一种用于智慧灌溉下的回液处理系统及方法与流程

本发明涉及智慧灌溉领域，具体为一种用于智慧灌溉下的回液处理系统及方法。

背景技术：

1、灌溉系统包括水源及渠道建筑，输水系统，配水系统等一整套设施，对水资源进行统一调度和管理，在灌溉区域分配水量，来完成灌溉工程，按照灌溉方式来分类，可分为渠道灌溉系统和管道灌溉系统；

2、智慧灌溉是一种无需人工监控、自动接收灌溉需求信息，执行灌溉任务的一种自动化灌溉系统，充分利用了现代化的信息技术，深入开发灌溉区信息资源，提高了信息采集和加工的准确性和信息的时效性，实现了水资源的合理配置，整体灌溉系统的优化调度，有效实现了节水节肥，节约劳动力资源，提高了灌溉区域的生产经营效率；

3、智慧灌溉实现了对水资源的合理利用，但是随着人类社会的不断发展，人口数量不断攀升，水资源仍处于短缺的状态，而工业用水量和居民用水量的急剧增加，农业用水短缺问题也日益严重，在农业灌溉中，浇灌残余仍然可以再次利用，灌溉用水和水肥利用率仍有提升空间，实现资源的循环再生和重复利用可以有效提高智慧灌溉的效能，现提出一种用于智慧灌溉下的回液处理系统及方法，实现对农业回液的利用，提高水肥资源的利用率，避免了大水漫灌，减少了污水排放，通过合理设置滴灌喷头位置，对高浓度区域进行稀释，避免过量施肥现象，降低营养物质富集，保护了农业环境，实现了可持续发展。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于智慧灌溉下的回液处理系统及方法来解决上述背景技术中提出的问题，通过回收残余水肥溶液，过滤溶液中杂质，回收溶液和元素物质，对回液进行沤制，重新用于灌溉农作物。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案，一种用于智慧灌溉下的回液处理系统，该处理系统包括：回液收集模块、回液过滤模块、回液回收模块和二次灌溉模块；

3、所述回液收集模块与回液过滤模块相连，所述回液过滤模块与回液回收模块相连；所述回液收集模块用于回收水田和灌溉管道残留水肥溶液，所述回液过滤模块用于过滤水肥溶液，所述回液回收模块用于回收回液并重制成水肥，所述二次灌溉模块用于利用重制水肥进行灌溉；

4、通过回收农田和管道内残余水肥，进一步清理了残余物质，使得水田作物生长环境得到优化，避免了元素过量吸收，同时清理了管道内部环境，保持了管道运输的畅通，避免了水肥元素长时间淤积的情况下，运输管道腐蚀或水肥物质结块硬化，对管道造成不可逆的损伤；通过重制水肥并用于水田灌溉，将资源重新利用，实现错位资源的正确配置。

5、进一步的，所述回液收集模块包括水田监测单元、管道监测单元、植株监测单元和回收计量单元；所述水田监测单元用于监测水田内水肥液体环境，监测水深、水面面积和水体质量，通过查询注水记录，得到水田注水时间，水肥排入水田时长，根据水肥排入农田时间，判断水肥吸收率，并实现动态注入，维持水田内水肥浓度的动态平衡，避免蒸发和吸收作用导致的水体减少对水田植株产生影响；所述管道监测单元通过探地雷达对管道内部进行识别，检测残余水肥溶液的面积和位置，农田水肥一体技术借助压力系统，将可溶性固体或液体肥料配兑，通过管道实现滴灌或喷灌，提供给作物，需预先埋设运输管道，管道位于地下，管理难度大，通过传感器对管道进行监测，实现对管道运输的水肥液体的利用，并且所述植株监测单元用于监测植株的生长数据，在植株栽种后10天左右进行检测吗，通过图像识别水田内植株返青率，并根据返青率设置水田排水晒田；所述回收计量单元在对水田和管道内的水肥回收时，计量统计回收得到的回液的质量和体积数据，使得回液数据精细量化，以便为后续研究提供数据；

6、进一步的，所述回液过滤模块包括一级过滤处理单元、二级过滤处理单元和回液处理单元；所述一级过滤处理单元使用滤网对回液进行物理过滤，筛除回液中不溶解的杂质，如泥土和碎石等，所述二级过滤单元使用滤芯进行过滤，筛除回液中溶解的杂质，如可溶性盐类和有机物质等，所述回液处理单元对过滤之后的回液进行检测，通过传感器检测，得到过滤后回液的各类属性值，检验过滤效果并判断是否需要再次过滤；

7、进一步的，所述回液回收模块包括水肥含量检测单元、分批计量单元、水肥沤制单元和水肥存储单元；所述水肥含量检测单元通过传感器检测回液中水肥元素含量，所述分批计量单元对不同批次回收的水田和管道回液进行计量，并记录回收批次和回收总量；所述水肥沤制单元根据植株灌溉需求，对水肥溶液添加元素并重新沤制，使得回液转化为水肥溶液；所述水肥存储单元将再次沤制后的水肥溶液进行存储，不同的水肥溶液存储方式不同，水肥溶液相对挥发速率不同，一般的，将相对挥发速率超过1的水肥溶液定义为挥发性强，相对挥发速率不超过1则说明水肥溶液挥发性弱，对挥发性强的水肥溶液选择存储罐进行存储，对挥发性弱的水肥溶液选择回收池进行存储，通过合理设置存储方式，保护水肥溶液，减少蒸发，维持水肥溶液的稳态；

