养殖水溶解氧监控设备的选择与维护

关炯晖 黎俊旺 邓乐平 邓炜楼

摘 要：随着产业升级，溶解氧监测相关产品日渐成熟，开始向一线养殖户推广普及，配备1套合适的溶解氧监控设备将对水产养殖管理和病害防控起积极作用。本文分别阐述了溶解氧监控设备在不同养殖方式、摆放位置和连接模式的设计思路，在如何合理选择探头配置，开展日常维护和计算投入成本上进行了探讨。通过从养殖管理实践的角度分析各类溶解氧监控设备的选择应用，引导养殖户根据自身情况合理配置，具有一定参考意义。

关键词：溶解氧;监控设备;选择;维护

中图分类号：S22

文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190815022

前言

随着养殖观念的转变，更多养殖户从原来“治病”为主的管理方式慢慢转变为“防控”为主，对养殖水环境的调控越来越重视。pH、氨氮、亚硝酸盐氮、个别重金属离子浓度等指标可以通过试剂盒定量。因为其在高浓度时相对准确、操作简便且投入成本较低，所以这种水质监测方式已被一线养殖户接受并得到广泛应用。水体中溶解氧直接影响水产动物和浮游生物生长，含量持续过低可导致浮头、泛塘，在养殖水生态环境中作用十分关键。过去，养殖户往往凭自己的经验去判断，难免会有措施不及时或造成误判的风险。目前，各类传输技术的发展、传感器技术成熟和相关产品的批量生产，使养殖水质实时监测从试验研究转向推广应用，单一溶解氧或结合多参数水质智能监控系统将逐步取代手动监测。

国内对养殖水质智能监控的研究从未停下脚步，中国农业大学、西安交通大学等高校的科研团队相继研发出了完整的养殖水环境智能监测系统[1]，意在推动现代渔业发展。从2010年开始，在农业部和地方相关部门的大力扶持下，部分省市已建立起了多个采用水环境监控系统的物联网水产养殖示范基地，对水温、溶解氧、pH等进行在线监控，在及时调节水质、预测各种病害等方面都达到了较理想的效果[2]。国内厂商生产的便携式或在线多参数水质监测仪，如上海雷磁公司的JPB、SJG系列[3]、无锡中科水质公司的BEWs系列已经推向市场。

近几年不乏整套监控系统的设计研究，也有相关应用效果的评价，但针对不同养殖方式水体溶解氧监测设备适用性和产品分析的文章较少，且缺少对养殖生产一线所需日常维护与投入成本比对。本文分别阐述了溶解氧监控设备在不同养殖方式、摆放位置和连接模式的设计思路，在探头配置选择、投入成本计算和日常维护操作方面进行对比分析。

1 硬件分类选择

在实际养殖生产中，溶解氧实时监控设备一般分为便携式溶解氧测定仪和溶解氧智能在线监控系统2大类。设备的选用，可根据其应用范围、摆放位置和探头类别的不同进行设计配置。

1.1 应用范围

池塘养殖、工厂化养殖、网箱养殖等都适合配备溶解氧实时监控设备。

1.1.1 土塘养殖大多土塘养殖仍采用粗放型养殖模式，养殖密度不高，水体交换量少，相比密集型精养模式，土塘养殖对增氧设施、溶解氧监控设备的投入也相对较少。故土塘养殖水溶解氧监控设备宜按养殖面积选配。养殖水面≤50hm2可选用便携式溶解氧测定仪进行定时定点的人工检测（见图1）;50hm2<养殖水面≤100hm2，养殖品种单一的，可选取一张靠近料库的小塘作为监测代表塘，以此估算其他塘的溶解氧水平;养殖水面更大，且划分成多个小塘的，建议安装实时监控系统（见图2），以便观察大面积水面实时情况，节省人力。

1.1.2 高位池、工厂化养殖

因为具有底排污、水体交换率较高等优势，且养殖总面积相对较小，池塘间隔小，所以选用便携式溶解氧测定仪是一个既便捷又低投入的方案。

1.1.3 网箱养殖

养殖网箱一般选址在水库、湖泊或离岸较远的海域，部分浮水型网箱可移动。由于养殖水面较大，且日常管理大多需要工具船往来，故优先推荐安装无线智能监控系统进行远程监控（见图3）。

