CN109738326A - 一种实现实验中负压控制及自动灌水一体化的简易方法 - Google Patents
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Abstract
一种实现实验中负压控制及自动灌水一体化的简易方法，将PVC材质负压控制管埋于土柱实验条件下限定的土壤深度中，PVC材质负压控制管的顶部为密封状态，底部为无底状态，与土壤直接相连，根据水流运动的原理以及毛细现象，在表面张力的作用下，自由水会沿细的土壤颗粒间空隙通道移动，土壤中的水分会随进水孔流入PVC材质负压控制管，在此作用下PVC材质负压控制管水分上升，直到与下部的土壤达到水势平衡，形成一定的水层深度，这段水层的高度便对应此处土壤的负压值；本方法充分利用了水势平衡和压力平衡的原理，可以定点定位连续测定简易负压控制装置内的水层深度，及时反馈土壤含水量的变化并实现自动灌溉补给水分。
Description
技术领域
本发明涉及一种实现实验中负压控制及自动灌水一体化的简易方法，具体为灌水实验技术领域。
背景技术
目前土壤含水量的一般测量方法：土壤含水量一般采用称重烘干法，以占干土重百分数表示。在同一土层上，当前后两次测得的含水率的差值不超过1.5～2.0％时，选后一次测定值为土壤含水率。实际工作中，由于烘干法费时费力，常采用TDR土壤水分测量仪实时观测土壤水分含量。
负压计法：土壤湿度计是测定土壤水分的一种仪器。土壤水分受土壤孔隙的毛管引力和土粒的分子引力的作用，使土壤孔隙中的水分处于负压(吸力)状态，土壤吸力愈大，土壤孔隙中的水分愈少，土壤含水量也就愈低；反之，土壤吸力愈小，土壤孔隙中的水分愈多，则土壤含水量愈高。
电阻法:多孔介质的导电能力是同它的含水量以及介电常数有关的,如果忽略含盐的影响,水分含量和其电阻间是有确定关系的。其缺点为有滞后、测量范围有限、受土壤含盐量的影响较大。主要原因:各电阻块的一致性,电阻块的敏感度和退化程度,与水分无关的土壤电阻变化等。
中子法:中子法就是用中子仪测定土壤含水率。中子仪的组成主要包括:一个快中子源，一个慢中子检测器，监测土壤散射的慢中子通量的计数器及屏蔽匣，测试用硬管等。有效范围，也就是慢中子云的有效球体积与土壤公含水率有关，含水率越高，有效云球体积越小，根据Van Bavel公式可估算有效云球半径因此对于一般含水率在5％-40％的土壤，其有效测量范围在20-40cm。中子法的优点是测量简单，快速，精度高，不大受温度和压力的影响，由于测量的是慢中子云的有效球体积内的平均含水率，因而受某剖面的含水率变异的影响较小，可以测量根区土壤的任何深度。其缺点是设备昂贵。因此需要研究一种价格合理，可解决教学或生产实践中的负水头控制问题的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实现实验中负压控制及自动灌水一体化的简易方法，以解决上述背景技术中提出的的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种实现实验中负压控制及自动灌水一体化的简易方法为：将PVC材质负压控制管上均匀打孔形成进水孔做成简易的负压控制装置，将PVC材质负压控制管埋于土柱实验条件下限定的土壤深度中，PVC材质负压控制管的顶部为密封状态，以避免外界杂质对实验的影响，底部为无底状态，与土壤直接相连，由于PVC材质负压控制管内水势为零，装置外部土壤具有一定的水势，根据水流运动的原理以及毛细现象，在表面张力的作用下，自由水会沿细的空隙通道移动，土壤中的水分会进水孔流入PVC材质负压控制管，在此作用下PVC材质负压控制管水分上升，直到与下部的土壤达到水势平衡，形成一定的水层深度，这段水层的高度便对应此处土壤的负压值；
一旦外界土壤的含水量下降，将会打破这种动态平衡，导致PVC材质负压控制管中的水层也会下降，为了实现恒定负水头的灌溉供水，此时PVC材质负压控制管的侧部还需连接一个灌水器，灌水器和PVC材质负压控制管通过塑料软管相连接，灌水器的塑料软管中水分的进水位置应设定在负压控制装置中水层高度范围内，当土壤含水量降低或简易负压控制装置中水层降低时，灌水器将自动往PVC材质负压控制管内注水，实现恒定的负水头，此时灌水器中的气压便会下降，由于气压平衡原理，外部大气随引导管进入灌水器，实现压力平衡和整个负压控制-自动灌水系统的整体平衡。
作为优选，所述的不同的土柱半径对应不同的PVC材质负压控制管的半径，20cm宽度的土柱对应5cm直径的PVC材质负压控制管，30cm宽度的土柱对应8cm直径的PVC材质负压控制管，40cm宽度的土柱对应10cm直径的PVC材质负压控制管。
作为优选，所述的灌水器可替换为蠕动泵，目的是及时供给灌溉水分。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本方法充分利用了水势平衡和压力平衡的原理，可以定点定位连续测定简易负压控制装置内的水层深度，及时反馈土壤含水量的变化并实现自动灌溉补给水分。而且仪器具有结构简单，读数直观，使用方便等优点。
附图说明
图1为本发明一体化方法的具体结构示意图；
图2为本发明一体化方法中正水头实现条件的具体结构示意图；
