滴灌系统灌水器内部堵塞物质分布的原位测试与评价方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及农业节水灌溉，特别是关于一种滴灌系统灌水器内部堵塞物质分布的 原位测试与评价方法。
【背景技术】
[0002] 灌水器是滴灌系统中最关键的部件，灌水器流道尺寸一般只有0. 5-1. 2mm左右， 水中的悬浮颗粒、溶解盐、化学沉淀、有机污染物和微生物等杂质都极易引起灌水器流道的 堵塞，灌水器堵塞问题已成为制约滴灌技术应用和推广的主要障碍。研宄表明，灌水器堵塞 程度与其流道内部堵塞物质的动态变化过程密切相关，因此要想解决灌水器堵塞问题，需 要对灌水器内部堵塞物质的形成过程有明确了解，如何测试灌水器内部堵塞物质的空间分 布已成为一个热点问题。
[0003] 目前，针对管道堵塞物质的研宄主要来自于给水管道，陈猷鹏等人提出一种原位 测定废水处理生物膜内部空间结构的装置及方法，许刚等人提出一种管道生物膜取样装 置，这些测试方法主要用于大型给水管道。而针对灌水器流道内堵塞物质，Li等借助三维白 光形貌干涉仪对再生水滴灌系统运行初期灌水器内部不同部位局部点位生物堵塞物质表 面形貌进行了测试，用粗糙度等量表征堵塞物质的多少，需破坏灌水器并且只能测局部点 位。目前还少有的针对滴灌系统灌水器堵塞物质空间分布的原位测试方法，均为破坏性取 样测试，例如有直接剖开灌水器样品获得流道内堵塞物质分布，这种方式最为直观，但灌水 器流道狭小肉眼观察困难；有借助现代光学显微（扫描电子显微镜、三维白光形貌干涉仪 等）精细分析局部点位堵塞物质形貌特征及分布，这种方式精度较高，但只能局部取点，不 能获得整个流道堵塞物质空间分布的总体特征；以上做法一方面，破坏灌水器过程中会对 流道内堵塞物质产生扰动，影响堵塞物质分布，另一方面，破坏后灌水器不能再继续使用， 只能通过设置多组重复，在不同时期取不同样品来对比堵塞物质的变化，而实际上，堵塞物 质在形成过程中与很多因素有关，有很大的随机性，即使是运行环境完全相同的两个灌水 器，其内部堵塞物质的分布也有可能不同，因此采用这种间接的研宄方法，缺乏严谨性。迄 今为止，尚没有一种可行的方法可以实现对滴灌系统中特定灌水器运行过程中流道内部堵 塞物质的空间分布进行精确直观地原位跟踪监测。
【发明内容】
[0004] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种直观、精确，且对灌水器无损的滴灌系统 灌水器内部堵塞物质分布的原位测试与评价方法。
[0005] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：滴灌系统灌水器内部堵塞物质分布 的原位测试与评价方法，包括以下步骤：1)待测试的灌水器运行若干小时后，将其取下作 为灌水器样品，取下前测试灌水器流道内的流量，并标记堵塞程度；2)向灌水器样品内通 入染色溶液，对灌水器样品进行染色后，使用清水冲洗灌水器样品，并将冲洗后的灌水器样 品进行晾干；3)将染色后晾干的灌水器样品放置于工业CT机旋转台，工业CT机发射X射 线对灌水器样品进行扫描，获取灌水器样品的扫描数据；工业CT机对获取的扫描数据进行 图像重构，得到灌水器样品的断层扫描图像；将CT扫描后的灌水器样品安装于原位置继续 运行；4)将得到的灌水器样品的断层扫描图像输入计算机，采用三维重建软件对灌水器样 