微灌用施肥泵施肥比例與肥水比對過濾器堵塞的影響

王 睿，王文娥，胡笑濤，楊 欣，黎會仙

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微灌用施肥泵施肥比例與肥水比對過濾器堵塞的影響

王 睿，王文娥※，胡笑濤，楊 欣，黎會仙

（西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室，楊凌 712100）

為研究微灌用施肥泵施肥比例與肥水比對過濾器堵塞的影響，該文以疊片和網式過濾器為研究對象，結合比例式施肥泵的施肥特點及性能，通過調節不同施肥比例（2%、3%和4%）與吸入的肥水比（1∶4、1∶5和1∶6）對過濾器在施肥條件下的水頭損失、總過水流量及濾網（芯）附著物質量進行分析。結果表明：網式和疊片式過濾器對出口肥液濃度的使用范圍不一致，網式過濾器適用于肥液平均濃度在0.117%以下，疊片式過濾器適用于肥液平均濃度在0.067%以下。隨著肥液濃度的增大，濾網表面附著物質量差異不顯著，濾芯疊片上附著物質量差異顯著，最大附著物質量是最小附著物質量的11.4倍；疊片式過濾器抗堵塞性能遠遠優于網式過濾器，當肥液平均濃度最大為0.296%時，疊片濾芯附著物質量是網式濾網質量的4.75倍，總過水量比網式過濾器大0.1 m3/h。研究可為水肥一體滴灌設備技術的推廣和應用提供依據。

肥料；過濾器；泵；堵塞；水頭損失；微灌

0 引 言

微灌技術的推廣應用需要配套設備性能優良。滴灌條件下灌水器內既有物理堵塞過程又存在化學堵塞過程，需加強過濾去除水中雜質[1-5]。作為微灌系統中水質處理設備的過濾器，其水力性能優良才能保證系統運行穩定可靠[6]。微灌系統配套使用施肥裝置還可實現水肥一體化，其施肥均勻性是評價微灌系統性能的重要指標。灌水施肥均勻性低可能導致作物產量和品質下降，造成水肥利用效率降低[7]。施肥與過濾裝置的性能匹配時才能提高微灌系統運行的穩定性和灌溉施肥的均勻度。

李久生等[7]對滴灌系統施肥灌溉均勻性進行了評估，認為宜優先選用肥液濃度恒定的施肥裝置，壓差式施肥罐的施肥變差系數約是灌水量變差系數的1.4倍，而文丘里施肥器和比例式施肥泵的施肥量變差系數與灌水量變差系數相當。韓啟彪等[8]對3種比例式施肥泵的吸肥性能進行了試驗研究，分析了施肥泵入口流量和施肥量的影響因素，發現施肥量的大小和入口流量與壓差有關。阿不都沙拉木等[9]探討了120目（孔徑0.13m）以上的網式和疊片式過濾器對含藻類地表水的過濾效果，結果表明疊片式過濾器過濾效率是網式的2倍多，表面附著物是網式過濾器的2倍多，堵塞時間是網式過濾器的4倍。李楠等[10]探究了2種疊片式過濾器含沙量對其水頭損失大小的變化過程，結果表明加砂量達到一定量時水頭損失會出現激增。秦天云等[11]以網式和疊片式過濾器為研究對象，進行了3種質量濃度渾水工況下水頭損失和過濾性能的試驗，隨流量、含沙量的增大，過濾器初始水頭損失增大，過濾周期變短。涂攀峰等[12]研究了不同水中不溶物含量的水溶性肥料對滴灌施肥系統過濾器堵塞的影響，發現水不溶物的質量分數為2%以上時，43 min內均可使疊片式過濾器完全堵塞。目前對比例式施肥泵的研究多限于清水條件下的吸肥量、入口流量及壓差間的關系，過濾器抗堵塞方面的研究多是從水源中雜質著手分析相關影響因素，對實際生產中采用的水肥一體條件下過濾器過濾性能、堵塞發展及施肥泵施肥過程變化的研究還不夠深入。

本試驗將首部施肥裝置與過濾系統結合，探究在不同施肥比例與施肥泵吸入的肥水比組合下，施肥泵出口肥液的濃度對網式和疊片式過濾器堵塞程度的影響，對運用比例式施肥泵進行滴灌時過濾器的堵塞規律進行分析，評估過濾器堵塞的風險，旨在為運用比例式施肥泵施肥裝置下水肥一體滴灌技術的推廣，同時為防止過濾器堵塞提供參考，為滴灌系統的正常運行提供保障。

