技术领域
[0001] 本
发明涉及一种地下灌溉领域中设备性能测试装置及方法，特别是关于一种地下高效灌溉系统灌水器性能的综合测试装置及方法。
背景技术
[0002] 地下灌溉是目前最具发展前景的一种高效灌溉方式，其主要特征在将灌水器埋于地下，通过地
下管网系统将水或水肥的
混合液送到作物根区
土壤中，供作物吸收利用，主要包括地下
滴灌、痕量灌溉、地下渗灌、
负压灌溉等几种灌水方式。这种灌溉系统可以有效减少地表无效
蒸发、保持地表干燥、改善耕作条件等优点，同时还可以很好地进行田间管理、防止毛管丢失或人为破坏等。
[0003] 灌水器是地下高效灌溉系统的核心部件，其作用是将到达灌水器前毛管中的压
力水消能后，以均匀的水流，稳定的小流量渗入土壤，以满足作物对水分的要求。灌水器性能的好坏会对整个灌溉系统的供水、
施肥效率产生显著影响，它通常包括水力性能和抗堵塞性能两个方面。灌溉系统水力性能通常会直接受到灌水器结构类型、工作压力等影响，然而对于地下灌溉系统灌水器水力性能还会受到土壤质地、容重、含水率等多重因素的影响。对于灌溉系统灌水器抗堵塞性能，通常指的是因为水源中颗粒物、
微生物以及盐分等的影响而产生的堵塞，然而对于地下灌溉系统，因为灌水器埋在地下，还会发生因为土壤负压吸泥、
植物根系生长等影响下的灌水器堵塞。总体而言，地下高效灌溉系统性能影响因素复杂，测试难度较大，已经成为目前节水灌溉系统评价领域的难点。
[0004] 试验是测试灌水器系统灌水器性能最直接和有效的方法。近年来，国内外学者围绕灌水器性能测试开展了大量的研究工作，也开发了相应的测试系统。美国加利福利亚灌溉技术研究所、南非农业工程研究所、中国农业大学、西安理工大学等国内外研究机构都具有自己的测试平台，例如中国农业大学研究的微灌灌水器抗堵塞和水力性能综合测试装置，该测试平台既能测试灌水器的水力性能，又能测定灌水器的抗堵塞性能。然而，就地下高效灌溉系统而言，由于灌水器埋在地下，同时土壤质地、容重、含水率等多重因素也会对灌水器性能产生显著影响，因此常规的灌水器性能测试系统与方法还难以应用于地下灌溉系统灌水器性能测试，急需开发适宜地下灌溉系统灌水器性能测试的系统与评价方法。华中科技大学研究的痕量灌溉节水性能测试系统，能够精确获知痕量灌溉控
水头的出水量与水压、环境
温度和湿度间的关系，实现更全面的痕量灌溉节水测试。但是该测试系统仅考虑了水力性能测试，而未能够实现抗堵塞性能测试，且该测试系统并未涉及到灌水器性能评价方法。如何快速、便捷地对地下灌溉中灌水器进行综合测试，开发能够广泛应用于各种地下高效灌溉方式的测试装置及其配套的评价方法，已成为目前急需解决的问题。
发明内容
[0005] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种地下高效灌溉系统灌水器性能的综合测试装置及方法，其能测定灌水器的水力性能，综合考虑土壤质地、容重、初始含水率以及灌水器工作压力等因素对灌水器出流的影响；测试灌水器的抗堵塞性能，能够很好地表现作物根系入侵堵塞、负压吸泥堵塞等。
[0006] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种地下高效灌溉系统灌水器性能的综合测试装置，其特征在于：该装置包括水源、水
泵、首部
阀门、第二调压阀、分流阀门、
过滤器、供水支管、毛管、测试单元、第一
