CN102564747B - 一种滴灌系统灌水器堵塞特性的综合评价方法及测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种滴灌系统灌水器堵塞特性的综合评价方法及测试系统，其包括以下步骤：1)搭建一套灌水器堵塞特性的测试系统；2)按照水流方向对每条滴灌管内的所有灌水器进行编号，确定灌水器在20℃下的额定流量；3)测得某一滴灌管内任意一个灌水器某一运行时刻的流量和此时滴灌系统的水温；4)求取堵塞对灌水器流量影响下的校正流量：5)通过灌水器相对流量、灌水器均匀度、灌水器流量偏差系数和灌水器堵塞率分布的统计对灌水器堵塞状况综合评估：6)根据各评估指标值和灌水器堵塞率的分布，做出灌水器流量随时间变化的折线图或柱状图，直观地实现对灌水器堵塞行为的监测；7)根据对不同灌溉系统灌水器堵塞特性的综合评价，研究其堵塞机理，制定解决灌水器堵塞的方案。

Description

一种滴灌系统灌水器堵塞特性的综合评价方法及测试系统

技术领域

本发明涉及滴灌系统灌水器，特别是关于一种滴灌系统灌水器堵塞特性及抗堵塞能力的综合评价方法及能够用于田间环境并对灌水器进行测试的测试系统。

背景技术

灌水器是滴灌系统最关键的部件之一，而灌水器流道狭小(一般只有0.5～1.2mm)，水中的悬浮物、溶解盐、化学沉淀、有机物、微生物等杂质都极易引起灌水器流道及出水孔口的堵塞。虽然自1971年第一届国际滴灌会议在以色列召开以来，大量的科研学者试图从合理配置过滤设备、周期性酸和氯的处理以及灌水器迷宫流道优化设计等多方面来解决滴灌系统堵塞问题，取得了一些非常有意义的成果，但依然未能很好地解决，主要原因在于对灌水器堵塞的机理还缺乏深入、系统的认识。

试验是研究灌水器堵塞动态变化规律与发生机理最为直接有效的方法，但试验研究成本高，而且对试验系统的加工和测量仪器有很强的依赖性。美国加利福尼亚灌溉技术研究所、华中科技大学、中国农业大学等国内外许多灌溉研究与生产机构都具有自己的灌水器堵塞特性及抗堵塞性能测试平台，但目前还主要集中在室内测试系统。由于受室内条件所限，系统功能单一、工作效率较低，例如美国加利福尼亚灌溉技术研究所开发的抗堵塞系统每次只能测定2～3条、每条约2m长的滴灌管。华中科技大学发明的多功能、自动控制、易扩展、可移动的一种微灌实验室多功能强化堵塞实验装置(专利号：ZL200810246361.9)也主要用于研究灌水器堵塞机理，还难以去除运输过程和储存过程中滴灌水源发生絮凝、沉降以及微生物生长等物理、化学、生物作用的影响，这将导致试验结果与实际情况存在明显的偏差。田间试验能够还原灌水器的真实工作环境，较为准确反映灌水器在田间工作时的堵塞行为，得出的试验结果对于解决滴灌系统灌水器堵塞问题有直接指导意义。但是田间试验影响因素众多、系统运行工况复杂，对于研究不同工况条件下的灌水器堵塞规律以及灌水器流量的测试均较为困难。因而，开发一种能够用于田间环境，对灌水器堵塞性能进行测试的系统和方法，并消除室外环境变化以及灌水器的相互影响，对滴灌系统灌水器的堵塞特性进行综合评价，已成为目前急需解决的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种滴灌系统灌水器堵塞特性及抗堵塞能力的综合评价方法，以及能够用于田间环境并对灌水器进行测试的测试系统，该方法及系统能够真实反映灌水器堵塞状况及其对出流的影响。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种滴灌系统灌水器堵塞特性的综合评价方法，其包括以下步骤：1)搭建一套灌水器堵塞特性的测试系统；2)按照水流方向对每条滴灌管内的所有灌水器进行编号，从1至n，n为每条滴灌管内的灌水器总数；确定灌水器在20℃下的额定流量Q₂₀；3)测试系统运行稳定后，开始对滴灌系统进行试验；测得某一滴灌管内任意一个灌水器某一运行时刻的流量和此时滴灌系统的水温T_i；i＝1，2，……，n；

$q_{m_i}=q_{20}+{\mathrm{\Δq}}_{T_i}+{\mathrm{\Δq}}_{C_i}+{\mathrm{\Δq}}_{H_i}---\left(1\right)$

其中，是水温所引起的灌水器流量偏差；是堵塞所引起的灌水器流量偏差；是压力变化所引起的灌水器流量偏差；且和三者之间相互独立；4)对灌水器的出流进行校正：灌水器的出流流量主要受灌水器工作压力、水温以及堵塞状况因素的影响；消除水温和工作压力影响对灌水器出流的影响，得到灌水器堵塞对灌水器流量的单独影响值

${\mathrm{\Δq}}_{C_i}=q_{m_i}-q_{20}-{\mathrm{\Δq}}_{T_i}-{\mathrm{\Δq}}_{H_i}---\left(2\right)$

①

$q_{T_i}=(1+\frac{57.35x-28.24}{100}\×\frac{T_i-20}{20})\×q_{20}---\left(3\right)$

