CN112888825B - 用于收集和输送水的杆和杆组件 - Google Patents

Abstract

一种用于收集水或输送水的杆构造为当这样的杆彼此相邻时，在该杆与其他类似成形的杆之间具有毛细空间。该杆具有横截面形状，且该杆的一个表面部分相比于该杆的另一表面部分距该杆的中心的距离更大。该杆可被一起铺设在如下组件中或者被预制至如下组件中：该组件提供防止堵塞的有效的、高容量的水收集和/或输送系统。

Description

用于收集和输送水的杆和杆组件

技术领域

本发明涉及水收集和输送装置及水收集和输送方法。特别地，本发明涉及成形杆的组件的用途，该成形杆的组件在杆之间具有空间，以用于通过毛细作用从土壤有效收集无颗粒水和/或用于将无颗粒水输送至排放点。

背景技术

在许多不同的行业和领域，用于收集和分配水的系统至关重要。例如，运动场和高尔夫球场需要排水系统，该排水系统收集水并将水从潮湿区域移走。这样的排水系统通常利用铺设在地表下方的带孔管道，该带孔管道易于堵塞。

水资源也日益受到来自世界各地各种利益的压力。传统上，灌溉系统利用大型泵来喷洒大量的水，从而覆盖一区域。这种做法不会选择性地给所需区域或植物浇水，因此浪费了大量的水。此外，在这样的当前的灌溉系统的情况下，由于蒸发而导致的水损失的百分比会很大。在农业领域，特别是在干旱地区，迫切需要有效利用水以在有限的水供应的情况下产生最大的产率。

水的各种行为是已知的。例如，已知地表水通过流动行进。当水流动到了将停止流动的低点时，流动只受重力的影响。流动发生在自然界中(诸如在河流和溪流中)并且发生在人造结构中(诸如在沟渠、运河和沟槽中)。流动的水移除并运送土壤颗粒，当流动减少或停止时，土壤颗粒沉降。沉降速率受颗粒的重量和流动的速度控制。流动和颗粒沉降的积聚可导致结构的阻塞。

地面以下的水称为地下水，通过毛细作用行进穿过土壤。主要由于利用了毛细迁移(capillary migration)，水渗透通过所有类型的土壤而没有发生阻塞，没有流动来移除和输送土壤颗粒。

(在有或没有排水岩石的情况下)通过开挖沟槽和安装带孔的管道来收集地下水，仅将地表水的行为转移到地表下方，还伴随着与流动相关的堵塞问题。当前的地下水排水解决方案试图强制推行违背自然原则的解决方案，并且可预计到堵塞问题。此外，一个已知的问题是土壤颗粒大量迁移至由较大的排水岩石聚集体产生的空隙中。随着时间的流逝，空隙将被较小的颗粒填充，阻止穿过空隙的流动，水的移动将恢复为其自然状态，并通过毛细作用迁移。

除了过滤器，排水方法几乎没有创新。然而，正如预期的，即使过滤器也会由于它们所阻塞的颗粒而产生堵塞，最终需要更换。通常，在没有完全重建的情况下不能更换过滤器，完全重建通常比原始建造要昂贵得多。

由于流动是一种地表行为，因此在地下安装流动机构将引起侵蚀，导致管道和过滤器随着移位的颗粒在结构内的堆积而发生阻塞。

不利用流动的受限的排水系统是已知的。例如，Hu等人的第5,934,828号美国专利公开了一种用于通过毛细作用收集水的组件和方法。该组件包括宽的排水带，该排水带在底表面上具有多个分开的槽和凹口。由于该结构的顶表面是密封的，因此水必须通过沿底表面连接至通道的槽进入内部通道。由于当土壤处于沉降状态时，通过毛细作用进行的水迁移无法输送土壤颗粒，因此水向通道中的竖直迁移将任意的土壤颗粒与水分离开来。收集槽面朝下，以拦截来自下方的上升水，这与水的自然行为一致。

虽然宽的带组件增加了无土壤颗粒的水的有效收集，但它也有局限性。收集通道的小尺寸限制了收集和排放水的能力以及水向排放点的输送。排水带和管道组件的制备也需要大量的时间和精力。必须将槽切入至收集管道中，必须密封排水带的自由端(以防止细小的土壤颗粒进入排水带并阻塞排水带内的通道)，并且必须在交界面周围安装密封机构。此外，现有技术的排水带薄而柔软，这意味着它需要适当的支撑。安装团队通常不会意识到复杂的轮廓和压实要求，这导致在安装后沉降过多、产生负斜率和性能不佳。

其他排水产品也可用的。这样的产品中的一些被描述为被动毛细作用产品，并且可能涉及玻璃纤维、不锈钢网和土工织物的不同层。虽然这样的类产品可通过毛细作用收集和输送水，但没有将土壤颗粒与水分离开来的设备。因此，这些产品可被更好地描述为吸液芯(wick)以及另外地过滤器。吸液芯是一个更合适的术语，因为该系统的性能类似于传统的吸液芯(诸如煤油灯中的灯芯)，其中，液体在清洁的环境中被输送而不受土壤颗粒或其他污染物的影响。

