CN105600841A - 一种水产养殖水质监控及净化处理方法 - Google Patents

Abstract

一种淡水养殖水质监控及净化处理方法，设定环境参数并从传感器数值采集后进行变化速率分析，判断是否有突变数据，若没有则默认数值加权，若有突变数据，则以突变数据为最高权重，按权值差异和环境参数对水质指标参数进行区别化预处理，之后判断处理后的参数值所在等级，对于等级情况复杂的情况则利用数据综合分析来控制净水装置的启动。该方法结合环境与水温关系，以及水温与水产养殖关键性指标关系的自然规律，并且在现有养殖经验的基础上，减少水体传感器安置成本，利用数据综合分析来进行水质监控，监控分析得到的数据在控制净水装置工作中能有效减少净水装置的开启频率和时长，降低能耗和维护成本。

Description

一种水产养殖水质监控及净化处理方法

技术领域

本发明涉及水处理方法，尤其涉及低能耗的一种水产养殖水质监控及净化处理方法。

背景技术

水产养殖的关键是水体质量，水体指标主要是温度、透明度、酸碱度PH值、溶解氧、氨氮、亚硝酸盐。

温水鱼类适宜水温是20～30℃，热水性鱼类适宜水温是25～34℃，冷水性鱼类适宜水温是12～18℃；

PH值范围在6.5到8.5，其中苗种培育阶段最适PH为7.5～8，成鱼养殖是7～8.5，PH小于6.5时鱼类消化率低，生长缓慢，PH过高，则离子NH4+转化成NH3，毒性增大，强碱性水体腐蚀鱼类鳃组织，严重时使鱼类窒息，而且影响微生物对有机物的降解；

溶解氧DO一般应在5-8mg/L，DO不足除了会使鱼类窒息之外还会使得氨和硫化氢难以分解危害鱼类生长。水中的溶解氧的含量与空气中氧的分压、水的温度都有密切关系。在自然情况下，空气中的含氧量变动不大，故水温是主要的因素，水温愈低，水中溶解氧的含量愈高。

氨氮指标规定氨浓度小于0.2mg/L，否则浓度越高，越会导致鱼类中毒、发病、甚至大批死亡。氨氮主要是由水生动物粪便、残饵、动植物尸体被细菌分解所产生、水温和PH值越高，毒性越大。

亚硝酸盐是氨转化为硝酸盐过程中间产物，水中亚硝酸盐含量高，说明有机物的无机化过程尚未完成，污染危害仍然存在。以氮计：低于0.1mg/L不会有损害，高于0.5mg/L时鱼体柔软、臀部底面呈黄色，某些器官功能衰竭，严重死亡。

另外水温可以根据气候进行测算，具体参见《水产养殖》1991年第一期中的论文文献《淡水水温测算的气候方法》，其中给出了经纬度，海拔，时间，河流或湖泊对于水温测定的关系式或换算系数。

水体透明度的要求是水库和网箱透明度在40cm，鱼塘控制在30cm。影响水体透明度的就是水生动物粪便、残饵、动植物尸体、浮游微生物等，可以说水体浑浊度是对水体水质最直观的表现，也是所有指标中最能提前反应溶解氧、氨氮、亚硝酸盐生成情况的数值；浑浊度在10度时，人们可察觉水质浑浊。如果浑浊度高可导致某些有害物质、细菌、病毒的含量增高。其中引起水体耗氧量突变增加的来源是：生活污水，特别是粪水污染的水、工业废水、天然有机物腐殖质污染、医院污水、农田水径流等。

综上所述自然环境下的经验数据显示控制水体水质需要关注诸多指标，现有技术中对于以上数据的分析都是独立采集、独立分析，不仅传感器设置较多带来建设成本高，而且检测的人力成本也高，故很多农村水产品养殖户一般都不采用全方位监控的手段，这带来的后果就是，由于监控滞缓和不到位，鱼塘突然出现鱼类大面积死亡的情况。

