CN109970152A - 一种盐碱地分布式抽咸改淡排灌耦合改良系统及使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种盐碱地分布式抽咸改淡排灌耦合改良系统及使用方法，其中改良系统包括管理房和能源动力子系统，以及依次连通的排盐暗管、咸水调节横井和咸水调节竖井，所述咸水调节竖井内设有排水潜水泵；还包括膜淡化装置，以及与所述膜淡化装置的出水口通过淡水/微咸水出水管连通的淡水/微咸水调节井，膜淡化装置的进水口通过咸水入水管与排水潜水泵连通，膜淡化装置的反渗透浓盐水出口连通伸至排水沟的浓盐水管。本发明可在不同地下水矿化度、水温及水位条件下实现抽咸改淡、微咸水灌溉、咸水结冰灌溉和直排水等功能的切换，低碳高效地解决了滨海盐碱地淡水资源缺乏、冬季咸水结冰灌溉困难的问题，实现了地下咸水资源化，加快了盐碱地改良。

Description

一种盐碱地分布式抽咸改淡排灌耦合改良系统及使用方法
技术领域
本发明涉及盐碱地改良技术领域，尤其涉及到一种盐碱地分布式抽咸改淡排灌耦合改良系统及使用方法。
背景技术
国内外数百年来的盐碱地开发治理和利用经验表明，灌水洗盐是盐碱地治理的最有效措施。灌水洗盐是根据“盐随水来，盐随水去”的自然规律，利用大量淡水/微咸水冲洗土壤，带走土壤中的盐分，从而改良盐渍土。因此，拥有充沛的淡水资源是盐碱地改良利用的根本和保证，淡水资源缺乏往往成为盐渍化地区开发的最大制约因素。在淡水缺乏地区，人们发展了微咸水灌溉、咸水结冰灌溉、咸淡轮灌技术，一定程度上有助于土壤脱盐，但并未从根本上解决作物灌溉淡水资源缺乏的问题。
同时，咸水占据着盐渍化地区土壤浅层空间,若排水途径不畅,长期闲置只能使其矿化度越来越高。科学开发利用咸水,可加速地下水的垂直交替作用,打破咸水区地下水的平衡状态,使咸水区的地下水位得到调控,促进土壤盐分向下部和外部运移。暗管排水技术的迅速发展应用，使农田地下水的收集成为可能，目前暗管集水全部用于外排，缺乏回灌利用技术。
反渗透淡化技术是通过反渗透膜（RO）将咸水过滤、适当淡化，设定使符合灌溉和洗盐要求的适宜咸度的水通过反渗透膜，其余的不能通过的称为反渗透浓盐水。传统上滨海地区使用的海水淡化装置，因其耗电量大，能源成本占生产成本的30%—50%，多用于当地人民生活用水，在农业上推广应用很少。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种盐碱地分布式抽咸改淡排灌耦合改良系统及使用方法，根据滨海农田地下咸水水质存在的季节性变化，水质适宜时可开展咸水或微咸水灌溉，也可在冬季抽取地下咸水至地表，开展咸水结冰灌溉，全面加快洗盐进程；另外利用成熟的淡化技术，对外排咸水进行适当低成本的脱盐淡化，达到微咸水灌溉要求开展淡化回灌，对淡水资源极为缺乏的广大滨海盐碱地地区意义重大。还可利用滨海地区丰富的太阳能和风能资源以及成熟的风光电一体化低成本新能源技术，使咸水就地适宜淡化回灌洗盐成为可能，具有广阔的应用前景。
