水动式比例施肥泵大田性能影响因素试验研究

吴锡凯，王文娥，胡笑涛，王 睿，吴婉莹

(西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100)

河西走廊位于我国甘肃省境内，属于西北内陆干旱地区，水资源成为制约该地区经济与社会发展的首要因素，随着经济社会与人口数量的不断发展，水资源供需矛盾的形势将会更加严峻[1]。因此，建立节水型社会是实现可持续发展战略的必由之路，而节水灌溉技术是提高水肥利用率的重要途径。目前常见的注肥装置主要有文丘里施肥器、压差式施肥罐、比例施肥泵、智能施肥机等[2,3]，其中比例施肥泵是利用管道自身水动力形成的压差驱动活塞装置将肥液注射进入灌溉管道中的一种施肥装置，由于无需外加动力设施、运行稳定、施肥精度高且施肥比例可调等优点[4]，应用越来越广泛。目前与比例施肥泵相关的研究主要集中在施肥泵新型结构探索以及性能影响评价等方面。在新型结构研发方面：李百军和王晓宁[5]运用电磁阀断电通电控制水流换向，实现循环往复运动完成吸肥，王建东等[6]利用压力水驱动活塞进行往复运动设计了一种水动吸肥器，朱志坚等[7]通过标定一种流量调节阀来实现比例施肥，赵友俊[8]运用先导阀技术研制了一种适合在高压大流量时使用的水动比例施肥泵，王新坤等[9]应用FLUENT软件对新设计的新型射流施肥泵内部流场进行了研究。在性能研究上：韩启彪等[4]分析施肥泵两端进出口压差、入口流量、吸肥比例对国内三种不同的比例施肥泵进行性能研究，杨大森等[10]通过改变施肥泵两端的压差和吸肥比例对比了国内外两种型号的比例施肥泵的性能，并建立了吸肥模型估算吸肥量。国内外也相继推出了关于水力驱动式比例施肥泵的标准与规范[11,12]，以上研究极大地推动了节水灌溉新技术的应用和推广，但上述研究均未控制灌水器进口压力，与滴灌系统实际应用不同。

压力是决定整个滴灌系统投资、运行及均匀度的最主要的因素[13]，目前常用的滴灌灌水器多采用10 m水头作为设计压力，但对于甘肃、新疆等西北地区推广水肥一体化技术大面积使用的薄壁侧翼迷宫滴灌管，滴灌管工作压力水头超过8 m时容易破裂，而且适当降低滴灌系统压力水头可大幅度降低成本。根据滴灌管技术规范和试验方法标准(GB/T17188-1997)[14]推荐使用的常压水头范围(6～14 m)和低压水头范围(2～8 m)设置与不同类型滴灌管相适应的入口压力。大田灌溉施肥系统设计过程中，通过控制毛管入口的压力，维持良好的灌溉施肥均匀性，以保证系统平稳高效运行，因此需要从整个微灌系统出发确定灌水器入口压力。本文在维持滴灌管入口压力稳定的基础上，结合大田膜下滴灌系统实际运行情况进行试验研究，分析水力驱动式比例施肥泵吸肥性能影响因素，为灌溉施肥系统的设计和运行管理提供理论参考。

1 试验装置与方案

1.1 试验装置

试验在甘肃省武威市东河乡王景寨村中国农业大学石羊河实验站内进行，试验装置主要包括水源、增压设备、连接管件、比例施肥泵、阀门与压力表等，如图1所示。试验水源取自长宽高3 m×2 m×3 m的水池，通过调节潜水泵和变频箱来获取试验所需的水压和流量，试验所用管材均为PVC管道，施肥泵通过Ф25PVC管与干管并联，主管道上安装了2个水表，3个控制阀门，2个压力表；施肥管道的施肥泵前后安装了2个控制球阀，2个压力表和2个流量计，施肥管道出口处及其后并入的干管上设置A和B两个取液口。

1-潜水泵；2-主管道进口控制阀；3-主管道进口压力表；4-主管道进口水表；5-施肥管道进口流量计；6-施肥管道进口控制阀；7-施肥管道进口压力表；8-比例施肥泵； 9-施肥节制阀；10-施肥管道出口压力表；11-施肥管道出口控制阀；12-施肥桶；13-主管道出口压力表；14-施肥管道取液口A；15-施肥管道出口流量计；16-主管道取液口B；17-主管道出口控制阀；18-主管道出口水表 图1 水力驱动施肥泵试验装置示意图

