CN108225438A - 管上式滴头地埋后流量与土壤水正压测定装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管上式滴头地埋后流量与土壤水正压测定装置及测试方法，其装置包括与管上式滴头连接的软管及放置于与数据采集设备连接的称重装置上的盛装桶；软管上设置有阀门，软管远离管上式滴头的端部连接有一三通管；三通管的一个端口设置有与数据采集设备连接的压力采集模块，其另一个端口连接有连接管道，连接管道的自由端穿过盛装桶底部设置的圆孔延伸入盛装桶的土壤中；测试滴头流量与土壤水正压时，连接管道的出水口与盛装桶中土壤表面的距离等于管上式滴头与其所在处土壤表面的距离，且连接管道的出水口与管上式滴头位于同一水平面上。

Description

管上式滴头地埋后流量与土壤水正压测定装置及测试方法

技术领域

本发明属于农业节水灌溉技术领域，具体涉及到管上式滴头地埋后流量与土壤水正压测定装置及测试方法。

背景技术

伴随着我国水资源不断紧缺，农业用水危机也变得日益突出，如何提高农业用水效率、减少水资源浪费成为当代农业研究热点。发展和推广高效节水灌溉技术是解决水资源短缺的重要途径和手段。地下滴灌技术具有局部灌水、棵间蒸发少等显著优势，是目前公认最节水的灌溉方式之一。

在地表滴灌条件下，滴头位于大气环境中，滴头出流时处于自由出流状态，单个滴头在不同压力下的流量q可通过室内试验按照测试标准测试获得，即直接由容器在滴头下方接水，通过测定一定时间T内的质量变化Δm计算得到。在地表滴灌系统中，沿着毛管铺设方向毛管内不同滴头的工作压力H₁是不相同的，滴头工作压力H₁可通过多口管(多口出流)沿程水头损失计算公式获得，即，H₁＝H₀-ΔH₁±ΔH₂，式中，H₀为地表滴灌系统首部水泵的压力水头；ΔH₁为水泵到滴头的沿程水头损失，其值与多口系数、管长、管径和流量有关，计算所用的流量可由滴头实测流量q推算得到；ΔH₂为所计算处滴头与水泵的地形高差。

在地下滴灌条件下，滴头埋设于土壤中，滴头出水口被土壤包裹着，滴头流量q′无法用容器直接接水测试。此外，在灌水过程中，当土壤进入积水入渗阶段，即土壤入渗速率小于滴头供水速率时，土壤水会在滴头附近形成正压力h_s(以下称为土壤水正压)，降低了滴头流量，与地埋滴头流量相对应的实际工作压力H不仅受到系统首部供水压力H₀′的影响，还受到土壤水正压h_s的影响，即，H＝H₁′-h_s＝(H₀′-ΔH₁′±ΔH₂′)-h_s。其中，H₁′的计算方法与上述地表滴灌一致，由于地埋滴头流量q′无法准确获得，使得H₁′中的ΔH₁′项无法计算，此外，土壤水正压h_s与滴头流量、土壤物理特性以及土壤含水率等诸多因素有关，无法通过公式计算得到。故如何准确测定滴头地埋后流量q′和土壤水正压h_s成为计算地埋滴头实际工作压力H的关键。

目前测试地埋滴头流量的方法主要有两种：称重法测试(CN104729845B)和马氏瓶法测试(CN104351018B)。称重法测试时，由于多个盛装桶间存在滴灌带连带作用，会影响单个盛装桶质量变化监测，测试结果可能存在误差。此外，该发明中的滴灌带是一段一段埋设于土壤中，与大田中滴灌带整根埋设于土壤中，会受到土壤挤压力的实际情况有差别，地埋滴头下的土壤水正压仍然无法获得。

马氏瓶法不能测试土壤水正压，另外其运用马氏瓶给地埋滴头供水，通过单位时间内马氏瓶中水体积的变化量来推算滴头流量，在实际工程中，若要测试地下滴灌系统常用的工作压力(10米)下的滴头流量，需要将马氏瓶提高到10米高度，操作困难。此外，由于使用马氏瓶单独供水，需要将地埋滴灌带切断，破坏了滴灌系统的完整性，增加滴灌带破损漏水的风险。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种管上式滴头地埋后流量与土壤水正压测定装置及测试方法，其能准确测定地埋滴头流量和土壤水正压。

