溶解混施水肥一體化裝置設計與試驗

張志洋，李 紅，陳 超，夏華猛

(江蘇大學流體機械工程技術研究中心，江蘇 鎮江 212013)

0 引 言

水肥一體化是利用灌溉系統，將肥料溶解在水中，同時進行灌溉與施肥，適時、適量地滿足農作物對水分和養分的需求，實現水肥同步管理和高效利用的節水農業技術，具有顯著的節水、節肥、省工、優質、高效、環保等優點[1,2]。應用水肥一體化技術，可以提高灌溉用水效率，提高肥料應用率，節省施肥用工，可方便、靈活、準確地控制施肥量和時間。施肥設備是水肥一體化系統的關鍵設備，通常安裝在灌溉系統首部，其性能的優劣及運行參數的調配會直接影響灌溉與施肥質量[3,4]。

目前，國內外常用的施肥設備主要有文丘里、注肥泵、壓差施肥罐和自壓施肥裝置。文丘里施肥器成本低、體積小、操作簡單[5,6]，但存在吸肥效果不穩定、壓力損失較大等問題，一般適用于灌區面積不大的場合。注肥泵以水力驅動比例施肥泵應用最為廣泛，具有施肥精度高、工作穩定、易于控制等優點[7,8]，但價格昂貴、注入比例較低時的吸入誤差較大。壓差施肥罐成本低、操作與維修簡單，但在施肥過程中，在壓差的作用下，水流不斷進入罐內稀釋肥液，因此輸出的肥液濃度持續減小，這對于滴灌施肥過程中施肥罐注肥均勻度有非常大的影響[9,10]。自壓注入施肥裝置的優點是方法簡單、價格低廉，但肥液濃度不穩定、對地形有要求，主要在山區等有自壓條件的地方使用[11,12]。

總體來說，當前國內廣泛使用的施肥設備大多應用于溫室、小田施肥或大田滴灌施肥，針對上述不足，本文提出了一種大田水肥一體化的模式，設計了基于溶解混施的水肥一體化裝置，通過固體肥料的溶解施肥，實現定量施肥和均勻施肥，并開展試驗研究，測試了裝置的運行特征及施肥均勻性。

1 試驗裝置結構及工作原理

本試驗裝置主要由供水模塊、控制模塊、溶解模塊和輔助裝備組成，其中供水模塊包括進水管、蓄水罐、水泵，控制模塊包括加肥裝置、直流電機、加肥速度控制裝置，溶解模塊包括蓄肥桶、濾網桶，輔助裝備包括流量計、連接管道等，其結構如圖1所示。

1-控制模塊：2-溶解模塊：3-流量計：4-水泵：5-蓄水罐 圖1 施肥試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of fertilizer experimental device

施肥裝置的工作原理為：蓄水罐5通過水泵4向溶解模塊2的蓄肥桶中持續注水，肥料從控制模塊1的加肥器中加入，經由控制模塊1后勻速加入到溶解模塊2中溶解，最終水肥溶液從溶解模塊2的出水口流出。肥料添加速度可由控制模塊1中肥料全部落入溶解模塊2的時間與肥料重量計算出，水肥濃度可由出水口的采樣點采樣測得。施肥試驗裝置如圖2所示。

圖2 施肥試驗裝置Fig.2 Fertilizer experimental device

2 試驗裝置的設計

2.1 控制模塊的設計

控制模塊的原理圖如圖3所示，直流電機1通過電機安裝座2安裝在加料器4的外壁，偏心輪3安裝在直流電機1上，電機運行帶動偏心輪3旋轉，加料器4由于偏心輪3的旋轉發生震動，肥料從加料器4中加入，在重力和震動的雙重作用下落入連接器5中，連接器5中有墊片6，墊片6為環形，可以通過改變環形孔的直徑控制肥料的下落速度。

1-直流電機；2-電機安裝座；3-偏心輪；4-加料器；5-連接器；6-墊片 圖3 控制模塊示意圖Fig.3 Schematic diagram of control module

2.2 溶解模塊的設計

溶解模塊的原理圖如圖4所示，濾網桶3安裝在蓄肥桶2上，用于過濾固體肥料中不溶于水的雜質，肥料從控制模塊出口進入濾網桶3中，進水管1偏心安裝在蓄肥桶2的外壁，進水管1中的水切向沖擊蓄肥桶2中的水肥溶液，推動2中的水肥溶液旋轉，使蓄肥桶2中的肥料能充分溶解。水肥溶液從出水管5流出，取樣點4為安裝在出水管5上的水龍頭。試驗時，每隔一段時間從取樣點4取樣測量水肥溶液濃度，確保濃度測量的準確性。

1-進水管；2-蓄肥桶；3-濾網桶；4-取樣點；5-出水管 圖4 溶解模塊示意圖Fig.4 Schematic diagram of dissolving module

3 試驗裝置與方法

3.1 試驗目的

(1)測試試驗樣機的運行情況；

(2)初步了解裝置的施肥均勻性；

(3) 探究投肥方式對裝置施肥均勻性的影響。

3.2 試驗裝置

試驗裝置如圖1所示，塑料蓄水罐與直流自吸泵連接，水泵與蓄肥桶連接；液體渦輪流量計監測流量(型號SIN-LWGY-DN15，測量范圍0.6～6 m3/h，儀表精度0.5%)；試驗中采取的肥料為氯化鉀(白俄羅斯，總養分：K2O≥60%，規格：紅色顆粒，自由流動)；用電導率儀(型號為EC-1385,精度±2%F·S)測量水肥溶液電導率。

