CN103752561A - 防止滴灌灌水器堵塞的加酸氯控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种防止滴灌灌水器堵塞的加酸氯控制方法及系统，包括以下内容：1）化学加酸氯并配合管道冲洗①向滴灌系统中加酸，使滴灌系统处于偏酸性状态，滴灌系统加酸的时间为20min～1h，浓度为0.5～1.5mg/L；②向滴灌系统中加氯，抑制堵塞物质生物膜的生长，促进其脱落，滴灌系统加氯的时间为1～3h，加酸浓度为0.8～2.5mg/L；③对滴灌系统进行冲洗，将脱落的堵塞物质排除系统外，减小灌水器堵塞的风险；滴灌系统管道冲洗的流速为0.45m/s，冲洗时间为5～10min，冲洗频率为1次/1～2周；2）基于尾部pH值控制的系统首部加酸、加氯计算方法。本发明系统中前一排前一列的冲洗用水作为后一排后一列轮灌组的滴灌用水，有效地节约了水资源，实现了水资源利用最大化。本发明可以广泛用于农作物大田滴灌过程中。

Description

防止滴灌灌水器堵塞的加酸氯控制方法及系统

技术领域

本发明涉及一种防止堵塞的控制方法及系统，特别是关于一种防止滴灌灌水器堵塞的加酸氯控制方法及系统。

背景技术

我国水资源紧缺程度日益加深，若不采取有效措施，水资源紧缺将成为制约我国各项发展的重大因素。农业用水量占全国总用水量的70%，其中农田滴灌用水量，占农业用水量的90%～95%。滴灌因其精准可控、节能和增产等因素是世界公认最节水的灌溉技术之一。灌水器是滴灌系统最关键的部件，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、有机物和微生物等杂质都极易引起灌水器流道及出水孔口堵塞。灌水器堵塞问题已成为制约滴灌技术应用和推广的主要障碍，灌水器堵塞问题解决的好坏直接决定着滴灌系统使用寿命和应用效益。大量的科研学者试图从多方面来解决灌水器堵塞问题，虽然已经取得了一些较为显著的成果，但是依然未能得到完全解决。与此同时，随着滴灌系统的持续发展，单纯利用地下水作为滴灌水源已经不能满足滴灌用水的需求，河湖库地表水、城市再生水和微咸水等水源通常也会作为滴灌水源。新疆、内蒙古、辽宁和宁夏等地纷纷提出了地表水滴灌工程建设需求，并开展了一些探索性的工程建设。受我国水环境污染的影响，地表水和再生水等滴灌水源中通常含有大量的藻类、水微生物、漂浮物有机杂质和微细颗粒等杂质，这使得滴灌系统灌水器堵塞的风险大大增加，且堵塞机理也更为复杂，因此必须加以控制。

最新研究报道显示：再生水滴灌系统的堵塞与滴灌系统内生物膜的形成和生长有着密切的关系。因此，采取有效措施抑制生物膜生长，促进生物膜脱落并及时将生物膜排除出系统成为解决灌水器堵塞问题的关键。加氯处理是目前给排水领域广为采用的堵塞控制方法，加氯处理不但能有效抑制生物膜的生长，而且能促进生物膜脱落，但是通常因为滴灌水质和灌水器类型及堵塞程度等试验条件的差异较大，不同研究者建议采用的加氯加酸浓度、注入频率和注入方式等运行参数的研究结论差异很大。管道冲洗是常用的滴灌系统维护方法，更能有效、及时地将脱落的生物膜排除出系统。目前有很多专家学者提出灌水器抗堵塞系统及方法，如将过滤系统、管网系统和滴灌灌水器配合使用，虽然很好的解决了现有滴灌系统在使用再生水滴灌时滴灌灌水器易发生堵塞等问题，但其仅增强了过滤措施，关于灌水器堵塞与其内部生物膜的形成和生长的关系并未得到重视，从而不能有效抑制生物膜的生长及促进生物膜的脱落等。借助臭氧发生器的滴灌系统虽然有效杀死流道内微生物，但其结构相对复杂，成本较高，不适宜在大田普遍推广应用。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种既能有效地抑制生物膜生长，又能促进杂质脱落排出，还能在大田普遍推广使用的防止滴灌灌水器堵塞的加酸氯控制方法及系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种防止滴灌灌水器堵塞的加酸氯控制方法，包括以下内容：1）化学加酸氯并配合管道冲洗①向滴灌系统中加酸，使滴灌系统处于偏酸性状态，滴灌系统加酸的时间为20min～1h，浓度为0.5～1.5mg/L；②向滴灌系统中加氯，抑制堵塞物质生物膜的生长，促进其脱落，滴灌系统加氯的时间为1～3h，加酸浓度为0.8～2.5mg/L；③对滴灌系统进行冲洗，将脱落的堵塞物质排除系统外，减小灌水器堵塞的风险；滴灌系统管道冲洗的流速为0.45m/s，冲洗时间为5～10min，冲洗频率为1次/1～2周；2）基于尾部pH值控制的系统首部加酸、加氯计算方法①基于尾部pH值的首部加酸量V_酸为：