式中：为根据每次测量水温进行校正后的流量，单位为m³/s；x为灌水器的流态指数，由灌水器厂商提供；由于因此，水温所引起的灌水器流量偏差为：

${\mathrm{\Δq}}_{T_i}=\frac{57.35x-28.24}{100}\×\frac{T_i-20}{20}\×q_{20}---\left(4\right)$

②

${q_{m_i}}^{\′}={\mathrm{kh}}_i^x---\left(5\right)$

式中：k与x为灌水器的流量系数与流态指数，由灌水器厂商提供；h_i为第i个灌水器的工作压力；为灌水器在工作压力为h_i、且不堵塞时的流量，仅与压力h_i有关；计算出所有灌水器上的实际工作压力h_i，带入公式(5)得到 灌水器上的压力变化所引起的流量偏差为：

${\mathrm{\Δq}}_{H_i}={q_{m_i}}^{\′}-q_{20}---\left(6\right)$

③将步骤①和步骤②中计算所得到的与以及已知的与q₂₀值代入公式(2)：

${\mathrm{\Δq}}_{C_i}=q_{m_i}-q_{20}-{\mathrm{\Δq}}_{T_i}-{\mathrm{\Δq}}_{H_i}$

即获得每个灌水器堵塞所影响的流量差值

因此，仅考虑堵塞对灌水器流量影响下的校正流量记为q_i，有

$q_i=q_{20}+{\mathrm{\Δq}}_{C_i}---\left(7\right)$

5)灌水器堵塞状况综合评估：重复上述步骤4)得到一条滴灌管上的所有灌水器校正后的流量数据q_i后，采用如下几个指标对灌水器堵塞水平进行评估：①灌水器相对流量：根据校正的灌水器流量结果，计算灌水器的相对流量Dra，Dra为灌水器校正流量q_i占20℃下灌水器额定流量q₂₀百分比：

$\mathrm{Dra}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{q}_i}{{\mathrm{nq}}_{20}}\×100\%---\left(8\right)$

其中，q_i表示第i个灌水器的校正流量，单位L/h；q₂₀表示灌水器在20℃的额定流量，单位L/h；n表示每条滴灌管内灌水器的总数量；②灌水器均匀度：灌水器流量均匀度采用灌水均匀系数CU来表示：

$\mathrm{CU}=(1-\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left|{\mathrm{\Δq}}_{C_i}\right|}{{\mathrm{nq}}_{20}})\×100\%---\left(9\right)$

③灌水器流量偏差系数：流量偏差系数Cv等于灌水器最大堵塞流量影响效应与最小堵塞流量影响效应的差值，然后除以灌水器的额定流量：

$\mathrm{Cv}=\frac{{\mathrm{\Δq}}_{C_{i_{\max }}}-{\mathrm{\Δq}}_{C_{i_{\min }}}}{q_{20}}\×100\%---\left(10\right)$

其中，表示灌水器最大堵塞流量影响效应，单位L/h；表示灌水器最小堵塞流量影响效应，单位L/h；④灌水器堵塞率分布的统计：先计算单个灌水器的校正流量占20℃灌水器额定流量q₂₀的百分比，再分类统计在某个百分比范围内的灌水器个数，最后计算每个百分比范围内灌水器个数在整体灌水器中所占的比例；6)根据公式(8)、(9)、(10)计算得到的各评估指标值，以及灌水器堵塞率的分布，做出灌水器流量随时间变化的折线图或柱状图，直观地实现对灌水器堵塞行为的监测；7)根据上述步骤1)～6)，得到不同灌溉系统灌水器堵塞特性的综合评价，通过分析灌水器堵塞的动态变化过程，研究其堵塞机理，制定解决灌水器堵塞的方案。

上述步骤4)中，步骤②计算灌水器上的实际工作压力h_i的方法如下：由于计算h1时需要取滴灌管进口断面进行计算，其过程基本与i≥1时类似，因此，将其计算过程视为i＝0时，对i≥1计算过程的特别应用，故将h_i的计算过程分为两部分：a.i＝0时，计算第一个灌水器上的实际工作压力h_i：滴灌管进口断面的压力h₀为设置压力表所显示压力，即设计工作压力H，故将测量所得各灌水器流量代入伯努利方程计算得到h₁；b.i≥1时，将i＝0计算所得h₁代入伯努利方程计算得到h₂，然后依次迭代计算得到各灌水器断面上工作压力h₁，直至h_n；任意两个相邻灌水器断面的伯努利方程为：

$\left\{\begin{array}{cc}H+\frac{{{2Q}_i}^2}{{\mathrm{\πD}}^2\·g}=h_{i+1}+h_{w_i}& i=0,\\ h_i+\frac{{{2Q}_i}^2}{{\mathrm{\πD}}^2\·g}=h_{i+1}+h_{w_i}& i\≥1.\end{array}\right.---\left(11\right)$

式中：即第i个断面上的流量Q_i等于该断面以后所有实测灌水器出流流量的总和，单位为m³/s；D为滴灌管管道直径，单位为m；为两断面之间总水头损失，单位为m；计算过程中，两断面间的距离为灌水器间距，在单条滴灌管校正计算中为常数。

