日光溫室小型水肥一體灌溉機(jī)設(shè)計(jì)及其控制模型的建立

李 堅(jiān)，劉云驥，王丹丹，孫周平

(1.設(shè)施園藝省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110866；2.環(huán)渤海灣地區(qū)設(shè)施蔬菜優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心，沈陽 110866；3.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，沈陽 110866)

0 引 言

2015年我國日光溫室面積已達(dá)86.67 萬hm2以上，不僅成功解決了北方地區(qū)冬半年蔬菜供應(yīng)問題，而且成為解決“三農(nóng)”問題的支柱產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。然而我國日光溫室園藝作物主要采用土壤栽培模式，生產(chǎn)管理憑經(jīng)驗(yàn)，農(nóng)民水肥用量過多，這種粗放的水肥施用方式不僅造成了資源的浪費(fèi)，而且還造成了環(huán)境的污染[1-5]。目前，國外的智能灌溉機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了水肥的精準(zhǔn)控制和自動(dòng)化管理，但都是適用于大型連棟溫室，而國內(nèi)缺乏適宜日光溫室生產(chǎn)應(yīng)用的低成本、使用方便的小型水肥一體化灌溉機(jī)，成為促進(jìn)我國日光溫室園藝作物水肥精準(zhǔn)化與標(biāo)準(zhǔn)化管理的重要限制因素[6]。

國外的大型智能水肥灌溉設(shè)備主要采用文丘里吸肥器，目前以色列和荷蘭為代表的發(fā)達(dá)國家水肥一體化技術(shù)已相當(dāng)成熟，已開發(fā)應(yīng)用了完善成熟的智能灌溉施肥系統(tǒng)，如荷蘭PRIVA公司研發(fā)的Nutri-line系列、以色列NETAFIM公司研發(fā)的Netajet系列等全自動(dòng)灌溉施肥機(jī)[7]，這些施肥機(jī)都能對(duì)電導(dǎo)率和酸堿度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，從而精確為作物提供水分和養(yǎng)分；國內(nèi)的許多院校和企業(yè)也進(jìn)行了先進(jìn)灌溉施肥機(jī)的研發(fā)和引進(jìn)，但這些灌溉施肥機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，一般都帶有一個(gè)混肥罐，罐中沒有輔助設(shè)備進(jìn)行攪拌，混肥很容易出現(xiàn)局部不均勻，同時(shí)價(jià)格昂貴，無法在國內(nèi)普及應(yīng)用，尤其針對(duì)小型的日光溫室生產(chǎn)方面，取得的經(jīng)濟(jì)效益在短時(shí)間難以收回成本[8-9]。

由于文丘里施肥裝置的調(diào)節(jié)壓力范圍有限，而且對(duì)主管流量的穩(wěn)定性要求較高，系統(tǒng)壓力損失大，因此需要選擇較大功率的水泵[10-11]，而比例吸肥器無論是管道中水量及壓力如何變化，所吸入的肥料劑量與吸肥器水量始終成比例，可使用較小功率的水泵[12]，為此，本文設(shè)計(jì)研制了基于吸肥器的價(jià)格低廉、適宜日光溫室應(yīng)用的小型灌溉施肥機(jī)，并試驗(yàn)得出控制水肥灌溉的電導(dǎo)率和酸堿度模型，為日光溫室園藝作物的水肥精準(zhǔn)管理提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科研基地日光溫室內(nèi)進(jìn)行。水泵為粵華牌射流式自吸不銹鋼噴射離心泵，型號(hào)：SZ090BD，最大工作壓力0.6 MPa，最大吸程8 m，重量11.8 kg，且耐腐蝕；吸肥器為以色列泰豐吸肥器，型號(hào)：2504，流量范圍：10～2 500 L/h，工作壓力：0.02～0.8 MPa，重量1.8 kg。管路及管件皆為聚氯乙烯。

1.2 結(jié)構(gòu)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 灌溉施肥機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

灌溉施肥機(jī)主要由傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制器和輔助設(shè)備4部分組成，其中傳感器包括電導(dǎo)率傳感器和酸堿度傳感器；控制器為西門子smart200PLC控制器；執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括吸肥器、離心水泵、電磁閥；輔助設(shè)備包括控制箱、肥料罐、過濾器。灌溉施肥機(jī)的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

