1 引言
增氧是水产养殖关键技术之一，增氧方法一般分为化学增氧、生物增氧和物理增氧。目前，鱼塘日常增氧主要采用物理增氧，包括有叶轮增氧、水车增氧、涌浪增氧、射流增氧和曝气增氧等，其中曝气增氧为底层增氧，其他为水面增氧。相较水面增氧，鱼塘底部增氧具有节能、环保和增产增效的功效，因此曝气增氧得到国家政策支持进行推广。2014年以来，本文第一作者和指导老师共同开展鱼塘增氧技术的研究，共获7项发明专利和10多项实用新型专利，其中相当部分是立足底层增氧的研究方向产生的研发成果。
回顾近年参与增氧技术的研发实践和梳理已获授权的专利技术，其中主要的思路是探索底层增氧，现结合实例对底层增氧的技术路径进行分析和归纳，为进一步的研究建立模式和奠定基础，并以此抛砖引玉，促进底层增氧技术发展和完善。
2 底层增氧的研发思路
水体融氧来自两个方面，首先是空气中的氧气融入水体，约占10%；其次是光合作用产生氧气，约占90%；光合作用的浮游生物分布密度由水面向水底渐少，由于鱼塘的底层不与空气接触，缺乏光合作用所需的二氧化碳，也缺少水气接触融氧的条件，塘底的有机物还不断耗氧，因此与水体上层比，鱼塘的底层普遍缺氧。
为解决底层增氧，主要有以下几种工作思路：一是化学增氧，通过氧化剂在水底进行化学反应释放氧气；二是促进底层水体的光合作用增氧，即生物增氧；三是给鱼塘底层注入空气进行曝气增氧；四是把底层水体导出增氧后回流增氧；五是促进底层水(贫氧水)体和上层水体(富氧水)循环。其中三、四、五项主要采用电机提供动力，实现底层增氧，属于物理增氧，是作者遵循的主要底层增氧研发思路。
3 物理底层增氧的技术路径
梳理归纳研发实例，作者探索底层增氧的主要的技术路径可归结为五方面。
3.1 水面富氧水回流水底增氧
本项增氧技术路径：把水面增氧产生的富氧水回流水底，促进上下层水体循环实现底层增氧。
比如我们研发的“一种鱼塘底层水体均匀增氧装置”（实用新型专利），它通过收集水花水回流水底促进上下层水体循环进行底层增氧。它创新处在于通过提升接水盘高度使微孔管出水孔处管内水压高于管外水压促进水花水流到水底，而不需借助动力。它的结构如图1所示。
图1 一种鱼塘底层水体均匀增氧装置的结构
又比如目前正在研发的“一种单电机翻浪灌底增氧装置”。它通过传动装置实现电机的两用，一用是用来翻浪增氧；二用是把收集的富氧水（部分浪花）通过管路压下水底。
3.2 水底贫氧水送上水面增氧
技术路径是：把水底贫氧水送上水面增氧，促进上下层水体循环。
第一种是双电机模式。比如我们设计了一种“一种循环利用鱼塘底层水的甩水拍水增氧装置”（实用新型专利）。结构见图2。它的基本原理是通过抽水装置把鱼塘底部的贫氧水抽到水面，通过双轴电机上轴带动甩水装置把底层水高速甩水增氧，把换底层贫氧水变成高溶氧水在水面扩散，实现上下水体循环。当然，它还通过电机下轴带动水面叶轮转动进行水面增氧，加强增氧效果。它的特点为：一是抽底层水和水面增氧各用一个电机；二是电机的上下两轴都进行水面增氧。
图2 一种循环利用鱼塘底层水的甩水拍水增氧装置的结构
注：1-环形接水盘；2-甩水椎体；3-为电机；4为抽水装置；11-滴水孔。
第二种是单电机模式。比如我们设计的“一种循环利用鱼塘底层水的阿基米德螺旋增氧装置”（实用新型专利）。结构见图3。它采用双轴电机作动力，电机上轴通过齿轮组带动阿基米得螺旋泵把底层水抽上水面，下轴带动甩水装置把抽上来的底层贫氧水甩成水花增氧。
图3 一种循环利用鱼塘底层水的阿基米德螺旋增氧装置的结构
