CN111248061B - 一种循环可调节式农作物用水灌溉系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种循环可调节式农作物用水灌溉系统，包括用于在农作物种植土内形成分层，并在农作物根系部位形成植物根系的直接水培空间的水土隔层单元，还包括供水单元、数据采集分析模块和由数据采集分析模块对软土层的含水量检测数据以及水土隔层单元内的水位数据分析结果，控制工作的雾化滴灌模块，及灌溉方法为先形成具有蒸腾梯度的农作物种植区，设置灌溉水通道，由供水系统保持灌溉水通道内的水流，实现水培内循环，实时控制灌溉水通道内的水位，并通过使用滴灌的方式进行组合灌溉，使得农作物种植区的土壤中水分自然渗入灌溉水通道，形成滴灌外循环，高效的实现了农作物的浇灌以及提高植物的蒸腾作用。

Description

一种循环可调节式农作物用水灌溉系统及方法
技术领域
本发明实施例涉及大棚农作物种植技术领域，具体涉及一种循环可调节式农作物用水灌溉系统及方法。
背景技术
现有的大棚自动灌溉系统一般均匀的进行灌溉，但是其实大棚土壤湿度分布不均匀，靠近棚架两侧的土壤，由于棚外水分渗透较多，加上棚膜上水滴的流淌因此大棚外侧的土壤湿度较大，大棚中部则比较干燥。
并且由于不同农作物的蒸腾作用不一样，而传统的传感器只能监测到整体的农作物生长空间的温湿度变化，没法实现对不同植物的不同浇灌控制，同时大棚中空内部空间较为封闭，因而在雨雪天气，大棚中很容易产生内涝，而土壤中的水分则无法通过人工的方式快速的排出，在长期的阴雨天气中，容易出现烂根的现象。
干燥的区域和湿润区域对于水的要求不完全一样，若不进行区分进行灌溉，全部均匀灌溉容易造成分布不均。
发明内容
为此，本发明实施例提供一种循环可调节式农作物用水灌溉系统及方法，有效的解决由于不同农作物的蒸腾作用不一样，而传统的传感器只能监测到整体的农作物生长空间的温湿度变化，没法实现对不同植物的不同浇灌控制，同时大棚中空内部空间较为封闭，因而在雨雪天气，大棚中很容易产生内涝，而土壤中的水分则无法通过人工的方式快速的排出，在长期的阴雨天气中，容易出现烂根的现象的问题。
为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：
一种循环可调节式农作物用水灌溉系统，包括
水土隔层单元，用于在农作物种植土的硬土层和软土层之间形成分层，并在农作物根系部位形成植物根系的直接水培空间；
供水单元，连接水土隔层单元形成循环供水网络；
数据采集分析模块，用于连接水土隔层单元和探地雷达系统，并接收探地雷达系统对于软土层的含水量检测数据和水土隔层单元内的水位数据，控制供水单元向水土隔层单元的供水量；
雾化滴灌模块，连接供水单元和数据采集分析模块，并由数据采集分析模块对软土层的含水量检测数据以及水土隔层单元内的水位数据分析结果，控制雾化滴灌模块工作。
作为本发明的一种优选方案所述水土隔层单元包括中空层板，以及设置中空层板内的镂空层，所述中空层板的表面均匀排列有延伸至中空层板内底部的导水柱，所述中空层板与软土层的接触面上设置有降解层，位于降解层两侧的中空层板边缘设置有挡板。
作为本发明的一种优选方案所述供水单元包括通过管道分别连接由一个或多个中空层板拼接形成的整体的两端的水池，且所述水池的一端设置有向中空层板内部通过管道供水的变频水泵，所述水池中间设置有水位挡板。
作为本发明的一种优选方案所述雾化滴灌模块包括位于水土隔离单元四周的墙板，以及安装在墙板上的管路支架，所述墙板的底部设置有实现墙板高度变化的升降装置，所述管路支架上设置有与中空层板在空间位置上呈垂直关系的输水横杆，所述输水横杆上设置有雾化滴灌喷头。
作为本发明的一种优选方案所述探地雷达系统的发射机和接收机安装在输水横杆的两端，并且相邻两个输水横杆上的发射机和接收机的位置相反。
作为本发明的一种优选方案所述中空层板的顶部为分布有孔洞的平面板，所述中空层板的底部为根据地势呈倾斜面的实心板，所述中空层板的两端为密封结构，且所述中空层板在存在地势差的农作物种植土壤中为与地势差相配合的梯形。