对于有条件的养殖户来讲会采用现有技术中的一些水体净化装置，例如中国专利公开号：CN102863120B所公开的预处理，精滤，超滤，生物处理方式，以及CN101642076B所公开的在鱼塘两侧增加生物净化装置和陶粒水体净化装置的生态净化法。它们共性的问题是，投资成本高，净化装置都有使用寿命，并且由于整体工作够需要水体的流动性，且流动性的控制是不在这些方法发明中的，也就是说实现水体流动的能耗消耗是24小时，这也使得净化装置的寿命大大降低，综上所述，需要一种能够通用的，可移植化到各种水体养殖净化系统中，在不降低水质监控质量的前提下，在水体养殖净化装置的前端增加控制级，优化水体净化的方式。

发明内容

本发明为了解决现有技术问题，提出一种能够通用的，可移植化到各种水体养殖净化系统中，在不降低水质监控质量的前提下，减少水体传感器数量设置和人力检测及监控成本投入，降低净水装置或设备的使用频率，对净水装置或设备进行前端优化控制的水体净化方式。

本发明的具体方法如下：一种淡水养殖水质监控及净化处理方法，包括水塘，水体净化装置，其特征在于：所述的水塘中有传感器，所述的传感器能检测的水体指标参数包括：浊度，氨氮，亚硝酸盐氮；所述的传感器将水体指标参数传递给控制中心，所述的控制中心按照下述数据分析方法进行数据处理，并对净水装置控制：

步骤1：控制中心将水体的纬度N、经度L、海拔H预先设置进分析系统；

步骤2：控制中心将所在地域环境温度Ta实时变化的数据输入进分析系统，分析系统通过步骤1获得的数据，配合淡水水温的气候测算方法得到对应的水体温度Tw；

步骤3：控制中心对于水体各指标参数X，默认浊度指标为第一指标参数ZD，氨氮为第二指标参数NH，亚硝酸盐氮为第三指标参数NO，并且按默认顺序给定的权值大小为1和2和3；

步骤4：对指标参数的数据变化速率进行判断，识别突变数据；

步骤5：若步骤4无突变数据，则使指标参数保留默认顺序给定的权值，若步骤4有突变数据，则以突变的指标参数的权值K置1，其余指标参数的权值按默认的先后顺序定义为2和3；

步骤6：按水体温度Tw和权值K对指标参数进行区别化预处理后，将ZD、NH、NO指标参数的等级分值DJ按照养殖经验分为A、B、C、D四个等级，区别化处理的方程反应水体温度Tw与ZD、NH、NO指标参数的关系，配合指标参数的权值K对指标参数进行区别化增倍处理，权值K越小，增倍越大；

步骤7：判定参数值所在的等级：当指标参数都是A时，净水装置不启动；当指标参数中有一个D，净水装置启动；其余情况则将指标参数等级进行数据综合分析后控制净水装置；

步骤8：返回步骤2。

作为一种优选：步骤6中的区别化处理的方程为：DJ＝(1.4-0.1K)*F*X，其中F为温度影响因子，F＝-[0.125(Tw/10)²-0.75(Tw/10)-0.375]，F下限值为1。

作为一种优选：步骤6中的区别化处理的方程为：DJ＝(1.4-0.1K)*F*X，其中F为温度影响因子，F下限值为1，其中μ＝30，σ＝7～9。

作为一种优选：步骤7中的数据综合分析是指标参数等级转化成对应分值进行求和后取平均值，该最终的水质分值与设定值比较，大于限值，则开启净水装置。

作为一种优选：步骤7中的数据综合分析是将指标参数等级转化成对应分值，当前时刻对应分值求和取平均值与上一采样时间段内的对应分值求和取平均值进行比较，若平均值降低连续三个采样时间段，则开启净水装置。

