水肥一體化灌溉施肥機(jī)吸肥性能試驗(yàn)研究

陳囡囡，朱德蘭，柏 楊，楊亞林

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

水肥一體化是一項(xiàng)高效的節(jié)水節(jié)肥農(nóng)業(yè)新技術(shù)，可同時(shí)把水分和養(yǎng)分均勻、準(zhǔn)確、定時(shí)定量地供應(yīng)給作物，而實(shí)現(xiàn)水肥一體化的關(guān)鍵是灌溉施肥裝置[1]。與壓差溶肥罐、文丘里注肥器、電動(dòng)注肥泵、比例注肥泵等施肥裝置相比，自動(dòng)灌溉施肥機(jī)更符合國際施肥機(jī)械大型化、智能化、精準(zhǔn)化的發(fā)展趨勢[2,3]。

目前，國外農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家如以色列、荷蘭等關(guān)于灌溉施肥機(jī)的研究已相當(dāng)成熟，可實(shí)現(xiàn)高效精準(zhǔn)的肥水混合，并通過智能化灌溉施肥決策系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)的肥水控制[4]，但存在價(jià)格高昂、移動(dòng)不便等不足，難以適應(yīng)國內(nèi)市場需求。國內(nèi)學(xué)者關(guān)于灌溉施肥機(jī)的研究起步較晚，但也取得了較多成果。吳松等[5]設(shè)計(jì)了一款通過管路連接到灌溉系統(tǒng)的施肥機(jī)，可通過控制肥水的EC、pH和進(jìn)入灌溉管道的肥水量來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)施肥。周舟等[6,7]研制了移動(dòng)式溫室精準(zhǔn)施肥機(jī)，灌水、施肥的均勻度分別達(dá)99.6%和98.8%。左志宇、姚舟華等[8,9]研制了一款溫室自動(dòng)灌溉施肥機(jī)，實(shí)現(xiàn)了不同營養(yǎng)液配比、濃度、酸堿度的在線自動(dòng)調(diào)控。狄嬌、韓麗娜等[10,11]研制了一款基于比例施肥泵和嵌入式控制器的輕簡式灌溉施肥機(jī)，實(shí)現(xiàn)了較好的肥水混合，建立了營養(yǎng)液稀釋模型。李堅(jiān)等[12,13]研制了一款以比例施肥泵為吸肥裝置的管道混合式施肥機(jī)，并研究了比例施肥泵的排布方式、支管管道長度與管徑對吸肥量的影響規(guī)律。劉永華、牛寅、孫國祥等[14-20]所研究的是基于作物、環(huán)境、控制與決策的智能化精準(zhǔn)灌溉施肥系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)高效精準(zhǔn)的灌溉施肥。

以上研究多為自動(dòng)控制、作物模型及決策系統(tǒng)方面，自動(dòng)化程度較高，部分用戶難以操作，整體造價(jià)仍不能被部分用戶接受。因此，本文設(shè)計(jì)了一款簡易型的3通道水肥一體化灌溉施肥機(jī)，可實(shí)現(xiàn)多種營養(yǎng)的調(diào)配。通過試驗(yàn)研究，探索施肥機(jī)吸肥量的影響因素，并建立吸肥量的計(jì)算模型，通過分析施肥水泵的水力特征，為文丘里施肥器及施肥水泵的優(yōu)化配置提出指導(dǎo)意見。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)灌溉水力學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。施肥機(jī)主要由施肥水泵與文丘里施肥器2部分組成：施肥水泵采用臥式多級(jí)離心泵，額定揚(yáng)程45 m，額定流量4 m3/h，額定功率1.1 kW；文丘里施肥器為西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院自主研發(fā)，自由出流狀態(tài)下，最大吸肥量為2.5 m3/h。為提高施肥水泵的能量利用率，施肥機(jī)采用旁路式混肥方式[21]。施肥機(jī)的管路與管件材質(zhì)均為聚氯乙烯(PVC)。共設(shè)置3個(gè)通道，每個(gè)通道的吸肥器均采用相同規(guī)格的文丘里施肥器。圖1為試驗(yàn)裝置簡圖。

