養殖水溶解氧監控設備的選擇與維護

關炯暉 黎俊旺 鄧樂平 鄧煒樓

摘 要：隨著產業升級，溶解氧監測相關產品日漸成熟，開始向一線養殖戶推廣普及，配備1套合適的溶解氧監控設備將對水產養殖管理和病害防控起積極作用。本文分別闡述了溶解氧監控設備在不同養殖方式、擺放位置和連接模式的設計思路，在如何合理選擇探頭配置，開展日常維護和計算投入成本上進行了探討。通過從養殖管理實踐的角度分析各類溶解氧監控設備的選擇應用，引導養殖戶根據自身情況合理配置，具有一定參考意義。

關鍵詞：溶解氧;監控設備;選擇;維護

中圖分類號：S22

文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190815022

前言

隨著養殖觀念的轉變，更多養殖戶從原來“治病”為主的管理方式慢慢轉變為“防控”為主，對養殖水環境的調控越來越重視。pH、氨氮、亞硝酸鹽氮、個別重金屬離子濃度等指標可以通過試劑盒定量。因為其在高濃度時相對準確、操作簡便且投入成本較低，所以這種水質監測方式已被一線養殖戶接受并得到廣泛應用。水體中溶解氧直接影響水產動物和浮游生物生長，含量持續過低可導致浮頭、泛塘，在養殖水生態環境中作用十分關鍵。過去，養殖戶往往憑自己的經驗去判斷，難免會有措施不及時或造成誤判的風險。目前，各類傳輸技術的發展、傳感器技術成熟和相關產品的批量生產，使養殖水質實時監測從試驗研究轉向推廣應用，單一溶解氧或結合多參數水質智能監控系統將逐步取代手動監測。

國內對養殖水質智能監控的研究從未停下腳步，中國農業大學、西安交通大學等高校的科研團隊相繼研發出了完整的養殖水環境智能監測系統[1]，意在推動現代漁業發展。從2010年開始，在農業部和地方相關部門的大力扶持下，部分省市已建立起了多個采用水環境監控系統的物聯網水產養殖示范基地，對水溫、溶解氧、pH等進行在線監控，在及時調節水質、預測各種病害等方面都達到了較理想的效果[2]。國內廠商生產的便攜式或在線多參數水質監測儀，如上海雷磁公司的JPB、SJG系列[3]、無錫中科水質公司的BEWs系列已經推向市場。

近幾年不乏整套監控系統的設計研究，也有相關應用效果的評價，但針對不同養殖方式水體溶解氧監測設備適用性和產品分析的文章較少，且缺少對養殖生產一線所需日常維護與投入成本比對。本文分別闡述了溶解氧監控設備在不同養殖方式、擺放位置和連接模式的設計思路，在探頭配置選擇、投入成本計算和日常維護操作方面進行對比分析。

1 硬件分類選擇

在實際養殖生產中，溶解氧實時監控設備一般分為便攜式溶解氧測定儀和溶解氧智能在線監控系統2大類。設備的選用，可根據其應用范圍、擺放位置和探頭類別的不同進行設計配置。

1.1 應用范圍

池塘養殖、工廠化養殖、網箱養殖等都適合配備溶解氧實時監控設備。

1.1.1 土塘養殖大多土塘養殖仍采用粗放型養殖模式，養殖密度不高，水體交換量少，相比密集型精養模式，土塘養殖對增氧設施、溶解氧監控設備的投入也相對較少。故土塘養殖水溶解氧監控設備宜按養殖面積選配。養殖水面≤50hm2可選用便攜式溶解氧測定儀進行定時定點的人工檢測（見圖1）;50hm2<養殖水面≤100hm2，養殖品種單一的，可選取一張靠近料庫的小塘作為監測代表塘，以此估算其他塘的溶解氧水平;養殖水面更大，且劃分成多個小塘的，建議安裝實時監控系統（見圖2），以便觀察大面積水面實時情況，節省人力。