3.3 試驗方法

試驗在江蘇大學流體機械工程技術研究中心的噴灌實驗室中進行，試驗時鉀肥從控制模塊加入，通過測量出口取樣的水肥溶液的電導率測定肥液濃度[13,14]。裝置施肥量達90%以上時，判定為施肥完成。試驗的方法及步驟具體如下：①標定鉀肥溶液濃度與電導率的關系；②將肥料全部加入控制模塊，測量出口水肥濃度并記錄；③改變投肥方式，比較施肥均勻性的變化。本試驗采用Christiansen計算法[15]計算出的均勻系數來衡量裝置的施肥均勻性，均勻系數越大，均勻性就越好。

4 結果與分析

4.1 鉀肥濃度的標定

設計了如下22組標定試驗。

表1 鉀肥濃度標定試驗Tab.1 Calibration test of potassium fertilizer concentration

標定時水的體積選擇為1～4 L，其中1～2 L間隔0.1 L取一個數據，2.2～3 L間隔0.2 L取一個數據，3.5～4 L間隔0.5 L取一個數據，共選取18個標定數據，分別加入10 g鉀肥；2.5～4 L間隔0.5 L取一組數據，共選取4組標定數據，分別加入鉀肥5 g。計算其濃度并記錄，待混合均勻后用電導率儀測量其電導率并記錄，根據這些散點，用線性回歸方程算出鉀肥溶液濃度與其電導率之間的線性關系。

圖5 鉀肥溶液濃度標定Fig.5 Calibration of potassium solution concentration

如圖5所示，得到22個散點，最終得出鉀肥溶液濃度與電導率之間的關系：

C=0.782 3σ-0.249 5

(1)

R2=0.990 4

式中：C為肥液的濃度；σ為肥液的電導率；R為相關系數。

4.2 裝置的運行

試驗采用直徑250 mm，網孔60目的濾網桶，濾網桶入水深度320 mm，墊片落料孔孔徑為11 mm，調節進口流量為1.3 m3/h，將2.5 kg鉀肥全部加入控制模塊中，在取樣點取樣，測量肥液樣品的電導率并記錄，并根據換算出的水肥濃度計算出施肥量：

M=SQ

(2)

式中：M為施肥量；S為濃度曲線與X軸所形成的圖形的面積；Q為流量。

采用Christiansen計算法計算均勻系數：

(3)

式中：Cu為均勻系數；C為濃度數據算術平均值；Ci為第i分鐘出口水肥濃度。

如圖6所示，根據公式(2)算得40 min內的裝置的施肥量約為2.25 kg，達到施肥總量的90%，基本完成工作，為了試驗的比對性，以下試驗均取前40 min試驗數據，試驗的出口水肥濃度曲線隨時間整體呈現先上升后下降的態勢，裝置出口平均水肥濃度為2.46 g/L，最高和最低濃度與濃度平均值偏差分別為10.67和2.4 g/L，根據公式(3)算得均勻系數為21.5%。因此，本裝置能夠實現邊溶解邊施肥的效果。

圖6 出口水肥濃度隨時間的變化圖Fig.6 Variation of water and fertilizer concentration with time

4.3 投肥方式對裝置施肥均勻性的影響

試驗設計了3種投肥方式。

表2 投肥方式Tab.2 Fertilizer distribution mode

如圖7所示，取前40 min試驗數據，3組試驗的出口水肥濃度曲線隨時間整體均呈現先上升后下降的趨勢，A組試驗中出口平均水肥濃度為2.46 g/L，最高和最低濃度與濃度平均值偏差分別為3.78和2.40 g/L，根據公式(2)算得40 min內的裝置的施肥量約為2.33 kg，根據公式(3)算得均勻系數為30.9%；B組試驗中出口平均水肥濃度為2.72 g/L，最高和最低濃度與濃度平均值偏差分別為3.38和2.70 g/L，根據公式(2)算得40 min內的裝置的施肥量約為2.37kg，根據公式(3)算得均勻系數為41.5%；C組試驗中出口平均水肥濃度為3.80 g/L，最高和最低濃度與濃度平均值偏差分別為10.66和3.80 g/L，根據公式(2)算得40 min內的裝置的施肥量約為2.43 kg，根據公式(3)算得均勻系數為29.7%，綜上而言，在當前試驗條件下，40 min基本上能完成施肥工作，在本次的3組試驗中，B組試驗的投肥方式下，均勻系數較之于第A,C組試驗分別提升了10.6%和11.8%，證明投肥方式是影響本試驗裝置施肥均勻性的重要因素之一，可以通過改變投肥方式使本裝置達到更好的施肥均勻性。

圖7 不同投肥方式下裝置出口水肥濃度變化圖Fig.7 Variation of water and fertilizer concentration in different fertilizer system

5 結 論

(1)本研究設計了一種固體肥料下料、溶解、施肥同時進行的水肥一體化裝置，其運行情況良好，能夠在一定的時間內完成給定的施肥任務。

(2) 試驗發現，本裝置可以達到預期的施肥效果，即實現固體肥料的溶解混施；3組不同投肥方式的對比試驗結果表明，改變投肥方式可以明顯的改變裝置的施肥均勻性，在采用1 kg直接加入蓄肥桶中，1.5 kg加入控制模塊中的投肥方式時，裝置具有比較好的施肥均勻性(均勻系數最大)，再考慮到水肥在田間的自由流動，本裝置完全可以實現在田間的均勻施肥。

(3)試驗只是采用均勻系數作為衡量裝置施肥均勻性的指數，并不代表均勻系數等于本裝置的施肥均勻性；試驗只設計了3種不同的投肥方式，試驗組較少，什么樣的投肥方式才能達到最好的施肥均勻性還需要大量試驗；本研究只是對部分參數進行了試驗，還有諸如流量、落料孔徑、肥料種類、加入肥料的重量，濾網桶參數等因素對本施肥裝置施肥均勻性的影響還需進一步的試驗。

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