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   直列并排文氏管注入器肥灌系统之养液输出性能研究






    

    摘 要

    肥灌系统的主要功能是将调配好的高浓度养液经过适当输出量控制,让适量的养液与灌溉水稀释混合后输送到作物根部区域,提供作物各阶段生长所需,减少肥料与水资源浪费,具有节能减碳的功能。文氏管注入器的特性是没有驱动元件,具有故障率低与不耗电的优点,其流量输出重现性不错,5组文氏管注入器之试验數据变化呈现稳定且集中的结果,误差约± 3%;养液输出量随养液桶水位高度升高而增加,因此水位高度对吸入量有决定性的影响,而且1.5 m与0.0 m之输出差值高达0.65  /min ,误差为20% ,因此建议养液桶底面积越大越好,减少水位高度对输出量的影响;实测值比浮球面积式流量计之设定值为小,误差百分比由0.26% 到8%不等,此误差值远小于养液桶之水位误差,电子式流量计之测值经过校正试验,重现性很好,可据以了解养液实际输出量。养液桶水位高度0.0 m 时养液实际输出量约3.18 至3.52 /min ,因此,养液输出设定值以小于3 /min 为佳,此资料可配合主管路流量作为调配肥料稀释比例之依据。整体性能显示文氏管注入器确实可用于养液灌溉系统。

    关键字:文氏管注入器、肥灌、水位、养液。

    前 言

    挪威諾贝尔委员会将2007年諾贝尔和平奖颁给聯合国跨政府气候变迁专家小组(IPCC),及同样为气候变迁付出贡献,致力于宣传其环保意識的美国前副总统高尔。颁发諾贝尔和平奖给IPCC和高尔,是根据保护未來全球气候,对过程和决策有敏锐专注的贡献,借此得以降低对人類生命安全造成的威胁。大范围的气候变迁有可能改变并威胁到大部分人類的生存环境。另外,也有可能引发大规模的迁徙,抑或地球资源的争夺,该委员会不仅强调全球暖化对世界和平造成的威胁提出警讯表示,在气候变迁超出人为可控制的范围前,我们必须立即采取行动(12)。气候变迁与生活在地球上的人们息息相关,气候变迁、温室效应、冰山融解、海平面上升、大雪、豪雨、干旱等天灾需要我们重视与共同落实减碳,避免继续惡化或延缓发生,持续暖化将会影响台湾的气候、生态环境、公共卫生、水资源与经济(4,5,7)。

