傳輸技術(shù)的發(fā)展、傳感器技術(shù)成熟和相關(guān)產(chǎn)品的批量生產(chǎn)，使養(yǎng)殖水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)從試驗(yàn)研究轉(zhuǎn)向推廣應(yīng)用，單一溶解氧或結(jié)合多參數(shù)水質(zhì)智能監(jiān)控系統(tǒng)將逐步取代手動(dòng)監(jiān)測(cè)。

國(guó)內(nèi)對(duì)養(yǎng)殖水質(zhì)智能監(jiān)控的研究從未停下腳步，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)等高校的科研團(tuán)隊(duì)相繼研發(fā)出了完整的養(yǎng)殖水環(huán)境智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1]，意在推動(dòng)現(xiàn)代漁業(yè)發(fā)展。從2010年開(kāi)始，在農(nóng)業(yè)部和地方相關(guān)部門的大力扶持下，部分省市已建立起了多個(gè)采用水環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)水產(chǎn)養(yǎng)殖示范基地，對(duì)水溫、溶解氧、pH等進(jìn)行在線監(jiān)控，在及時(shí)調(diào)節(jié)水質(zhì)、預(yù)測(cè)各種病害等方面都達(dá)到了較理想的效果[2]。國(guó)內(nèi)廠商生產(chǎn)的便攜式或在線多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀，如上海雷磁公司的JPB、SJG系列[3]、無(wú)錫中科水質(zhì)公司的BEWs系列已經(jīng)推向市場(chǎng)。

近幾年不乏整套監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，也有相關(guān)應(yīng)用效果的評(píng)價(jià)，但針對(duì)不同養(yǎng)殖方式水體溶解氧監(jiān)測(cè)設(shè)備適用性和產(chǎn)品分析的文章較少，且缺少對(duì)養(yǎng)殖生產(chǎn)一線所需日常維護(hù)與投入成本比對(duì)。本文分別闡述了溶解氧監(jiān)控設(shè)備在不同養(yǎng)殖方式、擺放位置和連接模式的設(shè)計(jì)思路，在探頭配置選擇、投入成本計(jì)算和日常維護(hù)操作方面進(jìn)行對(duì)比分析。

1 硬件分類選擇

在實(shí)際養(yǎng)殖生產(chǎn)中，溶解氧實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備一般分為便攜式溶解氧測(cè)定儀和溶解氧智能在線監(jiān)控系統(tǒng)2大類。設(shè)備的選用，可根據(jù)其應(yīng)用范圍、擺放位置和探頭類別的不同進(jìn)行設(shè)計(jì)配置。

1.1 應(yīng)用范圍

池塘養(yǎng)殖、工廠化養(yǎng)殖、網(wǎng)箱養(yǎng)殖等都適合配備溶解氧實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備。

1.1.1 土塘養(yǎng)殖大多土塘養(yǎng)殖仍采用粗放型養(yǎng)殖模式，養(yǎng)殖密度不高，水體交換量少，相比密集型精養(yǎng)模式，土塘養(yǎng)殖對(duì)增氧設(shè)施、溶解氧監(jiān)控設(shè)備的投入也相對(duì)較少。故土塘養(yǎng)殖水溶解氧監(jiān)控設(shè)備宜按養(yǎng)殖面積選配。養(yǎng)殖水面≤50hm2可選用便攜式溶解氧測(cè)定儀進(jìn)行定時(shí)定點(diǎn)的人工檢測(cè)（見(jiàn)圖1）;50hm2<養(yǎng)殖水面≤100hm2，養(yǎng)殖品種單一的，可選取一張靠近料庫(kù)的小塘作為監(jiān)測(cè)代表塘，以此估算其他塘的溶解氧水平;養(yǎng)殖水面更大，且劃分成多個(gè)小塘的，建議安裝實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)（見(jiàn)圖2），以便觀察大面積水面實(shí)時(shí)情況，節(jié)省人力。

1.1.2 高位池、工廠化養(yǎng)殖

因?yàn)榫哂械着盼邸⑺w交換率較高等優(yōu)勢(shì)，且養(yǎng)殖總面積相對(duì)較小，池塘間隔小，所以選用便攜式溶解氧測(cè)定儀是一個(gè)既便捷又低投入的方案。

1.1.3 網(wǎng)箱養(yǎng)殖

養(yǎng)殖網(wǎng)箱一般選址在水庫(kù)、湖泊或離岸較遠(yuǎn)的海域，部分浮水型網(wǎng)箱可移動(dòng)。由于養(yǎng)殖水面較大，且日常管理大多需要工具船往來(lái)，故優(yōu)先推薦安裝無(wú)線智能監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控（見(jiàn)圖3）。

1.2 位置擺放

溶解氧在線監(jiān)控設(shè)備按照位置擺放可以分為原位和異位（抽水式），具體設(shè)計(jì)還要綜合考慮布線的問(wèn)題。

1.2.1 原位擺放

一般安置在塘邊料臺(tái)或者連接增氧機(jī)，有線連接的控制器和顯示模塊可固定在電線樁上，這樣既解決設(shè)備供電問(wèn)題，又能簡(jiǎn)化布線。如條件允許，可以運(yùn)用無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行多點(diǎn)布局。