1 材料與方法

1.1 試驗站概況

試驗于2017年4—5月在甘肅省石羊河生態節水試驗站內進行。試驗站地處騰格里沙漠邊緣，平均海拔1 581 m，干旱指數5～25。年平均降雨量160 mm，年平均蒸發量2 000 mm以上，屬典型的干旱缺水地區。

1.2 試驗材料

試驗平臺由水泵、比例式施肥泵、水表、壓力表、閥門、網式和疊片過濾器以及滴灌帶等組成，如圖1所示。

圖1 過濾器抗堵塞測試平臺

試驗用施肥泵（楊凌啟豐現代農業工程有限公司生產）的設計流量20～2 500 L/h，施肥比例范圍2%～4%。網式、疊片式過濾器（揭陽市綠美節水科技有限公司）進口直徑32 mm（120目孔徑0.13m），設計流量0.5～4.5 m3/h。采用內鑲貼片式滴灌帶（楊凌豐源農業科技工程有限公司生產），設計流量2 L/h。肥料采用大田常用磷酸二胺（主要成分P2O546%），常溫下為青綠色顆粒。

1.3 試驗設計及過程

試驗采用施肥泵施肥比例為2%（即：向施肥泵進水管輸送98份水，施肥泵吸入備好的肥液2份）、3%（輸送97份水，吸入肥液3份）和4%（輸送96份水，吸入肥液4份）與施肥泵吸入的肥水比（溶解肥液中肥料與水的質量比例）為1∶4、1∶5和1∶6組合下的9種處理，結合大田滴灌肥液濃度不宜超過0.3%，該試驗選取的3種肥水比較合理。3條并聯支管上分別設網式、疊片式過濾器及不設過濾器（對照），共27個處理，支管后接50 m長內鑲貼片式滴灌帶，進行過濾器抗堵塞試驗測試。參考大田玉米水肥一體滴灌下磷肥施加量為1.8 kg/hm2，每次施磷肥3 kg。稱量3份各3 kg的固體顆粒肥料，分別加12、15、18 kg水攪拌均勻，浸泡1 h后，再次攪拌使肥料充分溶解于水，獲得肥水比1∶4、1∶5及1∶6，通過電導率儀測量溶液中的離子量來確定溶液中肥料的濃度[13-14]，并通過電導率換算得到原液濃度分別為4.75%、3.94%及4.75%。各處理進行3次重復。

設初始壓力0.12 MPa，施肥泵兩端壓差0.02 MPa，通過調節閥門使毛管的首部壓力穩定在0.06 MPa。每次灌水過程中，通過讀取安裝在過濾器兩端的精密壓力表（精確度0.25級）值，監測1 min內過濾器兩端壓力的變化，并將壓力差MPa單位轉化為水頭損失m（0.01 MPa = 1 m）、通過安裝在過濾器后的水表，每3 min讀取1次流量，得到某時刻的瞬時流量；每次試驗持續約0.5 h，每2 min取1次水樣（按取樣時間順序標記），每個取樣點總共約15個樣品，整個試驗過程中水溫變化不超過0.5 ℃，每次灌水結束后，將試驗過程中收集的水樣用電導率儀（DDS-11A上海雷磁）測量電導率，通過電導率與濃度轉換公式將電導率轉換為磷肥的肥液濃度；將過濾器濾網（芯）置于通風遮蔭處晾曬，稱量灌水前后干燥狀態下過濾器濾芯（網）質量，得到附著物凈質量并定量分析網式、疊片式過濾器附著物質量的顯著性。

1.4 施肥均勻性評價指標

施肥均勻性是評價水肥一體滴灌系統性能和質量的重要指標，施肥均勻性過低會造成作物的產量和質量下降，使得肥料利用率過低，因此對滴灌系統施肥均勻性的評估是系統運行管理的重要內容[7,15]。相對于過濾系統而言，施肥泵出口肥液濃度的均勻性對過濾器性能是否有影響，需進一步進行驗證。

1）克里斯琴森均勻系數，其計算參照文獻[16]。

2）分布均勻度DU，參照文獻[17]計算。

3）統計均勻度，參照文獻[17]計算。

U=100′(1-C) （5）

式中C為變差系數；S為觀測值的標準差；U為統計均勻度，%。

2 結果與分析

大田應用水肥一體滴灌系統技術時，首部樞紐的施肥設備與過濾設備串聯安裝，施肥設備出口肥液的濃度及未溶固體顆粒物含量等均會影響過濾設備正常運行的時長，當過濾設備發生一定程度的堵塞時也會引起局部壓力變化，引起滴灌帶流量及施肥裝置出口流量變化，需對2種裝置同時工作情況下，施肥裝置和過濾裝置運行性能及二者相互影響過程進行分析。

