溶解混施水肥一体化装置施肥性能试验研究.pdf

<p>2018 年11 月 Nov.2018第36 卷 第11 期 Vol. 36 No. 11 张志洋 doi：10. 3969 j.issn.1674-8530.18.1155 溶 解 混 施 水 肥 一 体 化 装 置 施 肥 性 能 试 验 研 究 张志洋，李红 * ，陈超，夏华猛 （江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心，江苏镇江212013） 摘 要 ：为了了解溶解混施水肥一体化装置的性能，以装置出口水肥溶液浓度的均匀性作为衡量 装置施肥性能的主要参数，采用控制变量法，研究滤网桶参数、进口流量及加料器对装置施肥性 能的影响.结果表明：采用60目的滤网桶时，出口水肥浓度均匀系数比40目的高6.1；采用 250mm的滤网桶时，出口水肥浓度均匀系数比150mm的高4.3；相比于流量为2.5， 2.0m 3 h，采用1. 5m 3 h时，出口水肥浓度均匀系数分别高了12.6和17.3；使用加料器时，装置出 口水肥浓度的均匀系数比不使用加料器加肥时高了9.9.因此滤网桶的参数、流量均对装置施 肥性能有明显的影响，滤网桶网孔数越多，滤网桶直径越大，流量越小，装置出口水肥溶液浓度 的均匀系数越大，装置的施肥性能越好. 关 键 词 ：水肥一体化；溶解混施；固体肥料；施肥性能 中 图 分 类 号 ：S275. 9 文 献 标 志 码 ：A 文 章 编 号 ：1674-8530 （2018 ）11-1115-05张 志 洋 ， 李 红 ， 陈 超 ， 等. 溶 解 混 施 水 肥 一 体 化 装 置 施 肥 性 能 试 验 研 究 J . 排 灌 机 械 工 程 学 报 ， 2018 ， 36 （11 ） ： 11151119.ZHANGZhiyang ，LIHong ，CHENChao ，etal.Experimentonfertilizationperformanceofdissolvedandmixedwaterfertilizerin- tegrateddevice J .Journalofdrainageandirrigationmachineryengineering （JDIME ） ，2018 ， 36 （11 ） ： 11151119. （inChinese ） 收 稿 日 期 ：2018-05-08； 修 回 日 期 ：2018-05-30； 网 络 出 版 时 间 ：2018-07-19 网 络 出 版 地 址 ：http： kns.cnki.net kcms detail 32.1814.TH. 20180719.1104. 022.html 基 金 项 目 ：“十三五”国家重点研发计划项目（2017YFD0201502）；农业部公益性行业科研专项（201503130） 第 一 作 者 简 介 ：张志洋（1994），男，江苏泰兴人，硕士研究生（614001107qq.com），主要从事高效节水灌溉装备及技术研究. 通 信 作 者 简 介 ：李红（1967），女，江苏兴化人，研究员，博士生导师（hliujs.edu.cn），主要从事流体机械及排灌机械研究. Experimentonfertilizationperformanceofdissolvedandmixed waterfertilizerintegrateddevice ZHANGZhiyang，LIHong * ，CHENChao，XIAHuameng （NationalResearchCenterofPumps，JiangsuUniversity，Zhenjiang，Jiangsu212013，China） Abstract：Thefertilizationperformanceofadissolvedandmixedwater-fertilizerintegrateddevicewas characterizedandtheuniformityofsolutionconcentrationattheoutletofthedevicewasusedasthe mainparametermeasuringtheperformance.Theeffectsoffilterparameters，inletflowrateandfertili- zerfeederontheperformancewerestudiedbyusingvariablecontrolmethods.Experimentalresults showthattheuniformcoefficientofsolutionconcentrationattheoutletofthedevicefor60meshfilteris 6.1betterthanthatfor40meshfilter.Forthefilterwith250mmdiameter，theuniformcoefficient