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基于水质监测技术的水产养殖安全保障系统及应用
刘兴国1,2，刘兆普2※，王鹏祥1，苗雷
（1．中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海200092； 2．南京农业大学资源与环境学院，南京210095）
摘要：为解决水产养殖中的风险问题，设计了基于水质监测技术的水产养殖安全保障系统。系统由水质监测与信息处理系统、电路控制系统、增氧和投饲设备组成，系统根据养殖水体的溶氧变化调控增氧、水层交换和投饲。常规淡水鱼池塘养殖情况下，安全增氧时间不低于6.2 h/w·d·kg，机械增氧下限为3 mg/l，上限为5 mg/l，上限运行时滞为0.5～1 h，水层交换时滞为1～2 h。应用表明，系统比传统增氧方式节约运行时间33.4%，平均降低饲料系数21.6%，系统具有节能、节饲和保障养殖安全的效果。
关键词：水产养殖，水质监测，智能控制
引言
增氧和投饲机械是水产养殖生产中使用广泛的养殖机械设备。养殖生产设备的使用极大的提高了养殖生产效率，减轻了劳动力，但目前多数增氧、投饲设备是靠经验操控的，养殖生产受人为因素影响很大，存在着很大的盲目性和风险性。尤其在高密度养殖情况下，常常因为不能及时增氧给养殖生产造成重大损失；在投喂过程中不能根据鱼类吃食情况进行投饲控制，造成饲料浪费和水质污染。
20世纪90年代以来，随着水质监测技术的快速发展，人们开始研究基于养殖水质的养殖管理技术和调控技术。前期的研究主要集中在水质在线监测方面，如宋敬德等[1]开发的工厂化水产养殖的多点水质在线监测系统。陈芙蓉等[2]研制的养殖水质微机自动监测系统，马从国等[3]设计的基于plc工厂化水产养殖监控系统等。在养殖水质调控研究方面，刘星桥等[4]对水产养殖多环境因子控制系统进行了研究，朱文锦等[5]研究了水产养殖环境参数自动监控系统，陈敏等[6]研究了高密度水产养殖自控生态型大棚的水质净化技术，朱明瑞等[7]研究了工厂化水产养殖溶解氧自动监控系统等等。在国外，hamiltion s.j.et [8]研制了一种经济适用的水质养殖监测系统，losordo tm.et. [9]，ginns c.r.et. [10]分别开展了养殖水质在线监测系统研究。ebeling j.m. [11]研制了基于计算机管理的养殖水质在线系统。，国内外的相关研究很多，但都缺乏针对养殖安全生产保障的系统性研究，这些系统在稳定性、经济性等方面还存在着许多问题，难以在养殖生产尤其是池塘养殖生产中使用。本文在借鉴国内外相关研究方法的基础上，通过研究建立水产养殖机械增氧参数和饲料投喂模型，利用水质实时监测技术、数据信息处理以及电路控制技术，控制池塘水产养殖的增氧和投饲，将水质实时状况反映到增氧和投饲过程，实现了水产养殖的智能增氧和投喂，达到了节电、节饲、降低养殖污染、提高养殖效益的目的。
1 水产养殖安全保障系统的设计思路
水体中的溶解氧是养殖生物Zui重要的生存依赖因子,调控水体的溶氧量是水产养殖管理中的重要措施[12]。本系统的设计思路是：根据养殖水体中溶解氧的变化规律建立机械增氧和投饲的控制参数，利用水质在线监测与电路控制技术对增氧机械和投饲设备进行调控，解决传统养殖生产中的盲目性问题，保障水产养殖生产的顺利进行。水产养殖安全保障系统（图1）主要有水质在线监测与信息处理系统、电路控制系统、增氧投饲设备等。水质在线监测主要由一个极谱式溶氧探棒，把水体中的溶氧、温度等信息传递给信息处理系统，极谱式溶氧探棒具有自我检查和温补偿等功能，其溶氧测量范围为0～99.9 mg/l，分辨率为±0.2%。信息处理系统是一个单芯片微电脑，具有水体溶氧、ph 值、温度等数据处理功能，并通过继电器电流信号把控制指令传递给电路控制系统。电路控制系统主要由稳压器、空气开关、继电器等组成，来自信息处理系统的信号通过电路控制系统对增氧、投饲设备进行控制。增氧设备主要是增氧机械，投饲设备为自动投饲机。
图1 系统工艺图
fig.1 sketch of the a security guarantee system
2 水产养殖安全保障系统的理论、结构和功能
2.1 机械增氧理论
不同增氧机械的动力效率差异很大，本系统选用水产养殖中常用的叶轮式增氧机，增氧机在养殖水体中的配置为0.75 w/m2[13,14]。
参考wprd ＆ olah模型[12]、steeby养殖底质呼吸耗氧模型[15]、culberson ＆ piedrahita 水温和溶氧预测模型[16]、孙耀和陈聚法水产养殖溶氧收支模型[17]、boyd[7]养殖水体溶氧预测动力学模型和水产氧迁移模型。江浙地区池塘水产养殖的机械增氧模型为：
水产养殖所需机械增氧量aeration =（rw+y）-airdiffuse
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