虽然玻璃纤维、不锈钢或土工织物可能是用于吸液芯承受水的更好的材料选择，但总体结构、功能和性能仍然是吸液芯。随着时间的流逝，细小的土壤颗粒将填充并阻塞吸液芯的孔空间，并降低其性能。随着孔空间被土壤颗粒污染，水的迁移速率将降低，最终，堵塞的吸液芯将与周围的土壤具有相似的性能。

Tarapaski的第9,404,232号美国专利公开了一种使用间隔开的杆阵列通过毛细作用来收集水的方法。不是使用对容量有很大限制的内部腔，而是将水收集在平行构件之间的空间中。可组合其他层的隔开的杆，以大大增加组件在水收集和输送功能方面的容量。

虽然平行间隔的杆和间隔的杆的层的原理效果很好，但是从成本的角度来看，大规模制造Tarapaski中所公开的组件是不切实际的。复杂的间隔阵列和连接方法以及容器形状与常规管网的不兼容性，使得这种组件将不可能被大量制造和使用。

desGarennes等人的第2012/0230767A1号美国专利申请公开公开了一种系统，该系统是鼠道排水(mole drain)的轻微解决方案。然而，desGarennes系统本质上起吸液芯的作用，并使用了过滤器，该过滤器最终会捕获土壤颗粒并导致堵塞问题。

因此，本发明的目的在于提供一种水收集和输送系统，其克服了与带孔管和其他排水系统相关的堵塞问题。

本发明的另一个目的在于提供一种既具有高容量又易于制造的水收集和输送系统。

本发明的另一个目的在于提供一种易于组装和安装并且可用于多种应用的水收集和输送系统。

本发明的另一个目的在于提供一种避免了灌溉应用中由于蒸发而造成的水的损失的水收集和输送系统。

本发明的又一个目的在于提供一种用作从不干净的水源获得干净水的初级过滤器的水收集和输送系统。

通过整体上参考本申请，将更好地理解这些和其他目的。以下描述的本发明的所有实施例或权利要求中的每一个所限定的发明未必能满足所有目的。

发明内容

本发明包括用于收集和/或输送水的杆，其中该杆构造成与其他类似成形的杆保持间隔。杆可铺设在沟槽中、连接至管道、绑定在预制单元中或布置成圆形，以用于通过毛细作用收集和输送水。由于地下水可通过毛细作用从这样的杆组件的底表面向上移动，因此收集和输送的水没有土壤和碎屑。相邻杆之间的间隔导致系统具有高的收集和排放容量。

一方面，本发明包括用于收集水或输送水的杆，该杆包括沿杆的长度延伸的横截面形状。该横截面形状包括中心；第一表面部分，其距中心为第一距离；以及第二表面部分，其距中心为第二距离。第二距离大于第一距离。

该横截面形状还可包括从中心向外延伸的一系列延伸部。

在另一方面，该横截面形状可以是星形，并且星形可具有六个点。

在另一方面，杆包括腹板和两个凸缘。一个凸缘连接至腹板的第一端，另一个凸缘连接至腹板的第二端。两个凸缘可向内弯曲。

在另一方面，该横截面形状可以是十字形。

在另一方面，该横截面形状可以是正方形。杆可被扭曲，使得正方形沿杆的长度以不同的角度放置。

在另一方面，该横截面形状是椭圆形。

在另一方面，该横截面形状是具有一个或多个突起的圆形。

在另一方面，用于收集水或输送水的杆沿杆的长度具有卷曲。

在另一方面，本发明包括用于收集水或输送水的组件。该组件包括一系列杆。该杆中的每个具有沿杆的长度延伸的横截面形状。该横截面形状具有中心、第一表面部分，其距中心为第一距离；以及第二表面部分，其距中心为第二距离。第二距离大于第一距离

该组件还可包括：覆盖件，其放置在该一系列杆上方；以及回填料，其放置在覆盖件上方。一系列杆、覆盖件和回填料放置在沟槽中。

在另一方面，组件还包括管道，其具有槽；以及覆盖件，其位于一系列杆的至少顶部上方。一系列杆的至少一部分穿过管道中的槽。

在另一方面，一系列杆具有侧部：以及端部，其位于管道的外部。覆盖件在侧部上方和端部上方延伸。

在另一方面，该组件包括网状物；以及覆盖件，其沿覆盖件和网状物的至少两个长度连接至网状物，以在网状物与覆盖件之间形成至少一个可填充节段。该一系列杆位于至少一个可填充节段内。

在另一方面，该组件包括位于一系列杆上方的覆盖件，并且该组件是圆柱形形状。

在另一方面，组件还包括包裹在覆盖件和一系列杆周围的丝状物。

在另一方面，一系列杆的底部是未被覆盖的。

在另一方面，覆盖件是土工织物覆盖件。

在另一方面，覆盖件是防渗覆盖件。

在另一方面，该组件包括覆盖件，该覆盖件包裹在一段一系列杆周围，并且该组件是圆柱形形状。

在另一方面，该组件使用标准管道配件能连接至管道。

前述内容可能仅涵盖本发明的一些方面。通过参考以下根据一个或多个示例的，用于实施本发明的至少一种优选模式的描述，将理解本发明的其他并且有时是更具体的方面。以下用于实施本发明的模式不是对本发明本身的限定，而仅仅是体现本发明的发明特征的示例。