is4.3higherthanthatforthefilterwith150mmdiameter.Undertheconditionof1.5m 3 hflow rate，theuniformitycoefficientofsolutionconcentrationattheoutletis12.6and17.3higherin comparisonwith the flow rates of2.5 m 3 h and 2.0 m 3 h.When fertilizer feeder is used，the uniformitycoefficientis9. 9higherthanthatwithoutthefeeder.Therefore，filterparametersand flowrateexhibitobviouslyinfluencesonthefertilizationperformanceofthedevice.Themorethenum- beroffiltermeshesandthelargerthefilterdiameteraswellasthelowertheflowrate，thehigherthe 排 灌 机 械 工 程 学 报 第36 卷 uniformitycoefficientandthebetterthefertilizationperformance. Keywords：integrationofwaterandfertilizer；dissolvedandmixedapplication；solidfertilizer； fertilizationperformance水肥一体化是利用灌溉系统，将肥料溶解在水 中， 实现水肥同步管理和高效利用的节水农业技术， 能适时、适量地满足农作物对水分和养分的需 求 1-3 ； 施肥设备是水肥一体化系统的关键部件，目 前常用的施肥设备有文丘里施肥器、比例施肥泵、全 自动注肥设备、 压差式施肥罐、 智能施肥机等 4-6 . 近些年来，在已有施肥设备的基础上，国内学 者研发了许多新型施肥设备.陆绍德等 7 研发了一 种移动式水肥药一体化施肥车，并通过对现有甘蔗 滴灌设备对比，验证了施肥车的先进性.李建平 等 8 研发了一套水肥混合装置，在施肥前将肥液和 水充分混合，再通过排水泵直接送入灌溉渠道或者 滴灌系统中.在研究施肥设备性能方面，陈剑等 9 研究了压差、投肥量对棉田压差施肥罐施肥时间的 影响以及压差对注肥相对均匀度的影响.范军亮 等 10 通过测量压差施肥罐出口肥液浓度随时间的 变化研究了压差施肥罐的施肥均匀性. 目前中国研发的施肥设备大多将固体肥料溶 解成液体肥料后施用或直接使用液体肥料，设备通 常需要一个大型肥液罐在施肥现场提供肥料，采用 固体肥料边溶边施的施肥设备研究较少.文中自主 研发一套固体肥料溶解混施装置，以装置出口水肥 溶液浓度的均匀性作为衡量装置施肥性能的主要 参数，研究滤网桶参数、流量及加料器的使用对装 置施肥性能的影响. 1 试 验 装 置 与 方 案 1.1 试 验 装 置 试验在江苏大学流体中心喷灌大厅中进行，试 验装置如图1所示. 图1 试验装置示意图 Fig.1 Schematicofexperimentaldevice 试验装置主要包括加料器、滤网桶、蓄肥桶等. 试验水源采用自来水，试验时水从进水管向蓄水桶 中补水，水泵将蓄水桶中的水抽取注入蓄肥桶中， 通过流量计（型号SIN-LWGY-DN15，测量范围 0.66.0m 3 h，仪表精度0. 5）监测流量. 蓄肥桶的外壁偏心安装了进水口，进水口中的 水对蓄肥桶中水肥溶液形成切向冲击，推动水肥溶 液旋转，使肥料能充分溶解，加料器在带有偏心轮 的电动机作用下产生振动，加料器中的固体肥料在 重力和振动的双重作用下穿过环形垫片，肥料的下 落速度可以通过改变垫片孔的直径实现调节，滤网 桶起到过滤固体肥料中不溶于水杂质的作用，出口 采样点用于采样检测出口肥液电导率.试验中采取 的肥料为钾肥（K 2 O质量分数60，白俄罗斯，红 色颗粒）；出口水肥溶液的电导率由电导率仪测定 （型号为EC-1385，精度±0. 02F·S）. 1.2 试 验 方 案 试验将装置出口水肥溶液浓度的均匀性作为 衡量装置施肥性能的主要参数，出口水肥溶液浓度 由溶液电导率测定 11-13 ，装置出口水肥溶液浓度的 均匀性由Christiansen计算法 14 计算得出，均匀系 数C u 越大，均匀性就越好. C u 1- n i1 c i - 珋 c n i1 c i ×100， （1） 式中：c i 为第imin出口水肥浓度； 珋 c为浓度数据算 术平均值. 试验采用控制变量法，为减少变量，提高试验 准确性，在研究非加料器参数对装置施肥性能影响 的试验中，肥料均不从加料器中添加，而是直接加 入滤网桶中，试验时在取样点每隔一段时间进行取 样，直至样品溶液电导率接近清水电导率时停止试 验（试验中清水电导率约为0. 