本實用新型涉及農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù),尤其涉及一種維持恒負(fù)壓灌水的裝置。
背景技術(shù):
農(nóng)作物在生長發(fā)育過程中所蒸騰掉的水分往往是其自身生物量的數(shù)百倍甚至數(shù)萬倍,由于土壤往往難以提供農(nóng)作物生長發(fā)育所必需的水分,因此,在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中,通過灌溉給土壤補充水分,繼而滿足農(nóng)作物對水分的需求是必不可少的農(nóng)事活動。但該傳統(tǒng)灌溉方式,灌溉水資源浪費較為嚴(yán)重,為了有效降低水資源的浪費,近10多年來,提出了一種新型灌水技術(shù),即負(fù)壓灌溉技術(shù)得到逐步發(fā)展和應(yīng)用,該技術(shù)可以有效地抑制地表濕潤導(dǎo)致的無效蒸發(fā)和地下滲漏導(dǎo)致的無效灌溉和養(yǎng)分流失,能夠節(jié)省大量的人力和物力,從而極大地提高灌溉效率和水分生產(chǎn)率。
利用負(fù)壓灌溉技術(shù)設(shè)計的負(fù)壓灌溉系統(tǒng)一般包括:灌水器系統(tǒng)、儲水器系統(tǒng)、負(fù)壓發(fā)生系統(tǒng)等3個基本構(gòu)件。其中,負(fù)壓發(fā)生系統(tǒng)是能否實現(xiàn)負(fù)壓灌溉的前提條件。目前,基本上有三種方法實現(xiàn)負(fù)壓,第一種為水頭差法,即將水源(儲水器)放置在比向土壤輸送水分的灌水器位置低的地方,但該方法,容易因為氣體溢出而導(dǎo)致灌溉水?dāng)嗔?,使得所形成的?fù)壓很少能達(dá)到-40kpa以下,且由于使用起來極為不方便,因此除了在實驗室外,這種方法很少實際使用;第二種為爬升水柱法,利用一裝有一定水量的封閉管子以形成一定高度的水柱,并且有根和外邊聯(lián)通的小管子插入到這個水柱的某個深度,其頂部空氣腔連接到儲水器,由于爬升水柱法體積龐大,實際使用起來也很不方便;第三種為液體負(fù)壓閥方法。
圖1是現(xiàn)有基于液體負(fù)壓閥方法的負(fù)壓灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。參見圖1,包括:灌水頭11、儲水器12、負(fù)壓調(diào)節(jié)裝置13、第二負(fù)壓室14以及連通管15,其中,
負(fù)壓調(diào)節(jié)裝置13包括:U形管21以及負(fù)壓調(diào)節(jié)管22,其中,在U形管21的左右兩側(cè)管壁,分別開設(shè)有第一連通孔211以及第二連通孔212,且第一連通孔211位于第二連通孔212上方;負(fù)壓調(diào)節(jié)管22的一端通過第一連通孔211連通伸入U形管21的左側(cè)管內(nèi),另一端通過第二連通孔212連通伸入U形管21的右側(cè)管內(nèi);
儲水器12為密封的容器,存放有灌溉水121,灌溉水液面上方與儲水器頂部之間形成有空氣的第一負(fù)壓室122,下部開設(shè)有第三連通孔123,底部開設(shè)有第四連通孔124;
連通管15的一端通過第三連通孔123伸入儲水器12內(nèi),另一端通過開設(shè)在第二負(fù)壓室14側(cè)壁上的通孔伸入第二負(fù)壓室14內(nèi);
灌水頭11通過第四連通孔124與儲水器12底部相連通,放置于土壤中生長有農(nóng)作物根系的位置;
U形管21的左側(cè)管通過開設(shè)在第二負(fù)壓室14頂部的通孔連通伸入第二負(fù)壓室14內(nèi),U形管21的右側(cè)管與大氣相通;
第一負(fù)壓室122內(nèi)充滿預(yù)設(shè)壓強和體積的空氣,使得灌水頭的水勢高于使農(nóng)作物生長旺盛對應(yīng)的土壤水勢,小于土壤處于田間持水量時的土壤水勢;
