吳錫凱，王文娥，胡笑濤，王 睿，吳婉瑩

(西北農(nóng)林科技大學旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

河西走廊位于我國甘肅省境內(nèi)，屬于西北內(nèi)陸干旱地區(qū)，水資源成為制約該地區(qū)經(jīng)濟與社會發(fā)展的首要因素，隨著經(jīng)濟社會與人口數(shù)量的不斷發(fā)展，水資源供需矛盾的形勢將會更加嚴峻[1]。因此，建立節(jié)水型社會是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的必由之路，而節(jié)水灌溉技術(shù)是提高水肥利用率的重要途徑。目前常見的注肥裝置主要有文丘里施肥器、壓差式施肥罐、比例施肥泵、智能施肥機等[2,3]，其中比例施肥泵是利用管道自身水動力形成的壓差驅(qū)動活塞裝置將肥液注射進入灌溉管道中的一種施肥裝置，由于無需外加動力設(shè)施、運行穩(wěn)定、施肥精度高且施肥比例可調(diào)等優(yōu)點[4]，應(yīng)用越來越廣泛。目前與比例施肥泵相關(guān)的研究主要集中在施肥泵新型結(jié)構(gòu)探索以及性能影響評價等方面。在新型結(jié)構(gòu)研發(fā)方面：李百軍和王曉寧[5]運用電磁閥斷電通電控制水流換向，實現(xiàn)循環(huán)往復(fù)運動完成吸肥，王建東等[6]利用壓力水驅(qū)動活塞進行往復(fù)運動設(shè)計了一種水動吸肥器，朱志堅等[7]通過標定一種流量調(diào)節(jié)閥來實現(xiàn)比例施肥，趙友俊[8]運用先導(dǎo)閥技術(shù)研制了一種適合在高壓大流量時使用的水動比例施肥泵，王新坤等[9]應(yīng)用FLUENT軟件對新設(shè)計的新型射流施肥泵內(nèi)部流場進行了研究。在性能研究上：韓啟彪等[4]分析施肥泵兩端進出口壓差、入口流量、吸肥比例對國內(nèi)三種不同的比例施肥泵進行性能研究，楊大森等[10]通過改變施肥泵兩端的壓差和吸肥比例對比了國內(nèi)外兩種型號的比例施肥泵的性能，并建立了吸肥模型估算吸肥量。國內(nèi)外也相繼推出了關(guān)于水力驅(qū)動式比例施肥泵的標準與規(guī)范[11,12]，以上研究極大地推動了節(jié)水灌溉新技術(shù)的應(yīng)用和推廣，但上述研究均未控制灌水器進口壓力，與滴灌系統(tǒng)實際應(yīng)用不同。

壓力是決定整個滴灌系統(tǒng)投資、運行及均勻度的最主要的因素[13]，目前常用的滴灌灌水器多采用10 m水頭作為設(shè)計壓力，但對于甘肅、新疆等西北地區(qū)推廣水肥一體化技術(shù)大面積使用的薄壁側(cè)翼迷宮滴灌管，滴灌管工作壓力水頭超過8 m時容易破裂，而且適當降低滴灌系統(tǒng)壓力水頭可大幅度降低成本。根據(jù)滴灌管技術(shù)規(guī)范和試驗方法標準(GB/T17188-1997)[14]推薦使用的常壓水頭范圍(6～14 m)和低壓水頭范圍(2～8 m)設(shè)置與不同類型滴灌管相適應(yīng)的入口壓力。大田灌溉施肥系統(tǒng)設(shè)計過程中，通過控制毛管入口的壓力，維持良好的灌溉施肥均勻性，以保證系統(tǒng)平穩(wěn)高效運行，因此需要從整個微灌系統(tǒng)出發(fā)確定灌水器入口壓力。本文在維持滴灌管入口壓力穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，結(jié)合大田膜下滴灌系統(tǒng)實際運行情況進行試驗研究，分析水力驅(qū)動式比例施肥泵吸肥性能影響因素，為灌溉施肥系統(tǒng)的設(shè)計和運行管理提供理論參考。