1.2.2 異位擺放

抽水式溶解氧監(jiān)控系統(tǒng)更多用于示范基地或科研站點(diǎn)，可設(shè)立暗站放置監(jiān)控設(shè)備（見(jiàn)圖4），避免地形和潮汐導(dǎo)致的水位水流變化影響，不能固定傳感器的養(yǎng)殖區(qū)域也可選用。這種監(jiān)控設(shè)備一般集成多參數(shù)光化學(xué)探頭（見(jiàn)圖5），配備無(wú)線傳輸模塊和預(yù)警功能，好處是可以同時(shí)進(jìn)行多個(gè)水質(zhì)指標(biāo)分析，缺點(diǎn)是有一定的抽水距離，某些指標(biāo)可能受輕微影響，導(dǎo)致測(cè)定數(shù)據(jù)與實(shí)際狀況存在誤差。

1.3 探頭的選擇

溶解氧實(shí)時(shí)測(cè)定方法主要有2種，極譜式和熒光式[4]。個(gè)別廠家的相關(guān)探頭產(chǎn)品也已經(jīng)成熟，即便與國(guó)外同類產(chǎn)品在測(cè)量精度上還存在一定差距，但功能操作和價(jià)格上具有比較大的優(yōu)勢(shì)。

1.3.1 極譜式

極譜式溶解氧傳感器的基本結(jié)構(gòu)包括一個(gè)銀質(zhì)的陽(yáng)極和在頂端呈環(huán)形的金質(zhì)的陰極，電極表面覆蓋一張半透膜，里面充滿著特制電解液用于濕潤(rùn)傳導(dǎo)（見(jiàn)圖6）。國(guó)產(chǎn)便攜式溶解氧分析儀一般就采用這種極譜式傳感器，由于初次投入不高，耗材更換便捷，得到較多養(yǎng)殖戶的青睞。該法適合具流動(dòng)性的養(yǎng)殖水體，必要時(shí)可搖動(dòng)攪拌探頭提高測(cè)量精度。但在實(shí)際操作時(shí)，半透膜和電解液容易破損或被污染，更換頻率也隨之增加，成為這類傳感器的缺點(diǎn)。

1.3.2 熒光式

熒光式溶解氧傳感器的熒光物是特殊的鉑金屬，表面覆蓋的聚酯箔片一般涂上黑色的隔光材料以避免日光和水中其他熒光物質(zhì)的干擾（見(jiàn)圖7）。這種傳感器基于熒光猝滅原理，測(cè)量精度相對(duì)較高，適用于所有養(yǎng)殖方式，可以測(cè)定沒(méi)有流速的養(yǎng)殖水含氧量。常用于多參數(shù)水質(zhì)分析儀和在線監(jiān)控系統(tǒng)中，雖然一次性投入成本高，但一般探頭壽命為2～3a，不像極譜法需要頻繁更換電極。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 連接技術(shù)

帶無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能的智能監(jiān)控系統(tǒng)在示范基地、科研場(chǎng)地應(yīng)用較多，但在工程實(shí)施中避免了大工作量的通訊管線、供電線路的鋪設(shè)，必定是未來(lái)推廣普及的方向。智能監(jiān)控系統(tǒng)相應(yīng)開(kāi)發(fā)出電腦操作終端和手機(jī)app，真正實(shí)現(xiàn)了在線控制，及時(shí)管理的目的。

現(xiàn)有的溶解氧傳感器無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)有Zigbee、藍(lán)牙、WIFI。高端便攜式溶解氧分析儀一般機(jī)身內(nèi)整合了藍(lán)牙傳輸模塊，數(shù)據(jù)可以直接發(fā)送到手機(jī)或筆記本上備份。而Zigbee是為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化控制而建立的網(wǎng)絡(luò)模式，雖然屬于低速率傳輸，但完全滿足測(cè)量數(shù)據(jù)的發(fā)送接收。低功耗，僅靠電池驅(qū)動(dòng)即可，每個(gè)傳感器可自組網(wǎng)，再通過(guò)中繼器擴(kuò)大傳輸至電腦終端，是多站位在線監(jiān)控系統(tǒng)的主要形式。像離岸較遠(yuǎn)的深水網(wǎng)箱、海水網(wǎng)箱等，就需要運(yùn)用GPRS、GSM移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[5]。

2.2 預(yù)警機(jī)制

以往養(yǎng)殖戶按照自身經(jīng)驗(yàn)，一般會(huì)把溶解氧≤3mg/L定為潛在風(fēng)險(xiǎn)值。許多學(xué)者也對(duì)溶解氧預(yù)測(cè)預(yù)警建模進(jìn)行了探討[6，7]。整套預(yù)測(cè)預(yù)警體系一般包括：前期天氣特征，可用溫度、氣壓等氣象因子來(lái)判斷;觸發(fā)條件，可用降水、相對(duì)濕度等作為指標(biāo);實(shí)時(shí)水質(zhì)指標(biāo)，一般結(jié)合多參數(shù)探頭數(shù)據(jù)，如pH、葉綠素a濃度等;預(yù)測(cè)數(shù)值模擬，運(yùn)用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等進(jìn)行預(yù)警。如今，智能溶解氧監(jiān)控系統(tǒng)不僅可以根據(jù)實(shí)際情況手動(dòng)設(shè)定溶解氧警戒閾值，與增氧機(jī)的開(kāi)關(guān)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，而且還內(nèi)置預(yù)測(cè)預(yù)警機(jī)制，供養(yǎng)殖戶參考，實(shí)施自動(dòng)調(diào)控。