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，提供一种管上式滴头地埋后流量与土壤水正压测定装置，其包括与管上式滴头连接的软管及放置于与数据采集设备连接的称重装置上的盛装桶；软管上设置有阀门，软管远离管上式滴头的端部连接有一三通管；三通管的一个端口设置有与数据采集设备连接的压力采集模块，其另一个端口连接有连接管道，连接管道的自由端穿过盛装桶底部设置的圆孔延伸入盛装桶的土壤中；装置测试流量与土壤水正压时，连接管道的出水口与盛装桶中土壤表面的距离等于管上式滴头与其所在处土壤表面的距离，且连接管道的出水口与管上式滴头位于同一水平面上。

第二方面，提供一种采用管上式滴头地埋后流量与土壤水正压测定装置测试管上式滴头工作压力的方法，其包括：

挖出地埋滴灌带的上部土壤层，将软管与管上式滴头密封连接，并将挖出的土壤按照原状土层的顺序填埋、压实；

安装阀门至软管上，将三通管分别与软管、压力采集模块和连接管道连接，并使压力采集模块所在处与管上式滴头位于同一水平面上，之后连接压力采集模块和数据采集设备；

采用试验室分层填装法或大田取土法将土壤填充入盛装桶内，并将连接管道安放于盛装桶中的土壤内，之后组装形成完整的盛装桶；

将盛装桶放置于称重装置上，当连接管道的出水口与盛装桶中土壤表面的距离等于管上式滴头与其所在处土壤表面的距离，并且连接管道的出水口与管上式滴头位于同一水平面上时，打开阀门向盛装桶内注水；

当压力采集模块采集的压力和单位时间内称重装置采集的质量变化量均不变时，开始管上式滴头的流量和土壤水正压的测试；

获取设定时间T′内称重装置监测到的盛装桶内质量变化值Δm′，并采用设定时间T′和质量变化值Δm′计算与软管连接的管上式滴头流量q′：

q′＝Δm′/(T′×ρ)

其中，T′为设定时间；Δm′为质量变化值；ρ为水密度；q′为管上式滴头流量；

采用压力采集模块采集的管上式滴头所在位置处的土壤水正压h_s；

根据土壤水正压h_s，计算与软管连接的管上式滴头地埋后的工作压力H：

H＝H₁′-h_s＝(H₀′-ΔH₁′±ΔH₂′)-h_s

其中，H₀′为地埋滴灌系统首部水泵的压力水头；ΔH₁′为管上式滴头与水泵之间的沿程水头损失；ΔH₂′为管上式滴头与水泵之间的地形高差。

与现有技术中的测试装置及方法相比，本发明的有益效果为：

1、可快速、简便地直接测定滴头地埋后流量和滴头周围土壤水正压，在测试过程中滴灌带始终埋设在土壤中，与其初始工作环境高度一致，滴头流量和工作压力测试精度高，对评价滴头地埋条件下的水力性能以及评估地下滴灌系统灌水均匀度具有重要的科学意义。

2、盛装桶可沿中央等均分为两部分，使得其中填充的土体也能等均分为两部分，使得连接管道能竖直放置在盛装桶中央，不会发生弯折而影响连接管道向盛装桶中排水，此外，还可以根据实际工程中滴头的埋深来调节连接管道末端与土面的间距。

3、本发明测试装置结构简单、操作方便、便于携带，无论是在室内试验室还是田间实际工程中均能准确地测试滴头地埋后流量和土壤水正压，解决了现有测试方法中与地埋滴头实际工作环境不一致、忽略土壤水正压影响或是操作困难等不足。

附图说明

图1为管上式滴头地埋后流量与土壤水正压测定装置的结构示意图。

图2为盛装桶和底座的结构示意图。

其中，1、地埋滴灌带；2、管上式滴头；3、第一软管；4、阀门；5、第二软管；6、三通管；7、压力采集模块；8、第一信号传输线；9、连接管道；91、出水口；10、盛装桶；101、桶体；101a、第一半桶体；101b、第二半桶体；102、外螺纹段；103、底座；104、内螺纹段；105、圆孔；106、土体；106a、第一土体；106b、第二土体；11、紧固件；12、底架；13、称重装置；14、第二信号传输线；15、数据采集设备。

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示出了管上式滴头2地埋后流量与土壤水正压测定装置，如图1所示，该管上式滴头地埋后流量与土壤水正压测定装置包括与管上式滴头2连接的软管及放置于称重装置13上的盛装桶10，称重装置13与数据采集设备15连接；在安装盛装桶10时，根据其所在地形高低需要，可以在盛装桶10与称重装置13之间设置上底架12。