回流管道和第二回流管道；所述水源出口端经出水管连接所述水泵，所述水泵将所述水源中的水抽出后经出水管流入所述过滤器内进行过滤；过滤后的水一部分经所述第一回流管道回流至所述水源，另一部分经所述供水支管进入并联设置的各个所述毛管入口端；并联设置的各个所述毛管出口端经所述第二回流管道连接至所述水源入口端，将水回流至所述水源；在每个所述毛管的末端都设置有一所述测试单元，各所述毛管经所述测试单元后连接至所述第二回流管道；位于所述水泵与所述过滤器之间的出水管上还设置有所述首部阀门，在所述第一回流管道上设置有所述第二调压阀，在所述回流管道上设置有所述分流阀门；在靠近并联设置的各个所述毛管入口端处的所述供水支管上，设置有压力微调阀门和压力表。
[0007] 每个所述测试单元都包括两个流量
传感器和一个可拆卸双层组合式土柱；两个所述流量传感器位于所述可拆卸双层组合式土柱的两侧。
[0008] 所述可拆卸双层组合式土柱包括筒体、隔板、
连杆、滤网、内层圆筒和外层圆筒；所述筒体由所述隔板分割成上层筒体和下层筒体两部分，所述上层筒体与所述下层筒体之间由所述连杆连接成一体；所述上层筒体和下层筒体都由所述内层圆筒和外层圆筒同心设置构成，且所述内层圆筒与所述外层圆筒之间具有间隙；位于所述内层圆筒内侧还设置有对其进行保护的所述滤网。
[0009] 所述隔板采用两面均为粗糙面的不锈
钢板；所述隔板边缘处还设置有
拉环。
[0010] 所述内层圆筒为PVC材质圆筒，四周均匀打孔。
[0011] 所述外层圆筒采用
不锈钢材质
焊接的薄壁圆筒，所述上层筒体的外层圆筒为空心圆筒，所述下层筒体的外层圆筒为半开口圆筒。
[0012] 位于所述上层筒体顶部还设置有圆形挡土板、螺杆和顶板；所述圆形挡土板位于所述内层圆筒内，所述顶板设置在所述上层筒体顶部；所述螺杆一端与所述圆形挡土板中心处连接，所述螺杆另一端与所述顶板中心处连接。
[0013] 所述下层筒体顶部对应设置有圆槽，所述毛管通过所述圆槽穿过所述下层筒体；位于所述毛管中部设置有灌水器，所述灌水器位于下层筒体中心
位置处。
[0014] 一种如上述装置的地下高效灌溉系统灌水器性能的综合测试方法，其特征在于包括以下步骤：1)填装测试单元的可拆卸双层组合式土柱；2)运行后，每根毛管末端的流量至少达到0.5l/min，以进入流量传感器有效流量范围；3)运行达到稳定后，灌水器的工作压力通过毛管前的压力表测试得到；灌水器的出流量通过连接在其前后两个流量传感器测试得到；4)系统正常运行以后，每一个灌水器前后流量传感器累计过流量的差值作为该灌水器该时段内的出流，时间长度选择为5min；5)根据灌水器的工作压力、土壤容重、土壤初始含水率得到灌水器的出流量，根据出流量对水力性能进行评价，若该出流量位于预先设定的a c x
阈值范围内，则水力性能较好；灌水器的出流量为：qi＝kγθ0hi ，式中，qi为第i个灌水器的出流量，单位为L·h-1；γ为土壤容重，单位为g·cm-3；θ0为土壤初始含水率，单位为％；hi为第i个灌水器的工作压力，单位为kPa；k、a、c均为经验系数；x为灌水器流态系数；6)采用相
对流量Dra对灌水器的堵塞状况进行评估：
[0015]
[0016] 式中，qi为第i个灌水器的出流量，单位为L·h-1；q额为灌水器的额定流量，单位为L·h-1，采用第一次测试得到灌水器出流的平均流量，对单个灌水器，采用相对流量qr进行堵塞状况评估：
[0017]