所述第二負(fù)壓室14內(nèi)壓強與U形管內(nèi)充注的液體高度差產(chǎn)生的壓強之和等于大氣壓,且U形管的左側(cè)管內(nèi)的液面高度最高不高出第一連通孔211。
但該負(fù)壓灌溉系統(tǒng),負(fù)壓調(diào)節(jié)裝置中需要注入水銀之類的重液,實際使用過程發(fā)現(xiàn)在運行2~3個月后,水銀普遍發(fā)生氧化沉淀而導(dǎo)致系統(tǒng)停止運轉(zhuǎn),使得負(fù)壓灌溉系統(tǒng)利用效率不高。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
有鑒于此,本實用新型實施例提供一種維持恒負(fù)壓灌水的裝置,能夠確保負(fù)壓灌溉持續(xù)穩(wěn)定運轉(zhuǎn),提升恒負(fù)壓灌溉系統(tǒng)利用效率。
本實用新型實施例提供一種維持恒負(fù)壓灌水的裝置,包括:貫通容器、多孔介質(zhì)板以及U形容器,其中,
貫通容器呈倒置的杯子形狀,頂部設(shè)置有出氣接口,出氣接口與儲水器底部相連通,底部敞口;
多孔介質(zhì)板粘貼固定在貫通容器的下部內(nèi)側(cè)壁上,多孔介質(zhì)板與內(nèi)側(cè)壁的粘貼處密封;
U形容器內(nèi)放置貫通容器,在U形容器內(nèi),注入有浸潤多孔介質(zhì)板的流體,注入的流體液面高于貫通容器的下開口面,且所注流體容量與貫通容器下開口面以下的U形容器的容量之差,大于或者等于多孔介質(zhì)板下表面到貫通容器下開口面的貫通容器體積,小于多孔介質(zhì)板上表面至貫通容器出氣接口之間空間的容量。
優(yōu)選地,所述多孔介質(zhì)板為多孔陶瓷,所述流體為與多孔陶瓷存在浸潤關(guān)系的水。
優(yōu)選地,所述多孔介質(zhì)板為疏水親油性醋酸多孔纖維,所述流體為與醋酸多孔纖維存在浸潤關(guān)系的石蠟油。
本實用新型實施例提供的一種維持恒負(fù)壓灌水的裝置,包括:貫通容器、多孔介質(zhì)板以及U形容器,其中,貫通容器呈倒置的杯子形狀,頂部設(shè)置有出氣接口,出氣接口與儲水器底部相連通,底部敞口;多孔介質(zhì)板粘貼固定在貫通容器的下部內(nèi)側(cè)壁上,多孔介質(zhì)板與內(nèi)側(cè)壁的粘貼處密封;U形容器內(nèi)放置貫通容器,在U形容器內(nèi),注入有浸潤多孔介質(zhì)板的流體。能夠確保負(fù)壓灌溉持續(xù)穩(wěn)定運轉(zhuǎn),提升恒負(fù)壓灌溉系統(tǒng)利用效率。
附圖說明
為了更清楚地說明本實用新型實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案,下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹,顯而易見地,下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例,對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講,在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下,還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。
圖1是現(xiàn)有基于液體負(fù)壓閥方法的負(fù)壓灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2為本實用新型的實施例恒負(fù)壓灌水設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖;
圖3為本實用新型的實施例維持恒負(fù)壓灌水的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖;
圖4為本實施例維持恒負(fù)壓灌水的裝置負(fù)壓灌溉開始前的狀態(tài)示意圖;
圖5為本實施例維持恒負(fù)壓灌水的裝置的第一中間狀態(tài)示意圖;
