第7章 智慧水產(chǎn)與環(huán)境保護

智慧水產(chǎn)與環(huán)境保護第7章7.1水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水處理 7.2赤潮監(jiān)測預(yù)警 7.3碳排放管理 7.1水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水處理7.1.1水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水污染問題隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，養(yǎng)殖載體數(shù)量增加，養(yǎng)殖污水也越來越多。其排放特征為排水期集中、排放量大、非點源排放。殘留餌料、藥物及水生生物排泄物導(dǎo)致水中硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮等有害物質(zhì)增多，水質(zhì)惡化。有機污染物分解產(chǎn)生的硫化氫、甲烷等有害氣體進一步污染水體、土壤和空氣。外部污水與養(yǎng)殖業(yè)自身污染共同導(dǎo)致水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境惡化，毒素在水生生物體內(nèi)積聚，引發(fā)疾病甚至死亡。這些毒素通過食物鏈傳播到人體，損害人體健康。養(yǎng)殖尾水污染物及其危害如圖所示。7.1水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水處理7.1.2水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水處理有關(guān)政策中國已有多部法律法規(guī)對水產(chǎn)養(yǎng)殖污染防治作出規(guī)定。為進一步規(guī)范地方排放標(biāo)準(zhǔn)制訂工作，生態(tài)環(huán)境部在2021年啟動了《地方水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)污染控制標(biāo)準(zhǔn)編制技術(shù)指南》的編制工作，提出建立分區(qū)、分類、分級的水產(chǎn)養(yǎng)殖污染控制體系。生態(tài)環(huán)境部和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加強海水養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境監(jiān)管的意見》，要求加快制定出臺海水養(yǎng)殖尾水排放相關(guān)地方標(biāo)準(zhǔn)，并加強池塘養(yǎng)殖尾水監(jiān)測。各地也在積極探索開展水產(chǎn)養(yǎng)殖場尾水環(huán)境監(jiān)測，為水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水排放管控夯實基礎(chǔ)。此外，有關(guān)政策也對提高養(yǎng)殖尾水處理技術(shù)作了要求，推動健康養(yǎng)殖方式的發(fā)展，開展水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水治理。7.1水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水處理7.1.3物聯(lián)網(wǎng)水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水監(jiān)測依照尾水排放標(biāo)準(zhǔn)，在養(yǎng)殖區(qū)域或尾水排放區(qū)域安裝傳感器實時監(jiān)測尾水中懸浮物、pH值、總氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量等參數(shù)的數(shù)據(jù)，并通過基于ZigBee/NB-IoT的無線傳感網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)節(jié)點上，網(wǎng)關(guān)節(jié)點接收各類數(shù)據(jù)后，通過4G/5G移動網(wǎng)絡(luò)、計算機網(wǎng)絡(luò)等將信息傳輸至系統(tǒng)進行統(tǒng)一存儲、處理。數(shù)據(jù)經(jīng)處理后得到直觀的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果，在終端平臺上進行展示，即可查看任意水質(zhì)監(jiān)測點和監(jiān)測參數(shù)的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。圖7-2養(yǎng)殖尾水智能監(jiān)測系統(tǒng)界面7.1水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水處理7.1.4水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水智能化處理將物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)，養(yǎng)殖尾水處理的信息化、智能化水平得到了明顯提升。