■ 彭 飛 宋雨龍 張麗梅 陳建明 王紅英

(1.北京工商大學(xué)，北京 100048；2.浙江省淡水水產(chǎn)研究所，浙江湖州 313001；3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083)

中國是世界上最大的水產(chǎn)養(yǎng)殖和消費大國，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅猛。隨著我國水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)?；⒓s化、工廠化和產(chǎn)業(yè)化步伐的加快，高密度水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)應(yīng)用范圍越來越廣，養(yǎng)殖水體的溶氧水平影響著動物的生存、生長和繁殖，是影響?zhàn)B殖成敗和養(yǎng)殖效益的關(guān)鍵[1]。實際水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中水體溶氧水平往往不達標(biāo)，從而影響飼料系數(shù)，增加了養(yǎng)殖風(fēng)險[2]，當(dāng)水體溶氧低于一定水平時，需要通過機械、化學(xué)、生物等方式補充水體溶氧量；其中，機械增氧是最有效的增氧方式，能夠增加水體溶氧度、改善水質(zhì)，對水產(chǎn)養(yǎng)殖具有重要作用。

1 增氧設(shè)備的主要類型及研究進展

我國的增氧設(shè)備研究始于20世紀(jì)70年代[3]，經(jīng)過近半個世紀(jì)的發(fā)展，各種不同類型、不同功率、不同效能的增氧設(shè)備不斷研制出來，并得到廣泛應(yīng)用，進而推動了現(xiàn)代漁業(yè)的發(fā)展。增氧機的種類很多，增氧原理各有不同，目前水產(chǎn)養(yǎng)殖中常見的機械增氧設(shè)備主要有微孔曝氣式增氧[4]、射流式增氧[5]、水車式增氧[6]、涌浪式增氧[7]以及其他類型增氧等，下面對幾種典型增氧機的特點以及其研究進展進行綜述。

1.1 微孔曝氣式增氧機

微孔曝氣式增氧機主要由羅茨風(fēng)機、輸氣管和曝氣微孔組成，其通過輸氣管將空氣輸送到曝氣微孔處形成微小氣泡，達到增氧目的；曝氣微孔冒出的微小氣泡，與水接觸面積大，增氧效率較高[8]。Roy 等[9]優(yōu)化了微孔曝氣式增氧機的性能，開發(fā)了一種多孔池化圓形梯級(PPCSC)曝氣增氧裝置配合ANN-PSO（人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-粒子群優(yōu)化算法）技術(shù)，提高了曝氣增氧機的增氧性能和增氧效果。Muramulla 等[10]設(shè)計的漂浮式微孔曝氣增氧系統(tǒng)，利用浮子太陽能光伏(SPV)模塊為5 個微孔曝氣增氧機供電，有效提升了水體含氧量。毛海濤等[11]設(shè)計了一種大水體太陽能自動增氧裝置，利用光伏發(fā)電系統(tǒng)供能，利用溶氧檢測元件確定水體溶氧量，并根據(jù)氧濃度是否達標(biāo)啟停該裝置，實現(xiàn)對大水域的增氧作業(yè)。Rahayani 等[12]設(shè)計了一款自動投餌微孔曝氣系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測池塘溫度、水質(zhì)和水體溶氧量等指標(biāo)，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)實時調(diào)整餌料投喂和溶氧水平，實現(xiàn)凡納濱對蝦養(yǎng)殖收益的最大化。Badrul 等[13]提出利用柔性連接桿水體增氧的方法，可以降低增氧部件的制造成本；對形狀進行合理的設(shè)計還可以提升溶解氧效率，提高水產(chǎn)養(yǎng)殖增氧效率。綜上可知，微孔式增氧機技術(shù)含量高、增氧效果好，但是存在費用較高的問題；此外，當(dāng)輸氣管發(fā)生漏氣情況時，增氧效果會大大降低；因此需要監(jiān)控微孔增氧機的工作狀態(tài)并實時反饋。

