微灌用施肥泵施肥比例与肥水比对过滤器堵塞的影响
2017-12-20王文娥胡笑涛黎会仙
王 睿，王文娥，胡笑涛，杨 欣，黎会仙
微灌用施肥泵施肥比例与肥水比对过滤器堵塞的影响
王 睿，王文娥※，胡笑涛，杨 欣，黎会仙
（西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，杨凌 712100）
为研究微灌用施肥泵施肥比例与肥水比对过滤器堵塞的影响，该文以叠片和网式过滤器为研究对象，结合比例式施肥泵的施肥特点及性能，通过调节不同施肥比例（2%、3%和4%）与吸入的肥水比（1∶4、1∶5和1∶6）对过滤器在施肥条件下的水头损失、总过水流量及滤网（芯）附着物质量进行分析。结果表明：网式和叠片式过滤器对出口肥液浓度的使用范围不一致，网式过滤器适用于肥液平均浓度在0.117%以下，叠片式过滤器适用于肥液平均浓度在0.067%以下。随着肥液浓度的增大，滤网表面附着物质量差异不显著，滤芯叠片上附着物质量差异显著，最大附着物质量是最小附着物质量的11.4倍；叠片式过滤器抗堵塞性能远远优于网式过滤器，当肥液平均浓度最大为0.296%时，叠片滤芯附着物质量是网式滤网质量的4.75倍，总过水量比网式过滤器大0.1 m3/h。研究可为水肥一体滴灌设备技术的推广和应用提供依据。
肥料；过滤器；泵；堵塞；水头损失；微灌
0 引 言
微灌技术的推广应用需要配套设备性能优良。滴灌条件下灌水器内既有物理堵塞过程又存在化学堵塞过程，需加强过滤去除水中杂质[1-5]。作为微灌系统中水质处理设备的过滤器，其水力性能优良才能保证系统运行稳定可靠[6]。微灌系统配套使用施肥装置还可实现水肥一体化，其施肥均匀性是评价微灌系统性能的重要指标。灌水施肥均匀性低可能导致作物产量和品质下降，造成水肥利用效率降低[7]。施肥与过滤装置的性能匹配时才能提高微灌系统运行的稳定性和灌溉施肥的均匀度。
李久生等[7]对滴灌系统施肥灌溉均匀性进行了评估，认为宜优先选用肥液浓度恒定的施肥装置，压差式施肥罐的施肥变差系数约是灌水量变差系数的1.4倍，而文丘里施肥器和比例式施肥泵的施肥量变差系数与灌水量变差系数相当。韩启彪等[8]对3种比例式施肥泵的吸肥性能进行了试验研究，分析了施肥泵入口流量和施肥量的影响因素，发现施肥量的大小和入口流量与压差有关。阿不都沙拉木等[9]探讨了120目（孔径0.13m）以上的网式和叠片式过滤器对含藻类地表水的过滤效果，结果表明叠片式过滤器过滤效率是网式的2倍多，表面附着物是网式过滤器的2倍多，堵塞时间是网式过滤器的4倍。李楠等[10]探究了2种叠片式过滤器含沙量对其水头损失大小的变化过程，结果表明加砂量达到一定量时水头损失会出现激增。秦天云等[11]以网式和叠片式过滤器为研究对象，进行了3种质量浓度浑水工况下水头损失和过滤性能的试验，随流量、含沙量的增大，过滤器初始水头损失增大，过滤周期变短。涂攀峰等[12]研究了不同水中不溶物含量的水溶性肥料对滴灌施肥系统过滤器堵塞的影响，发现水不溶物的质量分数为2%以上时，43 min内均可使叠片式过滤器完全堵塞。目前对比例式施肥泵的研究多限于清水条件下的吸肥量、入口流量及压差间的关系，过滤器抗堵塞方面的研究多是从水源中杂质着手分析相关影响因素，对实际生产中采用的水肥一体条件下过滤器过滤性能、堵塞发展及施肥泵施肥过程变化的研究还不够深入。
本试验将首部施肥装置与过滤系统结合，探究在不同施肥比例与施肥泵吸入的肥水比组合下，施肥泵出口肥液的浓度对网式和叠片式过滤器堵塞程度的影响，对运用比例式施肥泵进行滴灌时过滤器的堵塞规律进行分析，评估过滤器堵塞的风险，旨在为运用比例式施肥泵施肥装置下水肥一体滴灌技术的推广，同时为防止过滤器堵塞提供参考，为滴灌系统的正常运行提供保障。
1 材料与方法
1.1 试验站概况
试验于2017年4—5月在甘肃省石羊河生态节水试验站内进行。试验站地处腾格里沙漠边缘，平均海拔1 581 m，干旱指数5～25。年平均降雨量160 mm，年平均蒸发量2 000 mm以上，属典型的干旱缺水地区。
1.2 试验材料
试验平台由水泵、比例式施肥泵、水表、压力表、阀门、网式和叠片过滤器以及滴灌带等组成，如图1所示。
图1 过滤器抗堵塞测试平台
