基于压差式施肥罐的均匀施肥方法

压差式施肥罐是水肥一体化中应用较为广泛的施肥装置,但它容易产生施肥不均匀的问题,会因局部过量施肥造成土壤污染,还会影响作物的产量和品质。为利用计算机控制压差式施肥罐进行田间作物的恒定浓度和流量施肥,该文基于肥料连续方程推导了解析解,由计算机控制流入施肥罐的流量和直接流过主管道进入灌溉系统的流量。在此基础上,该文通过试验数据验证了施肥罐内水肥流动数学模型,对解析解控制压差式施肥罐的恒定浓度和流量施肥进行了模拟,模拟结果与解析解的相对偏差小于15%,验证了该均匀施肥方法的合理性。结果表明以最优肥液浓度的±50%为界,传统压差式施肥罐使用过程中约有70%～80%的肥料处于过量施肥或不充分施肥范围内,通过均匀施肥方法,可以基本实现灌溉过程中基于压差式施肥罐的施肥均匀。     

地下滴灌系统施肥灌溉均匀性的田间试验评估

该文对影响地下滴灌系统性能的两个重要因素施肥装置类型和滴灌带埋深进行了田间评估.施肥装置包括国内外常用的压差式施肥罐、文丘里施肥器和比例施肥泵三种类型,滴灌带埋深包括0、15和30 cm 3个水平.结果表明,滴灌带埋深与施肥装置类型对滴头流量和灌水量均匀性的影响均未达到显著性水平(a=0.05),而施肥装置类型对施肥量均匀性的影响达到极显著水平(a=0.01).对给定的毛管埋深而言,压差式施肥罐的施肥量变差系数高于比例施肥泵和文丘里施肥器.对不同施肥装置的施肥量变差系数与灌水量变差系数之间关系的回归分析结果指出,比例施肥泵和文丘里施肥器的施肥量变差系数与灌水量的变差系数相当,但压差式施肥罐的施肥量变差系数比灌水量变差系数大40%左右.因此在进行微灌系统设计时应将施肥装置类型和性能作为一个因素加以考虑,并宜优先选用输出肥液浓度恒定的施肥装置.     

微灌系统压差式施肥罐施肥性能试验研究

压差式施肥罐是中国应用最多的微灌施肥装置,但尚未形成明确的运行操作规程。该文对不同施肥量和压差条件下施肥罐出口肥料溶液浓度的动态变化进行了测试和分析。试验中施肥量选用13、26 kg两个水平,通过施肥罐的压差选用0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 MPa 6个水平,而所有试验中施肥罐出口压力固定为0.10 MPa。研究结果表明：通过施肥罐的流量随压差的增大呈幂函数关系增加,施肥罐出口肥液浓度随时间持续减小,施肥开始阶段尤为明显;由于压差是影响肥液浓度变化的最主要因子,为了在微灌系统内获得均匀的肥料分布,保证施肥开始后和施肥过程中压差稳定至关重要。该文还建立了可用于估算肥液浓度动态变化和肥液浓度衰减为零时的回归模型。     

考虑肥料溶解的压差施肥罐出口肥液浓度计算方法

压差施肥罐在中国的水肥一体化中得到了十分广泛的应用。该研究基于含源项的肥料输移扩散连续方程推导了考虑肥料溶解的压差施肥罐出口肥液浓度变化的理论公式,并通过参数描述肥料溶解过程对压差施肥罐出口肥液浓度变化的影响。通过与试验数据对比,理论公式计算的无量纲出口肥液浓度平均绝对偏差、均方差、几何平均偏差、几何方差和两倍偏差之间的预测分数的平均值分别为0.04、0.06、0.89、1.19和88.26%,验证了理论公式对出口肥液浓度计算的准确性。当参数取特定值时,理论公式可以转化为目前广泛应用的无量纲出口肥液浓度压差施肥罐出口肥液浓度的负指数公式。在此基础上,当罐内肥液浓度持续饱和且有充足的肥料可供长期溶解施肥时,考虑肥料溶解过程的均匀施肥方法被进一步探讨。该研究提出的考虑肥料溶解的压差施肥罐出口肥液浓度的计算方法可以实现压差施肥罐出口肥液浓度的准确预测,为考虑肥料溶解的均匀施肥提供可行方案。     

