CN101112169A - 基于输水量自动控制材料的灌溉系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于输水量自动控制材料的灌溉系统，涉及一种灌溉系统。本发明采用管路(20)在土壤(10)中布设灌溉管网，灌溉管网的终端通过阀门(30)与水源(40)连通；所述管路(20)的结构是：其横截面，从内向外，依次为内管(23)、骨架(21)和外管(22)；所述的骨架(21)由透水或半透水管材构成；所述的外管(22)是一种输水量自动控制材料外管；所述的内管(23)或为中空结构的普通输水管；或为强透水材料形成的输水通道。本发明材料输水特性随植被土壤的含水率条件而变化；节约了灌溉用水；提供更适宜植被生长的环境；适合农业、园林、林业等涉及供水量自动控制的灌溉领域。

Description

基于输水量自动控制材料的灌溉系统

技术领域

本发明涉及一种灌溉系统，尤其涉及一种基于输水量自动控制材料的灌溉系统。

背景技术

传统的灌溉方法主要有：漫灌、浇灌、喷灌、滴灌、微灌、渗灌、负压灌溉等方法和基于土壤吸力、土壤变化、生物形态等特征的自动控制技术合成的自动灌溉方法。主要问题在于这些方法在灌溉植被的同时，在土壤表面形成了水表面或者高饱和度的土层，在自然条件下，水表面和土壤水分蒸发量较大，浪费了大量的水资源；另外的基于土壤吸力、植被形态、生长状况的自动控制技术成本较高，且节水效果不佳。传统的灌溉技术一旦出现损坏，需要人工修复。在我国水资源利用紧张、大部分地区缺水的背景下，需要成本低廉、节水效果好、自我修复、可以大规模利用的自动控制灌溉方法。

综上所述，传统灌溉方法有以下缺点：

1、传统的灌溉方法在灌溉植被的同时，在土壤表面形成了水表面或者高饱和度的土层，在自然条件下，水表面和高饱和土壤水分蒸发量较大，浪费了大量的水资源。

2、传统灌溉方法容易多灌溉，造成多余水分下渗进入植被影响范围以外，植被无法利用，浪费水资源。

3、漫灌、喷灌、滴灌、渗灌等工艺无法根据植被的生长状况控制灌溉水量，还需要人为的干预或者控制系统实现灌溉操作。

4、采用基于电子控制和土壤、植被信息的自动控制的灌溉系统，节水效果较好，但是成本很高。

如何节约水资源、提高灌溉的效率？如何根据植被需求解决灌溉问题？廉价可大规模利用的技术是节水灌溉方法需要解决的重要问题。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的上述缺点和不足，创新现有技术，扩大使用范围，而提供一种基于输水量自动控制材料的灌溉系统。该系统是一种简单、有效的节水灌溉系统，而且是一种能与常规灌溉系统同时完成的系统，无需维修，有利于提高水资源利用效率，有利于提供更适宜植被生长的环境。

本发明的目的是这样实现的：

灌溉技术已经成为一种广泛使用的植被培植、绿化方法；各种灌溉方法已被广泛应用市政、园林、林业、农业等灌溉领域。目前，喷灌、滴灌、渗灌等技术的快速发展，为新灌溉方法的提出奠定了基础。

如图1，本发明的结构是：

采用管路(20)在土壤(10)中布设灌溉管网，灌溉管网的终端通过阀门(30)与水源(40)连通；

所述管路(20)的结构是：其横截面，从内向外，依次为内管(23)、骨架(21)和外管(22)；

所述的骨架(21)由透水或半透水管材构成。

所述的外管(22)是一种输水量自动控制材料外管；

输水量自动控制材料通过调整自动控制材料的配比、厚度可以实现水量供给的调整，控制土壤含水率的范围，适应植被的生长。材料的渗透系数控制在1×10^-3cm/s～1×10^-9cm/s范围内，材料的孔隙平均直径在0.1μm～1000μm之间，材料进气值控制在10～180kPa范围内，材料的厚度控制在0.1cm～50cm范围内。

所述的内管(23)或为中空结构的普通透水管，直径为0.1cm～100cm，可为方形、圆形、梯形等各种形状；或由强透水材料(如砂砾、排水板、导水纤维等材料)形成的输水通道。

本发明的工作原理：

在土壤(10)中埋入本灌溉管网，在土壤(10)含水率变化时，土壤(10)的孔隙水压力发生很大的变化，由此带来管路(20)内外水压差的很大变化，带来管路(20)输水性能的几个数量级的变化，管路(20)迅速补充土壤(10)水分；土壤(10)水分比较充足时，管路(20)的输水能力降低甚至为不输水，这样管路(20)可以自动保证土壤中的水分在一定范围内。

