專利名稱：一種模擬水流運動規(guī)律的測試系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及節(jié)水灌溉設(shè)備領(lǐng)域，特別是涉及一種模擬水流運動規(guī) 律的測試系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
國內(nèi)外對灌溉水流運動規(guī)律做了大量工作，目前研究灌溉水流運 中人工觀測法由于操作簡單為多數(shù)研究者經(jīng)常釆用，該方法需要大量
人力，而且通過該方法獲取試驗數(shù)據(jù)精度較低；利用紅外線原理研制 出的地表水流自動監(jiān)測系統(tǒng)精度較高，然而由于造價升高使得使用范 圍受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可以精確、可視、可定量模擬地表灌溉 水流運動規(guī)律的測試系統(tǒng)。
為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案提供 一種模擬地表灌溉水流 運動規(guī)律的測試系統(tǒng)，包括試驗土體，所述土體表面設(shè)有灌水溝； 供水裝置，為所述試驗土體供水并且通過所述灌水溝與所述試驗土體 相連；地表水流自動視頻采集裝置，用來獲取試驗中所述土體上方水 流運動過程中水深變化圖像及數(shù)據(jù)，從而來模擬水流運動規(guī)律。
其中，所述土體上表面設(shè)置灌水溝，所述灌水溝斷面形狀以大田 地表灌溉溝道為原型，其溝道的底寬、溝深、邊坡、糙率以及比降等 因素根據(jù)佛汝德準(zhǔn)則確定；
其中，所述土體為均質(zhì)土體；
其中，所述供水裝置包括提水單元、儲水容器、流量計、輸水管 道以及消能水箱；其中，所述儲水容器為定水頭供水裝置， 一端通過所述輸水管道 與所述提水單元相連，另一端通過所述輸水管道與所述消能系統(tǒng)相 連；
其中，所述提水單元由所述輸水管道與所述儲水容器相連，用于 將試驗用水通過水泵輸送到所述儲水容器；
其中，所述消能水箱為下表面開口，上表面留有溢流嘴的空心立 方體鐵箱，儲水容器中出來的水流經(jīng)輸水管道進入消能水箱下表面開
口，然后通過水箱上部的溢流嘴進入所述灌水溝中；
其中，所述流量計接于入溝處的輸水管道上，用于測定入溝流量；
其中，所述地表水流自動視頻釆集裝置包括若干刻度尺、圖像獲 取單元、圖像釆集單元以及圖像顯示單元；
其中，所述刻度尺插入所述灌水溝相同深度處，沿溝長方向等距 離排列，用于測量不同時刻、不同位置處的水深；
其中，所述圖像獲取單元與所述刻度尺一一對應(yīng)，面朝所述刻度 尺有刻度的一面放置，用于實時監(jiān)測并獲取顯示水深的刻度尺圖像；
其中，所述圖像釆集單元，與所述圖像獲取單元相連，用于釆集 圖像獲取單元所獲取到的顯示水深的刻度尺圖像；
其中，所述圖像顯示單元，與所述圖像釆集單元相連，用于顯示 釆集圖像單元所釆集到的圖像；
其中，所述圖像獲取單元為攝像頭，所述圖像顯示單元為液晶顯 示器；
其中，所述測試系統(tǒng)還包括還包括土壤水分自動采集裝置，用來 釆集水流過程中土壤的水分含量，從而來模擬所述土體中的水分分布 規(guī)律；
其中，土壤水分自動釆集裝置，包括數(shù)據(jù)獲取單元及數(shù)據(jù)處理單 元，所述數(shù)據(jù)獲取單元預(yù)埋在所述試驗土體中，用于定時釆集土壤體 積含水率，所述數(shù)據(jù)獲取單元與所述數(shù)據(jù)處理單元通過數(shù)據(jù)釆集器相連，用于獲取所述土體中的水分含量數(shù)據(jù)并且得出土壤水分分布的三 維圖。
其中，所述測試系統(tǒng)還包括用來加速空氣流動、增加土面蒸發(fā)量 的蒸發(fā)裝置；
其中，所述蒸發(fā)裝置位于所述試驗土體上方，包括若干電扇，用 于加速空氣流動，增加土面增發(fā)量，并且通過開關(guān)所述電扇數(shù)量來控
制蒸發(fā)量；
上述技術(shù)方案僅是本發(fā)明的一個優(yōu)選技術(shù)方案，具有如下優(yōu)點
本發(fā)明水流運動規(guī)律測試平臺釆用均質(zhì)土體，可調(diào)節(jié)定水頭供水系 統(tǒng)，以及自動視頻釆集系統(tǒng)，反映水流推進的動態(tài)過程，體現(xiàn)水分在 土壤中的空間分布，通過該平臺可以精確、可視、可定量模擬和研究 地表水流及其運動過程中伴隨的土壤水分分布規(guī)律。該平臺具有功能 全面、精確、可靠性高、成本低的優(yōu)點。


圖l是本發(fā)明實施例的測試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細 描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