水稻田间育秧水肥药变量喷灌装置设计与试验

为解决南方水稻工厂化田间育秧水肥药人工管理作业中存在的灌溉均匀性差、化肥和农药浪费以及劳动强度大等问题,该研究设计了一种水稻田间育秧水肥药变量喷灌装置,阐述了水肥药变量喷灌装置总体结构和工作原理,进行了关键部件设计与试验;以可编程逻辑控制器（programmable logic controller,PLC）为控制核心,构建了注肥量在线调控及整机变量喷灌控制系统。采用Box-Behnken试验设计方法,对装置喷灌均匀性与主要影响因素进行试验研究,应用单目标优化方法对喷灌关键参数进行优化,并通过验证试验,得到最优参数组合为：干管入口水压0.20 MPa、球阀开度90°、喷头喷角80°,此时装置的喷灌均匀性为92.69%;构建了氯化钾肥液质量浓度与电导率（electrical conductance,EC）值的线性模型,开展了装置变量灌溉施肥性能试验,3种喷灌等级下各作业区的肥液EC值分别为1.65、1.66和1.68 mS/cm,平均喷灌强度分别为900.85、1092.04和1263.67 mm/h,施肥均匀系数分别为85.21%、87.86%和91.62%。采用水肥药变量喷灌装置开展水稻育秧田间管理试验,华航51常规稻和广8优165杂交稻的秧苗长势均匀度均高于95%,成毯性良好,各项素质指标满足机插作业要求。所设计的水肥药变量喷灌装置能够满足水稻田间育秧水肥药变量喷灌作业要求,对提高水稻工厂化田间育秧机械化水平、保证秧苗质量具有实际应用价值。     

三种水力驱动比例式施肥泵吸肥性能试验

为保障微灌系统首部施肥装置选型的合理性,通过试验研究比较了3种类型水力驱动比例式施肥泵的吸肥性能,分析了影响施肥泵入口流量和吸肥量的因素。结果表明：入口流量受施肥管道两端压差影响,但受进口压力影响不大。建立了各施肥泵入口流量的回归模型,比较得出：3种施肥泵入口流量与压差关系分别符合幂函数、对数函数和二次函数关系,这主要是因为施肥泵最小工作压差和不同压差下运行性能的差异;施肥泵吸肥量受入口流量和压差影响。高压、大流量的运行工况会影响施肥泵施肥效果,施肥泵工作时入口流量最好不要超过设计流量,施肥比例较小时入口流量更不能过大。在分析吸肥量影响因素的基础上,建立了施肥泵吸肥量的回归模型,可用于吸肥量的估算;同时,研究发现3种施肥泵基本按照所设施肥比例施肥,但稍有差异、精度不一。     

方形喷洒域喷灌装置的研制与试验

针对圆形喷洒域喷头导致漏喷、水量重叠和界外喷洒的突出问题,该文研制了一种适用于无风环境的方形喷洒域喷灌装置以提高喷灌均匀度和水资源利用效率。该装置主要由摇臂式喷头、连杆机构和凸轮组成。利用调节喷头仰角的方式改变其射程使摇臂式喷头喷出方形喷洒域,通过凸轮滚子与凸轮接触部分阻力的变化调整喷头转速提高了装置的喷灌均匀度。测试了该装置在工作压力为400 k Pa,喷头仰角变化范围5°~30°,流量4.14 m3/h工作条件下装置的性能,试验结果表明,该装置可喷洒30 m×30 m的正方形区域,其方形喷洒域系数高达92.06%,喷灌均匀度为82.07%,界外喷灌量占总喷灌量的1.32%,喷洒地块边角部分时比圆形喷洒域喷头界外喷洒量减少了13.53%。因此,该装置能较好的实现方形喷洒域、降低了界外喷洒量、减少了多个圆形喷洒域喷头组合灌溉时所产生的重叠,为改善喷灌均匀度和提高水资源利用效率提供了新的思路和方法。     

