日光温室小型水肥一体灌溉机设计及其控制模型的建立

李 坚，刘云骥，王丹丹，孙周平

(1.设施园艺省部共建教育部重点实验室，沈阳 110866；2.环渤海湾地区设施蔬菜优质高效生产协同创新中心，沈阳 110866；3.沈阳农业大学园艺学院，沈阳 110866)

0 引 言

2015年我国日光温室面积已达86.67 万hm2以上，不仅成功解决了北方地区冬半年蔬菜供应问题，而且成为解决“三农”问题的支柱产业，产生了巨大的经济与社会效益。然而我国日光温室园艺作物主要采用土壤栽培模式，生产管理凭经验，农民水肥用量过多，这种粗放的水肥施用方式不仅造成了资源的浪费，而且还造成了环境的污染[1-5]。目前，国外的智能灌溉机已经实现了水肥的精准控制和自动化管理，但都是适用于大型连栋温室，而国内缺乏适宜日光温室生产应用的低成本、使用方便的小型水肥一体化灌溉机，成为促进我国日光温室园艺作物水肥精准化与标准化管理的重要限制因素[6]。

国外的大型智能水肥灌溉设备主要采用文丘里吸肥器，目前以色列和荷兰为代表的发达国家水肥一体化技术已相当成熟，已开发应用了完善成熟的智能灌溉施肥系统，如荷兰PRIVA公司研发的Nutri-line系列、以色列NETAFIM公司研发的Netajet系列等全自动灌溉施肥机[7]，这些施肥机都能对电导率和酸碱度进行实时监测，从而精确为作物提供水分和养分；国内的许多院校和企业也进行了先进灌溉施肥机的研发和引进，但这些灌溉施肥机结构比较复杂，一般都带有一个混肥罐，罐中没有辅助设备进行搅拌，混肥很容易出现局部不均匀，同时价格昂贵，无法在国内普及应用，尤其针对小型的日光温室生产方面，取得的经济效益在短时间难以收回成本[8-9]。

由于文丘里施肥装置的调节压力范围有限，而且对主管流量的稳定性要求较高，系统压力损失大，因此需要选择较大功率的水泵[10-11]，而比例吸肥器无论是管道中水量及压力如何变化，所吸入的肥料剂量与吸肥器水量始终成比例，可使用较小功率的水泵[12]，为此，本文设计研制了基于吸肥器的价格低廉、适宜日光温室应用的小型灌溉施肥机，并试验得出控制水肥灌溉的电导率和酸碱度模型，为日光温室园艺作物的水肥精准管理提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 实验材料

本实验在沈阳农业大学园艺科研基地日光温室内进行。水泵为粤华牌射流式自吸不锈钢喷射离心泵，型号：SZ090BD，最大工作压力0.6 MPa，最大吸程8 m，重量11.8 kg，且耐腐蚀；吸肥器为以色列泰丰吸肥器，型号：2504，流量范围：10～2 500 L/h，工作压力：0.02～0.8 MPa，重量1.8 kg。管路及管件皆为聚氯乙烯。

1.2 结构试验设计

1.2.1 灌溉施肥机的结构设计与工作原理

灌溉施肥机主要由传感器、执行机构、控制器和辅助设备4部分组成，其中传感器包括电导率传感器和酸碱度传感器；控制器为西门子smart200PLC控制器；执行机构包括吸肥器、离心水泵、电磁阀；辅助设备包括控制箱、肥料罐、过滤器。灌溉施肥机的结构原理如图1所示。

1-进水口；2-过滤器；3-电磁阀；4-流量计；5-混肥装置；6水泵；7-逆止阀；8-吸肥器；9-软管；10-肥料罐；11-压力表；12-电导率传感器；13-酸碱度传感器；14-球阀；15-灌溉支路；16-输水主管道；17、18、19-支路管道图1 灌溉施肥机结构原理图Fig.1 Principle diagram of irrigation fertilizer

当进行施肥作业时，开启系统中所有的阀门，进过水泵的脉冲式的灌溉水进入吸肥器，同时在水压的驱动下，吸肥软管吸取相应比率的肥料与灌溉水一起注入主管道上的特殊结构的混肥装置中，转化为均匀的营养液，由水泵输送给灌溉支路，同时有一部分营养液又进入到吸肥器中，以此重复，实现混肥和灌肥同时进行，大大缩短施肥灌溉时间。

