CN101103694A - 基于渗透材料的微流量灌溉方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于渗透材料的微流量灌溉方法，涉及一种灌溉方法。本发明包括下列步骤：①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；②根据灌溉区域的降雨量P、土壤的蒸发量E、植被的蒸发量E_v，计算需要灌溉的输水量Q＝E+E_v－P；③人工控制阀门(30)，根据计算结果进行灌溉。本发明结构简单；降低了土壤表面的水分蒸发和下渗无效灌溉损失，节约了灌溉用水；灌溉均匀；实施起来方法灵活、简单。适用于农业、园林、林业等涉及水量自动控制的灌溉领域。

Description

基于渗透材料的微流量灌溉方法

技术领域

本发明涉及一种灌溉方法，尤其涉及一种基于渗透材料的微流量灌溉方法。

背景技术

传统的灌溉技术主要有：漫灌、浇灌、喷灌、滴灌、微灌、渗灌等灌溉技术和基于土壤吸力、土壤变化、生物形态等特征的自动控制技术合成为自动灌溉方法，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。采用漫灌、浇灌、喷灌、滴灌等技术都会导致水分下渗，浪费了一部分水资源；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、技术简单、可以大规模利用的自动控制灌溉方法。

综上所述，传统灌溉技术有以下缺点：

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。

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技术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，而提供一种基于渗透材料的微流量灌溉方法。该方法是一种简单、有效的节水灌溉方法，而且是一种能在常规灌溉方法的基础上完成的方法，成本低廉，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：

灌溉方法已经成为一种广泛使用的植被培植和绿化的方法；各种灌溉方法已被广泛应用于市政、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。

本发明包括下列步骤：

①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，如图1所示；

②根据灌溉区域的降雨量P、土壤的蒸发量E、植被的蒸发量E_v，计算需要灌溉的输水量Q＝E+E_v-P；

③人工控制阀门(30)，根据计算结果进行灌溉。

所述的步骤②，具体地说：

根据灌溉区域的降雨量、土壤的蒸发量、植被的蒸发量，由式1、2计算需要灌溉的输水量是

Q＝E+E_v-P    (1)

Q-灌溉区域的单位面积需要的平均输水量或灌溉强度；

E-单位面积上植物生长期间土壤的最大蒸发量；

E_v-单位面积上植物生长期间植被的最大蒸发量；

P-灌溉区域单位面积的平均降雨量；

灌溉管网输水量计算方法：

Q＝nQ_g    (2)

Q_g-灌溉管路的单位长度t时间内的输水量；

n-计算灌溉面积范围内管路的长度。

③根据式3计算的流量确定管内压力和灌溉时间；

Q_g＝k×(P_in-P_out)/h×A×t    (3)

Q_g-灌溉管路的t时间内的输水量。

k-渗透材料的渗透系数；可有孔隙直径计算得到或试验直接测得(单位m/s)；

A-管单位长度的中径面积；(单位m²)

P_in-管内的孔隙水压力(单位m，压力水头单位)；

P_out-管外的孔隙水压力(单位m，压力水头单位)；

h-灌溉管路厚度(单位m)；

t-管路输水时间；时间可以为间段性质的，一般设定为连续灌溉。

本发明的工作原理：

在土壤(10)中埋入由管路(20)组成的灌溉管网，管内和管外存在压力差时，管路(20)的水分就会按照一定的比例流入灌溉区域。本发明主要针对植物生长期间土壤水分不平衡的问题，用管路(20)补充水量不平衡的部分，实现植被生长的水量平衡，提供适合植被生长的环境。通过控制管路(20)内的压力和灌溉时间可实现水流量的控制。当管路(20)内水压力较大时，水流量输送情况如图3所示，当管路(20)内水压力较小时，水流量输送情况如图4所示。该方法满足植物干旱气候和植被需水量大的条件下的灌溉，保持土壤水分在植被适合的范围内。

本发明主要利用多孔介质材料的渗透性原理，利用管路(20)内、外的压力差别，即管外土壤(10)中的压力主要取决于管路(20)与土壤(10)的材料性质。例如：亲水且接触良好时，孔压为负值；管路(20)与土壤(10)接触不紧密处，孔压为0。

本发明具有下列优点和积极效果：

①本发明结构简单，只需要采用管路(20)在土壤(10)中布设灌溉管网即可，不需要安装额外的滴灌装置或渗灌装置；尤其采用成品管路(20)直接设计，使成本控制容易，可形成低廉的灌溉系统；