又比如,我们设计了“一种活塞式涌浪增氧装置”（发明专利）。结构见图4。它的结构主体是被浮体支撑而半浮于水面、上部开口的缸体，缸体底部通过阀门连接分布到塘底各处的微孔分支管，缸体内有带阀门的活塞板，活塞板通过连杆曲轴机构连接潜水电机。其中活塞板阀门和缸底阀门都是单向向上开口的活阀门。它的工作原理是：电机通过曲轴连杆带动活塞板往复运动，设初始时活塞板处于缸体底部，两阀门关闭，活塞板往上运动时，活塞阀门关闭，底层贫氧水经管路借助水压冲开缸底阀门进入活塞板下缸体，活塞板向下运动时，缸底阀门关闭，缸体内的贫氧水冲开活塞阀门进入活塞上部缸体，活塞上行，活塞阀门关闭，活塞上部贫氧水上行并于开口处涌出促使上层水体向周边扩散形成浪花，实现增氧及促进水体流动的效果；同时被封闭的活塞板上移时缸体内形成低压缸体环境，塘底水借助水压冲开缸底阀门进入活塞下缸体，为下一个循环做准备。
图4 一种活塞式涌浪增氧装置的结构
3.3 把水面富氧水回流水底和把水底贫氧水送上水面增氧结合
它实现底层增氧的技术路径：把水面高融氧水回流水底和把水底贫氧水送上水面增氧结合促进上下水体循环。
比如我们把“一种鱼塘底层水体均匀增氧装置”和“一种循环利用鱼塘底层水的甩水拍水增氧装置”组合在一起，其中“一种循环利用鱼塘底层水的甩水拍水增氧装置”实现把水底贫氧水送上水面进行水面增氧，“一种鱼塘底层水体均匀增氧装置”收集高含氧的水花水回流水底实现水面富氧水回流水底增氧，两者的组合加快了上下水体的循环，提升了增氧效果。
3.4 基于曝气增氧的把底层贫氧水变成高压高氧水的增氧。
本项增氧的技术路径：通过单片机设定程序控制压缩机对罐的抽气充气和相关管路阀门通断，实现水底曝气增氧和把底层贫氧水变成高压高氧水进行利用，还巧妙利用因此产生的罐体上下浮动带动水体扰动产生波浪增氧。
比如我们发明的“一种高压高氧水曝气增氧装置”（发明专利）。结构见图5.
图5 一种高压高氧水曝气增氧装置的结构
结构的主体是位于水中容器罐，容器罐的底部连接有通向水底的装有电控水阀的软管和软管所连接的多条分支微孔管，容器罐还连接伸出水面的装有电控排气阀的排气管，容器罐上部另一气管通过抽排气装置（如二位四通电磁阀）连接空压机，还用单片机对电控排气阀、电控水阀和空压器进行统一控制。它的工作原理是：在单片机设定程序控制下空压机对容器罐进行抽充气操作，实现三种增氧模式，一是水底曝气增氧；二是向水底输送高压高氧水增氧；三是容器罐上下浮动带动水体扰动形成波浪增氧。其中，电控气阀关闭，电控水阀打开，空压机对容器罐充气时是水底曝气增氧模式；电控气阀关闭，电控水阀打开，空压机对容器罐抽气时，底层贫氧水被水压压入容器罐，再切换至充气模式把贫氧水变为高压高氧水，接着打开电控水阀实现向水底输送高压高氧水的增氧模式；随各种工作模式变换，容器罐上下浮动带动水体扰动产生波浪增氧。
又比如我们设计的“一种利用鱼塘底层水体的加压细孔喷水增氧装置”（发明专利）。结构见图6。
图6 一种利用鱼塘底层水体的加压细孔喷水增氧装置的结构
它以容器罐为中心连接空压机（若没有潜水泵需带抽排气切换装置如二位四通电磁阀）、带分支微孔管和电控阀的出水管、还有带分支微孔管管和电控阀的进水管，单片机按设定程序控制空压机的抽排气操作、出水电磁阀和进水电磁阀的通断和潜水泵的工作。它的工作原理是：空压机对容器罐1进行抽排气操作，实现三种增氧模式，一是水底曝气增氧；二是通过出水管向水面喷射雾化高压高氧水增氧，这些高压高氧水是空压机抽（容器罐）气时利用水压把底部的贫氧水抽进容器再注进压缩空气形成的（无潜水泵时）或充气和潜水泵抽水相结合时形成（有潜水泵）。此外，容器罐由于进水、出水造成的重量变化而在水中上下浮动，进而搅动水体，大大提高水体的增氧效果。