圖6為本實施例維持恒負(fù)壓灌水的裝置的第二中間狀態(tài)示意圖;
圖7為本實施例維持恒負(fù)壓灌水的裝置的平衡狀態(tài)示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本實用新型實施例進行詳細(xì)描述。
應(yīng)當(dāng)明確,所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例,而不是全部的實施例?;诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├绢I(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例,都屬于本實用新型保護的范圍。
圖2為本實用新型的實施例恒負(fù)壓灌水設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。參見圖2,該設(shè)備包括:貫通容器201、多孔介質(zhì)板202以及U形容器204,其中,
貫通容器201呈倒置的杯子形狀,頂部設(shè)置有出氣接口,出氣接口與外部儲水器底部相連通,底部敞口;
多孔介質(zhì)板202粘貼固定在貫通容器201的下部內(nèi)側(cè)壁上,多孔介質(zhì)板202與內(nèi)側(cè)壁的粘貼處密封;
U形容器203內(nèi)放置貫通容器201,在U形容器204內(nèi),注入有能夠浸潤多孔介質(zhì)板202的流體203,注入的流體203的液面高于貫通容器201的下開口面,且所注流體容量與貫通容器201下開口面以下的U形容器204的容量之差,大于或者等于多孔介質(zhì)板202下表面到貫通容器201下開口面的貫通容器201體積,小于多孔介質(zhì)板202上表面至貫通容器201出氣接口之間空間的容量。
本實施例中,U形容器204的內(nèi)徑大于貫通容器201的外徑,使得貫通容器201能自由放置在U形容器204中。
本實施例中,多孔介質(zhì)板202固定在貫通容器201的內(nèi)壁下部,兩者的連接固定處密封,使之不漏水、不漏氣。
本實施例中,U形容器204內(nèi)注入的流體能夠浸潤多孔介質(zhì)板202,即多孔介質(zhì)板202是親注入在U形容器204內(nèi)的流體203的,使得多孔介質(zhì)板202與流體203之間存在浸潤關(guān)系。
本實施例中,作為一可選實施例,多孔介質(zhì)板202為多孔陶瓷,對應(yīng)的流體為水;作為另一可選實施例,多孔介質(zhì)板202為疏水親油性醋酸多孔纖維,對應(yīng)的流體為石蠟油等。
圖3為本實用新型的實施例維持恒負(fù)壓灌水的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖,參見圖3,該系統(tǒng)包括:灌水頭31、儲水器32以及恒負(fù)壓灌水設(shè)備33,其中,恒負(fù)壓灌水設(shè)備33為上述的恒負(fù)壓灌水設(shè)備。
儲水器32為密封的容器,存放有灌溉水,下部開設(shè)有用于通過連通管連接恒負(fù)壓灌水設(shè)備33的連通孔,底部直接或者通過連接管與灌水頭31相通;
灌水頭31放置于土壤中生長有農(nóng)作物根系的位置;
恒負(fù)壓灌水設(shè)備33包括:貫通容器201、多孔介質(zhì)板202以及U形容器204,其中,
貫通容器201呈倒置的杯子形狀,頂部設(shè)置有出氣接口,出氣接口與儲水器32底部相連通,底部敞口;
多孔介質(zhì)板202粘貼固定在貫通容器201的下部內(nèi)側(cè)壁上,多孔介質(zhì)板202與內(nèi)側(cè)壁的粘貼處密封;
U形容器204內(nèi)放置貫通容器201,在U形容器204內(nèi),注入有能夠浸潤多孔介質(zhì)板202的流體203,注入的流體203的液面高于貫通容器201的下開口面,且所注流體容量與貫通容器201下開口面以下的U形容器204的容量之差,大于或者等于多孔介質(zhì)板202下表面到貫通容器201下開口面的貫通容器201體積,小于多孔介質(zhì)板202上表面至貫通容器201出氣接口之間空間的容量。