1.2 位置摆放

溶解氧在线监控设备按照位置摆放可以分为原位和异位（抽水式），具体设计还要综合考虑布线的问题。

1.2.1 原位摆放

一般安置在塘边料台或者连接增氧机，有线连接的控制器和显示模块可固定在电线桩上，这样既解决设备供电问题，又能简化布线。如条件允许，可以运用无线实时监测系统进行多点布局。

1.2.2 异位摆放

抽水式溶解氧监控系统更多用于示范基地或科研站点，可设立暗站放置监控设备（见图4），避免地形和潮汐导致的水位水流变化影响，不能固定传感器的养殖区域也可选用。这种监控设备一般集成多参数光化学探头（见图5），配备无线传输模块和预警功能，好处是可以同时进行多个水质指标分析，缺点是有一定的抽水距离，某些指标可能受轻微影响，导致测定数据与实际状况存在误差。

1.3 探头的选择

溶解氧实时测定方法主要有2种，极谱式和荧光式[4]。个别厂家的相关探头产品也已经成熟，即便与国外同类产品在测量精度上还存在一定差距，但功能操作和价格上具有比较大的优势。

1.3.1 极谱式

极谱式溶解氧传感器的基本结构包括一個银质的阳极和在顶端呈环形的金质的阴极，电极表面覆盖一张半透膜，里面充满着特制电解液用于湿润传导（见图6）。国产便携式溶解氧分析仪一般就采用这种极谱式传感器，由于初次投入不高，耗材更换便捷，得到较多养殖户的青睐。该法适合具流动性的养殖水体，必要时可摇动搅拌探头提高测量精度。但在实际操作时，半透膜和电解液容易破损或被污染，更换频率也随之增加，成为这类传感器的缺点。

1.3.2 荧光式

荧光式溶解氧传感器的荧光物是特殊的铂金属，表面覆盖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荧光物质的干扰（见图7）。这种传感器基于荧光猝灭原理，测量精度相对较高，适用于所有养殖方式，可以测定没有流速的养殖水含氧量。常用于多参数水质分析仪和在线监控系统中，虽然一次性投入成本高，但一般探头寿命为2～3a，不像极谱法需要频繁更换电极。

2 软件设计

2.1 连接技术

带无线数据传输功能的智能监控系统在示范基地、科研场地应用较多，但在工程实施中避免了大工作量的通讯管线、供电线路的铺设，必定是未来推广普及的方向。智能监控系统相应开发出电脑操作终端和手机app，真正实现了在线控制，及时管理的目的。

现有的溶解氧传感器无线数据传输技术有Zigbee、蓝牙、WIFI。高端便携式溶解氧分析仪一般机身内整合了蓝牙传输模块，数据可以直接发送到手机或笔记本上备份。而Zigbee是为工业现场自动化控制而建立的网络模式，虽然属于低速率传输，但完全满足测量数据的发送接收。低功耗，仅靠电池驱动即可，每个传感器可自组网，再通过中继器扩大传输至电脑终端，是多站位在线监控系统的主要形式。像离岸较远的深水网箱、海水网箱等，就需要运用GPRS、GSM移动通信网络进行数据传输[5]。

2.2 预警机制

以往养殖户按照自身经验，一般会把溶解氧≤3mg/L定为潜在风险值。许多学者也对溶解氧预测预警建模进行了探讨[6，7]。整套预测预警体系一般包括：前期天气特征，可用温度、气压等气象因子来判断;触发条件，可用降水、相对湿度等作为指标;实时水质指标，一般结合多参数探头数据，如pH、叶绿素a浓度等;预测数值模拟，运用RBF神经网络模型等进行预警。如今，智能溶解氧监控系统不仅可以根据实际情况手动设定溶解氧警戒阈值，与增氧机的开关进行联动，而且还内置预测预警机制，供养殖户参考，实施自动调控。