该试验采用陕西杨凌启丰现代农业工程有限公司所生产的可调比例施肥泵，厂家提供的技术参数如下：施肥比例0.4%～4.0%、设计流量20～2 500 L/h、工作水温4～30 ℃、工作压力0.2～6.0 MPa、接口直径25 mm。试验所采用的压力表量程为0～0.25 MPa，测量精度为0.25级，便携式超声波流量计测量精度范围为流量±1%，测量口径范围15～6 000 mm。试验选用当地主要农作物春玉米为试验种植对象，玉米品种选用“先玉335”；肥料选用甘肃当地常用的磷酸二铵，总磷≥46%(安宁云科化肥有限公司厂家生产)；滴灌管选用本地常用的侧翼迷宫式滴灌带和内镶贴片式滴灌管2种类型。肥液浓度通过便携式电导率仪(上海仪电雷磁台式数显型号DDS-307，测量范围0 μS/cm～100 mS/cm，测量精度范围±0.5%FS)测定，根据肥液浓度与电导率的关系转换成肥液浓度。

1.2 试验方案

大田试验使用的比例施肥泵相关参数根据前期进行的比例施肥泵性能测试试验结果，选取运行稳定工况时的参数值设定。该比例施肥泵的技术参数包括施肥比例(施肥泵在单位时间内从肥液桶中吸入的肥液质量与施肥管道内输入泵体的清水质量之比)和肥液比例(即肥液桶中配置的肥液浓度比例，固体肥料质量与清水质量之比)，其中：施肥比例选用2%、3%和4%3个水平；施肥泵吸入的肥液比例选用1：5(肥料质量：清水质量)，试验中保持不变；根据试验采用的2种滴灌管(带)的水力性能，兼顾灌溉施肥均匀度与造价，在每个施肥比例水平下，通过调节施肥节制阀和控制阀的阀门开度改变滴灌管(带)进口压力(即主管道尾部作用压力)，侧翼迷宫式滴灌带设置了3个水平(0.04、0.05、0.06 MPa)，对应的滴头流量分别为1.309、1.505、1.635 L/h，滴头间距为15 cm；内镶贴片式滴灌管设置了3个水平(0.08、0.09、0.10 MPa)，对应的滴头流量分别为1.841、1.936、2.031 L/h，滴头间距为30 cm，施肥泵两端作用压差维持0.02 MPa不变，滴灌带长度均为50 m，共18种工况，每种工况做3次重复试验。

通过计算施肥泵进出口两个流量计的读数差值可得到施肥泵的吸肥速度；由施肥管道进出口的压力差值可得到施肥泵工作压力差。试验期间，为了消除水流不稳定带来的不利影响，在每次试验开始5～10 min后再进行数据记录。此外，每隔3 min在A和B两个取液口进行肥液提取，并测定电导率，最后根据肥液浓度与电导率函数关系式换算成取液口的肥液浓度。

2 结果与讨论

2.1 入口流量影响因素分析

水力驱动式比例施肥泵运行原理是：在施肥泵两端进出口压差作用下,灌溉清水沿施肥管道入口进入施肥泵,推动位于顶部的活塞进行往复运动,产生周期性向上的吸力,将施肥桶中的肥液吸入施肥泵与泵体内清水充分混合，稀释后从施肥泵出口流回主管道,直到施肥桶肥液耗尽，完成整个吸肥过程。施肥泵入口流量指的是由施肥泵进口端进入泵体的灌溉水流量。入口流量的大小直接影响着施肥泵出口肥液浓度。

当同一种滴灌管(带)在同一进口压力水头下，吸肥比例对施肥泵入口流量影响较小，如图2所示，以内镶贴片式滴灌管入口压力0.09 MPa为例，3%及4%的吸肥比例相对于2%的情况下施肥泵入口流量仅分别增加了1.15%、3.50%，当压力较大时还有降低趋势。对施肥泵入口流量影响较大的是滴灌管(带)的管首压力，不同的吸肥比例水平下，滴灌管入口压力随着施肥泵入口流量的增大主要呈现增加趋势，以内镶贴片式滴灌管为例，吸肥比例为2%时，管首压力0.09和0.10 MPa时的入口流量相对于0.08 MPa分别增大了7.18%、19.33%，其原因是随着滴灌管入口压力的增加，滴灌管灌水器流量增大，而吸肥比例不变，则施肥泵入口流量增加。从图中还可以看出侧翼迷宫式滴灌带在压力达到0.06 MPa时，施肥泵入口流量反而低于0.05 MPa工况，结合灌水器流量试验数据发现，此时过滤器已出现堵塞情况，两种滴灌管(带)均有类似现象发生，即随着压力的增大两种滴灌管(带)首部的过滤器均出现不同程度的堵塞，内镶贴片式滴灌管0.10 MPa时4%吸肥比例水平下入口流量减小，过滤器出现了堵塞的现象，侧翼迷宫滴灌带在2%、3%吸肥比例下仅在0.06 MPa时过滤器出现了堵塞，4%的水平下在各个压力水头均出现了堵塞，0.06 MPa时最严重，分析原因是滴灌管(带)入口压力变大时，需要施肥泵进出口压力较大，施肥泵入口流量较大、水流流快，对内部活塞杆件冲击强烈，影响正常的往返吸肥运动，较大的吸肥比例加剧了这一现象，肥液中细小颗粒在过滤器中不断累积，引起过滤器或滴灌管、灌水器堵塞，水头损失增加，滴灌管实际作用水头下降，流量减小。因此，施肥泵的运行参数应与连接的滴灌管(带)的性能相匹配，避免引起系统堵塞，达不到设计所需的灌溉施肥量。