两断面间的总水头损失

$h_{w_i}=F\×h_{f_i}+h_{j_i}=(F\×f_c)\×h_{f_i}---\left(12\right)$

$h_{f_i}=\mathrm{\λ}\frac{{Q_i}^A}{D^B}{L}_i---\left(13\right)$

其中，为两断面间的沿程水头损失，单位为m，为两断面间局部水头损失，单位为m；λ为沿程水头损失系数；L_i为相邻两断面间长度，单位为m；A为流量指数；B为管道指数；其中，A与B值按微灌管道沿程水头损失计算系数、指数表分别选用1.75，4.75；而λ值在10℃时取0.505，其他水温时应乘以一个水温修正系数α修正，α在水温为5、15、20、25、30摄氏度时分别取1.038、0.966、0.937、0.910、0.844，其他水温时按插值法计算获得；其中，F为多口系数：

$F=\frac{n(\frac{1}{m+1}+\frac{1}{2n}+\frac{\sqrt{m-1}}{{6n}^2})-1+\mathrm{\σ}}{n-1+\mathrm{\σ}}---\left(14\right)$

式中：n为滴灌管上出水口数目，即灌水器数目；m为流量指数从资料表中选取；σ为进口端至第一个灌水器断面与灌水器间距之比；f_c直接取0.1～0.2；或根据公式(15)计算：

$f_c=\frac{{19B}_w}{{4D}^{1.9}}\·a\·S_e^b\·H^c---\left(15\right)$

式中：B_w为灌水器底座直径，单位为m；D为滴灌管直径，单位为m；S_e为灌水器间隔，H为作用在滴灌管上的最大工作压力，则为进口处设计压力值；a，b，c分别为1.59，-0.67，-0.43。

上述滴灌系统灌水器堵塞特性的综合评价方法中所用的测试系统，其特征在于：它包括水源，所述水源通过抽水管路连接水泵，所述水泵的输出端连接供水管道，所述供水管道上依次设置有首部阀门、水表、过滤器和电磁阀；所述供水管道的输出端连接迂回的缓冲管路，所述缓冲管路的两端分别设置有一组分支管道，每组分支管道均包括两条分支管道，每条所述分支管道上均依次设置有压力微调阀门和压力表，各所述分支管道的输出端均连接若干条滴灌管，各所述滴灌管内均设置若干灌水器，各所述滴灌管上与各个所述灌水器相对应的位置设置出水孔，各所述滴灌管的另一端均连接同一回流管道，所述回流管道上设置有支管调节阀和水表，所述回流管道的输出端最后连接所述水源；所述缓冲管路还通过一分流阀门连接回流管道；所述电磁阀电连接自动灌溉控制器，所述自动灌溉控制器连接配电箱，所述水泵电连接所述配电箱；各所述滴灌管的下方设置有灌水器流量测试单元；所述灌水器流量测试单元包括固定支架，所述固定支架的底部四周设置有转向轮，所述固定支架顶部设置有移动支架，所述移动支架的底部间隔设置有两个同步滑轮；所述移动支架顶面间隔设置有若干行可移动的框格，每行所述框格内并排放置有若干量水桶。

所述供水管道上设置的所述水表并联连接水表保护支管，上述水表保护支管上设置有手动阀门；所述供水管道的底部设置有若干支撑架。

所述缓冲管路包括两条相互平行、且上下设置的水平管道，两条所述水平管道之间间隔连接若干条相互平行的倾斜管道，所述供水管道的输出端连接所述缓冲管路上部的所述水平管道中部，两组所述分支管道间隔设置在上部所述水平管道的两端，所述分流阀设置在上部所述水平管道的末端，上部所述水平管道的末端还连接所述回流管道。

各所述分支管道的输出端均连接三条所述滴灌管。

所述回流管道通过三角支架支撑，所述回流管道上设置的所述水表并联连接水表保护支管，所述水表保护支管上设置有手动阀门。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的滴灌管内可以设置不同类型的灌水器，因此，可以同时研究不同灌水器类型、流道几何参数、灌水器工作压力、灌水频率等多种工况以及模拟滴灌管(带)不同位置的灌水器堵塞行为，测试用滴灌管长度完全可以在20m以上，测试效率明显提高，大幅提升了测试系统效率，功能强大。2、本发明的供水系统采用首尾相连的闭环连通和二级分流支管设计，保障了系统可以迅速地稳定在目标工作压力；而系统采用低成本自动控制器控制系统运行，有效解决了系统每天开、闭产生的人力资源浪费问题。3、本发明灌水器流量采用移动式测量小车进行测试，可以在0.5s以内迅速断开灌水器和量水桶之间的水力联系，大幅提升了测试精度和效率；独特的移动框格、移动支架和同步滑轮组合设计可以迅速断开灌水器和量水桶之间的水力联系，两者相结合显著提升了灌水器出流流量的测试精度。4、本发明将水温变化、工作压力变化以及堵塞对灌水器出流流量的影响视为相互独立，分别提出了水温对灌水器出流的影响、滴灌管各灌水器工作压力变化对灌水器出流的影响效应估算方法，建立了灌水器出流的校正方法。5、本发明建立了综合考虑灌水器相对平均流量、灌水均匀系数、流量偏差系数以及堵塞率分布等四个指标为一体的综合评估方法，解决了灌水器堵塞状况及其影响效应评估指标单一问题，真实评估了灌水器堵塞对出流流量的影响效应与堵塞状况。6、本发明系统设计了水表、水泵等装置的保护装置，并采用时序控制器控制系统自动运行，同时系统结构简单、造价低廉，完全符合野外测试的要求，又可真实反映田间滴灌条件下灌水器堵塞的发生状况。本发明建立了适用于田间的滴灌系统灌水器堵塞特性的测试系统，基于各灌水器出流实测数据的水温变化及灌水器相互影响效应估算方法，提出了灌水器出流校正及堵塞状况评估方法，可广泛用于滴灌系统灌水器堵塞特性的分析过程中。

