CN110972906A - 一种潮汐驱动曝气微咸水灌溉系统 - Google Patents

一种潮汐驱动曝气微咸水灌溉系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种潮汐驱动曝气微咸水灌溉系统，属于农业灌溉技术领域，该系统包括海水蓄水池、高压气输气管、灌溉蓄水池、含气灌溉输水管、灌溉总管、灌溉支管、农作物、气液混合头、潮汐驱动高压泵系统；所述的潮汐驱动高压泵系统用于产生高压气体；所述的高压气输气管连接潮汐驱动高压泵系统，用于运输高压气；所述的高压气输气管伸入灌溉蓄水池中将高压气与灌溉水混合，并通过含气灌溉输水管将含气灌溉水运送到农作物的下方土壤中的灌溉总管中，再从灌溉总管流入灌溉支管中。本装置直接由潮汐驱动，灌溉过程无需人力电力，应用于滨海的咸水灌溉，从而缓解淡水资源短缺以及微咸水灌溉时的植物根际缺氧状况，提高作物产量。

Description

一种潮汐驱动曝气微咸水灌溉系统
技术领域
本发明属于农业灌溉技术领域，具体涉及一种潮汐驱动曝气微咸水灌溉系统。
背景技术
随着社会经济的快速发展，农业、工业和生态用水矛盾日益突出，大力发展农业高效节水技术已是大势所趋。
微咸水灌溉可有效缓解粮食产量和农业用水之间的矛盾，但灌溉过程中，土壤水分将土壤空气驱逐开来，造成土壤至少出现暂时性和周期性的滞水，并进而通气性下降。
土壤的空气含量过低会直接影响土壤酶活性，抑制作物对水分和养分的吸收，会造成根际缺氧的状况。曝气灌溉可有效缓解微咸水灌溉时的植物根际缺氧状况，提高作物产量和水分利用率。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种潮汐驱动曝气微咸水灌溉系统，该灌溉系统可以实现潮汐驱动曝气并直接利用，同时，利用微咸水缓解农业用水的矛盾，提高作物产量和水分利用率。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种潮汐驱动曝气微咸水灌溉系统，设置在外海和岸相接之处，用于灌溉农作物，该系统包括设置在岸上的海水蓄水池，在所述的外海和海水蓄水池之间设置用于产生高压气体的潮汐驱动高压泵系统；所述的潮汐驱动高压泵系统通过高压气输气管与灌溉蓄水池相连，将高压气与灌溉水混合；所述的蓄水池设置在靠近农作物的位置，所述的蓄水池通过含气灌溉输水管将含气灌溉水运送到农作物的下方土壤中的灌溉总管中，再从灌溉总管流入灌溉支管中；所述的灌溉支管在农作物下方土壤中间隔布置；其中，所述的潮汐驱动高压泵系统包括依次相连的空气进气管、海水进水管和高压气海水分离管，所述的高压气海水分离管与高压气出气管和海水出水管分别相连。
所述高压气海水分离管预留与海水进水管、高压气出气管、海水出水管直径相同的管段，并与该管段之间采用焊接连接；所述高压气海水分离管需提前预制，运输到现场以后，将预制管段部分分别对应与海水进水管、高压气出气管、海水出水管法兰连接；采用支架将所述空气进气管固定安装在海水进水管正中央位置；所述高压气输气管、含气灌溉输水管、灌溉总管、灌溉支管之间采用粘结连接。
进一步的，以最不利工况确定所述的灌溉总管直径，按下式计算：
Figure BDA0002282325930000021
式中，D为灌溉总管直径(mm)，Q为设计流量(m3/h)，V为流速(m/s)。
进一步的，所述的海水蓄水池为天然洼地或人工开挖；所述的海水蓄水池的面积与潮汐驱动高压泵系统的流量相配合，海水蓄水池的蓄水量按照下式计算：
V＝(1.3～1.5)tQ (II)；
式中，V为海水蓄水池的蓄水体积，Q为潮汐驱动高压泵系统的总流量，t为循环周期，以6h计算常规半日潮海岸，以12h计算常规常规全日潮海岸。