图2 两种滴灌管(带)不同入口压力下施肥泵入口流量随吸肥比例变化曲线图

2.2 实际吸肥量影响因素分析

吸肥量是单位时间内施肥泵从施肥桶中吸入的肥液量，可通过改变施肥泵入口流量，进而调节泵内活塞运动频率，最终实现吸肥量可调。图3给出了使用两种类型滴灌管时，施肥泵吸肥量随滴灌管入口压力增大时的变化趋势。

图3 不同滴灌带入口压力条件下，施肥泵吸肥量与吸肥比例关系曲线

由图3可以看出：两种类型的滴灌管(带)，在不超过生产厂家给定的设计流量范围内，同一个入口压力水平时，吸肥量随着吸肥比例的增大而增大，各个施肥比例水平下的吸肥量基本符合生产工艺制定的相应的吸肥比例；侧翼迷宫式滴灌管3个入口压力(0.04、0.05、0.06 MPa)，对应的滴头流量分别为1.309、1.505、1.635 L/h，滴头间距为15 cm；内镶贴片式滴灌管3个入口压力(0.08、0.09、0.10 MPa)，对应的滴头流量分别为1.841、1.936、2.031 L/h，滴头间距为30 cm，侧翼迷宫式滴灌带单个滴头流量不如内镶贴片式流量大，但是滴头间距为内镶贴片式的1/2，总的流量大于内镶贴片式，因此施肥泵吸肥量侧翼迷宫式反而略大于内镶贴片式；同一吸肥比例下，吸肥量随着滴灌带入口压力的增大变化趋势不明显，基本保持不变，其中内镶贴片式滴灌管2%、3%、4%吸肥比例下吸肥量之间的最大偏差0.35%、0.10%、9.30%，4%的水平下突然变大是由于施肥泵入口流量过大，进入施肥管道中的肥液微小颗粒在过滤器内部不断聚集，使得位于滴灌带前部的过滤器发生了堵塞，进而降低了施肥泵的吸肥速率，使得吸肥量减小所致；侧翼迷宫式滴灌管2%、3%、4%吸肥比例下吸肥量之间的最大偏差15.6%、15.09%、19.86%，与内镶贴片式滴灌带相比整体偏差较大，是由于吸肥比例较大时均发生不同程度的堵塞，4%吸肥比例时最为严重，0.06 MPa水平下吸肥量与0.04 MPa相比减小了16.57%。因此，在实际生产运行中，灌水器入口压力和吸肥比例应配合适当，灌水器入口压力较大时，吸肥比例不宜超过3%，选用侧翼迷宫式滴灌带时为了保证较好的施肥均匀度选用2%吸肥比例最为合适。

2.3 实际吸肥比例影响因素分析

图4 两种滴灌管(带)实际施肥比例与设置施肥比例及管道入口压力关系曲线

根据施肥泵的技术参数，吸肥比例是指施肥泵在单位时间内从肥液桶中吸入的肥液质量与进入施肥泵泵体的清水质量之比，图4给出了连接两种滴灌带时实际施肥比例与滴灌带入口压力关系曲线的变化规律。施肥泵连接两种滴灌带时，实际施肥比例灌水器入口压力水平下，同一个吸肥比例随着尾部压力的增大而逐渐减小；同一灌水器入口压力下，各吸肥比例水平下的实际施肥比例基本符合其相应的比例。当选用内镶贴片式灌水器，施肥泵设定吸肥比例为2%、3%、4%时，实际施肥比例分别为1.51%、2.23%、3.00%，为设定值的75.5%、74.3%、75.3%；图4也可以看出，选用侧翼迷宫式灌水器，实际施肥比例为1.58%、2.06%、3.01%，为设定值的79%、68.7%、75.3%。从整体来分析，采用两种灌水器实际所需要的施肥时间与设定的时间相比增加约1/4，究其原因，侧翼迷宫式滴头流量虽然没有内镶贴片式大，但是其滴头间距为后者的1/2，对于整条50 m长的滴灌带而言，其出水流量比内镶贴片式增大42.2%～61.0%，前者在较大吸肥比例运行时堵塞情况较为严重，施肥泵泵体内部活塞进行往返运动的频率变小，从而整个施肥周期变长，在实际运行过程中根据施肥泵的吸肥性能搭配适宜的吸肥比例和灌水器入口压力，确保整个施肥过程在预定的时间内完成所需要的肥液量。