附图说明

图1是本发明方法流程示意图

图2是本发明测试系统结构示意图

图3是本发明灌水器流量测试单元示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明方法可以概括为：首先建立一套能够适用于野外(田间)工作环境的灌水器堵塞特性测试系统，并在此测试系统的基础上，考虑因为系统在室外工作产生的水温差异对灌水器出流的影响以及室外测试规模大幅增加导致灌水器堵塞对周围灌水器工作压力产生的影响，提出了室外滴灌系统灌水器出流的校正方法，最后提出了灌水器堵塞状况及影响效应的综合评价方法。

如图1所示，本发明方法包括以下步骤：

1)首先根据试验研究目的确定试验方案与系统规模。

2)搭建一套能够适用于野外(田间)工作环境的灌水器堵塞特性测试系统；按照水流方向对每条滴灌管内的所有灌水器进行编号，从1至n，n为每条滴灌管内的灌水器总数；确定灌水器在20℃下的额定流量q₂₀等参数值；q₂₀的单位为m³/s，一般情况下，各滴灌管内的各灌水器的类型相同，其在20℃下的额定流量为恒定值，由灌水器厂商提供或提前测量获得。

3)手动开启测试系统，测试系统运行稳定后，转为自动运行，开始对滴灌系统进行试验；测得某一滴灌管内任意一个灌水器某一运行时刻的流量记为(i＝1，2，……，n；n为滴灌管内的灌水器总数)，以及此时滴灌系统的水温T_i。

$q_{m_i}=q_{20}+{\mathrm{\Δq}}_{T_i}+{\mathrm{\Δq}}_{C_i}+{\mathrm{\Δq}}_{H_i}---\left(1\right)$

其中，是水温所引起的灌水器流量偏差；是堵塞所引起的灌水器流量偏差；是压力变化所引起的灌水器流量偏差；且和三者之间相互独立。

4)对灌水器的出流进行校正：灌水器的出流流量主要受灌水器工作压力、地形高差、水温以及堵塞状况等多重因素的影响；对于室外进行灌水器堵塞特性测试而言，需要消除水温以及灌水器堵塞对邻近灌水器工作压力的影响，得到灌水器堵塞对灌水器流量的单独影响值

${\mathrm{\Δq}}_{C_i}=q_{m_i}-q_{20}-{\mathrm{\Δq}}_{T_i}-{\mathrm{\Δq}}_{H_i}---\left(2\right)$

由于与q₂₀的值根据上述步骤已知，因此，需要求得和

①的计算方法：根据流量变化与指数x的线性回归方程以及水温出流率与水温的线性关系，可得到某一水温T_i下流量与20℃下额定流量的关系方程，如式(3)所示：

$q_{T_i}=(1+\frac{57.35x-28.24}{100}\×\frac{T_i-20}{20})\×q_{20}---\left(3\right)$

式中：为根据每次测量水温进行校正后的流量，单位为m³/s；x为灌水器的流态指数，由灌水器厂商提供；由于因此，水温所引起的灌水器流量偏差为：

${\mathrm{\Δq}}_{T_i}=\frac{57.35x-28.24}{100}\×\frac{T_i-20}{20}\×q_{20}---\left(4\right)$

②的计算方法：由灌水器流量与工作压力的关系，可得：

${q_{m_i}}^{\′}={\mathrm{kh}}_i^x---\left(5\right)$

式中：k与x为灌水器的流量系数与流态指数，由灌水器厂商提供；h_i为第i个灌水器的工作压力；为灌水器在工作压力为h_i、且不堵塞时的流量，仅与压力h_i有关；因此，进行压力校正的主要工作，转化成作用在每个灌水器上的实际压力h_i的计算；计算出所有灌水器上的实际工作压力h_i，带入公式(5)得到则作用在灌水器上的压力变化所引起的流量偏差为：

${\mathrm{\Δq}}_{H_i}={q_{m_i}}^{\′}-q_{20}---\left(6\right)$

上述工作压力h_i的计算方法如下：由于计算h₁时需要取滴灌管进口断面进行计算，但其过程基本与i≥1时类似，可将其计算过程视为i＝0时，对i≥1计算过程的特别应用，故将h_i的计算过程分为两部分讨论：

a.i＝0时，计算第一个灌水器上的实际工作压力h₁：滴灌管进口断面的压力h₀为设置压力表所显示压力，即设计工作压力H，故将测量所得各灌水器流量代入伯努利方程以及以下公式(8)～公式(12)依次计算即可得到h₁。

b.i≥1时，将i＝0计算所得h₁代入伯努利方程以及以下公式(8)～公式(12)，计算得到h₂，然后依次迭代计算得到各灌水器断面上工作压力h_i，直至h_n。需要注意的是，计算过程中，两断面间的距离为灌水器间距，在单条滴灌管校正计算中为常数。

任意两个相邻灌水器断面的伯努利方程改写后为：

$\left\{\begin{array}{cc}H+\frac{{{2Q}_i}^2}{{\mathrm{\πD}}^2\·g}=h_{i+1}+h_{w_i}& i=0,\\ h_i+\frac{{{2Q}_i}^2}{{\mathrm{\πD}}^2\·g}=h_{i+1}+h_{w_i}& i\≥1.\end{array}\right.---\left(7\right)$

