CN103583315B - 应用于农业灌溉的负压调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于农业灌溉的负压调节装置。包括：U形管以及负压调节管，在U形管的两侧管壁，分别开设有第一及第二连通孔，且第一连通孔位于第二连通孔上方；负压调节管的一端通过第一连通孔伸入U形管左侧管内，另一端通过第二连通孔连通伸入U形管右侧管内；U形管的左侧管与外部储水器相连通，U形管的右侧管与大气相通，U形管及负压调节管内充注有液体，在储水器充盈待灌溉水时，U形管内充注的液体液面高出第二连通孔而低于第一连通孔，与储水器相连通的U形管的左侧管内的气体压强与U形管内充注的液体高度差产生的压强之和等于大气压，且U形管的左侧管内的液面高度最高不高出第一连通孔。应用本发明，可提高灌溉水的利用率。

Description

应用于农业灌溉的负压调节装置

技术领域

本发明涉及农业灌溉技术，特别涉及一种应用于农业灌溉的负压调节装置。

背景技术

农作物在生长发育过程所蒸腾掉的水分往往是其自身生物量的数百倍甚至数万倍，而土壤往往难以提供农作物生长发育所必需的水分。因此，在现代农业生产过程中，通过灌溉给土壤补充水分，继而满足农作物对水分的需求是必不可少的农事活动。

现有技术中，调控农作物生长土壤水分状况的基本手段是灌水，而且每两次灌水之间总有一定的时间间隔，是一种脉冲式的灌水方式。在此过程中，土壤水分含量呈现出脉冲式的变化，即土壤含水量突然跃升至饱和状态，然后逐渐降低。由于农作物在不同的生长阶段，对土壤水分条件的需求不同，而采用脉冲式的灌水方式，只有部分阶段的土壤水分条件是适合农作物的。因而，在土壤水分的高含量阶段，非常容易因为水分含量过高而对农作物产生湿害或涝害，而在土壤水分的低含量阶段，又非常容易产生干旱胁迫和养分匮乏胁迫，导致减产、品质变劣，甚至死亡。以上问题在旱地上和设施农业中尤其突出。尽管以上问题在现代微灌技术得到了很大抑制，但是即使是现代微灌技术，也还无法十分精准地即时了解农作物对水分的需求，真正做到因需供水。生产经验和科学研究均表明，除了水生植物外，旱地农作物生长发育的最佳水分条件是比饱和含水量低的某个非饱和水分状态，而且当农作物吸水后会导致根系周围的水势下降，进一步引发裉系周围远处的水分向根系周围移动，以图维持根系水势不下降，也就是说农作物对于维持根系周围土壤水分状态具有一定的主动性。然而，在目前的灌水技术中，土壤和农作物是被动式接受灌溉水的，农作物的主动性没有得到利用。

图1为现有技术灌水系统的结构示意图。参见图1，该灌水系统包括：灌水头101、储水器102以及负压室103，其中，

灌水头101，位于灌水系统底部，与储水器102相连，放置于土壤106中生长有农作物根系107的位置；

储水器102，位于灌水系统中部，一端与灌水头101相连通，另一端与负压室103相连通，用于存放灌溉水104；

负压室103，位于灌水系统顶部，下与储水器102相连通，其内充满预设气压和体积的空气，使得包含预留空气的气压的灌水头的水势高于使农作物生长旺盛对应的土壤水势，小于土壤处于田间持水量时的土壤水势。其中，预设气压可通过设置负压调节阀108进行设置，即通过负压调节阀108，可以设置负压室内空气的初始气压(预设气压)。这样，通过设置负压室，控制灌水头水势，在天气干燥时，土壤水势较小，灌水头水势高于农作物生长旺盛对应的土壤水势，储水器中的灌溉水通过灌水头流出至土壤，从而给农作物提供生长所需的水分；在下雨或土壤湿度较大时，土壤水势较高，灌水头水势低于田间持水量时的土壤水势，土壤中的水分通过灌水头流进至储水器，从而停止向农作物供应水分，避免水分的流失。有效地提高了水分的利用率。