[0018] 若qr在95％以上则为不堵塞；若qr在80％～95％之间则为轻微堵塞；若qr在50％～80％之间则为一般堵塞；若qr在20％～50％之间则为严重堵塞；若qr在20％以下则为完全堵塞；7)根据负压吸泥系数Da进行负压吸泥对灌水器堵塞情况的影响进行评估，负压吸泥系数Da越高，堵塞情况越严重；前一次在系统关闭前，对灌水器出流进行测试，得到qi末；后一次系统启动初期采用前次工况，待系统稳定后对同一灌水器出流进行测试，得到qi首，两次出流量之比作为负压吸泥系数Da：
[0019]
[0020] 式中，qi末为前一次在系统关闭前第i个灌水器实测流量，单位为L·h-1；qi首为后一-1次系统启动初期第i个灌水器实测流量，单位为L·h ；8)在同一土壤和工作压力条件下，对同一灌水器采取种植与不种植两种处理，根据根系入侵堵塞系数Db，即根系入侵所引起的灌水器流量降低百分数，对根系入侵对灌水器堵塞的影响进行评价，根系入侵堵塞系数Db越高，堵塞情况越严重：
[0021]
[0022] 式中，qi种为种植植物条件下，毛管上第i个灌水器的出流量，单位为L·h-1；qi为不种植植物条件下，同根毛管上第i个灌水器的出流量，单位为L·h-1。
[0023] 所述步骤1)中具体过程如下：1.1)将自然
风干后的土壤分别填入可拆卸双层组合式土柱的上层筒体、下层筒体中，并进行
压实，上层筒体填土厚度作为毛管的埋设深度h；土壤的容重γ通过称重法测得；1.2)采用四周入渗法对上层筒体与下层筒体的土壤初始含水率进行调节，即在内层圆筒与外层圆筒之间的间隙进行注水；1.3)注水完成后，用保鲜膜分别对上层筒体和下层筒体的顶部进行密封，恒温中静置48h，得到含水率均匀的土样；1.4)完成初始含水率调节后，将毛管铺设在下层筒体的圆槽中，利用连杆将上、下两层筒体连接；1.5)取掉隔板与上层筒体间的连杆，拉动拉环将隔板迅速抽出，土柱被打毛，完成上层筒体与下层筒体两部分的连接，用上层筒体的挡土板对土样进行压实以后，撤去带螺杆的挡土板以及顶板，完成土柱安装、毛管埋深设置、土壤初始含水率配置；1.6)装配完成后，将灌水器的毛管与流量传感器连接，完成测试单元的安装。
[0024] 本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用可拆卸双层组合式土柱，可以综合考虑土壤质地、容重、初始含水率以及毛管埋设深度等多因素对灌水器性能的影响，实现了多种地下灌溉方式(地下滴灌、渗灌、痕灌等)及多种运行工况条件下的灌水器性能测试。2、本发明采用流量传感器测量结合分流调压原理的方法，大幅提升了地下灌溉系统灌水器出流测试
精度，能很大程度地减小流量测试误差。3、本发明适用范围广，可应用于多种运行工况，能够综合考虑多种因素对灌水器性能的影响，工作压力稳定，测试精度较高，操作简单，易于推广，能够保障系统能够迅速逼近并
锁定目标工作压力。4、本发明建立了基于流量传感器测试毛管流量原理的灌水器水力性能和抗堵塞性能的测试方法，以真实反映和评估地下灌溉中灌水器的性能以及土壤质地、容重、含水率等因素对灌水器性能的影响效应；测试灌水器的抗堵塞性能，能够很好地表现作物根系入侵堵塞、负压吸泥堵塞等。
附图说明
[0025] 图1是本发明的测试装置整体结构示意图；
[0026] 图2是本发明的测试单元结构示意图；
[0027] 图3是本发明的可拆卸双层组合式土柱剖视图；
[0028] 图4是本发明的可拆卸双层组合式土柱上层结构示意图；
[0029] 图5是本发明的可拆卸双层组合式土柱下层结构示意图。
具体实施方式
[0030] 下面结合附图和
实施例对本发明进行详细的描述。
