CN106416965B - 一种维持恒负压灌水的方法 - Google Patents

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    • A01G29/00—Root feeders; Injecting fertilisers into the roots

Abstract

本发明的实施例公开一种维持恒负压灌水的方法。包括：设置包括贯通容器、多孔介质板以及U形容器的恒负压灌水设备，其中，贯通容器呈倒置的杯子形状，顶部设置有出气接口，出气接口与储水器底部相连通，底部敞口，储水器底部直接或者通过连接管与放置于土壤中生长有农作物根系位置的灌水头相通，多孔介质板一般粘贴固定在贯通容器的下部内侧壁上，多孔介质板与内侧壁的粘贴处密封，U形容器内能够放置贯通容器；利用恒负压灌水设备与储水器以及灌水头进行灌溉。应用本发明，可以确保负压灌溉持续稳定运转。

Description

一种维持恒负压灌水的方法
技术领域
本发明涉及农业灌溉技术，尤其涉及一种维持恒负压灌水的方法。
背景技术
农作物在生长发育过程中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，由于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。但该传统灌溉方式，灌溉水资源浪费较为严重，为了有效降低水资源的浪费，近10多年来，提出了一种新型灌水技术，即负压灌溉技术得到逐步发展和应用，该技术可以有效地抑制地表湿润导致的无效蒸发和地下渗漏导致的无效灌溉和养分流失，能够节省大量的人力和物力，从而极大地提高灌溉效率和水分生产率。
利用负压灌溉技术设计的负压灌溉系统一般包括：灌水器系统、储水器系统、负压发生系统等3个基本构件。其中，负压发生系统是能否实现负压灌溉的前提条件。目前，基本上有三种方法实现负压，第一种为水头差法，即将水源(储水器)放置在比向土壤输送水分的灌水器位置低的地方，但该方法，容易因为气体溢出而导致灌溉水断流，使得所形成的负压很少能达到-40kpa以下，且由于使用起来极为不方便，因此除了在实验室外，这种方法很少实际使用；第二种为爬升水柱法，利用一装有一定水量的封闭管子以形成一定高度的水柱，并且有根和外边联通的小管子插入到这个水柱的某个深度，其顶部空气腔连接到储水器，由于爬升水柱法体积庞大，实际使用起来也很不方便；第三种为液体负压阀方法。
图1是现有基于液体负压阀方法的负压灌溉系统结构示意图。参见图1，包括：灌水头11、储水器12、负压调节装置13、第二负压室14以及连通管15，其中，
负压调节装置13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12为密封的容器，存放有灌溉水121，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122，下部开设有第三连通孔123，底部开设有第四连通孔124；
连通管15的一端通过第三连通孔123伸入储水器12内，另一端通过开设在第二负压室14侧壁上的通孔伸入第二负压室14内；
灌水头11通过第四连通孔124与储水器12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14顶部的通孔连通伸入第二负压室14内，U形管21的右侧管与大气相通；
第一负压室122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14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。
但该负压灌溉系统，负压调节装置中需要注入水银之类的重液，实际使用过程发现在运行2～3个月后，水银普遍发生氧化沉淀而导致系统停止运转，使得负压灌溉系统利用效率不高。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种维持恒负压灌水的方法，能够确保负压灌溉持续稳定运转，提升恒负压灌溉系统利用效率。