3.5 组合鱼塘上下水体循环和曝气增氧的立体综合增氧
本项底层增氧的技术路径：在做好水面增氧的基础上，采用多种手段采用比如促进鱼塘富氧水回流水底、把水底贫氧水送上水面增氧、利用空压机的抽排功能进行增氧等实现底层增氧的中心任务。
比如我们研发的“一种综合立体增氧装置”（实用新型专利），它以水气泵通过四通电磁阀和相关管路连接“一种循环利用鱼塘底层水的甩水拍水增氧装置”和“一种鱼塘底层水体均匀增氧装置”（水花收集均匀回流水底装置）。管路连接关系见图7。其中四通电磁阀的作用是切换气泵的抽、排气回路。电路连接关系见图8。
它的设计思路是：一用具有抽水和抽气功能的水气泵替代空气压缩机和用于抽底层水，通过切换抽气和抽水实现反抽系统外的高溶氧水以及曝气增氧两种底层增氧；二是通过双轴电机进行叶轮增氧（下轴带动）和把水气泵抽上来的底层水高速甩水增氧（上轴带动）；三是通过“一种鱼塘底层水体均匀增氧装置”收集高溶氧水花水回流水底进行底层增氧。所以，它有甩水增氧和叶轮增氧两种水面增氧和曝气增氧、富氧水回流水底增氧、反抽外源高溶氧水回流水底增氧三种底层增氧方式。
图7 管路连接关系示意图
图8 电路连接关系示意图
3.6 设置独立增氧系统增氧
它实现底层增氧的技术路径是：把鱼塘底层的贫氧水导出到独立增氧系统，使鱼塘、独立增氧系统通过水流管路构成闭环系统，使鱼塘底层的贫氧水变成富氧水回流鱼塘。它以独立增氧系统为主进行增氧，其方式可以因地制宜，百花齐放；当然在流出和回流过程也可以辅助进行比如流水增氧、磁化增氧、滴水增氧等等加强增氧效果。这种技术路径的特点是减少了机械增氧系统设置在养鱼主塘对鱼塘生态的干扰和破坏。
比如我们研发的“一种基于独立增氧池的综合增氧净化系统”（实用新型专利）。它的主要特点是在鱼塘外设置了主要增氧用的小面积浅水池，小面积浅水池可设置超声波发生器进行增氧，还可以栽种水生经济作（植）物和养殖泥鳅，这样既提高了经济效益又实现了生物增氧，因为水生经济作物通过光合作用可产生氧气，泥鳅在水中虽然也呼吸氧气产生二氧化碳，但它喜窜出水面吸氧的特点减少了对水体融氧的消耗，还形成浪花产生增氧效果。
又比如我们研发的“下沉落差流水综合增氧装置”（实用新型专利），结构见图９。
图9 下沉落差流水综合增氧装置的结构
它的主要特点是在池塘外设置专门下沉装置，下沉装置上部设置过滤装置，过滤装置内填充沙石等加大水-气接触面积强化增氧，（若填充颗粒吸附剂可用于吸附滤除氨氮、亚硝酸盐等有害物质），导出的鱼塘底层的贫氧水，在下沉装置主要经历过滤增氧和坠落增氧，并加速水中的有害气体如氨氮等挥发。
4 物理底层增氧的研发展望
低能耗、健康、生态的养殖是水产养殖发展方向，物理增氧主要是对电机的控制，这为变频和自动控制提供了便利，鱼塘底层含氧量是因时因地不同的，水产生物对融氧需求也因不同区域不同养殖类型不同，需要个性化的增氧组合应用，也需要自动的检测和控制，因此物理增氧的综合应用、因地制宜的水循环利用和电机的变频和自动控制是基于底层增氧的增氧研发方向。
5 结语
底层增氧是鱼塘增氧技术的发展方向，实现底层增氧的方式、途径多样，在增氧技术研发过程中，可以围绕底层增氧的思路设计多种增氧技术路径，实现因地制宜的鱼塘增氧或适应使用者的不同增氧用途，为渔业节能增效增产增收做出贡献。
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收稿日期：2017-12-07
作者简介：梁曦（2001-），女，广东开平人，开平市开侨中学学生，2017年获广东省宋庆龄奖学金。
