一种基于稳态通气原理的地下滴灌堵塞程度原位定量诊断方法与诊断系统

摘要

本发明公开了一种基于稳态通气原理的地下滴灌堵塞程度原位定量诊断方法及诊断系统，系统包括供气设备（1），供气设备（1）的出气管上连接气流阀（2）和气体流量计（3），特点是供气设备（1）的出气管通过第一连接软管（4）与三通（6）的一个支管连接，三通（6）的一个支管通过第二连接软管（9）与气压测量计（5）连接，三通（6）的另一支管与第三连接软管（10）连接，第三连接软管（10）与待测的地下滴灌毛管相通连接；其诊断方法是基于地下滴灌毛管的空气传导原理，通过建立空气传导特征参数与灌水器堵塞状况的定量关系，达到对地下滴灌堵塞状况快速、原位、定量的诊断。

说明书

技术领域

本发明涉及农田灌溉技术领域，具体地讲是一种基于稳态通气原理地下滴灌堵塞程度原位定量诊断方法与诊断系统。

背景技术

地下滴灌的毛管和灌水器埋于地下，灌溉水、肥可直接输送到作物根区，有效地减少了地表蒸发和深层渗漏，显著提高了水肥利用率，地下滴灌技术发展前景广阔；但地下滴灌的存在堵塞问题，除了传统的由灌溉水质引起的堵塞以外，根系入侵和负压吸泥也是造成其堵塞的重要诱因之一，因而与地表滴灌相比地下滴灌更易引起堵塞；一旦灌水器堵塞，需要经过长时间的运行，待作物有所反映后方能发觉，而此时系统的性能，尤其是灌水均匀性已远远偏离设计值。

在地下滴灌系统运行过程中检测或发现灌水器的堵塞行为相当困难，灌水器的堵塞往往是一个比较长的过程而并非是某一个时刻突然发生的。灌水器的堵塞会影响灌水器本身的水力性能，导致灌水器流量降低并且破坏其湿润方式，同时也会影响整个滴灌系统的使用效果，堵塞的灌水器会使灌溉系统的压力加大，从而使得未堵塞灌水器流量加大。实验发现即使只有少量灌水器发生堵塞也会大大降低地表滴灌系统的出水均匀度，当5%的灌水器堵塞时，滴灌系统的压力及水泵的工况均发生变化，其反应的敏感程度与水泵的性能及管网水力学特性有关，并且被堵塞灌水器的数量及堵塞发生的部位是影响滴灌系统出水均匀度最为重要的因素。能否适时、正确的监测地下滴灌系统的运行状况，成为正确使用地下滴灌系统的一个技术难题。

由于毛管和灌水器都埋于地下，地下滴灌系统灌水器易堵塞且堵塞的监测和修复都存在较大困难，使得堵塞成为制约地下滴灌推广应用的一个关键问题。目前，对地下滴灌系统堵塞状况判断一般采取开挖测量法，将灌水器挖出在现场直接量测其流量变化，作为评价地下滴灌灌水器的性能参数。考虑到地下滴灌灌水器在空气介质和土壤介质中出流量的差异，从严格意义上讲，此时的评价己不能反映地下滴灌灌水器的真实运行状况。考虑到开挖测量法对地下滴灌系统有一定的破坏作用，需要耗费大量的人力物力，并且该方法对堵塞的判断方法往往存在扰动性和时间上的滞后性，或者因系统工作压力、土壤水分等因素干扰而精度不高的问题。

发明内容

本发明的目的是克服上述已有技术的不足，而提供一种基于稳态通气原理的地下滴灌堵塞程度原位定量诊断方法。

本发明的另一目的是提供一种基于稳态通气原理的地下滴灌堵塞程度原位定量与诊断系统。

本发明主要解决现有的开挖测量法对地下滴灌系统有一定的破坏作用、耗费大量的人力物力、对堵塞的判断方法存在扰动性和时间上的滞后性及精度不高等问题。

为了达到上述目的，本发明是这样实现的：一种基于稳态通气原理的地下滴灌堵塞程度原位定量诊断系统，它包括供气设备，供气设备的出气管上连接气流阀和气体流量计，其特殊之处在于供气设备的出气管通过第一连接软管与三通的一个支管连接，三通的一个支管通过第二连接软管与气压测量计连接，三通的另一支管与第三连接软管连接。

本发明的一种基于稳态通气原理的地下滴灌堵塞程度原位定量诊断系统，其所述的供气设备为带贮气罐的空气压缩机。

本发明的基于稳态通气原理的地下滴灌堵塞程度原位定量诊断方法，其特殊之处在于它包括如下步骤：

a选择一待测点，利用连接软管将地下滴灌毛管的一端与供气设备的出气管相联通，并确保地下滴灌毛管除开孔外无其他与外界连通的通道；

b利用供气设备连续向地下滴灌毛管供气，直到供气流量和毛管内的气体压力到达某一稳定状态时停止供气，并记录稳定压力                                                和流量Q_s的数值，改变供气强度后重新供气，直到供气流量和毛管内的气体压力到达新的稳定状态时停止供气，如此反复3~5次；

c以稳定流量Q_s为因变量，稳定压力为自变量，利用EXCELL或其他分析软件分析Q_s~的关系，确定二者之间所呈直线的斜率，将其代入公式即可计算出所测地下滴灌毛管的开孔数，从而判断地下滴灌的堵塞程度。