1 試驗裝置與方案

1.1 試驗裝置

試驗在甘肅省武威市東河鄉(xiāng)王景寨村中國農(nóng)業(yè)大學石羊河實驗站內(nèi)進行，試驗裝置主要包括水源、增壓設(shè)備、連接管件、比例施肥泵、閥門與壓力表等，如圖1所示。試驗水源取自長寬高3 m×2 m×3 m的水池，通過調(diào)節(jié)潛水泵和變頻箱來獲取試驗所需的水壓和流量，試驗所用管材均為PVC管道，施肥泵通過Ф25PVC管與干管并聯(lián)，主管道上安裝了2個水表，3個控制閥門，2個壓力表；施肥管道的施肥泵前后安裝了2個控制球閥，2個壓力表和2個流量計，施肥管道出口處及其后并入的干管上設(shè)置A和B兩個取液口。

1-潛水泵；2-主管道進口控制閥；3-主管道進口壓力表；4-主管道進口水表；5-施肥管道進口流量計；6-施肥管道進口控制閥；7-施肥管道進口壓力表；8-比例施肥泵； 9-施肥節(jié)制閥；10-施肥管道出口壓力表；11-施肥管道出口控制閥；12-施肥桶；13-主管道出口壓力表；14-施肥管道取液口A；15-施肥管道出口流量計；16-主管道取液口B；17-主管道出口控制閥；18-主管道出口水表 圖1 水力驅(qū)動施肥泵試驗裝置示意圖

該試驗采用陜西楊凌啟豐現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程有限公司所生產(chǎn)的可調(diào)比例施肥泵，廠家提供的技術(shù)參數(shù)如下：施肥比例0.4%～4.0%、設(shè)計流量20～2 500 L/h、工作水溫4～30 ℃、工作壓力0.2～6.0 MPa、接口直徑25 mm。試驗所采用的壓力表量程為0～0.25 MPa，測量精度為0.25級，便攜式超聲波流量計測量精度范圍為流量±1%，測量口徑范圍15～6 000 mm。試驗選用當?shù)刂饕r(nóng)作物春玉米為試驗種植對象，玉米品種選用“先玉335”；肥料選用甘肅當?shù)爻Ｓ玫牧姿岫@，總磷≥46%(安寧云科化肥有限公司廠家生產(chǎn))；滴灌管選用本地常用的側(cè)翼迷宮式滴灌帶和內(nèi)鑲貼片式滴灌管2種類型。肥液濃度通過便攜式電導(dǎo)率儀(上海儀電雷磁臺式數(shù)顯型號DDS-307，測量范圍0 μS/cm～100 mS/cm，測量精度范圍±0.5%FS)測定，根據(jù)肥液濃度與電導(dǎo)率的關(guān)系轉(zhuǎn)換成肥液濃度。

1.2 試驗方案

大田試驗使用的比例施肥泵相關(guān)參數(shù)根據(jù)前期進行的比例施肥泵性能測試試驗結(jié)果，選取運行穩(wěn)定工況時的參數(shù)值設(shè)定。該比例施肥泵的技術(shù)參數(shù)包括施肥比例(施肥泵在單位時間內(nèi)從肥液桶中吸入的肥液質(zhì)量與施肥管道內(nèi)輸入泵體的清水質(zhì)量之比)和肥液比例(即肥液桶中配置的肥液濃度比例，固體肥料質(zhì)量與清水質(zhì)量之比)，其中：施肥比例選用2%、3%和4%3個水平；施肥泵吸入的肥液比例選用1：5(肥料質(zhì)量：清水質(zhì)量)，試驗中保持不變；根據(jù)試驗采用的2種滴灌管(帶)的水力性能，兼顧灌溉施肥均勻度與造價，在每個施肥比例水平下，通過調(diào)節(jié)施肥節(jié)制閥和控制閥的閥門開度改變滴灌管(帶)進口壓力(即主管道尾部作用壓力)，側(cè)翼迷宮式滴灌帶設(shè)置了3個水平(0.04、0.05、0.06 MPa)，對應(yīng)的滴頭流量分別為1.309、1.505、1.635 L/h，滴頭間距為15 cm；內(nèi)鑲貼片式滴灌管設(shè)置了3個水平(0.08、0.09、0.10 MPa)，對應(yīng)的滴頭流量分別為1.841、1.936、2.031 L/h，滴頭間距為30 cm，施肥泵兩端作用壓差維持0.02 MPa不變，滴灌帶長度均為50 m，共18種工況，每種工況做3次重復(fù)試驗。