本发明实施例提供一种维持恒负压灌水的方法，包括：
设置包括贯通容器、多孔介质板以及U形容器的恒负压灌水设备，其中，贯通容器呈倒置的杯子形状，顶部设置有出气接口，出气接口与储水器底部相连通，底部敞口，储水器底部直接或者通过连接管与放置于土壤中生长有农作物根系位置的灌水头相通，多孔介质板一般粘贴固定在贯通容器的下部内侧壁上，多孔介质板与内侧壁的粘贴处密封，U形容器内能够放置贯通容器。
在负压灌溉开始前，将贯通容器连接到储水器下部的连接孔，在U形容器中注入流体，注入的流体液面高于贯通容器的下开口面，且所注流体容量与贯通容器下开口面以下的U形容器的容量之差，大于或者等于多孔介质板下表面到贯通容器下开口面的贯通容器体积，小于多孔介质板上表面至贯通容器出气接口之间空间的容量。
当负压灌水过程开始后，贯通容器内上部气体空间的气体压强减少，外部大气压驱动U形容器内的流体不断地通过多孔介质板进入多孔介质板上表面与贯通容器围成的气体空间，U形容器中的流体液面下降，贯通容器内的流体液面上升；
在U形容器中的流体液面与贯通容器朝下的敞开面平齐后，随着灌溉的继续，U形容器中的流体与贯通容器内的流体断开，贯通容器内的流体成为悬挂状态，其下端液体直接与大气相通；
随着灌溉的再继续，贯通容器内的流体下端液面上升至与多孔介质板的下表面平齐或稍高于多孔介质板的下表面、低于多孔介质板的上表面，达到动态平衡。
优选地，所述多孔介质板与所述流体之间必须存在浸 润关系，比如多孔陶瓷和水，疏水亲油性微孔滤膜和矿物油等。
优选地，所述多孔介质板一般为疏水亲油性醋酸多孔纤维，所述流体一般为石蜡油。
优选地，在动态平衡状态，以多孔介质板的下表面为基准，一般具有如下动态平衡公式：
Pi+PB+ρgH＝P0
ΔPm＝Pi-P0＝-(ρgH+PB)
式中，
P0为大气压；
ρ为流体密度；
g为重力加速度；
H为流体在贯通容器内的多孔介质板上的高度；
Pi为多孔介质板与贯通容器形成的气体空间的气体压强；
PB为浸 润在流体中的多孔介质板的发泡点压强。
ΔPm为恒负压灌水系统所能维持稳定的最小负压值。
优选地，一般利用下式计算发泡点压强：
式中，
γ为流体的表面张力系数；
θ为流体在多孔介质板上的浸 润角；
d为多孔介质板的孔隙直径。
本发明实施例提供的一种维持恒负压灌水的方法，包括：设置包括贯通容器、多孔介质板以及U形容器的恒负压灌水设备，其中，贯通容器呈倒置的杯子形状，顶部设置有出气接口，出气接口与储水器底部相连通，底部敞口，储水器底部直接或者通过连接管与放置于土壤中生长有农作物根系位置的灌水头相通，多孔介质板一般粘贴固定在贯通容器的下部内侧壁上，多孔介质板与内侧壁的粘贴处密封，U形容器内能够放置贯通容器。在负压灌溉开始前，将贯通容器连接到储水器下部的连接孔，在U形容器中注入流体，注入的流体液面高于贯通容器的下开口面，且所注流体容量与贯通容器下开口面以下的U形容器的容量之差，大于或者等于多孔介质板下表面到贯通容器下开口面的贯通容器体积，小于多孔介质板上表面至贯通容器出气接口之间空间的容量。能够确保负压灌溉持续稳定运转，提升恒负压灌溉系统利用效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是现有基于液体负压阀方法的负压灌溉系统结构示意图；
图2为本发明的实施例恒负压灌水设备结构示意图；
图3为本发明的实施例维持恒负压灌水的系统结构示意图；
图4为本实施例维持恒负压灌水的方法负压灌溉开始前的状态示意图；
图5为本实施例维持恒负压灌水的方法的第一中间状态示意图；
图6为本实施例维持恒负压灌水的方法的第二中间状态示意图；
图7为本实施例维持恒负压灌水的方法的平衡状态示意图；
图8为本实施例维持恒负压灌水的方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
图2为本发明的实施例恒负压灌水设备结构示意图。参见图2，该设备包括：贯通容器201、多孔介质板202以及U形容器204，其中，
贯通容器201呈倒置的杯子形状，顶部设置有出气接口，出气接口与外部储水器底部相连通，底部敞口；
