水肥一体化灌溉施肥机吸肥性能试验研究

陈囡囡，朱德兰，柏 杨，杨亚林

(1. 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；2.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100)

0 引 言

水肥一体化是一项高效的节水节肥农业新技术，可同时把水分和养分均匀、准确、定时定量地供应给作物，而实现水肥一体化的关键是灌溉施肥装置[1]。与压差溶肥罐、文丘里注肥器、电动注肥泵、比例注肥泵等施肥装置相比，自动灌溉施肥机更符合国际施肥机械大型化、智能化、精准化的发展趋势[2,3]。

目前，国外农业发达国家如以色列、荷兰等关于灌溉施肥机的研究已相当成熟，可实现高效精准的肥水混合，并通过智能化灌溉施肥决策系统进行精准的肥水控制[4]，但存在价格高昂、移动不便等不足，难以适应国内市场需求。国内学者关于灌溉施肥机的研究起步较晚，但也取得了较多成果。吴松等[5]设计了一款通过管路连接到灌溉系统的施肥机，可通过控制肥水的EC、pH和进入灌溉管道的肥水量来实现自动施肥。周舟等[6,7]研制了移动式温室精准施肥机，灌水、施肥的均匀度分别达99.6%和98.8%。左志宇、姚舟华等[8,9]研制了一款温室自动灌溉施肥机，实现了不同营养液配比、浓度、酸碱度的在线自动调控。狄娇、韩丽娜等[10,11]研制了一款基于比例施肥泵和嵌入式控制器的轻简式灌溉施肥机，实现了较好的肥水混合，建立了营养液稀释模型。李坚等[12,13]研制了一款以比例施肥泵为吸肥装置的管道混合式施肥机，并研究了比例施肥泵的排布方式、支管管道长度与管径对吸肥量的影响规律。刘永华、牛寅、孙国祥等[14-20]所研究的是基于作物、环境、控制与决策的智能化精准灌溉施肥系统，可实现高效精准的灌溉施肥。

以上研究多为自动控制、作物模型及决策系统方面，自动化程度较高，部分用户难以操作，整体造价仍不能被部分用户接受。因此，本文设计了一款简易型的3通道水肥一体化灌溉施肥机，可实现多种营养的调配。通过试验研究，探索施肥机吸肥量的影响因素，并建立吸肥量的计算模型，通过分析施肥水泵的水力特征，为文丘里施肥器及施肥水泵的优化配置提出指导意见。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验在西北农林科技大学灌溉水力学实验室进行。施肥机主要由施肥水泵与文丘里施肥器2部分组成：施肥水泵采用卧式多级离心泵，额定扬程45 m，额定流量4 m3/h，额定功率1.1 kW；文丘里施肥器为西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院自主研发，自由出流状态下，最大吸肥量为2.5 m3/h。为提高施肥水泵的能量利用率，施肥机采用旁路式混肥方式[21]。施肥机的管路与管件材质均为聚氯乙烯(PVC)。共设置3个通道，每个通道的吸肥器均采用相同规格的文丘里施肥器。图1为试验装置简图。

1、2、3、4、5-压力传感器；6、8-电磁流量计；7-涡轮流量计；9-灌溉水泵；10-施肥水泵；11-变频供水系统；12-控制箱；13-文丘里施肥器；14-手动调节阀；15-肥液桶图1 试验装置简图

试验中灌溉主管用水由容积约为2 m3的储水桶提供，经灌溉水泵9加压后输送到灌溉主管；肥液用清水代替，由肥液桶15提供。分别在灌溉主管进出口、文丘里施肥器13前端以及施肥水泵10进出口处安装压力传感器1-5，用于采集各断面的压力值；在灌溉主管进出口安装电磁流量计6和电磁流量计8，施肥水泵出口处安装涡轮流量计7，分别监测各断面的流量值；吸肥流量由秒表与电子秤组合测定。灌溉主管进口压力由变频供水系统11调节，施肥水泵的启闭及工作时间由控制箱12进行调节。

