滴灌系統(tǒng)灌水器內(nèi)部堵塞物質(zhì)分布的原位測試與評價方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉，特別是關(guān)于一種滴灌系統(tǒng)灌水器內(nèi)部堵塞物質(zhì)分布的 原位測試與評價方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 灌水器是滴灌系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部件，灌水器流道尺寸一般只有0. 5-1. 2mm左右， 水中的懸浮顆粒、溶解鹽、化學(xué)沉淀、有機污染物和微生物等雜質(zhì)都極易引起灌水器流道的 堵塞，灌水器堵塞問題已成為制約滴灌技術(shù)應(yīng)用和推廣的主要障礙。研宄表明，灌水器堵塞 程度與其流道內(nèi)部堵塞物質(zhì)的動態(tài)變化過程密切相關(guān)，因此要想解決灌水器堵塞問題，需 要對灌水器內(nèi)部堵塞物質(zhì)的形成過程有明確了解，如何測試灌水器內(nèi)部堵塞物質(zhì)的空間分 布已成為一個熱點問題。
[0003] 目前，針對管道堵塞物質(zhì)的研宄主要來自于給水管道，陳猷鵬等人提出一種原位 測定廢水處理生物膜內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)的裝置及方法，許剛等人提出一種管道生物膜取樣裝 置，這些測試方法主要用于大型給水管道。而針對灌水器流道內(nèi)堵塞物質(zhì)，Li等借助三維白 光形貌干涉儀對再生水滴灌系統(tǒng)運行初期灌水器內(nèi)部不同部位局部點位生物堵塞物質(zhì)表 面形貌進行了測試，用粗糙度等量表征堵塞物質(zhì)的多少，需破壞灌水器并且只能測局部點 位。目前還少有的針對滴灌系統(tǒng)灌水器堵塞物質(zhì)空間分布的原位測試方法，均為破壞性取 樣測試，例如有直接剖開灌水器樣品獲得流道內(nèi)堵塞物質(zhì)分布，這種方式最為直觀，但灌水 器流道狹小肉眼觀察困難；有借助現(xiàn)代光學(xué)顯微（掃描電子顯微鏡、三維白光形貌干涉儀 等）精細分析局部點位堵塞物質(zhì)形貌特征及分布，這種方式精度較高，但只能局部取點，不 能獲得整個流道堵塞物質(zhì)空間分布的總體特征；以上做法一方面，破壞灌水器過程中會對 流道內(nèi)堵塞物質(zhì)產(chǎn)生擾動，影響堵塞物質(zhì)分布，另一方面，破壞后灌水器不能再繼續(xù)使用， 只能通過設(shè)置多組重復(fù)，在不同時期取不同樣品來對比堵塞物質(zhì)的變化，而實際上，堵塞物 質(zhì)在形成過程中與很多因素有關(guān)，有很大的隨機性，即使是運行環(huán)境完全相同的兩個灌水 器，其內(nèi)部堵塞物質(zhì)的分布也有可能不同，因此采用這種間接的研宄方法，缺乏嚴謹性。迄 今為止，尚沒有一種可行的方法可以實現(xiàn)對滴灌系統(tǒng)中特定灌水器運行過程中流道內(nèi)部堵 塞物質(zhì)的空間分布進行精確直觀地原位跟蹤監(jiān)測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種直觀、精確，且對灌水器無損的滴灌系統(tǒng) 灌水器內(nèi)部堵塞物質(zhì)分布的原位測試與評價方法。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：滴灌系統(tǒng)灌水器內(nèi)部堵塞物質(zhì)分布 的原位測試與評價方法，包括以下步驟：1)待測試的灌水器運行若干小時后，將其取下作 為灌水器樣品，取下前測試灌水器流道內(nèi)的流量，并標(biāo)記堵塞程度；2)向灌水器樣品內(nèi)通 入染色溶液，對灌水器樣品進行染色后，使用清水沖洗灌水器樣品，并將沖洗后的灌水器樣 品進行晾干；3)將染色后晾干的灌水器樣品放置于工業(yè)CT機旋轉(zhuǎn)臺，工業(yè)CT機發(fā)射X射 線對灌水器樣品進行掃描，獲取灌水器樣品的掃描數(shù)據(jù)；工業(yè)CT機對獲取的掃描數(shù)據(jù)進行 圖像重構(gòu)，得到灌水器樣品的斷層掃描圖像；將CT掃描后的灌水器樣品安裝于原位置繼續(xù) 運行；4)將得到的灌水器樣品的斷層掃描圖像輸入計算機，采用三維重建軟件對灌水器樣 品的斷層掃描圖像進行重建，得到灌水器樣品的三維模型，調(diào)整灌水器樣品三維模型灰度 