專利名稱：基于滲透材料的微流量灌溉方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種灌溉方法，尤其涉及一種基于滲透材料的微流量灌溉方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的灌溉技術(shù)主要有漫灌、澆灌、噴灌、滴灌、微灌、滲灌等灌溉技術(shù) 和基于土壤吸力、土壤變化、生物形態(tài)等特征的自動(dòng)控制技術(shù)合成為自動(dòng)灌溉方 法，主要問(wèn)題在于這些方法在灌溉植被的同時(shí)，在土壤表面形成了水表面或者高 飽和度的土層，在自然條件下，水表面和土壤水分蒸發(fā)量較大，浪費(fèi)了大量的水 資源。采用漫灌、澆灌、噴灌、滴灌等技術(shù)都會(huì)導(dǎo)致水分下滲，浪費(fèi)了一部分水 資源；另外的基于土壤吸力、植被形態(tài)、生長(zhǎng)狀況的自動(dòng)控制技術(shù)成本較高，且 節(jié)水效果不佳。傳統(tǒng)的灌溉技術(shù)一旦出現(xiàn)損壞，需要人工修復(fù)。在我國(guó)水資源利 用緊張、大部分地區(qū)缺水的背景下，需要成本低廉、節(jié)水效果好、技術(shù)簡(jiǎn)單、可 以大規(guī)模利用的自動(dòng)控制灌溉方法。
綜上所述，傳統(tǒng)灌溉技術(shù)有以下缺點(diǎn)
1、 傳統(tǒng)的灌溉方法在灌溉植被的同時(shí)，在土壤表面形成了水表面或者高飽 和度的土層，在自然條件下，水表面和高飽和土壤水分蒸發(fā)量較大，浪費(fèi)了大量 的水資源。
2、 傳統(tǒng)灌溉方法容易多灌溉，造成多余水分下滲進(jìn)入植被影響范圍以外， 植被無(wú)法利用，浪費(fèi)水資源。
3、 漫灌、噴灌、滴灌、滲灌等工藝無(wú)法根據(jù)植被的生長(zhǎng)狀況控制灌溉水量， 還需要人為的干預(yù)或者控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)灌溉操作。
如何節(jié)約水資源、提高灌溉的效率？如何根據(jù)植被需求解決灌溉問(wèn)題？廉價(jià) 可大規(guī)模利用的技術(shù)是節(jié)水灌溉技術(shù)需要解決的重要問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺點(diǎn)和不足，創(chuàng)新現(xiàn)有技術(shù)， 擴(kuò)大使用范圍，而提供一種基于滲透材料的微流量灌溉方法。該方法是一種簡(jiǎn)單、 有效的節(jié)水灌溉方法，而且是一種能在常規(guī)灌溉方法的基礎(chǔ)上完成的方法，成本 低廉，有利于提高水資源利用效率，有利于提供更適宜植被生長(zhǎng)的環(huán)境。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的
灌溉方法己經(jīng)成為一種廣泛使用的植被培植和綠化的方法；各種灌溉方法已 被廣泛應(yīng)用于市政、園林、林業(yè)、農(nóng)業(yè)等灌溉領(lǐng)域。目前，噴灌、滴灌、滲灌等 技術(shù)的快速發(fā)展，為新灌溉方法的提出奠定了基礎(chǔ)。
本發(fā)明包括下列步驟
① 采用管路(20)在土壤(10)中布設(shè)灌溉管網(wǎng)，灌溉管網(wǎng)的終端通過(guò)閥門 (30)與水源(40)連通，如圖l所示；
② 根據(jù)灌溉區(qū)域的降雨量八土壤的蒸發(fā)量&植被的蒸發(fā)量《，計(jì)算需要
灌溉的輸水量2 =五+ ^-尸；
③ 人工控制閥門(30)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行灌溉。