由上述可见，现有的灌水系统，灌水头水势与负压室预留的空气气压、体积以及储水器中灌溉水产生的水势相关，并随着灌溉水体积的减小，灌水头水势也逐渐降低，这样，可能使得储水器中还具有一定灌溉水的情况下，灌水头水势与土壤水势相平衡，从而停止向土壤供水，导致灌水时间较短，水分的利用率不高；进一步地，在平衡状态下，即储水器中还具有灌溉水的情况下，需要重新在储水器中灌注灌溉水以及设置预留空间以及预留空间内的空气气压，灌水所需次数较多，需要占用较多的时间和人力，使得灌水成本较高。而且，在灌水过程中，随着储水器中灌水量的较少，灌水头水势具有一定的波动，从而不能保证农作物一直生长在稳定的、最佳的土壤水分条件下。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提出一种应用于农业灌溉的负压调节装置，提高灌溉水的利用率。

为达到上述目的，本发明提供了一种应用于农业灌溉的负压调节装置，该负压调节装置包括：U形管以及负压调节管，其中，

在U形管的左右两侧管壁，分别开设有第一连通孔以及第二连通孔，且第一连通孔位于第二连通孔上方；

负压调节管的一端通过第一连通孔连通伸入U形管的左侧管内，另一端通过第二连通孔连通伸入U形管的右侧管内；

U形管的左侧管与外部储水器相连通，U形管的右侧管与大气相通，U形管以及负压调节管内充注有液体，在所述储水器充盈待灌溉水时，所述U形管内充注的液体液面高出第二连通孔而低于第一连通孔，与储水器相连通的U形管的左侧管内的压强与U形管内充注的液体高度差产生的压强之和等于大气压，且U形管的左侧管内的液面高度最高不高出第一连通孔。

较佳地，所述负压调节管的管径小于U形管的管径。

较佳地，所述第一连通孔处的U形管管径大于U形管其它处的管径，所述U形管其它处的管径相同。

较佳地，所述U形管的左侧管与外部储水器中灌溉水上端的第一负压室相连通。

较佳地，所述U形管的左侧管与外部储水器灌溉水中端的第二负压室相连通。

由上述的技术方案可见，本发明提供的一种应用于农业灌溉的负压调节装置，在U形管的两侧管壁，分别开设有第一及第二连通孔，且第一连通孔位于第二连通孔上方；负压调节管的一端通过第一连通孔伸入U形管的左侧管内，另一端通过第二连通孔连通伸入U形管的右侧管内；U形管的左侧管与外部储水器相连通，U形管的右侧管与大气相通，U形管及负压调节管内充注有液体，在储水器充盈待灌溉水时，U形管内充注的液体液面高出第二连通孔而低于第一连通孔，与储水器相连通的U形管的左侧管内的压强与U形管内充注的液体高度差产生的压强之和等于大气压，且U形管的左侧管内的液面高度最高不高出第一连通孔。这样，随着与负压调节装置相连通的外部储水器中灌溉水体积的减小，外部储水器下方的灌水头水势可以维持不变，从而使得储水器一直通过灌水头向土壤供水，直至灌溉水消耗完，延长了灌水时间，有效提升了灌溉水的利用率。

附图说明

图1为现有技术灌水系统的结构示意图。

图2a～图2c为本发明应用于农业灌溉的负压调节装置结构示意图。

图3为本发明第一实施例恒负压灌水系统结构示意图。

图4为本发明第二实施例恒负压灌水系统结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。

现有技术中，通过设置负压室，控制灌水头水势，使得灌水头水势高于农作物生长旺盛对应的土壤水势而低于田间持水量时的土壤水势，从而可以向土壤供水，但由于灌水头水势与负压室预留的空气气压、体积以及储水器中灌溉水产生的水势相关，并随着灌溉水体积的减小，灌水头水势也逐渐降低。这样，可能使得储水器中还具有一定灌溉水的情况下，灌水头水势与土壤水势相平衡，从而停止向土壤供水，导致灌溉水的利用率不高。