通過計算施肥泵進出口兩個流量計的讀數(shù)差值可得到施肥泵的吸肥速度；由施肥管道進出口的壓力差值可得到施肥泵工作壓力差。試驗期間，為了消除水流不穩(wěn)定帶來的不利影響，在每次試驗開始5～10 min后再進行數(shù)據(jù)記錄。此外，每隔3 min在A和B兩個取液口進行肥液提取，并測定電導(dǎo)率，最后根據(jù)肥液濃度與電導(dǎo)率函數(shù)關(guān)系式換算成取液口的肥液濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 入口流量影響因素分析

水力驅(qū)動式比例施肥泵運行原理是：在施肥泵兩端進出口壓差作用下,灌溉清水沿施肥管道入口進入施肥泵,推動位于頂部的活塞進行往復(fù)運動,產(chǎn)生周期性向上的吸力,將施肥桶中的肥液吸入施肥泵與泵體內(nèi)清水充分混合，稀釋后從施肥泵出口流回主管道,直到施肥桶肥液耗盡，完成整個吸肥過程。施肥泵入口流量指的是由施肥泵進口端進入泵體的灌溉水流量。入口流量的大小直接影響著施肥泵出口肥液濃度。

當同一種滴灌管(帶)在同一進口壓力水頭下，吸肥比例對施肥泵入口流量影響較小，如圖2所示，以內(nèi)鑲貼片式滴灌管入口壓力0.09 MPa為例，3%及4%的吸肥比例相對于2%的情況下施肥泵入口流量僅分別增加了1.15%、3.50%，當壓力較大時還有降低趨勢。對施肥泵入口流量影響較大的是滴灌管(帶)的管首壓力，不同的吸肥比例水平下，滴灌管入口壓力隨著施肥泵入口流量的增大主要呈現(xiàn)增加趨勢，以內(nèi)鑲貼片式滴灌管為例，吸肥比例為2%時，管首壓力0.09和0.10 MPa時的入口流量相對于0.08 MPa分別增大了7.18%、19.33%，其原因是隨著滴灌管入口壓力的增加，滴灌管灌水器流量增大，而吸肥比例不變，則施肥泵入口流量增加。從圖中還可以看出側(cè)翼迷宮式滴灌帶在壓力達到0.06 MPa時，施肥泵入口流量反而低于0.05 MPa工況，結(jié)合灌水器流量試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，此時過濾器已出現(xiàn)堵塞情況，兩種滴灌管(帶)均有類似現(xiàn)象發(fā)生，即隨著壓力的增大兩種滴灌管(帶)首部的過濾器均出現(xiàn)不同程度的堵塞，內(nèi)鑲貼片式滴灌管0.10 MPa時4%吸肥比例水平下入口流量減小，過濾器出現(xiàn)了堵塞的現(xiàn)象，側(cè)翼迷宮滴灌帶在2%、3%吸肥比例下僅在0.06 MPa時過濾器出現(xiàn)了堵塞，4%的水平下在各個壓力水頭均出現(xiàn)了堵塞，0.06 MPa時最嚴重，分析原因是滴灌管(帶)入口壓力變大時，需要施肥泵進出口壓力較大，施肥泵入口流量較大、水流流快，對內(nèi)部活塞桿件沖擊強烈，影響正常的往返吸肥運動，較大的吸肥比例加劇了這一現(xiàn)象，肥液中細小顆粒在過濾器中不斷累積，引起過濾器或滴灌管、灌水器堵塞，水頭損失增加，滴灌管實際作用水頭下降，流量減小。因此，施肥泵的運行參數(shù)應(yīng)與連接的滴灌管(帶)的性能相匹配，避免引起系統(tǒng)堵塞，達不到設(shè)計所需的灌溉施肥量。

圖2 兩種滴灌管(帶)不同入口壓力下施肥泵入口流量隨吸肥比例變化曲線圖

2.2 實際吸肥量影響因素分析

吸肥量是單位時間內(nèi)施肥泵從施肥桶中吸入的肥液量，可通過改變施肥泵入口流量，進而調(diào)節(jié)泵內(nèi)活塞運動頻率，最終實現(xiàn)吸肥量可調(diào)。圖3給出了使用兩種類型滴灌管時，施肥泵吸肥量隨滴灌管入口壓力增大時的變化趨勢。