附图说明

将参照本发明的附图描述根据一个或多个示例的用于实施本发明的至少一种模式，在附图中：

图1A是根据本发明的一个实施例的杆的透视图；

图1B是包括图1A中所示的杆和其他类似成形的杆的杆组件的透视图；

图2A是包括图1中所示的杆和其他类似成形的杆的杆组件的横截面图；

图2B是沿线2B-2B截取的图1A中所示的杆的横截面图；

图3A是根据本发明的第二实施例的杆的透视图；

图3B是沿线3B-3B截取的图3A中所示的杆的横截面图；

图3C是具有圆形横截面形状并分层布置的杆组件的局部横截面图；

图3D是具有圆形横截面形状并交错分层布置的杆组件的局部横截面图；

图3E是示出了根据本发明的第二实施例的具有横截面形状的杆组件的局部横截面图；

图4是根据本发明的第三实施例的杆的透视图；

图5是根据本发明的第四实施例的杆的透视图；

图6是根据本发明的第五实施例的杆的透视图；

图7是包括图6中所示的杆和其他类似成形的杆的杆组件的透视图；

图8是根据本发明的第六实施例的杆的透视图；

图9是包括图8中所示的杆和其他类似成形的杆的杆组件的透视图；

图10A是根据本发明的第七实施例的卷曲杆的透视图；

图10B是包括图10A中所示的杆和其他类似成形的杆的卷曲杆的组件的透视图；

图11是示出了放置在沟槽中的杆的示意图；

图12是具有杆组件的管道的透视图；

图13是沿线13-13截取的图12中所示的杆组件和管道的横截面图；

图14是制造的杆组件的示意图；

图15是沿线15-15截取的图14中所示的制造的杆组件的横截面图；

图16A是具有覆盖件并被丝状物捆扎的另一杆组件的透视图；

图16B是沿线16B-16B截取的图16A中所示的杆组件的横截面图；

图16C示出了连接至四个根据图16A中所示的实施例的各种长度的水收集和水输送杆组件的管道；

图17A是具有防渗覆盖件的另一杆组件的透视图；

图17B示出了连接至图17A中所示的杆组件的管道；以及

图18是灌溉系统的透视图。

具体实施方式

发明人已经测试了最常见的排水组件(即，被排水岩石包围的带孔管道)的精确模型。测试显示结果与预期不一致。底部中有孔的模型用于指示水何时通过测试组件，而不是被收集在带孔管道中。在测试期间，虽然有稳定的水蒸汽从模型底部流出，但管道中没有水。排水管道的实际结构证实，水不会进入管道的任何高度。相反，水流过管道周围的排水岩石。结果与水的流动行为一致。

仅当流动路径被阻塞且地下水高度上升时，水才能进入带孔管道。上升的水产生压力，迫使水穿过管道中的孔眼。观察到的这种行为验证了排水收集的源头来自于下方，并且收集组件应定位为拦截上升的地下水位，而不是拦截从上方进行的迁移。

通过毛细作用收集水消除了使用具有孔的管道和具有过滤器的带孔管道的系统所固有的堵塞问题。两个关键因素是必须覆盖顶部以防止颗粒从上方进入并阻塞通道，并且水必须通过毛细作用上升至通道中以将任意土壤颗粒与水分离开来。

将水收集组件与可归类为吸液芯的组件分离开来的因素在于在组件的至少顶部上方增添覆盖件。该覆盖件防止土壤颗粒在重力影响下被水向下过滤或被水输送到为毛细作用收集而创建的空间中。水必须通过毛细作用从组件下方进入，并且由于通过毛细作用上升的水无法输送土壤颗粒，因此只有干净的水进入组件。

覆盖件可以是固体材料，但是，诸如土工织物的柔性材料可能是有利的。土工织物可充当过滤器，以使水也可从沿组件的某个位置进入(直到孔空间被颗粒阻塞，然后被用作固体覆盖件)，并且这增加了组件的灵活性，使其可适用于许多不同的应用。

具有改进间距的用于收集水或输送水的杆

用于收集和输送水的改进的组件包括连续的杆，该杆保证了高的空间比，而无需用于间隔目的的单独装置。与现有技术的杆组件相比，这样的组件明显更易于制造和安装。

图1A、图1B、图2A和图2B示出了本发明的一个实施例，在该实施例中，杆10是大致星形的。所示的星形杆10具有中心12和延伸部14。虽然杆10被示出为具有六个延伸部14，但是可替代数量的延伸部也是可能的。相邻的延伸部14之间的间隙16为水通过毛细作用沿杆行进提供了空间。如图1B和图2A中所示，间隙16中的空间在被聚拢在一起的一系列星形杆10中被大量地保持。