4S m）.试验步骤具 体如下： 标定钾肥溶液浓度与电导率的关系； 研究滤网桶参数对装置施肥均匀性的影响； 研究流量对装置施肥均匀性的影响； 研究加 料器的使用对装置施肥均匀性的影响.为了使试验 更具有对比性，文中同组试验在计算试验数据的均 匀系数时均取用同一时间段内的数据. 1116 第11 期 张 志 洋 ， 等 溶 解 混 施 水 肥 一 体 化 装 置 施 肥 性 能 试 验 研 究 2 结 果 与 分 析 2.1 钾 肥 溶 液 浓 度 的 标 定 设计了22组标定试验.标定时从1. 0L水开始 每间隔0.1 L取1组样本，直至取到2.0L水，从 2.2L水开始每间隔0.2L取1组样本，直至取到 3.0L水，从3. 5 L水开始每间隔0.5 L取1组样 本，直至取到4. 0L水，共选取18组样本，分别加入 钾肥10g；从2.5L水开始每间隔0.5 L取1组样 本，直至取到4. 0L水，共选取4组样本，分别加入 钾肥5g.计算这22组样本溶液的浓度，待样本溶液 混合均匀后测量其电导率，用线性回归方程算出钾 肥溶液电导率与其浓之间的关系如图2所示，最终 得出钾肥溶液浓度与电导率之间的关系为 c0.7823 -0. 2495，R 2 0. 9904， （2） 式中：c为肥液的浓度； 为肥液的电导率；R为相关 系数. 图2 钾肥溶液浓度标定 Fig. 2 Calibrationofpotassiumsolutionconcentration 2.2 滤 网 桶 网 孔 数 对 装 置 施 肥 性 能 的 影 响 将2.5kg钾肥直接加入滤网桶中，采用直径为 250mm、网孔数分别为40和60目的2种滤网桶，调 节流量为2m 3 h，于出口取样点取样，测量样品的 电导率并记录，根据式（2）换算成出口水肥溶液的 浓度如图3所示. 图3 滤网桶网孔数对装置施肥性能的影响 Fig. 3 Influenceofnumberoffiltermesheson fertilizationperformance 从图3中可以看出，2组试验所得曲线均呈递 减趋势，且浓度的降低速度随时间呈由快到慢的趋 势，采用40和60目的滤网桶时，测得出口水肥溶液 接近清水的时间分别约为40和55min；试验均采用 前40min数据，经式（1）计算，采用40和60目的滤 网桶时，装置出口水肥浓度的均匀系数分别为 35.3和41.4；采用60目的滤网桶相比于采用 40目的滤网桶，测得出口水肥溶液接近清水的时间 长15min，出口水肥浓度均匀系数高6.1. 2.3 滤 网 桶 直 径 对 装 置 施 肥 性 能 的 影 响 将2.5kg钾肥直接加入滤网桶中，采用网孔数 为60目，直径分别为250和150mm的2种滤网桶， 调节流量为2m 3 h，于出口取样点取样，测量样品 的电导率并记录，根据式（2）换算成出口水肥溶液 的浓度，如图4所示. 图4 滤网桶直径对装置施肥性能的影响 Fig. 4 Influenceoffilterdiameteronfertilizationperformance 从图4中可以看出，2组试验所得曲线均呈递 减趋势，且浓度的降低速度随时间呈由快到慢的趋 势，采用直径为150和250mm的滤网桶时，测得出 口水肥溶液接近清水的时间分别约为45和55min； 试验中均采用前45 min数据，经式（1）计算，采用 150和250mm的滤网桶时，装置出口水肥浓度的均 匀系数分别为34.7和39. 0；采用250mm的滤 网桶相比于采用150mm的滤网桶，测得出口水肥 溶液接近清水的时间长10min，出口水肥浓度均匀 系数高4.3. 2.4 进 口 流 量 对 装 置 施 肥 性 能 的 影 响 将2.5kg钾肥直接加入滤网桶中，滤网桶直径 为250mm，滤网桶网孔数为40目，设计了如下3种 不同流量进行试验，A，B，C三组流量分别设为2.5， 2.0，1. 5m 3 h.于出口取样点取样，测量样品的电导 率并记录，根据式（2）换算成出口水肥溶液的浓度 如图5所示.从图中可以看出， 3组试验所得曲线均 呈递减趋势，且浓度的降低速度随时间呈由快到慢 的趋势； 3组试验中，测得出口水肥溶液接近清水的 时间分别约为30， 35和50min；试验采用前30min 数据，经式（1）计算，3组试验数据的均匀系数分别 为29. 5， 42.1和46.8；C组试验相对于A，B 两组，测得出口水肥溶液接近清水的时间分别长20 1117 排 灌 机 械 工 程 学 报 第36 卷 和15min，出口水肥浓度均匀系数分别高了17.3 和4.7，C组试验的水肥溶液浓度更为均匀. 