1、2、3、4、5-壓力傳感器；6、8-電磁流量計(jì)；7-渦輪流量計(jì)；9-灌溉水泵；10-施肥水泵；11-變頻供水系統(tǒng)；12-控制箱；13-文丘里施肥器；14-手動(dòng)調(diào)節(jié)閥；15-肥液桶圖1 試驗(yàn)裝置簡圖

試驗(yàn)中灌溉主管用水由容積約為2 m3的儲(chǔ)水桶提供，經(jīng)灌溉水泵9加壓后輸送到灌溉主管；肥液用清水代替，由肥液桶15提供。分別在灌溉主管進(jìn)出口、文丘里施肥器13前端以及施肥水泵10進(jìn)出口處安裝壓力傳感器1-5，用于采集各斷面的壓力值；在灌溉主管進(jìn)出口安裝電磁流量計(jì)6和電磁流量計(jì)8，施肥水泵出口處安裝渦輪流量計(jì)7，分別監(jiān)測各斷面的流量值；吸肥流量由秒表與電子秤組合測定。灌溉主管進(jìn)口壓力由變頻供水系統(tǒng)11調(diào)節(jié)，施肥水泵的啟閉及工作時(shí)間由控制箱12進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

從試驗(yàn)裝置可看出，施肥系統(tǒng)外部影響因素主要為灌溉主管進(jìn)口壓力、灌溉主管進(jìn)口流量，其內(nèi)部影響因素主要為吸肥通道開啟個(gè)數(shù)。由于該施肥機(jī)主要用于微噴灌作業(yè)，故設(shè)定灌溉主管進(jìn)口壓力、流量的范圍見表1。采用全試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共75個(gè)處理。

表1 因素水平設(shè)計(jì)

1.3 測試指標(biāo)及方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取分為2個(gè)步驟：首先關(guān)閉施肥水泵，通過變頻供水系統(tǒng)調(diào)節(jié)灌溉主管進(jìn)口壓力、流量至試驗(yàn)設(shè)計(jì)值，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)；然后啟動(dòng)施肥水泵并保持工頻運(yùn)行，從靠近施肥水泵的一端，按順序開啟吸肥通道上的閥門，以控制吸肥通道開啟的個(gè)數(shù)，待施肥機(jī)吸肥穩(wěn)定后，再記錄各個(gè)指標(biāo)的數(shù)據(jù)，重復(fù)3次。

(1)主管進(jìn)口壓力，施肥水泵進(jìn)口壓力、出口壓力。通過壓力變送器(精度等級(jí)為0.1%FS)及壓力采集軟件獲得。

(2)灌溉主管進(jìn)口流量，施肥水泵出口流量。分別通過電磁流量計(jì)(精度等級(jí)為0.5%FS)、渦輪流量計(jì)(精度等級(jí)為0.5%FS)讀取。

(3)總吸肥量。利用電子秤對一段時(shí)間前后肥液的質(zhì)量稱重，通過下式計(jì)算得到：

(1)

式中：q為開啟不同吸肥通道個(gè)數(shù)時(shí)施肥機(jī)的總吸肥量，m3/h；m1和m2分別為吸肥前后肥液的質(zhì)量，kg；t為時(shí)間間隔，取t=30 s；ρ為肥液的密度，試驗(yàn)中以清水代替，取ρ=1 000 kg/m3。

(4)施肥器總進(jìn)口流量。通過計(jì)算施肥水泵出口流量與總吸肥量的差值得到。

(5)施肥水泵電機(jī)的輸入電壓U、輸入電流I及功率因數(shù)η0。通過電力監(jiān)測儀(型號(hào)P06S-20，精度為±1%)直接讀取。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 灌溉主管進(jìn)口壓力和吸肥通道開啟個(gè)數(shù)對吸肥量的影響分析

