CN114739648B - 地下滴灌系统堵塞特征原位田间测试平台与测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下滴灌系统堵塞特征原位田间测试平台与测试方法，涉及农业灌溉技术领域，包括首部输水系统、田间地下滴灌系统以及循环回水系统，首部输水系统包括蓄水池及其中的潜水泵、离心过滤器；田间地下滴灌系统包括筛网过滤器、调压阀、压力表、电磁流量计、滴灌管、自动进排气阀、级配土、原状土层；循环回水系统包括超渗材料、波纹管、无纺布、防渗膜、倾斜地基、回水池及其中的潜水泵。本发明突破了地下滴灌系统堵塞特征原位、长期、动态监测的瓶颈，满足了田间尺度长期研究过程中水源循环高效利用的需求，可以实现不同水源、灌水器类型、水肥一体化、物理化学生物堵塞控制方法、运行模式等多工况条件下田间尺度连续观测与取样测试。

Description

地下滴灌系统堵塞特征原位田间测试平台与测试方法

技术领域

本发明涉及农业灌溉技术领域，尤其涉及一种地下滴灌系统堵塞特征原位田间测试平台与测试方法。

背景技术

由于地下滴灌灌水器埋于土壤中，其流量变化特征极难进行实时、原位测试。因此如何快速、准确地测试地下滴灌系统灌水器的出流特征成为目前的主要瓶颈。不同学者采用水量平衡计算推求、间接称重推求、直接挖开土壤后测试再校正、定位观测等方法进行尝试。其中前三种方法不同程度地脱离或改变了地下滴灌系统的运行环境，无法直观反映，作为研究对象的灌水器数量也极其有限；而第四种方法虽然克服了使用前三种方法所引起的流量误差，但它以小区为单元进行估算，无法直接反映地下滴灌灌水器堵塞特征，精度也偏低。

针对地下滴灌条件下灌水器堵塞特征，目前也有专家学者提出了一些测试地下滴灌系统灌水器出流情况的方法。比如内蒙古自治区水利科学研究院王荣莲等人制作土箱通过调节回水管阀门开度改变供水管道内水的流量，使压力表和流量计达到预设值，从而使灌水器流量变为流量计示数(专利号：ZL201720306816.6)，该装置具有制作成本低，结构简单的优点，但只能测试土箱内单个或数个灌水器的出流情况，并且需要预制压力－流量关系；中国水利水电科学研究院莫彦等人通过竖直移动电动伸缩装置得出压力－流量关系曲线进而测定地埋灌水器的出流情况(专利号：ZL201810254405.6)，该装置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，但采用目测法读数会造成试验误差，且测试灌水器数量依然有限。上述两种方法均只是针对室内模拟条件下，地下滴灌系统单个或数个灌水器的出流情况，无法反映地下滴灌系统田间实际运行情况。另外关于田间滴灌系统的测试方法，中国农业大学李云开等人通过在灌溉小区布置监测装置发明了一种田间原位监测装置，可以对农田滴灌系统性能状况实现实时监测(授权公告号：CN 108088694 B)，但是此方法主要监测每个灌溉小区入口处流量大小和压力情况，且仅适用于地表滴灌系统。整体来看，目前还未涉及田间尺度下地下滴灌系统灌水器出流特征的长期、动态监测的平台和方法，更无法根据地下滴灌灌水器堵塞特征对堵塞物质进行准确取样和快速测试。

基于上述的问题和技术缺陷，本发明提出了一种地下滴灌系统堵塞特征原位田间测试平台与测试方法，创造性地实现了田间尺度地下滴灌系统灌水器堵塞发生过程和特征的原位、长期、动态监测，构造了一套模块化高、包容性强的平台，可以针对多工况条件下进行同时测试，开发了一套基于防渗膜、波纹管、回水池、倾斜地基、可拆卸式隔板等多结构的一体化循环回水装置，同时通过布设高精度的调压阀、压力表、电磁流量计等设备提高了测试精度，可以更加准确的评估试验结果。