式中：即第i个断面上的流量Q_i等于该断面以后所有实测灌水器出流流量的总和，单位为m³/s；D为滴灌管管道直径，单位为m；为两断面之间总水头损失，单位为m；而要计算两断面间的总水头损失必须先计算两断面间的沿程水头损失单位为m，以及两断面间局部水头损失单位为m。

两断面间的沿程水头损失采用微灌工程技术规范中的公式计算，如下：

$h_{f_i}=\mathrm{\λ}\frac{{Q_i}^A}{D^B}{L}_i---\left(8\right)$

式中：λ为沿程水头损失系数；Q_i同公式(6)；L_i为两相邻断面间长度，单位为m；A为流量指数；B为管道指数；其中，A与B值按微灌管道沿程水头损失计算系数、指数表分别选用1.75，4.75；而λ值在10℃时取0.505，其他水温时应乘以一个水温修正系数α修正，α在水温为5、15、20、25、30摄氏度时分别取1.038、0.966、0.937、0.910、0.844，其他水温时按插值法计算获得。

两断面间局部水头损失按两断面间沿程水头损失的一定比例计算。

$h_{j_i}=f_c\·h_{f_i}---\left(9\right)$

两断面间的总水头损失为：

$h_{w_i}=F\×h_{f_i}+h_{j_i}=(F\×f_c)\×h_{f_i}---\left(10\right)$

其中，F为多口系数；考虑到滴灌管属于多出水口管，在计算管道全长上的沿程水头损失时，需要乘一个多口系数，因此，分段计算时同样需要考虑多口系数的影响。目前常用的多口系数近似计算通用公式是克里斯琴森(Christiansen)公式：

$F=\frac{n(\frac{1}{m+1}+\frac{1}{2n}+\frac{\sqrt{m-1}}{{6n}^2})-1+\mathrm{\σ}}{n-1+\mathrm{\σ}}---\left(11\right)$

式中：n为滴灌管上出水口数目，即灌水器数目；m为流量指数，可从一些资料表中选取；σ为进口端至第一个灌水器断面与灌水器间距之比。

f_c可以直接取0.1～0.2，也可选择按照陈渠昌《灌水器局部水头损失》一文中所得到的系数估算公式计算：

$f_c=\frac{{19B}_w}{{4D}^{1.9}}\·a\·S_e^b\·H^c---\left(12\right)$

式中：B_w为灌水器底座直径，单位为m；D为滴灌管直径，单位为m；S_e为灌水器间隔，H为作用在滴灌管上的最大工作压力，则为进口处设计压力值；a，b，c分别为1.59，-0.67，-0.43。

F与f_c值如公式(10)与公式(11)所示，与灌水器编号无关，在一条滴灌管的流量校正计算过程中为常数。

③将步骤①和步骤②中计算所得到的与以及已知的与q₂₀值代入公式(2)：

${\mathrm{\Δq}}_{C_i}=q_{m_i}-q_{20}-{\mathrm{\Δq}}_{T_i}-{\mathrm{\Δq}}_{H_i}$

即可获得每个灌水器堵塞所影响的流量差值

因此，仅考虑堵塞对灌水器流量影响下的校正流量记为q_i，有

$q_i=q_{20}+{\mathrm{\Δq}}_{C_i}---\left(13\right)$

5)灌水器堵塞状况综合评估：重复上述步骤4)得到一条滴灌管上的所有灌水器校正后的流量数据q_i后，可通过对该数据进行适当处理，评估灌水器的堵塞水平；本发明采用如下几个指标对灌水器堵塞水平进行评估。

①灌水器相对流量：根据校正的灌水器流量结果，计算灌水器的相对流量Dra，Dra为灌水器校正流量q_i占20℃下灌水器额定流量q₂₀百分比，可以由以下公式表示：

$\mathrm{Dra}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{q}_i}{{\mathrm{nq}}_{20}}\×100\%---\left(14\right)$

其中，q_i表示第i个灌水器的校正流量，单位L/h；q₂₀表示灌水器在20℃的额定流量，单位L/h；n表示每条滴灌管内灌水器的总数量。

②灌水器均匀度：灌水器流量均匀度可采用灌水均匀系数CU来表示，该系数可根据克里斯琴森(Christiansen)公式计算，在本发明中，该参数也反映了各灌水器堵塞发生过程的随机性。

$\mathrm{CU}=(1-\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left|{\mathrm{\Δq}}_{C_i}\right|}{{\mathrm{nq}}_{20}})\×100\%---\left(15\right)$

式中各符号意义同上。

③灌水器流量偏差系数：流量偏差系数Cv等于灌水器最大堵塞流量影响效应与最小堵塞流量影响效应的差值，然后除以灌水器的额定流量。

$\mathrm{Cv}=\frac{{\mathrm{\Δq}}_{C_{i_{\max }}}-{\mathrm{\Δq}}_{C_{i_{\min }}}}{q_{20}}\×100\%---\left(16\right)$