图5 流量对装置施肥性能的影响 Fig. 5 Influenceofflowrateonfertilizationperformance 2.5 加 料 器 对 装 置 施 肥 性 能 的 影 响 控制流量为1.5m 3 h，采用直径为250mm，网 孔数为60目的滤网桶，加料器中环形垫片的孔径为 11mm，分别将2. 5kg钾肥经加料器添加和直接加 入滤网桶，于出口取样点取样，测量样品的电导率 并记录，根据式（2）换算成出口水肥溶液的浓度如 图6所示. 图6 加料器对装置施肥性能的影响 Fig. 6 Influenceoffertilizerfeederonfertilizationperformance 从图6可以看出，钾肥直接加入滤网桶时，装置 出口水肥浓度曲线呈逐渐降低的趋势，约55 min 后，出口水肥溶液接近清水；使用加料器加肥的试 验中，装置出口水肥浓度曲线呈先升高后降低的趋 势，约65min后，出口水肥溶液接近清水.2组试验 浓度降低阶段的浓度降低速度随时间呈由快到慢 的趋势；试验采用前50min数据，经式（1）计算，不 使用加料器时，装置出口水肥浓度的均匀系数为 18.6；而使用加料器时，装置出口水肥浓度的均匀 系数达到了28. 7，比不使用加料器加肥高了 9.9，且测得出口水肥溶液接近清水的时间较之不 使用加料器也增长了10min. 3 结 论 1）滤网桶的参数对装置施肥性能有明显的影 响，滤网桶网孔数越多，滤网桶直径越大，装置出口 水肥溶液浓度的均匀系数越大，即装置的施肥性能 越好. 2）流量是影响装置施肥性能的重要参数，流量 越小，装置出口水肥溶液越均匀，即装置施肥性能 越好. 3）装置中加料器的设计可以很大地提高装置 出口水肥溶液的均匀性，提高装置的施肥性能. 4）文中的均匀系数并非本装置能达到的最高 均匀系数；关于加料器对提高装置施肥性能的试 验，只研究了使用与不使用加料器添加肥料对装置 施肥性能的影响，而加料器的参数，如垫片孔径等 对装置施肥性能的影响还需进一步研究.另外文中 用装置出口水肥浓度的均匀性衡量装置施肥性能， 而其他用于衡量装置施肥性能的参数，如施肥效 率、施肥量等以及装置参数对其影响仍需进一步 研究. 参 考 文 献 （References ） 1 张育斌，魏正英，朱新国，等.精量水肥灌溉系统控制 策略及验证J.排灌机械工程学报，2017，35 （12）：1088-1095. ZHANGYubin，WEI Zhengying，ZHU Xinguo，et al. Controlstrategyforprecisionwater-fertilizerirrigation systemanditsverificationJ.Journalofdrainageand irrigationmachineryengineering，2017，35（12）：1088 -1095.（inChinese） 2 KENNEDYTL，SUDDICKEC，SIXJ.Reducedni- trousoxideemissionsandincreasedyieldsinCalifornia tomatocroppingsystemsunderdripirrigationandferti- gationJ.Agriculture ecosystems environment， 2013，170（8）：16-27. 3 袁寿其，李红，王新坤.中国节水灌溉装备发展现 状、问题、趋势与建议J.排灌机械工程学报， 2015，33（1）： 78-92. YUANShouqi，LI Hong，WANGXinkun.Status，prob- lems，trends and suggestions forwater- saving irrigation equipmentinChinaJ.Journalofdrainageandirriga- tionmachineryengineering，2015，33（1）： 78-92.（in Chinese） 4 韩启彪，冯绍元，黄修桥，等.我国节水灌溉施肥装 置研究现状J.节水灌溉，2014（12）： 76-79. HAN Qibiao，FENG Shaoyuan，HUANG Xiuqiao，et al.Researchonfertilizerinjectionunitsinsaving- water irrigationinChinaJ.Watersavingirrigation，2014 （12）： 76-79.（inChinese） 5 陈雪蛟，王克俭，韩宪忠，等.水肥一体化自动控制 系统设计J.湖北农业科学，2016（11）：2902 1118 第11 期 张 志 洋 ， 等 溶 解 混 施 水 肥 一 体 化 装 置 施 肥 性 能 试 验 研 究 -2904. CHENXuejiao，WANGKejian，HANXianzhong，etal. Designsonautomaticcontrolsystemofintegrationofwa- terandfertilizerJ.Hubeiagriculturalsciences，2016 （11）： 2902-2904.