1-進(jìn)水口；2-過濾器；3-電磁閥；4-流量計(jì)；5-混肥裝置；6水泵；7-逆止閥；8-吸肥器；9-軟管；10-肥料罐；11-壓力表；12-電導(dǎo)率傳感器；13-酸堿度傳感器；14-球閥；15-灌溉支路；16-輸水主管道；17、18、19-支路管道圖1 灌溉施肥機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Principle diagram of irrigation fertilizer

當(dāng)進(jìn)行施肥作業(yè)時(shí)，開啟系統(tǒng)中所有的閥門，進(jìn)過水泵的脈沖式的灌溉水進(jìn)入吸肥器，同時(shí)在水壓的驅(qū)動(dòng)下，吸肥軟管吸取相應(yīng)比率的肥料與灌溉水一起注入主管道上的特殊結(jié)構(gòu)的混肥裝置中，轉(zhuǎn)化為均勻的營養(yǎng)液，由水泵輸送給灌溉支路，同時(shí)有一部分營養(yǎng)液又進(jìn)入到吸肥器中，以此重復(fù)，實(shí)現(xiàn)混肥和灌肥同時(shí)進(jìn)行，大大縮短施肥灌溉時(shí)間。

為了方便，結(jié)構(gòu)試驗(yàn)階段均采用手動(dòng)信號(hào)控制，即利用球閥開閉控制水流量。

1.2.2 吸肥器的排布試驗(yàn)

本試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)吸肥器并聯(lián)、串聯(lián)、串并聯(lián)三組排布方式，組裝如圖2所示，測量每個(gè)吸肥器的吸肥量，3次重復(fù)。

1.2.3 支路管道的粗度和長度試驗(yàn)

通常溫室大棚的自來水管道都是一寸管道(即DN25)，同時(shí)為了安裝方便，本灌溉系統(tǒng)的主管道也設(shè)計(jì)為一寸管路，吸肥器的進(jìn)出水口是六分管(即DN20)，由于管道中液體的流量與管道的長度、粗度以及粗糙程度有著密切的關(guān)系，為了確定支路管道的尺寸，所以本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了等長與不等長六分支路管道，以及等長一寸支路管道，如圖3所示，并測試吸肥器吸肥量的變化，3次重復(fù)。

1.2.4 混肥裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

混肥裝置作為灌溉系統(tǒng)的核心部件之一，它直接影響輸水主管道中肥料與水混合的均勻程度，本試驗(yàn)設(shè)置混肥裝置外徑為53、90、125 mm 3個(gè)處理[如圖4(a)]，施肥裝置內(nèi)部進(jìn)出口處安裝15 cm一寸管件，以達(dá)到充分混肥的效果，根據(jù)圖5所示示意圖測試出水口的電導(dǎo)率，3次重復(fù)，設(shè)置進(jìn)水口內(nèi)徑管件為15 cm，出水口0、5、10、15 cm以及特殊處理的15 cm(十字鉆四個(gè)漏水口，并將正面封死)[如圖4(b)]5個(gè)處理。測量出水口水桶內(nèi)的EC值變化情況，3次重復(fù)。

圖2 吸肥器的排布Fig.2 arrangement of the fertilizer pumps

圖3 支路管道結(jié)構(gòu)Fig.3 structure of the three parallel branch

圖4 混肥裝置結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of the mixing fertilizer device

圖5 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure diagram

1.3 酸度、電導(dǎo)率模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，選擇最優(yōu)部件，組裝最后的灌溉施肥裝置，進(jìn)行混肥試驗(yàn)，建立酸度、電導(dǎo)率模型。

根據(jù)山崎配方，配置150倍濃縮母液，放置在兩個(gè)2 L的燒杯內(nèi)，pH=4的酸液配制2L放在燒杯內(nèi)。在配置營養(yǎng)液時(shí)，微量元素的濃度是大量元素的1%～4%左右，對(duì)于電導(dǎo)率和酸度值的影響可以忽略不計(jì)。