试验用施肥泵（杨凌启丰现代农业工程有限公司生产）的设计流量20～2 500 L/h，施肥比例范围2%～4%。网式、叠片式过滤器（揭阳市绿美节水科技有限公司）进口直径32 mm（120目孔径0.13m），设计流量0.5～4.5 m3/h。采用内镶贴片式滴灌带（杨凌丰源农业科技工程有限公司生产），设计流量2 L/h。肥料采用大田常用磷酸二胺（主要成分P2O546%），常温下为青绿色颗粒。
1.3 试验设计及过程
试验采用施肥泵施肥比例为2%（即：向施肥泵进水管输送98份水，施肥泵吸入备好的肥液2份）、3%（输送97份水，吸入肥液3份）和4%（输送96份水，吸入肥液4份）与施肥泵吸入的肥水比（溶解肥液中肥料与水的质量比例）为1∶4、1∶5和1∶6组合下的9种处理，结合大田滴灌肥液浓度不宜超过0.3%，该试验选取的3种肥水比较合理。3条并联支管上分别设网式、叠片式过滤器及不设过滤器（对照），共27个处理，支管后接50 m长内镶贴片式滴灌带，进行过滤器抗堵塞试验测试。参考大田玉米水肥一体滴灌下磷肥施加量为1.8 kg/hm2，每次施磷肥3 kg。称量3份各3 kg的固体颗粒肥料，分别加12、15、18 kg水搅拌均匀，浸泡1 h后，再次搅拌使肥料充分溶解于水，获得肥水比1∶4、1∶5及1∶6，通过电导率仪测量溶液中的离子量来确定溶液中肥料的浓度[13-14]，并通过电导率换算得到原液浓度分别为4.75%、3.94%及4.75%。各处理进行3次重复。
设初始压力0.12 MPa，施肥泵两端压差0.02 MPa，通过调节阀门使毛管的首部压力稳定在0.06 MPa。每次灌水过程中，通过读取安装在过滤器两端的精密压力表（精确度0.25级）值，监测1 min内过滤器两端压力的变化，并将压力差MPa单位转化为水头损失m（0.01 MPa = 1 m）、通过安装在过滤器后的水表，每3 min读取1次流量，得到某时刻的瞬时流量；每次试验持续约0.5 h，每2 min取1次水样（按取样时间顺序标记），每个取样点总共约15个样品，整个试验过程中水温变化不超过0.5 ℃，每次灌水结束后，将试验过程中收集的水样用电导率仪（DDS-11A上海雷磁）测量电导率，通过电导率与浓度转换公式将电导率转换为磷肥的肥液浓度；将过滤器滤网（芯）置于通风遮荫处晾晒，称量灌水前后干燥状态下过滤器滤芯（网）质量，得到附着物净质量并定量分析网式、叠片式过滤器附着物质量的显著性。
1.4 施肥均匀性评价指标
施肥均匀性是评价水肥一体滴灌系统性能和质量的重要指标，施肥均匀性过低会造成作物的产量和质量下降，使得肥料利用率过低，因此对滴灌系统施肥均匀性的评估是系统运行管理的重要内容[7,15]。相对于过滤系统而言，施肥泵出口肥液浓度的均匀性对过滤器性能是否有影响，需进一步进行验证。
1）克里斯琴森均匀系数，其计算参照文献[16]。
2）分布均匀度DU，参照文献[17]计算。
3）统计均匀度，参照文献[17]计算。
U=100´(1-C) （5）
式中C为变差系数；S为观测值的标准差；U为统计均匀度，%。
2 结果与分析
大田应用水肥一体滴灌系统技术时，首部枢纽的施肥设备与过滤设备串联安装，施肥设备出口肥液的浓度及未溶固体颗粒物含量等均会影响过滤设备正常运行的时长，当过滤设备发生一定程度的堵塞时也会引起局部压力变化，引起滴灌带流量及施肥装置出口流量变化，需对2种装置同时工作情况下，施肥装置和过滤装置运行性能及二者相互影响过程进行分析。
2.1 比例式施肥泵出口肥液浓度均匀性评估
不同施肥比例、肥水比组合下的出口肥液平均浓度见表1，9组肥液平均浓度梯度间存在显著性差异（<0.05），出口肥液浓度随施肥比例和肥水比增大而增大。施肥比例4%时，不同肥水比处理的出口肥液浓度的克里斯琴均匀系数存在显著差异（<0.05），而施肥比例3%和2%时，其克里斯琴均匀系数无显著差异（>0.05）。综上，施肥比例4%时1∶6肥水比处理与其他处理间的出口肥液浓度的均匀度存在显著差异（<0.05），而施肥比例3%和2%间均匀度差异不显著（>0.05）。因此得出施肥比例过大会降低施肥泵在运行过程中吸取的吸肥量的均匀性，导致不同肥水比下的出口肥液浓度的均匀性较差。在实际施肥过程中，不建议选择较大的施肥比例。
表1 不同施肥比例及吸入的肥水比下施肥泵出口肥液浓度均匀性
注：不同小写字母表示处理间差异显著（<0.05），下同。
Note: Different letters indicate significant difference among treatments(<0.05), same as below.