现在参考图2B，杆10具有第一表面部分18(在延伸部14之间)，该第一表面部分18距中心12为距离x。杆10还具有第二表面部分19(在一个延伸部14上)，该第二表面部分19距中心12为较大的距离y。

星形杆10可具有6毫米的直径。将领会的是，可使用比6毫米直径的杆的组件具有更低的容量并且这导致更高的毛细上升的更小的直径的杆的组件。同样地，可使用比6毫米直径的杆的组件具有更高的容量但毛细上升较低的更大的直径的杆的组件。此外，如图2A所示，由具有不同直径的杆构成的组件是可能的。

发明人发现，使用直径为6毫米的星形杆，当星形杆彼此平行对齐、聚拢并放置在有色水中时，这样的星形杆将显示水上升至杆组件中大约9毫米。与Hu等人的第5,934,828号美国专利中证明的内部腔方法相比，星形组件的收集和排放容量增加了600％以上。通过杆组件进行的水输送也增加了600％以上，从而允许在排放前更长的收集时间。

图3A和图3B示出了替代的I形的杆1。杆1具有腹板4以及上下凸缘5。凸缘5优选地向内弯曲。第一表面部分8在I形杆1的腹板的中间，第一表面部分8与杆的中心2的距离为x。位于凸缘5中的一者上的第二表面部分9与杆的中心2的距离为较大的y。

发明人发现，图2B中所示的星形杆10在与具有相同或相似形状和尺寸的其他杆组装在一起时，有效地产生了如下一种组件：相比于现有的圆形杆，该组件在杆之间具有很大的空间以用于集水并且需要更少的原材料来制造。图3B所示的I形杆1也是如此。

杆之间的空间的差异可在图3C、图3D和图3E中所示的示例中看出。其中，图3C示出了具有空间7的分层圆形杆3。其中，图3D示出了具有空间11的分层且交错的圆形杆3。其中，图3E示出了具有更大的空间6的I形的杆1的组件。假设I形杆1具有理想的互锁，则与具有相同直径的分层圆形杆相比，用于收集和输送水的面积可增加300％以上。

如Tarapaski的第9,404,232号美国专利中所公开的圆形杆也被分层固定(诸如通过将杆的一端设置在树脂中)，并且通常被容纳在刚性容器中。在这样的杆之间提供足够的间隔并组装容器是复杂的、费时的和昂贵的。不同尺寸的杆还需要新的工具，这可能使成本过高。

相反，本发明的包括星形杆10和I形杆1的杆需要紧密接触。代替在组装较大的制成品期间在现有技术的杆之间形成空间，在杆的初级制造期间形成本发明中用于收集和输送水的空间。由于相邻的杆将彼此接触，因此在制造过程中不需要单独的间隔组件或间隔步骤。杆的尺寸和形状的改变也可通过改变模具而容易地进行，并且杆可容易地被切割成期望的长度。本发明的杆也不需要外壳，并且可容易地适应高度和方向的不一致。

虽然期望使组件具有更大的用于收集水的空间(并且更少的制造质量/材料)的杆形状，但是具有太大空间的杆的组件将具有减小的毛细上升，从而导致上层杆的利用率较低。将领会的是，除了上述星形杆10和I形杆1之外，还可使用如下其他杆形状：该其他杆形状平衡用以收集和输送水的能力的空间以及期望的高的毛细上升。

图4示出了具有中心22和四个延伸部24的可替代的十字形杆20。类似于杆10，第一表面部分28与中心22之间的距离x小于第二表面部分29与中心22之间的距离y。

图5示出了具有正方形横截面的另一个杆30。杆30被扭曲，以使相邻杆的壁31不能彼此平坦地支撑。换句话说，扭曲确保即使相邻的杆30紧密地聚拢在一起，也将存在用于水在相邻的杆30之间行进的空间。杆30还具有第一表面部分38(距中心32为距离x)和第二表面部分39(距中心32为距离y)，其中，距离x小于距离y。

图6示出了具有椭圆形(或长方形)横截面的又一个杆40。杆40优选地被扭曲并且还具有表面部分49，该表面部分49距中心42的距离大于表面部分48距中心42的距离(如使用距离x和y的图中所示)。

在一组件中，杆40可以以各种取向来放置。由于椭圆形和扭曲，如图7中所示，在杆40之间将存在间隙以提供用于水行进的空间。

图8示出了具有大体圆形横截面形状且具有突起65的另一杆60。杆60被扭曲，使得突起65形成围绕杆60成螺旋形的凸起的脊67。如图8中可看出的，从突起65的最外表面部分69到杆62的中心的距离y大于从表面部分68到杆62的中心的距离x。图9示出了杆60的组件，每个杆具有凸起的螺旋形脊67。这样的杆组件造成了间隔，而不会聚拢在一起，聚拢在一起将限制水的迁移。

将领会的是，杆60可具有多于一个的突起65，并且突起的形状和尺寸可变化。

还将领会的是，其他非圆形的杆轮廓可被扭曲以形成用于收集和输送水的通道。

也可通过利用卷曲的杆在杆之间形成袋和通道。例如，图10A示出了卷曲杆70，图10B示出了卷曲杆70的组件72。作为卷曲的结果，在相邻的杆60之间形成空间76以提供用于收集和输送水的空间。

