溶解混施水肥一體化裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張志洋，李 紅，陳 超，夏華猛

(江蘇大學(xué)流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

水肥一體化是利用灌溉系統(tǒng)，將肥料溶解在水中，同時(shí)進(jìn)行灌溉與施肥，適時(shí)、適量地滿足農(nóng)作物對水分和養(yǎng)分的需求，實(shí)現(xiàn)水肥同步管理和高效利用的節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)，具有顯著的節(jié)水、節(jié)肥、省工、優(yōu)質(zhì)、高效、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[1,2]。應(yīng)用水肥一體化技術(shù)，可以提高灌溉用水效率，提高肥料應(yīng)用率，節(jié)省施肥用工，可方便、靈活、準(zhǔn)確地控制施肥量和時(shí)間。施肥設(shè)備是水肥一體化系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，通常安裝在灌溉系統(tǒng)首部，其性能的優(yōu)劣及運(yùn)行參數(shù)的調(diào)配會直接影響灌溉與施肥質(zhì)量[3,4]。

目前，國內(nèi)外常用的施肥設(shè)備主要有文丘里、注肥泵、壓差施肥罐和自壓施肥裝置。文丘里施肥器成本低、體積小、操作簡單[5,6]，但存在吸肥效果不穩(wěn)定、壓力損失較大等問題，一般適用于灌區(qū)面積不大的場合。注肥泵以水力驅(qū)動(dòng)比例施肥泵應(yīng)用最為廣泛，具有施肥精度高、工作穩(wěn)定、易于控制等優(yōu)點(diǎn)[7,8]，但價(jià)格昂貴、注入比例較低時(shí)的吸入誤差較大。壓差施肥罐成本低、操作與維修簡單，但在施肥過程中，在壓差的作用下，水流不斷進(jìn)入罐內(nèi)稀釋肥液，因此輸出的肥液濃度持續(xù)減小，這對于滴灌施肥過程中施肥罐注肥均勻度有非常大的影響[9,10]。自壓注入施肥裝置的優(yōu)點(diǎn)是方法簡單、價(jià)格低廉，但肥液濃度不穩(wěn)定、對地形有要求，主要在山區(qū)等有自壓條件的地方使用[11,12]。

總體來說，當(dāng)前國內(nèi)廣泛使用的施肥設(shè)備大多應(yīng)用于溫室、小田施肥或大田滴灌施肥，針對上述不足，本文提出了一種大田水肥一體化的模式，設(shè)計(jì)了基于溶解混施的水肥一體化裝置，通過固體肥料的溶解施肥，實(shí)現(xiàn)定量施肥和均勻施肥，并開展試驗(yàn)研究，測試了裝置的運(yùn)行特征及施肥均勻性。

1 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

本試驗(yàn)裝置主要由供水模塊、控制模塊、溶解模塊和輔助裝備組成，其中供水模塊包括進(jìn)水管、蓄水罐、水泵，控制模塊包括加肥裝置、直流電機(jī)、加肥速度控制裝置，溶解模塊包括蓄肥桶、濾網(wǎng)桶，輔助裝備包括流量計(jì)、連接管道等，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1-控制模塊：2-溶解模塊：3-流量計(jì)：4-水泵：5-蓄水罐 圖1 施肥試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of fertilizer experimental device

施肥裝置的工作原理為：蓄水罐5通過水泵4向溶解模塊2的蓄肥桶中持續(xù)注水，肥料從控制模塊1的加肥器中加入，經(jīng)由控制模塊1后勻速加入到溶解模塊2中溶解，最終水肥溶液從溶解模塊2的出水口流出。肥料添加速度可由控制模塊1中肥料全部落入溶解模塊2的時(shí)間與肥料重量計(jì)算出，水肥濃度可由出水口的采樣點(diǎn)采樣測得。施肥試驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 施肥試驗(yàn)裝置Fig.2 Fertilizer experimental device

2 試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

2.1 控制模塊的設(shè)計(jì)