2.2 不同处理对过滤器水头损失的影响
2.2.1 对网式过滤器水头损失的影响
水头损失大小是过滤器性能的关键参数，通过对过滤器在不同肥液浓度下的水头损失进行分析，得出不同类型过滤器的肥液浓度适用范围[18-23]。图2是网式过滤器在9组出口肥液平均浓度梯度下的水头损失变化过程。由图2a知，在出口肥液浓度≥0.117%时（施肥比例4%与所有肥水比组合、施肥比例3%与肥水比1∶4），网式过滤器水头损失在3 min左右出现拐点，原因在于滤网二维过滤，使得肥液中的大部分颗粒杂质在短时间内大面积附着在清洁度（过滤原件的实际过水面积与其总过水面积之比）为1的滤网上，随着滤网清洁度的降低，颗粒杂质与滤网的接触面积减小，只有少部分杂质颗粒通过水流作用附着在未被附着的滤网表面。浓度<0.117% 时（施肥比例2%与所有肥水比组合、施肥比例3%与肥水比1∶6和1∶5）网式过滤器在运行过程中水头损失始终小于0.5 m。因此，在实际运用过程中尽量避免短时高效的堵塞发生，选择<0.117%的肥液浓度进行施肥，此滤网孔径小于液体中固体粒子的粒径，起着筛网的筛析作用[24]，此种情况下单位体积中的肥液大颗粒杂质较少，短时期内无法在滤网上形成“滤饼”，运行期间内不会发生堵塞，网式过滤器能长时间发挥过滤功效。
图2 网式过滤器水头损失变化曲线
2.2.2 对叠片式过滤器水头损失的影响
图3是叠片式过滤器在9组出口肥液平均浓度梯度下的水头损失变化过程。
图3 叠片式过滤器水头损失变化曲线
从图中看出，在出口肥液浓度≥0.067%时（施肥比例4%与所有肥水比组合、施肥比例3%与肥水比1∶4和1∶5、施肥比例2%与肥水比1∶4），叠片式过滤器水头损失值随时间变化均呈现缓慢增加的趋势，出口肥液平均浓度越大，水头损失增加趋势越陡。由于滤芯有效过水面积（1600π）是滤网（46π）的35倍，滤芯的有效过水面积较大，滤芯上含有100片叠片，当水流流经叠片时，利用外片壁和凹槽来聚集及截取杂物，以达到过滤的目的[25]，未被堵塞的流道允许较大流量通过，因此相同肥液浓度下水头损失增幅较小。肥液平均浓度在0.067%以下时（施肥比例2%与肥水比1∶5和1∶6、施肥比例3%与肥水比1∶6），在运行过程中水头损失始终小于0.5 m，但并不能保证随着运行时间的加长水头损失始终小于0.5 m，叠片式过滤器的堵塞是缓慢积累的过程，当叠片式过滤器滤芯上杂质颗粒累积到一定程度（肥液平均浓度≥0.67%），清洁度减小到一定值，水头损失会逐渐增大。在实际运用过程中，应尽量避免选用水头损失趋势变化较陡的肥液浓度（≥0.067%）进行施肥，否则导致运行时间缩短，此种情况下随着运行时间的延长，过滤器能长时间不发生堵塞，充分发挥其过滤功效。
2.3 过滤器水头损失、表面附着物质量统计分析
对不同处理下的过滤器水头损失进行显著性分析（表2），结果表明，肥液平均浓度≥0.117%时（施肥比例4%与所有肥水比组合、施肥比例3%与肥水比1∶4），网式过滤器发生堵塞，水头损失出现显著性差异；肥液平均浓度≥0.067%时（施肥比例4%与所有肥水比组合、施肥比例3%与肥水比1∶4和1∶5、施肥比例2%与肥水比1∶4），叠片式过滤器发生缓慢堵塞，水头损失也均出现显著性差异。可见，肥液平均浓度的增大对水头损失大小的影响是显著的，但肥液平均浓度差异显著并不意味着过滤器水头损失间也差异显著，过滤器水头损失与引起过滤器堵塞的肥液浓度临界值关系密切。网式过滤器水头损失差异（0.09～7.75 m）要大于叠片式（0.32～3.88 m），原因在于9组肥液平均浓度梯度下的滤网发生不同程度的堵塞后，有效过水面积每减小1个单位面积，它的相对有效过水面积（过滤元件实际有效过水面积与其总过水面积之比）差值要比叠片式相对有效过水面积差值大，表现在水头损失上的差异就越显著。同时，随着出口肥液浓度的增大，网式过滤器滤网表面附着物质量的差异不显著；而叠片式过滤器滤芯叠片上附着物质量的差异显著，最大附着物质量是最小附着物质量的11.4倍，是因为通过叠片式过滤器的肥料颗粒杂质可附着的面积要比滤网大35倍，因此滤芯叠片上的附着物质量要大于滤网上的附着物质量。
表2 不同肥液浓度下过滤器水头损失和表面附着物质量
注：- 表示水头损失≤1 m，滤网（芯）有效过水面积减小5%以下，附着物质量忽略不计。
Note: - shows the filter water head loss value does not exceed 1 m, effective water area screen (core) was reduced more than 5% , and the weight of the filter surface attachment can be ignored.
2.4 滤网（芯）附着物质量对总过水量的影响
图4为30 min内有过滤器和无过滤器总过水量与出口肥液平均浓度的关系。当出口肥液浓度最大为0.296%时，网式过滤器滤网附着物质量增加到0.96 g，网式过滤器流量由未堵塞情况下的0.4 m3/h下降到0.2 m3/h左右，降低了50%；相比网式过滤器，叠片式过滤器滤芯附着物质量增加到4.56 g且附着物质量是滤网附着物质量的4.75倍，流量由未堵塞情况下的0.4 m3/h下降到0.3 m3/h左右，降低了25%，且总过水量比网式过滤器大0.1 m3/h。过滤器堵塞较严重，水头损失大，滤网（芯）附着物质量差异较大，且总过流量降低程度不同，原因在于滤芯叠片上的流道属于三维过滤，肥液不仅能穿过未被堵塞的流道，且由于流道上的堵塞颗粒形状不规则，水流也可通过流道与颗粒物的细小间隙穿过；滤网属于平面过滤，一旦滤网上形成“滤饼”则水流很难通过。因此堵塞严重时，网式过滤器总过流量变化较大，叠片式过滤器滤芯上的附着物虽然多但堵塞对总过流量的影响较小。