圖3 不同滴灌帶入口壓力條件下，施肥泵吸肥量與吸肥比例關(guān)系曲線

由圖3可以看出：兩種類型的滴灌管(帶)，在不超過生產(chǎn)廠家給定的設(shè)計流量范圍內(nèi)，同一個入口壓力水平時，吸肥量隨著吸肥比例的增大而增大，各個施肥比例水平下的吸肥量基本符合生產(chǎn)工藝制定的相應(yīng)的吸肥比例；側(cè)翼迷宮式滴灌管3個入口壓力(0.04、0.05、0.06 MPa)，對應(yīng)的滴頭流量分別為1.309、1.505、1.635 L/h，滴頭間距為15 cm；內(nèi)鑲貼片式滴灌管3個入口壓力(0.08、0.09、0.10 MPa)，對應(yīng)的滴頭流量分別為1.841、1.936、2.031 L/h，滴頭間距為30 cm，側(cè)翼迷宮式滴灌帶單個滴頭流量不如內(nèi)鑲貼片式流量大，但是滴頭間距為內(nèi)鑲貼片式的1/2，總的流量大于內(nèi)鑲貼片式，因此施肥泵吸肥量側(cè)翼迷宮式反而略大于內(nèi)鑲貼片式；同一吸肥比例下，吸肥量隨著滴灌帶入口壓力的增大變化趨勢不明顯，基本保持不變，其中內(nèi)鑲貼片式滴灌管2%、3%、4%吸肥比例下吸肥量之間的最大偏差0.35%、0.10%、9.30%，4%的水平下突然變大是由于施肥泵入口流量過大，進入施肥管道中的肥液微小顆粒在過濾器內(nèi)部不斷聚集，使得位于滴灌帶前部的過濾器發(fā)生了堵塞，進而降低了施肥泵的吸肥速率，使得吸肥量減小所致；側(cè)翼迷宮式滴灌管2%、3%、4%吸肥比例下吸肥量之間的最大偏差15.6%、15.09%、19.86%，與內(nèi)鑲貼片式滴灌帶相比整體偏差較大，是由于吸肥比例較大時均發(fā)生不同程度的堵塞，4%吸肥比例時最為嚴重，0.06 MPa水平下吸肥量與0.04 MPa相比減小了16.57%。因此，在實際生產(chǎn)運行中，灌水器入口壓力和吸肥比例應(yīng)配合適當，灌水器入口壓力較大時，吸肥比例不宜超過3%，選用側(cè)翼迷宮式滴灌帶時為了保證較好的施肥均勻度選用2%吸肥比例最為合適。

2.3 實際吸肥比例影響因素分析

圖4 兩種滴灌管(帶)實際施肥比例與設(shè)置施肥比例及管道入口壓力關(guān)系曲線

根據(jù)施肥泵的技術(shù)參數(shù)，吸肥比例是指施肥泵在單位時間內(nèi)從肥液桶中吸入的肥液質(zhì)量與進入施肥泵泵體的清水質(zhì)量之比，圖4給出了連接兩種滴灌帶時實際施肥比例與滴灌帶入口壓力關(guān)系曲線的變化規(guī)律。施肥泵連接兩種滴灌帶時，實際施肥比例灌水器入口壓力水平下，同一個吸肥比例隨著尾部壓力的增大而逐漸減?。煌还嗨魅肟趬毫ο?，各吸肥比例水平下的實際施肥比例基本符合其相應(yīng)的比例。當選用內(nèi)鑲貼片式灌水器，施肥泵設(shè)定吸肥比例為2%、3%、4%時，實際施肥比例分別為1.51%、2.23%、3.00%，為設(shè)定值的75.5%、74.3%、75.3%；圖4也可以看出，選用側(cè)翼迷宮式灌水器，實際施肥比例為1.58%、2.06%、3.01%，為設(shè)定值的79%、68.7%、75.3%。從整體來分析，采用兩種灌水器實際所需要的施肥時間與設(shè)定的時間相比增加約1/4，究其原因，側(cè)翼迷宮式滴頭流量雖然沒有內(nèi)鑲貼片式大，但是其滴頭間距為后者的1/2，對于整條50 m長的滴灌帶而言，其出水流量比內(nèi)鑲貼片式增大42.2%～61.0%，前者在較大吸肥比例運行時堵塞情況較為嚴重，施肥泵泵體內(nèi)部活塞進行往返運動的頻率變小，從而整個施肥周期變長，在實際運行過程中根據(jù)施肥泵的吸肥性能搭配適宜的吸肥比例和灌水器入口壓力，確保整個施肥過程在預(yù)定的時間內(nèi)完成所需要的肥液量。

