溶解混施水肥一体化装置设计与试验

张志洋，李 红，陈 超，夏华猛

(江苏大学流体机械工程技术研究中心，江苏 镇江 212013)

0 引 言

水肥一体化是利用灌溉系统，将肥料溶解在水中，同时进行灌溉与施肥，适时、适量地满足农作物对水分和养分的需求，实现水肥同步管理和高效利用的节水农业技术，具有显著的节水、节肥、省工、优质、高效、环保等优点[1,2]。应用水肥一体化技术，可以提高灌溉用水效率，提高肥料应用率，节省施肥用工，可方便、灵活、准确地控制施肥量和时间。施肥设备是水肥一体化系统的关键设备，通常安装在灌溉系统首部，其性能的优劣及运行参数的调配会直接影响灌溉与施肥质量[3,4]。

目前，国内外常用的施肥设备主要有文丘里、注肥泵、压差施肥罐和自压施肥装置。文丘里施肥器成本低、体积小、操作简单[5,6]，但存在吸肥效果不稳定、压力损失较大等问题，一般适用于灌区面积不大的场合。注肥泵以水力驱动比例施肥泵应用最为广泛，具有施肥精度高、工作稳定、易于控制等优点[7,8]，但价格昂贵、注入比例较低时的吸入误差较大。压差施肥罐成本低、操作与维修简单，但在施肥过程中，在压差的作用下，水流不断进入罐内稀释肥液，因此输出的肥液浓度持续减小，这对于滴灌施肥过程中施肥罐注肥均匀度有非常大的影响[9,10]。自压注入施肥装置的优点是方法简单、价格低廉，但肥液浓度不稳定、对地形有要求，主要在山区等有自压条件的地方使用[11,12]。

总体来说，当前国内广泛使用的施肥设备大多应用于温室、小田施肥或大田滴灌施肥，针对上述不足，本文提出了一种大田水肥一体化的模式，设计了基于溶解混施的水肥一体化装置，通过固体肥料的溶解施肥，实现定量施肥和均匀施肥，并开展试验研究，测试了装置的运行特征及施肥均匀性。

1 试验装置结构及工作原理

本试验装置主要由供水模块、控制模块、溶解模块和辅助装备组成，其中供水模块包括进水管、蓄水罐、水泵，控制模块包括加肥装置、直流电机、加肥速度控制装置，溶解模块包括蓄肥桶、滤网桶，辅助装备包括流量计、连接管道等，其结构如图1所示。

1-控制模块：2-溶解模块：3-流量计：4-水泵：5-蓄水罐 图1 施肥试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of fertilizer experimental device

施肥装置的工作原理为：蓄水罐5通过水泵4向溶解模块2的蓄肥桶中持续注水，肥料从控制模块1的加肥器中加入，经由控制模块1后匀速加入到溶解模块2中溶解，最终水肥溶液从溶解模块2的出水口流出。肥料添加速度可由控制模块1中肥料全部落入溶解模块2的时间与肥料重量计算出，水肥浓度可由出水口的采样点采样测得。施肥试验装置如图2所示。

图2 施肥试验装置Fig.2 Fertilizer experimental device

2 试验装置的设计

2.1 控制模块的设计

控制模块的原理图如图3所示，直流电机1通过电机安装座2安装在加料器4的外壁，偏心轮3安装在直流电机1上，电机运行带动偏心轮3旋转，加料器4由于偏心轮3的旋转发生震动，肥料从加料器4中加入，在重力和震动的双重作用下落入连接器5中，连接器5中有垫片6，垫片6为环形，可以通过改变环形孔的直径控制肥料的下落速度。

1-直流电机；2-电机安装座；3-偏心轮；4-加料器；5-连接器；6-垫片 图3 控制模块示意图Fig.3 Schematic diagram of control module

2.2 溶解模块的设计

溶解模块的原理图如图4所示，滤网桶3安装在蓄肥桶2上，用于过滤固体肥料中不溶于水的杂质，肥料从控制模块出口进入滤网桶3中，进水管1偏心安装在蓄肥桶2的外壁，进水管1中的水切向冲击蓄肥桶2中的水肥溶液，推动2中的水肥溶液旋转，使蓄肥桶2中的肥料能充分溶解。水肥溶液从出水管5流出，取样点4为安装在出水管5上的水龙头。试验时，每隔一段时间从取样点4取样测量水肥溶液浓度，确保浓度测量的准确性。

1-进水管；2-蓄肥桶；3-滤网桶；4-取样点；5-出水管 图4 溶解模块示意图Fig.4 Schematic diagram of dissolving module

3 试验装置与方法

3.1 试验目的

(1)测试试验样机的运行情况；

(2)初步了解装置的施肥均匀性；

(3) 探究投肥方式对装置施肥均匀性的影响。

3.2 试验装置

试验装置如图1所示，塑料蓄水罐与直流自吸泵连接，水泵与蓄肥桶连接；液体涡轮流量计监测流量(型号SIN-LWGY-DN15，测量范围0.6～6 m3/h，仪表精度0.5%)；试验中采取的肥料为氯化钾(白俄罗斯，总养分：K2O≥60%，规格：红色颗粒，自由流动)；用电导率仪(型号为EC-1385,精度±2%F·S)测量水肥溶液电导率。

