水质动态辨识监测与药剂智能配制排放系统的研发应用

＊侯凌玉 胡世雄 刘一鸣

（1.河南理工大学 河南 454003 2.黄河交通学院 河南 454950）

引言

当前，针对在密闭水域进行的水产养殖，尽管养殖者也采取了许多水质处理措施，但是由于生物资源量大，密度高和饲料多等原因，水体富营养化仍然经常发生，常常不能保证长期稳定适宜的水质环境。而养殖水体的水质对于水产品的质量有至关重要的作用，低质量的水产品以及缺乏安全保障等问题严重制约中国水产养殖业的快速发展。水质的调节与控制对于生产高效、优质的水产品就显得尤为重要。此外，城市水文景观以人工湖为例，其生态自净能力脆弱，一旦受到污染物的冲击，水质会迅速恶化，景观效果大为降低，甚至成为臭水汇集之地。若通过换水的方式来改善已污染的水质状况，既不经济又不利于可持续发展，是对水资源的一种浪费。用装置进行实时动态监测水质，在水质恶化初期及时反馈并投放相应药物，从而扼制水质恶化趋势，这种人工智能结合物理、化学法去治理人工湖，并缓解水体质量的恶化程度，不失为一种较可行的方案。

1.水产养殖及城市水文景观存在的问题

(1)水产养殖存在的问题

①水产养殖环境存在污染

水产养殖环境主要会受到三方面的影响：农业生产、工业生产和居民生活用水。农业生产中使用的农药、化学肥料等通过污染地表水和地下水，间接影响水产养殖水质。地表水和地下水的污染对其影响严重时，不但会导致水产品大面积死亡，影响经济效益；毒素还会在水产品体内积累，而人食用受污染的水产品，就会引发健康问题。工业生产产生的工业废水中含有大量的重金属，不加处理后的排放会导致水体发生严重污染，破坏水产品的水生态系统。居民生活废水中所含有的清洁剂、油脂等，也会引起水质污染。

②水产养殖模式不合理

当前不少养殖户不当的养殖方式、管理模式，还达不到国家环保要求。水产养殖模式不合理主要体现在以下三个方面。一是以减少租金成本，获取更多利润为目的的高密度养殖，加大了水体负荷，提高了病害发生几率；二是养殖品种搭配不合理导致的饲料过度投放，多余的饲料会发生沉积且分解出有害物质，水质变肥变差；三是长期单一品种养殖导致的水体中菌类、藻类失衡以及细菌、病毒逐渐适应水体的不利现象。这些问题都会最终影响水产养殖环境，使得水产品质量安全难以得到保障。

③渔药残留问题

部分水产养殖户缺少专业培训，往往会通过过量使用杀虫剂或抗生素治疗水产疾病，却在不经意间诱发水体细菌的耐药性，使得药物疗效下降，水产品的质量安全受到影响。同时使用过量的渔用药物也会在水产品体内发生残留，导致水产品体内药物残留量过高，对食用者的健康造成影响。

(2)以人工湖为例的城市水文景观存在的水质问题

城市内人工湖与大江、大河相比，它的汇水面积小，水量小，自净能力弱，而且水体水质与湖库驳岸的生态性要求高，与四周环境紧密联系，受到污染的风险大，富营养化风险极高。

随着人类对水资源开发利用程度不断增强以及水环境污染的增加，水体富营养化存在着潜在的发展趋势。一旦水体发生富营养化，其治理极其棘手，不仅要花费大量的人力、物力，更重要的是造成宝贵的水资源的大量浪费，使区域资源的永续利用，经济社会的可持续发展受到严重制约。人工湖水质问题有反复出现的现象，一次的治理不能永久地改善湖内水环境问题，降水形成地表径流，不可避免地造成地表污染物的流入。另外，人为因素也是不可避免的现象。水体一旦污染导致人工湖内动植物被污染，使本就脆弱的人工湖的生态系统进一步恶化，对人工湖内水生态造成不可逆的影响。

随着科学技术的发展和经验的积累，上述水产养殖及城市水文景观存在的诸多问题，可以结合人工智能及自动控制技术，通过研发应用水质动态检测监测与化学制剂自动配制排放系统加以解决。

2.水质动态辨识监测与药剂智能配制排放系统的设计研发

(1)研发目的

该系统的研发，目的是服务于密闭水域水产养殖和城市水文景观建设的水质监测及智能改善，由水质动态辨识监测系统和药剂智能配制与排放系统等组成，期间应用stm32单片机控制，最终实现以下三项功能：实时水质监测、药物智能配置和远端智能操控。

系统通过监测特定的水质指标（如DO、pH、水温，导电率/TDS等）反映出水体水质是否符合用户需求。这些被监测的数据会传递到用户手机App中，接受到数据的App不仅会将信息传达给客户，也会根据实际水质指标数据与用户需求水质的差距，分析出需要投放的药物原料用量及配比，然后利用stm32单片机远程控制装置的各个部件，再通过药物智能配置系统，将提前在原料桶中放好的原料（如卤素类，重金属盐类，微生物类等）按照所需比例要求混合配置和投放，使整个装置成为一个可以实现远端智能操控的完整装置，并且实现水质的持续改善。

