CN102323017B - 一种基于瞬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 - Google Patents

一种基于瞬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 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于瞬态通气原理的地下滴灌堵塞程度原位定量诊断方法与系统，系统包括供气设备，其特点是供气设备带有开关阀门（3）和气门嘴（2），气门嘴（2）与三通（6）的一个支管连接，三通（6）与压力计（5）、贮气瓶（9）顶端的橡皮塞（8）上的一支导气管（7）连接，另一支导气管（7）通过连接软管与地下滴灌毛管密封连接；其诊断方法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、定量诊断的目的。

Description

一种基于瞬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
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瞬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。
背景技术
 近年地下滴灌技术得到较快发展，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；但地下滴灌易引起堵塞问题，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。
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。开挖测量法存在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，而提供一种基于瞬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瞬态通气原理的地下滴灌堵塞程度原位定量诊断系统。
本发明主要解决了现有的对地下滴灌系统堵塞状况判断的开挖测量法有破坏作用、耗费大量人力物力、对堵塞的判断方法往往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：一种基于瞬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，其特殊在于供气设备带有开关阀门和气门嘴，气门嘴通过第一连接软管与三通的一个支管连接，三通的一个支管与压力计连接，三通的另一个支管通过第二连接软管与贮气瓶顶端的橡皮塞上的进气导气管密封连接，橡皮塞上的出气导气管与第三连接软管密封连接。
本发明的一种基于瞬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打气筒；所述的贮气瓶为硬质材质，能承受一定的压力（0.05-0.1MPa）而不变形、不损坏。
本发明的基于瞬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工艺步骤：
a利用连接软管将地下滴灌毛管的一端与贮气瓶的出气导气管相联通，并确保地下滴灌毛管除灌水器开孔外无其他与外界连通的通道；
b把贮气瓶的进气导气管与打气筒利用连接软管相通连接并确保连接处密封不漏气，利用打气筒连续向贮气瓶供气，直到贮气瓶内的气体压力到达预定值停止供气，同时将供气设备上的开关阀门关闭，以保持贮气瓶的气体不会通过连接软管流出；
c从贮气瓶内封闭的气体压力到达预定值开始计时，观测封闭气体压力P(t)的动态，并做好记录，以                                               
Figure DEST_PATH_IMAGE002
为因变量，时间t为自变量，利用EXCELL或其他分析软件分析
Figure 683117DEST_PATH_IMAGE002
~t的关系，确定二者之间所呈直线的斜率S，将其代入公式
Figure DEST_PATH_IMAGE004
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瞬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和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、利用瞬态土壤导气原理，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
Figure DEST_PATH_IMAGE006
的测量工况图；
图3为三维边界条件下土壤导气率
Figure 977089DEST_PATH_IMAGE006
的测量工况图。
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，采用打气筒1作为供气设备，打气筒1带有开关阀门3和气门嘴2，将气门嘴2通过第一连接软管4与三通6的一个支管连接，三通6的一个支管通过软管与压力计5连接，三通6的另一个支管通过第二连接软管12与贮气瓶9顶端的橡皮塞8上的进气导气管14密封连接，贮气瓶9为硬质材质，不变形，橡皮塞8上的出气导气管7与第三连接软管13密封连接，第三连接软管13与滴灌毛管11一端连接。
本发明的一种基于瞬态通气原理的地下滴灌堵塞程度原位定量诊断方法，它包括如下工艺步骤：选定某一待测点10，利用连接软管将地下滴灌毛管的一端与贮气瓶的出气导气管相联通，并确保地下滴灌毛管处开孔外无其他与外界连通的通道；把贮气瓶的进气导气管与压力计及打气筒利用连接软管相通连接并确保连接处密封不漏气，利用打气筒连续向贮气瓶供气，直到贮气瓶内的气体压力到达预定值停止供气，同时将供气设备上的开关阀门关闭，以保持贮气瓶的气体不会通过连接软管流出；从贮气瓶内封闭的气体压力到达预定值开始计时，观测封闭气体压力P(t)的动态，并做好记录；以为因变量，时间t为自变量，利用EXCELL或其他分析软件分析~t的关系，确定二者之间所呈直线的斜率S，将其代入公式（11）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
Figure 277992DEST_PATH_IMAGE004
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
Figure 225088DEST_PATH_IMAGE006
的测量工况如图2所示，稳态法对应的计算公式为：
Figure 201110230157X100002DEST_PATH_IMAGE008
        （1）
上式中：L为被测土柱的长度（m）；
Figure 201110230157X100002DEST_PATH_IMAGE010
为空气粘滞系数，与所处环境温度有关，
Figure 201110230157X100002DEST_PATH_IMAGE012
；
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为稳定气体通量，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
；A为被测土柱的横截面积（m2）; 
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为与稳定气体通量
Figure 370417DEST_PATH_IMAGE014
对应的被测土柱承受压力与周围大气压力间的气压差，。
一维边界条件下瞬态法对应的计算公式为：
          （2）
上式中L、A和含义同前，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
代表周围的大气压力，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
；S是
Figure 876013DEST_PATH_IMAGE002
与时间t之间线性关系的斜率，s-1 ；
Figure 59258DEST_PATH_IMAGE002
中P(t)表示瞬态压力，
Figure 938221DEST_PATH_IMAGE026
；
Figure DEST_PATH_IMAGE028
，P(0)为初始压力与大气压力的压力差，
Figure 989747DEST_PATH_IMAGE026
；V代表被测土体上方封闭空间的体积，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
。
三维边界条件下土壤导气率
Figure 762400DEST_PATH_IMAGE006
的测量工况如图3所示，稳态法对应的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE032
         （3）
上式中
Figure 506758DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 873017DEST_PATH_IMAGE014
和含义同前，D表示所测土柱的直径，m；G为与
Figure DEST_PATH_IMAGE034
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
Figure DEST_PATH_IMAGE038
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：
Figure DEST_PATH_IMAGE040
      （4） 
上式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE042
       （5）
把
Figure DEST_PATH_IMAGE044
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：
Figure DEST_PATH_IMAGE046
   （6）
由上式可得：
Figure DEST_PATH_IMAGE048
      （7）
式（7）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
Figure 845140DEST_PATH_IMAGE006
的测量工况如图3所示，该条件下气体通过的应是
Figure 304940DEST_PATH_IMAGE038
部分，由式（5）和式（7）得：
        