控制模塊的原理圖如圖3所示，直流電機(jī)1通過電機(jī)安裝座2安裝在加料器4的外壁，偏心輪3安裝在直流電機(jī)1上，電機(jī)運(yùn)行帶動(dòng)偏心輪3旋轉(zhuǎn)，加料器4由于偏心輪3的旋轉(zhuǎn)發(fā)生震動(dòng)，肥料從加料器4中加入，在重力和震動(dòng)的雙重作用下落入連接器5中，連接器5中有墊片6，墊片6為環(huán)形，可以通過改變環(huán)形孔的直徑控制肥料的下落速度。

1-直流電機(jī)；2-電機(jī)安裝座；3-偏心輪；4-加料器；5-連接器；6-墊片 圖3 控制模塊示意圖Fig.3 Schematic diagram of control module

2.2 溶解模塊的設(shè)計(jì)

溶解模塊的原理圖如圖4所示，濾網(wǎng)桶3安裝在蓄肥桶2上，用于過濾固體肥料中不溶于水的雜質(zhì)，肥料從控制模塊出口進(jìn)入濾網(wǎng)桶3中，進(jìn)水管1偏心安裝在蓄肥桶2的外壁，進(jìn)水管1中的水切向沖擊蓄肥桶2中的水肥溶液，推動(dòng)2中的水肥溶液旋轉(zhuǎn)，使蓄肥桶2中的肥料能充分溶解。水肥溶液從出水管5流出，取樣點(diǎn)4為安裝在出水管5上的水龍頭。試驗(yàn)時(shí)，每隔一段時(shí)間從取樣點(diǎn)4取樣測量水肥溶液濃度，確保濃度測量的準(zhǔn)確性。

1-進(jìn)水管；2-蓄肥桶；3-濾網(wǎng)桶；4-取樣點(diǎn)；5-出水管 圖4 溶解模塊示意圖Fig.4 Schematic diagram of dissolving module

3 試驗(yàn)裝置與方法

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

(1)測試試驗(yàn)樣機(jī)的運(yùn)行情況；

(2)初步了解裝置的施肥均勻性；

(3) 探究投肥方式對裝置施肥均勻性的影響。

3.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示，塑料蓄水罐與直流自吸泵連接，水泵與蓄肥桶連接；液體渦輪流量計(jì)監(jiān)測流量(型號SIN-LWGY-DN15，測量范圍0.6～6 m3/h，儀表精度0.5%)；試驗(yàn)中采取的肥料為氯化鉀(白俄羅斯，總養(yǎng)分：K2O≥60%，規(guī)格：紅色顆粒，自由流動(dòng))；用電導(dǎo)率儀(型號為EC-1385,精度±2%F·S)測量水肥溶液電導(dǎo)率。

3.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在江蘇大學(xué)流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心的噴灌實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)鉀肥從控制模塊加入，通過測量出口取樣的水肥溶液的電導(dǎo)率測定肥液濃度[13,14]。裝置施肥量達(dá)90%以上時(shí)，判定為施肥完成。試驗(yàn)的方法及步驟具體如下：①標(biāo)定鉀肥溶液濃度與電導(dǎo)率的關(guān)系；②將肥料全部加入控制模塊，測量出口水肥濃度并記錄；③改變投肥方式，比較施肥均勻性的變化。本試驗(yàn)采用Christiansen計(jì)算法[15]計(jì)算出的均勻系數(shù)來衡量裝置的施肥均勻性，均勻系數(shù)越大，均勻性就越好。

4 結(jié)果與分析

4.1 鉀肥濃度的標(biāo)定

設(shè)計(jì)了如下22組標(biāo)定試驗(yàn)。

表1 鉀肥濃度標(biāo)定試驗(yàn)Tab.1 Calibration test of potassium fertilizer concentration

標(biāo)定時(shí)水的體積選擇為1～4 L，其中1～2 L間隔0.1 L取一個(gè)數(shù)據(jù)，2.2～3 L間隔0.2 L取一個(gè)數(shù)據(jù)，3.5～4 L間隔0.5 L取一個(gè)數(shù)據(jù)，共選取18個(gè)標(biāo)定數(shù)據(jù)，分別加入10 g鉀肥；2.5～4 L間隔0.5 L取一組數(shù)據(jù)，共選取4組標(biāo)定數(shù)據(jù)，分別加入鉀肥5 g。計(jì)算其濃度并記錄，待混合均勻后用電導(dǎo)率儀測量其電導(dǎo)率并記錄，根據(jù)這些散點(diǎn)，用線性回歸方程算出鉀肥溶液濃度與其電導(dǎo)率之間的線性關(guān)系。