所述的步驟②，具體地說(shuō)
根據(jù)灌溉區(qū)域的降雨量、土壤的蒸發(fā)量、植被的蒸發(fā)量，由式l、 2計(jì)算需
要灌溉的輸水量是<formula>formula see original document page 4</formula>
^~灌溉區(qū)域的單位面積需要的平均輸水量或灌溉強(qiáng)度；
f一單位面積上植物生長(zhǎng)期間土壤的最大蒸發(fā)量；
《一單位面積上植物生長(zhǎng)期間植被的最大蒸發(fā)量；
/L灌溉區(qū)域單位面積的平均降雨量； 灌溉管網(wǎng)輸水量計(jì)算方法
2 =《 (2) a—灌溉管路的單位長(zhǎng)度t時(shí)間內(nèi)的輸水量； t計(jì)算灌溉面積范圍內(nèi)管路的長(zhǎng)度。
③根據(jù)式3計(jì)算的流量確定管內(nèi)壓力和灌溉時(shí)間；
e -CA" (3)
ft—灌溉管路的t時(shí)間內(nèi)的輸水量。
A—滲透材料的滲透系數(shù)；可有孔隙直徑計(jì)算得到或試驗(yàn)直接測(cè)得(單位 m/s);
A—管單位長(zhǎng)度的中徑面積；(單位m2)
凡一管內(nèi)的孔隙水壓力(單位m，壓力水頭單位)； 幾t一管外的孔隙水壓力(單位m，壓力水頭單位)； f灌溉管路厚度(單位m);
t一管路輸水時(shí)間；時(shí)間可以為間段性質(zhì)的， 一般設(shè)定為連續(xù)灌溉。
本發(fā)明的工作原理
在土壤(10)中埋入由管路(20)組成的灌溉管網(wǎng)，管內(nèi)和管外存在壓力差 時(shí)，管路(20)的水分就會(huì)按照一定的比例流入灌溉區(qū)域。本發(fā)明主要針對(duì)植物 生長(zhǎng)期間土壤水分不平衡的問(wèn)題，用管路(20)補(bǔ)充水量不平衡的部分，實(shí)現(xiàn)植 被生長(zhǎng)的水量平衡，提供適合植被生長(zhǎng)的環(huán)境。通過(guò)控制管路(20)內(nèi)的壓力和 灌溉時(shí)間可實(shí)現(xiàn)水流量的控制。當(dāng)管路(20)內(nèi)水壓力較大時(shí)，水流量輸送情況 如圖3所示，當(dāng)管路(20)內(nèi)水壓力較小時(shí)，水流量輸送情況如圖4所示。該方 法滿足植物干旱氣候和植被需水量大的條件下的灌溉，保持土壤水分在植被適合 的范圍內(nèi)。
本發(fā)明主要利用多孔介質(zhì)材料的滲透性原理，利用管路(20)內(nèi)、外的壓力 差別，即管外土壤(10)中的壓力主要取決于管路(20)與土壤(10)的材料性 質(zhì)。例如親水且接觸良好時(shí)，孔壓為負(fù)值；管路(20)與土壤(10)接觸不緊 密處，孔壓為0。
本發(fā)明具有下列優(yōu)點(diǎn)和積極效果
①本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需要采用管路(20)在土壤(10)中布設(shè)灌溉管網(wǎng)即
可，不需要安裝額外的滴灌裝置或滲灌裝置；尤其采用成品管路(20)直接設(shè)計(jì)， 使成本控制容易，可形成低廉的灌溉系統(tǒng)；
② 灌溉管網(wǎng)埋在地表以下，降低了土壤表面的水分蒸發(fā)和下滲無(wú)效灌溉損 失，節(jié)約了灌溉用水；
③ 灌溉均勻，即灌溉區(qū)域的灌溉效果比較均衡；
④ 使用灌溉時(shí)間和灌溉水壓力雙重控制灌溉量，控制土壤的含水率在適合植 被生長(zhǎng)的范圍，實(shí)施起來(lái)方法靈活、簡(jiǎn)單。
本發(fā)明適用于農(nóng)業(yè)、園林、林業(yè)等涉及水量自動(dòng)控制的灌溉領(lǐng)域。