[0031] 如图1所示，本发明提供一种地下高效灌溉系统灌水器性能的综合测试装置，该装置包括水源1、水泵2、过滤器3、第一回流管道4、供水支管5、毛管6、第二回流管道7、测试单元8、首部阀门9、第二调压阀10、分流阀门11、压力微调阀门12和压力表13。
[0032] 由水源1提供灌溉水，水源1可采用半
地下水箱，水源1中的水应进行定期换，保证水源1水质的一致，本发明的换水周期设定为30天。水源1出口端经出水管连接水泵2，水泵2将水源1中的水抽出后经出水管流入过滤器3内进行过滤。过滤后的水一部分经第一回流管道4回流至水源1，另一部分经供水支管5进入并联设置的各个毛管6入口端。并联设置的各个毛管6出口端经第二回流管道7连接至水源1入口端，将水回流至水源1；其中，在每个毛管6的末端都设置有一测试单元8，各毛管6经测试单元后连接至第二回流管道7。
[0033] 位于水泵2与过滤器3之间的出水管上还设置有首部阀门9，在第一回流管道4上设置有第二调压阀10，在第二回流管道7上设置有分流阀门11；在靠近并联设置的各个毛管6入口端处的供水支管5上，设置有压力微调阀门12和压力表13。首部阀门9可实现大范围调节灌水器入口处工作压力，同时第二调压阀10、分流阀门11与第一、第二回流管道4、7可使压力保持稳定；压力微调阀门12与压力表13可实现对灌水器工作压力的微调节，使灌水器工作压力达到预先设定值。
[0034] 如图2所示，每个测试单元8都包括两个流量传感器14和一个可拆卸双层组合式土柱15。两个流量传感器14位于可拆卸双层组合式土柱15的两侧，土柱15用于土壤填配以及埋设灌水器，流量传感器14用于监测毛管水流速。
[0035] 如图3所示，可拆卸双层组合式土柱15包括筒体、隔板16、连杆17、内层圆筒18、外层圆筒19和滤网20。筒体由隔板16分割成上层筒体和下层筒体两部分，上层筒体与下层筒体之间由连杆17连接成一体。上层筒体和下层筒体都由内层圆筒18和外层圆筒19同心设置构成，且内层圆筒18与外层圆筒19之间具有间隙；内层圆筒18用于装土，外层圆筒19为
外壳，且内层圆筒18和外层圆筒19之间的间隙为1.0cm。位于内层圆筒18内侧还设置有滤网20，由滤网20对内层圆筒18进行保护。
[0036] 上述实施例中，隔板16采用两面均为粗糙面的不锈钢板，表面粗糙度Ra＝1mm；位于隔板16边缘处还设置有拉环21，在上、下层筒体连接完成前，通过拉环21迅速抽出隔板16以对上下层土壤的
接触面进行打毛，可有效避免连接后上下层土壤衔接不紧密问题。
[0037] 上述实施例中，内层圆筒18为PVC材质圆筒，直径为16cm，四周均匀打孔，孔直径为5mm，孔间距为10mm。
[0038] 上述实施例中，外层圆筒19采用不锈钢材质焊接的薄壁圆筒，直径为20cm。其中。上层筒体的外层圆筒19为空心圆筒，下层筒体的外层圆筒19为半开口圆筒。
[0039] 上述实施例中，如图4所示，位于上层筒体顶部还设置有圆形挡土板22、顶板23和螺杆24。圆形挡土板22位于内层圆筒18内，顶板23设置在上层筒体顶部，且顶板23两端分别通过连杆17与上层筒体连接。螺杆24一端与圆形挡土板22中心处连接，螺杆24另一端与顶板23中心处连接。通过旋转螺杆24使圆形挡土板22下降，从而对土体进行压实；通过改变填土高度实现毛管6埋深的调节。
[0040] 上述实施例中，如图5所示，下层筒体顶部对应设置有圆槽，毛管6通过圆槽穿过下层筒体。位于毛管6中部设置有灌水器25，灌水器25位于下层筒体中心位置处。
[0041] 本发明还提供一种地下高效灌溉系统灌水器性能的综合测试方法，其包括以下步骤：
[0042] 1)填装测试单元8的可拆卸双层组合式土柱15；