为了方便，结构试验阶段均采用手动信号控制，即利用球阀开闭控制水流量。

1.2.2 吸肥器的排布试验

本试验设置3个吸肥器并联、串联、串并联三组排布方式，组装如图2所示，测量每个吸肥器的吸肥量，3次重复。

1.2.3 支路管道的粗度和长度试验

通常温室大棚的自来水管道都是一寸管道(即DN25)，同时为了安装方便，本灌溉系统的主管道也设计为一寸管路，吸肥器的进出水口是六分管(即DN20)，由于管道中液体的流量与管道的长度、粗度以及粗糙程度有着密切的关系，为了确定支路管道的尺寸，所以本试验设计了等长与不等长六分支路管道，以及等长一寸支路管道，如图3所示，并测试吸肥器吸肥量的变化，3次重复。

1.2.4 混肥装置结构设计

混肥装置作为灌溉系统的核心部件之一，它直接影响输水主管道中肥料与水混合的均匀程度，本试验设置混肥装置外径为53、90、125 mm 3个处理[如图4(a)]，施肥装置内部进出口处安装15 cm一寸管件，以达到充分混肥的效果，根据图5所示示意图测试出水口的电导率，3次重复，设置进水口内径管件为15 cm，出水口0、5、10、15 cm以及特殊处理的15 cm(十字钻四个漏水口，并将正面封死)[如图4(b)]5个处理。测量出水口水桶内的EC值变化情况，3次重复。

图2 吸肥器的排布Fig.2 arrangement of the fertilizer pumps

图3 支路管道结构Fig.3 structure of the three parallel branch

图4 混肥装置结构Fig.4 Structure of the mixing fertilizer device

图5 结构示意图Fig.5 Structure diagram

1.3 酸度、电导率模型试验设计

根据试验结果，选择最优部件，组装最后的灌溉施肥装置，进行混肥试验，建立酸度、电导率模型。

根据山崎配方，配置150倍浓缩母液，放置在两个2 L的烧杯内，pH=4的酸液配制2L放在烧杯内。在配置营养液时，微量元素的浓度是大量元素的1%～4%左右，对于电导率和酸度值的影响可以忽略不计。

两路母液以及一路酸液对应3个吸肥器进行吸肥试验，调节3个支路阀门，测量各吸肥器吸肥量，以及出水口处EC、pH的变化，得出模型方程并进行验证。

1.4 数据处理

Excel2010软件进行试验数据处理及绘图。

2 结果与讨论

2.1 吸肥器排布方式对吸肥量的影响

如6、7、8所示，3个吸肥器并联情况下，吸肥量稳定时所需的时间最短，而且分别调节出水口处球阀：全开口、半开口、1/4开口的情况下，串联和串并联的吸肥器吸肥量随着开口越小，吸肥量越大，并联的3个吸肥器吸肥量没有明显变化，表现出稳定的性能，每条支路的压力表示数是相同的，所以吸肥器的排布试验中将采用并联的方式。

图6 串联对吸肥量的影响Fig.6 Effect of series on absorption capacity of fertilizer

图7 并联对吸肥量的影响Fig.7 Effect of Parallel on absorption capacity of fertilizer

图8 串并联对吸肥量的影响Fig.8 Effect of series-parallel on absorption capacity of fertilizer

2.2 支路管道粗度和长度对吸肥量的影响

首先测试了六分管等长与不等长支路管道结构，测试了3个吸肥器吸肥量的变化，如图9、10、11所示，从图中可知，与六分不等长结构相比，六分等长的3个吸肥器在40 s之后吸肥量变化幅度很小，基本趋于平稳。在等长的条件下，组装一寸支路管道进行吸肥量的测量，与六分等长比较，结果显示，仍是六分等长支路处理吸肥器达到稳定所用的时间最短，所以支路管道选择六分管，3条支路管道等长结构。

图9 六分等长对吸肥量的影响Fig.9 Effect of DN25/ equal length onabsorption capacity of fertilizer

图10 六分不等长对吸肥量的影响Fig.10Effect of DN25/ equal length onabsorption capacity of fertilizer

图11 一寸等长对吸肥量的影响Fig.11 Effect of DN25/ equal length on absorption capacity of fertilizer

2.3 混肥装置结构设计

由图12可知，直径53 mm时，EC值在20 s到40 s从0.5增加到了1.3左右，混肥速率明显地高于其他两个处理，如图13所示，混肥装置内部特殊处理的15 cm结构的混肥速率明显高于其他3个处理，其余均无显著差异。本试验混肥装置的设计，将保证肥料与水的有效混合。