水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水智能化處理系統(tǒng)架構(gòu)如圖7-6所示。感知層：采集與養(yǎng)殖尾水處理過程相關(guān)的數(shù)據(jù)。控制層：通過PLC控制尾水處理設(shè)備運行。傳輸層：通過無線傳輸模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)在不同層級間的雙向傳輸。處理層：提供數(shù)據(jù)管理服務(wù)，數(shù)據(jù)存儲在云端數(shù)據(jù)庫中。應(yīng)用層：連接終端用戶，提供水質(zhì)監(jiān)測、設(shè)備控制、工藝決策等應(yīng)用服務(wù)。圖7-6水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水智能處理系統(tǒng)架構(gòu)7.1水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水處理圖7-7水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水智能處理系統(tǒng)功能框架圖層級間協(xié)調(diào)保障系統(tǒng)運行，數(shù)據(jù)以圖表、報告形式在終端顯示。用戶通過終端管理養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)，遠程查看實時、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)控，進行設(shè)備控制、異常處理等操作。系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)提供處理建議，及時預(yù)警異常，通過PLC控制器控制前端設(shè)備，并根據(jù)水質(zhì)調(diào)節(jié)用藥種類和數(shù)量。水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水智能處理系統(tǒng)功能框架如圖7-7所示?；谙到y(tǒng)采集的全部數(shù)據(jù)，可以建立水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水處理可視化數(shù)據(jù)模型，應(yīng)用算法技術(shù)和專家系統(tǒng)開展深入的數(shù)據(jù)挖掘分析，即可掌握系統(tǒng)的整體運行狀態(tài)，實現(xiàn)智能監(jiān)控、分析和預(yù)警，提高尾水處理效率和質(zhì)量，這種尾水處理方式可普遍應(yīng)用于開放式水產(chǎn)養(yǎng)殖過程。7.1水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水處理而對于工廠化養(yǎng)殖而言，水循環(huán)處理利用是一種更為環(huán)保高效的尾水處理方式。循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)（RAS）結(jié)合多種技術(shù)，使養(yǎng)殖尾水得到有效處理和利用。以換水量為分類標(biāo)準(zhǔn)，分為水再利用養(yǎng)殖、半封閉式循環(huán)水養(yǎng)殖和全封閉式循環(huán)水養(yǎng)殖，水體重復(fù)利用率超過90%。RAS通過物理、化學(xué)、生物方法凈化水環(huán)境，保證較低的耗水量，消除殘留消毒物的影響，使養(yǎng)殖水體得到重復(fù)利用。循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)原理如圖7-8所示。圖7-8循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)原理圖7.1水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水處理循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)需要對水溫、pH值、氨氮、亞硝酸鹽、溶解氧、水位等水質(zhì)參數(shù)進行實時監(jiān)測和調(diào)控，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、智能裝備等技術(shù)建立循環(huán)水養(yǎng)殖智能管控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)實時監(jiān)測與更新、設(shè)備自動控制、水質(zhì)自動凈化等目的。循環(huán)水養(yǎng)殖智能管控系統(tǒng)原理如圖7-9所示。圖7-9循環(huán)水養(yǎng)殖智能管控系統(tǒng)原理圖在養(yǎng)殖池中安裝傳感器實時監(jiān)測水質(zhì)，包括pH值、溶解氧、氨氮等。智能控制設(shè)備，根據(jù)水質(zhì)參數(shù)閾值自動調(diào)控循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)。循環(huán)水養(yǎng)殖提高水資源利用率，智能管控系統(tǒng)提高處理效率和準(zhǔn)確率，為水生動物創(chuàng)造適宜環(huán)境，實現(xiàn)零排放。