滴灌压差施肥肥液浓度变化及其对水肥分布影响研究

发布时间：2020-08-28 17:23

　　压差施肥是我国应用最广的滴灌施肥技术之一,施肥时肥液浓度不断衰减是其主要特征,目前对压差施肥技术的研究尚不系统。本论文采用试验与模拟等方法,深入研究了压差施肥罐肥液浓度的衰减特性、压差施肥智能控制的初步方案、不同衰减条件下滴灌管网和滴灌点源入渗土壤中的水肥分布特征,取得主要研究结果如下:(1)采用K2SO4试剂作为施肥肥料展开试验研究,设置了 2种不同入罐流量(0.6 m3/h和1.2m3/h)和2种不同施肥量(900g和1800g)处理,研究了 30L压差施肥罐的肥液浓度衰减特性,结果表明:压差施肥时,施肥前期肥液浓度衰减较快,而后期趋于平缓,入罐流量的大小是影响肥液浓度衰减速率的主要原因,施肥量是次要因素。试验得到的肥液浓度衰减曲线与理论曲线相关性较好,浓度衰减符合幂函数关系,施肥结束时间的试验结果与理论计算相吻合,入罐流量0.6m3/h时,耗时11～12min即可认为施肥结束,入罐流量1.2m3/h时,耗时5.5～6min即可认为施肥结束。(2)以概化的9.42L圆柱体为施肥罐模型,设置了入罐流量分别为1.425m3/h和0.71m3/h两种计算工况,运用CFD技术对压差施肥罐肥液浓度衰减特性展开模拟研究。结果表明:CFD模拟得到的浓度衰减曲线与理论曲线相关性较好,上述两种计算工况下,各时间点肥液浓度偏差分别小于0.07和0.03。施肥结束时间的模拟结果也与理论计算相符合,入罐流量1.425m3/h和0.71m3/h时,分别耗时93s和186s即可认为施肥结束,与理论计算结果的偏差分别仅有2.31%和2.83%。(3)针对目前压差施肥智能控制水平较低等实际问题,提出了 2种压差施肥智能控制的初步方案:一种是移动式滴灌压差施肥智能控制,使用流量计测量入罐流量,由控制界面根据理论公式计算施肥结束时间,并向电磁阀发出启闭指令,实现自动施肥,可应用于液体肥料和小型滴灌系统;另一种是压差施肥远程智能控制技术,借助现有的智能灌溉控制技术,通过电导率传感器实时监测出罐肥液浓度,依靠手机APP等实现对电磁阀的远程控制,适用于大型规模化的滴灌系统。(4)开展了肥液不同衰减条件下滴灌管网水肥分布的试验研究,设置管网铺设长度(45m、90m)、管网运行压力(0.06MPa、O.1OMPa和0.14MPa)以及压差施肥衰减模式(入罐流量、施肥量2个因素)等处理,考察了不同处理下滴灌管网各取样点灌水总量、滴头流量、肥液浓度和肥料总量的空间分布规律,结果表明:灌水总量和滴头流量的空间分布均匀性要好于肥液浓度和肥料总量;肥液浓度和肥料总量空间波动变化大,尤其是滴灌管网后部区域;灌水总量、滴头流量随铺设长度的增加均有降低趋势,而肥液浓度和肥料总量则稍有上升;灌水总量、滴头流量受滴灌管网铺设长度和管网压力影响较大;而肥液浓度和肥料总量的分布不仅受滴灌管网铺设长度和管网压力的影响,还受入罐流量和施肥量的影响。根据试验结果分别计算了灌水总量、滴头流量、肥液浓度和肥料总量的均匀度,采用克里斯琴森均匀系数cCU、分布均匀系数DU、变差系数Cv和统计均匀度Us表征,计算结果表明,不同处理下灌水总量的CU值均达到了 97%,DU值达到0.96,Cv值在0.02～0.03之间,Us范围为97%～98%;相比之下,肥料总量的CU值仅在90%～97%之间,DU值则在0.86～0.95之间,Cv值范围为0.05～0.15,而Us范围为85%～95%。灌水总量的均匀度要高于肥料总量。依据ASAE标准EP458对均匀度计算结果进行评价,灌水总量均为“优”,但施肥总量却仅有少量“优”,大多介于“优”～“良”之间。(5)通过点源入渗试验,研究了不同肥液浓度和不同浓度衰减处理下土壤水分和硝态氮的分布规律。结果表明:土壤含水率从湿润体内部向边缘递减;肥液浓度和衰减方式对土壤含水率的变化无显著影响;土壤硝态氮在湿润体内部浓度较低,在湿润体边缘处会形成累积。肥液浓度越高,湿润体内部硝态氮浓度越高,但在湿润体边缘,硝态氮浓度的变化则呈无序现象,与肥液浓度无关。同时,根据试验数据对HYDRUS-2D模型进行了率定和验证。结果表明:模型可以较好地模拟土壤水分分布情况,也可以较好地反映土壤硝态氮变化趋势,但对硝态氮的模拟效果比土壤水分模拟要差,尤其是土壤湿润体边缘。用所构建的HYDRUS-2D模型分析认为土壤硝态氮初始含量对其分布有明显影响。
【学位单位】：扬州大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S275.6;S147
【部分图文】：