Figure DEST_PATH_IMAGE050
将式（8）代入式（2）得到瞬态条件下地埋点源土壤导气率计算模型：
Figure DEST_PATH_IMAGE052
  （9）
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，在瞬态供气条件下，每个点源的动态压力与时间的关系均为S，每个点源对应的封闭气体体积应为总体积的1/n即
Figure DEST_PATH_IMAGE054
，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：
Figure DEST_PATH_IMAGE056
    （10）
3、地下滴灌堵塞程度诊断模型与计算方法
由式（10）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：
Figure 535326DEST_PATH_IMAGE004
      （11） 
在上式中，针对具体的线源毛管和测量系统
Figure 804021DEST_PATH_IMAGE006
、A、D、G、V和L均为定值，
Figure 364315DEST_PATH_IMAGE010
为空气粘滞系数亦为定值，
Figure 260596DEST_PATH_IMAGE024
为大气压是常数，因此特征参数
Figure DEST_PATH_IMAGE058
与线源开孔数n之间存在线性关系，根据特征参数
Figure 412834DEST_PATH_IMAGE058
的测量结果就可以对线源开孔数n进行计算，进而得到地下滴灌毛管的堵塞程度，此即基于瞬态通气特征参数的地下滴灌毛管堵塞程度的计算方法。

Claims (1)

1.一种基于瞬态通气原理的地下滴灌堵塞程度原位定量诊断方法，它采用如下诊断系统，诊断系统包括供气设备，供气设备带有开关阀门（3）和气门嘴（2），气门嘴（2）通过第一连接软管（4）与三通（6）的一个支管连接，三通（6）的一个支管与压力计（5）连接，三通（6）的另一个支管通过第二连接软管（12）与贮气瓶（9）顶端的橡皮塞（8）上的进气导气管（14）密封连接，橡皮塞（8）上的出气导气管（7）与第三连接软管（13）密封连接；所述的供气设备为打气筒（1）；所述的贮气瓶（9）为硬质材质，能承受0.05-0.1Mpa压力而不变形、不损坏；其特征在于它包括如下工艺步骤：
a利用第三连接软管将地下滴灌毛管的一端与贮气瓶的出气导气管相联通，并确保地下滴灌毛管除灌水器开孔外无其他与外界连通的通道；
b把贮气瓶的进气导气管与供气设备利用第二连接软管和第一连接软管相通连接并确保连接处密封不漏气，利用供气设备连续向贮气瓶供气，直到贮气瓶内的气体压力到达预定值停止供气，同时将供气设备上的开关阀门关闭，以保持贮气瓶的气体不会通过第二连接软管和第一连接软管流出；
c从贮气瓶内封闭的气体压力到达预定值开始计时，观测封闭气体压力P(t)的动态，并做好记录，以                                                
Figure 212490DEST_PATH_IMAGE001
为因变量，时间t为自变量，利用EXCELL或其他分析软件分析
Figure 984137DEST_PATH_IMAGE001
~t的关系，确定二者之间所呈直线的斜率S，将其代入公式
Figure 142234DEST_PATH_IMAGE002
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；
其中
Figure 24740DEST_PATH_IMAGE003
，P(0)为初始压力与大气压力的压力差， 
Figure 377224DEST_PATH_IMAGE004
代表周围的大气压力；
Figure 319772DEST_PATH_IMAGE005
为空气粘滞系数；V代表被测土体上方封闭空间的体积；G为与
Figure 695390DEST_PATH_IMAGE006
有关的形状系数,；D表示地下滴灌毛管灌水器开孔的直径；L表示地下滴灌毛灌埋的深度；A表示毛管灌水器开孔的面积；
Figure 588576DEST_PATH_IMAGE008
表示由n个规格一致的点源串联而成的线源导气率，
Figure 702026DEST_PATH_IMAGE009
。
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