多孔介质板202粘贴固定在贯通容器201的下部内侧壁上，多孔介质板202 与内侧壁的粘贴处密封；
U形容器203内放置贯通容器201，在U形容器204内，注入有能够浸 润多孔介质板202的流体203，注入的流体203的液面高于贯通容器201的下开口面，且所注流体容量与贯通容器201下开口面以下的U形容器204的容量之差，大于或者等于多孔介质板202下表面到贯通容器201下开口面的贯通容器201 体积，小于多孔介质板202上表面至贯通容器201出气接口之间空间的容量。
本实施例中，U形容器204的内径大于贯通容器201的外径，使得贯通容器201能自由放置在U形容器204中。
本实施例中，多孔介质板202固定在贯通容器201的内壁下部，两者的连接固定处密封，使之不漏水、不漏气。
本实施例中，U形容器204内注入的流体能够浸 润多孔介质板202，即多孔介质板202是亲注入在U形容器204内的流体203的，使得多孔介质板202与流体203之间存在浸 润关系。
本实施例中，作为一可选实施例，多孔介质板202为多孔陶瓷，对应的流体为水；作为另一可选实施例，多孔介质板202为疏水亲油性醋酸多孔纤维，对应的流体为石蜡油等。
图3为本发明的实施例维持恒负压灌水的系统结构示意图，参见图3，该系统包括：灌水头31、储水器32以及恒负压灌水设备33，其中，恒负压灌水设备33为上述的恒负压灌水设备。
储水器32为密封的容器，存放有灌溉水，下部开设有用于通过连通管连接恒负压灌水设备33的连通孔，底部直接或者通过连接管与灌水头31相通；
灌水头31放置于土壤中生长有农作物根系的位置；
恒负压灌水设备33包括：贯通容器201、多孔介质板202以及U形容器204，其中，
贯通容器201呈倒置的杯子形状，顶部设置有出气接口，出气接口与储水器32底部相连通，底部敞口；
多孔介质板202粘贴固定在贯通容器201的下部内侧壁上，多孔介质板202 与内侧壁的粘贴处密封；
U形容器204内放置贯通容器201，在U形容器204内，注入有能够浸 润多孔介质板202的流体203，注入的流体203的液面高于贯通容器201的下开口面，且所注流体容量与贯通容器201下开口面以下的U形容器204的容量之差，大于或者等于多孔介质板202下表面到贯通容器201下开口面的贯通容器201 体积，小于多孔介质板202上表面至贯通容器201出气接口之间空间的容量。
本实施例中，U形容器204的内径大于贯通容器201的外径，使得贯通容器201能自由放置在U形容器204中。
多孔介质板202固定在贯通容器201的下部，两者的连接处密封，使之不漏水、不漏气。
本实施例中，U形容器204内注入的流体203能够浸 润多孔介质板202，即多孔介质板202是亲注入在U形容器204内的流体203的。
本实施例中，作为一可选实施例，多孔介质板202为多孔陶瓷，对应的流体为水；作为另一可选实施例，多孔介质板202为醋酸多孔纤维，对应的流体为石蜡油等。
本实施例中，作为一可选实施例，注入在U形容器204中位于多孔介质板 202的下表面之上的流体容量小于贯通容器201内固定多孔介质板202的上部空间容量。
图4为本实施例维持恒负压灌水的方法负压灌溉开始前的状态示意图。参见图4，在负压灌溉开始前，在U形容器中注入流体，注入流体后，流体液面不低于贯通容器向下的开口面，即流体液面至少高于贯通容器向下的开口面，流体在U形容器中液面高度与在贯通容器内的液面高度相同，且所注流体容量与贯通容器下开口面以下的U形容器的容量之差，大于或者等于多孔介质板下表面到贯通容器下开口面的贯通容器体积，小于多孔介质板上表面至贯通容器出气接口之间空间的容量。将贯通容器连接到储水器下部的连接孔。本实施例中，即使位于多孔介质板的下表面之上的流体全部进入贯通容器内多孔介质板上表面上部的空间，其液面也低于贯通容器的内上壁(出气接口)，即在全部注入U形容器中位于多孔介质板的下表面之上的流体后，贯通容器的上部与出气接口之间，始终具有一定的气体空间，且气体空间内的气体压强大于农作物生长对应的土壤水势。
