CN102487761A - 基于纤维束的节水灌溉系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于灌溉技术领域，涉及一种基于纤维束的节水灌溉系统，2～5条主管互相平行与水箱的侧壁连接，每条主管的两侧均有3～30个L形的连通管，连通管的水平端通过三通接头与主管连接，连通管的竖直端与灌溉单元的作物容器底部连通，灌溉单元中，支架置于温室地面上，作物容器置于支架上，纤维束在作物容器内插入连通管，纤维束在作物容器内纤维束头向下插入L形连通管的竖管，纤维束的圆柱形纤维束体竖直埋在至物容器内的栽培土中，纤维束的上端伸至物容器内栽培土高度的1/3～1/2处，作物栽在作物容器内的栽培土中。本发明在水源充足的情况下可免去人工，自行吸灌，主要适用于盆景、花草等温室盆栽作物灌溉。

Description

基于纤维束的节水灌溉系统

技术领域

本发明属于灌溉技术领域，特别涉及一种基于纤维束的节水灌溉系统。

背景技术

我国是严重缺水的国家，而且水资源时空分布很不均匀，用水方式也很不合理。我国消耗的淡水资源70％是农业用水，而农业用水中的90％又是灌溉用水，因此在我国发展节水灌溉是很重要的。在水资源严重紧缺的状况下，温室植物生产中，温室灌溉大水大肥粗放管理的现象仍很普遍，导致温室种植成本增加，温室节水发展迫在眉睫。

对于作物的灌溉调控不够细致，现在智能化高的灌溉系统成本高，成本低的灌溉系统灌溉效果不好，浪费也严重，亟需一种适用于盆景、花草等温室盆栽作物，新型高效，成本较低，适合大规模推广的智能节水灌溉系统。

发明内容

本发明的目的为，解决背景技术所述的适用于盆景、花草等温室盆栽作物，新型高效，成本较低，适合大规模推广的智能节水灌溉系统的问题，提供一种基于纤维束的节水灌溉系统，其特征在于，2～5条主管2互相平行与水箱1的侧壁连接，每条主管2的两侧均有3～30个L形的连通管5，连通管5的水平端通过三通接头4与主管2连接，连通管5的竖直端与灌溉单元3的作物容器303底部连通；所述灌溉单元3包括支架301、纤维束302和作物容器303，支架301置于温室地面上，作物容器303置于支架301上，作物容器303底部通过圆孔与连通管5的竖直端密封连通，在作物容器303内，纤维束302的纤维束头向下插入L形连通管5的竖管，纤维束302的圆柱形纤维束体竖直埋在至作物容器303内的栽培土中，纤维束302的上端伸至物容器303内栽培土高度的1/3～1/2处，作物304栽在作物容器303内的栽培土中；

所述水箱1的1个侧壁上设置1个具有刻度的水位高度显示器，水位高度显示器为1根竖直的透明管，透明管的上端和下端分别与水箱侧壁的顶部和底部连通；

所述纤维束302由尼龙细线结束而成，纤维束302的纤维束体为圆柱形，纤维束302的纤维束头为尖形或台阶形；

所述主管2、连通管5和三通接头4的材料为聚氯乙烯(PVC)；

所述支架301为钢制的三角支架。

本发明利用毛细原理来实现节水灌溉，通过纤维束自吸作用和管路的连通器原理，实现作物的自吸灌溉，达到节水效果。水箱1是基于纤维束的节水灌溉系统的总水源，水箱1向主管2和连通管5供水，主管2和连通管5中的水成为纤维束的吸水水源。纤维束2自动从连通管5吸水输送到土壤中。当土壤湿度达到足以给植物供水时，植物开始吸水。土壤湿度增大，植物的吸水速率也在增大。当土壤湿度增大到一定程度时，植物吸水速率和土壤自蒸发速率之和与纤维束吸水速率相等，这时候土壤湿度不再变化，实现自动灌溉。

本发明解决如下问题：

1.本发明解决了温室内土壤水分容易挥发与渗漏，大面积浇灌，耗水严重，达不到节水效果，容易生长杂草，且相对湿度过高致使作物容易滋生病虫害的问题，并实现节水灌溉。

2.采用滴头、渗灌管等多种微灌灌水器容易发生堵塞，导致设备使用寿命缩短或报废。本发明采用纤维束的毛细现象从水源吸水，不易堵塞且结构简单，使用寿命长。

3.可以使盆栽土壤中的水分含量保持稳定，达到灌溉自平衡，能够实现精确调控土壤水分含量，以满足和适应植物的不同生长时期对水分的需要，促进植物生长。

4.可以直接在水源中添加无机肥料，而不会发生堵塞现象，实现水肥耦合灌溉。

本发明的有益效果为：

1.节水性能好。本发明与传统灌溉方式最大的区别就是它利用了土壤和纤维束的主动吸水能力，采用了被动灌溉方式，以往的灌溉都属于主动灌溉，人为的给土壤定量补给，容易产生过给，少给现象，本系统利用自身吸水能力从而不会发生渗漏浪费。由于灌溉由下至上，而不是由上至下，与以往的理念相差很大。自下而上的好处是可以大量减少水分蒸发量。