1.2 试验设计

从试验装置可看出，施肥系统外部影响因素主要为灌溉主管进口压力、灌溉主管进口流量，其内部影响因素主要为吸肥通道开启个数。由于该施肥机主要用于微喷灌作业，故设定灌溉主管进口压力、流量的范围见表1。采用全试验设计，共75个处理。

表1 因素水平设计

1.3 测试指标及方法

试验数据的获取分为2个步骤：首先关闭施肥水泵，通过变频供水系统调节灌溉主管进口压力、流量至试验设计值，并记录试验数据；然后启动施肥水泵并保持工频运行，从靠近施肥水泵的一端，按顺序开启吸肥通道上的阀门，以控制吸肥通道开启的个数，待施肥机吸肥稳定后，再记录各个指标的数据，重复3次。

(1)主管进口压力，施肥水泵进口压力、出口压力。通过压力变送器(精度等级为0.1%FS)及压力采集软件获得。

(2)灌溉主管进口流量，施肥水泵出口流量。分别通过电磁流量计(精度等级为0.5%FS)、涡轮流量计(精度等级为0.5%FS)读取。

(3)总吸肥量。利用电子秤对一段时间前后肥液的质量称重，通过下式计算得到：

(1)

式中：q为开启不同吸肥通道个数时施肥机的总吸肥量，m3/h；m1和m2分别为吸肥前后肥液的质量，kg；t为时间间隔，取t=30 s；ρ为肥液的密度，试验中以清水代替，取ρ=1 000 kg/m3。

(4)施肥器总进口流量。通过计算施肥水泵出口流量与总吸肥量的差值得到。

(5)施肥水泵电机的输入电压U、输入电流I及功率因数η0。通过电力监测仪(型号P06S-20，精度为±1%)直接读取。

2 试验结果分析

2.1 灌溉主管进口压力和吸肥通道开启个数对吸肥量的影响分析

图2、图3分别为施肥机在灌溉主管进口流量为6 m3/h，开启1、2、3个吸肥通道时，施肥器总进口流量、施肥机总吸肥量随主管进口压力变化规律。从图3可看出：当3个吸肥通道全部开启时，总吸肥量随着主管进口压力的增大而减小；当开启1个或2个吸肥通道时，总吸肥量随主管进口压力的增大，先保持平稳后逐渐减小，该变化规律在打开2个吸肥通道时更为明显。分析其原因：随着主管进口压力的增大，施肥水泵需要克服更大的管道阻力才能将肥液注入到主管道中，施肥水泵的扬程增大、流量减少。由图2可知施肥器总进口流量随主管进口压力增大而增大，因此吸肥量会逐渐减少。另外，当主管进口压力低于0.22 MPa时，总吸肥量随吸肥通道个数的增加而增大；当压力大于0.22 MPa时，打开2个吸肥通道时的吸肥量反而比同时开启3个吸肥通道的吸肥量要大。因此，若想使施肥机获得较大的吸肥量，当压力低于0.22 MPa时建议同时开启3个吸肥通道，当主管进口压力高于0.22 MPa时建议只打开2个吸肥通道。

图2 施肥器总进口流量与主管进口压力的关系

图3 总吸肥量与主管进口压力的关系

2.2 灌溉主管进口流量和吸肥通道开启个数对吸肥量的影响分析

图4为施肥机在主管进口压力为0.1、0.2 MPa时，开启1、2、3个吸肥通道时施肥机总吸肥量随主管进口流量变化规律。由图4可知：施肥机总吸肥量不随灌溉主管进口流量的改变而改变；灌溉主管进口压力为0.1 MPa，施肥机分别开启1、2、3个吸肥通道时，总吸肥量分别为0.91、2.17、3.52 m3/h；灌溉主管进口压力为0.2 MPa，施肥机分别开启1、2、3个吸肥通道时，总吸肥量分别为0.91、2.17、2.31 m3/h。由此可见，随着吸肥通道开启个数的递增，总吸肥量并非是呈相应倍数线性递增，因为施肥机总吸肥量不仅与文丘里施肥器的水力性能有关，同时与施肥水泵的工作特性也有紧密的联系。由于文丘里施肥器的水头损失较大，因此随吸肥通道个数的增加，施肥机吸肥系统的阻力越大。主管进口压力0.1 MPa时，此时施肥水泵的输入功率足以驱动文丘里施肥器吸取较多的肥液量，当主管进口压力增大到0.2 MPa，施肥水泵的输入功率大部分用于克服系统的阻力，促使水流循环流动，因而开启的吸肥通道个数越多，施肥机的总吸肥量越小。当只开启1个吸肥通道时，施肥机的最大吸肥量约为0.91 m3/h，仅为自由出流状态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装有单向阀、浮子流量计等部件，增大了局部水头损失和管道阻力，因而吸肥流量较小。