进一步的，所述的空气进气管的顶端始终伸出水面，空气进气管的底端伸入海水进水管中，由高强度的耐腐蚀材料制成；所述的空气进气管的为单根管或多根的组合管，通过连接部件固定于海水进水管上方。
进一步的，所述的海水进水管内部流通空气与海水的混合物，海水进水管的顶高程在低潮位以下，海水进水管由高强度耐腐蚀材料制成；海水进水管上端口设置过滤过滤格栅，在海水进水管上设置有止水阀，当外海达到高潮位时，打开靠外海侧海水进水管的止水阀，并在两侧水位持平时关闭；当外海达到低潮位时，打开靠海水蓄水池侧空气进气管的止水阀，并在两侧水位持平时关闭。
进一步的，在所述的高压气海水分离管管内部，高压气与海水分离；高压气海水分离管与海水进水管、高压气出气管、海水出水管均焊接连接。
进一步的，所述的高压气出气管由高强度抗腐蚀材料制成，其下端连接高压气海水分离管，上端连接高压气输气管；所述的海水出水管由高强度抗腐蚀材料制成，其下端连接高压气海水分离管，上端连接外海或海水蓄水池。
进一步的，所述的高压气输气管的一段连接高压气出气管，另一端连接气液混合头。
进一步的，所述的灌溉蓄水池内的水用于灌溉；所述的含气灌溉输水管的一段连接气液混合头，另一端连接灌溉总管，用于运输含气灌溉水。
进一步的，所述的农作物和灌溉蓄水池的距离应保持在10～50m之间；所述的灌溉总管和灌溉支管埋设在农作物的下方土壤中，用于农作物的灌溉；在灌溉支管上分布有均匀的小孔，将含气灌溉水按一定的速率灌溉入土壤中；所述的灌溉总管和灌溉支管的管网可以按照梳齿形、丰字形、环状排列。
若灌溉总管长度是500m，且当Q＝32m3/h，V＝1.50m/s，可得D＝86.88mm，初步选择灌溉总管采用
Figure BDA0002282325930000031
壁厚为3.50mm，公称压力为0.80MPa的PVC管；规定每条灌溉支管有128个小孔，每个小孔的流量为59.40L/h，那么每条灌溉支管的流量计算得7.60m3/h，规定这个案例中每条灌溉支管长135m，灌溉支管为
Figure BDA0002282325930000032
的PE管，壁厚2.90mm。
有益效果：与现有技术相比，本发明的一种潮汐驱动曝气微咸水灌溉系统：
1)利用潮汐能代替传统的电力实现曝气，实现清洁能源的利用，防止在曝气的过程中产生污染物，破坏生态环境。曝气系统需要消耗大量能源，大大增加了曝气的成本；
2)曝气装置的曝气过程需要通过泵来实现，泵的稳定运作直接影响到整个灌溉的过程的发生。在推广过程中，对泵的功率有较大要求，尤其在没有电网覆盖的区域，便无法实现曝气。本装置直接由潮汐驱动，灌溉过程无需人力电力；
3)本装置的主体均埋设在地下，所以受地形影响较小，任何有潮差的沿海均可以建设这套系统。在运行过程中，不会受到极端天气和波浪的侵蚀，能保证长期平稳运行；
4)本系统实现了气的现场制备并立即使用，无需将高压气长距离运输和长时间储存，从而减少高压气的消耗和流失，提高了高压气的利用率；
5)曝气灌溉可以提高农作物的产量，也可以应用于滨海的咸水灌溉，改善根系缺氧状况，从而节约淡水资源，缓解目前淡水资源短缺的状况。
附图说明
图1是潮汐驱动曝气微咸水灌溉系统的结构示意图；
图2是潮汐驱动曝气微咸水灌溉系统的系统布置示意图；
图3是垂直下流管两相流形成机理示意图；
附图标记为：1-外海，2-海水蓄水池，3-空气进气管，4-海水进水管，5-高压气海水分离管，6-高压气出气管，7-海水出水管，8-高压气输气管，9-灌溉蓄水池，10-含气灌溉输水管，11-灌溉总管，12-灌溉支管，13-农作物，14-气液混合头，15-潮汐驱动高压泵系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1-2所示，一种潮汐驱动曝气微咸水灌溉系统，该系统包含外海1、海水蓄水池2、高压气输气管8、灌溉蓄水池9、含气灌溉输水管10、灌溉总管11、灌溉支管12、农作物13、气液混合头14、潮汐驱动高压泵系统15。