其中，加液系统加入浓硫酸浓度为x；加酸时间为t_酸；水源pH值为a，每个灌水器流量分别记为q_i，其中i＝1,2,3,...,N_灌水器，则单根毛管进口流量

轮灌组中毛管数量为N_毛管，其中N_毛管＝1,2,...,n；②系统首部加氯的体积V_氯为：V_氯=V_氯水×m'_氯/y其中，V_氯水为单位轮灌组在加氯时间t_氯内所需灌溉用水量，m'_氯为基于余氯浓度直接换算得到的在系统首部单位灌溉水量所需加氯量，y为加入次氯酸溶液浓度。

所述步骤2）的①中V_酸通过以下方式得到：需将体积为V的pH=a的溶液调节至pH=6的溶液：溶液由碱性变为中性所需酸的体积V₁：2×V₁/V×x＝10^-(14-a)×V溶液由中性变为酸性所需酸的体积V₂：2×V₂/V×x＝10^-6×V；则将体积为V的pH=a的溶液调节至pH=6的溶液所需浓硫酸的体积V'_酸为：V'_酸=V₁+V₂＝(10^-14+a+10^-6)V²/2x；V_酸水为单位轮灌组在加酸时间t_酸内所需灌溉用水量；

其中，单根毛管进口流量

轮灌组中毛管数量为N_毛管，其中N_毛管＝1,2,...,n；加液系统加入浓硫酸时间为t_酸；基于尾部pH值的系统首部加酸量V_酸为：

所述步骤2）的②中系统首部加氯的体积V_氯通过以下方式得到：a、还原性比氨氮强的物质需氯量m_还原：m_还原=C×2×70.9/32≈4.43C；其中，C为加氯前后测得的COD差值；b、根据氨氮含量的最少加氯量m_氨氮

氨氮含量	0～0.12	>0.12
			最少加氯量	m还原+6.62M氨氮	m还原

其中，M_氨氮为氨氮含量；c、单位轮灌组灌溉水量总需氯量m'_氯：m'_氯=m_还原+m_氨氮+m_余氯其中，m_余氯=2.5；经过上述步骤，得到基于余氯浓度直接换算得到的在系统首部单位灌溉水量所需加氯量m'_氯；单位轮灌组在加氯时间t_氯内所需灌溉用水量V_氯水：

则需在系统首部加氯的体积V_氯为：

其中，y为加入次氯酸溶液浓度。

所述冲洗过滤系统工作时，分为两个阶段：第一个阶段，将所述冲洗过滤系统的截止阀和两球阀打开、电磁阀关闭，通过所述冲洗过滤系统水表测量通过所述支路管的流量，反算得到通过所述支路管的流速，调节所述冲洗过滤系统的截止阀，控制流速为目标流速；第二阶段，将所述冲洗过滤系统的两球阀关闭、电磁阀打开，水流以目标流速流出所述冲洗过滤系统的叠片过滤器和电磁阀，作为灌溉用水流入后一排后一列轮灌组的支管。

实现防止滴灌灌水器堵塞的加酸氯控制方法的控制系统，其特征在于：它包括由供水系统、加液系统和电路控制系统组成的系统首部，轮灌组，冲洗过滤系统，pH值测量仪和余氯计；所述供水系统包括依次连接主管道的水泵、球阀、压力表、水表、沙石过滤器、真空破坏阀、筛网过滤器和电磁阀，所述主管道出口连接若干分干管；所述加液系统包括连接真空破坏阀进口和出口的两球阀，两所述球阀之间连接有一二级文丘里装置，所述二级文丘里装置的进口喉管处连接有一三通吸液管，所述三通吸液管的两接口分别依次连接一截止阀和一单向阀，其中一单向阀连接一储肥罐，另一单向阀连接一储酸/氯罐；所述主管道出口连接若干分干管，每一所述分干管上间隔连接有一排轮灌组，每一所述轮灌组包括一连接分干管的支管，所述支管经一球阀后并联连接若干毛管，各所述毛管上间隔设置有若干灌水器，各所述毛管的另一端并联连接一连通管；所述冲洗过滤系统与所述轮灌组的数量相同，每一所述冲洗过滤系统包括一连接相应所述轮灌组连通管末端的一出水管，所述出水管上依次连接有一截止阀、一叠片过滤器和一电磁阀；所述叠片过滤器进口与所述电磁阀出口之间的所述出水管上并联连接一支管路，所述支管路上依次连接有一球阀、一水表和另一球阀；呈矩阵排列的所述轮灌组的冲洗过滤系统中，前一排前一列的所述出水管与后一排后一列所述轮灌组的所述支管进口连接，最后一排和最后一列所有的所述轮灌组的所述冲洗系统通过所述出水管连接一出水总管，并将所述出水总管引入一出水池；所述电路控制系统包括变频柜、配电箱和自动控制器，所述变频柜电连接所述水泵和所述压力表，所述自动控制器电连接各所述电磁阀。