为了减少水分因素对土壤导气率的影响，诊断测试必须在土壤含水率低于田间持水量的条件下进行，并且不同时间的诊断测试尽量在相近似的土壤水分条件下进行。

本发明所述的一种基于稳态通气原理的地下滴灌堵塞程度原位定量诊断方法及诊断系统与已有技术相比具有突出的实质性特点和显著进步：1、测量在野外原位进行，对土壤扰动性极小，对地下滴灌毛管系统无任何破坏，所测结果真实反映了地下滴灌毛管系统的堵塞状况； 2、利用稳态土壤导气原理，建立堵塞状况测算模型，测量过程简单、耗时少，效率高；3、系统结构简单、易于操作，成本远远低于目前常用的测量设备，且使用和管理维修方便。

附图说明：

图1为本发明的诊断系统的结构连接示意图；

图2为一维边界条件下土壤导气率的测量工况；

图3为三维边界条件下土壤导气率的测量工况。

具体实施方式：

为了更好地理解与实施，下面结合附图给出具体实施例详细说明本发明。

实施例1，参见图1，采用带贮气罐的空气压缩机作为供气设备1，带贮气罐的空气压缩机的出气管上连接气流阀2和气体流量计3，气流阀2调节空气流量，出气管通过第一连接软管4与三通6的一个支管连接，三通6的一个支管通过第二连接软管9与气压测量计5连接，气压测量计5用于测量空气压力，三通6的另一支管与第三连接软管10连接，第三连接软管10与地下滴灌毛管8的一端连接，从而连接成本发明的一种基于稳态通气原理的地下滴灌堵塞程度原位定量诊断系统。

实施例2，采用实施例1的诊断系统，选择一待测点7，利用连接软管将地下滴灌毛管8的一端与供气设备的出气管相联通，并确保地下滴灌毛管除开孔外无其他与外界连通的通道；利用供气设备连续向地下滴灌毛管供气，直到供气流量和毛管内的气体压力到达某一稳定状态时停止供气，并记录稳定压力和流量Q_s的数值，改变供气强度后重新供气，直到供气流量和毛管内的气体压力到达新的稳定状态时停止供气，如此反复3~5次；以稳定流量Q_s为因变量，稳定压力为自变量，利用EXCELL或其他分析软件分析Q_s~的关系，确定二者之间所呈直线的斜率，将其代入公式即可计算出所测地下滴灌毛管的开孔数，从而判断地下滴灌的堵塞程度。

公式的推导如下：

1. 地埋点源土壤导气率计算模型

一维边界条件下土壤导气率的测量工况如图2所示，稳态法对应的计算公式为：

        （1）

上式中：L为被测土柱的长度（m）；为空气粘滞系数，与所处环境温度有关，；为稳定气体通量，；A为被测土柱的横截面积（m²）; 为与稳定气体通量对应的被测土柱承受压力与周围大气压力间的气压差，。

三维边界条件下土壤导气率的测量工况如图3所示，稳态法对应的计算公式为：

         （2）

上式中、和含义同前，D表示所测土柱的直径，m；G为与有关的形状系数,，L表示测管插入土壤的的深度，m。

考虑到一维和三维的差别，三维边界条件下气体通过的范围可以分解成两部分，从土壤表面到测管末端之间的部分可考虑为一维状态，设其长度为L，测管以外气体经过部分的土体为另一部分，其范围很难精确判断，出流过程为典型的三维问题。为了使问题简化，将这一部分土体抽象为横截面积为A而长度为的一维土柱，其对通过气流的影响与作用与原来的土体等效。在上述假设条件下，则可利用一维公式计算土壤的导气率：

      （3） 

上式中：

       （4）

把称作土壤等效长度。

假设土壤为均质、各向同性的多孔介质，则三维条件下导气率测量值应与一维条件下测算值相等，即：

   （5）

由上式可得：

      （6）

式（6）即为三维边界条件下被测土壤的等效长度表达式。

假设地埋点源为一直径为D的圆孔，埋至于地表以下L深度处，地埋点源土壤导气率的测量工况如图1所示，该条件下气体通过的应是部分，由式（4）和式（6）得：

        

将式（7）代入式（1）得到稳态条件下地埋点源土壤导气率计算模型：

  （8）

2、地埋线源土壤导气率计算模型

对于地下滴灌毛管而言，可将其视为地埋线源系统，即由n个规格一致的点源串联而成，在稳态供气条件下，每个点源的压力相互一致均为测量值，每个点源的气体通量应为总通量的1/n即，据此可得由n个规格一致的点源串联而成的线源导气率测算公式为：

      （9）

3、地下滴灌堵塞程度诊断模型与计算方法

由式（9）可得地埋线源中点源个数与土壤导气率及其它参数之间的关系：

      （10） 

在上式中，针对具体的线源毛管和测量系统、A、D、G和L均为定值，为空气粘滞系数亦为定值，因此根据特征参数的测量结果就可以对点源通气个数进行计算，进而得到地下滴灌毛管的堵塞程度，此即基于稳态通气特征参数的地下滴灌毛管堵塞程度诊断的计算方法。