2.4 肥液浓度影响因素分析

水力驱动式施肥泵运行时保持施肥泵两端压差及灌水器进出口压力稳定，施肥管道及主管道两个取液口肥液浓度基本维持稳定，具有较高的施肥均匀性。试验中施肥泵两端采用同一压差，不同吸肥比例，图5给出了两种滴灌管(带)不同施肥比例时，施肥管道取液口A、B肥液浓度随滴灌管(带)入口压力的变化趋势。

图5 不同施肥比例取液口A、B肥液浓度与入口压力关系曲线

在同一工况下取液口A和B的肥液浓度随吸肥比例的增大而增大，同一吸肥比例工况下，施肥管道取液口A随着灌水器入口压力的增大而变大的速率变大，以3%吸肥比例下0.08 MPa配比质量百分浓度为0.98，0.09 MPa时为1.04，增长了6.12%，而0.10 MPa时为1.24，比0.08 MPa时增长了26.53%，增长速率相对于0.09 MPa时增大了。当采用侧翼迷宫式灌水器施肥时，从图5可以看出取液口A的变化趋势与内镶贴片式基本一致，以4%吸肥比例下0.04 MPa配比质量百分浓度为1.23，0.05 MPa时为1.32，增长了7.32%，而0.06 MPa时为1.65，比0.04 MPa时增长了34.1%，增长速率相对于0.05 MPa时增大了。

从图5可以看出主管道取液口B随着灌水器入口压力的增大基本保持不变甚至出现了减小的情况，例如4%吸肥比例的情况下，0.10 MPa比0.08 MPa时减小了25.0%，采用侧翼迷宫式灌水器施肥时减小比例更大，0.06 MPa比0.04 MPa时减小了30.3%，原因是施肥过程中灌水器前端的过滤器发生堵塞之后会使施肥支管管道肥液浓度不断聚集，进而造成施肥泵的吸肥频率减小甚至间断吸肥，主管道肥液浓度则会一直被清水稀释而造成取液口质量百分浓度减小。由图5取液口B中还可以看出在施肥比例为3%及4%时，堵塞的程度随着侧翼迷宫式灌水器入口压力的增大而增大，同一入口压力各个吸肥比例水平下质量百分浓度已经不呈对应比例，整体运行状况不如内镶贴片式灌水器，在实际运行生产中应注意选用侧翼迷宫式灌水器不宜选用较大的吸肥比例与较大的入口压力搭配使用。

3 结 语

本文根据滴灌系统实际运行特点，维持滴灌管(带)入口压力不变的基础上，结合膜下滴灌系统大田运行情况进行了试验研究，得出以下主要结论：

(1)施肥泵入口流量随着滴灌管(带)入口压力的增大而变大，同一压力水头下，入口流量随着吸肥比例的增大而增大的趋势变化不大；吸肥比例为4%时，两种类型滴灌管均出现了一定程度堵塞，实际生产中建议不宜采用较大的吸肥比例进行施肥。

(2)在设计流量范围内，同一压力水头下吸肥量随着吸肥比例的增大而增大，基本符合其相应的吸肥比例；侧翼迷宫式滴灌带稳定性不如内镶贴片式滴灌管，管道入口压力较大时吸肥比例不宜超过3%。

(3)在不同管首压力水平下，吸肥比例设定在2%～4%时，内镶贴片式滴灌管与侧翼迷宫式滴灌带实际施肥比例分别为设定值的74.3%～75.5%、68.7%～79%，实际所需的施肥时间与设定时间相比增加了近1/4，实际生产运行中应搭配适宜的吸肥比例和灌水器入口压力，确保按时完成施肥量的要求。

(4)同一滴灌管(带)入口压力相同时，两种滴灌管(带)施肥时取液口A内质量百分浓度随着吸肥比例的变大呈比例增大，取液口B在入口压力过大时出现不增反而减小的情况，选用侧翼迷宫式滴灌带不宜选用较大的吸肥比例与较高的入口压力搭配。