1.2 射流式增氧機

射流增氧技術(shù)通過水泵將水吸入射流器，利用高速移動的水流產(chǎn)生負(fù)壓將空氣吸入并進行混合，形成氣液兩相流從擴散管中排出，其工作原理為通過使靜止的養(yǎng)殖水體發(fā)生擾動，起到推流和增氧的作用。Nugroho 等[14]為提升池塘養(yǎng)殖中的溶解氧水平，開發(fā)了一種基于渦輪射流原理的增氧裝置，經(jīng)過實驗驗證可以有效地提升水中溶氧量，并實現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定增氧。孫新城等[15]為提升射流式增氧機的增氧效果，提出并設(shè)計了一種具有自吸式三支管射流器結(jié)構(gòu)的新型射流增氧機，可實現(xiàn)耕水、活水，增加水體溶氧量，并確定了該增氧機的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。吳世海[16]設(shè)計了一款新型射流式增氧機，將水與空氣混合、并通過射流管射出，使得水與氧氣接觸充分、提高水體溶氧量；并通過調(diào)整定位裝置控制水流噴射方向，滿足不同的增氧需求。綜上可知，相較于其他類型增氧機，射流增氧技術(shù)對于底層水體增氧效果較佳，特別是可以實現(xiàn)對冰封水體增氧，具有不可替代作用。

1.3 水車式增氧機

水車式增氧機利用旋轉(zhuǎn)的葉輪對水體擊打并增氧，同時由于葉輪離開水體時會產(chǎn)生負(fù)壓促使上下水體交換，因此還能夠提高水體上下增氧均勻度。水車式增氧機結(jié)構(gòu)簡單、重量較輕，可以利用水車式增氧機在增氧過程中產(chǎn)生的推動力，實現(xiàn)增氧機在水面上移動。母剛等[17]改進了傳統(tǒng)水車式增氧機，并對蓄電池、光伏發(fā)電裝置進行了完善；經(jīng)過實驗驗證，改進后的增氧機可以提升水體溶氧量、降低能耗。姜寬舒等[18]設(shè)計了一款多功能自主導(dǎo)航水產(chǎn)養(yǎng)殖作業(yè)船，可同時實現(xiàn)巡線、增氧、投餌、施藥、水質(zhì)監(jiān)測等功能，同時葉輪拍打水面曝氣增氧，使得設(shè)計集成化、簡約化。Suravut等[19]設(shè)計了一款水輪低速增氧機，利用齒輪和鏈輪驅(qū)動水輪轉(zhuǎn)動，利用太陽能提供動力，緩解了泰國養(yǎng)殖戶無力負(fù)擔(dān)電費的現(xiàn)狀，實現(xiàn)了低成本、低功耗增氧，且增氧效果理想。吳晨等[20]設(shè)計了一種移動式水體增氧裝置，該裝置利用水輪葉片擊打水面實現(xiàn)水體增氧，同時底部葉輪旋轉(zhuǎn)將底層水體向上提升，并對水面水體進行涌浪式增氧；此外，還設(shè)計了光伏發(fā)電電路、檢測電路、主控電路和驅(qū)動電路，并進行了路徑規(guī)劃研究；該增氧裝置提升了增氧效率、解決了傳統(tǒng)增氧裝置位置固定的問題。劉超等[21]對多種增氧機的增氧效果進行了對比分析，如表1所示。由表1可知，從增氧效果上來看，水車式增氧機單位時間內(nèi)增氧量高于另兩種增氧方式，增氧范圍較大、增氧效果較好；從經(jīng)濟層面來看，水車式增氧所耗功率最小、且成本較低，因此，水車式增氧機是養(yǎng)殖戶的優(yōu)選增氧設(shè)備。