其中，表示灌水器最大堵塞流量影响效应，单位L/h；表示灌水器最小堵塞流量影响效应，单位L/h；其余符号同上。

④灌水器堵塞率分布的统计方法：灌水器堵塞率分布通过单个的相对流量在整体灌水器中的分布情况来表示，即先计算单个灌水器的校正流量占20℃灌水器额定流量q₂₀的百分比，再分类统计在某个百分比范围内的灌水器个数，最后计算每个百分比范围内灌水器个数在整体灌水器中所占的比例。将单个灌水器校正流量占q₂₀的百分比在95％以上定义为不堵塞，80％～95％定义为轻微堵塞，50％～80％定义为一般堵塞，20％～50％定义为严重堵塞，20％以下定义为完全堵塞。统计不同堵塞程度的灌水器在滴灌管的比例分布变化，也可以按首、中、尾不同位置对灌水器按照不同堵塞程度比例分布进行分析。

6)根据公式(14)、(15)、(16)计算得到的各评估指标值，以及灌水器堵塞率的分布，可作出灌水器流量随时间变化的折线图或柱状图，能够比较直观地实现对灌水器堵塞行为的监测。

7)根据上述步骤1)～6)中得到的灌水器堵塞特性的综合评价，可通过分析灌水器堵塞的动态变化过程，研究其堵塞机理，制定解决灌水器堵塞的方案。

如图2所示，上述方法中，步骤2)中搭建的测试系统包括水源1，水源1通过抽水管路2连接水泵3，水泵3的输出端连接供水管道4，供水管道4上依次设置有首部阀门5、水表6、过滤器7和电磁阀8。供水管道4的输出端连接迂回的缓冲管路9，缓冲管路9的两端分别设置有一组分支管道，每组分支管道均包括两条分支管道10，每条分支管道10上均依次设置有压力微调阀门11和压力表12，各分支管道10的输出端均连接若干条滴灌管13，各滴灌管13内均用于装设若干灌水器，各滴灌管13上与各个灌水器相对应的位置设置出水孔(图中未示出)，各滴灌管13的另一端均连接同一回流管道14，回流管道14上设置有水表15，回流管道14的输出端最后连接水源1。迂回的缓冲管路9还通过一分流阀门16连接回流管道14。电磁阀8电连接自动灌溉控制器17，自动灌溉控制器17连接配电箱18，水泵3电连接配电箱18。

如图2、图3所示，各滴灌管13的下方设置有灌水器流量测试单元19。灌水器流量测试单元19包括固定支架20，固定支架20的底部四周设置有转向轮21，固定支架20顶部设置有移动支架22，移动支架22的底部间隔设置有两个同步滑轮23。移动支架22顶面间隔设置有若干行可移动的框格24，每行框格24内可以并排放置有若干量水桶25。

上述实施例中，水源1可以是储水箱，为本发明的测试系统提供灌溉水，本发明的测试系统可以建立在取水口，直接从试验环境中取水，也可在现场做一个半地下水箱，从储水水箱中取水，以满足不同试验对水源水质不同的要求。

上述实施例中，水泵3可以为本发明的测试系统提供工作驱动力，并可以在水泵3上设置保护装置26，防止水泵3在自然环境下受到自然因素影响过早损坏。

上述实施例中，供水管道4上设置的水表6用于测定本发明测试系统的总流量，水表16并联连接水表保护支管27，水表保护支管27上设置有手动阀门28，在测量流量时水流通过水表16，当不需要用到水表16时，通过手动阀门28开启水表保护支管27，使水流绕过水表16维持系统运行。供水管道4的底部设置有若干支撑架29。

上述实施例中，供水管道4上设置的过滤器7可以根据不同水质选择不同类型的过滤器，同时可在过滤器7的前后设置压力表，用于显示过滤器7的堵塞水平，以便在适当时候清洗过滤器7。

上述实施例中，迂回的缓冲管路9可以包括两条相互平行、且上下设置的水平管道30，两条水平管道30之间间隔连接若干条相互平行的倾斜管道31，供水管道4的输出端连接缓冲管路9上部的水平管道30中部，两组分支管道间隔设置在上部水平管道30的两端，分流阀16设置在上部水平管道30的末端，上部水平管道30的末端还连接回流管道14。

上述实施例中，各分支管道10的输出端均连接若干条滴灌管13，各滴灌管13可以根据试验设置不同处理选择，若每个处理设置三次重复，则每条分支管道10连接三条滴灌管。

上述实施例中，滴灌管13也可以采用滴灌带。

上述实施例中，回流管道14通过三角支架32支撑，回流管道14上的水表15前方还可以设置有支管调节阀33，水表15并联连接水表保护支管34，水表保护支管34上设置有手动阀门35，在量测流量时水流通过水表15，当不需要用到水表15时，通过手动阀门35开启水表保护支管34，使水流绕过水表15维持系统运行。

上述实施例中，移动支架22的平面尺寸为1.60m×1.20m，移动支架22内盛放的可移动框格24的数目由滴灌管13内装设的若干灌水器之间的间距决定，一般可以等间距设置3～5个。

上述实施例中，框格24采用角钢焊接而成，尺寸为25mm*25mm*3mm。考虑测试的方便一般同时对六条滴灌管13内的灌水器的出流同时进行测试，也就是移动支架22上每个可移动的框格24内设置有六个量水桶25，量水桶25可以采用普通的垃圾桶，口径为15cm，底径为12cm。

本发明测试系统的操作使用方法：

1)本发明测试系统中的各条滴灌管13中均间隔设置有若干灌水器，滴灌管13上对应于各灌水器的位置设置有出水口；

2)启动水泵3将水源1中的水泵入供水管道4，供水管道4中的水流经过过滤器7过滤后，引入滴灌管13，在此过程中，可以通过首部阀门5实现大范围调节灌水器入口的工作压力，同时通过缓冲管道9上设置的分流阀门16与回流管道14可使系统压力保持稳定；

