养鱼池充气机溶解氧 SOTR 设计

参数设置

池面积

m²

池水深

鱼种

体重1kg·1日O₂消耗自动设置

养殖密度

kg/m³

水温

°C

充气机类型

SOTR (kgO₂/kWh) 自动设置

充气机功率

目标 DO

mg/L

应设置于鱼种最低DO之上，安全侧

计算结果

—

池容积 (m³)

—

全鱼体重 (kg)

—

饱和 DO (mg/L)

—

1日O₂需求 (kg/day)

—

充气机供给 (kg/day)

—

所需电力 (kW)

—

养鱼池截面图 — 充气机·鱼·气泡

蓝色条表示当前DO（mg/L）。水面充气机产生气泡，绿→橙→红表示缺氧程度。

DO供给 vs 充气机功率

充气机类型别 SOTR 对比

理论·主要公式

$$V_{\text{pond}} = A\cdot d, \qquad M_{\text{fish}} = V_{\text{pond}}\cdot \rho_{\text{stock}}$$

池容积 V 和全鱼体重 M。A：池面积 m²，d：水深 m，ρ_stock：养殖密度 kg/m³。

$$\text{DO}_{\text{sat}} = 14.652 - 0.41\,T + 0.008\,T^{2}$$

水温 T (°C) 下淡水饱和DO的近似式（mg/L）。温度越高溶解度越低。

$$\dot m_{\text{O}_2}^{\,\text{supply}} = \text{SOTR}\cdot P_{\text{kW}}\cdot 24\cdot \frac{\text{DO}_{\text{sat}}-\text{DO}_{\text{design}}}{\text{DO}_{\text{sat}}}$$

充气机实际供给（kgO₂/day）。SOTR：标准氧转移效率 (kgO₂/kWh)，P：功率 (kW)。DO越接近目标值，驱动力越小。

$$P_{\text{req}} = \frac{\dot m_{\text{O}_2}^{\,\text{demand}}}{\text{SOTR}\cdot 24\cdot (\text{DO}_{\text{sat}}-\text{DO}_{\text{design}})/\text{DO}_{\text{sat}}}$$

维持目标DO所需的充气机 kW。需求超过供给时鱼会缺氧。

养鱼池充气机溶解氧 SOTR 设计 — 养殖密度·水温

🙋

老师，养鱼池里有那种像大水车一样转的充气机，为什么非得用电来驱动这个东西呢？

🎓

问得好。这个水车是「给鱼供氧的装置」。鱼用腮呼吸，会消耗池里溶解的「溶解氧 DO」，如果不足就会窒息死亡。尤其是养殖池里鱼的密度是自然池的好多倍，靠自然对流根本不够。比如1公顷（1万m²）、水深1.5m的吴郭鱼池，按25kg/m³的密度养殖，鱼的总体重就达375吨。要让这么多鱼不缺氧，每天得强制溶解100多公斤的O₂进水里。

🙋

原来如此…。那图上出现的「SOTR」是什么指标？从1.2到3.0，种类间相差这么大，为什么呢？

🎓

SOTR 就是 Standard Oxygen Transfer Rate 的缩写，表示「每消耗1度电能向水里溶解多少公斤的O₂」这个效率指标。桨轮式是猛烈击打水面，增加气液接触面，SOTR约1.5；微孔扩散式是从底部喷微细气泡，接触时间长，SOTR可达3.0，效率高一倍。但是初期投资、维护难度、停电应急考虑都不一样。东南亚的吴郭鱼养殖主要用桨轮式，原因是「皮实、便宜」。而日本的鲑鱼陆上养殖场倾向高效的扩散式或纯氧混合。

🙋

哦，水温提高的时候「饱和DO」会一直下降呢。可是「需求」也增加了……夏天最危险是吧？

🎓

对，就是「夏天双重打击」。气体溶解度随温度升高而下降，20°C时饱和DO是9 mg/L，30°C就跌到7.5 mg/L。同时鱼是变温动物，水温高代谢快，氧气消耗增加。再加上夜间植物浮游生物停止光合作用，只有鱼和微生物呼吸，夜明前的3～5点DO会跌到最低。养殖事故大多发生在这个时间段，业内叫「DO崩溃」，这是最恐怖的。所以设计DO应该让「夜明前的最低值不低于3～4 mg/L」，平均目标通常设5～6 mg/L。

🙋

这个工具的默认设置显示「ng」（红色）。这5kW的桨轮式充气机不够吗？

🎓

对。默认条件（2000m²×1.5m=3000m³，吴郭鱼25kg/m³，28°C）下，O₂需求约112.5 kg/day，供给才84.7 kg/day，差28 kg/day。所需电力6.6 kW，现在5kW不够。改善方法有3种：(1)换成微孔扩散式（SOTR=3.0）；(2)提高功率到7kW以上；(3)降低养殖密度到20 kg/m³。实际操作中常见的是「晚上加开另一台机子」这种时段运行策略。

