溶解混施水肥一體化裝置施肥性能試驗研究.pdf

2018 年11 月 Nov.2018第36 卷 第11 期 Vol. 36 No. 11 張志洋 doi：10. 3969 j.issn.1674-8530.18.1155 溶 解 混 施 水 肥 一 體 化 裝 置 施 肥 性 能 試 驗 研 究 張志洋，李紅 * ，陳超，夏華猛 （江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇鎮(zhèn)江212013） 摘 要 ：為了了解溶解混施水肥一體化裝置的性能，以裝置出口水肥溶液濃度的均勻性作為衡量 裝置施肥性能的主要參數(shù)，采用控制變量法，研究濾網(wǎng)桶參數(shù)、進口流量及加料器對裝置施肥性 能的影響.結(jié)果表明：采用60目的濾網(wǎng)桶時，出口水肥濃度均勻系數(shù)比40目的高6.1；采用 250mm的濾網(wǎng)桶時，出口水肥濃度均勻系數(shù)比150mm的高4.3；相比于流量為2.5， 2.0m 3 h，采用1. 5m 3 h時，出口水肥濃度均勻系數(shù)分別高了12.6和17.3；使用加料器時，裝置出 口水肥濃度的均勻系數(shù)比不使用加料器加肥時高了9.9.因此濾網(wǎng)桶的參數(shù)、流量均對裝置施 肥性能有明顯的影響，濾網(wǎng)桶網(wǎng)孔數(shù)越多，濾網(wǎng)桶直徑越大，流量越小，裝置出口水肥溶液濃度 的均勻系數(shù)越大，裝置的施肥性能越好. 關(guān) 鍵 詞 ：水肥一體化；溶解混施；固體肥料；施肥性能 中 圖 分 類 號 ：S275. 9 文 獻 標(biāo) 志 碼 ：A 文 章 編 號 ：1674-8530 （2018 ）11-1115-05張 志 洋 ， 李 紅 ， 陳 超 ， 等. 溶 解 混 施 水 肥 一 體 化 裝 置 施 肥 性 能 試 驗 研 究 J . 排 灌 機 械 工 程 學(xué) 報 ， 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； 網(wǎng) 絡(luò) 出 版 時 間 ：2018-07-19 網(wǎng) 絡(luò) 出 版 地 址 ：http： kns.cnki.net kcms detail 32.1814.TH. 20180719.1104. 022.html 基 金 項 目 ：“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFD0201502）；農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)科研專項（201503130） 第 一 作 者 簡 介 ：張志洋（1994），男，江蘇泰興人，碩士研究生（614001107qq.com），主要從事高效節(jié)水灌溉裝備及技術(shù)研究. 通 信 作 者 簡 介 ：李紅（1967），女，江蘇興化人，研究員，博士生導(dǎo)師（hliujs.edu.cn），主要從事流體機械及排灌機械研究. 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 機 械 工 程 學(xué) 報 第36 卷 uniformitycoefficientandthebetterthefertilizationperformance. Keywords：integrationofwaterandfertilizer；dissolvedandmixedapplication；solidfertilizer； fertilizationperformance水肥一體化是利用灌溉系統(tǒng)，將肥料溶解在水 中， 實現(xiàn)水肥同步管理和高效利用的節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)， 能適時、適量地滿足農(nóng)作物對水分和養(yǎng)分的需 求 1-3 ； 施肥設(shè)備是水肥一體化系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，目 前常用的施肥設(shè)備有文丘里施肥器、比例施肥泵、全 自動注肥設(shè)備、 壓差式施肥罐、 智能施肥機等 4-6 . 