气力集排式变量排肥系统分层施肥量调节装置研制

为提高分层施肥作业中肥料分配的精确性和稳定性,实现化肥按比例分层施用,该文设计了一种气力集排式变量排肥系统分层施肥量调节装置,通过理论分析与参数计算确定了分层施肥量调节装置关键部件的结构和基本工作参数。运用离散元法与计算流体动力学耦合仿真方法,选取拨齿旋转锥的转速、入口风速和施肥速率为试验因素,以各出肥口出肥量的变异系数为试验指标,进行二次旋转正交组合仿真试验,建立了试验指标与影响因素的回归模型。在旋转锥转速735r/min、入口风速36 m/s、施肥速率0.42kg/s、分肥比例1:2条件下,对分层施肥量调节装置进行了台架试验,试验结果表明,各出肥口出肥量变异系数均小于5.18%,分肥比例误差小于2.68%,与仿真试验优化所得结果相吻合,满足施肥作业要求。研究结果可为气力集排式排肥装置的设计与优化提供技术参考与理论支撑。     

阀门调节式比例施肥泵性能分析与试验

为探明阀门调节式比例施肥泵的工作原理及水力性能,该研究针对施肥泵的结构原理及主要性能参数进行了分析,同时还进行了其水力性能的相关试验。研究结果表明:在进出口压差一定时,随着施肥泵三通阀角度的增大,进口流量先减小后增大,在所有正常工作压力下都呈现同样的趋势。施肥比例与三通阀的水平分流比成正比,且可以实现0.07%到0.35%范围内的连续变化。在正常工况下(进出口压差在0.06～0.18MPa),三通阀角度为90°时,能量转换效率随着进出口压差的增大而增大;施肥比例稳定度为95.91%,表明施肥泵在不同进出口压差下工作时的施肥比例较为稳定。研究结果可为比例施肥泵的整体设计及优化提供指导。     

风送式水稻侧深精准施肥装置的设计与试验

针对中国水稻施肥机械化程度低,传统撒施肥料利用率低、施肥量大的现状,结合侧深施肥农艺特点,对风送式排肥方法进行了理论分析,研制了风送式水稻侧深精准施肥装置。该装置采用模块化设计与乘坐式插秧机配套使用,采用电机驱动排肥、风送肥料、全球定位系统(global position system,GPS)测速的工作原理,侧位深施化肥的施肥方式,采用车辆行驶速度与排肥驱动电机转速实时匹配的精准施肥控制方法。设备在黑龙江七星农场开展了田间实际作业试验。试验表明,该装置与插秧机配合使用时能一次性完成插秧与侧深精准施肥作业,当预置施肥量为300 kg/hm2,车辆稳定行驶速度为1 m/s时,施肥量偏差控制在5.82%以内,能够较好的满足实际生产需求。该研究为开展水稻变量施肥控制技术研究和水稻侧深施肥装置的研发提供了参考。     

基于单片机控制的变域喷洒喷头水力性能试验

为解决变域喷洒喷头能耗过高、喷头节能效果不理想的问题,设计了基于单片机的控制器调控水泵转速,改变喷头工作压力,实现变域喷洒,研究喷头实现方形域喷洒时的水力性能和能耗。结果表明:方形域喷头工作压力实测值为107~225 kPa,能精确响应设计规律;实测射程变化范围为7.6~10.1 m,最短射程为最长射程的0.75倍,射程变化满足方形域喷洒要求;方形域喷洒实现程度的系数为97.2%,高于使用节流装置的方形域喷洒喷头;平均喷灌强度为2.8 mm/h,最高组合均匀度系数达77.7%,最佳组合间距为13~14 m,组合均匀度和组合间距与185 kPa时圆形域喷头一致。方形域喷洒比圆形域喷洒的能耗低30.3%。该研究可为变域喷洒提供一种低能耗的新模式。     

中心支轴式喷灌机喷头配置方法及其数学模型

以中心支轴式喷灌机结构尺寸为约束条件,以单位时间灌水深度和机组运行角速度为初始参数,对喷头配置方法进行了系统研究,建立了喷头配置数学模型,并开发出喷头配置软件。利用该方法和数学模型可确定中心支轴式喷灌机的最佳喷头配置方案,同时得出与该方案相匹配的机组入机流量和入机压力。该喷头配置模型和软件通用性强,可方便地用于各种长度的中心支轴式喷灌机,对于提高中心支轴式喷灌机的灌水均匀度,发挥机组及配套水泵的最佳性能具有重要意义。     