杆的形状、样式和尺寸的可能选择是无限的。然而，将领会的是，期望的杆是连续形状的丝状物，其与自身的类似仿形物一起形成空间和通道的网络，水可通过毛细作用上升至并被保持在该空间和通道的网络中，并且该空间和通道的网络还可用作用于输送水的导管。本发明的杆可以以各种方式来制造和安装。

独特形状和尺寸的杆在水平地、竖直地和以不同角度地一起作用时形成腔和通道的网络，通过该腔和通道的网络可收集和输送水，仅限于水的自然毛细上升。增添覆盖件形成了有效的水管理单元，该水管理单元不会随着时间的流逝而堵塞。

发明人已经测试了圆形杆(即，具有圆形横截面的杆)的组件。圆形杆聚拢在一起，并且几乎没有水渗入该组件中。针对其他直(未扭曲)的杆形状，诸如具有正方形或椭圆形横截面的杆，也预计出现类似的聚拢。

具有非圆形横截面的扭曲杆的组件将产生空间和通道，以用于收集水并发生迁移。然而，根据扭曲杆的形状，杆之间的质量与空间比可能是不被期望的，并且在制造中需要大量且不必要的原材料消耗。为此，呈具有多个长且窄的延伸部并且在这样的延伸部之间具有大间隙的形状的杆是被期望的。图1A中所示的星形杆10和图3A中所示的I形杆1是这样的被期望形状的示例。

毛细管的直径越小，水的通道将越小，毛细上升将越高。在土壤中也是如此。粒径小的土壤显示出较大的毛细上升区(capillary fringe)，由于孔空间较小，水将上升得更高。可应用该原理使排水网有效匹配特定的应用和条件。可根据土壤类型和应用来设计杆和网络的尺寸和形状。例如，杆可具有6mm的轮廓，并且具有大约0.5mm至0.75mm厚的薄壁。

部件和网络的灵活性已应用于排水，用作无源过滤器和用作地下灌溉。以下是本发明的杆的几种不同的组件和应用。

组件A-铺设在沟槽中的杆

图11示出了在沟槽内使用的杆80(在本文中称为组件A)。

组件A包含两个元件：(a)杆80，其成形为用于水的毛细收集并且彼此平行且相邻地放置；(b)覆盖件82，其用以将土壤颗粒阻挡在杆80上方。由于只有清洁(无土壤和无碎屑)的水通过毛细作用上升通过杆80，因此杆80中和杆80之间的间隙/通道将保持无土壤颗粒，并因此保持畅通。

杆80从排放点沿倾斜的沟槽84的底部并且以条件所需的厚度(大约10毫米至25毫米厚)被铺设。覆盖件82被宽松地放置在杆上方。覆盖件82可以是土工织物、塑料片或任何其他合适的材料。沟槽84被回填，并且回填材料86巩固了安装。如果沟槽84具有最小的倾斜度，则安装将是简单的，需要很少的技巧、时间和精力。将杆80简单地放置在沟槽84中，覆盖，然后回填沟槽。

组件A适用于水分条件不严苛且可在排放之前长期运行的应用。沟槽尺寸和杆的厚度可以与排水条件相匹配。由于宽度和深度易于控制，并且开槽速度非常快，因此通常由开槽机进行安装。通常的安装可能是农业排水、休闲运动场、公园区域等。

一旦被安装，该组件不太可能被压缩或压碎到损失性能的程度。该结构通过其整体而得到支撑，并且结构本身是柔性的，并符合大多数形状。

植物根部不会给排水带来重大风险。如果发生渗透，网络将简单地将水转移到障碍物周围。在灌溉应用的情况下，渗透和根部获得水是一个独特的好处。

由于与土壤的亲密关系增强了性能，因此无需排水岩石或其他排水解决方案中通常需要的其他部件。取而代之的是，将杆80直接铺设在沟槽的底部处的地面上方。

发明人已经测试了如图1A中所示的具有星形杆10的组件A。在测试中，组件的长度为35米。首先，挖出一个与任意通常的安装完全相同的沟槽，不同之处是每5米间隔开一个增大的区域。将水施加到增大的区域，以确定迁移速度。在铺设杆之后，回填沟槽以完成安装。

在测试中，迁移速度为每分钟1米，且排放速率为每分钟6.2升。不久之后，发生了一场大暴雨。雨后立即监测组件，所产生的结果与早先的测试相同，这证实了成形杆的高性能以及该杆在中等距离下的输送能力。观察测试区域数周，发明人注意到排水方面有了显著改善。此外，排放的水非常干净。

