近海生态养殖水环境监测关键技术研究

【摘要】：筏式养殖技术从上世纪50年代开始引入我国,发展至今,已经在很大程度上缓解了我国近海渔业资源衰退的状况。近几年,为满足我国水产市场不断增长的需求,近海筏式养殖规模持续扩大,但是养殖产量达不到预期结果,养殖品质也参差不齐。其中重要原因之一是由于缺少合理的养殖规划和科学的监管,高密度、大规模养殖改变了养殖海域的水动力特性,导致近海生态环境恶化,水体自净能力下降,养殖对象所需的营养盐等物质更新速率慢,使养殖对象生长周期变长。如今,随着数值模拟仿真技术与无线传感器网络技术的迅速发展与广泛应用,为近海生态养殖中的合理规划与监管提供了科学的解决方案。针对连云港海州湾海洋牧场内的筏式养殖区,本文提出一种近海生态养殖模式。面向近海生态养殖中水环境监测的需求,基于新兴低功耗广域网NB-Io T通信技术设计了一套水环境监测系统,用以对近海筏式养殖的养殖过程与生态环境进行监管。然后采用水动力学仿真的方法,对海州湾海域进行了仿真计算,分析了养殖密度对污染物扩散特性的影响,对建设生态养殖环境具有重要意义。本文主要完成了以下工作:(1)根据实际应用场景的需求,分析对比了几种低功耗广域网通信技术,最终选择NB-Io T,并将其应用到水环境监测平台的设计中,确定了监测平台的架构。(2)分析了水环境监测的系统需求,了解了与筏式养殖贝类有关的环境因素,对传感器节点的软硬件进行了设计,包括感知、控制和通信模块。选择溶解氧、温度、盐度、PH值作为监测因素。经过测试,本设备设计功耗满足实际应用场景。在通信情况良好的情况下,本设备配备20000m Ah的锂电池可以连续使用3个月左右。与高精度设备测量的水质数据相比,本文中设计的设备所采集的水环境数据精度相对误差较小,满足应用需求,溶解氧、温度、盐度、PH值的相对测量误差分别为:0.1mg/L、0.2℃、0.2PSU、0.03,系统稳定可靠。(3)根据海洋生态环境建设的需求,对海州湾海域进行了水动力学仿真分析,探究了养殖区域密度分布与海州湾水动力特性和污染物扩散特性之间的关系。