在圖l中，本發(fā)明的測試系統(tǒng)由試驗土體、供水裝置、地表水流 自動視頻釆集裝置、土壤水分自動釆集裝置以及蒸發(fā)裝置構(gòu)成。
該實施例中的試驗土體位于土槽之內(nèi)，為顆粒直徑小于2mm的均 質(zhì)土體，釆用分層分段方法夯實至設(shè)計容重。所述土槽為8.0x l.2x 1.01113的空心立方體結(jié)構(gòu)，底部設(shè)置沿所述土槽長度方向的排水渠道。 在所述土體表面設(shè)計灌水溝，所述灌水溝斷面形狀以大田地表灌溉溝 道為原型，試驗溝道的底寬、溝深、邊坡、糙率以及比降等因素由佛 汝德準(zhǔn)則確定。
本發(fā)明實施例中的排水系統(tǒng)包括底部排水和溝道尾部排水，水流量較小時釆用尾部排水，水流量較大時同時釆用溝底排水和尾部排 水。
本發(fā)明實施例的測試系統(tǒng)中的供水裝置由儲水容器、流量計、提 水單元、輸水管道以及消能水箱組成。所述儲水容器按照"馬氏瓶" 原理設(shè)計供水裝置，容積為212L，用于根據(jù)試驗要求調(diào)節(jié)不同的水位 高度；所述提水單元將試驗水通過水泵輸送到所述儲水容器中，通過 所述輸水管道進入消能水箱，壓力水流先從水箱底部進入水箱，然后
通過水箱上部的溢流嘴進入溝中，所述消能水箱結(jié)構(gòu)為60 x 60 x 100cm3 (長x寬x高)。水流由水箱底部到達水箱上部的過程中上升 的高度為100cm,在此過程中，水流的一部分動能轉(zhuǎn)化為重力勢能， 使得水動能減少，起到消能的作用。在輸水的過程中可以根據(jù)調(diào)節(jié)閥 門來控制入溝流量并且利用所述流量計進行測定。
本發(fā)明實施例的測試系統(tǒng)中的地表水流自動視頻釆集裝置由刻 度尺、攝像頭、監(jiān)控軟件以及液晶顯示器構(gòu)成，用于從試驗中獲取水 流運動過程中水深變化的圖像和數(shù)據(jù)；所述刻度尺插入所述灌水溝中 不同位置的相同土壤深度處，沿溝長方向等間距排列，間隔為一米， 用于監(jiān)測某一位置不同時刻水深變化以及同一時刻沿溝長方向不同 位置處水深的變化；所述攝像頭與所述刻度尺相對而立，面朝有刻度 的一面，所述攝像頭與所述刻度尺一一對應(yīng)；所述監(jiān)控軟件與所述液 晶顯示器一起，用于采集并顯示試驗過程中不同時刻水深隨位置的變 化關(guān)系圖像；所述監(jiān)控軟件，圖像壓縮MPEG-4，聲音壓縮G729a， 圖像分辨率320 x 240， 640 x 480。
其中，水流在運動過程中滿足下述方程
連續(xù)方程
<formula>formula see original document page 7</formula>運動方禾
寶
<formula>formula see original document page 7</formula>式中，y為水深，尸bi， b,h為經(jīng)驗常數(shù)(be (1, 3)， he (0, l)); 》為水力坡度；x為水平距離；S。為地面坡度；A為過水?dāng)嗝婷娣e；t 為時間；Q為流量；Z為水深。
本發(fā)明實施例的測試系統(tǒng)中的土壤水分自動釆集裝置由預(yù)埋在 所述土體中的水分自動監(jiān)測儀與裝有數(shù)據(jù)處理軟件的PC機通過數(shù)據(jù) 釆集器相連而構(gòu)成，用來定時釆集土壤的體積含水率，從而得出土壤 水分分布的三維圖。預(yù)埋的方法是在溝的首端起30cm處，在溝斷 面中心線兩側(cè)15cm的縱向上，從地表每隔15cm埋設(shè)一個探頭。所述 監(jiān)測儀可以直接釆集到體積含水率，利用數(shù)據(jù)分析軟件分析所釆集到 的數(shù)據(jù)，即可生成土壤水分的三維分布圖。
本發(fā)明實施例的測試系統(tǒng)上可調(diào)控的土面蒸發(fā)裝置設(shè)置于所述 試驗土體上方，由六個電扇組成，所述每臺電扇功率為80w,扇葉直 徑1400mm，通過開關(guān)電扇的數(shù)量控制土面蒸發(fā)速度。
利用本發(fā)明測試系統(tǒng)在溝灌條件下研究水流運動規(guī)律及土壤水 分分布規(guī)律的操作過程包括以下步驟
確定試驗條件包括灌溉流量、水位高度、灌溉水質(zhì)以及排水條件；
準(zhǔn)備所述試驗條件；
檢查所述地表水流自動視頻釆集裝置與所述土壤水分自動采集 裝置是否正常，若所述釆集裝置正常，開啟所述釆集裝置；
打開球閥放水，所述球閥開啟角度根據(jù)設(shè)計流量而定，具體流量
通過流量計調(diào)節(jié)；同時根據(jù)試驗蒸發(fā)要求相應(yīng)打開風(fēng)扇，控制時間為 設(shè)計蒸發(fā)時間。
觀察所述視頻釆集裝置中圖像傳送是否準(zhǔn)確流暢，若所述圖像傳 送準(zhǔn)確流暢，則水流運動狀態(tài)正常，則繼續(xù)灌水直到設(shè)計灌溉流量； 若在入口處出現(xiàn)沖刷、塌陷等異常情況，則停止試驗。