发明内容

本发明意在提供一种地下滴灌系统堵塞特征原位田间测试平台与测试方法，突破了地下滴灌系统堵塞特征原位、长期、动态监测的瓶颈，满足了田间尺度长期研究过程中水源循环高效利用的需求，可以实现不同水源、灌水器类型、水肥一体化、物理化学生物堵塞控制方法、运行模式等多工况条件下田间尺度连续观测与取样测试。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种地下滴灌系统堵塞特征原位田间测试平台，其特征在于：包括首部输水系统、田间地下滴灌系统和循环回水系统，所述首部输水系统包括蓄水池、置于蓄水池中的潜水泵、离心过滤器，所述田间地下滴灌系统包括筛网过滤器、调压阀、压力表、电磁流量计、滴灌管、自动进排气阀、级配土和原状土层，所述循环回水系统包括超渗材料、波纹管、无纺布、防渗膜、倾斜地基、回水池、置于回水池中的潜水泵，所述田间地下滴灌系统通过管道分别与首部输水系统的蓄水池和循环回水系统的回水池中的潜水泵相连通，所述离心过滤器设置在田间地下滴灌系统与蓄水池之间，所述回水池设置在倾斜地基的右端，所述倾斜地基上侧铺设U型的防渗膜，所述波纹管纵向均匀排列、横向铺设在防渗膜上，所述波纹管一侧封闭，另一侧出口置于回水池上方，所述波纹管上按固定间距均匀开设有多个溢流孔，所述无纺布包裹在波纹管外侧，所述波纹管的上侧从下至上依次铺设级配土、超渗材料、滴灌管和原状土层。

优选地，所述田间地下滴灌系统包括多组测试单元，每组测试单元包括横向设置的三组子单元，每组子单元均包括调压阀、压力表、电磁流量计和多根并列布置的滴灌管，所有滴灌管的左右两端分别连通同一条管道，且在右端连通有连接管，所述连接管的右端与相邻的子单元连通，所述调压阀、压力表、电磁流量计均设置在连接管上，所述自动进排气阀安装在最左端子单元的左侧末尾，所述筛网过滤器安装在最右端子单元的连接管的右端并与首部输水系统相连通。

优选地，所述测试单元和波纹管一一对应，即每个测试单元中间正下方有一根波纹管，相邻两个测试单元之间均通过U形的防渗膜相隔开。

优选地，所述蓄水池外侧设有储水罐，可用于储存不同类型待混配溶液，所述储水罐的出水口置于蓄水池内。

优选地，所述回水池在对应的测试单元边界处设置有可拆卸式隔板，以对回水池进行分隔。

一种地下滴灌系统堵塞特征原位田间测试方法，根据上述的测试平台，该测试平台的测试方法包括：

S1：考虑到不同水源类型混配或轮灌、水肥一体化条件、物理化学生物等堵塞控制制剂溶液添加等情况，首先打开储水罐阀门将其中需要添加的水源、肥液或制剂溶液加入蓄水池，待加入量满足试验要求后关闭此阀门；

S2：加入单一水源或完成S1后，开启蓄水池中的潜水泵电源及相关阀门，将蓄水池内水源运输至田间地下滴灌系统，通过调压阀控制系统压力，根据试验要求将压力值调至合适值，待压力表数值随系统持续运行保持稳定后，将所有的电磁流量计开启记录流量；

S3：进入田间地下滴灌系统的水下渗原状土层、超渗材料等并通过溢流孔流进入波纹管，进而回流进回水池，待回水量达到回水池容量的90％以上后关闭蓄水池中的潜水泵电源及相关阀门，关闭电磁流量计；

S4：开启回水池内潜水泵电源及相关阀门，根据试验要求再次将压力表调至合适值，待稳定后再次开启电磁流量计记录流量；

S5：待回水池内水回流完毕后，重复上述S1至S4操作，之后根据实时测试的电磁流量计流量计算评估灌水器堵塞情况，根据试验需求对不同堵塞程度的灌水器进行取样，并对灌水器内部堵塞物质开展相关测试。

本技术方案的原理及有益效果：

(1)本发明突破了以往室内模拟测试方法和间接推求(或近似替代)方法来体现地下滴灌堵塞情况所带来的技术问题，创新实现了田间尺度地下滴灌系统灌水器出流特征的原位、长期、动态监测，而且可以真实反映田间地下滴灌条件下灌水器堵塞程度随时间的动态变化过程。

(2)本发明具有模块化高、包容性强等特点，通过合理组合系统可以针对多工况条件下进行同时测试，比如可以同时在不同水源、灌水器类型、水肥一体化、物理化学生物堵塞控制方法、运行模式等多工况条件下，基于地下滴灌灌水器流量实时、动态田间测试结果，可以根据试验需求即时取样，并对其堵塞物质开展相关测试。