3 日常維護(hù)

3.1 ?探頭保養(yǎng)

在淡水養(yǎng)殖中，由于水體濁度較高或者浮游動(dòng)植物密度較大，測(cè)定探頭容易被附著遮擋;在海水養(yǎng)殖中，高鹽度環(huán)境容易導(dǎo)致探頭腐蝕，電解液流失。故溶解氧監(jiān)控設(shè)備無(wú)論應(yīng)用于何種養(yǎng)殖方式，必須定期用自來(lái)水清洗探頭。有條件配備智能監(jiān)控系統(tǒng)的，建議配備自動(dòng)清洗刷或超聲波清洗裝置，有效延長(zhǎng)探頭壽命。

針對(duì)極譜式溶解氧測(cè)定探頭的，會(huì)經(jīng)常遇到電解液滲漏，探頭頂部有氣泡的情況（見(jiàn)圖8）。如有配備耗材，可自行更換，操作流程如下：棄舊探頭蓋膜，倒掉舊電解液，用新電解液潤(rùn)洗探頭;將新蓋膜倒置，向里面倒?jié)M新電解液，手指彈或超聲震蕩排出溶液內(nèi)氣泡;將探頭垂直緩慢插入電解液中，擰緊蓋膜;把探頭直立，若蓋膜內(nèi)沒(méi)有浮出氣泡，則進(jìn)行氣壓校正即可。而熒光法探頭，在與運(yùn)作正常的便攜式分析儀或?qū)嶒?yàn)室分析數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)后，若衰減嚴(yán)重?zé)o法校正，建議整個(gè)更換。

3.2 顯示模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊維護(hù)

數(shù)顯式溶解氧實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的顯示模塊和數(shù)據(jù)模塊一般固定在岸邊的線樁上，為避免塑料配件老化或潮濕漏電斷路，日常應(yīng)注意遮陽(yáng)擋雨，配備雨蓬或安置專用箱。如果搭建的是有線監(jiān)控平臺(tái)，布線時(shí)應(yīng)盡量走高空，撐線桿把傳輸線路掛起，這樣可以有效避免人為踐踏、車輛碾壓或者老鼠啃咬等的影響和破壞。

4 投入成本比對(duì)

4.1 便攜式溶解氧分析儀

測(cè)定溶解氧單一參數(shù)，普遍為極譜式傳感器探頭，精度可達(dá)±0.2mg/L。國(guó)內(nèi)品牌價(jià)格范圍在1500～2500元，如上海雷磁JPB系列、上海三信SX系列等。部分型號(hào)配備蓋膜、電解液等更換耗材，整支探頭使用壽命約1～2a。

4.2 數(shù)顯式溶解氧監(jiān)控儀

測(cè)定溶解氧單一參數(shù)，一般配備熒光式傳感器探頭，正常使用壽命3a。需布設(shè)線管或立線樁，保障供電。國(guó)產(chǎn)品牌購(gòu)入價(jià)在5000元以上，如南京魚(yú)兒樂(lè)、廣東漁易、康宇等。

4.3 多參數(shù)在線智能監(jiān)控系統(tǒng)

可按需選配多點(diǎn)溶解氧測(cè)定，或單點(diǎn)集成水溫鹽度探頭、pH探頭、氨氮硝酸鹽氮等光學(xué)探頭。有線連接設(shè)備在3萬(wàn)元以上，無(wú)線連接集成手機(jī)端、電腦端操作軟件的智能監(jiān)控系統(tǒng)初始投入成本更高，維護(hù)費(fèi)視測(cè)定探頭、傳輸模塊的損耗情況而定。

5 結(jié)論

本文從養(yǎng)殖管理實(shí)踐的角度分析了各類溶解氧監(jiān)控設(shè)備的選擇應(yīng)用，引導(dǎo)養(yǎng)殖戶根據(jù)自身情況合理配備，具有一定的參考意義。當(dāng)下病害多發(fā)，水環(huán)境惡化問(wèn)題突出，不少水產(chǎn)品種如對(duì)蝦、鱖魚(yú)等的養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)正面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。溶解氧監(jiān)控設(shè)備的推廣普及，不僅是從“靠天吃飯”到 “科技改變命運(yùn)”的觀念轉(zhuǎn)變，而且是智慧漁業(yè)的體現(xiàn)，是整個(gè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要組成部分。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：

關(guān)炯暉（1987-），男，環(huán)境工程專業(yè)碩士，環(huán)境保護(hù)工程師。研究方向：漁業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)。