CN108168626A - 快速测定地埋灌水器压力与流量的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速测定地埋灌水器压力与流量的装置及其方法，其中装置包括储水罐和通过供水管道与储水罐连接的测试单元；储水罐为透明、且外壁上设置有刻度线的圆柱形瓶体；测试单元包括水箱和水平布置于水箱内的滴灌带，水箱的顶部设置有带动滴灌带在水箱高度方向竖直移动的电动伸缩装置；水箱的上端连接有使水箱内的液面位于同一高度的溢流管；供水管道上或储水罐前端设置有将储水罐内的水输送至滴灌带的动力装置；供水管道上设置有供水阀门和压力表，供水管道密封穿过水箱壁面并通过软管与滴灌带连接。本方案提供的装置及其方法不需要制作土箱便能快速获得不同土壤饱和水正压下的灌水器压力～流量关系曲线。

Description

快速测定地埋灌水器压力与流量的装置及其方法

技术领域

本发明属于精准农业节水灌溉设备技术领域，具体涉及到一种快速测定地埋灌水器压力与流量的装置及其方法。

背景技术

地下滴灌是一种先进的节水灌溉技术，水、肥、气、药可通过地埋滴灌带上的灌水器缓慢渗入土壤中，再借助毛细管作用或重力作用扩散到整个作物根层，节水增产效益明显，自动化程度高，无需每年更换滴灌带，可节省劳力和能源。

在地表滴灌条件下，灌水器进口压力h～流量q关系曲线可以用公式q＝k×h^x来表示，其中，k为常数，h为灌水器进口压力，x为灌水器流态指数，参数k和x可通过拟合至少4个进口压力对应的流量值的关系曲线后获得(GB/T17187-2009《农业灌溉设备滴头和滴灌管技术规范和试验方法》)。

在地下滴灌系统中，由于灌水器埋设于土壤中，当灌水器出水流量超过土壤入渗能力时，会引起灌水器出口与土壤接触面处的压力h_s(以下称为土壤饱和水正压)增加，进而导致灌水器流量q下降，故在地下滴灌条件下，灌水器进口压力h～流量q关系需要考虑土壤饱和水正压h_s，表达式为q＝k×(h-h_s)^x，其中，k为常数，h为灌水器进口压力，h_s为土壤饱和水正压，x为灌水器流态指数。土壤饱和水正压h_s与土壤质地关系密切，而大田中复杂的土壤质地分布使得h_s空间变异性大，进而影响整个系统的灌水均匀度。

此外，由于灌水器地埋后出水量减小，若按照灌水器自由出流时的流量来计算作物灌水时间，那么实际灌水量会小于计划灌水定额，使得作物不能获取充足的水分，影响作物生长。因此，准确获取灌水器地埋后，不同土壤饱和水正压h_s下的进口压力h～流量q关系曲线成为地下滴灌系统能否精准设计的重要影响因素。

为了获取灌水器地埋后的压力～流量关系曲线，目前的研究方法首先需要制作一个土箱，并将灌水器埋设在土壤中，在不同灌水器进口压力水头下，通过监测供水马氏瓶液面的变化来获取灌水器地埋后的压力～流量关系(李久生,杨凤艳,刘玉春,等，土壤层状质地对小流量地下滴灌灌水器特性的影响[J],农业工程学报,2009,25(4):1-6.)。土箱的制备过程十分繁琐、耗时，需要每5cm分层填土，每层土的填充步骤为风干土、筛土、称土、加水拌匀、装土、将土面抹平、压实、在土表上扎孔、再次压实直至土层厚度为5cm，接着将土表划上毛边并填装下一层土壤。土箱的体积较大，其尺寸与地埋滴灌带铺设间距、灌水器间距、土壤质地等因素有关，其长、宽、高通常设置为60、40和80cm，而制备该土箱至少需要1～2天。