8、进一步的，所述二次灌溉模块包括水压控制单元、管道管理单元和水肥滴灌单元和稀释喷灌单元；所述水压控制单元用于调控水肥溶液出水口的水压，并通过增压泵调节水压，使得水压满足出水要求；所述管道管理单元根据管道排布线路，监测管道运输状态，通过传感器监测管道内压强，检测是否存在漏液现象；所述水肥滴灌单元设置滴灌喷头位置，使得农田区域被滴灌喷头全部覆盖，且滴灌喷头滴灌区域重叠部分最小，并根据滴灌任务指令，定时开关各个滴灌喷头；所述稀释喷灌单元设置纯水喷灌位置，以稀释重叠区域滴灌水肥的浓度，设定喷灌时长和喷灌范围，使得滴灌区域水肥浓度均等。

9、一种用于智慧灌溉下的回液处理方法，包括下列步骤：

10、s1、监测农田和管道残留液体状况，并根据水田植株情况，维持水田水位，确定水肥回收时间；

11、s2、过滤并重新沤制水肥，精准配比元素，根据元素含量，确定水肥类型；

12、s3、根据水压和滴溉区域的关系，确定滴灌喷头位置，调节水肥溶液出水口水压；

13、s4、在滴灌重叠区域加装纯水喷头，根据重叠区域水肥浓度进行稀释喷洒；

14、进一步的，在步骤s1中，监测农田和管道中残留液体，并根据水田内农作物植株生长时间和生长态势，判断水肥回收的时间；在水田安设液位尺读取水田内液体水位高度，并实时向系统传输数据，得到水位高度变化曲线图，在水位高度因为高温蒸发等现象下降幅度较大，水位高度变化超过阈值时，动态的补充水肥，使之维持在一个稳定水平，使得农作物生长在稳态环境，通过维持良好的生长环境来保证农作物的水肥元素供给；根据农作物生长周期与水深的关系，动态的调整水深，在调整过程中，水田需要排出水肥残液时，将水肥残液通过回收管道回收，如在水稻成熟期前7-12天，水田需要进行排水，在7-10天排干明水，在回收排出水肥溶液之后，通过探地雷达检验管道残留，若存在管道残留，打开高压阀释放纯水进行冲刷，使水肥残液及其中物质被完全回收；

15、进一步的，在步骤s2中，将水肥回液进行过滤并重新沤制；首先对回液进行物理过滤，剔除不可溶杂质，再通过滤芯吸附，二次过滤；回液进行过滤后，得到不含杂质的纯净回液，包含一定量的元素，检测元素含量，确定当前回液中各元素含量，并按照水肥标准元素浓度重新添加各元素物质，控制温度和湿度，重新沤制水肥溶液，并设置搅拌时间；控制输料管道阀门向沤制池排放沤制原料，水肥回液中含有一定量元素，再次添加原料进行沤制，按照设定的原料比例进行排放，使得重新沤制的水肥溶液中各元素浓度符合标准，如沤制茶树所用水肥溶液，根据当前水肥回液中元素含量，减少花生麸添加量并重新进行沤制；

16、进一步的，在步骤s3中，设置运输管道，排布滴灌喷头位置，减少重叠区域，具体步骤如下：

17、s301、确定水压和距离关系，计算距离总出水阀距离的各点水压hi；

18、

19、其中h是水肥溶液出口的水压，水压可通过加压阀加压变化，hj是输送管道出水口至用水点部分压力损失之和，γ是局部损失，通常取30～40pa/m，l是出水口至用水点的管道长，

20、s302、水压与流速关系，流速和滴灌面积，确定每个喷头灌溉面积大小；每个滴灌喷头的面积可由下式确定：滴灌作用需要时间，外界因素对其浇灌面积影响较大，将影响因素拟合进入公式，且滴灌范围与水压和流量相关，水压越小，流量越小，滴灌范围越小，滴灌面积如下：

21、

22、其中si是每个滴灌喷头的灌溉面积，单位是hm2，∝是滴溉水利用系数，滴灌方式对水肥溶液利用率高，该系数常值要高于灌溉等方式的水利用系数，fi是可供流量，单位是m3/h立方米每小时，可供流量与水肥溶液水压相关，t是每日供水时间，h/d，代表农场每日进行滴灌的时间，iw是设计供水强度，由三个变量影响，iw＝cw-pw-ew，cw是设计耗水强度，该数据在设计初拟定，通常与农田耕作量相关，单位是mm/h，pw是有效降雨量mm/h，该数据代表农田区域日均降雨量，ew是蒸腾强度mm/h，代表该区域每日水蒸发强度，其中可供流量计算方法如下：