图3为本发明一体化方法中负水头实现条件的具体结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种实现实验中负压控制及自动灌水一体化的简易方法为：将PVC材质负压控制管1上均匀打孔形成进水孔1-1做成简易的负压控制装置，将PVC材质负压控制管1埋于土柱实验条件下限定的土壤深度中，PVC材质负压控制管1的顶部为密封状态，以避免外界杂质对实验的影响，底部为无底状态，与土壤直接相连，由于PVC材质负压控制管1内水势为零，装置外部土壤具有一定的水势，根据水流运动的原理以及毛细现象，在表面张力的作用下，自由水会沿细的空隙通道移动，土壤中的水分会进水孔1-1流入PVC材质负压控制管1，在此作用下PVC材质负压控制管1水分上升，直到与下部的土壤达到水势平衡，形成一定的水层深度，这段水层的高度便对应此处土壤的负压值；
一旦外界土壤的含水量下降，将会打破这种动态平衡，导致PVC材质负压控制管1中的水层也会下降，为了实现恒定负水头的灌溉供水，此时PVC材质负压控制管1的侧部还需连接一个灌水器2，灌水器2和PVC材质负压控制管1通过塑料软管3相连接，灌水器2的塑料软管3中水分的进水位置应设定在负压控制装置中水层高度范围内，当土壤含水量降低或简易负压控制装置中水层降低时，灌水器2将自动往PVC材质负压控制管1内注水，实现恒定的负水头，此时灌水器2中的气压便会下降，由于气压平衡原理，外部大气随引导管4进入灌水器，实现压力平衡和整个负压控制-自动灌水系统的整体平衡。
作为优选，所述的不同的土柱半径对应不同的PVC材质负压控制管1的半径，20cm宽度的土柱对应5cm直径的PVC材质负压控制管1，30cm宽度的土柱对应8cm直径的PVC材质负压控制管1，40cm宽度的土柱对应10cm直径的PVC材质负压控制管1。
作为优选，所述的灌水器2可替换为蠕动泵，目的是及时供给灌溉水分。
本实验方法过程中正负水头的适用条件(以土表以下-5cm位置为例)：1、土面以下-5cm深度土层正水头的实现，根据连通器和土壤水分运动原理，如果把土柱和PVC材质负压控制管1中的液体都看成一个整体，那么同一深度压强相同时才会静止，如果同一深度压强不同，液体会向低压的地方流动直到平衡。因此，当假设土壤饱和面(或自由水面即存在水层的时候我们都认为土壤是饱和的)在0～-5cm变化时如图2所示，此时PVC材质负压控制管1中的自由水同样在0～-5cm条件内变动，但是，-5cm土层对应的水势一直为零，或者说-5cm处土层的水势为正值(正水头)。
2、-5cm深度土层负水头的实现，当-5cm土层的土壤没有达到最大饱和含水率时，假定一个饱和面(必然小于-5cm，本方法假定在-5～-10cm)，根据1)中的原理，负压简易装置中的自由水到达土柱中假定饱和面时将不会继续下渗，形成一个固定面。结合水分运动的基本原理也可知，土壤水会向水势低(PVC管内水势暂时为零)处流动，直至两个系统的水势平衡。当充满水且密封的土壤负压计插入水分不饱和的土壤时，负压计通过调控陶土头中的水膜就能实现与土壤水连接起来，产生水力上的联系(负压计的读数即为-5cm土壤的负压值)。土壤系统的水势不相等时，水便由水势高处通过空隙到达PVC材质负压控制管1内，此时PVC材质负压控制管1内将会形成一段水柱，基于-5cm土层深度，如图3所示，实现了负压值与负水头(水柱深度)的水力对应关系。我们将进行一系列的测定，来形成多个负压值与不同水柱高度的对应关系，从而在教学或者田间实践中代替昂贵的负压计。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (3)
1.一种实现实验中负压控制及自动灌水一体化的简易方法，其特征在于：具体方法：将PVC材质负压控制管(1)上均匀打孔形成进水孔(1-1)做成简易的负压控制装置，将PVC材质负压控制管(1)埋于土柱实验条件下限定的土壤深度中，PVC材质负压控制管(1)的顶部为密封状态，以避免外界杂质对实验的影响，底部为无底状态，与土壤直接相连，由于PVC材质负压控制管(1)内水势为零，装置外部土壤具有一定的水势，根据水流运动的原理以及毛细现象，在表面张力的作用下，自由水会沿细的土壤颗粒间空隙通道移动，土壤中的水分会进水孔(1-1)流入PVC材质负压控制管(1)，在此作用下PVC材质负压控制管(1)水分上升，直到与下部的土壤达到水势平衡，形成一定的水层深度，这段水层的高度便对应此处土壤的负压值；
一旦土柱内土壤的含水量下降，将会打破这种动态平衡，导致PVC材质负压控制管(1)中的水层也会下降，为了实现恒定负水头的灌溉供水，此时PVC材质负压控制管(1)的侧部还需连接一个灌水器(2)，灌水器(2)和PVC材质负压控制管(1)通过塑料软管(3)相连接，灌水器(2)的塑料软管(3)中水分的进水位置应设定在负压控制装置中水层高度范围内，当土壤含水量降低或简易负压控制装置中水层降低时，灌水器(2)将自动往PVC材质负压控制管(1)内注水，实现恒定的负水头，此时灌水器(2)中的气压便会下降，由于气压平衡原理，外部大气随引导管(4)进入灌水器(2)，实现压力平衡和整个负压控制-自动灌水系统的整体平衡。
2.根据权利要求1所述的一种实现实验中负压控制及自动灌水一体化的简易方法，其特征在于：所述的不同的土柱半径对应不同的PVC材质负压控制管(1)半径，20cm宽度的土柱对应5cm直径的PVC材质负压控制管(1)，30cm宽度的土柱对应8cm直径的PVC材质负压控制管(1)，40cm宽度的土柱对应10cm直径的PVC材质负压控制管(1)。
3.根据权利要求1所述的一种实现实验中负压控制及自动灌水一体化的简易方法，其特征在于：所述的灌水器(2)可替换为蠕动泵。
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