品的断层扫描图像进行重建，得到灌水器样品的三维模型，调整灌水器样品三维模型灰度 阈值，将管壁、堵塞物质与空气进行分割，分割出堵塞物质与灌水器样品壁面、空气的边界， 提取分割后灌水器样品三维模型中堵塞物质的基本参数；其中，基本参数包括点位堵塞物 质厚度d、区域堵塞物质体积V和区域堵塞物质表面积C;5)根据提取的灌水器样品三维模 型中堵塞物质的基本参数，结合灌水器样品流道的结构特性计算评价指标，对灌水器样品 中的堵塞物质空间分布进行定量评价；6)重复步骤1)~5)，对该灌水器在不同时期内各流 道结构单元内部、流道结构单元之间进行多尺度的堵塞物质空间分布定量评价。
[0006] 所述步骤5)中，对灌水器样品中的堵塞物质空间分布进行定量评价的评价指标 为：
[0007] ①点平均厚度dp，
[0008]
【主权项】
1. 一种滴灌系统灌水器内部堵塞物质分布的原位测试与评价方法，包括以下步骤： 1) 待测试的灌水器运行若干小时后，将其取下作为灌水器样品，取下前测试灌水器流 道内的流量，并标记堵塞程度； 2) 向灌水器样品内通入染色溶液，对灌水器样品进行染色后，使用清水冲洗灌水器样 品，并将冲洗后的灌水器样品进行晾干； 3) 将染色后晾干的灌水器样品放置于工业CT机旋转台，工业CT机发射X射线对灌 水器样品进行扫描，获取灌水器样品的扫描数据；工业CT机对获取的扫描数据进行图像重 构，得到灌水器样品的断层扫描图像；将CT扫描后的灌水器样品安装于原位置继续运行； 4) 将得到的灌水器样品的断层扫描图像输入计算机，采用三维重建软件对灌水器样品 的断层扫描图像进行重建，得到灌水器样品的三维模型，调整灌水器样品三维模型灰度阈 值，将管壁、堵塞物质与空气进行分割，分割出堵塞物质与灌水器样品壁面、空气的边界，提 取分割后灌水器样品三维模型中堵塞物质的基本参数；其中，基本参数包括点位堵塞物质 厚度d、区域堵塞物质体积V和区域堵塞物质表面积C ; 5) 根据提取的灌水器样品三维模型中堵塞物质的基本参数，结合灌水器样品流道的结 构特性计算评价指标，对灌水器样品中的堵塞物质空间分布进行定量评价； 6) 重复步骤1)~5)，对该灌水器在不同时期内各流道结构单元内部、流道结构单元之 间进行多尺度的堵塞物质空间分布定量评价。
2. 如权利要求1所述的滴灌系统灌水器内部堵塞物质分布的原位测试与评价方法，其 特征在于：所述步骤5)中，对灌水器样品中的堵塞物质空间分布进行定量评价的评价指标 为： ① 点平均厚度dp，
其中，（,为剖面上i点的堵塞物质厚度，i = 1，2, 3…n，n为在该剖面上取点的总数； ② 堵塞物质面平均厚度D，
其中，^为沿水流方向灌水器样品的第j个流道结构单元上底面区域堵塞物质体积，j =1、2、3…;Ss为流道单元上底面面积，为第j个结构单元堵塞物质在上底面平均厚度； 匕-,为沿水流方向灌水器样品的第j个流道结构单元下底面区域堵塞物质体积，\为 流道单元下底面面积，为第j个结构单元堵塞物质在下底面平均厚度； 1为沿水流方向灌水器样品的第j个流道结构单元迎水面区域堵塞物质体积，Sy为流 道单元迎水面面积，为第j个结构单元堵塞物质在迎水面平均厚度； 为沿水流方向灌水器样品的第j个流道结构单元背水面区域堵塞物质体积，Sb为流 道单元背水面面积，为第j个结构单元堵塞物质在背水面平均厚度； ③ 堵塞物质体积分数?v，
其中，1为沿水流方向灌水器样品的第j个流道结构单元堵塞物质总体积，j = 1、2、 3…；V'为灌水器样品流道结构单元体积，不同类型灌水器具有不同的流道结构单元体积； A为第j个流道结构单元内堵塞物质占流道结构单元体积的百分比； ④ 堵塞物质表面覆盖率St，