图4 吸肥量与主管进口流量的关系

由上分析，灌溉主管进口流量对吸肥量无影响，吸肥量的影响因素主要为主管进口压力和吸肥通道个数。因此利用MATLAB软件对吸肥量进行了回归分析，回归模型的决定系数R2为0.99，均方根误差RMSE为0.065，表明拟合效果很好。

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

0.07Hk-0.443k2

(2)

式中：q为吸肥量，m3/h；H为灌溉主管进口压力，MPa；k为吸肥通道个数。

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扬程、轴功率，进而计算得出施肥水泵的工作效率。

施肥水泵扬程：

(3)

式中：P4和P5分别为水泵进口和出口处的压力，Pa；Δz为进口压力表和出口压力表间的垂直距离，m；hw为进口压力表和出口压力表间管路的水头损失，m。

施肥水泵轴功率：

N=UIη0η1

(4)

式中：U为施肥水泵电机输入电压，V；I为施肥水泵电机输入电流，A；η0为功率因数；η1为电机转换效率，取η1为0.88。

施肥水泵效率：

(5)

式中：Q为施肥水泵流量，m3/h；H′为施肥水泵扬程，m。

图5、图6分别为施肥机在灌溉主管进口流量为6 m3/h，分别开启1、2、3个吸肥通道时，施肥水泵流量、效率随主管进口压力变化规律。从图5可看出：当开启1个吸肥通道时，施肥水泵的流量随主管进口压力的增大几乎保持不变；当开启2个吸肥通道时，随主管进口压力的增大，施肥水泵的流量先增大后下降；当开启3个吸肥通道时，施肥水泵的流量随主管进口压力的增大逐渐减小；施肥水泵流量的变化趋势与图3中吸肥流量的变化趋势大致相同。从图6可看出：施肥水泵的效率随主管进口压力的增大而增大；同一主管进口压力下吸肥通道个数开启越多，施肥水泵效率越高；当开启1个、2个、3个吸肥通道时，施肥水泵效率分别为21.5%～32.3%、35.2%～39.8%、38.9%～41.7%。由图5可看出，开启的吸肥通道个数越多，施肥水泵的流量越易达到其额定流量，因此效率越高。

图5 施肥水泵流量与主管进口压力的关系

图6 施肥水泵效率与主管进口压力的关系

3 结 论

本文设计了一款简易型的3通道灌溉施肥机，可实现多营养的调配。通过试验测试施肥机的吸肥性能，主要结论如下。

(1)灌溉主管进口压力和吸肥通道开启个数对吸肥量有影响：3个吸肥通道全部开启时，总吸肥量随灌溉主管进口压力的增大逐渐减小；开启1个或2个吸肥通道时，总吸肥量随主管进口压力的增大先保持平稳后逐渐减小。灌溉主管进口流量的改变不会对吸肥量产生影响。基于影响因素主管进口压力及吸肥通道开启个数，建立了吸肥量的计算模型(R2=0.99)，可用于总吸肥量的估算。

(2)施肥机总吸肥量不仅与文丘里施肥器的水力性能有关，同时与施肥水泵的工作特性也有紧密的联系。施肥水泵工作效率在一定范围内随灌溉主管进口压力的增大而增大，随吸肥通道开启个数的增加而增大。当施肥水泵流量达到其额定流量时，工作效率较高。