本发明主要利用多孔介质材料的非饱和渗透性原理，利用管路(20)内、外的压力差别(管外土壤中的压力主要为负孔隙水压力)，界定输水量计算方法主要如下简化方法：

Q＝-k(P_外-P_内)/h×A

k-输水量自动控制材料的渗透系数；可有孔隙直径计算得到或试验直接测得；

A-管单位长度的中径面积；

P_外-管外土壤的孔隙水压力(满足植被正常生长需要的最佳含水率对应的的基质吸力，单位m，采用压力水头单位)；

P_内-管内水压力(接近与0，单位m，压力水头单位)；

h-为管外壁厚度

由此可以获得管路(20)流量和管外土壤(10)含水量之间的关系如图2所示。在管外土壤(10)含水率变化时，土壤的孔隙水压力变化非常大，导致水管的输水量变化可达几个数量级的变化，由此可以通过管壁的多孔介质材料性质达到控制土壤中的含水率在一定的范围内。

本发明具有下列优点和积极效果：

①材料输水特性随植被土壤的含水率条件而变化，在土壤干燥期间，材料输水性能增强，如图4所示；土壤潮湿期间，材料输水性能降低，如图5所示。从而实现植被灌溉的自动控制；可以保证管外土壤中的水分保持在适合植物生长的含水率范围内；

②管路(20)埋在地表以下，降低土壤(10)表面的水分蒸发和下渗无效灌溉损失，节约了灌溉用水；

③本发明使用材料输水特性随管外的土壤(10)含水条件变化而变化，从而实现水流量的自动控制，控制土壤(10)的含水率在适合植被生长的范围。无需额外的监测和自动控制设备，可控制植被根系周围土壤水分含量在一定范围内，提供更适宜植被生长的环境。

④由于管路(20)具有自我修复特性，适应性强，可以承受一定的局部压力和局部变形，不会断裂，即使断裂仍可保证水不会泄漏，从而大大降低管路(20)后期发生故障的几率和降低维护费用，使该灌溉系统一劳永逸。

本发明适合农业、园林、林业等涉及供水量自动控制的灌溉领域。

附图说明

图1是本发明的结构图；

图2是管路(20)的结构图；

图3是管路(20)内水分供给量随土壤含水率变化曲线图。

图4是管路(20)内在干旱期间水分输送情况示意图；

图5是管路(20)内在雨季期间水分输送情况示意图。

其中：

10-土层：

20-管路，一种输水量自动控制材料管路；

21-骨架，由透水或半透水管材构成；

22-外管，是一种输水量自动控制材料外管；

23-内管；

30-阀门；

40-水源。

X-土壤含水率；Y-水分供给量；F-变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

1、关于灌溉管网

采用管路(20)在土壤(10)中布设灌溉管网，灌溉管网的布设依植被的情况而定，可以多种多样，例如图1给出了一种灌溉管网的布设情况。

2、关于管路(20)

管路(20)对输水量自动控制材料的要求比较严格，严格控制材料的渗透性和厚度。

输水量自动控制材料主要有以下几种类型：

1)粘土材料，重量百分比为60％～99％，土颗粒平均粒径范围为1μ～1000μm范围，土颗粒通过土工布或其它棉麻布包裹或粘结剂粘结形成厚度0.05cm～10cm的土颗粒管；

土工布、棉麻织物等加筋材料的重量百分比为1％～40％；

粘结剂的重量百分比为0.01％～10％范围；

渗透系数控制在10^-3cm/s～10^-9cm/s范围之间，材料渗透系数以10^-4cm/s～10^-6cm/s为最佳范围。

2)粘土烧制管，例如：陶瓷管、粘土砖管(制作工艺同瓦管一致，不同在于控制孔隙平均直径)，控制管孔隙平均直径为1μ～1000μm范围，管壁厚度为1mm～100mm范围，保持一定的透水性；渗透性在10^-3cm/s～10^-9cm/s之间。

3)水泥管，原料为水泥和粉细砂，控制水管管壁的孔隙平均直径为1μ～1000μm范围，管壁厚度为0.05cm～10cm范围，控制水管的渗透性在10^-3cm/s～10^-9cm/s之间。

4)透水多孔橡胶管，控制多孔橡胶的渗透性在10^-3cm/s～10^-9cm/s，橡胶管壁厚度为0.05cm～10cm范围。

以上材料按比例配合，可形成坚韧且带一定柔度的多孔管路，渗透系数在10^-3cm/s～10^-9cm/s之间，输水并灌溉需要灌溉的区域。

管路的连接方式可以参考现有的管路连接方法，如胶带密封、橡胶连接，胶合、热合等工艺。

以上灌溉管的管壁厚度、材料渗透系数、直径选择参照公式1进行。Q选择平均需要灌溉量进行设计。

Claims (2)

1.一种基于输水量自动控制材料的灌溉系统，其特征在于：

采用管路(20)在土壤(10)中布设灌溉管网，灌溉管网的终端通过阀门(30)与水源(40)连通；

所述管路(20)的结构是：其横截面，从内向外，依次为内管(23)、骨架(21)和外管(22)；

所述的骨架(21)由透水或半透水管材构成；

所述的外管(22)是一种输水量自动控制材料外管；

所述的内管(23)或为中空结构的普通输水管；或为强透水材料形成的输水通道。

2.按权利要求1所述的灌溉系统，其特征在于输水量自动控制材料：

渗透系数控制在1×10^-3cm/s～1×10^-9cm/s范围内，材料的孔隙平均直径控制在0.1μm～1000μm之间，材料进气值控制在10～180kPa范围内，材料的厚度控制在0.1cm～50cm范围内。

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