所述水泵外设置保护设备。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于在解决灌水器堵塞问题上提出了在滴灌系统中先加入酸，使整个滴灌系统处于偏酸性环境，再向滴灌系统中加入氯；加酸加氯后，不但可以在生存环境上有效地抑制了堵塞物质的生长，而且可以促进其脱落；最后再开启冲洗过滤系统对作为滴灌管的毛管进行自动冲洗，将脱落的堵塞物排除出滴灌系统之外，因此大大地减小了灌水器堵塞的风险。2、本发明由于采用了基于系统尾部pH值控制的系统首部加酸计算方法和基于系统尾部余氯浓度控制的系统首部加氯计算方法，并给出具体的参数控制范围，包括加酸浓度为0.5～1.5mg/L，加酸的时间为20min～1h；加氯浓度为0.8～2.5mg/L，加氯时间为1～3h；因此本发明可以实现对首部加酸量和加氯量的精确控制，避免在系统中采用比例泵等加酸氯的方法，具有操作简便，造价低廉，磨损率低、装配简易、方便移动和抗腐蚀能力强等优点，能够有效延长滴灌系统使用寿命。3、本发明由于在每一轮灌组的末端设置了一冲洗过滤系统，并将前一排前一列冲洗过滤系统的出水口，连接后一排后一列轮灌组的进水口，因此不但可以在加酸加氯后对轮灌组的滴灌器进行冲洗，而且可以将前一排前一列的冲洗用水，经过冲洗过滤系统内设置的过滤器过滤后，作为后一排后一列轮灌组的滴灌用水，有效地节约了水资源，实现了水资源利用最大化。4、本发明由于在冲洗过滤系统中设置了截止阀、球阀、水表和另一球阀，因此可以通过流量反算流速，并通过截止阀控制流量，进而控制冲洗过滤过程的流速，将管道冲洗的流速控制在0.45m/s，冲洗时间控制在5～10min，冲洗频率为1次/1～2周，有效地提高了冲洗过滤流速控制的准确性。5、本发明由于在滴灌系统中应用二级文丘里装置实现对滴灌系统加酸氯和加肥料，因此不但无需配置加压泵，无需增加外部能源，降低了系统造价；而且使用二级文丘里装置可以进一步提高肥料、酸/氯与水混合的均匀度。本发明可以广泛用于农作物大田滴灌过程中。

附图说明

图1是本发明系统首部示意图

图2是本发明滴灌系统布置示意图

图3是本发明冲洗过滤系统示意图

图4是常规一级文丘里内部流体运动速度矢量图

图5是本发明应用的二级文丘里内部流体运动速度矢量图

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细的描述。

本发明为了解决已有技术中滴灌灌水器堵塞的问题，提出了在滴灌系统中采用化学加酸氯并配合管道冲洗的方法，为此，在系统中设置了与其配合加酸氯的加液系统和冲洗过滤系统；同时建立了基于系统尾部pH值控制的系统首部加酸计算方法和基于系统尾部余氯浓度控制的系统首部加氯计算方法，还应用了二级文丘里装置实现滴灌系统加酸氯，无需配置加压泵和其它外部能源，降低系统造价。下面为了描述方便，先对本发明的滴灌系统进行简单说明。

如图1、图2所示，本发明滴灌系统包括由供水系统10、加液系统20和电路控制系统50组成的系统首部，轮灌组30，冲洗过滤系统40，pH值测量仪和余氯计（图中未示出）。

供水系统10包括依次连接主管道11的水泵12、球阀13、压力表14、水表15、沙石过滤器16、真空破坏阀17、筛网过滤器18和电磁阀19。水泵12外设置保护设备121对水泵12进行保护。打开水泵12、球阀13和电磁阀19，便可以向主管道11供水。

加液系统20包括在真空破坏阀17进口和出口的主管道11上连接出来的两球阀21，两球阀21之间连接有一二级文丘里装置22，在二级文丘里装置22的进口喉管处连接有一三通吸液管23，三通吸液管23的一接口依次连接一截止阀24、一单向阀25和一储肥罐26，三通吸液管23的另一接口依次连接另一截止阀27、另一单向阀28和一储酸/氯罐29。需要向水中加酸或加氯时，打开两个球阀21、截止阀27和单向阀28，储酸/氯罐29中的酸或氯液便可以被吸入主管道11，与滴灌用水混合后流出。加肥料原理与其相同，不再赘述。