潮汐驱动高压泵系统15由空气进气管3、海水进水管4、高压气海水分离管5、高压气出气管6、海水出水管7组成，设置在外海1和海水蓄水池2之间，用于产生高压气体。高压气输气管8连接潮汐驱动高压泵系统15，用于运输高压气。灌溉蓄水池9设置在靠近农作物13的位置，高压气输气管8伸入灌溉蓄水池9中将高压气与灌溉水混合，并通过含气灌溉输水管10将含气灌溉水运送到农作物13的下方土壤中的灌溉总管11中，再从灌溉总管11流入灌溉支管12中。灌溉支管12在农作物13下方土壤中间隔一定距离均匀布置。灌溉支管12间隔的离参考《微灌工程技术规范》(GB/T50485-2009)，《机井技术规范》(SL/256-2000)，《节水灌溉工程技术规范》(GB/T50363-2006)《节水灌溉工程实用手册》(中国水利水电出版社)。
以最不利工况确定灌溉总管11直径，按下式计算：
Figure BDA0002282325930000041
式中，D为灌溉总管11直径(mm)，Q为设计流量(m3/h)，V为流速(m/s)。
海水蓄水池2为天然洼地或人工开挖，用于蓄外海的海水。海水蓄水池2的面积与潮汐驱动高压泵系统15的流量相配合，潮汐驱动高压泵系统15的流量越大，则海水蓄水池2的蓄水量也需越大。海水蓄水池2的蓄水量按照下式计算：
V＝(1.3～1.5)tQ (II)；
式中，V为海水蓄水池2的蓄水体积，Q为潮汐驱动高压泵系统15的总流量，t为循环周期，以6h计算常规半日潮海岸，以12h计算常规常规全日潮海岸。
海水蓄水池2的岸坡顶高程高于高潮位，底高程低于低潮位。若百年一遇极端高水位为5.90m，设计高水位为4.83m，设计低水位为0.57m，百年一遇极端低水位为-0.63m。海水蓄水池2的岸坡顶高程定为极端高水位5.90m，底高程为百年一遇极端低水位-0.63m。海水蓄水池2的岸坡需加固，确保其蓄水能力保持稳定。
空气进气管3的顶端始终伸出水面，空气进气管3的底端伸入海水进水管4中，由高强度的耐腐蚀材料制成，用于将空气带入海水进水管4中，与海水混合。空气进气管3的可以为单根管，也可以为多根的组合管，通过连接部件固定于海水进水管4上方，连接部件不可影响空气和海水的流通。空气进气管3的横截面积为海水进水管4横截面积的10％～20％为宜。空气进气管3可以选用直径不同的单管(25mm，32mm，40mm，50mm，75mm和110mm)和组合进气管(7根直径为32mm的管道，19根直径为25mm的管道)。
海水进水管4内部流通空气与海水的混合物，海水进水管4的顶高程在低潮位以下，海水进水管4由高强度耐腐蚀材料制成。海水进水管4上端口设置过滤过滤格栅，防止鱼类、浮游动物、植物流入海水进水管4而引起管道堵塞。海水进水管4可以采用抗腐蚀性好的混凝土管或阴极保护的金属管制成。海水进水管4的管径不宜过大过小，在10cm～40cm之间为宜，且满足表1.1的要求。为满足产生更多高压气的要求，可以设置多组潮汐驱动高压泵系统15以满足使用要求。在海水进水管4上设置有止水阀，当外海达到高潮位时，打开靠外海1侧海水进水管4的止水阀，并在两侧水位持平时关闭；当外海达到低潮位时，打开靠海水蓄水池2侧空气进气管3的止水阀，并在两侧水位持平时关闭。
表1.1海水进水管4管径取值表
Figure BDA0002282325930000051