综上所述，本发明的有益效果是：

该方法在结合环境与水温关系，以及水温与水产养殖关键性指标关系的自然规律，并且在现有养殖经验的基础上，减少水体传感器安置成本，利用数据综合分析来进行水质监控，监控分析得到的数据在控制净水装置工作中，能有效减少净水装置的开启频率和时长，降低能耗和维护成本。

附图说明

图1：本发明的一种实施例的流程图。

图2：本发明中客观反应自然界温度影响因子的第一种近似数学模型。

图3：本发明中客观反应自然界温度影响因子的第二种近似数学模型。

具体实施方式

一种淡水养殖水质监控及净化处理方法，包括水塘，水体净化装置，其特征在于：所述的水塘中有传感器，所述的传感器能检测的水体指标参数包括：浊度，氨氮，亚硝酸盐氮；所述的传感器将水体指标参数传递给控制中心，所述的控制中心按照下述数据分析方法进行数据融合与行为控制：

步骤1：控制中心将水体的纬度N、经度L、海拔H预先设置进分析系统。

步骤2：控制中心将所在地域环境温度Ta实时变化的数据输入进分析系统，该数据的输入可以是系统接入气象预报实时更新平台获取当地环境温度。分析系统通过步骤1获得的数据，配合淡水水温的气候测算方法得到对应的水体温度Tw；具体参见《水产养殖》1991年第一期中的论文文献《淡水水温测算的气候方法》，其中给出了经纬度，海拔，时间，河流或湖泊对于水温测定的关系式和换算系数。即图1所示的系统环境参数设定1。

步骤3：控制中心对于水体各指标参数X，默认浊度指标为第一指标参数ZD，氨氮为第二指标参数NH，亚硝酸盐氮为第三指标参数NO，并且按默认顺序给定的权值大小为1和2和3；按一定的时间间隔进行图1所示流程图中的传感器数据采集2。

步骤4：对指标参数的数据变化速率进行判断，识别突变数据。即图1所示流程图中的变化速率分析3。

步骤5：图1流程图中的是否有突变数据4所示进行判断是否有突变数据，若步骤4无突变数据，则使指标参数保留默认顺序给定的权值，即图1所示流程图中的默认数值加权41。若步骤4有突变数据，则以突变的指标参数的权值K置1，其余指标参数的权值按默认的先后顺序定义为2和3，即图1所示流程图中的以突变数据为最高权重42。

步骤6：如图1所示的按权值差异和环境参数进行差别化预处理5，即按水体温度Tw和权值K对指标参数进行区别化预处理后，将ZD、NH、NO指标参数的等级分值DJ按照养殖经验分为A、B、C、D四个等级，见下表1：

表1根据养殖经验对指标参数的等级分值

浊度指标	氨氮	亚硝酸盐氮	等级
				ZD＜20cm	NH＜0.2mg/L	NO＜0.05mg/L	A
20cm≤ZD＜30cm	0.2mg/L≤NH＜0.4mg/L	0.05mg/L≤NO＜0.1mg/L	B
				30cm≤ZD＜40cm	0.4mg/L≤NH＜0.6mg/L	0.1mg/L≤NO＜0.5mg/L	C
ZD＞40cm	NH＞0.6mg/L	NO＞0.5mg/L	D

区别化处理的方程反应水体温度Tw与ZD、NH、NO指标参数的关系，配合指标参数的权值K对指标参数进行区别化增倍处理，区别化处理的方程为：DJ＝(1.4-0.1K)*F*X，其中F为温度影响因子，F下限值为1，F＝-[0.125(Tw/10)²-0.75(Tw/10)-0.375]。

该温度影响因子F的数学模型，如图2所示：反应了自然规律下，温度30°左右为温度对于水质指标参数影响的促进作用的峰值，低于10°或是高于50°，促进作用的影响因子接近于1，即F下限为1，整体近似表现为上凸的抛物线函数。