此外，由于一个土箱只能提供一个灌水器进口压力条件下的灌水器流量测试后便不能使用，需要重新制作，而按照GB/T17187-2009《农业灌溉设备滴头和滴灌管技术规范和试验方法》，构成灌水器压力～流量关系曲线至少需要4个数据点，即至少需要制备4个土箱才能完成一种土质，即一个土壤饱和水正压h_s下的灌水器压力～流量关系曲线，若要测试一系列土壤饱和水正压h_s下的灌水器压力～流量关系曲线，需要进行的工作量十分巨大。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的快速测定地埋灌水器压力与流量的装置及其方法不需要制作土箱便能快速获得不同土壤饱和水正压下的灌水器压力～流量关系曲线。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

第一方面，提供快速测定地埋灌水器压力与流量的装置，其包括储水罐和通过供水管道与储水罐连接的测试单元；储水罐为透明圆柱形瓶体，其外壁上设置有液位刻度线；

测试单元包括水箱和水平布置于水箱内的滴灌带，水箱的顶部设置有带动滴灌带在水箱高度方向竖直移动的电动伸缩装置；水箱的上端连接有使水箱内的液面位于同一高度的溢流管；供水管道上或储水罐前端设置有将储水罐内的水输送至滴灌带的动力装置；供水管道上设置有供水阀门和压力表，供水管道密封穿过水箱壁面，并通过软管与滴灌带连接。

优选地，动力装置为设置在储水罐前端的空气压缩机，空气压缩机通过其上设置有气压表和供气阀门的供气管道与储水罐的上端连接；储水罐的顶部设置有泄压阀。

优选地，动力装置为设置在供水管道上的水泵。

优选地，水箱的顶部通过支撑架设置有三个同步工作的电动伸缩装置，电动伸缩装置的电动推杆穿过水箱顶壁与固定横杆连接，滴管带安装在固定横杆上。

优选地，三个电动伸缩装置的电动推杆分别与固定横杆的两端和中部连接，所述固定横杆的首端和末端分别设置有进口接头和出口接头，滴灌带的首端通过进口接头与软管连接，所述滴灌带的末端与出口接头连接。

优选地，供水管道邻近水箱段呈水平布置、且与溢流管位于同一平面，压力表设置在供水管道的水平段。

优选地，快速测定地埋灌水器压力与流量的装置还包括控制模块，供气阀门、供水阀门和泄压阀均为电磁阀；电动伸缩装置、空气压缩机、供气阀门、供水阀门、泄压阀、气压表和压力表均与控制模块连接。

第二方面，提供一种测试地埋灌水器压力与流量的测试方法，其包括：

向水箱内灌注水，并控制水箱内水液面与溢流管所在高度齐平；

根据所测定土壤的土壤饱和水正压，计算滴灌带上的灌水器浸入水液面下的深度h′：

h′＝h_s/(ρ_水g)

其中，h_s为土壤饱和水正压；ρ_水为水密度；g为重力加速度；

启动电动伸缩装置带动滴灌带移动，直至滴灌带上灌水器出水口与水液面之间的高度等于深度h′；

开启动力装置和供水阀门，当压力表处的读数处于稳定状态后，记录储水罐中液面的初始刻度；

当储水罐持续给滴灌带供水设定时间后，再次记录储水罐中液面的测试刻度；

根据压力表的读数H_y和深度h′，计算灌水器进口压力h_n＝H_y+h′；

计算土壤饱和水正压为h_s、灌水器进口压力为h_n条件下灌水器的流量q_n：

q_n＝0.06πR²(x_n-y_n)/T

其中，R为储水罐的半径；x_n为初始刻度；y_n为测试刻度；T为设定时间。

优选地，当动力装置为设置在储水罐前端的空气压缩机时，开启动力装置后待空气压缩机的输出气压恒定在设定值时，开启供水阀门，关闭泄压阀。

优选地，测试地埋灌水器压力与流量的测试方法还包括开启动力装置时，水液面与溢流管所在高度齐平且水液面处于静止状态。

与现有技术中测量压力与流量关系曲线的方法相比，本发明的有益效果为：

1、省时省钱：将灌水器浸入水中，利用水压创造模拟土壤饱和水正压，不需要花费大量的时间和金钱去制作土箱、不需要将灌水器埋在土中便能快速获取不同土壤饱和水正压下的灌水器压力～流量关系曲线；