2.1 比例式施肥泵出口肥液濃度均勻性評估

不同施肥比例、肥水比組合下的出口肥液平均濃度見表1，9組肥液平均濃度梯度間存在顯著性差異（<0.05），出口肥液濃度隨施肥比例和肥水比增大而增大。施肥比例4%時，不同肥水比處理的出口肥液濃度的克里斯琴均勻系數存在顯著差異（<0.05），而施肥比例3%和2%時，其克里斯琴均勻系數無顯著差異（>0.05）。綜上，施肥比例4%時1∶6肥水比處理與其他處理間的出口肥液濃度的均勻度存在顯著差異（<0.05），而施肥比例3%和2%間均勻度差異不顯著（>0.05）。因此得出施肥比例過大會降低施肥泵在運行過程中吸取的吸肥量的均勻性，導致不同肥水比下的出口肥液濃度的均勻性較差。在實際施肥過程中，不建議選擇較大的施肥比例。

表1 不同施肥比例及吸入的肥水比下施肥泵出口肥液濃度均勻性

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著（<0.05），下同。

Note: Different letters indicate significant difference among treatments(<0.05), same as below.

2.2 不同處理對過濾器水頭損失的影響

2.2.1 對網式過濾器水頭損失的影響

水頭損失大小是過濾器性能的關鍵參數，通過對過濾器在不同肥液濃度下的水頭損失進行分析，得出不同類型過濾器的肥液濃度適用范圍[18-23]。圖2是網式過濾器在9組出口肥液平均濃度梯度下的水頭損失變化過程。由圖2a知，在出口肥液濃度≥0.117%時（施肥比例4%與所有肥水比組合、施肥比例3%與肥水比1∶4），網式過濾器水頭損失在3 min左右出現拐點，原因在于濾網二維過濾，使得肥液中的大部分顆粒雜質在短時間內大面積附著在清潔度（過濾原件的實際過水面積與其總過水面積之比）為1的濾網上，隨著濾網清潔度的降低，顆粒雜質與濾網的接觸面積減小，只有少部分雜質顆粒通過水流作用附著在未被附著的濾網表面。濃度<0.117% 時（施肥比例2%與所有肥水比組合、施肥比例3%與肥水比1∶6和1∶5）網式過濾器在運行過程中水頭損失始終小于0.5 m。因此，在實際運用過程中盡量避免短時高效的堵塞發生，選擇<0.117%的肥液濃度進行施肥，此濾網孔徑小于液體中固體粒子的粒徑，起著篩網的篩析作用[24]，此種情況下單位體積中的肥液大顆粒雜質較少，短時期內無法在濾網上形成“濾餅”，運行期間內不會發生堵塞，網式過濾器能長時間發揮過濾功效。

圖2 網式過濾器水頭損失變化曲線

2.2.2 對疊片式過濾器水頭損失的影響

圖3是疊片式過濾器在9組出口肥液平均濃度梯度下的水頭損失變化過程。

圖3 疊片式過濾器水頭損失變化曲線

從圖中看出，在出口肥液濃度≥0.067%時（施肥比例4%與所有肥水比組合、施肥比例3%與肥水比1∶4和1∶5、施肥比例2%與肥水比1∶4），疊片式過濾器水頭損失值隨時間變化均呈現緩慢增加的趨勢，出口肥液平均濃度越大，水頭損失增加趨勢越陡。由于濾芯有效過水面積（1600π）是濾網（46π）的35倍，濾芯的有效過水面積較大，濾芯上含有100片疊片，當水流流經疊片時，利用外片壁和凹槽來聚集及截取雜物，以達到過濾的目的[25]，未被堵塞的流道允許較大流量通過，因此相同肥液濃度下水頭損失增幅較小。肥液平均濃度在0.067%以下時（施肥比例2%與肥水比1∶5和1∶6、施肥比例3%與肥水比1∶6），在運行過程中水頭損失始終小于0.5 m，但并不能保證隨著運行時間的加長水頭損失始終小于0.5 m，疊片式過濾器的堵塞是緩慢積累的過程，當疊片式過濾器濾芯上雜質顆粒累積到一定程度（肥液平均濃度≥0.67%），清潔度減小到一定值，水頭損失會逐漸增大。在實際運用過程中，應盡量避免選用水頭損失趨勢變化較陡的肥液濃度（≥0.067%）進行施肥，否則導致運行時間縮短，此種情況下隨著運行時間的延長，過濾器能長時間不發生堵塞，充分發揮其過濾功效。