如图2所示，轮灌组30为呈矩阵排列的若干个，主管道11的出口连接若干分干管31，每一分干管31上间隔连接一排轮灌组30，每一轮灌组30包括一连接分干管31的支管32，支管32经一球阀33后并联连接若干毛管34，各毛管34上间隔设置有若干灌水器（图中未示出），各毛管34的另一端并联连接一连通管35。各轮灌组30可以按照需要的数量和位置，分别开启，以实现各轮灌组30的独立、轮流或全部的滴灌操作。

如图2、图3所示，冲洗过滤系统40为与轮灌组30数量相同的若干个，每一冲洗过滤系统40包括一连接在相应轮灌组30连通管35末端的一出水管41，出水管41上依次连接有一截止阀42、一叠片过滤器43和一电磁阀44；在叠片过滤器43进口与电磁阀44出口之间的出水管41上并联连接一支管路45，支管路45上依次连接有一球阀46、一水表47和另一球阀48。本发明滴灌系统的各轮灌组30与各冲洗过滤系统40采用“Z”字形连接，即前一排前一列的冲洗过滤系统40的出水管41与后一排后一列轮灌组30的支管32进口连接，这样可以将前一排前一列的冲洗水过滤后，作为后一排后一列轮灌组30的滴灌水，实现节约用水。最后一排和最后一列所有的冲洗过滤系统40无法与轮灌组30进行“Z”字形连接，只能将出水管41连接一出水总管49，并将出水总管49引入一出水池留作它用。

冲洗过滤系统40工作时，分为两个阶段：第一个阶段，首先将截止阀42和球阀46、48打开，关闭电磁阀44，通过水表47观测在一定时间内通过支路管45的流量，反算得到通过该支路管45的流速，调节截止阀42，使通过该支路管45的流速为目标流速。第二阶段，支路管45达到目标流速后，关闭球阀46和球阀48，打开电磁阀44，水流将按照目标流速流过含叠片过滤器43和电磁阀44的出水管41，从前一排前一列冲洗过滤系统40流出的水进入后一排后一列的轮灌组30进行灌溉。整个工作过程中，电磁阀44可实现按照预设时间对相应轮灌组30进行自动冲洗。

如图1所示，电路控制系统50包括常规的变频柜51、配电箱52和自动控制器53，变频柜51电连接水泵12和压力表14，从而维持滴灌系统压力的稳定性。自动控制器53电连接供水系统10的电磁阀19和冲洗过滤系统40的电磁阀44，可实现对相应控制管路的自动开闭。供水系统10的球阀13，加液系统20的两球阀21和单向阀25、28，轮灌组30的球阀33和冲洗过滤系统40的球阀46、48在相应系统进、出工作状态时，可以通过手动控制开关。加液系统20的截止阀24、27和冲洗过滤系统40中的截止阀42在相应系统进、出工作状态后，可以通过手动控制开关量，以控制流量，冲洗过滤系统40的球阀48的作用主要是防止滴灌用水的反流，其也可以是一个单向阀。

pH值测量仪可以采用现有技术的各种产品，其主要是用于滴灌现场灌溉水的酸碱度的测量，现场测量时，只需要在任意一毛管34的灌水器下方，测量流出来的水即可。余氯计可以采用现有技术的各种产品，其主要是用于滴灌现场灌溉水的余氯浓度测试，现场测量时，只需要在任意一毛管34的灌水器下方，测量流出来的水即可。pH值和余氯浓度的测试可为本发明计算方法提供初值和控制所应达到的目标值。

下面结合本发明的滴灌系统对本发明控制方法进行描述。

1）采用化学加酸氯并配合管道冲洗防止灌水器堵塞

①在滴灌系统进行滴灌作业过程中，首先通过加液系统向灌溉水中加酸，通过pH值测量仪测量滴灌器流出水的pH值，控制pH值为6，加酸时间总长为20min～1h，控制加酸浓度为0.5～1.5mg/L。

②然后通过加液系统向水中加氯，加氯时间总长为1～3h，控制加氯浓度为0.8～2.5mg/L，通过余氯计测量滴灌器流出水的余氯值，余氯值根据实际需要而定，以抑制形成堵塞物质的生物膜生长，并促进堵塞物质脱落。

③最后打开冲洗过滤系统，加大系统首部进水量和进水压力，对轮灌组进行冲洗，将脱落的堵塞物质排除出滴灌系统外，滴灌系统冲洗的流速为0.45m/s，冲洗时间为5～10min，冲洗频率为1次/1～2周。