23、

24、带入得到每个滴灌喷头的滴灌面积

25、

26、sc是运输管道截面面积，pi是管道内压强，随着水压的衰减，管道内不同处压强也不相同，hi是该点水压，距离水肥溶液出水阀门越远，水压越低，g是重力加速度，可根据农田地理位置提高重力加速度的精度，ρ是密度，随着水肥溶液的种类而变化；滴灌有效面积由众多因素影响，在进行计算时，水肥溶液密度和设计供水强度通常选取数据的最低值进行计算，以适应各种环境条件，达到滴灌效果；

27、s303、滴灌喷头浇灌区域呈圆型，灌溉面积si同时等于一个滴灌半径ri的圆的面积，水压随着距离逐渐衰减，远点的滴灌喷头滴灌半径ri小于近点，沿着铺设运输管道，在架设点附近设置滴灌喷头，使得滴灌喷头能够覆盖所有区域，同时使得重叠灌溉区域最小，循环贪心算法来生成多套滴灌喷头位置解决方案，同时选择重叠区域最少部分的作为整体最优解；

28、s303_1、将灌溉区域划分为n1块，每块划分区域面积大小为整块灌溉区域的n1的初始取值从较小正整数开始取，通常为3～5；

29、s303_2、在每个划分区域找寻最优解，即最少圆能够覆盖所有划分区域，每个划分区域包含一段运输管道，在划分区域运输管道线路上确定圆心，按照运输方向取圆心，ri为半径，直到覆盖该划分区域，在进行区域划分后，计算量降低，可通过贪心方法得到每个区域的局部最优解；合并所有局部最优解，作为划分条件n1情况下的喷头位置解决方案；

30、s303_3、再次划分为n2个区域，每块划分区域面积大小为整块灌溉区域的重复步骤s303_2；

31、s303_4、在划分ni个区域时，若每块划分区域不超过最远距离的滴灌喷头的覆盖面积，停止循环；比较每次划分情况下的解决方案，选出最优解作为最后的整体最优解决方案，选出重叠区域面积最小的解决方案作为最终方案。

32、s4、在滴灌重叠区域加装纯水喷头，根据重叠区域水肥浓度进行纯水稀释喷洒；在滴灌重叠区域，植株被重复滴灌，水肥浓度大于需求，在进行水肥滴灌的同时进行纯水喷洒以稀释水肥，避免水肥浓度过高灼烧作物根茎，在滴灌重叠区域设置小型纯水喷头，通过喷洒来缓释水肥浓度，通过设置稀释喷头的位置，对滴灌重叠区域进行覆盖，设置可转向稀释喷头，设定喷头定向喷洒时间，以适应重叠区域狭长的特点，使得稀释效果均衡，设置稀释喷头的滴灌策略：

33、s401、确定重叠区域位置，建立坐标系，并根据s3，在坐标系中画出重叠区域，得到重叠区域面积sc，被重复滴灌的范围重叠区域处于至少两个滴灌喷头滴灌区域，按照被滴灌次数细化划分重叠区域，被滴灌次数等于滴灌喷头数量，设定为r，则滴灌物质富余量为水肥浓度*iw*(r-1)*t；为稀释水肥，稀释喷头滴灌强度数值上等于iw*(r-1)，供水时间为t，

34、s402、将稀释喷头设置在重叠区域中心，根据重叠区域距离，设定滴灌喷头转动时间和转动角；重叠区域个角度位置和面积确定，稀释喷头扩散角为θ1，是一个定值，设每次转动角度为θ2，角度大小可自行设定，角度设定越小，则喷灌作业的精度越高，每次转动辐射的角度为θ1+θ2，在坐标系中确定每次辐射角度对应的面积sq，根据面积大小来设定每次转动的时间，重叠区域边界是圆弧状，设定供水时间t内稀释喷头共转动了n圈，则每次转动θ1+θ2角度的时间

35、

36、面积小转动时间短，面积大转动时间长；

37、s403、随着转动角度动态调整稀释喷头水压，根据重叠区域该角度下，重叠区域最远距离，设定喷头，使得喷头能够喷洒覆盖重叠区域，喷灌距离由水压、喷嘴直径和喷头种类等决定，喷头的高度值为h若该角度下重叠区域最远距离为fa，则

38、

39、其中hi是稀释喷头处水压，具体计算公式如s301,ρ是水的密度；稀释喷头水压可变，通过控制水压变化来提高或降低喷头喷灌距离。

40、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

41、本发明通过设置水肥农业回收机制，确保了水肥对水田植株的正向营养补给作用，同时回收了水田和管道的残余水肥，使得水田植株生长最优化，减少了水肥对管道的影响，延长了管道设施使用寿命，并重新过滤配置回液，重制成可用水肥溶液，实现了水肥残余的再次利用，并合理设置滴灌区域和滴灌喷头位置，最小化了滴灌重叠区域，并设置稀释管道和喷头，使得重叠区域水肥浓度回归正常。