2.本发明铺设线路简单，易于拆卸安装，给维修和调整制造了便利。

3.纤维束的生产成本低，其余部件大部分可以由现有设施改装，由于被动灌溉，不需要大型水泵和精密的电子控制设备，成本低廉。

4.本发明结构不复杂，没有特别狭窄的管道和易损的精密部件，工作稳定。

5.操作简单，调节灵活，自动化程度高。

6.现有的温室灌溉系统要套用不同作物时，必须采用不同的方案来实现灌溉，加大了使用成本，本发明可实现一套灌溉系统套种不同作物。

7.本发明能长期将土壤湿度保持在某一值上，植物吸收了多少水，纤维束就从水源往土壤里补多少水，节水节能，也促进了植物的生长，不会发生易涝易旱的现象。

附图说明

图1为基于纤维束的节水灌溉系统实施例的示意图；

图2为灌溉单元示意图；

图3A为尖形纤维束形态示意图；

图3B为台阶形纤维束形态示意图；

图4为纤维束空腔形态示意图；

图5为毛细管的弯月面液面示意图。

图中，1--水箱，2--主管，3--灌溉单元，4--三通接头，5--连通管，301--支架，302--纤维束，303--作物容器，304--作物，305--纤维束空腔，306--尼龙细线。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细描述。

图1为基于纤维束的节水灌溉系统实施例的示意图，2条主管2互相平行与水箱1的侧壁连接，每条主管2的两侧均有20个L形的连通管5，连通管5的水平端通过三通接头4与主管2连接，连通管5的竖直端与灌溉单元3的作物容器303底部连通。如图2所示，灌溉单元3包括支架301、纤维束302和作物容器303，支架301置于温室地面上，作物容器303置于支架301上，作物容器303底部通过圆孔与连通管5的竖直端密封连通，在作物容器303内，纤维束302的纤维束头向下插入L形连通管5的竖管，纤维束302的圆柱形纤维束体竖直埋在至物容器303内的栽培土中，纤维束302的上端伸至作物容器303内栽培土高度的1/3～1/2处，作物304栽在作物容器303内的栽培土中。主管2、连通管5和三通接头4的材料为聚氯乙烯(PVC)，支架301为钢制的三角支架。

水箱1的1个侧壁上设置1个具有刻度的水位高度显示器，水位高度显示器为1根竖直的透明管，透明管的上端和下端分别与水箱侧壁的顶部和底部连通。

纤维束302由尼龙细线结束而成，纤维束302的纤维束体为圆柱形，纤维束302的纤维束头为尖形或台阶形，如图3A的尖形纤维束形态示意图和图3B的台阶形纤维束形态示意图所示。

本发明实际应用时，有两种情况：

情况一：纤维束的吸水效率低于土壤的吸水效率

在纤维束的吸水效率低于土壤的吸水效率时，土壤的最大湿度是由纤维束来决定的。静止足够长的时间后，土壤湿度最大能达到与纤维束中相同。纤维束足够粗时，纤维束的吸水速率很大，土壤湿度维持在一个定值。只要植物的吸水速率不超过这个值，土壤内湿度便不发生变化，植物吸水的同时，纤维束自动往土壤内输送同量的水。

情况二：纤维束的吸水效率高于土壤的吸水效率

纤维束的吸水效率高于土壤的吸水效率时，土壤的最大湿度限制于其本身。土壤湿度决定了植物的吸水速率，通过调控纤维束的吸水速率可直接调控土壤湿度，并间接地调控了供水量。下面讨论平衡条件。

1)纤维束的吸水速率设为P

2)土壤水的自蒸发速率设为V

3)植物的吸水速率设为S

P＝V+S时系统平衡。S由P和V共同决定，但是始终不超过植物的最大吸水速率，此时土壤湿度不变。理论上来说，当P＞V+S土壤水含量应当等于在土壤下端直接接触静止水源时土壤的最大水含量。植物的吸水速率S为一个上下浮动的值，所以土壤湿度也会相应缓慢上下浮动，但是整体来说整个系统处于一个自动平衡状态，相当于长时间少量持续灌溉。对于纤维束材料的选择，尼龙细线的优势是物理形态好，结构稳定抗压抗拉，在土壤的压力下不变形，水分吸收比布料要快，耐腐蚀。