太阳能驱动喷灌机组行走动力和光伏功率匹配设计与试验

为明晰太阳能驱动喷灌机组动力匹配设计理论和方法,促进太阳能喷灌机组推广应用,解决能源短缺地区的灌溉动力问题.文章以课题组研发的太阳能驱动喷灌机组为平台,通过对机组工作方式和行走驱动理论进行分析,构建了一种太阳能驱动喷灌机组动力需求与光伏功率匹配设计方法.通过试验对机组行走驱动需求功率计算理论进行了验证,并以夏季典型晴天下机组累积最大工作时长和设计日标准工作时间为标准,分别从纵向和横向上对机组日工作能力和光伏系统供电性能进行了分析.结果表明:喷灌机组行走驱动功率实测值与理论计算值基本吻合,最大相对误差为7.3％,进一步验证了行走驱动功率理论计算的可靠性;夏季典型晴天下,机组累积最大工作时间随机组喷灌功率和运行速度减小而变长,以试验当天为例,当机组以最大设计流量、最大运行速度处于最大负荷工况下时,最大工作时间接近20 h,表明机组工作能力较强;以机组设计日8h工作时间为准,在2016年7月进行了为期一个月的光伏供电监测,从横向上对系统供电能力进行分析,结果显示在为期一个月的检测过程中系统总缺电时数8.75 h,占系统总供电时长的3.5％,表明光伏供电系统可靠性较高.该研究为实现太阳能与农业机械相结合、太阳能喷灌机组驱动系统方案设计与优化,促进太阳能驱动喷灌机组在实际工程中的推广应用,解决能源短缺地区灌溉动力问题提供了参考.     

卷盘式喷灌机灌溉施肥计算模型与综合评价体系构建

卷盘式喷灌机实现精准水肥一体化作业对农作物生产具有重要意义。该研究以卷盘式喷灌机为研究对象,开展了桁架式喷头车选配的低压喷头径向水量分布特性测试,构建了低压多喷头组合喷灌水量分布模拟模型,提出了水肥一体化条件下灌溉施肥参数计算模型,建立了基于喷灌均匀系数、设计喷灌强度、单机控制灌溉面积、单位面积年投资、年运行费5个指标的卷盘式喷灌机综合评价体系。研发了一款基于Web平台的卷盘式喷灌机灌溉施肥参数设计软件,以北京地区种植冬小麦为例,对JP75-300卷盘式喷灌机桁架式喷头车配置三款低压喷头进行方案优选,采用主成分分析法对初筛的12种机组运行方案进行综合评价,最高综合得分0.78为最优运行方案,即喷头类型PG134、工作压力0.15 MPa运行方案下机组喷灌均匀系数为88.96%,喷灌强度为57.31 mm/h,单机控制灌溉面积为5.05 hm2,单位面积年投资1 981.04元/hm2,年运行费为1 019.99元/hm2。研究成果可为卷盘式喷灌机灌溉施肥的参数设计和设备选型提供技术支持。     

喷灌技术在北方缺水地区的应用前景

北方灌区在国家粮食安全战略中具有重要地位,但用水效率不高,浪费现象严重,加强节水灌溉研究是推动中国节水农业可持续发展的重大战略举措之一。喷灌是一种技术成熟、应用广泛的节水灌溉方式,在北方地区具有广阔的前景。在分析中国北方缺水地区喷灌发展的现状与制约因素的基础上,通过实例对畦灌和喷灌2种灌溉方式及固定式、优化型固定式、半固定式喷灌系统的投资、效益、劳动强度等指标进行了比较分析,结果表明每公顷喷灌投资较畦灌减少77.85%,其中每公顷节省用水量56%,节省水费468.75元/hm2,半固定式喷灌系统较固定式喷灌系统和优化型固定式喷灌系统的费用分别减少70.62%、48.86%,但它的劳动强度较高。最后,从增加政府投入,强化喷灌工程统一管理,降低成本,加强喷灌技术研究和大型喷灌机的研发与推广等角度提出了未来喷灌发展的战略对策。该文为缓解北方地区水资源短缺和大力发展推广喷灌技术提供指导。     

基于PWM技术的大型变量喷灌机整机水力性能研究及优化

基于脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）技术的变量喷灌机虽然能实现更精细的地块水分管理,但因实现变量的电磁阀的持续开闭动作,喷灌机主输水管道内流量呈现持续的阶跃变化,进而导致变量喷灌过程中存在压力脉动和机械激振现象。该研究基于Matlab/Simulink,对基于PWM技术的大型变量喷灌机在变量喷灌过程中的压力脉动进行了研究分析及改善优化。针对已研制的基于PWM技术的大型变量喷灌机实体系统,首先构建了其关键器件和整机的水力模型,并验证了模型的正确性。然后基于所建模型,对变量喷灌机的压力脉动进行了分析,得到了变量喷灌过程中的压力脉动规律,进而提出了PWM脉冲相位错开的缓减方法,并介绍了该方法的3种具体实施方式,即\     