(3)本发明开发了一套基于防渗膜、波纹管、回水池、倾斜地基、可拆卸式隔板等多结构的一体化的循环回水装置，可以保证田间尺度下高耗水试验中水资源的合理使用，也能避免劣质水源对土壤及地下水环境的二次污染。

(4)本发明使用了一套高精度且精度适配的调压阀、压力表、电磁流量计等设备，不仅可以提高试验的测试精度，而且可以更加准确的评估田间地下滴灌条件下灌水器的堵塞程度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的测试平台的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的测试平台的俯视示意图；

图3为本发明实施例提供的测试平台的侧面剖视示意图；

图4为本发明实施例提供的测试平台的正面剖视示意图；

图5为本发明实施例提供的测试平台的实物图；

图6为本发明实施例提供的测试结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：蓄水池1、潜水泵2、储水罐3、离心过滤器4、回水池5、筛网过滤器6、调压阀7、压力表8、电磁流量计9、锁母外丝阀10、滴灌管11、自动进排气阀12、原状土层13、超渗材料14、级配土15、波纹管16、防渗膜17。

实施例1：

如图1所示的，一种地下滴灌系统堵塞特征原位田间测试平台，包括首部输水系统、田间地下滴灌系统和循环回水系统，首部输水系统包括蓄水池1、置于蓄水池1中的潜水泵2、离心过滤器4，蓄水池1外侧设有储水罐3，储水罐3可用于储存不同类型待混配溶液且出水口置于蓄水池1内，循环回水系统包括倾斜地基、超渗材料14、多根波纹管16、防渗膜17、回水池5和置于回水池中的潜水泵2，回水池5在对应的测试单元边界处设置有可拆卸式隔板，以对回水池5进行分隔，田间地下滴灌系统中的密闭管道分别与蓄水池1和回水池5中的潜水泵2相连通，离心过滤器4设置在田间地下滴灌系统与蓄水池1之间，田间地下滴灌系统包括四组测试单元，四组测试单元均为三段式结构，从右至左包括首、中、尾三组子单元，每组子单元均包括调压阀7、压力表8、电磁流量计9以及多根并列布置的滴灌管11，滴灌管11的两端均设有锁母外丝阀10且左右两端分别连通同一条管道，管道的右端连通有连接管，调压阀7、压力表8和电磁流量计9均设置在连接管上，自动进排气阀12安装在最左端子单元的左侧末尾，筛网过滤器6安装在最右端子单元的连接管的右端并与首部输水系统相连通。

该测试平台的蓄水池1中使用扬程30m的潜水泵2进行供水，回水池5内潜水泵2的扬程为15m，离心过滤器4的尺寸为4寸，且在输水管道上安装有球阀，回水管8道上安装有逆止阀。首部输水系统中经由蓄水池1引出后通过Φ32PVC管道经由Φ25三通与筛网过滤器6相连接，进而与四组测试单元相连；电磁流量计9位于调压阀门9与压力表8之后，然后两边采用Φ25三通纵向相连，每个Φ25三通横向与锁母外丝阀10相连；每组测试单元共计30m长，包括3组调压阀7、3组压力表8、和3组电磁流量计9，且每组测试单元连接有14条滴灌管11。循环回水系统通过直径为0.2m的波纹管16将回水排入回水池5；其中波纹管16的外部包有一层无纺布起到滤土排水的作用；每根波纹管16位于测试单元的中间部位，且波纹管16周围被级配土15包裹；沿轴向在波纹管16的上下两侧和左右两侧均匀打孔用于回水，每个孔的孔径大小为6mm，相邻孔之间的间距为10cm；级配土15根据地质环境按照细砂：中砂：粗砂＝2：4：14构成；防渗膜17整个铺满测试系统的最下侧，用以阻止水流继续下渗并隔开相邻测试单元；超渗材料14采用每平米50g的土工布。

工作原理：

首先整个地基被开挖成存在一个5°～15°的倾角的平面，上面铺有一层U形的完整的防渗膜17，其次在波纹管16壁面打孔收集滴灌管11流出的水，并将其输送至回水池5，且波纹管16先被一层无纺布进行包裹，同时波纹管16周围还用级配土15进行包裹以还原地下滴灌系统的真实环境，最后为了实现快速滤水在原状土层与波纹管16中间有一层超渗材料14。