其中，称重装置13可以选用市面上任何一款能够采集其上物品重量、且测试精度为±0.002kg的称重传感器，其通过第二信号传输线14与数据采集设备15连接。

如图2所示，在本发明的一个实施例中，盛装桶10包括底座103及由两个弧长相等的半桶体构成的桶体101，两个半桶体分别为第一半桶体101a和第二半桶体101b；桶体101上设置有将两个半桶体固定在一起的紧固件11，桶体101固定安装在底座103上。

实施时，本方案优选紧固件11为至少一个沿桶体101高度方向设置的抱箍，不过在进行两个半桶体时，紧固件11可以不局限于抱箍，只要是能够将两个半桶体紧密固定在一起的装置均可以。

在进行试验时，为了盛装有土体106的桶体101与底座103方便、快速地组装在一起，实施时，本方案优选每个半桶体的底端均开设有外螺纹段102，底座103上设置有与外螺纹段102配合的内螺纹段104。

再次参考图1，软管上设置有阀门4，软管远离管上式滴头2的端部连接有一三通管6。为了方便软管的安装，本方案优选软管由两段组成，其分别为第一软管3和第二软管5。

其中的阀门4安装于第一软管3和第二软管5的连接处，阀门4可以选用目前市面上常见的手动阀，也可以选用电磁阀，若是选用电磁阀时，其需要与数据采集设备15连接。

三通管6的一个端口设置有通过第一信号传输线8与数据采集设备15连接的压力采集模块7，其另一个端口连接有连接管道9，连接管道9的自由端穿过盛装桶10底部设置的圆孔105延伸入盛装桶10的土体106中。

为了避免连接管道9被土体106压扁导致出流不顺，连接管道9至少延伸至盛装桶10内部分需选用硬度大的管道，即连接管道9至少位于盛装桶10内部分的材质为硬质材料。

当盛装桶10由两个半桶体组成时，在进行连接管道9的安装时，可以将连接接管道9夹在第一土体106a和第二土体106b之间后，再将半桶体和底座103组成完整的盛装桶10，并用紧固件11固定。

当盛装桶10为整体式时，可以通过直径与连接管道9相同、硬度大于土体106的部件穿过盛装桶10底部的圆孔105，在盛装桶10设置上一个安装孔，之后再将连接管道9延伸至安装孔内而完成连接管道9的安装。

采用本方案的装置测试流量与土壤水正压时，连接管道9的出水口91与盛装桶10中土壤表面的距离H_b等于管上式滴头2与其所在处土壤表面的距离H_a，且连接管道9的出水口91与管上式滴头2位于同一水平面上。

采用上述方式对连接管道9的出水口91的设置，可以使其尽量匹配田间的实际情况，这样不需要改变田间地埋滴灌带1，确保了滴头流量和工作压力测试精度。

实施时，本方案优选连接管道9位于盛装桶10内的部分采用竖直的方式设置于盛装桶10内。

在进行具体的田间试验时，为了保证测试的精度，其中盛装桶10内部盛装的土壤与管上式滴头2所在处的物理特性相同，其中物理特征包括土质、土质分布、容重及含水率等。

在本发明的一个实施例中，装置测试流量与土壤水正压时，压力采集模块7与连接管道9的出水口91位于同一水平面上。这样设置后，压力采集模块7采集的压力即为管上式滴头2所在位置处的土壤水正压，不需要进行一系列换算，简化了试验难度的同时保证了测试精度。

其中的压力采集模块7可以选用目前市面上任一种测试精度为±0.01m的压力传感器或电子压力计，数据采集设备15可以选用计算机，也可以选用市面上具有一定运算能力的控制单元。

至此已完成对管上式滴头2地埋后流量与土壤水正压测定装置的详细描述，下面结合附图1对本方案的装置测试管上式滴头2流量与土壤水正压的方法进行详细说明。

该装置测定管上式滴头地埋后流量与土壤水正压的方法包括步骤101至步骤108。

在步骤101中，挖出地埋滴灌带1的上部土壤层，将第一软管3首端与管上式滴头2密封连接，并将挖出的土壤按照原状土层的顺序填埋、压实。

挖出地埋滴灌带1的上部土壤层时，可以选定每5cm作为一层，挖出后按照先后顺序分堆放置，待第一软管3首端与管上式滴头2连接好后，将挖出的若干堆土壤按照原状土层的顺序重新填埋、压实。

在步骤102中，将阀门4与第一软管3末端和第二软管5首端相连，将三通管6分别与第二软管5末端、压力采集模块7和连接管道9首端连接，并使压力采集模块7所在处与管上式滴头2以及连接管道9的出水口91位于同一水平面上，之后连接压力采集模块7和数据采集设备15。