土壤水势是土壤具有的一种自然属性，即在绝大多数自然情况下，土壤养分在土壤中的移动依靠土壤水分作为介质，而土壤水分的移动由土壤水势所驱动，水分总是从势能高的地方流向势能低的地方。水分在土壤中依靠土壤水势的驱动，流向农作物根系，因而，水分能否向农作物根系流动，农作物能不能吸收到水分，完全取决于土壤与农作物之间的水势差，即土壤水势的高低，土壤水势越高，越能驱动土壤水分流向农作物根系。因而，如果能够控制并保持灌水头水势不随灌溉水的水位变化而变化，使灌水头水势能够大于农作物生长时的土壤水势而小于使得土壤含水量超过田间持水量的土壤水势。这样，由于灌水头水势维持在一个恒定的水势，不随储水器中灌溉水的变化而变化，从而能够使得在储水器中的灌溉水极少的情况下，灌水头水势仍能大于土壤水势，可以向土壤持续供水，直至灌溉水消耗完，有效提升灌溉水的利用率。

因而，本发明提出一种应用于农业灌溉的负压调节装置，通过维持灌水头恒定的水势，使得储水器中灌溉水体积的减小，不会影响灌水头水势，从而在天气干燥时，维持灌水头水势高于农作物生长旺盛对应的土壤水势，直至储水器中灌溉水供完，达到提高水分利用率的目的。

所应说明的是，本发明所述的负压，是相对于大气压而言，即低于大气压的气压。

图2a～图2c为本发明应用于农业灌溉的负压调节装置结构示意图。参见图2a～图2c，该负压调节装置包括：U形管21以及负压调节管22，负压调节管22分别连通U形管21的左侧管和右侧管。

具体来说，在U形管21的左右两侧管壁，分别开设有第一连通孔211以及第二连通孔212，且第一连通孔211位于第二连通孔212上方；

本发明实施例中，在左右两侧管壁分别开设第一连通孔211以及第二连通孔212，是指第一连通孔在左侧管上，第二连通孔在在右侧管上，并不是指左、右两侧管臂均有两个连通孔。

负压调节管22的一端通过第一连通孔211连通伸入U形管21的左侧管内，另一端通过第二连通孔212连通伸入U形管21的右侧管内；

U形管21的左侧管与外部储水器相连通，U形管21的右侧管与大气相通，U形管21以及负压调节管22内充注有液体，在所述储水器充盈待灌溉水时，所述U形管21内充注的液体液面高出第二连通孔212而低于第一连通孔211，与储水器相连通的U形管21的左侧管内的压强与U形管内充注的液体高度差产生的压强之和等于大气压，且U形管21的左侧管内的液面高度最高不高出第一连通孔211。

较佳地，负压调节管的管径小于U形管的管径。

买际应用中，在第一连通孔处的U形管管径，可以设置为大于U形管其它处的管径，U形管其它处的管径相同。

本发明实施例中，对于外部储水器灌溉水中端设置有负压限压阀的第二负压室的场景，由于负压限压阀存在以下缺点：如是机械式负压阀，容易漏气，负压控制不是很准确，不能直接读取负压值；如是电池式负压阀，则需要耗电，而且容易出故障，维护不方便，不适宜野外使用，而通过负压调节装置替换第二负压室上的负压限压阀，可精确进行负压控制，能够直接读取负压值，而且，无需耗电，不容易出故障，维护方便，适宜野外使用。因而，U形管的左侧管既可以与外部储水器中灌溉水上端的第一负压室相连通，也可以与外部储水器灌溉水中端的第二负压室相连通，下面分别进行说明。

所应说明的是，既可以通过将负压调节管两端分别置于第一连通孔和第二连通孔中，然后将负压调节管与U形管结合处的缝隙进行密封，从而实现连通，也可以是将负压调节管与U形管作为一体实现连通。

图3为本发明第一实施例恒负压灌水系统结构示意图。参见图3，该恒负压灌水系统包括：灌水头31、储水器32以及负压调节装置33，其中，

负压调节装置33包括：U形管21以及负压调节管22，其中，在U形管21的左右两侧管壁，分别开设有第一连通孔211以及第二连通孔212，且第一连通孔211位于第二连通孔212上方；负压调节管22的一端通过第一连通孔211连通伸入U形管21的左侧管内，另一端通过第二连通孔212连通伸入U形管21的右侧管内；