打开储水罐3的阀门，让待混配溶液流入蓄水池1中，之后打开蓄水池1中的潜水泵2，并将蓄水池1中的混合水源经离心过滤器4进入田间地下滴灌系统中，并从滴灌管11的灌水器流出，混合水源下渗原状土层13、超渗材料14等并通过溢流孔流进入波纹管16，回水经波纹管16流入回水池5，待回水达到回水池5总量的90％以上后关闭蓄水池1的输水阀门并开启放置于回水池5中的潜水泵2将其重新抽入到田间地下滴灌系统，从而将首部输水系统与循环回水系统相连接，其中在回水池5中的潜水泵2的回水管路8与输水管路中安装逆止阀，以保证回水管路8向田间地下滴灌系统输水时输水管路自动关闭，从而通过上述结构形成了一体化的水循环装置。

同时，回水池5中插接可拆卸式隔板，可将其分隔成多个区域，相邻测试单元通过U形防渗膜17进行分隔的结构，不仅保证了相邻测试单元间互不影响，而且满足了多工况条件下同时测试的条件。

实施例2：

一种地下滴灌系统堵塞特征原位田间测试方法，旨在通过对沼液地下滴灌系统灌水器堵塞特征原位、长期、动态监测，探究系统运行全过程下灌水器的堵塞程度变化特征与内部堵塞物质的累积程度，从而明确灌水器堵塞发生过程；根据实时测试的灌水器堵塞情况，当灌水器平均堵塞程度达到一定堵塞程度时对田间地下滴灌系统灌水器进行取样，针对不同堵塞程度的灌水器开展灌水器堵塞物质表观形貌特征、干重、胞外聚合物、无机矿物组分、微生物群落特征等相关测试，本实施例以沼液地下滴灌系统灌水器堵塞过程及堵塞物质干重测试为例。根据上述的测试平台，该测试平台的测试方法包括：

以地下水作为空白对照，其他处理分别使用两个奶牛养殖场的沼液与地下水按照1:16的比例混配开展试验，沼液处理工艺均为厌氧发酵，沼液水质参数如表1所示。该平台每天运行时长9h，累积运行720h(80天)，每天10：00进行流量测试用于即时评估灌水器平均堵塞程度，以每90h(10天)作为间隔用以表征灌水器的堵塞过程，当灌水器平均堵塞程度分别达到10％、20％、30％、40％左右时(即系统运行时间达到180h、360h、540h、720h)进行灌水器取样并开展堵塞物质干重测试。

表1沼液水质参数

如表2所示，本试验选取的灌水器类型共计4种。

表2不同类型滴灌灌水器基本参数

S1：首先打开储水罐相应阀门将沼液加入蓄水池，每次按照沼液：地下水＝1：16的比例进行添加，待加入量满足后关闭此阀门；

S2：开启蓄水池中潜水泵电源及相关阀门，将蓄水池内水运输至田间地下滴灌系统，通过调压阀门控制系统的压力，根据试验要求将压力值调至0.1MPa，待压力表数值随系统持续运行保持稳定后，将所有电磁流量计开启记录流量；

S3：进入田间地下滴灌系统的沼液－地下水混配溶液下渗进入原状土层并通过溢流孔流入波纹管进而回流进回水池，待回水量达到回水池容量的90％以上后关闭蓄水池中的潜水泵电源及相关阀门，关闭电磁流量计；

S4：开启回水池内潜水泵电源及相关阀门，根据试验要求再次将压力值调至0.1MPa，待压力表数值稳定后开启电磁流量计并记录示数；

S5：待回水池内水回流完毕后，重复上述S1至S4操作。

伴随沼液地下滴灌系统的累积运行与实时流量的监测记录，当灌水器平均堵塞程度分别达到10％、20％、30％、40％左右时(即系统运行时间达到180h、360h、540h、720h)对灌水器进行取样开展灌水器堵塞物质干重测试，具体测试方法如下：

从每条30m长的滴灌带首、中、尾段(即三个测试子单元)各取9个灌水器(共27个灌水器，每个处理3个重复)。并将灌水器放在烘箱内以60℃烘干，至灌水器的干重不再变化，得到灌水器的重量DW₁。然后使用无菌毛刷与去离子水冲洗灌水器流道中的堵塞物质，再将清洗后的灌水器放在烘箱中烘烤至灌水器重量不再变化，得到质量DW₂。DW₁与DW₂的重量之差即为灌水器堵塞物质干重，以此表征灌水器内部堵塞物质随灌水器堵塞加剧的累积过程。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (6)