作为本发明的一种优选方案所述管路支架的一侧设置有过滤集雨槽，且所述过滤集雨槽的一端通过管道连接至水池。
本发明提供了一种循环可调节式农作物用水灌溉方法，包括具体步骤：
S100、按照地势高低，规建农作物种植土壤，自高地势区至低地势区依次形成多个种植区域，并根据农作物蒸腾效率对不同农作物进行划区种植，形成具有蒸腾梯度的农作物种植区；
S200、在农作物种植区的土壤中从高蒸腾农作物种植区向低蒸腾农作物种植区设置能够被农作物根系延伸进入的灌溉水通道，由供水系统保持灌溉水通道内的水流，实现水培内循环，并在每个农作物种植区的灌溉水通道内设置温湿度传感器和水位传感器，同时通过设置探地雷达系统采集农作物种植区的土壤的含水量；
S300、通过控制系统综合分析温湿度传感器和水位传感器和探地雷达系统采集的数据，以及结合天气气象数据，实时控制灌溉水通道内的水位，并在高蒸腾农作物的蒸腾速率低于正常水平时关闭灌溉水通道，使用滴灌的方式进行组合灌溉，使得农作物种植区的土壤中水分自然渗入灌溉水通道，形成滴灌外循环。
作为本发明的一种优选方案在S200中，根据植物的根系长度确定种植土壤的软土层的厚度，并将灌溉水通道位设置于土壤的硬土层和软土层之间，使得植物在自然生长状态下，根系能够位于软土层和灌溉通道中。
作为本发明的一种优选方案在S300中，根据农作物生长习性对灌溉水通道中进行主动供水和排水具体的方式为通过探地雷达系统获取土壤中的含水量，并通过土壤的含水量控制灌溉通道内的水位，以及在雨天通过灌溉通道主动排水，在寒冷天气通过灌溉通道注入高于零度的灌溉水，用于对种植土进行解冻。
本发明的实施方式具有如下优点：
本发明利用水培种植的原理将农作物的种植土层进行分离，形成用于对农作物根系部分吸收的水分进行水培内循环和滴灌外循环的双循环调节控制方式，通过干涉植物蒸腾过程，并优化植物蒸腾作用过程中的水灌溉方式，从而有效的实现农作物的有效浇灌以及浇灌水体循环利用，并且在种植大面积的农作物时，可根据软土层的土壤渗流水势将水土隔层单元两侧也开设有渗水孔，进而减少水土隔层单元的造价成本，同时实现更大面积的精准浇灌。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
图1为本发明实施方式中一种循环可调节式农作物用水灌溉系统的部分立体结构示意图。
图中：
1-中空层板；2-镂空层；3-导水柱；4-降解层；5-挡板；6-水池；7-变频水泵；8-水位挡板；9-墙板；10-升降装置；11-管路支架；12-输水横杆；13-雾化滴灌喷头；14-过滤集雨槽；15-探地雷达系统。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例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。
如图1所示，本发明提供了一种循环可调节式农作物用水灌溉系统，包括
水土隔层单元，用于在农作物种植土的硬土层和软土层之间形成分层，并在农作物根系部位形成植物根系的直接水培空间；
供水单元，连接水土隔层单元形成循环供水网络；
数据采集分析模块，用于连接水土隔层单元和探地雷达系统，并接收探地雷达系统对于软土层的含水量检测数据和水土隔层单元内的水位数据，控制供水单元向水土隔层单元的供水量；
雾化滴灌模块，连接供水单元和数据采集分析模块，并由数据采集分析模块对软土层的含水量检测数据以及水土隔层单元内的水位数据分析结果，控制雾化滴灌模块工作。
本发明通过对农作物种植的土壤进行分层，并在土壤中形成对农作物的根系部进行直接的流动性供水，在土壤中形成农作物的水培方式，使得农作物的一部分根茎吸收土壤的水分，另一部分根茎延伸入水土隔层单元中，吸收水分。
相当于对水培方式以及土壤种植的方式进行结合，将根茎的底端采用水培方式，根茎的中端采用土壤培养的方式，而现有中的集中农作物生长方式存在的缺陷如下：
土壤种植，从表土层施肥和水，农作物的根系部最底部不能够直接接触较多的水分，而往往，根系部底端是最底部的需水量是最大的。
水培方式，是无土栽培方式，直接采用营养液，这样对营养液的需求较大，而且需要定期补充等，人工成本和原料成本较大，而且重点是缺乏自然土壤的重要元素。