    灌溉技术随农业发展过程从原始时代的刀具农作,放火垦田及依靠雨水灌溉;进化到传统农业利用农器具的犁具、锄头、镰刀、碾米机具等提升耕种及采后作业效率,及蓄引灌溉用水以稳定生产(2);目前的现代农业从播种到收获机械化与温室省工自动化管理,运用地面加压灌漑提高产量与品质。气候变迁造成气象干旱、农业干旱、水文干旱及旱涝不均之极端现象,严重冲击社会国家安定、经济民生发展与基本的生存环境(13),同时,糧食不足造成的饥荒是引发社会动亂的主因之一,古代文明均沿着各地河川水源发展,农业生产与灌溉水源之丰欠密不可分。农业技术先进国家的灌溉用水占全国总用水高达70%(1),我国98年水旱田合计耕地面积为815,462 ha(9),农田水利会灌溉排水受益地面积为383,165 ha ,灌溉排水受益地面积占水旱田合计耕地面积47%(10),农业灌溉面积扩大的结果是需要继续开发新水源,而水资源的过度开发衍生水量分配与环境惡化等问题(1)。根据经济部水利署97年水利统计资料,公务统计报表之水资源供需统计资料显示,台湾地区总供水量17,978 百万立方公尺,其中农业灌溉用水11,212 百万立方公尺,占总供水量72% ,生活用水占总供水量19% ,工业用水占总供水量9%(11),农业灌溉用水若要减量,除品种改良研究耐旱品种之外,亦必须重视节水灌溉技术之开发、研究与推广运用。灌溉方法分为淹灌、喷灌、微喷灌、滴灌与地下滴灌(SDI)(2,14,15),农业灌溉及过量施肥会导致营养素污染地下水与地表水。普遍采用的淹灌,水的使用效率低,1/3到1/2的灌溉水流失,带走可观的养分,整合施肥与灌溉技术的肥灌系统之水资源利用率较高,约从70% 到95% ,水和养分的流失可以获得较佳控制,具有减低肥料对环境污染之效果。肥灌可以藉由滴灌频繁的供给作物养分,根据作物之需要管理灌溉水量,准确且均匀的施用养分到有效根聚集的潮湿区域,调整肥料比例与浓度促成作物产量与品质最大的提升,以及根部下方最小的渗流损失(15,16)。 1994年以色列需要灌溉的园艺作物有90% 通过灌溉进行施肥,其温室种植全部采用微灌,以滴灌为主,其温室滴灌的最高水分利用率可达95%(1,15)。 SDI 比喷灌少24%的渗漏损失,相同产量条件下,SDI 之用水量较少,定时器时间灌溉的土壤水分变动较大(14)。养液注入器的种類有很多种,包括注入式膜片帮浦(3,6)、比例稀释器、定量帮浦、压差混合出肥、文氏管(Venturi) 注入器等,栽培介质为土壤时,采用文氏管注入器抽吸养液与灌溉水混合输送到田区植物根部,或采毛细管原理运用不同直径和长度之细管尺寸变化调节流量以进行养液稀释是可行方式,此二种方式混合的精准度不高,但是土壤具有耐受20% 浓度变化之缓冲能力,应该可以使用。无土栽培可利用活塞式注入器,活塞帮浦具有定容量排出的特性,每一行程注入等量的养液至水流中,故混合比例比较稳定(8)。肥灌系统栽培胡瓜之年灌水量仅为传统淹灌方式的43.4% ,节省灌溉水达56% 。每日少量多次自动肥灌6 至8 次,调查胡瓜产量、果实性狀、葉片性狀等均在水准之上,显示自动施肥灌溉系统能够充分发挥省工、省水、省肥之效益(6),但是养液隔膜帮浦负责输送养液注入主管路的方式具有耗电、驱动器及马达可能故障之缺点,因此本研究改用目前国外普遍采用的文氏管注入器取代隔膜帮浦,文氏管注入器没有驱动元件,具有故障率低与不耗电的优点。本研究试验直列并排文氏管注入器肥灌系统之养液输出性能及试验结果作为调配肥料之依据。

    材料与方法

    材料

    文氏管注入器5 组直列并排,每组包含管径9.5 mm电子式流量计、球阀、透明浮球面积式流量计、附止逆功能电磁阀及3 口式文氏管注入器及連接管路由令等。主管路帮浦为220V,2.2 kw ,管径50 mm 之離心式帮浦;养液帮浦为义大利制CALPEDA 220V,2.2 kw ,9 m3/h ,管径30 mm之多段直立式帮浦,管路配置如图一,另有养液桶、水桶、过濾器、管径50 mm电子式流量计、指针式压力表、电子式压力计、50 mm管径田区电磁阀等其他材料。直列并排第1 组最靠近多段直立式帮浦,第5 组最靠近主管路三通入口。

    方法

    一、流量计校正试验:本试验之目的为试验輪葉电子式流量计之性能及获取各组文氏管注入管路每分钟之流量资料,作为开启与关闭养液电磁阀之基准,控制养液之输出量。主管路流量计选用Digiflow FlowX3流速0.15~8 m/s ;养液流量计选用SPX-038-01-13 流量范围0.27~18.9  /min 。将养液吸入水管分别接到5 只20  养液桶,养液桶置于15 kg电子式磅秤上,试验前后记錄磅秤數值,其差值即为该次养液吸入量。选择养液控制系统之「流量计调整校正」功能画面,设定5 组文氏管吸入脉波數为1,000 pulse ,按下「测试」键系统开始作业,流量计撷取1,000 pulse后系统停止,讀取磅秤數值之差值即为实际养液吸入量,将此數值填入「实际量」位置,系统自动算出新的「pulse/L」值取代原先的旧值;再次按下「测试」键,系统运转后「显示值」欄位显示该「pulse/L」下之流量应为1.0  /min ,重复试验3 次。本试验养液入口之球阀开度保持最大。