2、测试精度高：通过电动伸缩装置带动滴灌带运动，使得滴灌带上的灌水器的浸水深度能按照预设的土壤饱和水正压计算结果精准定位；在水箱上边缘设置的溢流管能快速排掉滴灌带流入水箱中的水，保证试验过程中灌水器的浸水深度不变，即灌水器受到的土壤饱和水正压保持恒定；

3、适用范围广：水优异的流动性和包裹性使得该方法适用于任何一种形式的灌水器(边缝式、管上式、内镶贴片式、内镶柱状式灌水器等)。

附图说明

图1为快速测定地埋灌水器压力与流量的装置的结构示意图。

其中，1、空气压缩机；2、供气管道；3、供气阀门；4、气压表；5、储水罐；6、泄压阀；7、供水管道；8、供水阀门；9、压力表；10、软管；11、滴灌带；12、电动伸缩装置；121、进口接头；122、出口接头；123、固定横杆；124、支撑架；125、电动推杆；13、水箱；131、水液面；132、溢流管。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

参考图1，图1示出了快速测定地埋灌水器压力与流量的装置的结构示意图；如图1所示，该快速测定地埋灌水器压力与流量的装置包括储水罐5和通过供水管道7与储水罐5连接的测试单元；

其中，储水罐5为透明的圆柱形瓶体，瓶壁外设置有液位刻度线，在测试过程中，通过观察刻度线能快速地获取进入滴灌带11的水量。

测试单元包括水箱13和水平布置于水箱13内的滴管带11，水箱13的顶部设置有至少一个带动滴灌带11在水箱13高度方向竖直移动的电动伸缩装置12。

实施时，本方案优选水箱13的顶部通过支撑架124设置有三个同步工作的电动伸缩装置12，电动伸缩装置12的电动推杆125穿过水箱13顶壁与固定横杆123连接。

电动伸缩装置12可以通过电动推杆125和固定横杆123带动滴灌带11精准移动至水箱13内预先设定的浸水深度处。

为了保证滴灌带11上每个灌水器收到相同的土壤饱和水正压，即需要位于同一浸水深度，滴灌带11可通过若干挂钩或绳子水平固定在固定横杆123上。在水箱13的高度允许范围内，本装置可以对若干土壤的土壤饱和水正压进行连续模拟实验。

为了保证固定横杆123和滴灌带11在水箱13中运动的平稳性并始终处于水平状态，本方案优选三个电动伸缩装置12同步工作，其电动推杆125分别与固定横杆123的两端和中部连接。

水箱13的上端连接有使水箱13内的液面在试验过程中保持恒定不变的溢流管132，溢流管132可以根据需要设置多根，只要保证所有溢流管132位于同一水平面即可，溢流管132能快速排掉滴灌带11流入水箱13中的水，维持灌水器浸水深度不变。

供水管道7上或储水罐5前端设置有将储水罐5内的水输送至滴灌带11的动力装置；供水管道7上设置有供水阀门8和压力表9，供水管道7密封穿过水箱13的壁面，并通过软管10和进口接头121与滴灌带11连接。

由于软管10的长度会影响滴灌带11在水箱13内的运动深度，对此优选软管10的长度应略大于电动推杆125能够延伸至水箱13内的最大长度，软管材质较为坚韧，在上下移动时不会发生弯折扭曲，影响压力输送。

实施时，本方案优选在固定横杆123的首末端上分别设置有进口接头121和出口接头122，其中，进口接头121为中通结构，出口接头122为出口闭合结构，滴灌带11的首端通过进口接头121与软管连接，滴灌带11的末端与出口接头122相连。

在本发明的一个实施例中，动力装置可以为设置在供水管道7上的水泵，也可以为设置在储水罐5前端的空气压缩机1；当动力装置为水泵时，为了保证储水罐5中水面压力的恒定，优选储水罐的顶端开设有与大气连通的孔体。