閾值，將管壁、堵塞物質(zhì)與空氣進行分割，分割出堵塞物質(zhì)與灌水器樣品壁面、空氣的邊界， 提取分割后灌水器樣品三維模型中堵塞物質(zhì)的基本參數(shù)；其中，基本參數(shù)包括點位堵塞物 質(zhì)厚度d、區(qū)域堵塞物質(zhì)體積V和區(qū)域堵塞物質(zhì)表面積C;5)根據(jù)提取的灌水器樣品三維模 型中堵塞物質(zhì)的基本參數(shù)，結(jié)合灌水器樣品流道的結(jié)構(gòu)特性計算評價指標(biāo)，對灌水器樣品 中的堵塞物質(zhì)空間分布進行定量評價；6)重復(fù)步驟1)~5)，對該灌水器在不同時期內(nèi)各流 道結(jié)構(gòu)單元內(nèi)部、流道結(jié)構(gòu)單元之間進行多尺度的堵塞物質(zhì)空間分布定量評價。
[0006] 所述步驟5)中，對灌水器樣品中的堵塞物質(zhì)空間分布進行定量評價的評價指標(biāo) 為：
[0007] ①點平均厚度dp，
[0008]
【主權(quán)項】
1. 一種滴灌系統(tǒng)灌水器內(nèi)部堵塞物質(zhì)分布的原位測試與評價方法，包括以下步驟： 1) 待測試的灌水器運行若干小時后，將其取下作為灌水器樣品，取下前測試灌水器流 道內(nèi)的流量，并標(biāo)記堵塞程度； 2) 向灌水器樣品內(nèi)通入染色溶液，對灌水器樣品進行染色后，使用清水沖洗灌水器樣 品，并將沖洗后的灌水器樣品進行晾干； 3) 將染色后晾干的灌水器樣品放置于工業(yè)CT機旋轉(zhuǎn)臺，工業(yè)CT機發(fā)射X射線對灌 水器樣品進行掃描，獲取灌水器樣品的掃描數(shù)據(jù)；工業(yè)CT機對獲取的掃描數(shù)據(jù)進行圖像重 構(gòu)，得到灌水器樣品的斷層掃描圖像；將CT掃描后的灌水器樣品安裝于原位置繼續(xù)運行； 4) 將得到的灌水器樣品的斷層掃描圖像輸入計算機，采用三維重建軟件對灌水器樣品 的斷層掃描圖像進行重建，得到灌水器樣品的三維模型，調(diào)整灌水器樣品三維模型灰度閾 值，將管壁、堵塞物質(zhì)與空氣進行分割，分割出堵塞物質(zhì)與灌水器樣品壁面、空氣的邊界，提 取分割后灌水器樣品三維模型中堵塞物質(zhì)的基本參數(shù)；其中，基本參數(shù)包括點位堵塞物質(zhì) 厚度d、區(qū)域堵塞物質(zhì)體積V和區(qū)域堵塞物質(zhì)表面積C ; 5) 根據(jù)提取的灌水器樣品三維模型中堵塞物質(zhì)的基本參數(shù)，結(jié)合灌水器樣品流道的結(jié) 構(gòu)特性計算評價指標(biāo)，對灌水器樣品中的堵塞物質(zhì)空間分布進行定量評價； 6) 重復(fù)步驟1)~5)，對該灌水器在不同時期內(nèi)各流道結(jié)構(gòu)單元內(nèi)部、流道結(jié)構(gòu)單元之 間進行多尺度的堵塞物質(zhì)空間分布定量評價。
2. 如權(quán)利要求1所述的滴灌系統(tǒng)灌水器內(nèi)部堵塞物質(zhì)分布的原位測試與評價方法，其 特征在于：所述步驟5)中，對灌水器樣品中的堵塞物質(zhì)空間分布進行定量評價的評價指標(biāo) 為： ① 點平均厚度dp，
其中，（,為剖面上i點的堵塞物質(zhì)厚度，i = 1，2, 3…n，n為在該剖面上取點的總數(shù)； ② 堵塞物質(zhì)面平均厚度D，
其中，^為沿水流方向灌水器樣品的第j個流道結(jié)構(gòu)單元上底面區(qū)域堵塞物質(zhì)體積，j =1、2、3…;Ss為流道單元上底面面積，為第j個結(jié)構(gòu)單元堵塞物質(zhì)在上底面平均厚度； 匕-,為沿水流方向灌水器樣品的第j個流道結(jié)構(gòu)單元下底面區(qū)域堵塞物質(zhì)體積，\為 流道單元下底面面積，為第j個結(jié)構(gòu)單元堵塞物質(zhì)在下底面平均厚度； 1為沿水流方向灌水器樣品的第j個流道結(jié)構(gòu)單元迎水面區(qū)域堵塞物質(zhì)體積，Sy為流 道單元迎水面面積，為第j個結(jié)構(gòu)單元堵塞物質(zhì)在迎水面平均厚度； 為沿水流方向灌水器樣品的第j個流道結(jié)構(gòu)單元背水面區(qū)域堵塞物質(zhì)體積，Sb為流 道單元背水面面積，為第j個結(jié)構(gòu)單元堵塞物質(zhì)在背水面平均厚度； ③ 堵塞物質(zhì)體積分數(shù)?v，