    二、最大吸入量试验:养液吸入口球阀开到最大,启动系统运转约1 分钟排除管路空气,水桶装水约15  置于磅秤上,记錄磅秤讀值,控制系统手动同动功能设定連续运转1 min,运转期间记錄主管及文氏管出口端之压力值,记錄运转后磅秤讀值,如此为一处理,每处理三重复。此试验分别针对水桶与磅秤置于地面0.0 m、0.75 m 及1.5 m高处进行试验,比较水位高度对吸入量的影响。

    三、3  定量试验:养液吸入口球阀开到浮球显示3  /min ,启动系统运转约1 分钟排除管路空气,水桶装水约15  置于磅秤上,记錄磅秤讀值,控制系统选择设备测试功能,设定連续运转1 min,运转期间记錄主管及文氏管出口端之压力值,记錄运转后磅秤讀值,如此为一处理,每处理三重复。此试验水桶与磅秤置于0.75 m 高度之桌面进行试验。

    结果与讨论

    流量计校正试验

    试验结果如图二所示,每个电子式流量计之性能均不同,累计1,000 pulse各电子式流量计之流量各为0.98 、1.05 、1.10 、1.02 、1.11 ,标准差小于0.004。图中K 值为原厂提供之數值,与本试验相比较,显示该K 值资料之參考价值不高,还是以实际管路组装后之实测值为准。

    最大吸入量试验

    此试验分别针对水桶与磅秤置于地面0.0 m、0.75 m 及1.5 m高处进行试验,图三为1.5 m之试验结果,标准差从第1 桶至第5 桶分别为0.081、0.061、0.082、0.012及0.084,显示文氏管注入器之流量输出重现性不错,5 组试验數据变化稳定且集中,误差约± 3%。图四为3 种养液桶水位高度呈现之最大养液输出量变化,此种管路配置之最大养液输出量在养液桶水位高度0 .0m时约3.18 至3.52  /min ,1.5 m时最大养液输出量可达3.53 至3.94  /min ,输出量随养液桶水位高度升高而增加,显示水位高度对吸入量有决定性的影响,而且1.5 m与0.0 m之输出差值高达0.65  /min ,如图五所示,若以0.0 m高度之流量为基准,误差高达20% ,因此建议养液桶底面积越大越好,减少水位高度对输出量的影响。

    电子式流量计价格高,除试验用途之外,一般不会装在养液系统上,以降低成本,因此,操作者只看得到浮球面积式流量计的浮球升降來了解流量变化情形,实务上操作者可以根据目视浮球面积式流量计的浮球高度,调整各养液管路之输出量,因此本试验欲了解浮球面积式流量计与实际输出量之差異。各组养液吸入口球阀开到浮球显示3  /min ,控制系统选择设备测试功能,设定連续运转1 min,记錄运转前后之磅秤讀值。此试验水桶与磅秤置于0.75 m高度桌面进行试验。经由本试验取得实际输出量为磅秤之差值,另比较实际值与电子式流量计撷取數值之差異,以了解流量输出性能及藉由浮球面积式流量计与电子式流量计显示之流量与实测值之差異。

    试验结果如图六所示,图中浮球面积式流量计为设定值,试验前后磅秤之差值为实测值,电子式流量计测值直接显示在控制系统面板上。根据试验數据显示实测值标准差从第1桶至第5 桶分别为0.019、0.021、0.011、0.064及0.027;电子式流量计测值标准差从第1 桶至第5 桶分别为0.033、0.068、0.088、0.019及0.077,试验资料之稳定性高。因此,本试验之管路架构性能稳定,试验之重现性很好,图六所示5 组养液注入器以第4 组表现最好,实测值最接近设定值,其他各组的输出量比浮球面积式流量计之设定值为小,显示实际输出量比浮球面19积式流量计之显示值为小,误差百分比如图七所示,由0.26% 到8%不等。图七另一曲线为各组电子式流量计测值与浮球面积式流量计之设定值之差,其差值更大,但是电子式流量计测值小于实测值,因此比较实测值与电子式流量计测值之误差百分比如图八所示,误差百分比介于2%到7.23% 之间,表示实际流量输出大于电子式流量计测值2%到7.23% ,而且电子式流量计之测值经过校正试验,重现性很好,可据以了解养液实际输出量。