其中，为沿水流方向灌水器样品第j个流道结构单元的上底面区域堵塞物质表面 积，j = 1、2、3…，Ss为流道单元上底面面积，4为上底面堵塞物质表面覆盖率； G为沿水流方向灌水器样品第j个流道结构单元的下底面区域堵塞物质表面积，j = 1、2、3…，SxS流道单元下底面面积，为下底面堵塞物质表面覆盖率； 为沿水流方向灌水器样品第j个流道结构单元的迎水面区域堵塞物质表面积，j = 1、2、3…，Sy为流道单元迎水面面积，,为迎水面堵塞物质表面覆盖率； Cb,为沿水流方向灌水器样品第j个流道结构单元的背水面区域堵塞物质表面积，j = 1、2、3…，Sb为流道单元背水面面积，,为上底面堵塞物质表面覆盖率。
3. 如权利要求1所述滴灌系统灌水器内部堵塞物质分布的原位测试与评价方法，其特 征在于：所述步骤2)中对灌水器样品进行染色时使用染色架，所述染色架包括清水水箱、 染色溶液水箱、过滤器、压力表、第一水泵和第二水泵；所述清水水箱中装有清水，所述染色 溶液水箱中装有染色溶液，所述清水水箱中设置有所述第一水泵，所述染色溶液水箱中设 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过一阀门连接所述过滤器 一端，所述过滤器的另一端通过所述压力表连接灌水器样品入口端，灌水器样品的出口管 路并联连接第一阀门和第二阀门后分别连接所述清水水箱和所述染色溶液水箱。
4. 如权利要求2所述滴灌系统灌水器内部堵塞物质分布的原位测试与评价方法，其特 征在于：所述步骤2)中对灌水器样品进行染色时使用染色架，所述染色架包括清水水箱、 染色溶液水箱、过滤器、压力表、第一水泵和第二水泵；所述清水水箱中装有清水，所述染色 溶液水箱中装有染色溶液，所述清水水箱中设置有所述第一水泵，所述染色溶液水箱中设 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过一阀门连接所述过滤器 一端，所述过滤器的另一端通过所述压力表连接灌水器样品入口端，灌水器样品的出口管 路并联连接第一阀门和第二阀门后分别连接所述清水水箱和所述染色溶液水箱。
5. 如权利要求1或2或3或4所述滴灌系统灌水器内部堵塞物质分布的原位测试与评 价方法，其特征在于：所述染色溶液采用8&30 4悬浊液和KI溶液的混合溶液。
【专利摘要】本发明涉及一种滴灌系统灌水器内部堵塞物质分布的原位测试与评价方法，包括以下步骤：1)灌水器运行若干小时后，取下作为灌水器样品；2)灌水器样品内通入染色溶液后，使用清水冲洗灌水器样品，冲洗后进行晾干；3)采用CT机对灌水器样品进行扫描，并对扫描数据进行图像重构，得到灌水器样品断层扫描图像；将CT扫描后的灌水器样品安装于原位置继续运行；4)将灌水器样品的断层扫描图像进行三维重建，得到三维模型，调整三维模型灰度阈值，提取堵塞物质的基本参数；5)根据堵塞物质基本参数，结合灌水器样品流道结构特性计算评价指标，对灌水器样品中堵塞物质空间分布进行定量评价；6)重复步骤1)～5)，对该灌水器进行多尺度定量评价。
【IPC分类】G01N23-04
【公开号】CN104819989
【申请号】CN201510224934
【发明人】李云开, 王伟楠, 王天志, 冯吉
【申请人】中国农业大学
【公开日】2015年8月5日
【申请日】2015年5月5日