近些年來，在已有施肥設(shè)備的基礎(chǔ)上，國內(nèi)學(xué) 者研發(fā)了許多新型施肥設(shè)備.陸紹德等 7 研發(fā)了一 種移動式水肥藥一體化施肥車，并通過對現(xiàn)有甘蔗 滴灌設(shè)備對比，驗證了施肥車的先進性.李建平 等 8 研發(fā)了一套水肥混合裝置，在施肥前將肥液和 水充分混合，再通過排水泵直接送入灌溉渠道或者 滴灌系統(tǒng)中.在研究施肥設(shè)備性能方面，陳劍等 9 研究了壓差、投肥量對棉田壓差施肥罐施肥時間的 影響以及壓差對注肥相對均勻度的影響.范軍亮 等 10 通過測量壓差施肥罐出口肥液濃度隨時間的 變化研究了壓差施肥罐的施肥均勻性. 目前中國研發(fā)的施肥設(shè)備大多將固體肥料溶 解成液體肥料后施用或直接使用液體肥料，設(shè)備通 常需要一個大型肥液罐在施肥現(xiàn)場提供肥料，采用 固體肥料邊溶邊施的施肥設(shè)備研究較少.文中自主 研發(fā)一套固體肥料溶解混施裝置，以裝置出口水肥 溶液濃度的均勻性作為衡量裝置施肥性能的主要 參數(shù)，研究濾網(wǎng)桶參數(shù)、流量及加料器的使用對裝 置施肥性能的影響. 1 試 驗 裝 置 與 方 案 1.1 試 驗 裝 置 試驗在江蘇大學(xué)流體中心噴灌大廳中進行，試 驗裝置如圖1所示. 圖1 試驗裝置示意圖 Fig.1 Schematicofexperimentaldevice 試驗裝置主要包括加料器、濾網(wǎng)桶、蓄肥桶等. 試驗水源采用自來水，試驗時水從進水管向蓄水桶 中補水，水泵將蓄水桶中的水抽取注入蓄肥桶中， 通過流量計（型號SIN-LWGY-DN15，測量范圍 0.66.0m 3 h，儀表精度0. 5）監(jiān)測流量. 蓄肥桶的外壁偏心安裝了進水口，進水口中的 水對蓄肥桶中水肥溶液形成切向沖擊，推動水肥溶 液旋轉(zhuǎn)，使肥料能充分溶解，加料器在帶有偏心輪 的電動機作用下產(chǎn)生振動，加料器中的固體肥料在 重力和振動的雙重作用下穿過環(huán)形墊片，肥料的下 落速度可以通過改變墊片孔的直徑實現(xiàn)調(diào)節(jié)，濾網(wǎng) 桶起到過濾固體肥料中不溶于水雜質(zhì)的作用，出口 采樣點用于采樣檢測出口肥液電導(dǎo)率.試驗中采取 的肥料為鉀肥（K 2 O質(zhì)量分?jǐn)?shù)60，白俄羅斯，紅 色顆粒）；出口水肥溶液的電導(dǎo)率由電導(dǎo)率儀測定 （型號為EC-1385，精度0. 02FS）. 1.2 試 驗 方 案 試驗將裝置出口水肥溶液濃度的均勻性作為 衡量裝置施肥性能的主要參數(shù)，出口水肥溶液濃度 由溶液電導(dǎo)率測定 11-13 ，裝置出口水肥溶液濃度的 均勻性由Christiansen計算法 14 計算得出，均勻系 數(shù)C u 越大，均勻性就越好. C u 1- n i1 c i - 珋 c n i1 c i 100， （1） 式中：c i 為第imin出口水肥濃度； 珋 c為濃度數(shù)據(jù)算 術(shù)平均值. 試驗采用控制變量法，為減少變量，提高試驗 準(zhǔn)確性，在研究非加料器參數(shù)對裝置施肥性能影響 的試驗中，肥料均不從加料器中添加，而是直接加 入濾網(wǎng)桶中，試驗時在取樣點每隔一段時間進行取 樣，直至樣品溶液電導(dǎo)率接近清水電導(dǎo)率時停止試 驗（試驗中清水電導(dǎo)率約為0. 4S m）.試驗步驟具 體如下： 標(biāo)定鉀肥溶液濃度與電導(dǎo)率的關(guān)系； 研究濾網(wǎng)桶參數(shù)對裝置施肥均勻性的影響； 研究流量對裝置施肥均勻性的影響； 研究加 料器的使用對裝置施肥均勻性的影響.