举例：根据论文《淡水水温测算的气候方法》中的公式Tw＝[a+b*(N-L)+c*h]Ta+[d+e*(N-L)+f*h]，其中Tw和Ta分别为水温和气温，N为纬度，h为海拔高度；L为纬度参数，a,b,c,d,e,f均为模式参数。参数的设置表见论文中的表2。当环境温度Ta＝25°时，月份是9月份时，纬度N＝32°，海拔高度h＝40m时，参数值分别取L＝20、a＝0.9592、b＝0.0068、c＝1.25*10^-4、d＝3.23、e＝0.0065、f＝0.00401，代入公式中，得到湖泊的水体温度Tw＝29.6°，在此基础上若已知现有水体是河流，则根据论文表3的换算系数△T修正后等到的Tw＝29.6°-2°＝27.6°。

此时传感器测得当前ZD、NH、NO指标参数的数值在设定的时间间隔为5分钟内的数值变化满足数据的变化速率的要求，即5分钟内没有突变数据高于50％的指标参数，分析变化速率的时间间隔以及判断突变的前后时刻间的数值变化量均是可以事先设定修改的。

默认浊度指标为第一参考数据ZD，氨氮为第二参考数据NH，亚硝酸盐氮为第三参考数据NO，并且按默认顺序给定的权值大小为1和2和3：

传感器测得ZD＝18.3cm、NH＝0.216mg/L、NO＝0.0465mg/L；

相应的原始等级为：ZD等级为A，NH等级为B、NO等级为A；

再将Tw＝29.6°代入区别化处理方程中，得到温度影响因子：

F＝1.4998分析后的指标参数值为：

ZD＝35.68cm、NH＝0.388mg/L、NO＝0.0767mg/L；

相应的分析等级为：ZD等级为C，NH等级为B、NO等级为A；

步骤7：即图1所示的判定参数所在等级6：当指标参数所有都是A时，图1中的61，净水装置不启7；当指标参数中有一个D，图1中的63，净水装置启动8；其余情况62则将指标参数等级进行数据综合分析后控制净水装置；

步骤7中的数据综合分析进一步的是指标参数等级转化成对应分值后进行数据综合分析，即图1中的64，等级A＝90，等级B＝80，等级C＝70，所有的指标参数等级转化成对应分值后进行求和后取平均值，该最终水质分值与设定值比较，即图1中的65所示。大于限值，则净水装置启动8；若小于限值，则净水装置不启动7；

此时等级分值DJ为：ZD等级为C＝70，NH等级为B＝80、NO等级为A＝90，求和后取平均值得到最终的水质分值：80分，若设定的限值是75分，则不需要打开净水装置。

数据综合分析还可以进一步是将指标参数等级转化成对应分值后，当前时刻对应分值求和取平均值与上一采样时间段内的对应分值求和取平均值进行比较，若平均值降低连续三个采样时间段，则开启净水装置。

举例：连续三个采样时间段的分析等级表如下表2所示：

表2某连续三个10分钟采样时间段的分析等级

采样时间段	ZD等级	NH等级	NO等级	最终的水质分值
					初次	A＝90	B＝80	A＝90	86.7
后10分钟	B＝80	B＝80	B＝80	80
					后20分钟	C＝70	B＝70	B＝80	73.3

则可见平均值降低连续三个采样时间段，表明水质在不断变坏则开启净水装置。

步骤8：返回步骤3，即图1中的传感器数值采集2。

另一种实施例：区别化处理的方程为：DJ＝(1.4-0.1K)*F*X，其中F为温度影响因子，近似于正态分布，其中μ＝30，σ＝7～9,实施例取σ＝8.5

该温度影响因子F的数学模型，如图3所示：反应了自然规律下，温度30°左右为温度对于水质指标参数影响的促进作用的峰值接近1.5，低于10°或是高于50°，促进作用的影响因子F值接近于1，整体表现为近似正态分布的函数。