圖5 鉀肥溶液濃度標(biāo)定Fig.5 Calibration of potassium solution concentration

如圖5所示，得到22個(gè)散點(diǎn)，最終得出鉀肥溶液濃度與電導(dǎo)率之間的關(guān)系：

C=0.782 3σ-0.249 5

(1)

R2=0.990 4

式中：C為肥液的濃度；σ為肥液的電導(dǎo)率；R為相關(guān)系數(shù)。

4.2 裝置的運(yùn)行

試驗(yàn)采用直徑250 mm，網(wǎng)孔60目的濾網(wǎng)桶，濾網(wǎng)桶入水深度320 mm，墊片落料孔孔徑為11 mm，調(diào)節(jié)進(jìn)口流量為1.3 m3/h，將2.5 kg鉀肥全部加入控制模塊中，在取樣點(diǎn)取樣，測量肥液樣品的電導(dǎo)率并記錄，并根據(jù)換算出的水肥濃度計(jì)算出施肥量：

M=SQ

(2)

式中：M為施肥量；S為濃度曲線與X軸所形成的圖形的面積；Q為流量。

采用Christiansen計(jì)算法計(jì)算均勻系數(shù)：

(3)

式中：Cu為均勻系數(shù)；C為濃度數(shù)據(jù)算術(shù)平均值；Ci為第i分鐘出口水肥濃度。

如圖6所示，根據(jù)公式(2)算得40 min內(nèi)的裝置的施肥量約為2.25 kg，達(dá)到施肥總量的90%，基本完成工作，為了試驗(yàn)的比對性，以下試驗(yàn)均取前40 min試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)的出口水肥濃度曲線隨時(shí)間整體呈現(xiàn)先上升后下降的態(tài)勢，裝置出口平均水肥濃度為2.46 g/L，最高和最低濃度與濃度平均值偏差分別為10.67和2.4 g/L，根據(jù)公式(3)算得均勻系數(shù)為21.5%。因此，本裝置能夠?qū)崿F(xiàn)邊溶解邊施肥的效果。

圖6 出口水肥濃度隨時(shí)間的變化圖Fig.6 Variation of water and fertilizer concentration with time

4.3 投肥方式對裝置施肥均勻性的影響

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3種投肥方式。

表2 投肥方式Tab.2 Fertilizer distribution mode

如圖7所示，取前40 min試驗(yàn)數(shù)據(jù)，3組試驗(yàn)的出口水肥濃度曲線隨時(shí)間整體均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，A組試驗(yàn)中出口平均水肥濃度為2.46 g/L，最高和最低濃度與濃度平均值偏差分別為3.78和2.40 g/L，根據(jù)公式(2)算得40 min內(nèi)的裝置的施肥量約為2.33 kg，根據(jù)公式(3)算得均勻系數(shù)為30.9%；B組試驗(yàn)中出口平均水肥濃度為2.72 g/L，最高和最低濃度與濃度平均值偏差分別為3.38和2.70 g/L，根據(jù)公式(2)算得40 min內(nèi)的裝置的施肥量約為2.37kg，根據(jù)公式(3)算得均勻系數(shù)為41.5%；C組試驗(yàn)中出口平均水肥濃度為3.80 g/L，最高和最低濃度與濃度平均值偏差分別為10.66和3.80 g/L，根據(jù)公式(2)算得40 min內(nèi)的裝置的施肥量約為2.43 kg，根據(jù)公式(3)算得均勻系數(shù)為29.7%，綜上而言，在當(dāng)前試驗(yàn)條件下，40 min基本上能完成施肥工作，在本次的3組試驗(yàn)中，B組試驗(yàn)的投肥方式下，均勻系數(shù)較之于第A,C組試驗(yàn)分別提升了10.6%和11.8%，證明投肥方式是影響本試驗(yàn)裝置施肥均勻性的重要因素之一，可以通過改變投肥方式使本裝置達(dá)到更好的施肥均勻性。

