专利名称：基于渗透材料的微流量灌溉方法
技术领域：
本发明涉及一种灌溉方法，尤其涉及一种基于渗透材料的微流量灌溉方法。
背景技术：
传统的灌溉技术主要有漫灌、浇灌、喷灌、滴灌、微灌、渗灌等灌溉技术 和基于土壤吸力、土壤变化、生物形态等特征的自动控制技术合成为自动灌溉方 法，主要问题在于这些方法在灌溉植被的同时，在土壤表面形成了水表面或者高 饱和度的土层，在自然条件下，水表面和土壤水分蒸发量较大，浪费了大量的水 资源。采用漫灌、浇灌、喷灌、滴灌等技术都会导致水分下渗，浪费了一部分水 资源；另外的基于土壤吸力、植被形态、生长状况的自动控制技术成本较高，且 节水效果不佳。传统的灌溉技术一旦出现损坏，需要人工修复。在我国水资源利 用紧张、大部分地区缺水的背景下，需要成本低廉、节水效果好、技术简单、可 以大规模利用的自动控制灌溉方法。
综上所述，传统灌溉技术有以下缺点
1、 传统的灌溉方法在灌溉植被的同时，在土壤表面形成了水表面或者高饱 和度的土层，在自然条件下，水表面和高饱和土壤水分蒸发量较大，浪费了大量 的水资源。
2、 传统灌溉方法容易多灌溉，造成多余水分下渗进入植被影响范围以外， 植被无法利用，浪费水资源。
3、 漫灌、喷灌、滴灌、渗灌等工艺无法根据植被的生长状况控制灌溉水量， 还需要人为的干预或者控制系统实现灌溉操作。
如何节约水资源、提高灌溉的效率？如何根据植被需求解决灌溉问题？廉价 可大规模利用的技术是节水灌溉技术需要解决的重要问题。
发明内容
本发明的目的就在于克服现有技术存在的上述缺点和不足，创新现有技术， 扩大使用范围，而提供一种基于渗透材料的微流量灌溉方法。该方法是一种简单、 有效的节水灌溉方法，而且是一种能在常规灌溉方法的基础上完成的方法，成本 低廉，有利于提高水资源利用效率，有利于提供更适宜植被生长的环境。
本发明的目的是这样实现的
灌溉方法己经成为一种广泛使用的植被培植和绿化的方法；各种灌溉方法已 被广泛应用于市政、园林、林业、农业等灌溉领域。目前，喷灌、滴灌、渗灌等 技术的快速发展，为新灌溉方法的提出奠定了基础。
本发明包括下列步骤
① 采用管路(20)在土壤(10)中布设灌溉管网，灌溉管网的终端通过阀门 (30)与水源(40)连通，如图l所示；
② 根据灌溉区域的降雨量八土壤的蒸发量&植被的蒸发量《，计算需要
灌溉的输水量2 =五+ ^-尸；
③ 人工控制阀门(30)，根据计算结果进行灌溉。
所述的步骤②，具体地说
根据灌溉区域的降雨量、土壤的蒸发量、植被的蒸发量，由式l、 2计算需
要灌溉的输水量是<formula>formula see original document page 4</formula>
^~灌溉区域的单位面积需要的平均输水量或灌溉强度；
f一单位面积上植物生长期间土壤的最大蒸发量；
《一单位面积上植物生长期间植被的最大蒸发量；
/L灌溉区域单位面积的平均降雨量； 灌溉管网输水量计算方法
2 =《 (2) a—灌溉管路的单位长度t时间内的输水量； t计算灌溉面积范围内管路的长度。
③根据式3计算的流量确定管内压力和灌溉时间；
e -CA" (3)
ft—灌溉管路的t时间内的输水量。
A—渗透材料的渗透系数；可有孔隙直径计算得到或试验直接测得(单位 m/s);
A—管单位长度的中径面积；(单位m2)
凡一管内的孔隙水压力(单位m，压力水头单位)； 几t一管外的孔隙水压力(单位m，压力水头单位)； f灌溉管路厚度(单位m);
t一管路输水时间；时间可以为间段性质的， 一般设定为连续灌溉。
本发明的工作原理