（inChinese） 6 蔡长青，侯首印，张桢，等.温室智能灌溉水肥一体 化监控系统J.江苏农业科学，2017，45（10）：164 -166. CAIChangqing，HOUShouyin，ZHANGZhen，etal.In- tegratedmonitoringandcontrolsystemofwaterandfer- tilizerforintelligentirrigationingreenhouseJ.Jiang- suagriculturalsciences，2017，45（10）：164-166.（in Chinese） 7 陆绍德，黄所，关经伦，等.HJYDS-1型移动式水肥 药一体化施肥车研制与推广J.现代农业装备， 2012（9）： 48-50. LUShaode，HUANGSuo，GUANJinglun，etal.Deve- lopmentandpopularizationofHJYDS-1mobileintegra- tionofwater，fertilizerandpesticidesvehicleJ.Mo- dernagriculturalequipments，2012（9）：48-50.（in Chinese） 8 李建平，胡佳宁，王鹏飞，等.一种施肥方法及水肥混 合装置：CN104429270AP.2015. 9 陈剑，吕新.滴灌棉田压差式施肥罐注肥均匀度研 究与分析J.节水灌溉，2011（1）： 62-64. CHENJian，LYUXin.Studyonfertilizationuniformity ofpressuredifferentialtankindripirrigationcottonfield J.Watersavingirrigation，2011（1）：62-64.（in Chinese） 10 范军亮，张富仓，吴立峰，等.滴灌压差施肥系统灌 水与施肥均匀性综合评价J.农业工程学报， 2016，32（12）： 96-101. FAN Junliang，ZHANG Fucang，WU Lifeng，et al. Fieldevaluationoffertigationuniformityindripirrigation systemwithpressuredifferentialtankJ.Transactions oftheCSAE，2016，32（12）： 96-101.（inChinese） 11 冯锦梅.在线监测氨氮浓度的电导测量方法研究 J.环境监控与预警，2014， 6（1）： 34-38. FENGJinmei.Studyon the conductivitymeasurement methodforammonia on- line monitoringJ.Environ- mentalmonitoringandforewarning，2014，6（1）：34- 38.（inChinese） 12 汤攀，李红，骆志文，等.比例施肥泵驱动活塞受力 分析及内部流动模拟与试验J.农业工程学报， 2017，33（23）： 93-100. TANGPan，LIHong，LUOZhiwen，etal.Forceanaly- sisofdrivepistonandsimulationandexperimentofin- ternalflowforproportionalfertilizerpumpJ.Transac- tionsoftheCSAE，2017，33（23）：93-100.（inChi- nese） 13 董文峰，黄征青.电导率法测定EDTA二钠盐水溶 液的浓度J.广州化工，2017，45（6）：110-111. DONGWenfeng，HUANGZhengqing.Determinationof concentrationofEDTA-2Naaqueoussolutionbycon- ductivity methodJ.Guangzhou chemical industry， 2017，45（6）：110-111.（inChinese） 14 许正典，向清江，AHMEDQW，等.摇臂喷头低压掺 气情况下田间组合喷灌试验研究J.排灌机械工程 学报，2018，36（9）：840-844. XUZhengdian，XIANGQingjiang，AHMED Q W，et al.Field combination experiment on impact sprinklers withaeratingjetatlowworkingpressureJ.Journalof drainageandirrigationmachineryengineering，2018，36 （9）：840-844.（inChinese） （责任编辑 谈国鹏） 1119</p>