1.1.2 高位池、工廠化養殖

因為具有底排污、水體交換率較高等優勢，且養殖總面積相對較小，池塘間隔小，所以選用便攜式溶解氧測定儀是一個既便捷又低投入的方案。

1.1.3 網箱養殖

養殖網箱一般選址在水庫、湖泊或離岸較遠的海域，部分浮水型網箱可移動。由于養殖水面較大，且日常管理大多需要工具船往來，故優先推薦安裝無線智能監控系統進行遠程監控（見圖3）。

1.2 位置擺放

溶解氧在線監控設備按照位置擺放可以分為原位和異位（抽水式），具體設計還要綜合考慮布線的問題。

1.2.1 原位擺放

一般安置在塘邊料臺或者連接增氧機，有線連接的控制器和顯示模塊可固定在電線樁上，這樣既解決設備供電問題，又能簡化布線。如條件允許，可以運用無線實時監測系統進行多點布局。

1.2.2 異位擺放

抽水式溶解氧監控系統更多用于示范基地或科研站點，可設立暗站放置監控設備（見圖4），避免地形和潮汐導致的水位水流變化影響，不能固定傳感器的養殖區域也可選用。這種監控設備一般集成多參數光化學探頭（見圖5），配備無線傳輸模塊和預警功能，好處是可以同時進行多個水質指標分析，缺點是有一定的抽水距離，某些指標可能受輕微影響，導致測定數據與實際狀況存在誤差。

1.3 探頭的選擇

溶解氧實時測定方法主要有2種，極譜式和熒光式[4]。個別廠家的相關探頭產品也已經成熟，即便與國外同類產品在測量精度上還存在一定差距，但功能操作和價格上具有比較大的優勢。

1.3.1 極譜式

極譜式溶解氧傳感器的基本結構包括一個銀質的陽極和在頂端呈環形的金質的陰極，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傳導（見圖6）。國產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，得到較多養殖戶的青睞。該法適合具流動性的養殖水體，必要時可搖動攪拌探頭提高測量精度。但在實際操作時，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。

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的干擾（見圖7）。這種傳感器基于熒光猝滅原理，測量精度相對較高，適用于所有養殖方式，可以測定沒有流速的養殖水含氧量。常用于多參數水質分析儀和在線監控系統中，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 軟件設計

2.1 連接技術

帶無線數據傳輸功能的智能監控系統在示范基地、科研場地應用較多，但在工程實施中避免了大工作量的通訊管線、供電線路的鋪設，必定是未來推廣普及的方向。智能監控系統相應開發出電腦操作終端和手機app，真正實現了在線控制，及時管理的目的。

現有的溶解氧傳感器無線數據傳輸技術有Zigbee、藍牙、WIFI。高端便攜式溶解氧分析儀一般機身內整合了藍牙傳輸模塊，數據可以直接發送到手機或筆記本上備份。而Zigbee是為工業現場自動化控制而建立的網絡模式，雖然屬于低速率傳輸，但完全滿足測量數據的發送接收。低功耗，僅靠電池驅動即可，每個傳感器可自組網，再通過中繼器擴大傳輸至電腦終端，是多站位在線監控系統的主要形式。像離岸較遠的深水網箱、海水網箱等，就需要運用GPRS、GSM移動通信網絡進行數據傳輸[5]。

2.2 預警機制

以往養殖戶按照自身經驗，一般會把溶解氧≤3mg/L定為潛在風險值。許多學者也對溶解氧預測預警建模進行了探討[6，7]。整套預測預警體系一般包括：前期天氣特征，可用溫度、氣壓等氣象因子來判斷;觸發條件，可用降水、相對濕度等作為指標;實時水質指標，一般結合多參數探頭數據，如pH、葉綠素a濃度等;預測數值模擬，運用RBF神經網絡模型等進行預警。如今，智能溶解氧監控系統不僅可以根據實際情況手動設定溶解氧警戒閾值，與增氧機的開關進行聯動，而且還內置預測預警機制，供養殖戶參考，實施自動調控。