而本实施例采取的这种方式，有效的结合两者，可以通过在供水设备内添加部分营养元素，对农作物根系部的营养进行强化，从而提高农作物的生产质量。
具体的，设置水土隔层单元有三方面作用：
第一、能够对农作物的根系部进行直接的供水以及供水水量控制，进而干涉植物在蒸腾作用中对水分的需求；
第二、通过将土壤进行分层，使得用于种植农作物的土壤中的肥料被有效的保留，避免在降雨以及自然环境种植情况下的流失，并且能够快速的排出种植农作物的土壤在雨雪状态下中水分的渗透累积，快速调整土壤的水分含量；
第三、在传统的检测土壤的温湿度和含水量时均需要将传感器埋设在农作物的根系部，而由于作物的土壤需要一定的除草和其他处理，使得土壤被翻动，进而传感器被破坏的可能性较大，而在传统的红外探测过程中，由于受到土壤吸收的影响，其测量精准度无法保证，通过水土隔层单元能够将需要检测的种植土壤与底层基层土壤分离出来，并通过水土隔层单元形成电波反射，进而提高土壤水含量检测的精准度，避免了传统的有限传感器和无线传感器的弊端。
水土隔层单元包括中空层板1，以及设置中空层板1内的镂空层2，中空层板1的表面均匀排列有延伸至中空层板1内底部的导水柱3，中空层板1上设置有降解层4，位于降解层4两侧的中空层板1边缘设置有挡板5。
本发明中的降解层4可以是现有的淀粉基降解材料、或者植物秸秆茎以及植物加工废料，其厚度与挡板5的高度相同。
在本实施例的降解层4与中空层板1之间还可以设置菌肥叠压层，主要是通过细土、放线菌、乳酸菌、酵母菌、光合菌、固氮菌以及动物粪等原料便压制而成的板材结构，相当于将各类元素集合至细土中，通过压制成型来降低其分解流动的速率。
降解层主要是通过秸秆粉等生物材料压制而成的板材结构，较为疏松，主要起到提高吸水率的功能，使得底部的水分更容易引导至软土层，并且降解层与软土层较为紧密接触，农作物的根系部也可以部分伸入降解层来更好的吸收水分和营养。
可以将中空层板1的的顶层表面为与所述菌肥叠压层紧密接触的水渗透材质；通过上表面的水渗透材质渗透出去至菌肥叠压层吸收，该渗透材质仅设置能够渗透水分为即可，不需要太大的渗透能力。
如果增加菌肥叠压层的话，可以增加软土层的厚度，使得根系部一般只能到达降解层，部分与菌肥叠压层接触，并且同时将中空层板1的厚度减小，也就是内部的流水通道的高度缩小，降低水流的动力，只需要满足能够在内部形成整体水流即可，并且使得水流能够从水渗透材质进行渗透。
进一步地，可以在水流经过中空层板1后回流至供水设备的位置设置控制阀，来控制回流的水流量，从而控制中空层板1内部水的量和对顶层的挤压力度，提高渗透能力。
在实际的浇灌过程中，可根据不同植物的不同蒸腾速率，将若干个中空层板1密封连接成长条状或者方状，形成具有蒸腾梯度的种植区，并且通过供水单元串联若干个中空层板1，供水单元中的水体从中空层板1的一端流入，另一端流出。
在种植农作物过程中，将农作物种植在导水柱3上方的农作物种植上，通过导水柱3将流动在中空层板1中的水体通过渗透的方式传输至降解层4，并通过降解层4的渗透至农作物的种植土内，由于提供了水环境，使得降解层4能够在短时间内被降解，在提高土壤的营养成分的同时，通过导水柱3能够实现与中空层板1内的水进行接触渗透。
所述供水单元包括通过管道分别连接由一个或多个中空层板1拼接形成的整体的两端的水池6，且所述水池6的一端设置有向中空层板3内部通过管道供水的变频水泵7，所述水池6中间设置有水位挡板8，水池6中间设置有水位挡板8，通过水位挡板8能够将水池6一侧的经过静置后的水体溢出至水池6另一侧，从而完成简单的水池6水体过滤，也可以通过添加过滤网的方式进行过滤。
雾化滴灌模块包括位于水土隔离单元四周的墙板9，以及安装在墙板9上的管路支架11，墙板9的底部设置有实现墙板9高度变化的升降装置10，管路支架11上设置有与中空层板1在空间位置上呈垂直关系的输水横杆12，输水横杆12上设置有雾化滴灌喷头13。
通过升降装置10改变雾化滴灌喷头模块工作时，减少外界流动风的影响，使得雾化滴灌喷头13的喷出的较大直径的水滴能够均匀的分布在农作物种植区。