圖2、圖3分別為施肥機(jī)在灌溉主管進(jìn)口流量為6 m3/h，開啟1、2、3個(gè)吸肥通道時(shí)，施肥器總進(jìn)口流量、施肥機(jī)總吸肥量隨主管進(jìn)口壓力變化規(guī)律。從圖3可看出：當(dāng)3個(gè)吸肥通道全部開啟時(shí)，總吸肥量隨著主管進(jìn)口壓力的增大而減??；當(dāng)開啟1個(gè)或2個(gè)吸肥通道時(shí)，總吸肥量隨主管進(jìn)口壓力的增大，先保持平穩(wěn)后逐漸減小，該變化規(guī)律在打開2個(gè)吸肥通道時(shí)更為明顯。分析其原因：隨著主管進(jìn)口壓力的增大，施肥水泵需要克服更大的管道阻力才能將肥液注入到主管道中，施肥水泵的揚(yáng)程增大、流量減少。由圖2可知施肥器總進(jìn)口流量隨主管進(jìn)口壓力增大而增大，因此吸肥量會(huì)逐漸減少。另外，當(dāng)主管進(jìn)口壓力低于0.22 MPa時(shí)，總吸肥量隨吸肥通道個(gè)數(shù)的增加而增大；當(dāng)壓力大于0.22 MPa時(shí)，打開2個(gè)吸肥通道時(shí)的吸肥量反而比同時(shí)開啟3個(gè)吸肥通道的吸肥量要大。因此，若想使施肥機(jī)獲得較大的吸肥量，當(dāng)壓力低于0.22 MPa時(shí)建議同時(shí)開啟3個(gè)吸肥通道，當(dāng)主管進(jìn)口壓力高于0.22 MPa時(shí)建議只打開2個(gè)吸肥通道。

圖2 施肥器總進(jìn)口流量與主管進(jìn)口壓力的關(guān)系

圖3 總吸肥量與主管進(jìn)口壓力的關(guān)系

2.2 灌溉主管進(jìn)口流量和吸肥通道開啟個(gè)數(shù)對吸肥量的影響分析

圖4為施肥機(jī)在主管進(jìn)口壓力為0.1、0.2 MPa時(shí)，開啟1、2、3個(gè)吸肥通道時(shí)施肥機(jī)總吸肥量隨主管進(jìn)口流量變化規(guī)律。由圖4可知：施肥機(jī)總吸肥量不隨灌溉主管進(jìn)口流量的改變而改變；灌溉主管進(jìn)口壓力為0.1 MPa，施肥機(jī)分別開啟1、2、3個(gè)吸肥通道時(shí)，總吸肥量分別為0.91、2.17、3.52 m3/h；灌溉主管進(jìn)口壓力為0.2 MPa，施肥機(jī)分別開啟1、2、3個(gè)吸肥通道時(shí)，總吸肥量分別為0.91、2.17、2.31 m3/h。由此可見，隨著吸肥通道開啟個(gè)數(shù)的遞增，總吸肥量并非是呈相應(yīng)倍數(shù)線性遞增，因?yàn)槭┓蕶C(jī)總吸肥量不僅與文丘里施肥器的水力性能有關(guān)，同時(shí)與施肥水泵的工作特性也有緊密的聯(lián)系。由于文丘里施肥器的水頭損失較大，因此隨吸肥通道個(gè)數(shù)的增加，施肥機(jī)吸肥系統(tǒng)的阻力越大。主管進(jìn)口壓力0.1 MPa時(shí)，此時(shí)施肥水泵的輸入功率足以驅(qū)動(dòng)文丘里施肥器吸取較多的肥液量，當(dāng)主管進(jìn)口壓力增大到0.2 MPa，施肥水泵的輸入功率大部分用于克服系統(tǒng)的阻力，促使水流循環(huán)流動(dòng)，因而開啟的吸肥通道個(gè)數(shù)越多，施肥機(jī)的總吸肥量越小。當(dāng)只開啟1個(gè)吸肥通道時(shí)，施肥機(jī)的最大吸肥量約為0.91 m3/h，僅為自由出流狀態(tài)下文丘里施肥器最大吸肥量的40%，分析原因是吸肥通道上安裝有單向閥、浮子流量計(jì)等部件，增大了局部水頭損失和管道阻力，因而吸肥流量較小。

圖4 吸肥量與主管進(jìn)口流量的關(guān)系

由上分析，灌溉主管進(jìn)口流量對吸肥量無影響，吸肥量的影響因素主要為主管進(jìn)口壓力和吸肥通道個(gè)數(shù)。因此利用MATLAB軟件對吸肥量進(jìn)行了回歸分析，回歸模型的決定系數(shù)R2為0.99，均方根誤差RMSE為0.065，表明擬合效果很好。

q=-3.253+0.148H+3.851k-0.002H2-

0.07Hk-0.443k2

(2)