本发明是通过如下技术方案实现的，提供一种盐碱地分布式抽咸改淡排灌耦合改良系统，包括管理房和能源动力子系统，以及依次连通的排盐暗管、咸水调节横井和咸水调节竖井，所述咸水调节竖井内设有排水潜水泵；还包括膜淡化装置，以及与所述膜淡化装置的出水口通过淡水/微咸水出水管连通的淡水/微咸水调节井，膜淡化装置的进水口通过咸水入水管与排水潜水泵的出口连通，膜淡化装置的反渗透浓盐水出口连通伸至排水沟的浓盐水管，所述淡水/微咸水调节井内设有与灌溉水管连通的灌溉潜水泵。
本方案通过设置排盐暗管，可吸取田间地下水，加速地下水的垂直交替，促进土壤盐分向下部运移，实现根本性改良；排盐暗管收集到的地下水进入咸水调节横井暂存，以保证排水的连续性；通过咸水调节竖井中设置的排水潜水泵，可将地下水经咸水入水管抽进膜淡化装置；通过设置咸水调节竖井，不仅方便工作人员下井检查和维修，同时方便咸水入水管的安装，并可增加地下咸水的暂存量，满足排水要求；膜淡化装置可采用现有技术，其利用渗透膜在压力下允许水透过而使盐分和杂质截留的特性，将地下水脱盐淡化为适宜农作物利用或洗盐的淡水/微咸水；经膜淡化装置脱盐的微咸水/淡水通过淡水/微咸水出水管流入淡水/微咸水调节井，在井中储存，待灌溉时淡水/微咸水调节井内的灌溉潜水泵可将淡水/微咸水抽至灌溉水管中，可用于灌溉农作物及灌水洗盐，剩余的反渗透浓盐水经浓盐水管排出，防止侵害农作物；本方案排灌耦合一体，通过抽咸改淡回灌，实现了地下咸水资源化及水资源循环利用，从根本上解决了淡水资源缺乏的问题。
作为优化，咸水入水管通过微咸水直灌水管与灌溉水管连通，微咸水直灌水管上安装有灌溉电磁阀。本优化方案通过设置微咸水直灌水管，可在地下水质允许期间进行微咸水灌溉，实现了微咸水资源化；若在条件允许的地区，还可结合利用冬季冷气候资源，开展咸水结冰灌溉脱盐，解决了咸水结冰灌溉咸水资源来源问题，以及低温状况下淡化装置无法使用的问题，通过设置灌溉电磁阀，方便控制微咸水直灌水管的通断。
作为优化，咸水入水管通过三通电磁阀与膜淡化装置的进水口连通，三通电磁阀的另一通口通过咸水直排水管与浓盐水管连通。本优化方案通过设置咸水直排水管和三通电磁阀，可调节咸水入水管内水的流向，在淡水/微咸水缺乏而需要灌溉或洗盐的情况下，将地下水通入膜淡化装置进行脱盐，在淡水/微咸水充足而需要排水的情况下，将地下水通入咸水直排水管进行直排。
作为优化，还包括安装在管理房内的控制器，所述控制器与灌溉潜水泵、排水潜水泵和灌溉电磁阀电性连接。本优化方案通过在管理房内设置控制器，方便工作人员进行操控和检修，同时为操作人员提供了相对安全稳定的空间；控制器是系统的信息汇集、传递及总控中心，可汇集并显示风光互补控制器收集的电力信息，也可对安装在各管道上的电磁阀进行控制；操作人员可直接通过操作控制器对潜水泵及各管道上的电磁阀进行控制，以实现抽咸改淡、地下水直排和微咸水直灌等功能的切换；控制器可进行编程，以简化操作步骤，实现一键式操作。
作为优化，所述能源动力子系统包括安装在管理房内的风光互补控制器，以及与所述风光互补控制器电性连接的风力发电机组、太阳能发电机组和蓄电池组，所述风光互补控制器与控制器电性连接。本优化方案通过风光互补控制器将风和光的状态传送至控制器，可实现根据设置的参数进行风力发电机组、太阳能发电机组和蓄电池组供电之间的自动转换，还可查看蓄电池的剩余容量状态和蓄电池电压的放电保护模式，具电路保护功能，保证了系统的安全持续运行，实现了系统低碳高效运转。
