一种管道式灌溉模拟实验台及其灌溉模式分析方法

1.本发明涉及农业给排水技术领域，尤其涉及一种管道式灌溉模拟实验台及其灌溉模式分析方法。


背景技术：

2.为了应对全球变暖所导致的自然灾害，其关键在于减少生产过程中的碳排放，提高用电效率。同时，我国正在大力发展科技农业，开展水稻规模化种植。在水稻种植过程中，需要大量的水，因此需要水泵消耗电能用于灌溉。
3.在传统的灌溉方式中，主要通过漫灌的方式进行，这不仅导致了用水的浪费还导致了能源的浪费。为了提高灌溉过程中用水、用电效率，降低农业生产成本，本发明设计了一种管道式灌溉模拟实验台及其灌溉模式分析方法。


技术实现要素：

4.为了解决上述背景技术中所提到的水稻种植过程中灌溉用水量及灌溉方式不合理导致的耗能严重的技术问题，而提出的一种管道式灌溉模拟实验台及其灌溉模式分析方法。
5.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
6.一种管道式灌溉模拟实验台，包括：
7.主框架；
8.灌溉管道组件，设置于主框架上且高度可调节，包括主管和支管，所述主管上安装有第一球阀，所述主管的出水端连通有多组支管，所述支管上连通有多组第二出水管，所述第二出水管上安装有第二球阀，所述第二出水管的出水端连通有软管；
9.水箱组件，包括第一蓄水箱和多个第二蓄水箱，且第一蓄水箱的容积大于等于第二蓄水箱的容积之和，所述第一蓄水箱用于模拟供水河道，所述第二蓄水箱用于模拟待灌溉田块；
10.水泵抽水系统，用于连接第一蓄水箱和灌溉管道组件；
11.数据检测系统，包括电磁流量计、电量计量插座和电子秤，所述电磁流量计安装在主管上，所述电量计量插座与电源接线板连接。
12.作为上述技术方案的进一步描述：
13.所述水泵抽水系统包括水泵，所述水泵的输入端与第一蓄水箱之间通过进水管连通，所述水泵的输出端连通有第一出水管，所述第一出水管的自由端与主管的进水端之间通过法兰接头连通。
14.作为上述技术方案的进一步描述：
15.所述水泵抽水系统还包括底座，所述水泵固定安装在底座上。
16.作为上述技术方案的进一步描述：
17.所述主框架包括支撑铁丝网和铝型材，多根所述铝型材之间通过铝制角码和六角
螺栓连接构成主支架，所述支撑铁丝网固设于主支架顶部，且支撑铁丝网上具有容纳软管的网孔。
18.作为上述技术方案的进一步描述：
19.所述水箱组件还包括卷尺，所述卷尺固设于第一蓄水箱一侧内表壁上。
20.作为上述技术方案的进一步描述：
21.所述灌溉管道组件还包括第一三通和第二等径三通，所述主管上安装有第一三通，所述第一三通的自由端与支管之间连通有第一变径管，所述支管上安装有第二等径三通，所述第二等径三通的自由端与第二出水管之间连接有第二变径管。
22.作为上述技术方案的进一步描述：
23.所述主管及支管与支撑铁丝网之间连接有高度可调节的支撑架。
24.作为上述技术方案的进一步描述：
25.所述主管及支管的末端均固定套接有管帽。
26.作为上述技术方案的进一步描述：
27.一种管道式灌溉模拟实验台的最佳灌溉模式分析方法，包括以下步骤：
28.s1、检测实验台管道连接处的密封性，并记录实验台灌溉高度h
test
和第一蓄水箱初始水位h
start
；
29.s2、将电磁流量计接通电源，并调整好电磁流量计的记录数据类型和单位；
30.s3、将电源接线板接通电源，并对电量计量插座进行清零确认；
31.s4、预先设定灌溉系统的灌溉模式，并调整相关第二球阀的开启与关闭，以及用记录对应的第二蓄水箱的预定水量水位线；
32.s5、启动水泵，待第二蓄水箱中实际水量达到预定水量水位线后，关闭相关第二球阀；
33.s6、记录第一蓄水箱结束水位h
end
、电量计量插座所测得的水泵的电机总能耗e、相关第二蓄水箱的水量mi和灌溉时长t，根据下列公式计算出步骤s4的灌溉模式下灌溉系统的用电效率η1和灌溉效率η2：