[0043] 1.1)将自然风干后的土壤分别填入可拆卸双层组合式土柱15的上层筒体、下层筒体中，并进行压实，上层筒体填土厚度作为毛管6的埋设深度h；土壤的容重γ通过称重法测得。
[0044] 1.2)采用四周入渗法对上层筒体与下层筒体的土壤初始含水率进行调节，即在内层圆筒18与外层圆筒19之间的间隙进行注水，注水
质量根据所需配置的土壤初始含水率θ0而定。
[0045] 1.3)注水完成后，用保鲜膜分别对上层筒体和下层筒体的顶部进行密封，恒温中静置48h，得到含水率均匀的土样。
[0046] 1.4)完成初始含水率调节后，将毛管6铺设在下层筒体的圆槽中，利用连杆17将上、下两层筒体连接。
[0047] 1.5)取掉隔板16与上层筒体间的连杆17，拉动拉环21将隔板16迅速抽出，土柱被打毛，完成上层筒体与下层筒体两部分的连接，用上层筒体的挡土板21对土样进行压实以后，撤去带螺杆24的挡土板21以及顶板23，完成土柱安装、毛管埋深设置、土壤初始含水率配置。
[0048] 1.6)装配完成后，将灌水器25的毛管6与流量传感器14连接，完成测试单元8的安装。
[0049] 2)运行后，每根毛管6末端的流量至少达到0.5l/min，以进入流量传感器14有效流量范围，保证测试精度。
[0050] 3)运行达到稳定后，灌水器25的工作压力H可通过毛管6前的压力表13测试得到；灌水器25的出流量q通过连接在其前后两个流量传感器14测试得到。
[0051] 4)系统正常运行以后，每一个灌水器25前后流量传感器14累计过流量的差值作为该灌水器该时段内的出流，时间长度选择为5min。
[0052] 5)根据灌水器的工作压力、土壤容重、土壤初始含水率得到灌水器的出流量，根据出流量对水力性能进行评价，若该出流量位于预先设定的阈值范围内，则水力性能较好：水力性能的好坏是衡量灌水器灌水质量高低的一大标准，在地下灌溉系统中，土壤质地、容重、初始含水率等因素对灌水器出流均起到制约作用。
[0053] 灌水器的出流量由工作压力、土壤容重和土壤初始含水率得到：
[0054] qi＝kγaθ0chix (1)
[0055] 式中，qi为第i个灌水器的出流量，单位为L·h-1；γ为土壤容重，单位为g·cm-3；θ0为土壤初始含水率(质量)，单位为％；hi为第i个灌水器的工作压力，单位为kPa；k、a、c均为经验系数；x为灌水器流态系数。
[0056] 6)采用相对流量Dra对灌水器的堵塞状况进行评估：
[0057]
[0058] 式中，qi为第i个灌水器的出流量，单位为L·h-1；q额为灌水器的额定流量，单位为-1L·h ，采用第一次测试得到灌水器出流的平均流量，对单个灌水器，采用相对流量qr进行堵塞状况评估。
[0059]
[0060] 若qr在95％以上则为不堵塞；若qr在80％～95％之间则为轻微堵塞；若qr在50％～80％之间则为一般堵塞；若qr在20％～50％之间则为严重堵塞；若qr在20％以下则为完全堵塞。
[0061] 7)根据负压吸泥系数Da进行负压吸泥对灌水器堵塞情况的影响进行评估，负压吸泥系数Da越高，堵塞情况越严重。其中，负压吸泥系数Da是负压吸泥所引起的流量降低百分数：
[0062] 前一次在系统关闭前，对灌水器出流进行测试，得到qi末(单位：L/h)；后一次系统启动初期采用前次工况，待系统稳定后对同一灌水器出流进行测试，得到qi首(单位：L/h)。两次出流量之比作为负压吸泥系数Da，即
[0063]