圖1是本發(fā)明的灌溉管網(wǎng)示意圖； 圖2是管路(20)的結(jié)構(gòu)圖3是管路(20)內(nèi)水壓力較大時(shí)水分輸送情況示意圖4是管路(20)內(nèi)水壓力較小時(shí)水分輸送情況示意圖5是管路(20)內(nèi)水分供給量隨水壓力變化曲線圖。
其中
IO — 土壤
20_管路， 一種多孔滲透材料管路；
21— 骨架，由透水或半透水管材構(gòu)成；
22— 外管，是一種多孔滲透材料外管；
23— 透水空間； 30_閥門；
40—水源。
X—管內(nèi)壓力； Y—水分供給流量； F—變化曲線。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明
1、關(guān)于管路(20)
1)管路(20)的結(jié)構(gòu)
如圖2，管路(20)的結(jié)構(gòu)是其橫截面，從內(nèi)向外，依次為透水空間(23)、
骨架(21)和外管(22);
所述的骨架(21)由透水或半透水管材構(gòu)成； 所述的外管(22)是一種多孔滲透材料外管。 2)多孔滲透材料
多孔滲透材料可選用粘土、 土工布、棉麻、細(xì)砂、水泥砂漿、陶瓷(如瓦 管、粘土磚等)、多孔橡膠、玻璃細(xì)顆粒等單獨(dú)形成外管(22)或按照一定的比
例形成外管(22)。主要的幾種利用方式如下
*粘土材料，比例10% 99%, 土顆粒平均粒徑為1 u 1000um， 土顆粒通 過(guò)土工布或其他棉麻布包裹或粘結(jié)劑粘結(jié)形成厚度0. 05cm 10cm的土顆粒管。 * 土工布、棉麻織物、碳纖維、玻璃纖維等加筋材料的重量百分比為1%
40%。
*粘結(jié)劑的重量百分比為0.01% 10%;其滲透系數(shù)控制在10—3cm/s 10_9cm/s，又以10—4cm/s l(Tcm/s為最佳范圍。
*粘土燒制管，例如陶瓷管、粘土磚管(制作工藝同瓦管一致，不同在于 控制孔隙平均直徑)，控制管孔隙平均直徑為lu 1000um范圍，管壁厚度為 lram 100腿范圍；保持一定的透水性，滲透性在10—3cm/s 10—^m/s之間。
*水泥管，原料為水泥和粉細(xì)砂，控制水管管壁的孔隙平均直徑為lu 1000 um范圍，管壁厚度為0.05cm 10cm范圍，控制水管的滲透性在10—3cm/s 10—9cm/s之間。可添加纖維類材料增加管外壁的韌性。
*采用棉麻紡織形成致密管，能夠保持較大的透水性水管。
*多孔橡膠，控制多孔橡膠的滲透性在10"cm/s 10—9cm/s，橡膠管壁厚度 為0. 05cm 10cm范圍。
以上材料的幾種或全部按比例配合，可形成堅(jiān)韌且?guī)б欢ㄈ岫鹊亩嗫坠苈?(20)，滲透系數(shù)控制在10—3cm/s l(Tcm/s之間即可。
管路(20)的連接方式可以參考現(xiàn)有的管路連接方法，如膠帶密封，橡膠連 接，膠合，熱合等工藝。
2、關(guān)于步驟①
灌溉管網(wǎng)的布設(shè)方式可以多種多樣，例如圖l給出了一種管路布置情況；對(duì) 于微流量灌溉，管路直徑要求不高， 一般大于lcm即可以；對(duì)于主輸水管道，需
要采用管路設(shè)計(jì)手冊(cè)進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足灌溉流量情況下的水頭損失不要太大(控制 水頭損失在O. 1 5m水頭范圍內(nèi))。管的埋深一般要求在lcm 300cm深度范圍內(nèi)，
根據(jù)植被根部深度確定管網(wǎng)的埋深，例如草本要求管路的深度較淺，而樹木要 求的深度較大。
3、 關(guān)于步驟②
灌溉區(qū)域內(nèi)的降雨量、蒸發(fā)量可以査閱當(dāng)?shù)貧夂蛸Y料，植被蒸發(fā)量根據(jù)植被 生長(zhǎng)過(guò)程的需水量變化情況，設(shè)計(jì)管路時(shí)，取最大的蒸發(fā)量進(jìn)行設(shè)計(jì)，多余的水 分會(huì)蒸發(fā)掉。