1.一种地下滴灌系统堵塞特征原位田间测试平台，其特征在于：包括首部输水系统、田间地下滴灌系统和循环回水系统，所述首部输水系统包括蓄水池、置于蓄水池中的潜水泵、离心过滤器，所述田间地下滴灌系统包括筛网过滤器、调压阀、压力表、电磁流量计、滴灌管、自动进排气阀、级配土和原状土层，所述循环回水系统包括超渗材料、波纹管、无纺布、防渗膜、倾斜地基、回水池、置于回水池中的潜水泵，所述田间地下滴灌系统通过管道分别与首部输水系统的蓄水池和循环回水系统的回水池中的潜水泵相连通，所述离心过滤器设置在田间地下滴灌系统与蓄水池之间，所述回水池设置在倾斜地基的右端，所述倾斜地基上侧铺设U型的防渗膜，所述波纹管纵向均匀排列、横向铺设在防渗膜上，所述波纹管一侧封闭，另一侧出口置于回水池上方，所述波纹管上按固定间距均匀开设有多个溢流孔，所述无纺布包裹在波纹管外侧，所述波纹管的上侧从下至上依次铺设级配土、超渗材料、滴灌管和原状土层。

2.根据权利要求1所述的地下滴灌系统堵塞特征原位田间测试平台，其特征在于：所述田间地下滴灌系统包括多组测试单元，每组测试单元包括横向设置的三组子单元，每组子单元均包括调压阀、压力表、电磁流量计和多根并列布置的滴灌管，所有滴灌管的左右两端分别连通同一条管道，且在右端连通有连接管，所述连接管的右端与相邻的子单元连通，所述调压阀、压力表、电磁流量计均设置在连接管上，所述自动进排气阀安装在最左端子单元的左侧末尾，所述筛网过滤器安装在最右端子单元的连接管的右端并与首部输水系统相连通。

3.根据权利要求2所述的地下滴灌系统堵塞特征原位田间测试平台，其特征在于：所述测试单元和波纹管一一对应，即每个测试单元中间正下方有一根波纹管，相邻两个测试单元之间均通过U形的防渗膜相隔开。

4.根据权利要求1所述的地下滴灌系统堵塞特征原位田间测试平台，其特征在于：所述蓄水池外侧设有储水罐，可用于储存不同类型待混配溶液，所述储水罐的出水口置于蓄水池内。

5.根据权利要求1所述的地下滴灌系统堵塞特征原位田间测试平台，其特征在于：所述回水池在对应的测试单元边界处设置有可拆卸式隔板，以对回水池进行分隔。

6.一种地下滴灌系统堵塞特征原位田间测试方法，其特征在于：根据权利要求1-4任一权利要求所述的测试平台，该测试平台的测试方法包括：

S1：考虑到不同水源类型混配或轮灌、水肥一体化条件、物理化学生物等堵塞控制制剂溶液添加等情况，首先打开储水罐阀门将其中需要添加的水源、肥液或制剂溶液加入蓄水池，待加入量满足试验要求后关闭此阀门；

S2：加入单一水源或完成S1后，开启蓄水池中的潜水泵电源及相关阀门，将蓄水池内水源运输至田间地下滴灌系统，通过调压阀控制系统压力，根据试验要求将压力值调至合适值，待压力表数值随系统持续运行保持稳定后，将所有的电磁流量计开启记录流量；

S3：进入田间地下滴灌系统的水下渗原状土层、超渗材料等并通过溢流孔流进入波纹管，进而回流进回水池，待回水量达到回水池容量的90％以上后关闭蓄水池中的潜水泵电源及相关阀门，关闭电磁流量计；

S4：开启回水池内潜水泵电源及相关阀门，根据试验要求再次将压力表调至合适值，待稳定后再次开启电磁流量计记录流量；

S5：待回水池内水回流完毕后，重复上述S1至S4操作，之后根据电磁流量计实时测试的流量，计算评估灌水器堵塞情况，根据试验需求对不同堵塞程度的灌水器进行取样，并对灌水器内部堵塞物质开展相关测试。

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