[发明专利]一种水气耦合滴灌掺气率计算方法

说明书

技术领域：

本发明涉及农业灌溉技术领域，具体地讲是一种水气耦合滴灌掺气率计算方法。

背景技术：

滴灌因具有较高的水分利用效率已成为目前最为有效的灌溉方式之一。但是，灌溉过程中土壤中的空气常常被水流排出而造成根区缺氧胁迫的难题。土壤中的空气含量过低会直接影响土壤酶活性、作物的根系呼吸以及养分的吸收，对作物生长产生负面影响。水气耦合滴灌技术的出现在很大程度上解决了该问题。

水气耦合滴灌利用滴灌系统把掺气水或者掺气水肥混合流体输送到植物根区，能有效改善植物根围的水、肥、气、热环境，维持根系正常的新陈代谢和呼吸功能，促进和协调植物地上和地下部分的生长发育，是一种节水、省肥、高效的新型灌溉技术。水气耦合滴灌解决了普通滴灌在灌溉时造成的植物根系暂时缺氧问题，同时又具备地下滴灌所固有的一切优势，为挖掘植物生产潜力提供了新的选择。考虑到滴灌应用领域和面积不断扩大，且普通滴灌系统连接上文丘里注射器即可改造为水气耦合滴灌系统，因而水气耦合滴灌切实可行。大量的研究表明，水气耦合滴灌具有显著的增产效应，特别是对于粘土种植条件下的作物效果更为明显，有的作物增产幅度达到30%。

水气耦合滴灌水气混合流体中空气的掺入比即掺气率C_a，是水气耦合滴灌的一个关键技术指标，不同的掺气率将显著影响灌溉的效果、作物生长发育乃至最终的经济产量。由于水气耦合滴灌产生了大量微纳米气泡，因气泡过于微小采用传统的排水法测量掺气率难于实现。如何准确确定水气耦合滴灌的掺气率是一直困扰相关技术人员的难题。

发明内容：

本发明的目的是克服上述已有技术的不足，而提供一种水气耦合滴灌掺气率计算方法，主要解决现有技术无法准确确定水气耦合滴灌的掺气率的问题。

本发明的技术方案是：一种水气耦合滴灌掺气率计算方法，其特殊之处在于，包括如下工艺步骤：

1）将滴灌带与水气耦合滴灌系统的首部连接，并将滴灌带水平铺设，待水气耦合滴灌系统正常运行后，每隔2m取1个滴头作为观测样本，在每个样本下方放置量杯以观测样本的出水量，观测时间控制在15～20 min，根据观测时间和出水量计算每个样本的流量，在此基础上计算出全部样本的流量平均值，将该平均值乘以滴灌带的总滴头数得到滴灌带的总出流量Q；

2）量测水气耦合滴灌系统首部及测试滴灌带尾部的工作压力，二者压力差就代表了滴灌带沿程水头损失h_f，滴灌带多口系数F利用公式（2）算出；

3）滴灌带孔口扩大系数k即考虑局部水头损失的扩大系数，在滴灌带水平铺设的情况下k可取1.07；滴灌带长度L可以直接测量，滴灌带内径d可利用游标卡尺实际测量获得，μ为水的动力黏度，与温度有关，可以根据公知的知识获得；

4）获得沿程水头损失h_f、滴灌带内径d、孔口扩大系数k、多口系数F、滴灌带长度L以及总出流量Q有关参数后，就可以利用公式（9）求解出水气耦合滴灌带中水气混合流体的掺气率C_a。

关于公式（9）的推导：

水气耦合滴灌形成的水气混合物改变了水的运动黏度，进而改变了管道沿程的水头损失，滴灌带的总流量也发生相应变化；王秀康和刘祖雄[中国农村水利水电，2012(12): 9-11.]提出了滴灌带水头损失公式：

式中：v为水的运动黏度，cm²/s；h_f（m）为沿程水头损失，由首尾两端的压力差计算；d为滴灌带内径，mm；k为孔口扩大系数，即考虑局部水头损失的扩大系数，在滴灌带水平铺设的情况下k可取为1.07；L为滴灌带长度，m；Q 为总流量，L/h；F 为多口系数，由克里斯琴森（Christiansen)公式[中国农村水利水电，2012(12): 9-11.]获得：

式中：N 为滴头个数；m和x分别为指示滴头水力特征的流量指数和流态指数，由滴头的具体形态和结构决定；