3)电磁阀8与自动灌溉控制器17配合，采用时序控制根据不同测试要求对不同灌水频率及灌水时长进行精确控制；压力微调阀门11与所布置的各滴灌管13进口前的压力表12实现灌水器入口工作压力微调节，使灌水器工作压力达到并稳定在设计的工作压力。

4)各滴灌管13的末端连接同一回流管道14，回流管道14上设置的水表15和支管调节阀门33控制管道末端流速以模拟，严格控制试验条件，末端回流管道14中的水最终流回水源1，减少水资源的浪费。

5)各滴灌管13中灌水器的水滴落，在滴灌管13下方放置灌水器流量测试单元19，考虑测试的方便一般同时对6条滴灌管灌水器的出流同时进行测试，也就是移动支架22上每个移动框格24内设置6个量水桶；同步滑轮23可使移动支架22迅速移动，推动移动支架22，在0.1s内断开灌水器与各自量水筒25之间的联系，流量测试的同步性极高，极大地减小了试验误差。

6)灌水器流量采用称重法进行测定，电子天平感量为0.5g，每次测量10～15min。如灌水器出流发生紊乱时，可在各灌水器下用细绳引流，使灌水器水流全部落入量水桶25之内，同时可避免风力等其他自然因素引起的误差。一般在系统运行的72h以内，可以每运行18h测一次流量；而在72h以后，可以每36h观测一次流量，但是在系统长时间关闭或者翌年重新启动后务必在起始阶段的72h以内每18h观测一次流量。

下面列举本发明一具体实施例。

本实施例主要是在污水处理厂现场进行的再生水滴灌系统灌水器堵塞行为测试。针对再生水选择叠片式过滤器对水源进行处理。试验主要考虑不同几何参数对灌水器堵塞的影响，设计四种不同几何参数(流道几何参数长×宽×深分别为：152.23mm×2.40mm×0.75mm、152.23mm×2.40mm×0.83mm、152.23mm×2.40mm×1.01mm、152.23mm×2.40mm×1.08mm)灌水器的对比试验。测试前每组滴灌管随机抽取180个灌水器(60个/排×3排)测试，将灌水器按照滴灌管16的位置利用旁通和架管进行连接。如2所示，装好滴灌系统各部分装置。将水泵3及保护装置2设置于污水处理厂的储水池1旁，从储水池内取处理后的再生水进行试验。滴灌管末端流速设计为0.45m/s。灌溉频率和时间设为2天1次，每次3小时。调节好自动灌溉控制器11的时间，正确控制滴灌系统灌水时间与灌水时长，设为两天一次，灌溉当天9点，15点，21点开启滴灌系统，各灌溉1h。打开电磁阀12，将配电箱10拨至手动档，手动开启系统以调节系统压力。试验设计系统运行压力为0.1Mpa。将所有滴灌管前得微调阀门8开启至最大。慢慢扭动分流阀门13与主阀门4，使所有四个压力表9观测的压力值在0.1Mpa左右，同时保证分流阀门13有一定分流避免水泵超负荷运载。慢慢扭动压力调节阀门8使压力表9读数精确调到0.1Mpa，系统压力已经稳定。测试正式启动，将配电箱10拨至自动档，测试正式启动。系统在自动灌溉控制器11的控制下，每隔一天的9点、15点、21点自动开启，每次开启时水泵启动，将水源内水抽入系统运行管道，每次启动一小时。每4～5天对叠片式过滤器7进行清洗，同时再次按照系统运行前步骤进行调压，将系统运行压力控制在0.1Mpa。定期对系统管道进行检查，维护好系统各部件的完好，保证系统的稳定运行。针对2天1次的灌水频率，每6天测试1次灌水器出流。

测试结束后对数据进行处理校正，根据测试时的水温计算水温引起的误差以及压力引起的误差。以灌水器校正流量分析灌水器相对流量、灌水均匀度以及流量偏差系数。数据输入计算机，根据上述计算方法绘出灌水器相对流量、灌水均匀系数、流量偏差系数以及堵塞率分布状况随时间的变化图。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种滴灌系统灌水器堵塞特性的综合评价方法，其包括以下步骤： 

1)搭建一套灌水器堵塞特性的测试系统； 

2)按照水流方向对每条滴灌管内的所有灌水器进行编号，从1至n，n为每条滴灌管内的灌水器总数；确定灌水器在20℃下的额定流量q₂₀； 

3)测试系统运行稳定后，开始对滴灌系统进行试验；测得某一滴灌管内任意一个灌水器某一运行时刻的流量和此时滴灌系统的水温T_i；i＝1，2，……，n； 

其中，是水温所引起的灌水器流量偏差；是堵塞所引起的灌水器流量偏差；是压力变化所引起的灌水器流量偏差；且和三者之间相互独立； 

4)对灌水器的出流进行校正：灌水器的出流流量主要受灌水器工作压力、水温以及堵塞状况因素的影响；消除水温和工作压力影响对灌水器出流的影响，得到灌水器堵塞对灌水器流量的单独影响值即堵塞所引起的灌水器流量偏差： 