3.3 试验方法

试验在江苏大学流体机械工程技术研究中心的喷灌实验室中进行，试验时钾肥从控制模块加入，通过测量出口取样的水肥溶液的电导率测定肥液浓度[13,14]。装置施肥量达90%以上时，判定为施肥完成。试验的方法及步骤具体如下：①标定钾肥溶液浓度与电导率的关系；②将肥料全部加入控制模块，测量出口水肥浓度并记录；③改变投肥方式，比较施肥均匀性的变化。本试验采用Christiansen计算法[15]计算出的均匀系数来衡量装置的施肥均匀性，均匀系数越大，均匀性就越好。

4 结果与分析

4.1 钾肥浓度的标定

设计了如下22组标定试验。

表1 钾肥浓度标定试验Tab.1 Calibration test of potassium fertilizer concentration

标定时水的体积选择为1～4 L，其中1～2 L间隔0.1 L取一个数据，2.2～3 L间隔0.2 L取一个数据，3.5～4 L间隔0.5 L取一个数据，共选取18个标定数据，分别加入10 g钾肥；2.5～4 L间隔0.5 L取一组数据，共选取4组标定数据，分别加入钾肥5 g。计算其浓度并记录，待混合均匀后用电导率仪测量其电导率并记录，根据这些散点，用线性回归方程算出钾肥溶液浓度与其电导率之间的线性关系。

图5 钾肥溶液浓度标定Fig.5 Calibration of potassium solution concentration

如图5所示，得到22个散点，最终得出钾肥溶液浓度与电导率之间的关系：

C=0.782 3σ-0.249 5

(1)

R2=0.990 4

式中：C为肥液的浓度；σ为肥液的电导率；R为相关系数。

4.2 装置的运行

试验采用直径250 mm，网孔60目的滤网桶，滤网桶入水深度320 mm，垫片落料孔孔径为11 mm，调节进口流量为1.3 m3/h，将2.5 kg钾肥全部加入控制模块中，在取样点取样，测量肥液样品的电导率并记录，并根据换算出的水肥浓度计算出施肥量：

M=SQ

(2)

式中：M为施肥量；S为浓度曲线与X轴所形成的图形的面积；Q为流量。

采用Christiansen计算法计算均匀系数：

(3)

式中：Cu为均匀系数；C为浓度数据算术平均值；Ci为第i分钟出口水肥浓度。

如图6所示，根据公式(2)算得40 min内的装置的施肥量约为2.25 kg，达到施肥总量的90%，基本完成工作，为了试验的比对性，以下试验均取前40 min试验数据，试验的出口水肥浓度曲线随时间整体呈现先上升后下降的态势，装置出口平均水肥浓度为2.46 g/L，最高和最低浓度与浓度平均值偏差分别为10.67和2.4 g/L，根据公式(3)算得均匀系数为21.5%。因此，本装置能够实现边溶解边施肥的效果。

图6 出口水肥浓度随时间的变化图Fig.6 Variation of water and fertilizer concentration with time

4.3 投肥方式对装置施肥均匀性的影响

试验设计了3种投肥方式。

表2 投肥方式Tab.2 Fertilizer distribution mode

如图7所示，取前40 min试验数据，3组试验的出口水肥浓度曲线随时间整体均呈现先上升后下降的趋势，A组试验中出口平均水肥浓度为2.46 g/L，最高和最低浓度与浓度平均值偏差分别为3.78和2.40 g/L，根据公式(2)算得40 min内的装置的施肥量约为2.33 kg，根据公式(3)算得均匀系数为30.9%；B组试验中出口平均水肥浓度为2.72 g/L，最高和最低浓度与浓度平均值偏差分别为3.38和2.70 g/L，根据公式(2)算得40 min内的装置的施肥量约为2.37kg，根据公式(3)算得均匀系数为41.5%；C组试验中出口平均水肥浓度为3.80 g/L，最高和最低浓度与浓度平均值偏差分别为10.66和3.80 g/L，根据公式(2)算得40 min内的装置的施肥量约为2.43 kg，根据公式(3)算得均匀系数为29.7%，综上而言，在当前试验条件下，40 min基本上能完成施肥工作，在本次的3组试验中，B组试验的投肥方式下，均匀系数较之于第A,C组试验分别提升了10.6%和11.8%，证明投肥方式是影响本试验装置施肥均匀性的重要因素之一，可以通过改变投肥方式使本装置达到更好的施肥均匀性。

图7 不同投肥方式下装置出口水肥浓度变化图Fig.7 Variation of water and fertilizer concentration in different fertilizer system

5 结 论

(1)本研究设计了一种固体肥料下料、溶解、施肥同时进行的水肥一体化装置，其运行情况良好，能够在一定的时间内完成给定的施肥任务。

(2) 试验发现，本装置可以达到预期的施肥效果，即实现固体肥料的溶解混施；3组不同投肥方式的对比试验结果表明，改变投肥方式可以明显的改变装置的施肥均匀性，在采用1 kg直接加入蓄肥桶中，1.5 kg加入控制模块中的投肥方式时，装置具有比较好的施肥均匀性(均匀系数最大)，再考虑到水肥在田间的自由流动，本装置完全可以实现在田间的均匀施肥。

(3)试验只是采用均匀系数作为衡量装置施肥均匀性的指数，并不代表均匀系数等于本装置的施肥均匀性；试验只设计了3种不同的投肥方式，试验组较少，什么样的投肥方式才能达到最好的施肥均匀性还需要大量试验；本研究只是对部分参数进行了试验，还有诸如流量、落料孔径、肥料种类、加入肥料的重量，滤网桶参数等因素对本施肥装置施肥均匀性的影响还需进一步的试验。

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