探地雷达系统15的发射机和接收机安装在输水横杆12的两端，并且相邻两个输水横杆12上的发射机和接收机的位置相反，其作用时，通过接收机接收来自多个方向的发射机发出经过软土层反射回来的电波信号，在增大检测面积的同时，也能够对自身区域的土壤含水检测进行校准，并获取在同一方向上的土壤含水率的变化梯度。
传统的土壤湿度和水分传感器采集的土壤湿度和水分的范围有限，进而在大片农作物种植过程中则需要铺设较大数量的传感器来完成土壤含水量采集；
而在实际用探地雷达进行土壤的含水量检测的过程中，由于其探地雷达是利用天线发射和接收高频电磁波来探测介质内部物质特性和分布规律的一种地球物理方法，并且由于土壤中的物质对电磁波具有一定的吸收作用，因此传统的探地雷达无法精准的探测具体的土壤水，并且含水量也包括了软土层和硬土层的双重含水量，而硬土层的含水量数据对农作物的根系的影响较小，进而造成检测的数据冗余。
本发明通过中空层板1限制和尽可能反射探地雷达的电磁波，从而使得检测的土壤的含水量仅仅包括软土层，即植物根系部分的含水量
并且中空层板1中的含水量可以作为硬土层的土壤含水量的分割条件和精确化数据测量的数据选择标准。
本发明可以通过探地雷达系统15对土壤中的含水量进行实时的监测，从而替换传统的在土壤中设置传感器的方式。
本发明中的升降装置10具体可以是气压缸、液压杆缸以及丝杠组件中的任意一种。
当在夏季植物的蒸腾作用较大时，通过升降装置10实现管路支架11的上升，使得管路支架11与墙板9脱离，进而实现内部的通风换气，并同变频水泵7将水池6中水泵入输水管路12中，并通过雾化滴灌喷头13喷出。
抬升的管路支架11使得雾化滴灌喷头13的滴灌高度增大，植物蒸腾作用产生的水气被雾化滴灌喷头13形成的水幕所遮挡，能够有效降温的同时，也能够对太阳光产生折射和反射，避免植物收到阳光直射，并且中空层板1中的水位可位于最高位置，进而使得植物的根系充分接触水源。
当在冬季植物的蒸腾作用减少时，管路支架11与墙板9保留换气空隙或者完全闭合连接，完全采用雾化滴灌的方式进行灌溉，减少根系处的水分。
本发明中存在两种方式的水体循环，一种是通过水池6、中空层板1以及变频水泵7，该部分的水体循环较慢，并且可以通过变频水泵7的变频输送控制中空层板1中的水位，进而精确的控制植物根系的吸收效率。
另一种是通过水池6、变频水泵7、管路支架11、雾化滴灌喷头13以及中空层板1进行水路循环。
从而实现农作物生长过程中的水分的精确控制，避免传统浇灌过程中的水体蒸发流失以及提高土壤的种植效率。
中空层板1的顶部为分布有孔洞的平面板，中空层板1的底部为根据地势呈倾斜面的实心板，所述中空层板1的两端为密封结构，且所述中空层板1在存在地势差的农作物种植土壤中为与地势差相配合的梯形，且实心板的倾斜角度为10～20°。
在种植大面积的农作物时，可根据软土层的土壤渗流水势将中空层板1两侧也开设有导水柱3，进而减少中空层板1的造价成本，同时实现更大面积的精准浇灌，进一步说明的是，本发明中的导水柱3可以是硅胶海绵材料。
管路支架11的一侧设置有过滤集雨槽15，且过滤集雨槽15的一端通过管道连接至水池6。
本发明提供了一种循环可调节式农作物用水灌溉方法，包括具体步骤：
S100、根据蒸腾效率对不同农作物进行划区种植，形成具有蒸腾梯度的农作物种植区；
S200、在农作物种植区的土壤中从高蒸腾农作物种植区向低蒸腾农作物种植区进行渗透灌溉设置能够被植物根系延伸进入的灌溉水通道；
S300、并根据农作物生长习性对灌溉水通道中进行主动供水和排水。
在S200中，根据植物的根系长度确定种植土壤的软土层的厚度，并将灌溉水通道位设置于土壤的硬土层和软土层之间，使得植物在自然生长状态下，根系能够位于软土层和灌溉通道中。
在S300中，根据农作物生长习性对灌溉水通道中进行主动供水和排水具体的方式为通过探地雷达获取土壤中的含水量，并通过土壤的含水量控制灌溉通道内的水位，以及在雨天通过灌溉通道主动排水，在寒冷天气通过灌溉通道注入高于零度的灌溉水。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种循环可调节式农作物用水灌溉系统，其特征在于，包括
水土隔层单元，用于在农作物种植土的硬土层和软土层之间形成分层，并在农作物根系部位形成植物根系的直接水培空间；