如图3A和3B所示，纤维束302的纤维束头有两种形态，即尖形纤维束和台阶形纤维束，皆可以通过调节入水深度来调节吸水速率。入水深度越深，吸水能力越强，但当水没过纤维束最粗部位后，吸水能力不再变化。两种形态的区别是纤维束头为尖形的为平滑调控，纤维束头为台阶形的为分档位调控。

本发明的工作原理为，核心部件纤维束由尼龙细线结束而成，原理是利用，物理中的毛细现象。由尼龙细线结束而成的纤维束，毛细管为如图4所示的相邻的3条尼龙细线306之间的纤维束空腔305。毛细管中的水表面是一个弯月面，如图5所示，从而使其表面积增大，而一旦液面增大，水的表面张力和收缩作用，促使液面要恢复水平，于是使得毛管内水随之上升，以减少表面积，这样直到表面张力向上的拉引作用与管内升高的液柱重量达到平衡为止，管内的水才停止上升。这种使液体在管内上升的湿润力就是毛管力其值为：P＝σcosθ使水上升的作用力F为有效作力P乘以管之圆周长2π，即2πrσcosθ。H为平衡时的水柱高度，则平衡时重力为：F＝G＝πr²ρgH；当毛管力与重力相平衡时，毛管水上升达到最高，即2πrσcosθ＝πr²ρgH、H＝2σcosθ/rρg。式中：r为毛管半径m，ρ为液体的密度kg/m³，g为重力加速度m/s²，σ为液体的表面张力N/m，θ为弯月面与毛管之间的夹角。

本发明采用纤维束仿毛细管中的毛细现象，毛管愈细毛管力愈大，毛细上升高度愈高。因此尼龙细线越细，制造的空腔孔径越小，纤维束吸水能力越强。纤维束中的纤维束空腔，在相同容积下与普通毛细管相比截面的周长变大，所以吸水效率更高。

毛细现象广泛存在于生物学中，如动物的毛细血管，植物的根茎等。植物根部吸收的水分能够经由茎内维管束上升。由尼龙细线结束而成的纤维束，其实是对植物根系的一种仿生的人造根纤维束。人造根纤维束将水分吸收到土壤中，植物再从土壤中吸取水分。土壤不是唯一吸水介质，也可以通过吸水能力不同的介质来达到不同的灌溉效果。本发明是对植物根系的延伸，让植物可以从水源获取水分，不同于水培技术，该系统可以通过纤维束来间接调控给植物的供水量，所适用的范围亦更广。

本发明在水源充足的情况下可免去人工，自行吸灌，节水、省时、省力，适用于盆景、花草等温室盆栽作物灌溉。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于纤维束的节水灌溉系统，其特征在于，2～5条主管(2)互相平行与水箱(1)的侧壁连接，每条主管(2)的两侧均有3～30个L形的连通管(5)，连通管(5)的水平端通过三通接头(4)与主管(2)连接，连通管(5)的竖直端与灌溉单元(3)的作物容器(303)连通；所述灌溉单元(3)包括支架(301)、纤维束(302)和作物容器(303)，支架(301)置于温室地面上，作物容器(303)置于支架(301)上，作物容器(303)底部通过圆孔与连通管(5)的竖直端密封连通，在作物容器(303)内，纤维束(302)的纤维束头向下插入L形连通管(5)的竖管，纤维束(302)的圆柱形纤维束体竖直埋在至作物容器(303)内的栽培土中，纤维束(302)的上端伸至物容器303内栽培土高度的1/3～1/2处，作物(304)栽在作物容器(303)内的栽培土中。

2.根据权利要求1所述的一种基于纤维束的节水灌溉系统，其特征在于，所述水箱(1)的1个侧壁上设置1个具有刻度的水位高度显示器，水位高度显示器为1根竖直的透明管，透明管的上端和下端分别与水箱侧壁的顶部和底部连通。

3.根据权利要求1所述的一种基于纤维束的节水灌溉系统，其特征在于，所述纤维束(302)由尼龙细线结束而成，纤维束(302)的纤维束体为圆柱形，纤维束(302)的纤维束头为尖形或台阶形。

4.根据权利要求1所述的一种基于纤维束的节水灌溉系统，其特征在于，所述主管(2)、连通管(5)和三通接头(4)的材料为聚氯乙烯。

5.根据权利要求1所述的一种基于纤维束的节水灌溉系统，其特征在于，所述支架(301)为钢制的三角支架。

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