当动力装置为空气压缩机1时，空气压缩机1通过其上设置有气压表4和供气阀门3的供气管道2与储水罐5的上端连接；储水罐的顶部设置有泄压阀6。

空气压缩机1的主要作用是通过恒定的气压将储水罐5中的水压入滴灌带11中；供气阀门3和气压表4分别用来调节和监测空气压缩机1的输气压力。泄压阀6的主要作用是试验结束时，排掉储水罐5中的气压。

实施时，本方案优选供水管道7邻近水箱13段呈水平布置、且与溢流管132位于同一平面，压力表9设置在供水管道7的水平段，采用该种方式后，可以简化压力表9的读数H_y和滴灌带11上灌水器的进口压力h_n的关系h_n＝H_y+h′，h′为灌水器浸水深度。

在本发明的一个实施例中，快速测定地埋灌水器压力与流量的装置还包括控制模块，供气阀门3、供水阀门8和泄压阀6均为电磁阀；电动伸缩装置12、空气压缩机1、供气阀门3、供水阀门8、泄压阀6、气压表4和压力表9均与控制模块连接，储水罐5中还可以通过安装与控制模块连接的液位计来监测液面变化，以实现自动计算出灌水器的出水流量。

控制模块的引入，在进行灌水器压力和流量测试时，只需要输入模拟的土壤饱和水正压就能实现设备的各个部件的自动调控，并自动生成试验测试结果曲线，缩短了测试时间。

至此已完成对快速测定地埋灌水器压力与流量的装置的相应技术的阐述，下面对该装置测试地埋灌水器压力与流量的测试方法进行详细说明。

该测试方法包括步骤101至步骤107：

在步骤101中，向水箱13内灌注清水，并控制水箱13内水液面131与溢流管132所在高度齐平；

在步骤102中，根据所需要测定的土壤饱和水正压h_s，计算滴灌带11上的灌水器浸入水液面131下的深度h′：

h′＝h_s/(ρ_水g)

其中，h_s为土壤饱和水正压；ρ_水为水密度；g为重力加速度。

在步骤103中，同步启动三个电动伸缩装置12，带动固定横杆123以及滴灌带11竖直移动，直至滴灌带11上的灌水器出水口与水液面131之间的高度等于深度h′；

在步骤104中，开启动力装置和供水阀门8，当压力表9的读数处于稳定状态后，记录储水罐5中液面的初始刻度；

实施时，本方案优选当动力装置为设置在储水罐5前端的空气压缩机1时，开启动力装置后待空气压缩机1的输出气压恒定在设定值时，开启供水阀门8并关闭泄压阀6。

为了避免滴灌带11在运动至深度h′时的过程中造成部分水从溢流管132排出影响水箱13内水的深度，而致使产生的水压与模拟的土壤饱和水正压存在差异，本方案优选开启动力装置时，水液面131与溢流管132所在高度齐平且水液面131处于静止状态。

在步骤105中，当储水罐5给滴灌带11持续供水时间达到设定值时，再次记录储水罐5中液面的测试刻度；

在步骤106中，根据压力表9的读数H_y和深度h′，计算灌水器进口压力h_n＝H_y+h′；

在步骤107中，计算土壤饱和水正压为h_s、灌水器进口压力为h_n条件下灌水器的流量q_n：

q_n＝0.06πR²(x_n-y_n)/T

其中，R为储水罐5的半径；x_n为初始刻度；y_n为测试刻度；T为设定时间。

通过上面得到的灌水器进口压力h_n和h_n条件下灌水器的流量q_n，再结合现有技术中公开的在地下滴灌条件下，灌水器进口压力h～流量q关系表达式为q＝k×(h-h_s)^x就可以获得地埋灌水器压力～流量关系曲线，其中，k为常数，x为灌水器流态指数。

综上所述，本方案提供的装置具有结构简单、操作方便，不需要制作土箱便能快速获得不同土壤饱和水正压下的灌水器压力～流量关系曲线，为地下滴灌系统关键参数合理设计，尤其是适宜的灌水器流量和滴灌带铺设长度的确定提供重要参考依据。