图5为本实施例维持恒负压灌水的方法的第一中间状态示意图。参见图5，当负压灌水过程开始后，随着灌溉水流入土壤，贯通容器内上部气体空间的气体压强(Pi)减少，外部大气压驱动U形容器内的流体不断地通过多孔介质板进入多孔介质板上表面与贯通容器围成的气体空间，U形容器中的流体液面下降，贯通容器内的流体液面上升，流体在贯通容器内与在U形容器内形成的液面高度差逐渐增大。图中，h为流体在贯通容器内与在U形容器内形成的液面高度差。
图6为本实施例维持恒负压灌水的方法的第二中间状态示意图。参见图6，在U形容器中的流体液面与贯通容器朝下的开口面平齐后，随着灌溉的继续， U形容器中的流体与贯通容器内的流体断开，贯通容器内的流体成为悬挂状态，其下端液体直接与大气相通。
本实施例中，第二中间状态的持续时间有可能很短，甚至是瞬时间。
图7为本实施例维持恒负压灌水的方法的平衡状态示意图。参见图7，随着灌溉的再继续，贯通容器内的流体下端液面上升至与多孔介质板的下表面平齐或稍高于多孔介质板的下表面、低于多孔介质板的上表面，达到动态平衡。
此时，多孔介质板的下表面所受到的向上的压强为大气压P0，受到的向下的压强为：
P＝ρgH+Pi+PB
本实施例中，当恒负压灌水系统达到动态平衡时，即贯通容器内处于即将从U形容器通过多孔介质板进气却还没有进气的临界平衡点时，多孔介质板的下表面，向上的压强和向下的压强处于平衡状态，设平衡状态时流体在贯通容器内自多孔介质板的上表面起算的高度为H，即流体在贯通容器内与在U形容器内形成的液面高度差绝对值，具有如下动态平衡公式：
P0＝P＝ρgH+Pi+PB
因此，本实施例的恒负压灌水系统所能维持稳定的最小负压值为：
ΔPm＝Pi-P0＝-(ρgH+PB)
式中，
Pi+PB＝P0+ρgh
P0为大气压；
ρ为流体密度；
g为重力加速度；
H为流体在贯通容器内的多孔介质板上的高度；
Pi为多孔介质板与贯通容器形成的气体空间的气体压强；
PB为浸 润在流体中的多孔介质板的发泡点压强；
ΔPm为恒负压灌水系统所能维持稳定的最小负压值，如果设置最小负压值为农作物生长对应的土壤水势，则可以以此最小负压值为平衡点，控制向土壤的供水。
本实施例中，如果多孔介质板与贯通容器形成的上部气体空间的气体压强 (Pi)与大气压(P0)的差值(Pi-P0)小于ΔPm，例如，土壤通过灌水器向土壤供水，土壤水势大于最小负压值，则外界空气将依次通过U形容器、多孔介质板、流体而进入贯通容器中流体上部的内部空间，使得其气体压强上升，直到 (Pi-P0＝ΔPm)或稍大于土壤水势，从而维持一动态平衡。
本实施例中，发泡点压强为多孔介质板和流体组合时所表现出的发泡点对应的压强，该发泡点压强与多孔介质板的孔隙大小、流体在多孔介质板上的浸 润性质、流体的表面张力系数有关。
本实施例中，利用下式计算发泡点压强：
式中，γ为流体的表面张力系数；
θ为流体在多孔介质板上的浸 润角；
d为多孔介质板的孔隙直径。
本实施例中，对于已经确定的流体以及多孔介质板，发泡点压强为一确定的已知值，结合通过确定合适的H(实际应用中，如果选择合适，可以忽略H产生的流体压强)，可以使得最小负压值为一恒定值，在土壤水势大于该最小负压值时，土壤吸水，Pi降低，U形容器中的流体液面下降至稍低于多孔介质板的下表面，使得U形容器中的流体液面与多孔介质板的下表面形成空隙，从而驱动外部空气通过U形容器中的流体液面与多孔介质板的下表面形成的空隙，通过多孔介质板以及贯通容器中的流体，进入贯通容器中流体液面的上部空间，使贯通容器中流体液面上部空间的气体压强(Pi)升高至与土壤吸水力(土壤水势)相同，土壤停止吸水，维持一动态平衡。后续中，作物蒸发导致作物吸水，又会使Pi降低，驱动外部空气通过U形容器中的流体液面与多孔介质板的下表面形成的空隙，通过多孔介质板以及贯通容器中的流体，进入贯通容器中流体液面的上部空间，如此循环往复。
本实施例中，通过设计新恒负压灌水设备，利用多孔介质板以及水或石蜡油调节供水的压强，能够使供水在最小负压值较小的波动范围内维持一动态平衡，确保负压灌溉持续稳定运转，同时能够避免发生氧化沉淀而导致系统停止运转，有效提升负压灌溉系统的利用效率。
图8为本实施例维持恒负压灌水的方法流程示意图。参见图8，该流程包括：