[0064] 式中，qi末为前一次在系统关闭前第i个灌水器实测流量，单位为L·h-1；qi首为后一次系统启动初期第i个灌水器实测流量，单位为L·h-1。
[0065] 8)在同一土壤和工作压力条件下，对同一灌水器采取种植与不种植两种处理，根据根系入侵堵塞系数Db，即根系入侵所引起的灌水器流量降低百分数，对根系入侵对灌水器堵塞的影响进行评价，根系入侵堵塞系数Db越高，堵塞情况越严重。
[0066]
[0067] 式中，qi种为种植植物条件下，毛管上第i个灌水器的出流量，单位为L·h-1；qi为不种植植物条件下，同根毛管上第i个灌水器的出流量，单位为L·h-1。
[0068] 上述实施例中，负压吸泥堵塞是指在关闭地下滴灌系统的过程中，管网中产生的负压将毛管外壁周围的土壤微粒经出水口吸入流道而造成灌水器堵塞的现象，因此针对负压吸泥影响效应可通过在前一次系统关闭前以及在后一次系统运行初期对灌水器出流进行测试，将两次测试结果进行比较，作为负压吸泥影响评估参数。
[0069] 上述实施例中，在测试单元8中可拆卸双层组合式土柱15可种植植物，在种植与不种植两种条件下对灌水器出流进行测试和对比，从而对植物根系入侵影响效应进行评估。系统每日运行时间8小时，每5天对灌水器常规堵塞、根系入侵堵塞以及负压吸泥堵塞进行一次流量测试。
[0070] 综上所述，本发明的测试方法能很大程度地减小作物生长和土体蒸发对灌水器出流的影响，从而减小测试误差。
[0071] 实测例：本实例主要是进行地下滴灌条件下灌水器综合性能的测定。测试前，随机
抽取25个灌水器(5×5排列)测试。实验土样采用容重为1.4g/cm3的壤土，设计土壤初始含水率θ0为12.0％，设计毛管埋深为5cm。将自然风干后的壤土过2mm筛，分别放入可拆卸双层组合式土柱15的上、下层筒体中并压实，保证上层筒体中土样填压后厚度为5cm，填土完成后进行称重，得到G1u和G1d。在上层的内层圆筒18、外层圆筒19之间的间隙注水，加水质量为12.0％G1u；往下层的内层圆筒18、外层圆筒19之间的间隙注水，加水质量为12.0％G1d。保鲜膜分别对上层筒体、下层筒体进行密封，恒温静置48h。将滴头按照灌水器25的位置安装。滴灌管按照毛管6的位置安装，完成灌溉系统各部分装置的安装。在水箱中加入适量
自来水。
打开装置的首部阀门9、第二调压阀10和分流阀门11，同时保证压力微调阀门12开启至最大，启动水泵2。试验设计系统运行压力为100kPa，滴灌管末端流速设计为0.40m/s。慢慢扭动首部阀门9和分流阀门2.2、2.3，使压力表13处观测压力值在0～200kPa范围内，同时保证第二调压阀10和分流阀门11中有一定分流避免水泵2损坏。慢慢扭动压力微调阀门12，使压力表13读数精确调到100kPa并达到稳定。开启流量传感器14.1、10.2，待传感器读数稳定后，测试正式启动。测试单元中灌水器出流进入可拆卸双层组合式土柱15中，通过测试单元中两个流量传感器14.1、10.2读数得到灌水器25在相应时段(5min)内的出流量。并抽取部分测样进行性能分析。测试最后，对每个灌水器25再次进行出流测试，测试完成以后关闭流量传感器14.1、10.2和水泵2，测试正式结束。定期对水源水进行更换。对毛管以及设备进行定期检查，维护好系统各部件的完好，保证系统的长期稳定运行。针对每日运行8小时的系统，对常规滴头堵塞、负压吸泥堵塞以及根系入侵堵塞采取同期测试，每5天进行一次。
[0072] 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。