圖7 不同投肥方式下裝置出口水肥濃度變化圖Fig.7 Variation of water and fertilizer concentration in different fertilizer system

5 結(jié) 論

(1)本研究設(shè)計(jì)了一種固體肥料下料、溶解、施肥同時(shí)進(jìn)行的水肥一體化裝置，其運(yùn)行情況良好，能夠在一定的時(shí)間內(nèi)完成給定的施肥任務(wù)。

(2) 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，本裝置可以達(dá)到預(yù)期的施肥效果，即實(shí)現(xiàn)固體肥料的溶解混施；3組不同投肥方式的對比試驗(yàn)結(jié)果表明，改變投肥方式可以明顯的改變裝置的施肥均勻性，在采用1 kg直接加入蓄肥桶中，1.5 kg加入控制模塊中的投肥方式時(shí)，裝置具有比較好的施肥均勻性(均勻系數(shù)最大)，再考慮到水肥在田間的自由流動(dòng)，本裝置完全可以實(shí)現(xiàn)在田間的均勻施肥。

(3)試驗(yàn)只是采用均勻系數(shù)作為衡量裝置施肥均勻性的指數(shù)，并不代表均勻系數(shù)等于本裝置的施肥均勻性；試驗(yàn)只設(shè)計(jì)了3種不同的投肥方式，試驗(yàn)組較少，什么樣的投肥方式才能達(dá)到最好的施肥均勻性還需要大量試驗(yàn)；本研究只是對部分參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)，還有諸如流量、落料孔徑、肥料種類、加入肥料的重量，濾網(wǎng)桶參數(shù)等因素對本施肥裝置施肥均勻性的影響還需進(jìn)一步的試驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張承林, 鄧蘭生. 水肥一體化技術(shù)[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社, 2012.

[2] Chen X J, Wang K J, Han X Z, et al. Designs on Automatic Control System of Integration of Water and Fertilizer[J]. Hubei Agricultural Sciences, 2016.

[3] 石國梁. 棉花膜下滴灌系統(tǒng)的安裝和運(yùn)行管理[J]. 農(nóng)村科技, 2011,(7):77-78.

[4] 王雅芳. 一種全自動(dòng)水肥一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 新疆石河子：石河子大學(xué), 2015.

[5] 韓啟彪, 黃興法, 劉洪祿,等. 6種文丘里施肥器吸肥性能比較分析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2013,44(4):113-117.

[6] Qiu Z, Bao A. Numerical Study on Concentration Affected by Structure Parameters----Based on Parallel Venturi Fertilizer Applicator[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2012.

[7] Han Q B, Wu W Y, Liu H L, et al. Experiment on fertilizer suction performance of three hydraulic driven pumps.[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2010,26(2):43-47.

[8] 趙友俊. 水動(dòng)比例注肥泵的研制[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備, 2011,(8):48-50.

[9] Fan J, Zhang F, Wu L, et al. Field evaluation of fertigation uniformity in drip irrigation system with pressure differential tank[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2016.

[10] 韓啟彪, 馮紹元, 黃修橋,等. 滴灌壓差施肥技術(shù)研究概況與發(fā)展趨勢[J]. 中國農(nóng)村水利水電, 2014,(9):1-4.

[11] 韓啟彪, 馮紹元, 黃修橋,等. 我國節(jié)水灌溉施肥裝置研究現(xiàn)狀[J]. 節(jié)水灌溉, 2014,(12):76-79.

[12] 郭彥彪, 李社新, 鄧蘭生,等. 自壓微灌系統(tǒng)施肥裝置[J]. 水土保持研究, 2008,15(1):261-262.

[13] 馮錦梅. 在線監(jiān)測氨氮濃度的電導(dǎo)測量方法研究[J]. 環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警, 2014,(1):34-38.

[14] 董文峰, 黃征青. 電導(dǎo)率法測定EDTA二鈉鹽水溶液的濃度[J]. 廣州化工, 2017,45(6):110-1.

[15] 李小平. 噴灌系統(tǒng)水量分布均勻度研究[D]. 武漢：武漢大學(xué), 2005.