智能,储液罐,压差,主管道

需注意规避阻碍智能施肥设备健康发展的不利因素。逡逑（４）压差施肥设备逡逑压差施肥设备一般包括调压阀和储液罐等，如图１－４所示，调压阀安装在主管道逡逑上，密封的储液罐一般旁接在主管道上，其进水管和供肥管分别安装在施肥阀前后。逡逑调节调压阀开度可在其前后形成压差，由于压差作用，主管道中的部分水流通过进水逡逑管流入储液罐，而后储液罐中的肥液通过出肥管流入主管道并进入滴灌系统ｆ１４，７Ｇ］。压逡逑差施肥时，储液罐内肥液总量和初始浓度是一定的，但施肥过程中，随着水的不断进逡逑入和肥液的不断输出，储液罐内肥液浓度会发生衰减变化，这与其他滴灌施肥设备不逡逑同，是压差施肥的主要技术特点［１４］。逡逑

示意图,施肥装置,压差,示意图

（ａ）压差施肥装置示意图逦（ｂ）压差施肥装置实物图逡逑图１４压差施肥装置示意图逡逑水管；３－输水主管；４－进水管阀门；５－调压阀；６－供肥管阀门；７－供肥管逡逑在我国应用最广，对其结构和使用方法的系统介绍早已有之逡逑究并不太多。围绕压差施肥肥液衰减变化特征，封俊Ｉ７２】等通过理论逡逑浓度衰减变化公式，认为施肥罐体积、入罐流量和肥液初始浓度是逡逑要因素。在此基础上，沈雪民等［７３］、周和平等１７４】对中国农业工程逡逑１００ＰＳ－１型文丘里喷灌施肥器进行了测试和田间应用考核。李久逡逑使用固体肥料对不同体积施肥罐的水力性能展^u了试验研究，韩启逡逑展开了类似研究。上述试验结论均认为：压差对肥液浓度的衰减逡逑肥起始阶段，肥液浓度衰减迅速，其后才趋于缓和。但由于肥料不逡逑的浓度衰减曲线在数值上存在较大差异。针对肥料影响，邓兰生等逡逑，认为：流量是影响液体肥料浓度衰减的直接因素，而肥料溶解速逡逑

闸阀,主管道,浓度衰减,潜水泵

测中心进行。试验水源为井水，每次试验前将井水输送到１．５ｍｘｌ．２ｍｘｌ．５ｍ邋（长ｘ宽ｘ逡逑高）的混凝土水池中，试验期间，水质、温度等满足各检测仪器的适用范围。逡逑试验装置如图２－１所示，将潜水泵２邋（扬程３９ｍ，额定流量１５ｍ３／ｈ）安置于混凝逡逑土水池中，为试验提供所需压力和流量，通过阀门３和４邋（ＤＮ４０铜闸阀）调节控制逡逑进入主管道的水量，试验中各级管道材质均为Ｕ－ＰＶＣ管，这是目前灌溉系统首部常逡逑用管材，主管道管径Ｏ＝５０ｍｍ，在主管道上安装智能型涡轮流量计６邋（ＬＷＧＹ－４０Ｙ，逡逑新乡市威远测控仪表有限公司生产，准确度１．０，量程３？３０ｍ３／ｈ），用来测量主管逡逑道流量，以阀门８邋（ＤＮ４０铜闸阀）作为施肥阀，试验时通过调节阀门８开度用以调逡逑节控制进入施肥罐的流量。与实际应用中使用方式相同，施肥罐并接在主管道上，进逡逑水管和出肥管分别位于施肥阀８的上下端，进水管和出肥管采用厂家自带的施肥管逡逑（胶皮软管

【参考文献】