2）基于尾部pH值控制的系统首部加酸、加氯的计算方法

首先定义各种参数含义：

呈矩阵排列的轮灌组为L_i,j，其中i＝1,2,3,...,n，j＝1,2,3,...,m；

轮灌组L_i,j中毛管数量为N_毛管，其中N_毛管＝1,2,...,n；

单根毛管长度为l_毛管，单位为m，毛管上灌水器间距为s，单位为m，则每根毛管上灌水器数目N_灌水器＝l_毛管/s，单位为个；

每个灌水器流量分别记为q_i，单位为L/h，其中i＝1,2,3,...,N_灌水器，则单根毛管进口流量

单位为L/h；

加液系统加入浓硫酸浓度为x，单位为mg/L；加酸时间为t_酸，单位为h；水源pH值为a；

加入次氯酸溶液浓度为y，单位为mg/L；加氯时间为t_氯，单位为h；余氯值为m_余氯，单位为mg/L；

①计算系统首部加酸体积V_酸

单位轮灌组在时间t_酸内所需灌溉用水量V_酸水：

其中，V_酸水单位为L。

假设现需将体积为V(V为常数)的pH=a的溶液调节至pH=6的溶液：

溶液由碱性变为中性所需酸的体积V₁：2×V₁/V×x＝10^-(14-a)×V

溶液由中性变为酸性所需酸的体积V₂：2×V₂/V×x＝10^-6×V

其中，V、V₁和V₂单位为L。

则将体积为V的pH=a的溶液调节至pH=6的溶液所需浓硫酸的体积V'_酸为：

V'_酸（L）=V₁+V₂＝(10^-14+a+10^-6)V²/2x（L）

其中，V'_酸单位为L。

则基于尾部pH值的系统首部加酸量V_酸为：

其中，V_酸单位为L。

②计算系统首部加氯体积V_氯

系统首部加氯量可以分为两部分，即需氯量和余氯量。需氯量是指与可被氯氧化的还原性物质反应所消耗的氯量。余氯量是指经反应后存余水中，起到抑制微生物等再度繁殖等作用的少量剩余氯的量。还原性物质还原能力不同。以氨氮为基准，还原性比氨氮强的物质首先与氯反应，并将氯还原为Cl^-1；氨氮与氯的反应符合折点加氯原理。还原性弱于氨氮的还原性物质一般对余氯影响较小，本发明不作考虑。

a、还原性比氨氮强的物质需氯量m_还原

采用测COD（Chemical Oxygen Demand，化学需氧量）估算法。

一般情况下，不考虑氨氮时，水中还原性比氨氮强的物质的量和需氯量呈线性关系，因此可以通过测定加氯前后水样COD的变化情况来估算需氯量。设加氯前后测得的COD差值为C，单位为mg/L，可以算出还原性比氨氮强的物质耗氯量m_还原：

m_还原(mg/L)=C×2×70.9/32≈4.43C(mg/L)

其中，m_还原单位为mg/L。

b、氨氮需氯量m_氨氮

按照折点加氯原理，考虑氨氮和氯在各个阶段反应方程式，设氨氮含量为M_氨氮，单位为mg/L，还原性比氨氮强的物质消耗的氯气量仍为m_还原，则不同氨氮条件下的最少加氯量如下（如表1所示）：

表1不同氨氮条件下的最少加氯量

氨氮含量（mg/L）	0～0.12	>0.12
			最少加氯量（mg/L）	m还原+6.62M氨氮	m还原

c、单位轮灌组灌溉水量总需氯量m'_氯

m'_氯(mg/L)=m_还原+m_氨氮+m_余氯(mg/L)

其中，m_余氯=2.5mg/L，m'_氯和m_氨氮单位为mg/L。

经过上述步骤，得到基于余氯浓度直接换算得到的在系统首部单位灌溉水量所需加氯量m'_氯；

单位轮灌组在时间t_氯内所需灌溉用水量V_氯水：

其中，V_氯水单位为L；

则需在系统首部加氯的体积V_氯为：

其中，V_氯单位为L。

3）应用二级文丘里装置实现滴灌系统加酸氯

如图1所示，本发明在滴灌系统中采用二级文丘里装置22，无需设置加压泵，也无需增加外部能源，就能实现滴灌系统加酸氯。常规采用一级文丘里装置（如图4所示）与本发明应用二级文丘里装置22相比（如图5所示）可以看到，在一级文丘里装置内部流体运动速度矢量图中，一级文丘里装置出口处，溶液各相运动速度差异显著，溶液混合均匀度较低，在本发明应用的二级文丘里22内部流体运动速度矢量图中，二级文丘里22的喉管处，溶液各相速度分布一致，且在出口处溶液混合均匀度相比较一级文丘里的溶液混合均匀度明显有所提高。上述附图中，横坐标为速度标尺，单位为m/s，其中不同颜色深度代表不同速度大小。