推動工廠化養(yǎng)殖向現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型。7.2赤潮監(jiān)測預(yù)警7.2.1赤潮及其危害赤潮是局部海域因微藻、原生動物或細(xì)菌突發(fā)性地大量增殖和高密度聚集而使水體變色的有害生態(tài)現(xiàn)象，是海洋嚴(yán)重污染的結(jié)果。赤潮海域葉綠素a、溶解氧、化學(xué)耗氧量等含量高，會直接抑制海洋生物生長、繁殖，造成海洋生態(tài)失衡，導(dǎo)致海洋生物窒息或中毒死亡，給海洋漁業(yè)帶來嚴(yán)重?fù)p失。有毒赤潮生物毒素通過食物鏈傳播,也會對人類健康和生命安全產(chǎn)生威脅。對赤潮進行監(jiān)測預(yù)警，對保障海洋生態(tài)平衡、穩(wěn)定海洋經(jīng)濟發(fā)展意義重大。圖7-10赤潮7.2赤潮監(jiān)測預(yù)警7.2.2赤潮監(jiān)測預(yù)警方法影響赤潮發(fā)生的因素和赤潮的動態(tài)變化過程是赤潮監(jiān)測的重要內(nèi)容?，F(xiàn)階段我國常用的赤潮監(jiān)測方法包括船舶定點監(jiān)測、浮標(biāo)監(jiān)測以及衛(wèi)星遙感監(jiān)測。大數(shù)據(jù)模型赤潮預(yù)測方法通過采集赤潮發(fā)生時的水文氣象、水質(zhì)狀態(tài)、生物活動等動態(tài)數(shù)據(jù)建立大數(shù)據(jù)赤潮預(yù)測模型，分析赤潮的發(fā)生變化規(guī)律。統(tǒng)計模型預(yù)測方法應(yīng)用多元統(tǒng)計分析方法對赤潮形成、發(fā)生、發(fā)展的數(shù)據(jù)進行綜合分析，找出不同指標(biāo)與赤潮之間的關(guān)系，總結(jié)赤潮發(fā)生規(guī)律。生態(tài)動力學(xué)模型預(yù)測方法將海洋生態(tài)特性和赤潮發(fā)生動力學(xué)機制通過動力學(xué)模型表現(xiàn)出來，模型中的參數(shù)體現(xiàn)影響赤潮發(fā)生的因素，通過對模型進行分析求解，可以明確系統(tǒng)運行特性，了解赤潮的發(fā)生規(guī)律。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測方法基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建預(yù)測模型，能夠應(yīng)用于赤潮實時監(jiān)測和預(yù)警，預(yù)測精度高，反應(yīng)速度快，但對預(yù)測結(jié)果進行解釋的合理性還需提高。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，遺傳算法、模糊邏輯、統(tǒng)計學(xué)習(xí)和知識發(fā)現(xiàn)等技術(shù)將在赤潮預(yù)測領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。7.3碳排放管理7.3.1水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)碳排放現(xiàn)狀與畜禽養(yǎng)殖業(yè)相比，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的碳排放量相對較低，每單位重量的水產(chǎn)品碳排放量約為豬肉1/2，牛肉1/10。但由于我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模大，養(yǎng)殖面積和產(chǎn)量均居世界首位，所以碳排放總量大，碳減排負(fù)擔(dān)較重，因此有必要對水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)碳排放進行科學(xué)管理。水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)是碳源，也具有碳匯屬性。水產(chǎn)生物吸收水中的碳元素，通過捕獲水產(chǎn)品即可將碳移出水體，從而維持水域生產(chǎn)系統(tǒng)吸收和存儲碳的能力。國內(nèi)海洋養(yǎng)殖和遠洋漁業(yè)的碳匯屬性明顯，每年的碳移除量可達到上百萬噸?，F(xiàn)代漁業(yè)技術(shù)創(chuàng)新將會使?jié)O業(yè)的碳匯作用得到更充分的發(fā)揮。7.3碳排放管理7.3.2水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)碳排放管理的現(xiàn)實需求隨著“雙碳”目標(biāo)提出，實施水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)碳排放管理變得重要。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部和國家發(fā)展改革委聯(lián)合提出將監(jiān)測體系建設(shè)作為農(nóng)業(yè)農(nóng)村減排固碳工作的重要舉措，加快構(gòu)建農(nóng)業(yè)減排固碳監(jiān)測、報告、核算體系。在水產(chǎn)養(yǎng)殖方面，《方案》提出開展?jié)O業(yè)減排增匯行動，推廣節(jié)能養(yǎng)殖機械，推進池塘標(biāo)準(zhǔn)化改造和尾水治理。