高压气海水分离管5，由高强度抗腐蚀材料制成，在高压气海水分离管5管内部，高压气与海水分离。高压气海水分离管5与海水进水管4、高压气出气管6、海水出水管7均焊接连接，具有良好的气密性和水密性，能够承受来自内外部的高压。高压气海水分离管5一般由高强度的合金提前预制，并需要进行气密性和水密性的测试，高压气海水分离管5外由混凝土保护，以延长其使用寿命。高压气海水分离管5的埋深越大，产生的高压气压力越高，但是受地质条件限制并考虑经济效益，高压气海水分离管5的埋深不宜过大，大约5m～10m为宜。高压气海水分离管5的直径应稍大，一般50cm～100cm为宜，以确保海水和高压气能充分地分离。
高压气出气管6由高强度抗腐蚀材料制成，用于排出高压气，其下端连接高压气海水分离管5，上端连接高压气输气管8。
海水出水管7由高强度抗腐蚀材料制成，用于排出海水，其下端连接高压气海水分离管5，上端连接外海1或海水蓄水池2。海水出水管7的管径一般越大越好，但不可大于高压气海水分离管5的管径，可以按照表1.2取值。海水出水管7可以采用抗腐蚀性好的混凝土管或阴极保护的金属管制成。
表1.2海水出水管7取值表(单位：mm)
Figure BDA0002282325930000061
高压气输气管8的一段连接高压气出气管6，另一端连接气液混合头14，用于运输高压气。高压气输气管8的长度根据灌溉需要而定，但是高压气输气管8的长度越长，在运输过程中失去的高压气越多，因此农作物13和潮汐驱动高压泵系统15的距离应尽量靠近。对靠近海岸生长的农作物，本系统能形成良好的经济效益。但由于长距离运输高压气成本过高，本系统不适用于生长在内陆地区的农作物。
灌溉蓄水池9内的水用于灌溉，为开敞式，或为封闭式。灌溉蓄水池9内的灌溉水可以为微咸水，也可以为淡水。
含气灌溉输水管10的一段连接气液混合头14，另一端连接灌溉总管11，用于运输含气灌溉水。含气灌溉输水管10的长度根据灌溉需要而定，但是含气灌溉输水管10的长度越长，在运输过程中沿程水头损失越大，因此农作物13和灌溉蓄水池9的距离应尽量靠近。一般而言，农作物13和灌溉蓄水池9的距离应保持在10～50m之间。
灌溉总管11和灌溉支管12埋设在农作物13的下方土壤中，用于农作物13的灌溉。在灌溉支管12上分布有均匀的小孔，将含气灌溉水按一定的速率灌溉入土壤中。灌溉总管11和灌溉支管12的管网可以按照梳齿形、丰字形、环状排列。
该曝气灌溉系统的工作过程是：当外海1达到高潮位时，打开靠近外海1一侧海水进水管4的止水阀。海水夹带空气进入海水进水管4，并在水位差的作用下，在海水进水管4的下端口，压力达到最大值，海水和空气的混合物最终在高压气海水分离管5内分离。当外海1达到低潮位时，打开靠近海水蓄水池2一侧海水进水管4的止水阀。海水夹带空气进入海水进水管4，并在水位差的作用下，在海水进水管4的下端口，压力达到最大值，海水和空气的混合物最终在高压气海水分离管5内分离。试验研究表明，海水通过双向输水管3后，能产生52～69kPa的压力。分离的高压气从高压气出气管6中排出潮汐驱动高压泵系统15并进入高压气输气管8运输到气液混合头14，高压气的压力驱动含气灌溉水通过含气灌溉输水管10进入灌溉总管11和灌溉支管12，最终含气灌溉水通过灌溉支管12上的小孔进入土壤，实现曝气灌溉。
若灌溉总管11长度是500m，且当Q＝32m3/h，V＝1.50m/s，可得D＝86.88mm，初步选择灌溉总管11采用
Figure BDA0002282325930000071
壁厚为3.50mm，公称压力为0.80MPa的PVC管。规定每条灌溉支管12有128个小孔，每个小孔的流量为59.40L/h，那么每条灌溉支管12的流量计算得7.60m3/h，规定这个案例中每条灌溉支管12长135m，灌溉支管12为
Figure BDA0002282325930000072