2.3 過濾器水頭損失、表面附著物質量統計分析

對不同處理下的過濾器水頭損失進行顯著性分析（表2），結果表明，肥液平均濃度≥0.117%時（施肥比例4%與所有肥水比組合、施肥比例3%與肥水比1∶4），網式過濾器發生堵塞，水頭損失出現顯著性差異；肥液平均濃度≥0.067%時（施肥比例4%與所有肥水比組合、施肥比例3%與肥水比1∶4和1∶5、施肥比例2%與肥水比1∶4），疊片式過濾器發生緩慢堵塞，水頭損失也均出現顯著性差異。可見，肥液平均濃度的增大對水頭損失大小的影響是顯著的，但肥液平均濃度差異顯著并不意味著過濾器水頭損失間也差異顯著，過濾器水頭損失與引起過濾器堵塞的肥液濃度臨界值關系密切。網式過濾器水頭損失差異（0.09～7.75 m）要大于疊片式（0.32～3.88 m），原因在于9組肥液平均濃度梯度下的濾網發生不同程度的堵塞后，有效過水面積每減小1個單位面積，它的相對有效過水面積（過濾元件實際有效過水面積與其總過水面積之比）差值要比疊片式相對有效過水面積差值大，表現在水頭損失上的差異就越顯著。同時，隨著出口肥液濃度的增大，網式過濾器濾網表面附著物質量的差異不顯著；而疊片式過濾器濾芯疊片上附著物質量的差異顯著，最大附著物質量是最小附著物質量的11.4倍，是因為通過疊片式過濾器的肥料顆粒雜質可附著的面積要比濾網大35倍，因此濾芯疊片上的附著物質量要大于濾網上的附著物質量。

表2 不同肥液濃度下過濾器水頭損失和表面附著物質量

注：- 表示水頭損失≤1 m，濾網（芯）有效過水面積減小5%以下，附著物質量忽略不計。

Note: - shows the filter water head loss value does not exceed 1 m, effective water area screen (core) was reduced more than 5% , and the weight of the filter surface attachment can be ignored.

2.4 濾網（芯）附著物質量對總過水量的影響

圖4為30 min內有過濾器和無過濾器總過水量與出口肥液平均濃度的關系。當出口肥液濃度最大為0.296%時，網式過濾器濾網附著物質量增加到0.96 g，網式過濾器流量由未堵塞情況下的0.4 m3/h下降到0.2 m3/h左右，降低了50%；相比網式過濾器，疊片式過濾器濾芯附著物質量增加到4.56 g且附著物質量是濾網附著物質量的4.75倍，流量由未堵塞情況下的0.4 m3/h下降到0.3 m3/h左右，降低了25%，且總過水量比網式過濾器大0.1 m3/h。過濾器堵塞較嚴重，水頭損失大，濾網（芯）附著物質量差異較大，且總過流量降低程度不同，原因在于濾芯疊片上的流道屬于三維過濾，肥液不僅能穿過未被堵塞的流道，且由于流道上的堵塞顆粒形狀不規則，水流也可通過流道與顆粒物的細小間隙穿過；濾網屬于平面過濾，一旦濾網上形成“濾餅”則水流很難通過。因此堵塞嚴重時，網式過濾器總過流量變化較大，疊片式過濾器濾芯上的附著物雖然多但堵塞對總過流量的影響較小。

本次試驗準備過程中，在配置肥水比時，由于每次所配原液的水溫、攪拌次數不同，不能保證肥料在水中的溶解程度完全相同，且在試驗過程中原液中的顆粒雜質會產生沉淀，使得施肥泵吸取的肥液具有偶然性，將采集肥液的時間間隔縮短，并進行3次重復，來減小偶然誤差。另外，對濾網（芯）附著物的干燥狀態把握不一，過濾器水頭損失大小不同，堵塞物附著在濾網（芯）上的厚度、多少也不同，相同風干時間下，附著物中含有的水分也有所差異，因此過濾器濾網（芯）堵塞物的凈質量存在誤差，但試驗結束后盡量將濾網（芯）的風干時間延長，以保證附著物水分含量降低，減小誤差；最后化學雜質是引起過濾器堵塞的隱形因素，水中各種微生物、碳酸鹽與礦物質相互作用形成沉淀物附著在濾網（芯）表面引起的[26-30]，對于水肥一體灌溉過程中化學堵塞對過濾器產生的影響有待進一步研究。

圖4 施肥泵出口肥液濃度與網式和疊片式過濾器流量之間的關系

3 結 論

不同施肥比例與吸入的肥水比組合下，研究不同出口肥液濃度對網式和疊片式過濾器堵塞的影響，結論如下：

1）滴灌系統在大田實際應用中，網式、疊片式過濾器對出口肥液濃的使用范圍不一致。網式過濾器適用于肥液平均濃度在0.117%以下，疊片式過濾器適用于肥液平均濃度在0.067%以下，運行期間內不會發生堵塞，能長期發揮過濾功效。