本次试验准备过程中，在配置肥水比时，由于每次所配原液的水温、搅拌次数不同，不能保证肥料在水中的溶解程度完全相同，且在试验过程中原液中的颗粒杂质会产生沉淀，使得施肥泵吸取的肥液具有偶然性，将采集肥液的时间间隔缩短，并进行3次重复，来减小偶然误差。另外，对滤网（芯）附着物的干燥状态把握不一，过滤器水头损失大小不同，堵塞物附着在滤网（芯）上的厚度、多少也不同，相同风干时间下，附着物中含有的水分也有所差异，因此过滤器滤网（芯）堵塞物的净质量存在误差，但试验结束后尽量将滤网（芯）的风干时间延长，以保证附着物水分含量降低，减小误差；最后化学杂质是引起过滤器堵塞的隐形因素，水中各种微生物、碳酸盐与矿物质相互作用形成沉淀物附着在滤网（芯）表面引起的[26-30]，对于水肥一体灌溉过程中化学堵塞对过滤器产生的影响有待进一步研究。
图4 施肥泵出口肥液浓度与网式和叠片式过滤器流量之间的关系
3 结 论
不同施肥比例与吸入的肥水比组合下，研究不同出口肥液浓度对网式和叠片式过滤器堵塞的影响，结论如下：
1）滴灌系统在大田实际应用中，网式、叠片式过滤器对出口肥液浓的使用范围不一致。网式过滤器适用于肥液平均浓度在0.117%以下，叠片式过滤器适用于肥液平均浓度在0.067%以下，运行期间内不会发生堵塞，能长期发挥过滤功效。
2）随着肥液浓度的增大，网式过滤器滤网表面附着物质量差异不显著，滤芯叠片上附着物质量差异显著，最大附着物质量是最小附着物质量的11.4倍。
3）叠片式过滤器抗堵塞性能远远优于网式过滤器，当肥液平均浓度最大为0.296%时，叠片滤芯附着物质量是网式滤网质量的4.75倍，总过水量比网式过滤器大0.1 m3/h。
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Impact of fertilizer proportion and fertilizer-water ratio on clogging of filter by fertilizer pump in microirrigation
Wang Rui, Wang Wene※, Hu Xiaotao, Yang Xin, Li Huixian
(712100,)
Fertilization uniformity is an important index to evaluate the performance of the micro irrigation system and understanding the hydraulic performance of water treatment equipment in drip irrigation system is a prerequisite to ensure the stable operation of the system. For the popularization and application of water and fertilizer development of drip irrigation technology, we carried out a test to investigate the effect of fertilization proportion and fertilization-water ratio on clogging of filter by fertilizer pump in microirrigation system. The pump selected was commonly used 120 mesh (diameter 0.13m) screen type and disc filter. The test was carried out in the Key Laboratory of Arid Agricultural Water and Soil Engineering of Ministry of education, the Northwest A&F University. The fertilization proportion was 2%, 3% and 4%. The inhaled fertilizer and water ratio was 1:4, 1:5 and 1:6. Water samples were collected to determine the fertilizer concentration at fertilization pump outlet. The concentration of phosphate was determined by an ion conductivity instrument. The uniformity of fertilizer concentration at outlet was assessed by Christensen coefficient, distribution uniformity and statistical uniformity. The results showed that the fertilizer concentration at outlet was different significantly among the 9 treatments. It increased with the increase of fertilizer proportion and inhaled fertilizer