在步骤103中，采用试验室分层填装法或大田取土法将土壤填充入盛装桶10内，并将连接管道9安放于盛装桶10中的土壤内，之后组装形成完整的盛装桶10。

在本发明的一个实施例中，试验室分层填装法包括：

采用紧固件11将两个半桶体固定合并为一体，并与底座103固定连接；

采用分层的方式向盛装桶10中填入土壤，每层土壤的填充步骤为晒土、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达到设定值，接着将土表划上毛边并填装下一层土壤；

当盛装桶10填充满后，将底座103拧下，将紧固件11松开，沿着两个半桶体之间的缝隙将填充的土体106切分为第一土体106a和第二土体106b。

在本发明的一个实施例中，大田取土法包括：

采用紧固件11将两个半桶体固定合并为一体，将桶体101平放在土面上，在桶体101顶部放置一块木板；

向下敲打木板，使桶体101竖直向下运动，待桶体101内已填充满土壤，将桶体101及其内的土体106整体挖出，并去除桶体101顶端和底端的土壤；

松开紧固件11，并沿着两个半桶体之间的缝隙将填充的土体106切分为第一土体106a和第二土体106b。

实施时，本方案优选将连接管道9安放于盛装桶10中的土壤内，之后组装形成完整的盛装桶10进一步包括：

将连接管道9穿过底座103中央的圆孔105，采用第一土体106a和第二土体106b夹住连接管道9，并使连接管道9竖直位于土体106中央；

之后采用紧固件11将两个半桶体采用固定连接，并与底座103固定连接。

连接管道9的出水口91与盛装桶10中土壤表面的距离主要是在将其装夹在第一土体106a和第二土体106b时进行调整，在调整时会综合考虑进行试验时底座103与管上式滴头2间的距离差。

在步骤104中，将盛装桶10放置于称重装置13上，当连接管道9的出水口91与盛装桶10中土壤表面的距离等于管上式滴头2与其所在处土壤表面的距离，并且连接管道9的出水口91与管上式滴头2位于同一水平面上时，打开阀门4向盛装桶10内注水。

在步骤105中，当压力采集模块7采集的压力和单位时间内称重装置13采集的质量变化量均不变(即滴头出水和土壤水分运移达到动态平衡)时，开始管上式滴头2的流量和土壤水正压的测试。

在步骤106中，获取设定时间T′内称重装置13监测到的盛装桶10内质量变化值Δm′，并采用设定时间T′和质量变化值Δm′计算管上式滴头2流量q′：

q′＝Δm′/(T′×ρ)

其中，T′为设定时间；Δm′为质量变化值；ρ为水密度；q′为管上式滴头2流量；

在步骤107中，采用压力采集模块7采集的管上式滴头2所在位置处的土壤水正压h_s；

在步骤108中，根据土壤水正压h_s，计算与软管连接的管上式滴头2地埋后的工作压力H：

H＝H₁′-h_s＝(H₀′-ΔH₁′±ΔH₂′)-h_s

其中，H₀′为地埋滴灌系统首部水泵的压力水头；ΔH₁′为水泵到管上式滴头2的沿程水头损失，其值与多口系数、管长、管径和流量有关，计算所用的流量可由滴头实测流量q′推算得到；ΔH₂′为管上式滴头2与水泵之间的地形高差。

此处需要说明的，本方案提到的连接管道9的出水口91与管上式滴头2位于同一水平面上及压力采集模块7所在处与连接管道9的出水口91位于同一水平面上仅指在进行试验时连接管道9的出水口91、管上式滴头2和压力采集模块7所在处三者位于同一水平面。

综上所述，本方案提供的装置和方法不仅能在试验室中使用，还能在田间工程中应用，装置结构简单、操作方便，能解决现有测试方法中与地埋滴头实际工作环境不一致、忽略土壤水正压影响或是操作困难等不足，能准确测定地埋滴头流量和土壤水正压用于计算滴头地埋后实际的工作压力。

Claims (10)

1.管上式滴头地埋后流量与土壤水正压测定装置，其特征在于：包括与管上式滴头连接的软管及放置于与数据采集设备连接的称重装置上的盛装桶；所述软管上设置有阀门，所述软管远离管上式滴头的端部连接有一三通管；所述三通管的一个端口设置有与数据采集设备连接的压力采集模块，其另一个端口连接有连接管道，所述连接管道的自由端穿过所述盛装桶底部设置的圆孔延伸入所述盛装桶的土壤中；装置测试流量与土壤水正压时，连接管道的出水口与盛装桶中土壤表面的距离等于管上式滴头与其所在处土壤表面的距离，且连接管道的出水口与管上式滴头位于同一水平面上。