储水器32为密封的容器，存放有灌溉水321，灌溉水液面上方与储水器顶部之间形成负压室322，顶部开设有第三连通孔323，底部开设有第四连通孔324；

U形管21的左侧管通过第三连通孔323连通伸入负压室322内，U形管21的右侧管与大气相通；

灌水头31通过第四连通孔324与储水器32底部相连通，放置于土壤中生长有农作物根系的位置；

负压室322内充满预设压强和体积的空气，使得灌水头的水势高于使农作物生长旺盛对应的土壤水势，小于土壤处于田间持水量时的土壤水势；

所述预设压强与U形管内充注的液体高度差产生的压强之和等于大气压，且U形管的左侧管内的液面高度最高不高出第一连通孔211。

本发明实施例中，负压室与左侧管连通，初始状态时，储水器内充满有灌溉水，负压室内的压强与U形管内充注的液体高度差产生的压强之和等于大气压。

随着灌溉时间的逐渐增加，储水器内灌溉水液面下降，负压室内空间增大，压强减小，负压室内的压强与U形管内充注的液体高度差产生的压强之和小于大气压，由于右侧管连通大气，因而，驱动左侧管内液面上升，右侧管内液面下降，直至负压室内的压强与U形管内充注的液体高度差产生的压强之和等于大气压，从而维持动态平衡。

当右侧管内液面下降至低于第二连通孔下缘时，右侧管内的液体与负压调节管内的液体被大气隔开，此时，负压室内的压强与负压调节管内的液体高度差产生的压强之和仍等于大气压，维持着动态平衡。随着储水器内灌溉水液面的继续下降，负压室内压强进一步减小，由于负压调节管内的液体被大气隔开，液体高度差保持恒定，如果负压室内的压强与负压调节管内的液体高度差产生的压强之和小于大气压，这样，在大气压的驱动下，负压调节管内的液体沿负压调节管上升，并通过第一连通孔延伸的管头注入左侧管内。随着负压调节管内的液体注入左侧管，负压调节管内的液体高度差越来越小，使得大气压驱动负压调节管内的液体更快地注入左侧管，在负压调节管内的液体全部注入左侧管后，由于左侧管内的液面高度最高不高出第一连通孔211。因而，负压室、左侧管液面上部空间、负压调节管与大气形成连通，大气通过负压调节管、左侧管液面上部空间进入负压室，使得负压室内压强增大，增大的压强既可以驱动储水器中的灌溉水通过施肥头进入土壤，也可以驱动左侧管内的液面下降，从而使得右侧管内的液面上升，直至右侧管内的液面上升高出第二连通孔，从而隔断大气进入负压室的通路，并使左侧管液面、负压调节管液面以及右侧管液面达到新的动态平衡，负压室内的压强与U形管内充注的液体高度差产生的压强之和等于大气压。

之后，当储水器中的灌溉水继续下降时，再次形成左侧管内液面上升；右侧管内的液体与负压调节管内的液体被大气隔开；负压调节管内的液体通过第一连通孔延伸的管头注入左侧管内；负压室、左侧管液面上部空间、负压调节管与大气形成连通；右侧管内的液面上升高出第二连通孔的流程，如此循环往复。

为了能够更好地使得负压调节管的出水流入U形管，较佳地，负压调节管的管径小于U形管的管径。

实际应用中，为了有效减小大气压驱动负压调节管内的液体快速注入左侧管对管壁造成的水压冲击，在第一连通孔处的U形管管径，可以设置为大于U形管其它处的管径，U形管其它处的管径相同。

实际应用中，通过在初始状态时，设置U形管的右侧管内液面稍高出第二通孔上缘。这样，在灌溉水位下降，负压室内压强减小，大气压驱动U形管的右侧管内液面低于第二通孔下缘时，负压室与大气连通，使得负压室内压强上升，从而关断负压室与大气的连通通路。因而，随着灌溉水体积的减小，灌水头水势只在较小压强变化范围内波动，从而使得储水器可一直通过灌水头向土壤供水，直至灌溉水消耗完，延长了灌水时间，有效提升了灌溉水的利用率。而且，相对于采用机械装置维持灌水头水势的情形，结构更简单、调节更方便。

图4为本发明第二实施例恒负压灌水系统结构示意图。参见图4，该恒负压灌水系统包括：灌水头41、储水器42、负压调节装置33、第二负压室44以及连通管45，其中，

负压调节装置33包括：U形管21以及负压调节管22，其中，在U形管21的左右两侧管壁，分别开设有第一连通孔211以及第二连通孔212，且第一连通孔211位于第二连通孔212上方；负压调节管22的一端通过第一连通孔211连通伸入U形管21的左侧管内，另一端通过第二连通孔212连通伸入U形管21的右侧管内；