组件B-具有槽的管道

图12和13示出了杆90与管道92的一起使用(在本文中称为组件B)。

组件B利用了长度相对较短的平行杆90(在75毫米至200毫米范围内)，该平行杆90通过槽94排放至管道92中。然而，根据土壤条件、坡度和预期的降雨，可使用长度较长的杆90。杆90沿顶部被覆盖件96覆盖，但沿底表面98是敞开的(如图13中所示)。覆盖件96也可在杆90的侧面和端部上方延伸。邻近于底表面98的土壤中的水被杆90收集并输送至管道92中。

收集组件可在管道92的整个长度上延伸。在收集之后，在排放至管道92中之前有非常短的转运时间，从而导致快速的排水速度。

组件B适用于期望快的排水速度的极端水条件。通常的安装可以是高尔夫沙坑和雨水收集应用。

短长度的80厘米的组件产生的流速为每分钟30升，远远大于任何原土壤为收集而供水的能力(水力传导率)。

每当排水组件的容量超过土壤的水力传导率时，相比于组件测试，该测试更多地成为土壤测试。然而，与样品的实验室测试相比，已安装的组件测试更好地表明了性能。

在测试时，发明人使用了具有高的水力传导率等级(高于任意原土壤)的被筛过的干净沙子，但是，系统中的限制因素仍然是土壤的水力传导率。

发明人还使用70厘米长的图1A中所示的星形杆10和70厘米长的图10A中所示的卷曲杆70测试了组件B。两者的结果几乎相同，且所测量的排放速率大约为每分钟30升。由于原土壤无法在收集点处提供这种水量，因此结果仅与组件的容量有关。实际上，由于组件B非常有效，排水的限制因素将是土壤的水力传导率。

组件C-预制单元

图14和图15示出了杆100在分段和预制单元102(在本文中称为组件C)中的使用。

在覆盖件104与底部网状物106重合的每个点108处，覆盖件104结合至底部网状物106，形成可填充节段110，该节段110消除了在操纵期间杆100的聚拢和位移。

网状物106在不限制水进入杆100的情况下绑定组件。

组件C可根据应用和水分条件采取范围从一个节段110到任意实际数量的节段110的不同形式。

组件C可以以不同的方式起作用。组件C可以是竖直地、水平地或成角度地安装的单个单元，或者也可构成水平地、竖直地或成角度地安装的管网的收集组件。

可将连续长度的单个单元以一个或多个节段形式放置在始于排放点的倾斜沟槽中，该沟槽既充当收集机构，又充当输送导管。放置该单元不需要任何组装、工具或技能。在该构造中，该组件的功能与放置在沟槽中的杆组件(上述组件A)相同，不同之处在于该组件是预制的，并且已安装了覆盖件。进行回填完成安装。

由于组件C是预制的，因此组件C也可被切割成任意长度，并可通过简单的适配器直接安装至管网中。在这种情况下，组件C的主要功能是收集机构，将水转移至管网中。转移点的数量由水分条件和应用决定，类似于以下要讨论的管网。

多层结构使得组件C灵活但半刚性，并且不易受弯曲故障或“U”形接头故障的影响，其中，水在故障点处堆积。由于这种结构还扩大了收集和输送的能力，因此增加的容量通常远远超过土壤提供足够的水以达到容量的能力，导致较少的单元和较小的成本。

如上所述，安装可以是水平的、竖直的或成角度的。例如，该组件可竖直地安装在挡墙的后面，以消除墙后面的静水压力。根据土壤条件和水分积聚，在挡墙后面以1米的间距间隔开的组件可提供有效的排水。

组件C可被认为是针对现有技术排水带的升级替代品。该组件可类似地安装在所有应用中。功能原理也是类似的。然而，组件C不存在这样的现有技术排水带的容量不足和输送特性差的问题。由于安装组件C的方便和简易性，还避免了由于安装和工艺造成的错误。

组件D-捆扎在管状结构中以收集水的杆(钻孔应用和渗出孔)

图16A和图16B示出了管状结构120(在本文中称为组件D)。组件D可布置在如图16C所示的管网中。

组件D包括布置呈圆形的一系列杆122。覆盖件124施加至该一系列的杆的顶部，然后，杆122和覆盖件12被丝状物126所包裹。虽然丝状物126围绕该一系列的杆122的整个圆周延伸，但是覆盖件124不覆盖组件D的下侧，以使下部杆直接接触地面。

包裹将部件绑定成所需形状，同时使单元保持灵活性。不同的直径可能与标准管道尺寸一致。组件D的前端可用作排放点(独立的或插入管网中)，同时自由端被密封(或以其他方式被阻塞)以防止颗粒进入组件。

连续长度的单个单元可放置在始于排放点的倾斜沟槽中。该单元既充当收集机构，又充当输送导管。在安装现场，不需要任何组装、工具或技能。组件D的管状结构的作用方式与铺设在沟槽中的杆的组件A和预制单元的组件C的作用方式相同。

现在参考图16C，组件D可被切割成任意长度，并且用作在管网中使用的收集机构。从功能上讲，这与组件C相同。管状结构120可直接插入标准配件128中，以与大多数管网的管道127连接，而不必担心弯曲故障或“U”形接头问题。如上所述，自由端129被密封(或以其他方式阻塞)以防止可能导致堵塞的颗粒进入。