①

式中：为根据每次测量水温进行校正后的流量，单位为m³/s；x为灌水器的流态指数，由灌水器厂商提供；由于因此，水温所引起的灌水器流量偏差为： 

②

式中：k与x为灌水器的流量系数与流态指数，由灌水器厂商提供；h_i为第i个 灌水器的实际工作压力；为灌水器在实际工作压力为h_i、且不堵塞时的流量，仅与实际工作压力h_i有关；计算出所有灌水器上的实际工作压力h_i，带入公式(5)得到则作用在灌水器上的压力变化所引起的流量偏差为： 

③将步骤①和步骤②中计算所得到的与以及已知的与q₂₀值代入公式(2)： 

即获得堵塞所引起的灌水器流量偏差

因此，仅考虑堵塞对灌水器流量影响下的校正流量记为q_i，有 

5)灌水器堵塞状况综合评估：重复上述步骤4)得到一条滴灌管上的所有灌水器校正流量q_i后，采用如下几个指标对灌水器堵塞水平进行评估： 

①灌水器相对流量：根据校正的灌水器流量结果，计算灌水器的相对流量Dra，Dra为灌水器校正流量q_i占20℃下灌水器额定流量q₂₀百分比： 

其中，q_i表示第i个灌水器的校正流量，单位L/h；q₂₀表示灌水器在20℃的额定流量，单位L/h；n表示每条滴灌管内灌水器的总数量； 

②灌水器均匀度：灌水器流量均匀度采用灌水均匀系数CU来表示： 

③灌水器流量偏差系数：流量偏差系数Cv等于灌水器最大堵塞流量影响效应与最小堵塞流量影响效应的差值，然后除以灌水器在20℃下的额定流量： 

其中，表示灌水器最大堵塞流量影响效应，单位L/h；表示灌水 器最小堵塞流量影响效应，单位L/h； 

④灌水器堵塞率分布的统计：先计算单个灌水器的校正流量占20℃灌水器额定流量q₂₀的百分比，再分类统计在某个百分比范围内的灌水器个数，最后计算每个百分比范围内灌水器个数在整体灌水器中所占的比例； 

6)根据公式(8)、(9)、(10)计算得到的各评估指标值，以及灌水器堵塞率的分布，做出灌水器流量随时间变化的折线图或柱状图，直观地实现对灌水器堵塞行为的监测； 

7)根据上述步骤1)～6)，得到不同灌溉系统灌水器堵塞特性的综合评价，通过分析灌水器堵塞的动态变化过程，研究其堵塞机理，制定解决灌水器堵塞的方案。 

2.一种如权利要求1所述滴灌系统灌水器堵塞特性的综合评价方法中所用的测试系统，其特征在于：它包括水源，所述水源通过抽水管路连接水泵，所述水泵的输出端连接供水管道，所述供水管道上依次设置有首部阀门、水表、过滤器和电磁阀；所述供水管道的输出端连接迂回的缓冲管路，所述缓冲管路的两端分别设置有一组分支管道，每组分支管道均包括两条分支管道，每条所述分支管道上均依次设置有压力微调阀门和压力表，各所述分支管道的输出端均连接若干条滴灌管，各所述滴灌管内均设置若干灌水器，各所述滴灌管上与各个所述灌水器相对应的位置设置出水孔，各所述滴灌管的另一端均连接同一回流管道，所述回流管道上设置有支管调节阀和水表，所述回流管道的输出端最后连接所述水源； 

所述缓冲管路还通过一分流阀门连接回流管道；所述电磁阀电连接自动灌溉控制器，所述自动灌溉控制器连接配电箱，所述水泵电连接所述配电箱； 

各所述滴灌管的下方设置有灌水器流量测试单元；所述灌水器流量测试单元包括固定支架，所述固定支架的底部四周设置有转向轮，所述固定支架顶部设置有移动支架，所述移动支架的底部间隔设置有两个同步滑轮；所述移动支架顶面间隔设置有若干行可移动的框格，每行所述框格内并排放置有若干量水桶。 

3.如权利要求2所述的测试系统，其特征在于：所述供水管道上设置的所述水表并联连接水表保护支管，上述水表保护支管上设置有手动阀门；所述供水管道的底部设置有若干支撑架。 

4.如权利要求2所述的测试系统，其特征在于：所述缓冲管路包括两条相互平行、且上下设置的水平管道，两条所述水平管道之间间隔连接若干条相互平行的倾斜管道，所述供水管道的输出端连接所述缓冲管路上部的所述水平管道中部，两组所述分支管道间隔设置在上部所述水平管道的两端，所述分流阀门设置在上 部所述水平管道的末端，上部所述水平管道的末端还连接所述回流管道。 

5.如权利要求3所述的测试系统，其特征在于：所述缓冲管路包括两条相互平行、且上下设置的水平管道，两条所述水平管道之间间隔连接若干条相互平行的倾斜管道，所述供水管道的输出端连接所述缓冲管路上部的所述水平管道中部，两组所述分支管道间隔设置在上部所述水平管道的两端，所述分流阀门设置在上部所述水平管道的末端，上部所述水平管道的末端还连接所述回流管道。 

6.如权利要求2或3或4或5所述的测试系统，其特征在于：各所述分支管道的输出端均连接三条所述滴灌管。 

7.如权利要求2或3或4或5所述的测试系统，其特征在于：所述回流管道通过三角支架支撑，所述回流管道上设置的所述水表并联连接水表保护支管，所述水表保护支管上设置有手动阀门。 

8.如权利要求6所述的测试系统，其特征在于：所述回流管道通过三角支架支撑，所述回流管道上设置的所述水表并联连接水表保护支管，所述水表保护支管上设置有手动阀门。