2）隨著肥液濃度的增大，網式過濾器濾網表面附著物質量差異不顯著，濾芯疊片上附著物質量差異顯著，最大附著物質量是最小附著物質量的11.4倍。

3）疊片式過濾器抗堵塞性能遠遠優于網式過濾器，當肥液平均濃度最大為0.296%時，疊片濾芯附著物質量是網式濾網質量的4.75倍，總過水量比網式過濾器大0.1 m3/h。

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Wang Rui, Wang Wene, Hu Xiaotao, Yang Xin, Li Huixian.Impact of fertilizer proportion and fertilizer-water ratio on clogging of filter by fertilizer pump in microirrigation [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(23): 117－122. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.23.015 http://www.tcsae.org

Impact of fertilizer proportion and fertilizer-water ratio on clogging of filter by fertilizer pump in microirrigation

Wang Rui, Wang Wene※, Hu Xiaotao, Yang Xin, Li Huixian

(712100,)

Fertilization uniformity is an important index to evaluate the performance of the micro irrigation system and understanding the hydraulic performance of water treatment equipment in drip irrigation system is a prerequisite to ensure the stable operation of the system. For the popularization and application of water and fertilizer development of drip irrigation technology, we carried out a test to investigate the effect of fertilization proportion and fertilization-water ratio on clogging of filter by fertilizer pump in microirrigation system. The pump selected was commonly used 120 mesh (diameter 0.13m) screen type and disc filter. The test was carried out in the Key Laboratory of Arid Agricultural Water and Soil Engineering of Ministry of education, the Northwest A&F University. The fertilization proportion was 2%, 3% and 4%. The inhaled fertilizer and water ratio was 1:4, 1:5 and 1:6. Water samples were collected to determine the fertilizer concentration at fertilization pump outlet. The concentration of phosphate was determined by an ion conductivity instrument. The uniformity of fertilizer concentration at outlet was assessed by Christensen coefficient, distribution uniformity and statistical uniformity. The results showed that the fertilizer concentration at outlet was different significantly among the 9 treatments. It increased with the increase of fertilizer proportion and inhaled fertilizer and water ratio. At the fertilizer proportion of 4%, the Christensen coefficient significantly differed among the treatments of fertilizer and water ratio. No significant difference was found for the Christensen coefficient at the fertilizer proportion of 2% and 3%. Thus, the high fertilizer proportion could greatly affect the fertilizer concentration uniformity at outlet and we do not recommend the high fertilizer proportion. The water head loss of screen filter became stable at about 3 min for the treatment of the fertilizer concentration equalling to or higher than 0.117%. When the concentration smaller than 0.117%, the water head loss was less than 0.5 m for the screen filter. For the disc filter, the water head loss increased slowly when the fertilizer concentration at outlet was not smaller than 0.067%. But, when the fertilizer concentration at outlet was smaller than 0.067% the water head loss was less than 0.5 m. To avoid filter clogging at a short time, the fertilizer concentration at outlet smaller than 0.117% and 0.067% was recommended respectively for the screen filter and the disc filter. The range of water head loss for the screen filter (0.09-7.75 m) was higher than that for the disc filter (0.32-3.88 m). With the increase of fertilizer concentration at outlet the surface attachment weight was not significantly different for the screen filter but significantly different for the disc filter. The max surface attachment weight was as 11.4 times as the min one. The flow rate of the screen filter decreased from 0.4 m3/h to 0.2 m3/h when the fertilizer concentration at outlet was the highest (0.296%). The flow rate of the disc filter decreased from 0.4 m3/h to 0.3 m3/h when the surface attachment weight increased to 4.56 g. The anti-clogging performance of disc filter was much better than the screen filter when the maximum average fertilizer concentration at outlet was 0.296%. The research can provide the technique support for the popularization and application of integrated water and fertilization technology of drip irrigation equipment.

fertilizers; filters; pumps; clogging; water head loss; microirrigation

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.23.015

S275.6

A

1002-6819(2017)-23-0117-06

2017-07-12

2017-10-10

公益性行業（農業）科研專項（201503125）；“十三五”國家重點研發計劃（2016YFC0400200）

王 睿，陜西咸陽人，研究方向：節水灌溉新技術。 Email：289335390@qq.com

王文娥，教授，河南人，博士生導師，研究方向：節水灌溉新技術。Email：wangwene@nwsuaf.edu.cn