作为优化，淡水/微咸水出水管伸至淡水/微咸水调节井侧壁的顶部，灌溉潜水泵安装在淡水/微咸水调节井的底部。本优化方案的设置提高了淡水/微咸水调节井的容积利用率，并且方便将淡水/微咸水调节井内的水抽净，减少残留。
作为优化，所述膜淡化装置安装在管理房内。本优化方案将膜淡化装置安装在管理房内，减小了外部环境对膜淡化装置的使用影响，并且给检修人员提供了安全环境。
作为优化，所述咸水调节横井为15~17m长的PE波纹横井，其内径为1000~1200mm，咸水调节横井的顶部离地面埋深为2.5~3m。本优化方案中将咸水调节横井横向埋入地下，有利于保持较低的液面高度，避免埋深过深而增加埋设难度，咸水调节横井的尺寸设置，可使其静态蓄水量能满足潜水泵持续抽水1小时左右，进一步提高了排水的连续性。
作为优化，所述咸水调节竖井的长度为3.5~4m，其内径为1000mm。本优化方案的咸水调节竖井纵向埋入地下，既减小了施工量，又可以方便安装潜水泵，并方便工作人员进行检修；同时，咸水调节竖井的深度保证了夏季不会因水温过高而导致膜淡化装置无法运转。
上述盐碱地分布式抽咸改淡排灌耦合改良系统的使用方法，包括如下方面：
a、在地下水温高于5℃期间，通过控制器开启排水潜水泵，同时关闭灌溉电磁阀，将三通电磁阀调节至咸水入水管与膜淡化装置连通状态，此时通过埋设在田间土壤下的排盐暗管进行集水，地下水经咸水入水管进入膜淡化装置进行脱盐，脱盐的淡水/微咸水经淡水/微咸水出水管进入淡水/微咸水调节井，剩余反渗透浓盐水经浓盐水管排出至排水沟，通过控制器开启灌溉潜水泵，将淡水/微咸水抽入灌溉水管进行灌溉或洗盐；
b、若地下水矿化度满足微咸水灌溉要求，则通过控制器开启排水潜水泵，开启灌溉电磁阀，将三通电磁阀调节至关闭状态，此时通过排盐暗管上的渗水孔向管内集水，地下水经咸水入水管进入微咸水直灌水管，然后流入灌溉水管进行灌溉；
c、在冬季气温满足咸水结冰灌溉要求，则通过控制器开启排水潜水泵，开启灌溉电磁阀，将三通电磁阀调节至关闭状态，此时通过排盐暗管上的渗水孔向管内集水，地下水经咸水入水管进入微咸水直灌水管，然后流入灌溉水管进行咸水结冰灌溉；
d、若地下水水位较高而需要进行排水作业时，则通过控制器开启排水潜水泵，关闭灌溉电磁阀，将三通电磁阀调节至咸水入水管与咸水直排水管连通状态，此时通过排盐暗管上的渗水孔向管内集水，地下水经咸水入水管进入咸水直排水管后直接流入排水沟排出。
本方法可以根据地下水矿化度、水温及水位的不同选择抽咸改淡、微咸水灌溉、咸水结冰灌溉和直排水操作，实现了系统对盐碱地的光能资源、风能资源、冷资源、咸水资源的综合开发利用以及盐碱地资源的周年持续改良。
本发明的有益效果为：集成了灌水洗盐技术、反渗透膜技术、排灌耦合技术、微咸水灌溉技术、咸水结冰灌溉技术、风力和太阳能发电技术、水电智能双控技术以及地下管井蓄水技术，在不同地下水矿化度、水温及水位条件下实现抽咸改淡、微咸水灌溉、咸水结冰灌溉和直排水等功能的切换，低碳高效地解决了滨海盐碱地淡水资源缺乏、冬季咸水结冰灌溉困难的问题，实现了地下咸水资源化，加快了盐碱地改良；系统占地面积小，充分利用区域风能和太阳能，还可对用电量进行自动监测和计数，便于管理，促进盐碱地持续改良，实现周年低碳高效抽咸改淡，非常适宜滨海地区盐碱地改良推广和应用。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图中所示：