[0034][0035][0036]
s7、调整水泵的转速，研究变频调节下灌溉系统的用电效率，及不同灌溉模式下的灌溉效率和耗电量。
[0037]
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
[0038]
1、本发明中，通过采用铝型材以及pvc管道作为实验主体的搭建材料，大大降低了设备的组装拆卸难度，且增强了实验台的可拓展性和可拆卸重组性。
[0039]
2、本发明中，根据测得的单位时间内各田块不同水量，可以研究不同位置的田块其管路损失差别。
[0040]
3、本发明中，根据第i块田块中的水量mi，计量电表所测得的电机总能耗e，水箱中初始、结束水位h
start
、h
end
，灌溉试验台高度h
test
，可以计算出该灌溉模式下灌溉系统的用电
效率η。
[0041]
4、本发明中，通过设置泵不同的转速，可以研究变频调节下灌溉系统的用电效率，从而设计一套高性能的电机频率调节算法。
附图说明
[0042]
图1示出了根据本发明实施例提供的一种管道式灌溉模拟实验台的立体结构示意图；
[0043]
图2示出了根据本发明实施例提供的一种管道式灌溉模拟实验台的灌溉管道组件的结构示意图；
[0044]
图3示出了根据本发明实施例提供的一种管道式灌溉模拟实验台的主框架的结构示意图；
[0045]
图4示出了根据本发明实施例提供的一种管道式灌溉模拟实验台的数据检测系统的结构示意图；
[0046]
图5示出了根据本发明实施例提供的一种管道式灌溉模拟实验台的第二蓄水箱的结构示意图。
[0047]
图例说明：
[0048]
01、主框架；11、支撑铁丝网；12、铝型材；02、灌溉管道组件；21、电磁流量计；22、法兰接头；23、支撑架；24、第一球阀；25、主管；26、第一三通； 27、第一变径管；28、第二变径管；29、第二等径三通；210、支管；211、管帽； 212、第二球阀；213、第二出水管；214、软管；03、水箱组件；31、第一蓄水箱；32、卷尺；33、第二蓄水箱；04、水泵抽水系统；41、第一出水管；42、水泵；43、电量计量插座；44、电源接线板；45、电子秤；46、称重水箱；47、进水管；48、底座；05、数据检测系统。
具体实施方式
[0049]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0050]
实施例一
[0051]
请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种管道式灌溉模拟实验台，包括：
[0052]
如图1和图4所示，主框架01，主框架01包括支撑铁丝网11和铝型材12，多根铝型材12之间通过铝制角码和六角螺栓连接构成主支架，支撑铁丝网11固设于主支架顶部，且支撑铁丝网11上具有容纳软管214的网孔，具体的，主框架01是用来承载实验用的pvc管道，同时提供一定的高度，模拟现实中从河流中抽水灌溉的高度差，主框架01的主体是铝型材结构，保证强度的同时尽可能地降低整体质量，同时铝制品还有较好的抗腐蚀性，坚固耐用，支撑铁丝网11 通过螺栓、角码固定，起到支撑实验台的作用，铝型材12和支撑铁丝网11都是市场上常见的组件，大大降低了实验台的制造难度，同时，可以随时根据需要，增加或减少材料的用量，从而扩大或减小实验台面积，以方便模拟不同面积大小的实验田块。
[0053]
如图1和图2所示，灌溉管道组件02，设置于主框架01上且高度可调节，包括主管25