    经由以上试验分析,整体性能表明文氏管注入器确实可用于养液灌溉系统。本试验之管路架构性能稳定,试验之重现性很好,5 组养液注入器以第4 组表现最好,实测值最接近设定值,其他各组的输出量比浮球面积式流量计之设定值为小,的误差百分比由0.26% 到8%不等,此误差值远小于养液桶水位高度差異造成的输出量误差20% ,而且电子式流量计之测值经过校正试验,重现性很好,可据以了解养液实际输出量。

    另外根据前期试验,养液注入式膜片帮浦之养液输出性能标准差最大值为0.43 ,平均输出流量为2.05  /min ,误差百分比约21% ,显示养液注入帮浦之输出量差異大,但是观察田间作物生长的表现,该养液注入帮浦之性能已经足够运用在农业介质耕与土耕之生产(6)。本试验文氏管注入器之标准差最大值为0.064,误差百分比为8%,性能远较注入式膜片帮浦佳。本研究试验养液输出性能,养液桶水位高度0.0 m 时约3.18 至3.52  /min ,养液桶水位高度1.5 m时最大养液输出量可达3.53 至3.94  /min ,因此,养液输出设定值以小于3  /min 为佳,此资料可配合主管路流量作为调配肥料之依据。整体性能显示文氏管注入器确实可用于养液灌溉系统。

    结 论

    机械构造自然存在误差,管路误差自是难免,误差大小与成本相关,耗费较高成本可获得越精密的结果,实务上,依据用途的不同,选择适当精密程度的设备是为明智之举。文氏管注入器取代隔膜帮浦,没有驱动元件,具有故障率低与不耗电的优点,其流量输出重现性不错,5 组试验數据变化稳定且集中,误差约± 3%。213 种养液桶水位高度之输出量随养液桶水位高度升高而增加,水位高度对吸入量有决定性的影响,而且1.5 m 与0.0 m 之输出差值高达0.65  /min ,误差高达20% ,因此建议养液桶底面积越大越好,减少水位高度对输出量的影响。第2 组与第4 组流量较集中,受水位高度影响较小,其他三组受到较大的影响,推测原因可能是压力差值不同所致,若要细察原因,需要在各组文氏管吸入端装设真空压力计,进一步试验观察压力变化情形。

    根据试验數据显示本试验之管路架构性能稳定,试验之重现性很好,5 组养液注入器以第4 组表现最好,实测值最接近设定值,其他各组的输出量比浮球面积式流量计之设定值为小,显示实际输出量比浮球面积式流量计之显示值为小,误差百分比由0.26% 到8%不等,此误差值远小于养液桶之水位误差,整体性能表明文氏管注入器确实可用于养液灌溉系统。比较实测值与电子式流量计测值之误差百分比介于2%到7.23% 之间,表示实际流量输出大于电子式流量计测值2%到7.23% ,而且电子式流量计之测值经过校正试验,重现性很好,可据以了解养液实际输出量。

    根据前期试验,养液注入式膜片帮浦之养液输出性能标准差最大值为0.43 ,平均输出流量为2.05  /min ,误差百分比约21% 。本试验文氏管注入器之标准差最大值为0.064,误差百分比为8%,性能远较注入式膜片帮浦为佳。

    本研究试验养液输出性能,养液桶水位高度0.0 m 时约3.18 至3.52  /min ,因此,养液输出设定值以小于3  /min 为佳,此资料可配合主管路流量作为调配肥料之依据。


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