兩路母液以及一路酸液對(duì)應(yīng)3個(gè)吸肥器進(jìn)行吸肥試驗(yàn)，調(diào)節(jié)3個(gè)支路閥門，測量各吸肥器吸肥量，以及出水口處EC、pH的變化，得出模型方程并進(jìn)行驗(yàn)證。

1.4 數(shù)據(jù)處理

Excel2010軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及繪圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸肥器排布方式對(duì)吸肥量的影響

如6、7、8所示，3個(gè)吸肥器并聯(lián)情況下，吸肥量穩(wěn)定時(shí)所需的時(shí)間最短，而且分別調(diào)節(jié)出水口處球閥：全開口、半開口、1/4開口的情況下，串聯(lián)和串并聯(lián)的吸肥器吸肥量隨著開口越小，吸肥量越大，并聯(lián)的3個(gè)吸肥器吸肥量沒有明顯變化，表現(xiàn)出穩(wěn)定的性能，每條支路的壓力表示數(shù)是相同的，所以吸肥器的排布試驗(yàn)中將采用并聯(lián)的方式。

圖6 串聯(lián)對(duì)吸肥量的影響Fig.6 Effect of series on absorption capacity of fertilizer

圖7 并聯(lián)對(duì)吸肥量的影響Fig.7 Effect of Parallel on absorption capacity of fertilizer

圖8 串并聯(lián)對(duì)吸肥量的影響Fig.8 Effect of series-parallel on absorption capacity of fertilizer

2.2 支路管道粗度和長度對(duì)吸肥量的影響

首先測試了六分管等長與不等長支路管道結(jié)構(gòu)，測試了3個(gè)吸肥器吸肥量的變化，如圖9、10、11所示，從圖中可知，與六分不等長結(jié)構(gòu)相比，六分等長的3個(gè)吸肥器在40 s之后吸肥量變化幅度很小，基本趨于平穩(wěn)。在等長的條件下，組裝一寸支路管道進(jìn)行吸肥量的測量，與六分等長比較，結(jié)果顯示，仍是六分等長支路處理吸肥器達(dá)到穩(wěn)定所用的時(shí)間最短，所以支路管道選擇六分管，3條支路管道等長結(jié)構(gòu)。

圖9 六分等長對(duì)吸肥量的影響Fig.9 Effect of DN25/ equal length onabsorption capacity of fertilizer

圖10 六分不等長對(duì)吸肥量的影響Fig.10Effect of DN25/ equal length onabsorption capacity of fertilizer

圖11 一寸等長對(duì)吸肥量的影響Fig.11 Effect of DN25/ equal length on absorption capacity of fertilizer

2.3 混肥裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由圖12可知，直徑53 mm時(shí)，EC值在20 s到40 s從0.5增加到了1.3左右，混肥速率明顯地高于其他兩個(gè)處理，如圖13所示，混肥裝置內(nèi)部特殊處理的15 cm結(jié)構(gòu)的混肥速率明顯高于其他3個(gè)處理，其余均無顯著差異。本試驗(yàn)混肥裝置的設(shè)計(jì)，將保證肥料與水的有效混合。

圖12 不同直徑對(duì)混肥速率的影響Fig.12 Effects of different diameter on mixed fertilizer rate

圖13 不同內(nèi)徑處理對(duì)混肥速率的影響Fig.13 Effects of different inner diameter on mixed fertilizer rate