3 日常维护

3.1  探头保养

在淡水养殖中，由于水体浊度较高或者浮游动植物密度较大，测定探头容易被附着遮挡;在海水养殖中，高盐度环境容易导致探头腐蚀，电解液流失。故溶解氧监控设备无论应用于何种养殖方式，必须定期用自来水清洗探头。有条件配备智能监控系统的，建议配备自动清洗刷或超声波清洗装置，有效延长探头寿命。

针对极谱式溶解氧测定探头的，会经常遇到电解液渗漏，探头顶部有气泡的情况（见图8）。如有配备耗材，可自行更换，操作流程如下：弃旧探头盖膜，倒掉旧电解液，用新电解液润洗探头;将新盖膜倒置，向里面倒满新电解液，手指弹或超声震荡排出溶液内气泡;将探头垂直缓慢插入电解液中，拧紧盖膜;把探头直立，若盖膜内没有浮出气泡，则进行气压校正即可。而荧光法探头，在与运作正常的便携式分析仪或实验室分析数据进行比对后，若衰减严重无法校正，建议整个更换。

3.2 显示模块、数据传输模块维护

数显式溶解氧实时监控设备的显示模块和数据模块一般固定在岸边的线桩上，为避免塑料配件老化或潮湿漏电断路，日常应注意遮阳挡雨，配备雨蓬或安置专用箱。如果搭建的是有线监控平臺，布线时应尽量走高空，撑线杆把传输线路挂起，这样可以有效避免人为践踏、车辆碾压或者老鼠啃咬等的影响和破坏。

4 投入成本比对

4.1 便携式溶解氧分析仪

测定溶解氧单一参数，普遍为极谱式传感器探头，精度可达±0.2mg/L。国内品牌价格范围在1500～2500元，如上海雷磁JPB系列、上海三信SX系列等。部分型号配备盖膜、电解液等更换耗材，整支探头使用寿命约1～2a。

4.2 数显式溶解氧监控仪

测定溶解氧单一参数，一般配备荧光式传感器探头，正常使用寿命3a。需布设线管或立线桩，保障供电。国产品牌购入价在5000元以上，如南京鱼儿乐、广东渔易、康宇等。

4.3 多参数在线智能监控系统

可按需选配多点溶解氧测定，或单点集成水温盐度探头、pH探头、氨氮硝酸盐氮等光学探头。有线连接设备在3万元以上，无线连接集成手机端、电脑端操作软件的智能监控系统初始投入成本更高，维护费视测定探头、传输模块的损耗情况而定。

5 结论

本文从养殖管理实践的角度分析了各类溶解氧监控设备的选择应用，引导养殖户根据自身情况合理配备，具有一定的参考意义。当下病害多发，水环境恶化问题突出，不少水产品种如对虾、鳜鱼等的养殖产业正面临严峻考验。溶解氧监控设备的推广普及，不仅是从“靠天吃饭”到 “科技改变命运”的观念转变，而且是智慧渔业的体现，是整个产业转型升级的重要组成部分。

参考文献

[1]卜世杰. 水产养殖环境智能监测系统的开发[D]. 兰州交通大学，2016.

[2] 王明磊. 基于无线终端的水产养殖环境监测与控制系统研究与设计[D]. 华北水利水电大学，2017.

[3] 上海仪电科学仪器股份有限公司[J]. 中国仪器仪表，2012（52）：116-118.

[4] 房景辉，邹健，刘毅，等.基于物联网技术的水质监测系统中不同溶解氧传感器应用效果初探[J].山东农业科学，2016，48（04）：134-138.

[5] 肖瑞超，位耀光，他旭翔，等.工厂化水产养殖水质监测系统[J].水产学杂志，2017，30（05）：51-56.

[6] 黄永平，刘可群，苏荣瑞，等. 淡水养殖水体溶解氧含量诊断分析及浮头泛塘气象预报[J].长江流域资源与环境，2014，23（05）：638-643.

[7] 马从国，王建国，周恒瑞. 国内养殖池塘溶解氧智能监测与调控研究进展[J]. 中国农机化学报，2016，37（03）：261-264.

作者简介：

关炯晖（1987-），男，环境工程专业硕士，环境保护工程师。研究方向：渔业生态环境监测。