🙋

那年电费也不便宜吧…

🎓

5kW 24小时×365天，年用电43,800度。电价按0.10美元/度算，约4,380美元（约65万日元）。养殖成本中电费通常占20～30%，这里的节省空间非常大。最近有些场子用太阳能+蓄电池驱动充气机，或者装DO传感器让充气机自动启停，可以省电30～40%。

常见问题

SOTR 是 Standard Oxygen Transfer Rate 的缩写，表示在清水、DO=0、20°C 的标准条件下，每 1 kWh 能向水中溶解多少 kg 的O₂。桨轮式约 1.3～1.8、微孔扩散式约 2.5～3.5 kgO₂/kWh。实际养鱼池中 DO 不为 0，本工具用 (DO_sat - DO) / DO_sat 的修正系数来计算实际供给量。

鱼体重 1kg 每日 O₂ 消耗，吴郭鱼约 1.5g、鲶鱼约 2.5g、虾约 3g、大麻哈鱼约 5g、鲑鱼约 6g。冷水性活动鱼类（鲑鱼、鲟鱼）需求量大，而温和性吴郭鱼需求较小。本工具用这些代表值计算1日总O₂需求，但实际投饲后会急增2～3倍，为安全起见应将目标DO设得较高（5～6 mg/L）。

气体溶解度随温度升高而降低。饱和DO在10°C约11 mg/L，20°C约9 mg/L，30°C约7.5 mg/L。本工具使用近似式 DO_sat = 14.652 - 0.41·T + 0.008·T²（淡水）。高温下鱼的代谢也加快，氧气需求增加，所以夏季充气机电力需求通常是冬季的2倍以上。

通常以单位水体中的鱼体重（kg/m³）为标准：≤20 为低密度（传统池塘养殖），20～40 为中密度（半集约），≥40 为高密度（集约养殖）。高密度养殖不开充气机的话，鱼几小时内就会缺氧死亡，必须配备备用机和氧气瓶。本工具在超过 40 kg/m³ 时切换为\"高密度\"显示，并严格评估SOTR安全裕度。

实际应用

东南亚大规模吴郭鱼·虾养殖：越南、泰国、印尼河口地带的数千m²～数公顷土池，标准配置是4～10台桨轮式充气机。停电频发的地区会装柴油发电机自动切换和多台机冗余运行，防止全部停机。本工具计算的所需kW通常要乘以1.5～2倍来做「峰值·冗余设计」。

日本鲑鱼·鲟鱼陆上循环式（RAS）养殖：温控室内高密度（50～80 kg/m³）养殖，标配是纯氧气+微孔扩散式。SOTR>3.0的高效类型，配合DO传感器+自动控制，常年维持8 mg/L左右。本工具的「微孔扩散式」预设就接近这个用途。

农业水利灌溉池的水质改善：非养殖目的的储水池，夏季底层缺氧会产生硫化氢、引发蓝藻爆发。小型文丘里式充气机（0.5～2kW）可以促进上下对流，抑制富营养化。本工具输入「低密度（1kg/m³）」能估算这类水质维持的所需电力。

教学·研究用模拟：水产学部、环境工程的CAE/物质收支课程，用此工具理解池塘氧素收支的理论基础。通过改变SOTR、DO饱和度、密度等参数，体验「需求和供给」的平衡感。做CFD详细流场分析前的量纲级别初步评估也很有效。

常见误区和注意点

第一个注意点是，「SOTR只是标准条件下的数值」。实际养鱼池含盐、有机物、微细藻类多，氧转移系数 kLa 会降到清水的 0.7～0.85 倍（α系数）。本工具为简化起见取α=1，但海水养殖或有机物多的池塘应把SOTR打85折来评估，这样更安全。还有pH、温度的修正因子，业界经验是「产品SOTR的60～70%才是实际值」。

第二点是，「要用最低DO来设计，不是平均DO」。日间植物光合作用能把DO推高到10～15 mg/L，但夜明前可能急跌到2～3 mg/L。鱼按最低值评判，所以即使平均保证5 mg/L，夜间跌到1 mg/L还是会一夜全死。实务中必须装DO传感器连续监测，低于5 mg/L时自动增段充气。

第三点是，「氧气过多也会出问题」。RAS或纯氧混合系统把DO推得很高（15 mg/L以上）时，鱼会患「气泡病」——血液中气体过饱和产生气泡，堵塞腮和脑血管会致命。本工具目标DO上限设在9 mg/L，但纯氧系统需要管理总气体分压（TGP）和氮气分压，超出SOTR这个框架了。

养鱼池充气机溶解氧 SOTR 设计