举例：传感器测得ZD＝25.1cm、NH＝0.312mg/L、NO＝0.0765mg/L。

相应的原始等级为：ZD等级为B，NH等级为B、NO等级为A；若此时没有按权值差异和环境参数进行差别化预处理5的分析过程，只简单的将等级转化为分值后，求和取平均，则得到的最终的水质分值是83.3，大于设定的限制75，净水装置是不开启的，但是自然规律及经验告诉我们，当水体温度满足水质恶化的加速条件时，若不及时处理，水质恶化时，鱼类就会死亡，此时就无法挽回经济瞬时。故设水体温度Tw＝32.6时，根据区别化处理的方程及温度影响因子F的数学模型，计算得到：

F＝1.448，分析后的指标参数值改变为：

ZD＝47.24cm、NH＝0.542mg/L、NO＝0.1218mg/L。

相应的分析等级为：ZD等级为D，NH等级为C、NO等级为C。

可知此时指标参数中有一个D，根据图1中的63，净水装置启动8，能够提早进行水质净化，避免水质恶化。显见，该方法能避免净水装置24小时运行或人为干预运行，净水装置的开启在该方法的分析控制下具有对水体恶化的预判，而且该预判反应了环境问题、水质指标、养殖经验之间的符合自然规律的相互关系，能有效减少净水装置的开启频率和时长，降低能耗和维护成本。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (5)

1.一种淡水养殖水质监控及净化处理方法，包括水塘，水体净化装置，其特征在于：所述的水塘中有传感器，所述的传感器能检测的水体指标参数包括：浊度，氨氮，亚硝酸盐氮；所述的传感器将水体指标参数传递给控制中心，所述的控制中心按照下述数据分析方法进行数据处理，并对净水装置控制：

步骤1：控制中心将水体的纬度N、经度L、海拔H预先设置进分析系统；

步骤2：控制中心将所在地域环境温度Ta实时变化的数据输入进分析系统，分析系统通过步骤1获得的数据，配合淡水水温的气候测算方法得到对应的水体温度Tw；

步骤3：控制中心对于水体各指标参数X，默认浊度指标为第一指标参数ZD，氨氮为第二指标参数NH，亚硝酸盐氮为第三指标参数NO，并且按默认顺序给定的权值大小为1和2和3；

步骤4：对指标参数的数据变化速率进行判断，识别突变数据；

步骤5：若步骤4无突变数据，则使指标参数保留默认顺序给定的权值，若步骤4有突变数据，则以突变的指标参数的权值K置1，其余指标参数的权值按默认的先后顺序定义为2和3；

步骤6：按水体温度Tw和权值K对指标参数进行区别化预处理后，将ZD、NH、NO指标参数的等级分值DJ按照养殖经验分为A、B、C、D四个等级，区别化处理的方程反应水体温度Tw与ZD、NH、NO指标参数的关系，配合指标参数的权值K对指标参数进行区别化增倍处理，权值K越小，增倍越大；

步骤7：判定参数值所在的等级：当指标参数都是A时，净水装置不启动；当指标参数中有一个D，净水装置启动；其余情况则将指标参数等级进行数据综合分析后控制净水装置；

步骤8：返回步骤2。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤6中的区别化处理的方程为：DJ＝(1.4-0.1K)*F*X，其中F为温度影响因子，F下限值为1，F＝-[0.125(Tw/10)²-0.75(Tw/10)-0.375]。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤6中的区别化处理的方程为：DJ＝(1.4-0.1K)*F*X，其中F为温度影响因子，F下限值为1， $F=1+\frac{10}{\mathrm{\σ}\sqrt{2\mathrm{\π}}}{e}^{-\frac{{(Tw-\mathrm{\μ})}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}},$ 其中μ＝30，σ＝7～9。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤7中的数据综合分析是指标参数等级转化成对应分值进行求和后取平均值，该最终的水质分值与设定值比较，大于限值，则开启净水装置。

5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于：步骤7中的数据综合分析是将指标参数等级转化成对应分值，当前时刻对应分值求和取平均值与上一采样时间段内的对应分值求和取平均值进行比较，若平均值降低连续三个采样时间段，则开启净水装置。