步骤801，设置包括贯通容器、多孔介质板以及U形容器的恒负压灌水设备，其中，贯通容器呈倒置的杯子形状，顶部设置有出气接口，出气接口与储水器底部相连通，底部敞口，储水器底部直接或者通过连接管与放置于土壤中生长有农作物根系位置的灌水头相通，多孔介质板一般粘贴固定在贯通容器的下部内侧壁上，多孔介质板与内侧壁的粘贴处密封，U形容器内能够放置贯通容器。
步骤802，在负压灌溉开始前，将贯通容器连接到储水器下部的连接孔，在 U形容器中注入流体，注入的流体液面高于贯通容器的下开口面，且所注流体容量与贯通容器下开口面以下的U形容器的容量之差，大于或者等于多孔介质板下表面到贯通容器下开口面的贯通容器体积，小于多孔介质板上表面至贯通容器出气接口之间空间的容量。
步骤803，当负压灌水过程开始后，贯通容器内上部气体空间的气体压强减少，外部大气压驱动U形容器内的流体不断地通过多孔介质板进入多孔介质板上表面与贯通容器围成的气体空间，U形容器中的流体液面下降，贯通容器内的流体液面上升；
步骤804，在U形容器中的流体液面与贯通容器朝下的敞开面平齐后，随着灌溉的继续，U形容器中的流体与贯通容器内的流体断开，贯通容器内的流体成为悬挂状态，其下端液体直接与大气相通；
步骤805，随着灌溉的再继续，贯通容器内的流体下端液面上升至与多孔介质板的下表面平齐或稍高于多孔介质板的下表面、低于多孔介质板的上表面，达到动态平衡。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种维持恒负压灌水的方法，其特征在于，包括：
设置包括贯通容器、多孔介质板以及U形容器的恒负压灌水设备，其中，贯通容器呈倒置的杯子形状，顶部设置有出气接口，出气接口与储水器底部相连通，底部敞口，储水器底部直接或者通过连接管与放置于土壤中生长有农作物根系位置的灌水头相通，多孔介质板粘贴固定在贯通容器的下部内侧壁上，多孔介质板与内侧壁的粘贴处密封，U形容器内能够放置贯通容器；
在负压灌溉开始前，将贯通容器连接到储水器下部的连接孔，在U形容器中注入流体，注入的流体液面高于贯通容器的下开口面，且所注流体容量与贯通容器下开口面以下的U形容器的容量之差，大于或者等于多孔介质板下表面到贯通容器下开口面的贯通容器体积，小于多孔介质板上表面至贯通容器出气接口之间空间的容量；
当负压灌水过程开始后，贯通容器内上部气体空间的气体压强减少，外部大气压驱动U形容器内的流体不断地通过多孔介质板进入多孔介质板上表面与贯通容器围成的气体空间，U形容器中的流体液面下降，贯通容器内的流体液面上升；
在U形容器中的流体液面与贯通容器朝下的敞开面平齐后，随着灌溉的继续，U形容器中的流体与贯通容器内的流体断开，贯通容器内的流体成为悬挂状态，其下端液体直接与大气相通；
随着灌溉的再继续，贯通容器内的流体下端液面上升至与多孔介质板的下表面平齐或稍高于多孔介质板的下表面、低于多孔介质板的上表面，达到动态平衡。
2.根据权利要求1所述的维持恒负压灌水的方法，其特征在于，所述多孔介质板与所述流体之间必须存在浸 润关系，包括多孔陶瓷和水，疏水亲油性微孔滤膜和矿物油。
3.根据权利要求1所述的维持恒负压灌水的方法，其特征在于，所述多孔介质板为疏水亲油性醋酸多孔纤维，所述流体为石蜡油。
4.根据权利要求1或2或3所述的维持恒负压灌水的方法，其特征在于，在动态平衡状态，以多孔介质板的下表面为基准，具有如下动态平衡公式：
Pi+PB+ρgH＝P0
ΔPm＝Pi-P0＝-(ρgH+PB)
式中，
P0为大气压；
ρ为流体密度；
g为重力加速度；
H为流体在贯通容器内的多孔介质板上的高度；
Pi为多孔介质板与贯通容器形成的气体空间的气体压强；
PB为浸 润在流体中的多孔介质板的发泡点压强；
ΔPm为恒负压灌水系统所能维持稳定的最小负压值。
5.根据权利要求1或2或3所述的维持恒负压灌水的方法，其特征在于，利用下式计算发泡点压强：
式中，
γ为流体的表面张力系数；
θ为流体在多孔介质板上的浸 润角；
d为多孔介质板的孔隙直径。
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