關(guān)閉閥門和土壤水分自動釆集裝置，水分自動監(jiān)測儀所監(jiān)測到的 體積含水率數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)釆集器進入裝有數(shù)據(jù)處理軟件的PC機，處理所述體積含水率數(shù)據(jù)，并且生成土壤體積含水率的空間分布圖。 將地表水流自動視頻釆集裝置所釆集到的顯示水深的刻度尺讀 數(shù)的圖像進行分析，讀取并記錄某 一特定位置處水深隨時間的變化關(guān) 系，以及同一時刻不同位置處水深的讀數(shù)，結(jié)合所述刻度尺在灌水溝 中的位置，繪制水流運動過程中地表水深度隨時間的變化規(guī)律以及地 表水深度隨其在溝中位置變化的規(guī)律圖形。
上述水分自動監(jiān)測儀也可以釆用HOBO水分自動監(jiān)測儀，其測量
范圍介于0_40.5%，精度為±3%,分辨率為0.04%。數(shù)據(jù)處理軟件 也可以采用sufer8.0數(shù)據(jù)處理軟件。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng) 域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以 做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1、一種模擬地表灌溉水流運動規(guī)律的測試系統(tǒng)，其特征在于，包括試驗土體，所述試驗土體表面設(shè)有灌水溝；供水裝置，通過所述灌水溝為所述試驗土體供水；水流自動視頻采集裝置，用來采集試驗土體表面灌水溝中不同位置處水的深度。
2、 如權(quán)利要求l所述的測試系統(tǒng)，其特征在于，所述試驗土體表 面的灌水溝以大田地表灌溉溝道為原型，其底寬、溝深、邊坡、糙率 以及比降等因素根據(jù)佛汝德準(zhǔn)則確定。
3、 如權(quán)利要求l所述的測試系統(tǒng)，其特征在于，所述試驗土體為 均質(zhì)土體。
4、 如權(quán)利要求l所述的測試系統(tǒng)，其特征在于，所述供水裝置包括儲水容器；提水單元，用于將水輸送到所述儲水容器中； 輸水管道，連接所述儲水容器與所述消能水箱； 流量計，接于所述輸水管道上，用來測定水流量。
5、 如權(quán)利要求l所述的測試系統(tǒng)，其特征在于，所述水流自動視 頻釆集裝置包括若干刻度尺，用于測量所述土體表面水流在運動過程中不同位置的水深；圖像獲取單元，用于獲取顯示水深的刻度尺圖像； 圖像釆集單元，用于釆集圖像獲取單元所獲取的顯示水深的刻度尺圖像；圖像顯示單元，與所述圖像釆集單元連接，用于顯示圖像采集單 元所釆集到的顯示水深的刻度尺圖像。
6、 如權(quán)利要求l-5中任一項所述的測試系統(tǒng)，其特征在于，還包 括土壤水分自動釆集裝置，用來采集水流過程中土壤的水分含量。
7、 如權(quán)利要求6所述的測試系統(tǒng)，其特征在于，所述土壤水分自動釆集裝置，包括數(shù)據(jù)獲取單元，預(yù)埋在所述試驗土體中，用于獲取所述土體中的水分含量數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理單元，通過數(shù)據(jù)釆集器與所述數(shù)據(jù)獲取單元相連，用于 得出土壤水分分布的三維圖。
8、 如權(quán)利要求l-7中任一項所述的測試系統(tǒng)，其特征在于，還包 括蒸發(fā)裝置，用于加速空氣流動，增加土面蒸發(fā)量。
9、 如權(quán)利要求8所述的測試系統(tǒng)，其特征在于，所述蒸發(fā)裝置包括若干電扇，通過開關(guān)所述電扇數(shù)量來控制蒸發(fā)量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用來模擬地表灌溉水流運動規(guī)律的測試系統(tǒng)。所述測試系統(tǒng)包括試驗土體，所述土體表面設(shè)有灌水溝；供水裝置，通過所述灌水溝與所述試驗土體相連并為所述土體供水，包括儲水容器、流量管、提水單元、輸水管道以及消能水箱；地表水流自動視頻采集裝置，包括設(shè)置于所述灌水溝中的刻度尺以及圖像獲取裝置、圖像采集裝置以及圖像顯示裝置。通過該系統(tǒng)可以模擬灌溉地表水流運動規(guī)律。該系統(tǒng)具有功能全面、精確、可靠性高、成本低的優(yōu)點。
文檔編號G01B11/22GK101285731SQ20081011439
公開日2008年10月15日 申請日期2008年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月4日
發(fā)明者任樹梅, 尹明玉, 李仙岳, 楊培嶺, 楊林林, 王成志, 龍 陳 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)