2.4 酸度、電導(dǎo)率模型

2.4.1 酸度、電導(dǎo)率模型的建立

營養(yǎng)液的調(diào)配主要是通過EC、pH進(jìn)行監(jiān)測和控制的，所以有：

EC=a1+b1x1+c1x2+d1x3

pH=a2+b2x1+c2x2+d2x3

式中：EC、pH為代表電導(dǎo)率值和酸度值；a、b、c、d為代表常數(shù)；x1、x2為代表母液吸入量；x3為代表酸液吸入量。

將表1結(jié)果代入公式可得方程：

EC=0.720 67-0.000 121 9x1+

0.000 667 9x2+0.000 026 1x3

pH=6.938 7-0.000 1041 7x1+

表1 多路母液加入所測得的EC/pH值Tab.1 EC/pH test value when multiple liquid added

0.000 203 4x2+0.000 121 6x3

2.4.2 電導(dǎo)率、酸度模型的驗(yàn)證

如表2所示，模型預(yù)測出水口處混合營養(yǎng)液的EC相對(duì)誤差的平均值為2%，最大值為4.2%，pH的相對(duì)誤差的平均值為3%，最大值為4.7%。由于操作精度以及溫度等也會(huì)影響營養(yǎng)液的EC和pH值，因此模型不可避免地會(huì)存在一些誤差，但兩個(gè)模型的相對(duì)誤差都較小，表明所建立的模型是可行的。

表2 多路母液加入所測得的EC/pH值Tab.2 EC/pH test value when multiple liquid added

3 結(jié) 論

針對(duì)北方地區(qū)日光溫室栽培面積小以及環(huán)境變化與栽培管理的要求，本文研究設(shè)計(jì)了一種基于吸肥器的小型灌溉施肥機(jī)。首先對(duì)灌溉機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)設(shè)計(jì)研究，明確3個(gè)吸肥器并聯(lián)排布方式最好，選擇六分管、3條支路等長為最佳支路管道結(jié)構(gòu)，混肥裝置直徑為53 mm，選擇特殊處理的15 cm內(nèi)徑管件(十字鉆四個(gè)漏水口，并將正面封死)為混肥裝置最佳內(nèi)部結(jié)構(gòu)，然后對(duì)兩路母液和一路酸液的加入量與EC、pH值關(guān)系建立模型方程，與實(shí)測值相比，模型預(yù)測得出EC值相對(duì)誤差的平均值為2%，最大值為4.2%，pH的相對(duì)誤差的平均值為3%，最大值為4.7%。以上試驗(yàn)結(jié)果說明，灌溉機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，可實(shí)現(xiàn)營養(yǎng)液的精準(zhǔn)化控制，為日光溫室蔬菜的標(biāo)準(zhǔn)化管理奠定基礎(chǔ)。

[1] Guoxiang Sun, Xue Li, Xiaochan Wang. Design and testing of a nutrient mixing machine for greenhouse. Engineering in Agriculture, Environment and Food fertigation.2015,8(2):114-121.

[2] 袁洪波,程 曼,樹 杰,等.水肥一體灌溉循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)建及性能試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2014,30(12):72-78.

[3] Antonio JoséSteidleNeto,SérgioZolnier, Daniela de Carvalho Lopes.Development and evaluation of an automated system for fertigationcontrol in soilless tomato production. Computers and Electronics in Agriculture,2014,(103):17-25.

[4] 孫國祥,陳 滿,汪小旵,等．變量施肥機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀分析[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,42(2):333-339.

[5] 周 博,周建斌.不同水肥調(diào)控措施對(duì)日光溫室土壤水分和番茄水分利用效率的影響[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,37(1):211-216.

[6] 李喜娟.農(nóng)業(yè)節(jié)水的最有效措施-水肥一體化[J].農(nóng)業(yè)科技通訊,2016,(3):131-132.

[7] 宋金龍.水肥一體化通用控制設(shè)備研發(fā)[D].哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué),2015.

[8] 阮俊瑾,趙偉時(shí),董晨.球混式精準(zhǔn)灌溉施肥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].2015,31(S2):131-136.

[9] 高祥照.水肥一體化發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].中國農(nóng)業(yè)信息,2015,(4):14-19.

[10] 劉永華,沈明霞,蔣小平.水肥一體化灌溉施肥機(jī)吸肥器結(jié)構(gòu)優(yōu)化與性能試驗(yàn)[J].2015,46(11):76-81.

[11] 袁壽其,李 紅.中國節(jié)水灌溉裝備發(fā)展現(xiàn)狀、問題、趨勢與建議[J].排灌工程機(jī)械學(xué)報(bào),2015,33(1):78-92.

[12] 楊大森,李 紅.活塞式比例施肥器性能對(duì)比試驗(yàn)[J].節(jié)水灌溉,2015,(11):47-50.