下面举一实施例，对本发明方法做进一步的说明。

实施例：于内蒙古巴彦淖尔市滴灌试验站种植约26.3hm²玉米。玉米种植设置12个轮灌组，每个轮灌组长95m，宽229.4m。主管道连接3根分干管，每根分干管连接4个轮灌组。每根支管连接63根毛管。毛管长度为114.7m，灌水器间距为0.3m。灌水器设计流量为1.5L/h。需控制该灌溉系统余氯值为2.5mg/L。灌溉水源为再生水。玉米种植期间再生水各项水质参数为：COD含量在13.43mg/L上下波动，最大值为40.0mg/L，最小值为3.0mg/L；加氯前后测得的COD差值为约为6mg/L；SS（Suspended Substance，水质中的悬浮物）含量在5.03mg/L上下波动，最大值为34.5mg/L，最小值为0.2mg/L；NH₄ ⁺-N含量在2.39mg/L上下波动，最大值为10.4mg/L，最小值为0.41mg/L；TP含量在0.78mg/L上下波动，最大值为2.32mg/L，最小值为0.40mg/L；pH值比较稳定，在8.0左右微幅波动，最大值为8.12，最小值为7.91；水温随着天气变化，由18.6℃小幅上升后下降逐渐下降至13.6℃，期间最高水温24.2℃，最低水温13.6℃。

1、灌水器堵塞的化学加酸氯配合管道冲洗的控制方法与控制目标

根据本发明所提出控制方法与控制目标取值范围，结合滴灌试验站实际情况，最终确定该实施例的灌水器堵塞的化学加酸氯配合管道冲洗的控制方法与控制目标如下：

①加酸

首先控制滴灌系统尾部pH值为6。在储酸/氯罐内加入通过计算所得定量的浓硫酸，通过二级文丘里装置将其加入系统首部。采用比色法测试滴灌系统尾部水质pH值。加液系统加入浓硫酸的时间总长为40min，控制硫酸的浓度为1.84mg/L。

②加氯

滴灌系统处于偏酸性状态后，在储酸/氯罐中加入计算所得定量的次氯酸钠溶液。通过二级文丘里装置将其加入系统首部。采用余氯计测试灌溉系统尾部余氯值。加液系统加氯时间总长为2h，控制次氯酸钠浓度为1.5mg/L；

③冲洗

管道冲洗流速控制为0.45m/s，冲洗时间总长为8min，冲洗频率为1次/2周；

2、用于灌水器抗堵塞的滴灌系统

实施例中，主管道11连接三根分干管31，每根分干管31连接四个轮灌组30，则各轮灌组30的符号中：i＝1,2,3，j＝1,2,3,4。

加液系统20对单位轮灌组L_i,j进行加酸氯时，打开两球阀21和L_i,j的球阀33，关闭截止阀42。水泵12将水源泵入主管道11，水流流经水表15，经过砂石过滤器16的初步过滤，打开两球阀21进入二级文丘装置22，经过截止阀24、27和单向阀25、28，储肥罐26内肥料与储酸/氯罐29内的酸/氯通过二级文丘里装置22进入系统主管道11后，通过筛网过滤器18进行再次过滤。保护设备121对水泵12进行保护。变频柜51控制水泵12和压力表14，调节滴灌系统压力。配电箱52为整个滴灌系统提供电力。自动控制器53与电磁阀19配合，自动实现滴灌系统定时灌溉。

单位轮灌组L_i,j加酸氯后，需进行冲洗。打开需要进行冲洗的单位轮灌组L_i,j支管32上的球阀33，使单位轮灌组L_i,j与分干管31连通。冲洗前，先关闭电磁阀44，打开球阀46、48，通过截止阀42精确调节通过水表47的流量，将该管路的流速控制在0.45m/s。冲洗时，关闭球阀46、48，开启电磁阀44自动打开，冲洗用水以0.45m/s的流速对整个单位轮灌组L_i,j进行冲洗后，经过叠片过滤器43与电磁阀44所在管路，将过滤后的冲洗水，用于对轮灌组L_i+1,j+1的滴灌用水。

3、系统首部加酸/氯量计算方法

根据实施例中滴灌系统各项参数，单位轮灌组L_i,j毛管数量为N_毛管＝63；单根毛管长度为l_毛管=114.7m，灌水器间距为s＝0.3m，则每根滴灌管上灌水器数目N_灌水器，记为：N_灌水器=l_毛管/s＝114.7/0.3≈382个；灌水器设计流量q_设计=1.5L/h。为简化计算，将灌水器q_设计作为灌水器平均流量