②灌溉管网埋在地表以下，降低了土壤表面的水分蒸发和下渗无效灌溉损失，节约了灌溉用水；

③灌溉均匀，即灌溉区域的灌溉效果比较均衡；

④使用灌溉时间和灌溉水压力双重控制灌溉量，控制土壤的含水率在适合植被生长的范围，实施起来方法灵活、简单。

本发明适用于农业、园林、林业等涉及水量自动控制的灌溉领域。

附图说明

图1是本发明的灌溉管网示意图；

图2是管路(20)的结构图；

图3是管路(20)内水压力较大时水分输送情况示意图；

图4是管路(20)内水压力较小时水分输送情况示意图；

图5是管路(20)内水分供给量随水压力变化曲线图。

其中：

10-土壤：

20-管路，一种多孔渗透材料管路；

21-骨架，由透水或半透水管材构成；

22-外管，是一种多孔渗透材料外管；

23-透水空间；

30-阀门；

40-水源。

X-管内压力；Y-水分供给流量；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、关于管路(20)

1)管路(20)的结构

如图2，管路(20)的结构是：其横截面，从内向外，依次为透水空间(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)是一种多孔渗透材料外管。

2)多孔渗透材料

多孔渗透材料可选用粘土、土工布、棉麻、细砂、水泥砂浆、陶瓷(如：瓦管、粘土砖等)、多孔橡胶、玻璃细颗粒等单独形成外管(22)或按照一定的比例形成外管(22)。主要的几种利用方式如下：

*粘土材料，比例10％～99％，土颗粒平均粒径为1μ～1000μm，土颗粒通过土工布或其他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、碳纤维、玻璃纤维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％；其渗透系数控制在10^-3cm/s～10^-9cm/s，又以10^-4cm/s～10^-6cm/s为最佳范围。

*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。

*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。可添加纤维类材料增加管外壁的韧性。

*采用棉麻纺织形成致密管，能够保持较大的透水性水管。

*多孔橡胶，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。

以上材料的几种或全部按比例配合，可形成坚韧且带一定柔度的多孔管路(20)，渗透系数控制在10^-3cm/s～10^-9cm/s之间即可。

管路(20)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。

2、关于步骤①：

灌溉管网的布设方式可以多种多样，例如图1给出了一种管路布置情况；对于微流量灌溉，管路直径要求不高，一般大于1cm即可以；对于主输水管道，需要采用管路设计手册进行设计，满足灌溉流量情况下的水头损失不要太大(控制水头损失在0.1～5m水头范围内)。管的埋深一般要求在1cm～300cm深度范围内，根据植被根部深度确定管网的埋深，例如：草本要求管路的深度较浅，而树木要求的深度较大。

3、关于步骤②：

灌溉区域内的降雨量、蒸发量可以查阅当地气候资料，植被蒸发量根据植被生长过程的需水量变化情况，设计管路时，取最大的蒸发量进行设计，多余的水分会蒸发掉。

管路设计中，管壁材料的渗透系数由厂家提供或由试验确定，一旦管路确定后，管内压力与时间P_in、t就确定为定值了，P和t的选择随当地实际情况确定。一般通过控制管内压力实现灌溉，时间确定为全程灌溉，管内压力与输水量的关系如图5所示。

遇到特殊天气，例如干旱，则需要增加水源压力或灌溉时间，若为雨季，则降低水源压力和灌溉时间就可以控制整个灌溉系统了。

4、关于步骤③

通过阀门(30)接入水源(40)，其中阀门(30)可为减压阀门或增压阀门等压力调节阀门，调节灌溉管内的水压力，通过控制压力实现全程灌溉；或采用普通阀门通过调整开关时间实现灌溉系统的正常运行。

Claims (2)

1.一种基于渗透材料的微流量灌溉方法，其特征在于包括下列步骤：

①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；

②根据灌溉区域的降雨量P、土壤的蒸发量E、植被的蒸发量E_v，计算需要灌溉的输水量Q＝E+E_v-P；

③人工控制阀门(30)，根据计算结果进行灌溉。

2.按权利要求1所述的基于渗透材料的微流量灌溉方法，其特征在于：

管路(20)的结构是：其横截面，从内向外，依次为透水空间(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)是一种多孔渗透材料外管。

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