喷灌条件下花生水肥耦合效应的田间试验研究

水肥是影响作物产量的两个重要因子,合理的灌溉与施肥是作物增产的主要途径。通过采用喷灌灌水技术,对花生水肥耦合效应进行田间试验研究,探讨了不同灌水施肥处理对花生产量、耗水规律、氮素运移等的影响,建立了反映花生产量与施肥量、灌水量关系的数学表达式,提出了喷灌条件下花生不同生育期适宜的灌水计划湿润层深度。     

喷灌条件下玉米地土壤水分动态与水分利用效率

为了探索适宜于鄂尔多斯高原玉米的最佳喷灌定额和节水效果,在鄂尔多斯市赛乌素镇喷灌示范基地内进行了田间试验,研究了喷灌和管灌方式下玉米地土壤水分动态、玉米产量及其构成因子和水分利用效率（WUE）的变化。结果表明：喷灌区土壤含水率在玉米全生育期内变化幅度较小,20～60?cm土层的含水率略高于其他土层,管灌区变幅较大;喷灌水入渗速率明显低于管灌;喷灌灌溉定额主要通过影响单穗粒数和单位数量粒籽质量影响玉米粒籽产量,对玉米穗数也有一定影响,当喷灌灌溉定额大于4?965?m3/hm2时,喷灌与管灌产量无明显差异,灌溉定额5?430?m3/hm2时,喷灌WUE可提高到1.26?kg/m3,比管灌提高17.76%;耗水量70.40%～88.90%来自于灌溉,且随灌溉定额的增加,所占比例增加;试验地从播种到定苗期需补充灌溉,否则玉米穗数（株数）会显著降低。     

基于弹道理论坡地喷灌水量分布模拟及均匀度计算

为解决坡地喷灌水量分布实测困难的问题,该文基于弹道轨迹方程,考虑水滴运动蒸发,通过三维坐标系降维转化,计算坡地喷灌水滴空间运动轨迹,以平地实测水量分布为基础,根据水量平衡原理,建立坡地喷灌水量分布计算模型。结果表明,实测与模拟的水量分布、射程的相对误差小于9%和5.04%,说明建立的模型能够准确反映坡地喷灌水量分布规律,具有一定的可靠性,可应用于坡地喷灌系统设计。以雨鸟LF1200喷头为研究对象,应用模型重点分析地形坡度、喷头布置方式、间距和工作压力等因素对喷灌均匀度的影响,结果表明,在95%的置信度下,地形坡度、喷头工作压力、布置方式和间距对喷灌均匀度的影响均呈显著水平,其中喷头工作压力影响最大,布置方式和喷头间距影响次之,地形坡度影响最小,且在一定坡度范围内,地形坡度对喷灌均匀度的影响远小于工作压力、喷头布置方式和间距。在坡地喷灌系统设计时,如果选用雨鸟LF1200喷头,须保证喷头在正常工作压力下运行,不宜低压作业,应优先考虑方形布置,在兼顾系统成本和喷灌质量时,建议喷头间距宜为其平地射程的0.8倍,且喷头不宜在15°以上的坡地作业。研究可为坡地喷灌系统规划设计提供参考。     

恒压喷灌系统田间允许调压范围的研究

恒压喷灌系统田间允许调压范围是系统设计的重要参数,关系到田间灌水质量。针对恒压喷灌系统几种压力变化情况,通过试验得到了系统的压力变化规律及一些常用喷头的旋转周期、喷洒强度等随压力变化的一些基本资料,分析了压力变化对平均喷灌强度及组合均匀度的影响。结果表明,在一定压力变化范围内,系统压力的周期变化对平均喷灌强度及组合均匀度影响较小,但不同时段系统在不同压力工况下工作时,则对其影响较大。由此建立了田间喷灌强度及组合均匀度与压力变化的相互关系,给出了根据田间灌水质量要求所确定的压力变化幅度的计算式。