最终通过整个系统的构建，在养殖场的进水阶段便安放此系统，就可以在进水口进行直接药物投放，从而提供适宜的水体，提高水产品的生存几率，加快水产品的生长速度，从而达到提高经济效益的目的；在水文城市景观，实时监测水质，实现水质问题“早发现，早治疗”，提供更舒适的居住环境，促进“人水和谐”，从而减轻在水文景观整修保持方面的经济负担。

(2)水质改善装置的结构组成

水质动态辨识监测与药剂智能配制排放系统的功能实现，主要依靠水质改善装置，如图1所示，该图为该装置内部结构的三视图，有正视图、侧视图和俯视图三张图构成。装置也主要由三部分组成：药剂投放装置、水质动态监测装置以及智能化远程控制装置。

图1 水质改善装置三视图

①药剂投放装置

药剂投放装置的目的是实现药剂与水的配比混合，由进水管道和注水装置原料桶组成。该装置部分外接一个软性皮套管，使得运输不同材料的运输管可以与设备相连接。装置运作时进水管道进水，原料桶释放药剂，二者同时排放到各自出口前端连接的公共管道（公共管道中嵌套的小型管道）内部进行混合和储存，最终通过小型管道上面的孔洞来实现药剂的排放。

②水质动态监测装置

水质动态监测装置直接利用市面上现有的水质监测仪器经过连接进入整个系统，同时配合数据传输设备形成一个可视化的水质监测系统。用户可以根据不同的经济预算，水质指标需求重点，选取更贴合自身需求的监测装置，使系统更加灵活地适配不同的客户需求。通过水质监测仪监测的水中温度、pH、导电率/TDS、溶解氧浓度与饱和度等数据，传输进手机App中，达到数据及时可视，动态监测；再根据App系统智能处理数据，提供改善方案，即药物投放比例建议。

③智能化远程控制装置

智能化远程控制装置，以stm32单片机作为中央控制系统，通过蓝牙模块与手机App建立其联系，根据水质监测装置反馈的数据，通过一系列算法，推算出所需药剂原料的用量，通过stm32单片机智能控制水泵的开关，使原料与水体按照预定的比例进行混合配置，并通过stm32单片机控制装置出水口的开关，使配置好的原料水均匀地排放到水池中，从而远程实现一键配置原料及排放功能。

3.药剂投放装置原料桶存放药剂类型

原料桶存放内容种类多样化，可存放用于水产养殖病害治疗的药剂，也可存放用于水质净化的物质。根据水产养殖及人工湖的特点，一般投放预存的药剂类型有以下四类：卤素类、重金属盐类、磺胺类和微生物类。

卤素类包括用于治疗细菌性鱼病的漂白粉（含氯石灰），利用其渗透作用杀灭体外寄生原生动物及微生物的食盐（氯化钠），以及具有强大的杀病原体作用的碘；重金属盐类包括多用于治疗鱼虾类疾病，防治寄生性鳃病和皮肤病的硫酸铜（蓝矾、石胆），预防双穴吸虫病和血居吸虫病等的氯化铜（二氯化铜），以及用以防治水霉病及治疗创伤的重铬酸钾；磺胺类包括用以治疗鱼类的肠炎病、赤皮病和竖鳞病的磺胺嘧啶；微生物类包括光合成细菌，酵母——单细胞蛋白和微生物性饲料添加剂等。

将所需药剂提前放入原料桶中，在水质出现变化时，基于不同水质要求的水体药剂智能选择与添加的自控系统，可以达到及时进行不同水质条件下的药剂自动选择、定量添加与长期动态调节，从而促进不同水体水质要求的长期稳定性，对可能出现的养殖病害及时预防和定量治疗，一定程度上减小了人工压力，养殖户无需根据经验或直觉随意用药，提高了养殖过程的科学性。

4.结论

水质动态辨识监测与药剂智能配制排放系统基于不同用途水质要求的不同离子动态监测与数据分析系统，实现了不同水体离子自动辨识监测与分析，促进了不同水质多样性动态辨识分析，为水质智能恢复提供了依据；基于不同水质要求的水体药剂智能选择与添加的自控系统，实现了不同水质条件下的药剂自动选择、定量添加与长期动态调节，促进了不同水体水质要求的长期稳定性；本研究将水体动态辨识监测装置与智能选控恢复装置通过智能控制集于一体，实现了不同水体水质辨识监测与智能选控的动态耦合；通过智能优选控制水生态调节与饲养调节等多功能一身，实现了系统应用的便捷、省时、高效，大大降低水产养殖的门槛，便捷一键式地控制城市中多个人工湖中菌剂的排放，进而控制多个湖泊的水生态调节。