的PE管，壁厚2.90mm。
工作原理：灌溉过程中土壤水分进入将土壤空气驱逐开来，造成土壤至少出现短暂性和周期性的滞水，并进而通气性下降。土壤的空气含量过低会直接影响土壤酶活性，抑制作物对水分和养分的吸收。微咸水灌溉可有效缓解粮食产量和农业用水之间的矛盾，但会造成根际缺氧的状况。曝气灌溉可有效缓解植物根际缺氧状况，提高作物产量和水分利用效率。灌溉过程中水和氧沿程分布状况影响着作物均一协调的生长。曝气产生的微氧气泡与水均匀混掺，实现了灌溉水氧超饱和，有利于长管道输水，并可根据作物氧气需求调控曝气水中溶解氧。
与常规地下滴灌相比，曝气灌溉可促进根系生长，其中郑州黏土和洛阳粉壤土曝气灌溉根系活力分别显著增大46.36％和16.79％(P<0.05)，根干质量分别显著增大35.33％和26.22％(P<0.05)。曝气灌溉处理净光合速率较常规地下滴灌有显著提高(P<0.05)，其中郑州黏土、洛阳粉壤土、驻马店砂壤土依次增大了17.69％、12.41％和21.43％。循环曝气处理有效提高了作物氮、磷、钾的吸收效率，其中，郑州黏土和洛阳粉壤土氮素吸收量较常规地下滴灌分别显著提高23.68％和27.72％(P<0.05)；3种土壤曝气灌溉作物磷、钾吸收效率均有显著提高(P<0.05)，其中郑州黏土分别增加了27.54％和62.81％，洛阳粉壤土增加了25.20％和63.26％，驻马店砂壤土增加了26.86％和23.97％。循环曝气灌溉能显著提高小白菜产量和水分利用效率，其中，郑州黏土和洛阳粉壤土小白菜地上部鲜质量较常规地下滴灌分别提高了58.42％和62.03％，水分利用效率分别提高了27.86％和16.47％。研究表明，曝气灌溉可以显著促进春小麦、冬小麦、小白菜等农作物根系生长，增强作物长势，提高产量。
在垂直下水管中发生的液气能量转换过程作为两相流问题进行的研究中，试验测试了潮差为2m～6m工况，都达到了良好的产生高压气效果。对于垂直下水管，当潮汐能海岸水流量足够大时，管道的上部形成一个液封，管道内部形成一个封闭的空间。矩形的进水槽、直径渐变的管道和垂直下水管用胶水密闭连接，进水槽内为进气管以及进气管周围固定装置。
如图3所示，在垂直下水管中，所有的水颗粒都受到重力的影响。在垂直下水管的不同位置的每一单位体积水的流速都不同。流体在相对位置较低的管道部位会产生更高的流速，且流速随着流动路程的增加而增加，上下水体彼此分开。当水体彼此分离时，在封闭空间内会产生了一个负的压力。为了平衡这种不平衡力，填充流便开始倾向于进入断裂主流的间隙中，直到达到两个部分之间的压力平衡。在这一部位上面是气相，下面是液气混合相。相比之下，在管道的其他部分的上下两面，均为液气混合相。当设备被激活的初始时刻，在垂直下水管道中会产生一个液气相的非均相流场，气相与液相间断性的向下流动，引起管道间断性的振动。当设备被激活一段时间以后，垂直下水管中非均匀的两相流逐步发展，形成了稳定均匀的两相流形式，两相流体在下水管中持续流动，无明显间断。流体在垂直下水管中下落一定距离后，每单位空气承受着来自上方两相流柱体的越来越大的压力，最终在管道末端形成高压气体。将本装置运用于潮汐海岸，能够实现高压气的生产后直接使用于曝气灌溉，提高农作物产量。

Claims (10)

1.一种潮汐驱动曝气微咸水灌溉系统，设置在外海(1)和岸相接之处，用于灌溉农作物(13)，其特征在于：该系统包括设置在岸上的海水蓄水池(2)，在所述的外海(1)和海水蓄水池(2)之间设置用于产生高压气体的潮汐驱动高压泵系统(15)；所述的潮汐驱动高压泵系统(15)通过高压气输气管(8)与灌溉蓄水池(9)相连，将高压气与灌溉水混合；所述的蓄水池(9)设置在靠近农作物(13)的位置，所述的蓄水池(9)通过含气灌溉输水管(10)将含气灌溉水运送到农作物(13)的下方土壤中的灌溉总管(11)中，再从灌溉总管(11)流入灌溉支管(12)中；所述的灌溉支管(12)在农作物(13)下方土壤中间隔布置；其中，所述的潮汐驱动高压泵系统(15)包括依次相连的空气进气管(3)、海水进水管(4)和高压气海水分离管(5)，所述的高压气海水分离管(5)与高压气出气管(6)和海水出水管(7)分别相连。