表1 不同增氧機增氧效果對比

1.4 涌浪式增氧機

涌浪式增氧機利用葉輪攪動水體并提水，使得底層水流上升從而改善水體質(zhì)量，具有增氧、提水、造浪等作用；還能通過攪動水體促進水生浮游植物到水體上層進行光合作用，進而改善水質(zhì)，因此在光照較好的條件下其增氧能力高于同功率水車增氧機。田昌鳳等[22]設(shè)計了一種移動式太陽能增氧機，在一定的光照強度下啟動，其涌浪能力隨著光照強度增加而增加，能夠使得上下層水體大流量交換，有利于改善水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境。蔣建明等[23]設(shè)計了一種復(fù)合式自動增氧系統(tǒng)，混合使用葉輪式增氧機與涌浪式增氧機，并開發(fā)了控制系統(tǒng)，使得水體溶氧量提高、溶氧量更加均勻穩(wěn)定。Wu 等[24]設(shè)計了一種可移動式增氧機，利用光伏發(fā)電系統(tǒng)提供動力，利用水上行走裝置帶動整機設(shè)備沿鋼絲繩移動，試驗結(jié)果表明：該增氧機曝氣和換水性能良好，有效提高了水體含氧量和溶氧均勻性。對比其他類型，涌浪式增氧機具有凈化水質(zhì)能力，能夠降低水產(chǎn)動物死亡率。在未來，可以考慮將水車式增氧機與涌浪式增氧機聯(lián)合使用，其增氧效果會更佳。

1.5 其他增氧機

此外，還有些其他類型的增氧機，部分還處于實驗室階段。陸生海等[25]研發(fā)了一種葉噴式增氧機，利用電機帶動錐體旋轉(zhuǎn)、錐體外葉片帶動水體運動促進氧分子向水體溶解，錐體內(nèi)葉片轉(zhuǎn)動產(chǎn)生離心力促使水由縫隙高速噴出并霧化，提高水體的溶氧速率。盛凱[26]基于雙膜理論研發(fā)了一種噴水式增氧機，通過將噴出的水流霧化、增加與空氣的接觸面積，進而提升水體溶氧量，工作時產(chǎn)生的波浪也具有增氧功能，該增氧機制造成本低、投資少，適用于中小型養(yǎng)殖場。Wen 等[27]通過揚水曝氣(WLA)降低了能耗，能夠?qū)Σ煌疃葘哟蔚乃|(zhì)起到改善效果，并通過多參數(shù)的水質(zhì)評價進行了驗證。Dai等[28]研究了倒傘式曝氣增氧機的曝氣性能，利用高速攝影機提取氣泡特征，發(fā)現(xiàn)其傳質(zhì)系數(shù)與轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系，為其應(yīng)用提出了新思路。

綜上可知，增氧機類型較多，需要根據(jù)具體養(yǎng)殖環(huán)境、養(yǎng)殖物種、養(yǎng)殖密度等情況合理選擇并配置增氧機。此外，今后還需不斷更新和創(chuàng)新增氧技術(shù)，將信息、設(shè)備、能源等高新技術(shù)應(yīng)用到增氧設(shè)備中，包括：①提高智能化控制水平。利用傳感器、自動化控制等技術(shù)，實現(xiàn)對養(yǎng)殖水體氧氣濃度、水溫、pH 等參數(shù)的自動監(jiān)測和控制，提高增氧機的工作效率和管理效果。②研發(fā)高效增氧材料，如納米氣泡、新型電極等，提高增氧機的效率和穩(wěn)定性。③開發(fā)新能源用于增氧?？梢钥紤]利用太陽能技術(shù)，研發(fā)太陽能增氧設(shè)備，降低增氧機能耗和污染排放。