用于输送的管道与用于收集的组件D的组合代表了模块化形式的有效排水系统。这是一个“卡接在一起并覆盖”的系统。不需要制备、工具或技能。

组件D专门用于其他方法不可行的钻孔应用。组件D可直接安装，也可以以不同长度安装至水平钻孔中，以用于疏干斜坡以防止滑坡。组件D也可通过挡墙安装，以减少水分积聚产生的静水压力。为了安装或维修具有这种应用的排水件而进行的挖掘不切实际、成本太高或两者兼而有之。钻孔应用是唯一合理的选择。

挡墙中有渗出孔是标准做法，但很少能观察到水从该孔中流出。随着时间的流逝，淤泥阻塞了渗出孔。组件D可修复并改善这样的渗出孔的性能。通过现有的渗出孔在斜坡中钻孔将使得组件D插入至合适的深度以恢复排水功能。

虽然看起来不同的组件是类似的且可互换的，但这不一定是正确的。当在低供水应用中以水平构造放置组件D时，组件D的效率不如组件A和组件C的效率。原因在于组件A和组件C具有面向下方(即，面向上升的地下水位)并与土壤接触的较大的表面积。虽然这些组件可在某种程度上进行互换，但是在不同的应用中和在不同的水分条件下，一个组件可能比另一组件更容易安装或性能更好。

组件E-捆扎在管状结构中以分配水的杆(灌溉应用)

利用针对地表下的水的毛细作用的被动重力系统几乎可以完全消除因蒸发和浇水分区域而造成的水损失。将耗水量减少90％并非不切实际。

图17A和图17B示出了可替代的管状水结构130，其可用于在灌溉应用中分配水。成形杆132布置成圆形状，并完全被覆盖件134所包裹。管状的水分配结构130可使用管道配件138连接至供水管线136。如图17B中所示，大量的水139在杆132的开口端处从系统被释放。

组件E是可用于通过毛细作用将水从供应管道136(示出在图18中)转移至土壤中的一种组件。组件E的未包裹的端部可直接插入至供应管道配件中。单元的尺寸被设计为在配合标准管道尺寸的情况下匹配多种条件和应用。水被分散在有整个杆网所形成的腔和通道中、穿过土工织物并通过毛细作用在各个方向上进入土壤。

通常，具有土工织物覆盖件(或另一种可渗透覆盖件)的组件E适用于安装在成排种植的高设床应用中。安装在播种区域下方会激励根部从下方寻找水分，从而导致根系发育良好。

在收割之后，可将组件抽出并卷起以进行存储和重复使用。

用于通过毛细作用将水从供应管道转移至土壤中的另一组件利用了防渗覆盖件代替土工织物覆盖件。一端插入供应管道136中，同时另一端用于通过毛细作用以更集中的方式将水分散至土壤中。此外，杆网还可延伸至土壤中任意期望的距离。由于水的移动产生一种冲洗状态，因此无需担心堵塞。

如图中17A所示的具有为不可渗透的覆盖件的覆盖件134的组件E的用途适于安装在大型植物和树木的根系(在其处期望更集中和更大的水量)中。该应用通常是永久性的，但是可针对将来的根部生长布置组件。杆网因生长的根部而发生的一些变化不会显著影响该网络。

图18示出了被动重力系统的示例，其中水源150的高度是可调节的，以将期望水流提供至供应管道136中。可替代地，水源可以是任意低压水供应。供应管道136可以是刚性的或挠性的，埋入地表或简单地铺设在地表上，并且可与标准工业配件连接。

如图17A和图17B中所示，利用杆132的管状的水分配结构130(组件E)连接至供应管道系统，并被安装在地表下方、直接安装至根部区域156上。水分配结构130随植被的类型、应用和水的需求而变化。水分配结构130使用标准工业管道配件进行安装，并在所需方向上有轻微的倾斜。水被分配在地表下方并直接进入根部区域156。由于水从干净的供应向外流动(与土壤过滤应用的标准配置相反)，因此没有堵塞问题。

被动毛细灌溉系统的分配部分包括两个主要部件：(a)杆网132；(b)容器/包裹料134。不同形状的容器、部分容器、包裹料和容器组合可被替换，但是基本结构和原理没有改变。与杆的形状和尺寸一样，详细说明所有可能的组合也不实际。优选将结构和原理定义为适用于其他可能的组合。

初级过滤器应用

杆还可用于过滤应用中，以用于收集水的工业，诸如脱盐工厂。在许多国家，装瓶水公司使用地下水作为其水源(井)，加上工业应用用途，地下水位以惊人的速率下降。因此，政府在许多地方都限制泵吸地下水。

一种解决方案是从河中取水，用管道将水输送到陆地上的沙床中，然后利用以上论述的杆组件收集水。该组件也可以直接放置在河中，且许多分支向中央管道供水。这将起到过滤粗颗粒和碎屑的作用。