Claims (10)

1.快速测定地埋灌水器压力与流量的装置，其特征在于，包括储水罐和通过供水管道与储水罐连接的测试单元；所述储水罐为透明、且外壁上设置有刻度线的圆柱形瓶体；

所述测试单元包括水箱和水平布置于所述水箱内的滴灌带，所述水箱的顶部设置有至少一个带动所述滴灌带在水箱高度方向竖直移动的电动伸缩装置；所述水箱的上端连接有使水箱内的液面位于同一高度的溢流管；

所述供水管道上或储水罐前端设置有将储水罐内的水输送至滴灌带的动力装置；所述供水管道上设置有供水阀门和压力表，且供水管道密封穿过所述水箱壁面，并通过软管与滴灌带连接。

2.根据权利要求1所述的快速测定地埋灌水器压力与流量的装置，其特征在于，所述动力装置为设置在储水罐前端的空气压缩机，所述空气压缩机通过其上设置有气压表和供气阀门的供气管道与储水罐的上端连接；所述储水罐的顶部设置有泄压阀。

3.根据权利要求1所述的快速测定地埋灌水器压力与流量的装置，其特征在于，所述动力装置为设置在供水管道上的水泵。

4.根据权利要求1-3任一所述的快速测定地埋灌水器压力与流量的装置，其特征在于，所述水箱的顶部通过支撑架设置有三个同步工作的电动伸缩装置，所述电动伸缩装置的电动推杆穿过水箱顶壁与固定横杆连接，所述滴灌带安装于固定横杆上。

5.根据权利要求4所述的快速测定地埋灌水器压力与流量的装置，其特征在于，三个电动伸缩装置的电动推杆分别与固定横杆的两端和中部连接，所述固定横杆的首端和末端分别设置有进口接头和出口接头，所述滴灌带的首端通过进口接头与软管连接，所述滴灌带的末端与出口接头连接。

6.根据权利要求1-3任一所述的快速测定地埋灌水器压力与流量的装置，其特征在于，所述供水管道邻近水箱段呈水平布置、且与溢流管位于同一平面，所述压力表设置在供水管道的水平段。

7.根据权利要求2所述的快速测定地埋灌水器压力与流量的装置，其特征在于，还包括控制模块，所述供气阀门、供水阀门和泄压阀均为电磁阀；所述电动伸缩装置、空气压缩机、供气阀门、供水阀门、泄压阀、气压表和压力表均与控制模块连接。

8.一种采用权利要求1-7任一所述的装置测试地埋灌水器压力与流量的测试方法，其特征在于，包括：

向水箱内灌注水，并控制水箱内水液面与溢流管所在高度齐平；

根据所测定土壤的土壤饱和水正压，计算滴灌带上的灌水器浸入水液面下的深度h′：

h′＝h_s/(ρ_水g)

其中，h_s为土壤饱和水正压；ρ_水为水密度；g为重力加速度；

启动电动伸缩装置带动滴灌带移动，直至滴灌带上灌水器出水口与水液面之间的高度等于深度h′；

开启动力装置和供水阀门，当压力表处的读数处于稳定状态后，记录储水罐中液面的初始刻度；

当储水罐持续给滴灌带供水设定时间后，再次记录储水罐中液面的测试刻度；

根据压力表的读数H_y和深度h′，计算灌水器进口压力h_n＝H_y+h′；

计算土壤饱和水正压为h_s、灌水器进口压力为h_n条件下灌水器的流量q_n：

q_n＝0.06πR²(x_n-y_n)/T

其中，R为储水罐的半径；x_n为初始刻度；y_n为测试刻度；T为设定时间。

9.根据权利要求8所述的测试方法，其特征在于，当动力装置为设置在储水罐前端的空气压缩机时，开启动力装置后待空气压缩机的输出气压恒定在设定值时，开启供水阀门，关闭泄压阀。

10.根据权利要求8或9所述的测试方法，其特征在于，还包括开启动力装置时，水液面与溢流管所在高度齐平且水液面处于静止状态。