1、管理房，2、排盐暗管，3、咸水调节横井，4、咸水调节竖井，5、咸水入水管，6、膜淡化装置，7、淡水/微咸水出水管，8、淡水/微咸水调节井， 9、灌溉水管，10、排水沟，11、浓盐水管，12、排水潜水泵，13、灌溉潜水泵，14、咸水直排水管，15、微咸水直灌水管，16、控制器，17、风光互补控制器，18、风力发电机组，19、太阳能发电机组，20、蓄电池组。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。
如图1所示一种盐碱地分布式抽咸改淡排灌耦合改良系统，包括管理房1和能源动力子系统，以及依次连通的排盐暗管2、咸水调节横井3和咸水调节竖井4，所述咸水调节竖井4的井底设有排水潜水泵12，排盐暗管2不低于咸水调节横井3的井底，所述咸水调节竖井4的井底低于咸水调节横井3的井底。具体地， 咸水调节横井为15~17m长的PE波纹横井，其内径为1000~1200mm，横向埋入地下，咸水调节横井的顶部离地面埋深为2.5~3m。咸水调节竖井的长度为3.5~4m，其内径为1000mm，纵向埋入地下。
还包括安装在管理房内的膜淡化装置6，以及与所述膜淡化装置的出水口通过淡水/微咸水出水管7连通的淡水/微咸水调节井8，淡水/微咸水出水管7伸至淡水/微咸水调节井侧壁的顶部。膜淡化装置的进水口通过咸水入水管5与排水潜水泵12的出口连通，膜淡化装置的反渗透浓盐水出口连通伸至排水沟10的浓盐水管11，所述淡水/微咸水调节井8的底部设有与灌溉水管9连通的灌溉潜水泵13。膜淡化装置利用渗透膜在压力下允许水透过而使盐分和杂质截留的特性，将地下水脱盐淡化为适宜农作物利用或洗盐的淡水/微咸水。膜淡化装置采用现有技术，其具体结构不再赘述。
咸水入水管5通过微咸水直灌水管15与灌溉水管9连通，微咸水直灌水管15上安装有灌溉电磁阀。咸水入水管5通过三通电磁阀与膜淡化装置的进水口连通，三通电磁阀的另一通口通过咸水直排水管14与浓盐水管11连通。
管理房1内安装有控制器16，所述控制器16与灌溉潜水泵13、排水潜水泵12、灌溉电磁阀和三通电磁阀电性连接。
本实施例的能源动力子系统包括安装在管理房内的风光互补控制器17，以及与所述风光互补控制器17电性连接的风力发电机组18、太阳能发电机组19和蓄电池组20，所述风光互补控制器与控制器电性连接。
本实施例的排盐暗管可吸取田间地下水，加速地下水的垂直交替作用，促进土壤盐分向下部运移，实现根本性改良。排盐暗管收集到的地下水进入咸水调节横井暂存，保证排水的连续性。通过咸水调节竖井中设置的排水潜水泵，可将地下水经咸水入水管抽进膜淡化装置。经膜淡化装置脱盐的微咸水/淡水通过淡水/微咸水出水管流入淡水/微咸水调节井，在井中储存，待灌溉时淡水/微咸水调节井底部的灌溉潜水泵可将淡水/微咸水抽至灌溉水管中，可用于灌溉农作物及灌水洗盐，剩余的反渗透浓盐水经浓盐水管排出，防止侵害农作物。该装置排灌耦合一体，通过抽咸改淡回灌，实现了地下咸水资源化及水资源循环利用，从根本上解决了淡水资源缺乏的问题。