3 日常維護

3.1 ?探頭保養

在淡水養殖中，由于水體濁度較高或者浮游動植物密度較大，測定探頭容易被附著遮擋;在海水養殖中，高鹽度環境容易導致探頭腐蝕，電解液流失。故溶解氧監控設備無論應用于何種養殖方式，必須定期用自來水清洗探頭。有條件配備智能監控系統的，建議配備自動清洗刷或超聲波清洗裝置，有效延長探頭壽命。

針對極譜式溶解氧測定探頭的，會經常遇到電解液滲漏，探頭頂部有氣泡的情況（見圖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，用新電解液潤洗探頭;將新蓋膜倒置，向里面倒滿新電解液，手指彈或超聲震蕩排出溶液內氣泡;將探頭垂直緩慢插入電解液中，擰緊蓋膜;把探頭直立，若蓋膜內沒有浮出氣泡，則進行氣壓校正即可。而熒光法探頭，在與運作正常的便攜式分析儀或實驗室分析數據進行比對后，若衰減嚴重無法校正，建議整個更換。

3.2 顯示模塊、數據傳輸模塊維護

數顯式溶解氧實時監控設備的顯示模塊和數據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，日常應注意遮陽擋雨，配備雨蓬或安置專用箱。如果搭建的是有線監控平臺，布線時應盡量走高空，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

4.1 便攜式溶解氧分析儀

測定溶解氧單一參數，普遍為極譜式傳感器探頭，精度可達±0.2mg/L。國內品牌價格范圍在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 數顯式溶解氧監控儀

測定溶解氧單一參數，一般配備熒光式傳感器探頭，正常使用壽命3a。需布設線管或立線樁，保障供電。國產品牌購入價在5000元以上，如南京魚兒樂、廣東漁易、康宇等。

4.3 多參數在線智能監控系統

可按需選配多點溶解氧測定，或單點集成水溫鹽度探頭、pH探頭、氨氮硝酸鹽氮等光學探頭。有線連接設備在3萬元以上，無線連接集成手機端、電腦端操作軟件的智能監控系統初始投入成本更高，維護費視測定探頭、傳輸模塊的損耗情況而定。

5 結論

本文從養殖管理實踐的角度分析了各類溶解氧監控設備的選擇應用，引導養殖戶根據自身情況合理配備，具有一定的參考意義。當下病害多發，水環境惡化問題突出，不少水產品種如對蝦、鱖魚等的養殖產業正面臨嚴峻考驗。溶解氧監控設備的推廣普及，不僅是從“靠天吃飯”到 “科技改變命運”的觀念轉變，而且是智慧漁業的體現，是整個產業轉型升級的重要組成部分。

參考文獻

[1]卜世杰. 水產養殖環境智能監測系統的開發[D]. 蘭州交通大學，2016.

[2] 王明磊. 基于無線終端的水產養殖環境監測與控制系統研究與設計[D]. 華北水利水電大學，2017.

[3] 上海儀電科學儀器股份有限公司[J]. 中國儀器儀表，2012（52）：116-118.

[4] 房景輝，鄒健，劉毅，等.基于物聯網技術的水質監測系統中不同溶解氧傳感器應用效果初探[J].山東農業科學，2016，48（04）：134-138.

[5] 肖瑞超，位耀光，他旭翔，等.工廠化水產養殖水質監測系統[J].水產學雜志，2017，30（05）：51-56.

[6] 黃永平，劉可群，蘇榮瑞，等. 淡水養殖水體溶解氧含量診斷分析及浮頭泛塘氣象預報[J].長江流域資源與環境，2014，23（05）：638-643.

[7] 馬從國，王建國，周恒瑞. 國內養殖池塘溶解氧智能監測與調控研究進展[J]. 中國農機化學報，2016，37（03）：261-264.

作者簡介：

關炯暉（1987-），男，環境工程專業碩士，環境保護工程師。研究方向：漁業生態環境監測。