2.4 肥液濃度影響因素分析

水力驅(qū)動式施肥泵運行時保持施肥泵兩端壓差及灌水器進出口壓力穩(wěn)定，施肥管道及主管道兩個取液口肥液濃度基本維持穩(wěn)定，具有較高的施肥均勻性。試驗中施肥泵兩端采用同一壓差，不同吸肥比例，圖5給出了兩種滴灌管(帶)不同施肥比例時，施肥管道取液口A、B肥液濃度隨滴灌管(帶)入口壓力的變化趨勢。

圖5 不同施肥比例取液口A、B肥液濃度與入口壓力關(guān)系曲線

在同一工況下取液口A和B的肥液濃度隨吸肥比例的增大而增大，同一吸肥比例工況下，施肥管道取液口A隨著灌水器入口壓力的增大而變大的速率變大，以3%吸肥比例下0.08 MPa配比質(zhì)量百分濃度為0.98，0.09 MPa時為1.04，增長了6.12%，而0.10 MPa時為1.24，比0.08 MPa時增長了26.53%，增長速率相對于0.09 MPa時增大了。當采用側(cè)翼迷宮式灌水器施肥時，從圖5可以看出取液口A的變化趨勢與內(nèi)鑲貼片式基本一致，以4%吸肥比例下0.04 MPa配比質(zhì)量百分濃度為1.23，0.05 MPa時為1.32，增長了7.32%，而0.06 MPa時為1.65，比0.04 MPa時增長了34.1%，增長速率相對于0.05 MPa時增大了。

從圖5可以看出主管道取液口B隨著灌水器入口壓力的增大基本保持不變甚至出現(xiàn)了減小的情況，例如4%吸肥比例的情況下，0.10 MPa比0.08 MPa時減小了25.0%，采用側(cè)翼迷宮式灌水器施肥時減小比例更大，0.06 MPa比0.04 MPa時減小了30.3%，原因是施肥過程中灌水器前端的過濾器發(fā)生堵塞之后會使施肥支管管道肥液濃度不斷聚集，進而造成施肥泵的吸肥頻率減小甚至間斷吸肥，主管道肥液濃度則會一直被清水稀釋而造成取液口質(zhì)量百分濃度減小。由圖5取液口B中還可以看出在施肥比例為3%及4%時，堵塞的程度隨著側(cè)翼迷宮式灌水器入口壓力的增大而增大，同一入口壓力各個吸肥比例水平下質(zhì)量百分濃度已經(jīng)不呈對應(yīng)比例，整體運行狀況不如內(nèi)鑲貼片式灌水器，在實際運行生產(chǎn)中應(yīng)注意選用側(cè)翼迷宮式灌水器不宜選用較大的吸肥比例與較大的入口壓力搭配使用。

3 結(jié) 語

本文根據(jù)滴灌系統(tǒng)實際運行特點，維持滴灌管(帶)入口壓力不變的基礎(chǔ)上，結(jié)合膜下滴灌系統(tǒng)大田運行情況進行了試驗研究，得出以下主要結(jié)論：

(1)施肥泵入口流量隨著滴灌管(帶)入口壓力的增大而變大，同一壓力水頭下，入口流量隨著吸肥比例的增大而增大的趨勢變化不大；吸肥比例為4%時，兩種類型滴灌管均出現(xiàn)了一定程度堵塞，實際生產(chǎn)中建議不宜采用較大的吸肥比例進行施肥。

(2)在設(shè)計流量范圍內(nèi)，同一壓力水頭下吸肥量隨著吸肥比例的增大而增大，基本符合其相應(yīng)的吸肥比例；側(cè)翼迷宮式滴灌帶穩(wěn)定性不如內(nèi)鑲貼片式滴灌管，管道入口壓力較大時吸肥比例不宜超過3%。

(3)在不同管首壓力水平下，吸肥比例設(shè)定在2%～4%時，內(nèi)鑲貼片式滴灌管與側(cè)翼迷宮式滴灌帶實際施肥比例分別為設(shè)定值的74.3%～75.5%、68.7%～79%，實際所需的施肥時間與設(shè)定時間相比增加了近1/4，實際生產(chǎn)運行中應(yīng)搭配適宜的吸肥比例和灌水器入口壓力，確保按時完成施肥量的要求。

(4)同一滴灌管(帶)入口壓力相同時，兩種滴灌管(帶)施肥時取液口A內(nèi)質(zhì)量百分濃度隨著吸肥比例的變大呈比例增大，取液口B在入口壓力過大時出現(xiàn)不增反而減小的情況，選用側(cè)翼迷宮式滴灌帶不宜選用較大的吸肥比例與較高的入口壓力搭配。