and water ratio. At the fertilizer proportion of 4%, the Christensen coefficient significantly differed among the treatments of fertilizer and water ratio. No significant difference was found for the Christensen coefficient at the fertilizer proportion of 2% and 3%. Thus, the high fertilizer proportion could greatly affect the fertilizer concentration uniformity at outlet and we do not recommend the high fertilizer proportion. The water head loss of screen filter became stable at about 3 min for the treatment of the fertilizer concentration equalling to or higher than 0.117%. When the concentration smaller than 0.117%, the water head loss was less than 0.5 m for the screen filter. For the disc filter, the water head loss increased slowly when the fertilizer concentration at outlet was not smaller than 0.067%. But, when the fertilizer concentration at outlet was smaller than 0.067% the water head loss was less than 0.5 m. To avoid filter clogging at a short time, the fertilizer concentration at outlet smaller than 0.117% and 0.067% was recommended respectively for the screen filter and the disc filter. The range of water head loss for the screen filter (0.09-7.75 m) was higher than that for the disc filter (0.32-3.88 m). With the increase of fertilizer concentration at outlet the surface attachment weight was not significantly different for the screen filter but significantly different for the disc filter. The max surface attachment weight was as 11.4 times as the min one. The flow rate of the screen filter decreased from 0.4 m3/h to 0.2 m3/h when the fertilizer concentration at outlet was the highest (0.296%). The flow rate of the disc filter decreased from 0.4 m3/h to 0.3 m3/h when the surface attachment weight increased to 4.56 g. The anti-clogging performance of disc filter was much better than the screen filter when the maximum average fertilizer concentration at outlet was 0.296%. The research can provide the technique support for the popularization and application of integrated water and fertilization technology of drip irrigation equipment.
fertilizers; filters; pumps; clogging; water head loss; microirrigation
10.11975/j.issn.1002-6819.2017.23.015
S275.6
A
1002-6819(2017)-23-0117-06
2017-07-12
2017-10-10
公益性行业（农业）科研专项（201503125）；“十三五”国家重点研发计划（2016YFC0400200）
王 睿，陕西咸阳人，研究方向：节水灌溉新技术。 Email：289335390@qq.com
王文娥，教授，河南人，博士生导师，研究方向：节水灌溉新技术。Email：wangwene@nwsuaf.edu.cn