管路設(shè)計(jì)中，管壁材料的滲透系數(shù)由廠家提供或由試驗(yàn)確定， 一旦管路確定 后，管內(nèi)壓力與時(shí)間凡、t就確定為定值了，尸和t的選擇隨當(dāng)?shù)貙?shí)際情況確定。 一般通過(guò)控制管內(nèi)壓力實(shí)現(xiàn)灌溉，時(shí)間確定為全程灌溉，管內(nèi)壓力與輸水量的關(guān)
系如圖5所示。
遇到特殊天氣，例如干旱，則需要增加水源壓力或灌溉時(shí)間，若為雨季，則 降低水源壓力和灌溉時(shí)間就可以控制整個(gè)灌溉系統(tǒng)了。
4、 關(guān)于步驟③
通過(guò)閥門(30)接入水源(40)，其中閥門(30)可為減壓閥門或增壓閥門 等壓力調(diào)節(jié)閥門，調(diào)節(jié)灌溉管內(nèi)的水壓力，通過(guò)控制壓力實(shí)現(xiàn)全程灌溉；或采用 普通閥門通過(guò)調(diào)整開關(guān)時(shí)間實(shí)現(xiàn)灌溉系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
權(quán)利要求
1、一種基于滲透材料的微流量灌溉方法，其特征在于包括下列步驟①采用管路(20)在土壤(10)中布設(shè)灌溉管網(wǎng)，灌溉管網(wǎng)的終端通過(guò)閥門(30)與水源(40)連通；②根據(jù)灌溉區(qū)域的降雨量P、土壤的蒸發(fā)量E、植被的蒸發(fā)量Ev，計(jì)算需要灌溉的輸水量Q＝E+Ev-P；③人工控制閥門(30)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行灌溉。
2、 按權(quán)利要求1所述的基于滲透材料的微流量灌溉方法，其特征在于管路(20)的結(jié)構(gòu)是其橫截面，從內(nèi)向外，依次為透水空間(23)、骨架 (21)和外管(22);所述的骨架(21)由透水或半透水管材構(gòu)成； 所述的外管(22)是一種多孔滲透材料外管。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于滲透材料的微流量灌溉方法，涉及一種灌溉方法。本發(fā)明包括下列步驟①采用管路(20)在土壤(10)中布設(shè)灌溉管網(wǎng)，灌溉管網(wǎng)的終端通過(guò)閥門(30)與水源(40)連通；②根據(jù)灌溉區(qū)域的降雨量P、土壤的蒸發(fā)量E、植被的蒸發(fā)量E_v，計(jì)算需要灌溉的輸水量Q＝E+E_v-P；③人工控制閥門(30)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行灌溉。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；降低了土壤表面的水分蒸發(fā)和下滲無(wú)效灌溉損失，節(jié)約了灌溉用水；灌溉均勻；實(shí)施起來(lái)方法靈活、簡(jiǎn)單。適用于農(nóng)業(yè)、園林、林業(yè)等涉及水量自動(dòng)控制的灌溉領(lǐng)域。
文檔編號(hào)A01G25/16GK101103694SQ200710052980
公開日2008年1月16日 申請(qǐng)日期2007年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月17日
發(fā)明者李小春, 寧 魏 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所