计算毛管流量，则单根毛管进口流量水源pHa＝8；系统首部所加浓硫酸浓度x＝1.84mg/L，加酸时间t_酸=0.67h，所加次氯酸溶液浓度为y＝1.5mg/L，加氯时间t_氯=2h，余氯值m_余氯=2.5mg/L。

1）系统首部加酸体积V_酸

单位轮灌组L_i,j在时间t_酸=0.67h内所需灌溉用水量V_酸水：

假设现需将1L的pH=8的溶液调节至pH=6的溶液：

则将体积为1L的pH=8的溶液调节至pH=6的溶液所需浓硫酸的体积V'_酸：

V'_酸(L)=V₁+V₂＝5×(10^-(15-a)+10^-7)/x=5×(10^-(15-8)+10^-7)/18.4=5.43×10^-8(L)

则基于尾部pH值的系统首部加酸量V_酸为：

V_酸（L）=V_酸′×V_酸水＝5.43×10^-8×24066＝1.31×10^-3（L）

2）系统首部加氯体积V_氯

①还原性比氨氮强的物质需氯量m_还原

根据实施例，加氯前后测得的COD差值为C=6mg/L，可以算出还原性比氨氮强的物质耗氯量；

②氨氮需氯量m_氨氯

还原性比氨氮强的物质消耗的氯气量仍为m_还原＝26.58mg/L。根据实施例，氨氮含量为M_氨氯＝2.39mg/L＞2.39mg/L，查表1可知，氨氮需氯量m_氨氯=m_还原=26.58mg/L；

③单位体积总需氯量m'_氯

m'_氯(mg/L)=m_还原+m_氨氯+m_余氯＝26.58+26.58+2.5＝55.66(mg/L)

经过上述步骤，得到基于余氯浓度直接换算得到在系统首部单位灌溉水量所需加氯量m'_氯；

单位轮灌组L_i,j在时间t_氯=2h内所需灌溉用水量V_氯水：

则需在系统首部加氯的体积V_氯为：

V_氯(L)=V_氯水×m'_氯/y=72198×55.66/1.5=2.7×10⁶(L)

上述实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺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 (7)

1.一种防止滴灌灌水器堵塞的加酸氯控制方法，包括以下内容：

1）化学加酸氯并配合管道冲洗

①向滴灌系统中加酸，使滴灌系统处于偏酸性状态，滴灌系统加酸的时间为20min～1h，浓度为0.5～1.5mg/L；

②向滴灌系统中加氯，抑制堵塞物质生物膜的生长，促进其脱落，滴灌系统加氯的时间为1～3h，加酸浓度为0.8～2.5mg/L；

③对滴灌系统进行冲洗，将脱落的堵塞物质排除系统外，减小灌水器堵塞的风险；滴灌系统管道冲洗的流速为0.45m/s，冲洗时间为5～10min，冲洗频率为1次/1～2周；