咸水直排水管和三通电磁阀可调节咸水入水管内水的流向，在淡水/微咸水缺乏需要灌溉或洗盐的情况下将地下水通入膜淡化装置进行脱盐、在淡水/微咸水充足需要排水的情况下将地下水通入咸水直排水管进行直排。
微咸水直灌水管可在地下水质允许期间进行微咸水灌溉，实现了微咸水资源化；若在条件允许的地区，还可结合利用冬季冷气候资源，开展咸水结冰灌溉脱盐，解决了咸水结冰灌溉咸水资源来源以及低温状况下淡化装置无法使用的问题
本实施例盐碱地分布式抽咸改淡排灌耦合改良系统的具体使用方法，包括如下方面：
a、在地下水温高于5℃期间，通过控制器开启咸水调节竖井内的排水潜水泵，同时关闭咸水直灌管上的灌溉电磁阀，将三通电磁阀调节至咸水入水管与膜淡化装置连通状态，此时通过埋设在田间土壤下的排盐暗管进行集水，地下水经咸水入水管进入膜淡化装置进行脱盐，脱盐的淡水/微咸水经淡水/微咸水出水管进入淡水/微咸水调节井，剩余反渗透浓盐水经浓盐水管排出至排水沟，通过控制器开启灌溉潜水泵，将淡水/微咸水抽入灌溉水管进行灌溉或洗盐；
b、若地下水矿化度满足微咸水灌溉要求，则通过控制器开启咸水调节竖井内的排水潜水泵，开启微咸水直灌水管上的灌溉电磁阀，将三通电磁阀调节至关闭状态，此时通过排盐暗管上的渗水孔向管内集水，地下水经咸水入水管进入微咸水直灌水管，然后流入灌溉水管进行灌溉；
c、在冬季气温满足咸水结冰灌溉要求，则通过控制器开启咸水调节竖井内的排水潜水泵，开启微咸水直灌水管上的灌溉电磁阀，将三通电磁阀调节至关闭状态，通过排盐暗管上的渗水孔向管内集水，地下水经咸水入水管进入微咸水直灌水管，然后流入灌溉水管进行咸水结冰灌溉；
d、若地下水水位较高而需要进行排水作业时，则通过控制器开启咸水调节竖井内的排水潜水泵，关闭微咸水直灌管上的灌溉电磁阀，将三通电磁阀调节至咸水入水管与咸水直排水管连通状态，此时通过排盐暗管上的渗水孔向管内集水，地下水经咸水入水管进入咸水直排水管后直接流入排水沟排出。
本实施例集成了灌水洗盐技术、反渗透膜技术、排灌耦合技术、微咸水灌溉技术、咸水结冰灌溉技术、风力和太阳能发电技术、水电智能双控技术以及地下管井蓄水技术，在不同地下水矿化度、水温及水位条件下实现抽咸改淡、微咸水灌溉、咸水结冰灌溉和直排水等功能，低碳高效地解决了滨海盐碱地淡水资源缺乏、冬季咸水结冰灌溉困难的问题，实现了地下咸水资源化，加快了盐碱地改良。
当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本发明的技术方案并非是对本发明的限制，参照优选的实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。

Claims (10)

1.一种盐碱地分布式抽咸改淡排灌耦合改良系统，包括管理房（1）和能源动力子系统，以及依次连通的排盐暗管（2）、咸水调节横井（3）和咸水调节竖井（4），所述咸水调节竖井（4）内设有排水潜水泵（12），其特征在于：还包括膜淡化装置（6），以及与所述膜淡化装置的出水口通过淡水/微咸水出水管（7）连通的淡水/微咸水调节井（8），膜淡化装置的进水口通过咸水入水管（5）与排水潜水泵（12）的出口连通，膜淡化装置的反渗透浓盐水出口连通伸至排水沟（10）的浓盐水管（11），所述淡水/微咸水调节井（8）内设有与灌溉水管（9）连通的灌溉潜水泵（13）。