供水单元，连接水土隔层单元形成循环供水网络；
数据采集分析模块，用于连接水土隔层单元和探地雷达系统，并接收探地雷达系统对于软土层的含水量检测数据和水土隔层单元内的水位数据，控制供水单元向水土隔层单元的供水量；
雾化滴灌模块，连接供水单元和数据采集分析模块，并由数据采集分析模块对软土层的含水量检测数据以及水土隔层单元内的水位数据分析结果，控制雾化滴灌模块工作；
所述水土隔层单元包括中空层板(1)，以及设置中空层板(1)内的镂空层(2)，所述中空层板(1)的表面均匀排列有延伸至中空层板(1)内底部的导水柱(3)，所述中空层板(1)与软土层的接触面上设置有降解层(4)，位于降解层(4)两侧的中空层板(1)边缘设置有挡板(5)。
2.根据权利要求1所述的一种循环可调节式农作物用水灌溉系统，其特征在于，所述供水单元包括通过管道分别连接由一个或多个中空层板(1)拼接形成的整体的两端的水池(6)，且所述水池(6)的一端设置有向中空层板(1)内部通过管道供水的变频水泵(7)，所述水池(6)中间设置有水位挡板(8)。
3.根据权利要求1所述的一种循环可调节式农作物用水灌溉系统，其特征在于，所述雾化滴灌模块包括位于水土隔离单元四周的墙板(9)，以及安装在墙板(9)上的管路支架(11)，所述墙板(9)的底部设置有实现墙板(9)高度变化的升降装置(10)，所述管路支架(11)上设置有与中空层板(1)在空间位置上呈垂直关系的输水横杆(12)，所述输水横杆(12)上设置有雾化滴灌喷头(13)。
4.根据权利要求1所述的一种循环可调节式农作物用水灌溉系统，其特征在于，所述探地雷达系统(15)的发射机和接收机安装在输水横杆(12)的两端，并且相邻两个输水横杆(12)上的发射机和接收机的位置相反。
5.根据权利要求1所述的一种循环可调节式农作物用水灌溉系统，其特征在于，所述中空层板(1)的顶部为分布有孔洞的平面板，所述中空层板的底部为根据地势呈倾斜面的实心板，所述中空层板(1)的两端为密封结构，且所述中空层板(1)在存在地势差的农作物种植土壤中为与地势差相配合的梯形。
6.根据权利要求3所述的一种循环可调节式农作物用水灌溉系统，其特征在于，所述管路支架(11)的一侧设置有过滤集雨槽(14)，且所述过滤集雨槽(14)的一端通过管道连接至水池(6)。
7.一种利用权利要求1-6任意一项所述的循环可调节式农作物用水灌溉系统的灌溉方法，其特征在于，包括具体步骤：
S100、按照地势高低，规建农作物种植土壤，自高地势区至低地势区依次形成多个种植区域，并根据农作物蒸腾效率对不同农作物进行划区种植，形成具有蒸腾梯度的农作物种植区；
S200、在农作物种植区的土壤中从高蒸腾农作物种植区向低蒸腾农作物种植区设置能够被农作物根系延伸进入的灌溉水通道，由供水系统保持灌溉水通道内的水流，实现水培内循环，并在每个农作物种植区的灌溉水通道内设置温湿度传感器和水位传感器，同时通过设置探地雷达系统采集农作物种植区的土壤的含水量；
S300、通过控制系统综合分析温湿度传感器和水位传感器和探地雷达系统采集的数据，以及结合天气气象数据，实时控制灌溉水通道内的水位，并在高蒸腾农作物的蒸腾速率低于正常水平时关闭灌溉水通道，使用滴灌的方式进行组合灌溉，使得农作物种植区的土壤中水分自然渗入灌溉水通道，形成滴灌外循环。
8.根据权利要求7所述的一种循环可调节式农作物用水灌溉系统的灌溉方法，其特征在于，在S200中，根据植物的根系长度确定种植土壤的软土层的厚度，并将灌溉水通道位设置于土壤的硬土层和软土层之间，使得植物在自然生长状态下，根系能够位于软土层和灌溉通道中。
9.根据权利要求7所述的一种循环可调节式农作物用水灌溉系统的灌溉方法，其特征在于，在S300中，根据农作物生长习性对灌溉水通道中进行主动供水和排水具体的方式为通过探地雷达系统获取土壤中的含水量，并通过土壤的含水量控制灌溉通道内的水位，以及在雨天通过灌溉通道主动排水，在寒冷天气通过灌溉通道注入高于零度的灌溉水，用于对种植土进行解冻。
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