2 養(yǎng)殖水體溶氧量預(yù)測數(shù)學(xué)模型

溶氧量是水產(chǎn)養(yǎng)殖水體的重要參數(shù)，合適的水體溶解氧有利于水產(chǎn)動物生長，精準(zhǔn)預(yù)測水體溶氧量對于水產(chǎn)養(yǎng)殖具有重要意義。預(yù)測水體溶氧方法主要分為兩類：一類是傳統(tǒng)方法，依據(jù)水體溶解氧的變化規(guī)律對下一時刻的水體溶氧量進行預(yù)測；另一類是依托計算機技術(shù)對水質(zhì)變化進行預(yù)測，后者具有較高的預(yù)測精度?；戮甑萚29]提出了一種基于K-means 聚類和ELM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的溶解氧預(yù)測模型，利用皮爾森相關(guān)系數(shù)法對環(huán)境因素與溶解氧的相關(guān)系數(shù)進行確定，確定預(yù)測日期與樣本日期最相似的樣本集并根據(jù)該樣本集構(gòu)建預(yù)測日期的溶氧模型。易卓[30]構(gòu)建了一套溶氧預(yù)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)以MQTT 作為傳輸層通信協(xié)議傳輸水質(zhì)參數(shù)，并構(gòu)建了基于ARIMA-LSTM 的溶解氧預(yù)測模型，實現(xiàn)了對水體溶氧量的精準(zhǔn)預(yù)測。馬曉濤等[31]利用ARIMA 模型預(yù)測養(yǎng)殖水域溶氧量，并通過RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)校正殘差部分，有效地解決了ARIMA 模型對非線性殘差預(yù)測不準(zhǔn)確的問題，ARIMA 與RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測效果高于單一模型。周新輝等[32]構(gòu)建了一種自適應(yīng)增強的粒子群優(yōu)化極限學(xué)習(xí)機預(yù)測模型(AdaBoost-PSO-ELM)用以預(yù)測水體含氧量，該模型相較于傳統(tǒng)的PSO-ELM 等模型，預(yù)測精度更高；此外，通過分析增氧機開啟時長與擬合水體含氧量的關(guān)系，合理控制增氧機啟停。Li等[33]提出了一種基于GBDT-LSTM 的水體含氧量預(yù)測模型，通過梯度提升決策樹(GBDT)確定水體含氧量的影響因素，通過交叉驗證網(wǎng)格優(yōu)化算法優(yōu)化LSTM 參數(shù)，進而預(yù)測水體含氧量，結(jié)果表明該模型具有較強的預(yù)測精度與泛化能力。研究表明，建立水體溶氧預(yù)測模型，能夠解決傳統(tǒng)增氧的滯后性問題（即：監(jiān)測到水體溶解氧低于設(shè)定閾值后再開啟增氧機，無法在短時間內(nèi)達到設(shè)定值，對水產(chǎn)動物造成危害）。

構(gòu)建精確可靠的養(yǎng)殖水體中的溶氧量預(yù)測數(shù)學(xué)模型，有助于保障養(yǎng)殖動物的健康生長。在構(gòu)建該預(yù)測數(shù)學(xué)模型時，需要考慮諸多因素：水溫、環(huán)境流速、水體氨氮含量、養(yǎng)殖密度等。此外，還需注意以下幾點：①考慮并確定主要影響因素。雖然影響因素眾多，但并不是每個因素都對養(yǎng)殖水體溶氧量預(yù)測具有顯著影響，因此需要從多個因素中選擇出主要因素，依據(jù)實際情況進行權(quán)重分配和因素篩選。②進行嚴(yán)格的數(shù)據(jù)采集和統(tǒng)計分析。對于每個影響因素，需要采集足夠的樣本數(shù)據(jù)，并通過描述性統(tǒng)計分析、因子分析、主成分分析等方法進行數(shù)據(jù)處理和分析，保證數(shù)據(jù)的可靠性和可重復(fù)性，提高預(yù)測模型的精準(zhǔn)性。③選取合適的預(yù)測算法和模型。預(yù)測算法主要包括機器學(xué)習(xí)算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、回歸模型等，需要根據(jù)實際情況選擇合適的預(yù)測算法和模型，還需要進行交叉驗證和模型參數(shù)調(diào)整等研究。

3 增氧機的使用技巧

在使用水產(chǎn)養(yǎng)殖增氧機過程中，需要合理規(guī)劃增氧機的啟停時間。有些養(yǎng)殖戶僅將增氧機當(dāng)作救命設(shè)備，只在養(yǎng)殖動物出現(xiàn)危急時才使用，忽視設(shè)備對提升溶氧能力、改良水質(zhì)、分解有害物質(zhì)的重要作用，這樣會導(dǎo)致曝氣不充分、水體對流和交換效果差、溶氧安全性低等問題，進而影響水產(chǎn)動物的生長和品質(zhì)。增氧機具體工作時間[34-38]（見表2）。