和支管210，主管25及支管210与支撑铁丝网11之间连接有高度可调节的支撑架23，主管25上安装有第一球阀24，主管25的出水端连通有多组支管210，支管210上连通有多组第二出水管213，第二出水管213上安装有第二球阀212，第二出水管213的出水端连通有软管214，主管25及支管210的末端均固定套接有管帽211，灌溉管道组件02还包括第一三通26和第二等径三通 29，主管25上安装有第一三通26，第一三通26的自由端与支管210之间连通有第一变径管27，支管210上安装有第二等径三通29，第二等径三通29的自由端与第二出水管213之间连接有第二变径管28，其中，第一球阀24选用dn50pvc 球形阀，第二球阀212选用dn20pvc球形阀，主管25选用dn50pvc管道，支管 210选用dn32pvc管道，第一三通26选用dn50pvc等径三通，第二三通29选用 dn25pvc等径三通，第一变径管27选用dn32pvc变径管，第二变径管28选用 dn20pvc变径管；
[0054]
具体的，灌溉管道组件02为透明pvc材质，主要由不同口径直管、变径管和等径三通组成，在管路的末端采用管路端盖进行密封，透明pvc材质管路有利于直观的观察管道输水过程中的流动状态，揭示管路性能的影响因素，第二出水管213装有手动球阀控制开度，用以控制不同田块的出水量，管道进水口连接一个电磁流量计21，用于测量管道流量和累计流量，pvc管路皆为国际标准件，灌溉管道组件02可根据目标田块的具体分布形态，进行不同面积、不同区块的实验田缩放模拟，灌溉管道组件02通过铝制可调节高度支撑架23支撑，从而实现管路平稳的要求，同时可以一定程度上调节管道出水口的出水高度。
[0055]
如图1所示，水箱组件03，包括第一蓄水箱31和多个第二蓄水箱33，且第一蓄水箱31的容积大于等于第二蓄水箱33的容积之和，第一蓄水箱31用于模拟供水河道，第二蓄水箱33用于模拟待灌溉田块，水箱组件03还包括卷尺32，卷尺32固设于第一蓄水箱一侧内表壁上31内；
[0056]
具体的，第二蓄水箱33为加厚的塑料水箱，加厚的塑料水箱韧性高、承重能力强、容量大、可叠加使用，能够很好的承载各种“田块”的需水量，塑料水箱的大小和数量可根据不同大小的田块进行合理的搭配使用，按需确定，待实验完成后，将第二蓄水箱33抬到电子秤上进行称重，即可直接计算出第二蓄水箱 33中的水量，即灌溉到田块中的水量，同时另有一大型第一蓄水箱31用以模拟河道，水泵42从河道中抽水，由于灌溉过程中第一蓄水箱31内水被抽出导致水位下降，故第一蓄水箱31中安装有卷尺32用于观测水位变化。
[0057]
如图1和图3所示，水泵抽水系统04，用于连接第一蓄水箱31和灌溉管道组件02，水泵抽水系统04包括水泵42，水泵42的输入端与第一蓄水箱31之间通过进水管47连通，水泵42的输出端连通有第一出水管41，第一出水管41的自由端与主管25的进水端之间通过法兰接头22连通，水泵抽水系统04还包括底座48，水泵42固定安装在底座48上；
[0058]
具体的，水泵抽水系统04主要由可调节高度的底座48和可调节转速、流量的小型水泵42以及进水、出水管道组成，由于实验台是一个缩小版的灌溉系统，因此水泵42功率较小，可以通过电源接线板44供电，电源接线板44上方加装外壳，以防试验过程中水进入电源接线板44造成安全事故。
[0059]
如图1和图3所示，数据检测系统05，包括电磁流量计21、电量计量插座 43和电子秤45，电磁流量计21安装在主管25上，电量计量插座43与电源接线板44连接，具体的，电磁流量计21用于监测pvc灌溉管路总流量，电磁流量计 21具有显示实时流量以及累计流量的功能，电量计量插座43用于计量水泵42 的功率，电量计量插座43具有显示实时功率、总能
耗和工作时长的功能，电子秤45用于称量田块灌溉水量，电子秤具有去皮功能，因此只需在测量前将空置的称重水箱46放上，然后进行去皮，后续测量时可精确测量第二蓄水箱33中的水量，其中，对于电磁流量计21的数据采集可以在其显示屏前提前进行录像采取，在后期去对应时间线上进行数据采集，为了减少实验误差以及偶然性，可多次重复实验取平均值。
[0060]