图12 不同直径对混肥速率的影响Fig.12 Effects of different diameter on mixed fertilizer rate

图13 不同内径处理对混肥速率的影响Fig.13 Effects of different inner diameter on mixed fertilizer rate

2.4 酸度、电导率模型

2.4.1 酸度、电导率模型的建立

营养液的调配主要是通过EC、pH进行监测和控制的，所以有：

EC=a1+b1x1+c1x2+d1x3

pH=a2+b2x1+c2x2+d2x3

式中：EC、pH为代表电导率值和酸度值；a、b、c、d为代表常数；x1、x2为代表母液吸入量；x3为代表酸液吸入量。

将表1结果代入公式可得方程：

EC=0.720 67-0.000 121 9x1+

0.000 667 9x2+0.000 026 1x3

pH=6.938 7-0.000 1041 7x1+

表1 多路母液加入所测得的EC/pH值Tab.1 EC/pH test value when multiple liquid added

0.000 203 4x2+0.000 121 6x3

2.4.2 电导率、酸度模型的验证

如表2所示，模型预测出水口处混合营养液的EC相对误差的平均值为2%，最大值为4.2%，pH的相对误差的平均值为3%，最大值为4.7%。由于操作精度以及温度等也会影响营养液的EC和pH值，因此模型不可避免地会存在一些误差，但两个模型的相对误差都较小，表明所建立的模型是可行的。

表2 多路母液加入所测得的EC/pH值Tab.2 EC/pH test value when multiple liquid added

3 结 论

针对北方地区日光温室栽培面积小以及环境变化与栽培管理的要求，本文研究设计了一种基于吸肥器的小型灌溉施肥机。首先对灌溉机的结构进行了试验设计研究，明确3个吸肥器并联排布方式最好，选择六分管、3条支路等长为最佳支路管道结构，混肥装置直径为53 mm，选择特殊处理的15 cm内径管件(十字钻四个漏水口，并将正面封死)为混肥装置最佳内部结构，然后对两路母液和一路酸液的加入量与EC、pH值关系建立模型方程，与实测值相比，模型预测得出EC值相对误差的平均值为2%，最大值为4.2%，pH的相对误差的平均值为3%，最大值为4.7%。以上试验结果说明，灌溉机结构设计合理，可实现营养液的精准化控制，为日光温室蔬菜的标准化管理奠定基础。

[1] Guoxiang Sun, Xue Li, Xiaochan Wang. Design and testing of a nutrient mixing machine for greenhouse. Engineering in Agriculture, Environment and Food fertigation.2015,8(2):114-121.

[2] 袁洪波,程 曼,树 杰,等.水肥一体灌溉循环系统构建及性能试验[J].农业工程学报,2014,30(12):72-78.

[3] Antonio JoséSteidleNeto,SérgioZolnier, Daniela de Carvalho Lopes.Development and evaluation of an automated system for fertigationcontrol in soilless tomato production. Computers and Electronics in Agriculture,2014,(103):17-25.

[4] 孙国祥,陈 满,汪小旵,等．变量施肥机关键技术研究现状分析[J].江苏农业科学,2014,42(2):333-339.

[5] 周 博,周建斌.不同水肥调控措施对日光温室土壤水分和番茄水分利用效率的影响[J].西北农林科技大学学报(自然科学版),2009,37(1):211-216.

[6] 李喜娟.农业节水的最有效措施-水肥一体化[J].农业科技通讯,2016,(3):131-132.

[7] 宋金龙.水肥一体化通用控制设备研发[D].哈尔滨：东北农业大学,2015.

[8] 阮俊瑾,赵伟时,董晨.球混式精准灌溉施肥系统的设计与试验[J].2015,31(S2):131-136.

[9] 高祥照.水肥一体化发展现状与展望[J].中国农业信息,2015,(4):14-19.

[10] 刘永华,沈明霞,蒋小平.水肥一体化灌溉施肥机吸肥器结构优化与性能试验[J].2015,46(11):76-81.

[11] 袁寿其,李 红.中国节水灌溉装备发展现状、问题、趋势与建议[J].排灌工程机械学报,2015,33(1):78-92.

[12] 杨大森,李 红.活塞式比例施肥器性能对比试验[J].节水灌溉,2015,(11):47-50.