2.根据权利要求1所述的一种盐碱地分布式抽咸改淡排灌耦合改良系统，其特征在于：咸水入水管（5）通过微咸水直灌水管（15）与灌溉水管（9）连通，微咸水直灌水管（15）上安装有灌溉电磁阀。
3.根据权利要求2所述的一种盐碱地分布式抽咸改淡排灌耦合改良系统，其特征在于：咸水入水管（5）通过三通电磁阀与膜淡化装置的进水口连通，三通电磁阀的另一通口通过咸水直排水管（14）与浓盐水管（11）连通。
4.根据权利要求2所述的一种盐碱地分布式抽咸改淡排灌耦合改良系统，其特征在于：还包括安装在管理房（1）内的控制器（16），所述控制器（16）与灌溉潜水泵（13）、排水潜水泵（12）和灌溉电磁阀电性连接。
5.根据权利要求4所述的一种盐碱地分布式抽咸改淡排灌耦合改良系统，其特征在于：所述能源动力子系统包括安装在管理房内的风光互补控制器（17），以及与所述风光互补控制器（17）电性连接的风力发电机组（18）、太阳能发电机组（19）和蓄电池组（20），所述风光互补控制器与控制器电性连接。
6.根据权利要求1所述的一种盐碱地分布式抽咸改淡排灌耦合改良系统，其特征在于：淡水/微咸水出水管（7）伸至淡水/微咸水调节井侧壁的顶部，灌溉潜水泵安装在淡水/微咸水调节井的底部。
7.根据权利要求1所述的一种盐碱地分布式抽咸改淡排灌耦合改良系统，其特征在于：所述膜淡化装置安装在管理房内。
8.根据权利要求1所述的一种盐碱地分布式抽咸改淡排灌耦合改良系统，其特征在于：所述咸水调节横井为15~17m长的PE波纹横井，其内径为1000~1200mm，咸水调节横井的顶部离地面埋深为2.5~3m。
9.根据权利要求1所述的一种盐碱地分布式抽咸改淡排灌耦合改良系统，其特征在于：所述咸水调节竖井的长度为3.5~4m，其内径为1000mm。
10.权利要求1~9任一项盐碱地分布式抽咸改淡排灌耦合改良系统的使用方法，其特征在于，包括如下方面：
a、在地下水温高于5℃期间，通过控制器开启排水潜水泵，同时关闭灌溉电磁阀，将三通电磁阀调节至咸水入水管与膜淡化装置连通状态，此时通过埋设在田间土壤下的排盐暗管进行集水，地下水经咸水入水管进入膜淡化装置进行脱盐，脱盐的淡水/微咸水经淡水/微咸水出水管进入淡水/微咸水调节井，剩余反渗透浓盐水经浓盐水管排出至排水沟，通过控制器开启灌溉潜水泵，将淡水/微咸水抽入灌溉水管进行灌溉或洗盐；
b、若地下水矿化度满足微咸水灌溉要求，则通过控制器开启排水潜水泵，开启灌溉电磁阀，将三通电磁阀调节至关闭状态，通过排盐暗管上的渗水孔向管内集水，地下水经咸水入水管进入微咸水直灌水管，然后流入灌溉水管进行灌溉；
c、在冬季气温满足咸水结冰灌溉要求，则通过控制器开启排水潜水泵，开启灌溉电磁阀，将三通电磁阀调节至关闭状态，通过排盐暗管上的渗水孔向管内集水，地下水经咸水入水管进入微咸水直灌水管，然后流入灌溉水管进行咸水结冰灌溉；
d、若地下水水位较高而需要进行排水作业时，则通过控制器开启排水潜水泵，关闭灌溉电磁阀，将三通电磁阀调节至咸水入水管与咸水直排水管连通状态，通过排盐暗管上的渗水孔向管内集水，地下水经咸水入水管进入咸水直排水管后直接流入排水沟排出。
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