其中，1為沿水流方向灌水器樣品的第j個流道結(jié)構(gòu)單元堵塞物質(zhì)總體積，j = 1、2、 3…；V'為灌水器樣品流道結(jié)構(gòu)單元體積，不同類型灌水器具有不同的流道結(jié)構(gòu)單元體積； A為第j個流道結(jié)構(gòu)單元內(nèi)堵塞物質(zhì)占流道結(jié)構(gòu)單元體積的百分比； ④ 堵塞物質(zhì)表面覆蓋率St，
其中，為沿水流方向灌水器樣品第j個流道結(jié)構(gòu)單元的上底面區(qū)域堵塞物質(zhì)表面 積，j = 1、2、3…，Ss為流道單元上底面面積，4為上底面堵塞物質(zhì)表面覆蓋率； G為沿水流方向灌水器樣品第j個流道結(jié)構(gòu)單元的下底面區(qū)域堵塞物質(zhì)表面積，j = 1、2、3…，SxS流道單元下底面面積，為下底面堵塞物質(zhì)表面覆蓋率； 為沿水流方向灌水器樣品第j個流道結(jié)構(gòu)單元的迎水面區(qū)域堵塞物質(zhì)表面積，j = 1、2、3…，Sy為流道單元迎水面面積，,為迎水面堵塞物質(zhì)表面覆蓋率； Cb,為沿水流方向灌水器樣品第j個流道結(jié)構(gòu)單元的背水面區(qū)域堵塞物質(zhì)表面積，j = 1、2、3…，Sb為流道單元背水面面積，,為上底面堵塞物質(zhì)表面覆蓋率。
3. 如權(quán)利要求1所述滴灌系統(tǒng)灌水器內(nèi)部堵塞物質(zhì)分布的原位測試與評價方法，其特 征在于：所述步驟2)中對灌水器樣品進行染色時使用染色架，所述染色架包括清水水箱、 染色溶液水箱、過濾器、壓力表、第一水泵和第二水泵；所述清水水箱中裝有清水，所述染色 溶液水箱中裝有染色溶液，所述清水水箱中設(shè)置有所述第一水泵，所述染色溶液水箱中設(shè) 置有所述第二水泵；所述清水水箱和所述染色溶液水箱的出口通過一閥門連接所述過濾器 一端，所述過濾器的另一端通過所述壓力表連接灌水器樣品入口端，灌水器樣品的出口管 路并聯(lián)連接第一閥門和第二閥門后分別連接所述清水水箱和所述染色溶液水箱。
4. 如權(quán)利要求2所述滴灌系統(tǒng)灌水器內(nèi)部堵塞物質(zhì)分布的原位測試與評價方法，其特 征在于：所述步驟2)中對灌水器樣品進行染色時使用染色架，所述染色架包括清水水箱、 染色溶液水箱、過濾器、壓力表、第一水泵和第二水泵；所述清水水箱中裝有清水，所述染色 溶液水箱中裝有染色溶液，所述清水水箱中設(shè)置有所述第一水泵，所述染色溶液水箱中設(shè) 置有所述第二水泵；所述清水水箱和所述染色溶液水箱的出口通過一閥門連接所述過濾器 一端，所述過濾器的另一端通過所述壓力表連接灌水器樣品入口端，灌水器樣品的出口管 路并聯(lián)連接第一閥門和第二閥門后分別連接所述清水水箱和所述染色溶液水箱。
5. 如權(quán)利要求1或2或3或4所述滴灌系統(tǒng)灌水器內(nèi)部堵塞物質(zhì)分布的原位測試與評 價方法，其特征在于：所述染色溶液采用8&30 4懸濁液和KI溶液的混合溶液。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種滴灌系統(tǒng)灌水器內(nèi)部堵塞物質(zhì)分布的原位測試與評價方法，包括以下步驟：1)灌水器運行若干小時后，取下作為灌水器樣品；2)灌水器樣品內(nèi)通入染色溶液后，使用清水沖洗灌水器樣品，沖洗后進行晾干；3)采用CT機對灌水器樣品進行掃描，并對掃描數(shù)據(jù)進行圖像重構(gòu)，得到灌水器樣品斷層掃描圖像；將CT掃描后的灌水器樣品安裝于原位置繼續(xù)運行；4)將灌水器樣品的斷層掃描圖像進行三維重建，得到三維模型，調(diào)整三維模型灰度閾值，提取堵塞物質(zhì)的基本參數(shù)；5)根據(jù)堵塞物質(zhì)基本參數(shù)，結(jié)合灌水器樣品流道結(jié)構(gòu)特性計算評價指標(biāo)，對灌水器樣品中堵塞物質(zhì)空間分布進行定量評價；6)重復(fù)步驟1)～5)，對該灌水器進行多尺度定量評價。
【IPC分類】G01N23-04
【公開號】CN104819989
【申請?zhí)枴緾N201510224934
【發(fā)明人】李云開, 王偉楠, 王天志, 馮吉
【申請人】中國農(nóng)業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年8月5日
【申請日】2015年5月5日