2.根据权利要求1所述的管上式滴头地埋后流量与土壤水正压测定装置，其特征在于：所述盛装桶内部盛装的土壤与管上式滴头所在处土壤的物理特性相同。

3.根据权利要求1所述的管上式滴头地埋后流量与土壤水正压测定装置，其特征在于：所述盛装桶包括底座及由两个弧长相等的半桶体构成的桶体，所述桶体上设置有将两个半桶体固定在一起的紧固件，所述桶体固定安装在所述底座上。

4.根据权利要求3所述的管上式滴头地埋后流量与土壤水正压测定装置，其特征在于：每个所述半桶体的底端均开设有外螺纹段，所述底座上设置有与所述外螺纹段配合的内螺纹段。

5.根据权利要求1所述的管上式滴头地埋后流量与土壤水正压测定装置，其特征在于：装置测试流量与土壤水正压时，所述压力采集模块所在处与所述连接管道的出水口位于同一水平面上。

6.根据权利要求1所述的管上式滴头地埋后流量与土壤水正压测定装置，其特征在于：所述连接管道位于所述盛装桶内的部分采用竖直的方式设置于所述盛装桶内，且所述连接管道至少位于盛装桶内部分的材质为硬质材料。

7.一种采用权利要求1-6任一所述的管上式滴头地埋后流量与土壤水正压测定装置测试管上式滴头工作压力的方法，其特征在于，包括：

挖出地埋滴灌带的上部土壤层，将软管与管上式滴头密封连接，并将挖出的土壤按照原状土层的顺序填埋、压实；

安装阀门至软管上，将三通管分别与软管、压力采集模块和连接管道连接，并使压力采集模块所在处与管上式滴头位于同一水平面上，之后连接压力采集模块和数据采集设备；

采用试验室分层填装法或大田取土法将土壤填充入盛装桶内，并将连接管道安放于盛装桶中的土壤内，之后组装形成完整的盛装桶；

将盛装桶放置于称重装置上，当连接管道的出水口与盛装桶中土壤表面的距离等于管上式滴头与其所在处土壤表面的距离，并且连接管道的出水口与管上式滴头位于同一水平面上时，打开阀门向盛装桶内注水；

当压力采集模块采集的压力和单位时间内称重装置采集的质量变化量均不变时，开始管上式滴头的流量和土壤水正压的测试；

获取设定时间T′内称重装置监测到的盛装桶内质量变化值Δm′，并采用设定时间T′和质量变化值Δm′计算与软管连接的管上式滴头的流量q′：

q′＝Δm′/(T′×ρ)

其中，T′为设定时间；Δm′为质量变化值；ρ为水密度；q′为管上式滴头流量；

采用压力采集模块采集管上式滴头所在位置处的土壤水正压h_s；

根据土壤水正压h_s，计算与软管连接的管上式滴头地埋后的工作压力H：

H＝H₁′-h_s＝(H₀′-ΔH₁′±ΔH₂′)-h_s

其中，H₀′为地埋滴灌系统水泵的压力水头；ΔH₁′为水泵到管上式滴头的沿程水头损失；ΔH₂′为管上式滴头与水泵之间的地形高差。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述试验室分层填装法包括：

采用紧固件将两个半桶体固定合并为一体，并与底座固定连接；

采用分层的方式向盛装桶中填入土壤，每层土壤的填充步骤为晒土、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达到设定值，接着将土表划上毛边并填装下一层土壤；

当盛装桶填充满后，将底座拧下，将紧固件松开，沿着两个半桶体之间的缝隙将填充的土体切分为第一土体和第二土体。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述大田取土法包括：

采用紧固件将两个半桶体固定合并为一体，将桶体平放在土面上，在桶体顶部放置一块木板；

向下敲打木板，使桶体竖直向下运动，待桶体内已填充满土壤，将桶体及其内的土体整体挖出，并去除桶体顶端和底端的土壤；

松开紧固件，并沿着两个半桶体之间的缝隙将填充的土体切分为第一土体和第二土体。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，将连接管道安放于盛装桶中的土壤内，之后组装形成完整的盛装桶进一步包括：

将连接管道穿过底座上的圆孔，采用第一土体和第二土体夹住连接管道，并使连接管道竖直位于土体中央；

之后两个半桶体采用紧固件固定连接在一起后，与底座固定连接。