在土壤(10)中埋入由管路(20)组成的灌溉管网，管内和管外存在压力差 时，管路(20)的水分就会按照一定的比例流入灌溉区域。本发明主要针对植物 生长期间土壤水分不平衡的问题，用管路(20)补充水量不平衡的部分，实现植 被生长的水量平衡，提供适合植被生长的环境。通过控制管路(20)内的压力和 灌溉时间可实现水流量的控制。当管路(20)内水压力较大时，水流量输送情况 如图3所示，当管路(20)内水压力较小时，水流量输送情况如图4所示。该方 法满足植物干旱气候和植被需水量大的条件下的灌溉，保持土壤水分在植被适合 的范围内。
本发明主要利用多孔介质材料的渗透性原理，利用管路(20)内、外的压力 差别，即管外土壤(10)中的压力主要取决于管路(20)与土壤(10)的材料性 质。例如亲水且接触良好时，孔压为负值；管路(20)与土壤(10)接触不紧 密处，孔压为0。
本发明具有下列优点和积极效果
①本发明结构简单，只需要采用管路(20)在土壤(10)中布设灌溉管网即
可，不需要安装额外的滴灌装置或渗灌装置；尤其采用成品管路(20)直接设计， 使成本控制容易，可形成低廉的灌溉系统；
② 灌溉管网埋在地表以下，降低了土壤表面的水分蒸发和下渗无效灌溉损 失，节约了灌溉用水；
③ 灌溉均匀，即灌溉区域的灌溉效果比较均衡；
④ 使用灌溉时间和灌溉水压力双重控制灌溉量，控制土壤的含水率在适合植 被生长的范围，实施起来方法灵活、简单。
本发明适用于农业、园林、林业等涉及水量自动控制的灌溉领域。
图1是本发明的灌溉管网示意图； 图2是管路(20)的结构图3是管路(20)内水压力较大时水分输送情况示意图4是管路(20)内水压力较小时水分输送情况示意图5是管路(20)内水分供给量随水压力变化曲线图。
其中
IO — 土壤
20_管路， 一种多孔渗透材料管路；
21— 骨架，由透水或半透水管材构成；
22— 外管，是一种多孔渗透材料外管；
23— 透水空间； 30_阀门；
40—水源。
X—管内压力； Y—水分供给流量； F—变化曲线。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明
1、关于管路(20)
1)管路(20)的结构
如图2，管路(20)的结构是其横截面，从内向外，依次为透水空间(23)、
骨架(21)和外管(22);
所述的骨架(21)由透水或半透水管材构成； 所述的外管(22)是一种多孔渗透材料外管。 2)多孔渗透材料
多孔渗透材料可选用粘土、 土工布、棉麻、细砂、水泥砂浆、陶瓷(如瓦 管、粘土砖等)、多孔橡胶、玻璃细颗粒等单独形成外管(22)或按照一定的比
例形成外管(22)。主要的几种利用方式如下
*粘土材料，比例10% 99%, 土颗粒平均粒径为1 u 1000um， 土颗粒通 过土工布或其他棉麻布包裹或粘结剂粘结形成厚度0. 05cm 10cm的土颗粒管。 * 土工布、棉麻织物、碳纤维、玻璃纤维等加筋材料的重量百分比为1%
40%。
*粘结剂的重量百分比为0.01% 10%;其渗透系数控制在10—3cm/s 10_9cm/s，又以10—4cm/s l(Tcm/s为最佳范围。
*粘土烧制管，例如陶瓷管、粘土砖管(制作工艺同瓦管一致，不同在于 控制孔隙平均直径)，控制管孔隙平均直径为lu 1000um范围，管壁厚度为 lram 100腿范围；保持一定的透水性，渗透性在10—3cm/s 10—^m/s之间。