為了使試驗 更具有對比性，文中同組試驗在計算試驗數(shù)據(jù)的均 勻系數(shù)時均取用同一時間段內(nèi)的數(shù)據(jù). 1116 第11 期 張 志 洋 ， 等 溶 解 混 施 水 肥 一 體 化 裝 置 施 肥 性 能 試 驗 研 究 2 結(jié) 果 與 分 析 2.1 鉀 肥 溶 液 濃 度 的 標(biāo) 定 設(shè)計了22組標(biāo)定試驗.標(biāo)定時從1. 0L水開始 每間隔0.1 L取1組樣本，直至取到2.0L水，從 2.2L水開始每間隔0.2L取1組樣本，直至取到 3.0L水，從3. 5 L水開始每間隔0.5 L取1組樣 本，直至取到4. 0L水，共選取18組樣本，分別加入 鉀肥10g；從2.5L水開始每間隔0.5 L取1組樣 本，直至取到4. 0L水，共選取4組樣本，分別加入 鉀肥5g.計算這22組樣本溶液的濃度，待樣本溶液 混合均勻后測量其電導(dǎo)率，用線性回歸方程算出鉀 肥溶液電導(dǎo)率與其濃之間的關(guān)系如圖2所示，最終 得出鉀肥溶液濃度與電導(dǎo)率之間的關(guān)系為 c0.7823 -0. 2495，R 2 0. 9904， （2） 式中：c為肥液的濃度； 為肥液的電導(dǎo)率；R為相關(guān) 系數(shù). 圖2 鉀肥溶液濃度標(biāo)定 Fig. 2 Calibrationofpotassiumsolutionconcentration 2.2 濾 網(wǎng) 桶 網(wǎng) 孔 數(shù) 對 裝 置 施 肥 性 能 的 影 響 將2.5kg鉀肥直接加入濾網(wǎng)桶中，采用直徑為 250mm、網(wǎng)孔數(shù)分別為40和60目的2種濾網(wǎng)桶，調(diào) 節(jié)流量為2m 3 h，于出口取樣點取樣，測量樣品的 電導(dǎo)率并記錄，根據(jù)式（2）換算成出口水肥溶液的 濃度如圖3所示. 圖3 濾網(wǎng)桶網(wǎng)孔數(shù)對裝置施肥性能的影響 Fig. 3 Influenceofnumberoffiltermesheson fertilizationperformance 從圖3中可以看出，2組試驗所得曲線均呈遞 減趨勢，且濃度的降低速度隨時間呈由快到慢的趨 勢，采用40和60目的濾網(wǎng)桶時，測得出口水肥溶液 接近清水的時間分別約為40和55min；試驗均采用 前40min數(shù)據(jù)，經(jīng)式（1）計算，采用40和60目的濾 網(wǎng)桶時，裝置出口水肥濃度的均勻系數(shù)分別為 35.3和41.4；采用60目的濾網(wǎng)桶相比于采用 40目的濾網(wǎng)桶，測得出口水肥溶液接近清水的時間 長15min，出口水肥濃度均勻系數(shù)高6.1. 2.3 濾 網(wǎng) 桶 直 徑 對 裝 置 施 肥 性 能 的 影 響 將2.5kg鉀肥直接加入濾網(wǎng)桶中，采用網(wǎng)孔數(shù) 為60目，直徑分別為250和150mm的2種濾網(wǎng)桶， 調(diào)節(jié)流量為2m 3 h，于出口取樣點取樣，測量樣品 的電導(dǎo)率并記錄，根據(jù)式（2）換算成出口水肥溶液 的濃度，如圖4所示. 圖4 濾網(wǎng)桶直徑對裝置施肥性能的影響 Fig. 4 Influenceoffilterdiameteronfertilizationperformance 從圖4中可以看出，2組試驗所得曲線均呈遞 減趨勢，且濃度的降低速度隨時間呈由快到慢的趨 勢，采用直徑為150和250mm的濾網(wǎng)桶時，測得出 口水肥溶液接近清水的時間分別約為45和55min； 試驗中均采用前45 min數(shù)據(jù)，經(jīng)式（1）計算，采用 150和250mm的濾網(wǎng)桶時，裝置出口水肥濃度的均 勻系數(shù)分別為34.7和39. 0；采用250mm的濾 網(wǎng)桶相比于采用150mm的濾網(wǎng)桶，測得出口水肥 溶液接近清水的時間長10min，出口水肥濃度均勻 系數(shù)高4.3. 