首先，以上铝型材框架平台、pvc管道模拟农田灌溉管道、模拟田块的水箱，以及水泵抽水平台之间相互独立，通过橡胶软管相互连接，并通过支撑架和螺栓进行固定连接，大大降低了设备的组装拆卸难度，且增强了实验台的可拓展性和可拆卸重组性；
[0061]
其次，根据测得的单位时间内各田块不同水量，可以研究不同位置的田块其管路损失差别。
[0062]
请参阅图1-5，一种管道式灌溉模拟实验台的最佳灌溉模式分析方法，包括以下步骤：
[0063]
s1、检测实验台管道连接处的密封性，并记录实验台灌溉高度h
test
(单位：m) 和第一蓄水箱31初始水位h
start
(单位：m)；
[0064]
s2、将电磁流量计21接通电源，并调整好电磁流量计21的记录数据类型q 和单位m3/s，为了减少实验误差以及偶然性，可多次重复实验取平均值；
[0065]
s3、将电源接线板44接通电源，并对电量计量插座43进行清零确认；
[0066]
s4、预先设定灌溉系统的灌溉模式，并调整相关第二球阀212的开启与关闭，以及用记录对应的第二蓄水箱33的预定水量水位线；
[0067]
s5、启动水泵42，待第二蓄水箱33中实际水量达到预定水量水位线后，关闭相关第二球阀212；
[0068]
s6、记录第一蓄水箱31结束水位h
end
(单位：m)、电量计量插座43所测得的水泵42的电机总能耗e(单位：w)、相关第二蓄水箱33的水量mi(单位：kg) 和灌溉时长t(单位：h)，根据下列公式计算出步骤s4的灌溉模式下灌溉系统的用电效率η1和灌溉效率η2：
[0069][0070][0071]
s7、调整水泵42的转速，研究变频调节下灌溉系统的用电效率，及不同灌溉模式下的灌溉效率和耗电量。
[0072]
现假定有18个第二蓄水箱33，对应18个第二球阀212，则依照上述分析方法进行灌溉实验，从而比较确定最佳灌溉方案，其中，还需确定的数据包括水头损失hf和耗电量w:
[0073][0074]
式中，λ表示沿程摩擦系数，l表示管长，d表示管径，v表示管内平均速度，表示几何因子，为速度水头；
[0075]
w＝p
·
t；
[0076]
式中，w表示功，单位是焦耳(j)，p表示功率，单位是瓦(w)，t表示时间，单位是秒(s)。
[0077]
实验一：在第二蓄水箱33上标出10cm高的水位线，打开所有阀门，当最远端第二蓄水箱33到达10cm水位高度时停泵，按照表1记录各项数据。
[0078]
实验二：在第二蓄水箱33上标出10cm高的水位线，打开所有阀门，当第二蓄水箱33到达目标水位时，关闭相关第二球阀212，最后一个第二球阀212关闭时直接停泵，按照表1记录各项数据，具体的，设置实验二的目的是在实验一的基础上规避近端田块供水量过度的问题。
[0079]
实验三：在第二蓄水箱33上标出10cm高的水位线，采用不同的轮灌策略，如先开三个第二球阀212(或先开两个第二球阀212)等，并按照由近到远或者由远到近的顺序开启第二球阀212，然后启动泵，在对应第二蓄水箱33快到预设位置时，打开另外三个第二球阀212，然后到预设位置后关闭原先三个第二球阀 212，以此类推，直至最后三个，直接关泵。按照表1记录各项数据，其中，轮灌当前农业中较为常用的灌溉方式，轮灌的能量消耗与其灌溉方式有直接关系，本实验三的目的是为了研究哪种轮灌方式是最节能的。
[0080]
实验四：不使用轮灌策略，改变不同第二球阀212的开度，越远开的越大，越近开的越小，研究在什么样的开度分布情况下，开泵后所有第二蓄水箱33会同时到达预设水位，并按照表1记录各项数据。
[0081]
表1
[0082][0083]
在实验结束后，在进行数据处理，可以得出系统灌溉过程中阀门启闭顺序对流量的影响情况，从而计算管路损失，然后根据公式得出系统灌溉效率。再针对所有实验方案进行如表1所示的数据对比，选择出耗电量低且灌溉效率佳的灌溉方案。
[0084]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。