储水器42为密封的容器，存放有灌溉水421，灌溉水液面上方与储水器顶部之间形成有空气的第一负压室422，下部开设有第三连通孔423，底部开设有第四连通孔324；

连通管45的一端通过第三连通孔423伸入储水器42内，另一端通过开设在第二负压室44侧壁上的通孔伸入第二负压室44内；

灌水头41通过第四连通孔424与储水器42底部相连通，放置于土壤中生长有农作物根系的位置；

U形管21的左侧管通过开设在第二负压室44顶部的通孔连通伸入第二负压室44内，U形管21的右侧管与大气相通；

第一负压室422内充满预设压强和体积的空气，使得灌水头的水势高于使农作物生长旺盛对应的土壤水势，小于土壤处于田间持水量时的土壤水势；

所述第二负压室44内压强与U形管内充注的液体高度差产生的压强之和等于大气压，且U形管的左侧管内的液面高度最高不高出第一连通孔211。

本发明中，第一负压室422内的压强与储水器至连通管45处的水压之和等于第二负压室44内压强。

本发明中，在灌溉水液面下降时，第一负压室内容积增大，气压下降，同时，灌溉水液面至连通管之间的灌溉水水势下降，使得第一负压室至连通管之间的压强下降，而第二负压室内压强保持不变，因而，在压差的作用下，第二负压室内的空气通过灌溉水进入第一负压室内，从而使得第二负压室内压强减小，并驱动与之连通的U形管的左侧管内液面上升，右侧管内液面下降。当右侧管内液面下降至低于第二连通孔下缘并在负压调节管内的液体全部注入左侧管后，第二负压室、左侧管液面上部空间、负压调节管与大气形成连通，大气通过负压调节管、左侧管液面上部空间进入第二负压室，使得第二负压室内吸入空气，压强增大，吸入的空气进入灌溉水，通过灌溉水上升至第一负压室内，使第一负压室内空气气压升高，第一负压室内至连通管之间的水势上升，从而维持第一负压室内至连通管之间的水势恒定。同时，第二负压室内增大的压强还可以驱动左侧管内的液面下降，从而使得右侧管内的液面上升，直至右侧管内的液面上升高出第二连通孔，从而隔断大气进入第二负压室的通路，并使左侧管液面、负压调节管液面以及右侧管液面达到新的动态平衡。

与图3不同的是，图4中第二负压室内的压强，不仅与灌溉水位下降相关，也与灌溉水位下降引起的第一负压室容积增大导致压强下降相关。而图3中，第一负压室内压强仅仅与容积增大导致压强下降相关。负压调节装置的工作状态，又与第二负压室内的压强或第一负压室内压强相关，因而，相对来说，图4的控制精度会更好，控制会更灵敏。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种应用于农业灌溉的负压调节装置，其特征在于，该负压调节装置包括：U形管以及负压调节管，其中，

在U形管的左侧管壁，开设有第一连通孔，在U形管的右侧管壁，开设有第二连通孔，且第一连通孔位于第二连通孔上方；

负压调节管的一端通过第一连通孔连通伸入U形管的左侧管内，另一端通过第二连通孔连通伸入U形管的右侧管内；

U形管的左侧管与外部储水器相连通，U形管的右侧管与大气相通，U形管以及负压调节管内充注有液体，在所述储水器充盈待灌溉水时，所述U形管内充注的液体液面高出第二连通孔而低于第一连通孔，与储水器相连通的U形管的左侧管内的气体压强与U形管内充注的液体高度差产生的压强之和等于大气压，且U形管的左侧管内的液面高度最高不高出第一连通孔。

2.如权利要求1所述的负压调节装置，其特征在于，所述负压调节管的管径小于U形管的管径。

3.如权利要求2所述的负压调节装置，其特征在于，所述第一连通孔处的U形管管径大于U形管其它处的管径，所述U形管其它处的管径相同。

4.如权利要求1至3任一项所述的负压调节装置，其特征在于，所述U形管的左侧管与外部储水器中灌溉水上端的第一负压室相连通。

5.如权利要求1至3任一项所述的负压调节装置，其特征在于，所述U形管的左侧管与外部储水器灌溉水中端的第二负压室相连通。