2.4 進 口 流 量 對 裝 置 施 肥 性 能 的 影 響 將2.5kg鉀肥直接加入濾網(wǎng)桶中，濾網(wǎng)桶直徑 為250mm，濾網(wǎng)桶網(wǎng)孔數(shù)為40目，設(shè)計了如下3種 不同流量進行試驗，A，B，C三組流量分別設(shè)為2.5， 2.0，1. 5m 3 h.于出口取樣點取樣，測量樣品的電導(dǎo) 率并記錄，根據(jù)式（2）換算成出口水肥溶液的濃度 如圖5所示.從圖中可以看出， 3組試驗所得曲線均 呈遞減趨勢，且濃度的降低速度隨時間呈由快到慢 的趨勢； 3組試驗中，測得出口水肥溶液接近清水的 時間分別約為30， 35和50min；試驗采用前30min 數(shù)據(jù)，經(jīng)式（1）計算，3組試驗數(shù)據(jù)的均勻系數(shù)分別 為29. 5， 42.1和46.8；C組試驗相對于A，B 兩組，測得出口水肥溶液接近清水的時間分別長20 1117 排 灌 機 械 工 程 學(xué) 報 第36 卷 和15min，出口水肥濃度均勻系數(shù)分別高了17.3 和4.7，C組試驗的水肥溶液濃度更為均勻. 圖5 流量對裝置施肥性能的影響 Fig. 5 Influenceofflowrateonfertilizationperformance 2.5 加 料 器 對 裝 置 施 肥 性 能 的 影 響 控制流量為1.5m 3 h，采用直徑為250mm，網(wǎng) 孔數(shù)為60目的濾網(wǎng)桶，加料器中環(huán)形墊片的孔徑為 11mm，分別將2. 5kg鉀肥經(jīng)加料器添加和直接加 入濾網(wǎng)桶，于出口取樣點取樣，測量樣品的電導(dǎo)率 并記錄，根據(jù)式（2）換算成出口水肥溶液的濃度如 圖6所示. 圖6 加料器對裝置施肥性能的影響 Fig. 6 Influenceoffertilizerfeederonfertilizationperformance 從圖6可以看出，鉀肥直接加入濾網(wǎng)桶時，裝置 出口水肥濃度曲線呈逐漸降低的趨勢，約55 min 后，出口水肥溶液接近清水；使用加料器加肥的試 驗中，裝置出口水肥濃度曲線呈先升高后降低的趨 勢，約65min后，出口水肥溶液接近清水.2組試驗 濃度降低階段的濃度降低速度隨時間呈由快到慢 的趨勢；試驗采用前50min數(shù)據(jù)，經(jīng)式（1）計算，不 使用加料器時，裝置出口水肥濃度的均勻系數(shù)為 18.6；而使用加料器時，裝置出口水肥濃度的均勻 系數(shù)達到了28. 7，比不使用加料器加肥高了 9.9，且測得出口水肥溶液接近清水的時間較之不 使用加料器也增長了10min. 3 結(jié) 論 1）濾網(wǎng)桶的參數(shù)對裝置施肥性能有明顯的影 響，濾網(wǎng)桶網(wǎng)孔數(shù)越多，濾網(wǎng)桶直徑越大，裝置出口 水肥溶液濃度的均勻系數(shù)越大，即裝置的施肥性能 越好. 2）流量是影響裝置施肥性能的重要參數(shù)，流量 越小，裝置出口水肥溶液越均勻，即裝置施肥性能 越好. 3）裝置中加料器的設(shè)計可以很大地提高裝置 出口水肥溶液的均勻性，提高裝置的施肥性能. 4）文中的均勻系數(shù)并非本裝置能達到的最高 均勻系數(shù)；關(guān)于加料器對提高裝置施肥性能的試 驗，只研究了使用與不使用加料器添加肥料對裝置 施肥性能的影響，而加料器的參數(shù)，如墊片孔徑等 對裝置施肥性能的影響還需進一步研究.另外文中 用裝置出口水肥濃度的均勻性衡量裝置施肥性能， 而其他用于衡量裝置施肥性能的參數(shù)，如施肥效 率、施肥量等以及裝置參數(shù)對其影響仍需進一步 研究. 參 考 文 獻 （References ） 1 張育斌，魏正英，朱新國，等.精量水肥灌溉系統(tǒng)控制 策略及驗證J.排灌機械工程學(xué)報，2017，35 （12）：1088-1095. 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