2）基于尾部pH值控制的系统首部加酸、加氯计算方法

①基于尾部pH值的首部加酸量V_酸为：

其中，加液系统加入浓硫酸浓度为x；加酸时间为t_酸；水源pH值为a，每个灌水器流量分别记为q_i，其中i＝1,2,3,...,N_灌水器，则单根毛管进口流量

轮灌组中毛管数量为N_毛管，其中N_毛管＝1,2,...,n；

②系统首部加氯的体积V_氯为：

V_氯=V_氯水×m'_氯/y

其中，V_氯水为单位轮灌组在加氯时间t_氯内所需灌溉用水量，m'_氯为基于余氯浓度直接换算得到的在系统首部单位灌溉水量所需加氯量，y为加入次氯酸溶液浓度。

2.如权利要求1所述的防止滴灌灌水器堵塞的加酸氯控制方法，其特征在于：所述步骤2）的①中V_酸通过以下方式得到：

需将体积为V的pH=a的溶液调节至pH=6的溶液：

溶液由碱性变为中性所需酸的体积V₁：2×V₁/V×x＝10^-(14-a)×V

溶液由中性变为酸性所需酸的体积V₂：2×V₂/V×x＝10^-6×V

则将体积为V的pH=a的溶液调节至pH=6的溶液所需浓硫酸的体积V'_酸为：

V'_酸=V₁+V₂＝(10^-14+a+10^-6)V²/2x

V_酸水为单位轮灌组在加酸时间t_酸内所需灌溉用水量；

其中，单根毛管进口流量

轮灌组中毛管数量为N_毛管，其中N_毛管＝1,2,..n.；,加液系统加入浓硫酸时间为t_酸；

基于尾部pH值的系统首部加酸量V_酸为：

3.如权利要求1所述的防止滴灌灌水器堵塞的加酸氯控制方法，其特征在于：所述步骤2）的②中系统首部加氯的体积V_氯通过以下方式得到：

a、还原性比氨氮强的物质需氯量m_还原：

m_还原=C×2×70.9/32≈4.43C

其中，C为加氯前后测得的COD差值；

b、根据氨氮含量的最少加氯量m_氨氮

氨氮含量 0～0.12 >0.12 最少加氯量 m_还原+6.62M_氨氮 m_还原

其中，M_氨氮为氨氮含量；

c、单位轮灌组灌溉水量总需氯量m'_氯

m’_氯=m_还原+m_氨氮+m_余氯

其中，m_余氯=2.5；

经过上述步骤，得到基于余氯浓度直接换算得到的在系统首部单位灌溉水量所需加氯量m'_氯；

单位轮灌组在加氯时间t_氯内所需灌溉用水量V_氯水：

则需在系统首部加氯的体积V_氯为：

其中，y为加入次氯酸溶液浓度。

4.如权利要求2所述的防止滴灌灌水器堵塞的加酸氯控制方法，其特征在于：所述步骤2）的②中系统首部加氯的体积V_氯通过以下方式得到：

a、还原性比氨氮强的物质需氯量m_还原：

m_还原=C×2×70.9/32≈4.43C

其中，C为加氯前后测得的COD差值；

b、根据氨氮含量的最少加氯量m_氨氮

氨氮含量 0～0.12 >0.12 最少加氯量 m_还原+6.62M_氨氮 m_还原

其中，M_氨氮为氨氮含量；

c、单位轮灌组灌溉水量总需氯量m'_氯

m’_氯=m_还原+m_氨氮+m_余氯

其中，m_余氯=2.5；

经过上述步骤，得到基于余氯浓度直接换算得到的在系统首部单位灌溉水量所需加氯量m'_氯；

单位轮灌组在加氯时间t_氯内所需灌溉用水量V_氯水：

则需在系统首部加氯的体积V_氯为：

其中，y为加入次氯酸溶液浓度。

5.如权利要求1或2或3或4所述的防止滴灌灌水器堵塞的加酸氯控制方法，其特征在于：所述冲洗过滤系统工作时，分为两个阶段：第一个阶段，将所述冲洗过滤系统的截止阀和两球阀打开、电磁阀关闭，通过所述冲洗过滤系统水表测量通过所述支路管的流量，反算得到通过所述支路管的流速，调节所述冲洗过滤系统的截止阀，控制流速为目标流速；第二阶段，将所述冲洗过滤系统的两球阀关闭、电磁阀打开，水流以目标流速流出所述冲洗过滤系统的叠片过滤器和电磁阀，作为灌溉用水流入后一排后一列轮灌组的支管。

6.一种实现如权利要求1～5所述的防止滴灌灌水器堵塞的加酸氯控制方法的控制系统，其特征在于：它包括由供水系统、加液系统和电路控制系统组成的系统首部，轮灌组，冲洗过滤系统，pH值测量仪和余氯计；

所述供水系统包括依次连接主管道的水泵、球阀、压力表、水表、沙石过滤器、真空破坏阀、筛网过滤器和电磁阀，所述主管道出口连接若干分干管；

所述加液系统包括连接真空破坏阀进口和出口的两球阀，两所述球阀之间连接有一二级文丘里装置，所述二级文丘里装置的进口喉管处连接有一三通吸液管，所述三通吸液管的两接口分别依次连接一截止阀和一单向阀，其中一单向阀连接一储肥罐，另一单向阀连接一储酸/氯罐；

所述主管道出口连接若干分干管，每一所述分干管上间隔连接有一排轮灌组，每一所述轮灌组包括一连接分干管的支管，所述支管经一球阀后并联连接若干毛管，各所述毛管上间隔设置有若干灌水器，各所述毛管的另一端并联连接一连通管；

所述冲洗过滤系统与所述轮灌组的数量相同，每一所述冲洗过滤系统包括一连接相应所述轮灌组连通管末端的一出水管，所述出水管上依次连接有一截止阀、一叠片过滤器和一电磁阀；所述叠片过滤器进口与所述电磁阀出口之间的所述出水管上并联连接一支管路，所述支管路上依次连接有一球阀、一水表和另一球阀；

呈矩阵排列的所述轮灌组的冲洗过滤系统中，前一排前一列的所述出水管与后一排后一列所述轮灌组的所述支管进口连接，最后一排和最后一列所有的所述轮灌组的所述冲洗系统通过所述出水管连接一出水总管，并将所述出水总管引入一出水池；

所述电路控制系统包括变频柜、配电箱和自动控制器，所述变频柜电连接所述水泵和所述压力表，所述自动控制器电连接各所述电磁阀。

7.如权利要求6所述的防止滴灌灌水器堵塞的加酸氯控制系统，其特征在于：所述水泵外设置保护设备。

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