2.根据权利要求1所述的一种潮汐驱动曝气微咸水灌溉系统，其特征在于：以最不利工况确定所述的灌溉总管(11)直径，按下式计算：
Figure FDA0002282325920000011
式中，D为灌溉总管(11)直径，mm，Q为设计流量，m3/h，V为流速，m/s。
3.根据权利要求1所述的一种潮汐驱动曝气微咸水灌溉系统，其特征在于：所述的海水蓄水池(2)为天然洼地或人工开挖；所述的海水蓄水池(2)的面积与潮汐驱动高压泵系统(15)的流量相配合，海水蓄水池(2)的蓄水量按照下式计算：
V＝(1.3～1.5)tQ (II)；
式中，V为海水蓄水池(2)的蓄水体积，Q为潮汐驱动高压泵系统(15)的总流量，t为循环周期，以6h计算常规半日潮海岸，以12h计算常规常规全日潮海岸。
4.根据权利要求1所述的一种潮汐驱动曝气微咸水灌溉系统，其特征在于：所述的空气进气管(3)的顶端始终伸出水面，空气进气管(3)的底端伸入海水进水管(4)中，由高强度的耐腐蚀材料制成；所述的空气进气管(3)的为单根管或多根的组合管，通过连接部件固定于海水进水管(4)上方。
5.根据权利要求1所述的一种潮汐驱动曝气微咸水灌溉系统，其特征在于：所述的海水进水管(4)内部流通空气与海水的混合物，海水进水管(4)的顶高程在低潮位以下，海水进水管(4)由高强度耐腐蚀材料制成；海水进水管(4)上端口设置过滤过滤格栅，在海水进水管(4)上设置有止水阀，当外海达到高潮位时，打开靠外海(1)侧海水进水管(4)的止水阀，并在两侧水位持平时关闭；当外海达到低潮位时，打开靠海水蓄水池(2)侧空气进气管(3)的止水阀，并在两侧水位持平时关闭。
6.根据权利要求1所述的一种潮汐驱动曝气微咸水灌溉系统，其特征在于：在所述的高压气海水分离管(5)管内部，高压气与海水分离；所述的高压气海水分离管(5)与海水进水管(4)、高压气出气管(6)和海水出水管(7)均焊接连接。
7.根据权利要求1所述的一种潮汐驱动曝气微咸水灌溉系统，其特征在于：所述的高压气出气管(6)由高强度抗腐蚀材料制成，其下端连接高压气海水分离管(5)，上端连接高压气输气管(8)；所述的海水出水管(7)由抗腐蚀材料制成，其下端连接高压气海水分离管(5)，上端连接外海(1)或海水蓄水池(2)。
8.根据权利要求1所述的一种潮汐驱动曝气微咸水灌溉系统，其特征在于：所述的高压气输气管(8)的一段连接高压气出气管(6)，另一端连接气液混合头(14)。
9.根据权利要求1所述的一种潮汐驱动曝气微咸水灌溉系统，其特征在于：所述的灌溉蓄水池(9)内的水用于灌溉；所述的含气灌溉输水管(10)的一段连接气液混合头(14)，另一端连接灌溉总管(11)，用于运输含气灌溉水。
10.根据权利要求1所述的一种潮汐驱动曝气微咸水灌溉系统，其特征在于：所述的农作物(13)和灌溉蓄水池(9)的距离应保持在10～50m之间；所述的灌溉总管(11)和灌溉支管(12)埋设在农作物(13)的下方土壤中，用于农作物(13)的灌溉；在灌溉支管(12)上分布有均匀的孔，将含气灌溉水灌溉入土壤中；所述的灌溉总管(11)和灌溉支管(12)的管网按照梳齿形、丰字形或环状排列。
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