表2 增氧機的使用時間分布

① 在進行餌料投喂的過程中不建議開啟增氧機。增氧機工作時會對水體產(chǎn)生擾動，會導(dǎo)致餌料與魚類排泄物混合，造成餌料浪費。

② 在進行藥物潑灑過程中建議打開增氧機。增氧機對水體擾動作用可以使藥物在水體中擴散均勻，既能提升藥物擴散速度，還可以避免因藥物剛投入水體時局部濃度過高對水產(chǎn)動物造成危害。

③ 陰雨天需要開啟增氧機。陰雨天氣壓較低，且光照強度較弱、藻類光合作用能力較弱，因此水體溶解氧降低，易發(fā)生魚類浮頭現(xiàn)象，此時需要開啟增氧機對水體增氧提升水體溶氧量，避免發(fā)生浮頭和缺氧現(xiàn)象。

④ 雷雨天氣需要開啟增氧機。雷雨天氣時溫度較低的雨水落入池塘，池塘內(nèi)上下層水體之間產(chǎn)生溫差，受到池塘中的水溫溫差影響，上層溶氧量逐漸下沉到水體底層，底層水溶氧量逐步升高，上層水溶氧量降低后得不到補充，出現(xiàn)缺氧狀況，導(dǎo)致魚類現(xiàn)象的發(fā)生。

⑤ 晴天傍晚時不建議開啟增氧機。此時藻類植物的光合作用停止，不再為水體供氧，若此時開啟增氧機會導(dǎo)致水體中溶解氧反擴散至空氣中，導(dǎo)致水體溶氧降低，次日水產(chǎn)動物易發(fā)生浮頭現(xiàn)象。

⑥ 晴天午后建議開啟增氧機。此時光照強度較高、藻類光合作用效果較強，開啟增氧機有助于將水體底部的負(fù)氧層翻升至水體中上層，光合作用補償能夠提升水體溶氧。

科學(xué)合理地使用水產(chǎn)養(yǎng)殖增氧機，不僅能夠節(jié)約養(yǎng)殖戶的能源成本，還可以有效地提升增氧效果，實現(xiàn)收益最大化。同時，還要需要控制好增氧量和時間，避免對水生態(tài)環(huán)境造成負(fù)面影響。

4 總結(jié)與展望

養(yǎng)殖水體溶氧程度與養(yǎng)殖效果密切相關(guān)，研發(fā)增氧技術(shù)是高產(chǎn)高效水產(chǎn)養(yǎng)殖的重要保證。傳統(tǒng)水體增氧技術(shù)難以滿足當(dāng)前發(fā)展需求，數(shù)字化、智能化、生態(tài)健康養(yǎng)殖是今后水產(chǎn)養(yǎng)殖的發(fā)展方向，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：①隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，智能化控制將成為水產(chǎn)養(yǎng)殖增氧機的重要趨勢。通過融入傳感器、自動控制等技術(shù)，實現(xiàn)對養(yǎng)殖水體氧氣濃度、水溫、pH 等參數(shù)的自動監(jiān)測和控制，提高增氧效率和管理效果。②高效節(jié)能是水產(chǎn)養(yǎng)殖增氧機的另一個重要發(fā)展趨勢。采用高效節(jié)能的設(shè)計和材料，如采用太陽能、風(fēng)能等可再生能源驅(qū)動；優(yōu)化設(shè)計增氧機結(jié)構(gòu)和氣泵、電機等核心部件，提高能效和降低能耗。③綠色環(huán)保是水產(chǎn)養(yǎng)殖增氧機械的發(fā)展方向。新型增氧機在設(shè)計和材料上應(yīng)更注重環(huán)保，如采用環(huán)保材料、低噪音設(shè)計等。此外，還應(yīng)該對水產(chǎn)養(yǎng)殖增氧機的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等方面進行研究，加快推進水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)機械化，促進水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)全面健康可持續(xù)發(fā)展。