可替代地，河可供给沉降池，然后水将经过沙床，在沙床处，毛细作用和重力将进一步净化水。

在通过沙床过滤之后，可使用杆组件收集无沉降物的水，并且可对这些水进行进一步处理以供饮用。

进一步测试

任何排水产品的性能取决于可用于收集的区域，在此称为“开口区域”。带孔管道系统具有切穿了管道壁的槽。如果槽太大，则土壤颗粒将进入并积聚在带孔管道系统内，并导致堵塞。所导致的堵塞的带孔管道系统可具有通常仅为表面积的2％至3％的开口面积。在直径为4英寸的管道中，这表示每米可用于收集水的面积大约为15平方英寸。排水管道通常直径大的原因是因为它们需要表面积以增加收集能力。在沙子中对该类型的带孔管道系统进行的测试仅对管道的4米的区段产生了每分钟7.8升的排放速率。

诸如Hu等人的第5,934,828号美国专利中公开的排水带的其它产品的收集面积是带孔管道系统的收集面积的四倍以上。然而，这样的排水带受到其微通道的小尺寸的限制。发明人在沙子中进行的测试仅产生了每条带每分钟2升的排放速率。因此，该系统依赖于将多个带添加在一起以增加系统的容量。

利用成形杆的本发明也具有大的收集面积。各种杆组件的整个底部都是敞开的，并暴露于地面以收集水。虽然在收集方法和收集区域的尺寸方面类似于排水带，但本发明不受小的微通道的限制。取而代之的是，水可在成形杆的层之间上升。此外，成形杆是用于收集的水的非常有能力的输送机构。组件中的相邻的杆在收集和输送功能两个方面进行配合，因此性能不限于通道的尺寸。这些因素共同组合成了具有高的收集能力、具有高的输送和排放能力并且能够防止堵塞和阻塞的高效的排水系统。

在前面的描述中，已经根据示例描述了用于实施本发明的示例性模式。然而，权利要求的范围不应该受那些示例的限制，而应该被给予与整个说明书一致的最宽泛的解释。因此，说明书和附图应被认为是说明性意义而非限制性意义。

Claims (15)

1.一种用于收集水、输送水或分配水的组件，所述组件包括构造成用于毛细作用的一系列杆，所述一系列杆平行对齐且彼此接触，以在所述一系列杆之间形成通道网络，以用于通过毛细作用收集、输送或分配水，

其中每个杆包括至少一个开口；

其中，所述一系列杆在所述组件中堆叠；

其中每个杆包括多个纵向的延伸部，以保持至少一个间隙，该间隙被构造用于相邻杆之间的毛细作用，从而为水通过毛细作用沿着所述一系列杆的行进提供中空空间；

其中，所述多个延伸部设置在所述中空空间内，使得所述中空空间呈现不均匀的体积；

其中，所述中空空间的尺寸由所述多个延伸部的尺寸和构造来控制；以及

其中，所述一系列杆通过所述多个延伸部部分地互锁。

2.根据权利要求1所述的组件，所述组件还包括：

覆盖件，其放置在所述一系列杆上方；以及

回填料，其放置在所述覆盖件上方；

其中，所述一系列杆、所述覆盖件和所述回填料放置在沟槽中。

3.根据权利要求1所述的组件，所述组件还包括：

管道，其具有槽；以及

覆盖件，其位于所述一系列杆的至少顶部上方；

其中，所述一系列杆的至少一部分穿过所述管道中的所述槽。

4.根据权利要求3所述的组件，其特征在于，所述一系列杆包括：

侧部：以及

端部，其位于所述管道的外部；

其中，所述覆盖件在所述侧部上方和所述端部上方延伸。

5.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述组件还包括：

网状物；以及

覆盖件，其沿所述覆盖件和所述网状物的至少两个长度连接至所述网状物，以在所述网状物与所述覆盖件之间形成至少一个可填充节段；

其中，所述一系列杆位于所述至少一个可填充节段内。

6.根据权利要求1所述的组件，所述组件还包括位于所述一系列杆上方的覆盖件，其中，所述组件是圆柱形形状。

7.根据权利要求6所述的组件，所述组件还包括包裹在所述覆盖件和所述一系列杆周围的丝状物。

8.根据权利要求6所述的组件，其特征在于，所述一系列杆的底部是未被覆盖的。

9.根据权利要求6所述的组件，其特征在于，所述覆盖件是选自由土工织物覆盖件和防渗覆盖件组成的组的覆盖件。

10.根据权利要求1所述的组件，所述组件还包括覆盖件，所述覆盖件包裹在一段所述一系列杆周围，并且其中，所述组件是圆柱形形状。

11.根据权利要求5所述的组件，其特征在于，所述组件使用标准管道配件能连接至管道。

12.根据权利要求10所述的组件，其特征在于，所述组件使用标准管道配件连接至管道。

13.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述水通过毛细上升从所述组件下方进入所述组件。

14.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述杆中的每个包括：

沿所述杆的长度延伸的横截面形状，所述横截面形状包括：

中心；

第一表面部分，其距所述中心为第一距离；以及

第二表面部分，其距所述中心为第二距离，其中，所述第二距离大于所述第一距离。

15.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述杆中的每个具有沿各个所述杆的长度的卷曲。