*水泥管，原料为水泥和粉细砂，控制水管管壁的孔隙平均直径为lu 1000 um范围，管壁厚度为0.05cm 10cm范围，控制水管的渗透性在10—3cm/s 10—9cm/s之间。可添加纤维类材料增加管外壁的韧性。
*采用棉麻纺织形成致密管，能够保持较大的透水性水管。
*多孔橡胶，控制多孔橡胶的渗透性在10"cm/s 10—9cm/s，橡胶管壁厚度 为0. 05cm 10cm范围。
以上材料的几种或全部按比例配合，可形成坚韧且带一定柔度的多孔管路 (20)，渗透系数控制在10—3cm/s l(Tcm/s之间即可。
管路(20)的连接方式可以参考现有的管路连接方法，如胶带密封，橡胶连 接，胶合，热合等工艺。
2、关于步骤①
灌溉管网的布设方式可以多种多样，例如图l给出了一种管路布置情况；对 于微流量灌溉，管路直径要求不高， 一般大于lcm即可以；对于主输水管道，需
要采用管路设计手册进行设计，满足灌溉流量情况下的水头损失不要太大(控制 水头损失在O. 1 5m水头范围内)。管的埋深一般要求在lcm 300cm深度范围内，
根据植被根部深度确定管网的埋深，例如草本要求管路的深度较浅，而树木要 求的深度较大。
3、 关于步骤②
灌溉区域内的降雨量、蒸发量可以査阅当地气候资料，植被蒸发量根据植被 生长过程的需水量变化情况，设计管路时，取最大的蒸发量进行设计，多余的水 分会蒸发掉。
管路设计中，管壁材料的渗透系数由厂家提供或由试验确定， 一旦管路确定 后，管内压力与时间凡、t就确定为定值了，尸和t的选择随当地实际情况确定。 一般通过控制管内压力实现灌溉，时间确定为全程灌溉，管内压力与输水量的关
系如图5所示。
遇到特殊天气，例如干旱，则需要增加水源压力或灌溉时间，若为雨季，则 降低水源压力和灌溉时间就可以控制整个灌溉系统了。
4、 关于步骤③
通过阀门(30)接入水源(40)，其中阀门(30)可为减压阀门或增压阀门 等压力调节阀门，调节灌溉管内的水压力，通过控制压力实现全程灌溉；或采用 普通阀门通过调整开关时间实现灌溉系统的正常运行。
权利要求
1、一种基于渗透材料的微流量灌溉方法，其特征在于包括下列步骤①采用管路(20)在土壤(10)中布设灌溉管网，灌溉管网的终端通过阀门(30)与水源(40)连通；②根据灌溉区域的降雨量P、土壤的蒸发量E、植被的蒸发量Ev，计算需要灌溉的输水量Q＝E+Ev-P；③人工控制阀门(30)，根据计算结果进行灌溉。
2、 按权利要求1所述的基于渗透材料的微流量灌溉方法，其特征在于管路(20)的结构是其横截面，从内向外，依次为透水空间(23)、骨架 (21)和外管(22);所述的骨架(21)由透水或半透水管材构成； 所述的外管(22)是一种多孔渗透材料外管。
全文摘要
本发明公开了一种基于渗透材料的微流量灌溉方法，涉及一种灌溉方法。本发明包括下列步骤①采用管路(20)在土壤(10)中布设灌溉管网，灌溉管网的终端通过阀门(30)与水源(40)连通；②根据灌溉区域的降雨量P、土壤的蒸发量E、植被的蒸发量E<sub>v</sub>，计算需要灌溉的输水量Q＝E+E<sub>v</sub>-P；③人工控制阀门(30)，根据计算结果进行灌溉。本发明结构简单；降低了土壤表面的水分蒸发和下渗无效灌溉损失，节约了灌溉用水；灌溉均匀；实施起来方法灵活、简单。适用于农业、园林、林业等涉及水量自动控制的灌溉领域。
文档编号A01G25/16GK101103694SQ200710052980
公开日2008年1月16日 申请日期2007年8月17日 优先权日2007年8月17日
发明者李小春, 宁 魏 申请人:中国科学院武汉岩土力学研究所