能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、智能化養(yǎng)殖技術(shù)和設(shè)備的應(yīng)用能減少水產(chǎn)養(yǎng)殖碳排放，而碳排放監(jiān)測評估為碳減排方案實施提供依據(jù)。目前，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)碳排放監(jiān)測評估是熱門領(lǐng)域，但受技術(shù)手段、規(guī)模化程度等因素影響，完善的碳排放監(jiān)測、核算體系尚未形成。明確水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)鏈各個能耗指標(biāo)并開展實時監(jiān)測，制定能耗核算方法和能源利用效率評價體系，將有利于分析水產(chǎn)養(yǎng)殖能源利用效率和經(jīng)濟效益，規(guī)范水產(chǎn)養(yǎng)殖程序，指導(dǎo)低碳水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展。7.3碳排放管理7.3.3水產(chǎn)養(yǎng)殖碳排放監(jiān)測管理系統(tǒng)1.水產(chǎn)養(yǎng)殖碳排放監(jiān)測管理系統(tǒng)概述應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)，建立水產(chǎn)養(yǎng)殖碳排放監(jiān)測管理系統(tǒng)。使用傳感器采集與碳排放相關(guān)的能源消耗、三廢排放等數(shù)據(jù)，通過無線傳輸技術(shù)實時傳送到數(shù)據(jù)中心。對數(shù)據(jù)進行存儲、分析、挖掘、整合，并在平臺上展示。管理人員可通過電腦、手機查看實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，科學(xué)實施節(jié)能計劃。水產(chǎn)養(yǎng)殖碳排放監(jiān)測管理實現(xiàn)流程如圖7-11所示。圖7-11水產(chǎn)養(yǎng)殖碳排放監(jiān)測管理實現(xiàn)流程水產(chǎn)養(yǎng)殖碳排放監(jiān)測管理系統(tǒng)功能:

實時監(jiān)測碳排放數(shù)據(jù)；直觀展示碳排放結(jié)果；智能管理碳排放過程；科學(xué)評估碳減排成效。7.3碳排放管理2.水產(chǎn)養(yǎng)殖碳排放監(jiān)測的具體實現(xiàn)方式由于目前沒有對碳排放量的直接監(jiān)測方式，因此需要制定可量化、可實施、可考核的指標(biāo)監(jiān)測機制，監(jiān)測水產(chǎn)養(yǎng)殖各環(huán)節(jié)碳排放，特別是飼料生產(chǎn)和運輸、養(yǎng)殖設(shè)備能耗、水產(chǎn)生物排放、廢水處理等環(huán)節(jié)。在眾多的水產(chǎn)養(yǎng)殖碳排放來源中，養(yǎng)殖能源消耗是最主要的碳排放源，因此，監(jiān)測碳排放量首先可以從監(jiān)測養(yǎng)殖能耗入手，具體監(jiān)測內(nèi)容如表7-4所示。監(jiān)測養(yǎng)殖能源消耗，包括總用電量、分項用電量、可再生能源消耗、分布式能源供給的冷（熱）量，以及部分設(shè)備的耗油量。同時監(jiān)測用水量，以了解水產(chǎn)養(yǎng)殖綜合能耗情況。7.3碳排放管理表7-4養(yǎng)殖能耗監(jiān)測的具體內(nèi)容7.3碳排放管理在安裝傳感器對能耗量進行實時采集的基礎(chǔ)上，建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)能耗監(jiān)測分析系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖7-12所示，可以將能耗量、耗能過程、耗能設(shè)備運行狀態(tài)等轉(zhuǎn)化成可視化的數(shù)據(jù)，輔助進行水產(chǎn)養(yǎng)殖能耗管理，有針對性地開展節(jié)能工作。圖7-12物聯(lián)網(wǎng)能耗監(jiān)測分析系統(tǒng)架構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)能耗監(jiān)測分析系統(tǒng)實時采集水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)備能耗數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)控運行情況，數(shù)據(jù)由無線傳輸技術(shù)上傳至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)對能耗數(shù)據(jù)進行多維度統(tǒng)計和在線分析，實時反饋能耗變化趨勢，出現(xiàn)異常時發(fā)出報警。系統(tǒng)自動調(diào)控供能系統(tǒng)，保障用能安全。用戶可登錄系統(tǒng)平臺實時查詢和調(diào)控設(shè)備運行。7.3碳排放管理物聯(lián)網(wǎng)能耗監(jiān)測分析系統(tǒng)的主要功能模塊包括能耗監(jiān)測、視頻管理、能耗分析、異常報警和系統(tǒng)管理，具體如圖7-13所示。