式中：q為吸肥量，m3/h；H為灌溉主管進(jìn)口壓力，MPa；k為吸肥通道個(gè)數(shù)。

2.3 施肥水泵效率分析

基于水泵的工作原理[22]，可利用下式依次求出施肥水泵的揚(yáng)程、軸功率，進(jìn)而計(jì)算得出施肥水泵的工作效率。

施肥水泵揚(yáng)程：

(3)

式中：P4和P5分別為水泵進(jìn)口和出口處的壓力，Pa；Δz為進(jìn)口壓力表和出口壓力表間的垂直距離，m；hw為進(jìn)口壓力表和出口壓力表間管路的水頭損失，m。

施肥水泵軸功率：

N=UIη0η1

(4)

式中：U為施肥水泵電機(jī)輸入電壓，V；I為施肥水泵電機(jī)輸入電流，A；η0為功率因數(shù)；η1為電機(jī)轉(zhuǎn)換效率，取η1為0.88。

施肥水泵效率：

(5)

式中：Q為施肥水泵流量，m3/h；H′為施肥水泵揚(yáng)程，m。

圖5、圖6分別為施肥機(jī)在灌溉主管進(jìn)口流量為6 m3/h，分別開啟1、2、3個(gè)吸肥通道時(shí)，施肥水泵流量、效率隨主管進(jìn)口壓力變化規(guī)律。從圖5可看出：當(dāng)開啟1個(gè)吸肥通道時(shí)，施肥水泵的流量隨主管進(jìn)口壓力的增大幾乎保持不變；當(dāng)開啟2個(gè)吸肥通道時(shí)，隨主管進(jìn)口壓力的增大，施肥水泵的流量先增大后下降；當(dāng)開啟3個(gè)吸肥通道時(shí)，施肥水泵的流量隨主管進(jìn)口壓力的增大逐漸減??；施肥水泵流量的變化趨勢與圖3中吸肥流量的變化趨勢大致相同。從圖6可看出：施肥水泵的效率隨主管進(jìn)口壓力的增大而增大；同一主管進(jìn)口壓力下吸肥通道個(gè)數(shù)開啟越多，施肥水泵效率越高；當(dāng)開啟1個(gè)、2個(gè)、3個(gè)吸肥通道時(shí)，施肥水泵效率分別為21.5%～32.3%、35.2%～39.8%、38.9%～41.7%。由圖5可看出，開啟的吸肥通道個(gè)數(shù)越多，施肥水泵的流量越易達(dá)到其額定流量，因此效率越高。

圖5 施肥水泵流量與主管進(jìn)口壓力的關(guān)系

圖6 施肥水泵效率與主管進(jìn)口壓力的關(guān)系

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一款簡易型的3通道灌溉施肥機(jī)，可實(shí)現(xiàn)多營養(yǎng)的調(diào)配。通過試驗(yàn)測試施肥機(jī)的吸肥性能，主要結(jié)論如下。

(1)灌溉主管進(jìn)口壓力和吸肥通道開啟個(gè)數(shù)對吸肥量有影響：3個(gè)吸肥通道全部開啟時(shí)，總吸肥量隨灌溉主管進(jìn)口壓力的增大逐漸減?。婚_啟1個(gè)或2個(gè)吸肥通道時(shí)，總吸肥量隨主管進(jìn)口壓力的增大先保持平穩(wěn)后逐漸減小。灌溉主管進(jìn)口流量的改變不會(huì)對吸肥量產(chǎn)生影響。基于影響因素主管進(jìn)口壓力及吸肥通道開啟個(gè)數(shù)，建立了吸肥量的計(jì)算模型(R2=0.99)，可用于總吸肥量的估算。

(2)施肥機(jī)總吸肥量不僅與文丘里施肥器的水力性能有關(guān)，同時(shí)與施肥水泵的工作特性也有緊密的聯(lián)系。施肥水泵工作效率在一定范圍內(nèi)隨灌溉主管進(jìn)口壓力的增大而增大，隨吸肥通道開啟個(gè)數(shù)的增加而增大。當(dāng)施肥水泵流量達(dá)到其額定流量時(shí)，工作效率較高。