本實施例中,U形容器204的內(nèi)徑大于貫通容器201的外徑,使得貫通容器201能自由放置在U形容器204中。
多孔介質(zhì)板202固定在貫通容器201的下部,兩者的連接處密封,使之不漏水、不漏氣。
本實施例中,U形容器204內(nèi)注入的流體203能夠浸潤多孔介質(zhì)板202,即多孔介質(zhì)板202是親注入在U形容器204內(nèi)的流體203的。
本實施例中,作為一可選實施例,多孔介質(zhì)板202為多孔陶瓷,對應(yīng)的流體為水;作為另一可選實施例,多孔介質(zhì)板202為醋酸多孔纖維,對應(yīng)的流體為石蠟油等。
本實施例中,作為一可選實施例,注入在U形容器204中位于多孔介質(zhì)板202的下表面之上的流體容量小于貫通容器201內(nèi)固定多孔介質(zhì)板202的上部空間容量。
圖4為本實施例維持恒負(fù)壓灌水的裝置負(fù)壓灌溉開始前的狀態(tài)示意圖。參見圖4,在負(fù)壓灌溉開始前,在U形容器中注入流體,注入流體后,流體液面不低于貫通容器向下的開口面,即流體液面至少高于貫通容器向下的開口面,流體在U形容器中液面高度與在貫通容器內(nèi)的液面高度相同,且所注流體容量與貫通容器下開口面以下的U形容器的容量之差,大于或者等于多孔介質(zhì)板下表面到貫通容器下開口面的貫通容器體積,小于多孔介質(zhì)板上表面至貫通容器出氣接口之間空間的容量。將貫通容器連接到儲水器下部的連接孔。本實施例中,即使位于多孔介質(zhì)板的下表面之上的流體全部進入貫通容器內(nèi)多孔介質(zhì)板上表面上部的空間,其液面也低于貫通容器的內(nèi)上壁(出氣接口),即在全部注入U形容器中位于多孔介質(zhì)板的下表面之上的流體后,貫通容器的上部與出氣接口之間,始終具有一定的氣體空間,且氣體空間內(nèi)的氣體壓強大于農(nóng)作物生長對應(yīng)的土壤水勢。
圖5為本實施例維持恒負(fù)壓灌水的裝置的第一中間狀態(tài)示意圖。參見圖5,當(dāng)負(fù)壓灌水過程開始后,隨著灌溉水流入土壤,貫通容器內(nèi)上部氣體空間的氣體壓強(Pi)減少,外部大氣壓驅(qū)動U形容器內(nèi)的流體不斷地通過多孔介質(zhì)板進入多孔介質(zhì)板上表面與貫通容器圍成的氣體空間,U形容器中的流體液面下降,貫通容器內(nèi)的流體液面上升,流體在貫通容器內(nèi)與在U形容器內(nèi)形成的液面高度差逐漸增大。圖中,h為流體在貫通容器內(nèi)與在U形容器內(nèi)形成的液面高度差。
圖6為本實施例維持恒負(fù)壓灌水的裝置的第二中間狀態(tài)示意圖。參見圖6,在U形容器中的流體液面與貫通容器朝下的開口面平齊后,隨著灌溉的繼續(xù),U形容器中的流體與貫通容器內(nèi)的流體斷開,貫通容器內(nèi)的流體成為懸掛狀態(tài),其下端液體直接與大氣相通。
本實施例中,第二中間狀態(tài)的持續(xù)時間有可能很短,甚至是瞬時間。
圖7為本實施例維持恒負(fù)壓灌水的裝置的平衡狀態(tài)示意圖。參見圖7,隨著灌溉的再繼續(xù),貫通容器內(nèi)的流體下端液面上升至與多孔介質(zhì)板的下表面平齊或稍高于多孔介質(zhì)板的下表面、低于多孔介質(zhì)板的上表面,達(dá)到動態(tài)平衡。
此時,多孔介質(zhì)板的下表面所受到的向上的壓強為大氣壓P0,受到的向下的壓強為:
P=ρgH+Pi+PB
本實施例中,當(dāng)恒負(fù)壓灌水系統(tǒng)達(dá)到動態(tài)平衡時,即貫通容器內(nèi)處于即將從U形容器通過多孔介質(zhì)板進氣卻還沒有進氣的臨界平衡點時,多孔介質(zhì)板的下表面,向上的壓強和向下的壓強處于平衡狀態(tài),設(shè)平衡狀態(tài)時流體在貫通容器內(nèi)自多孔介質(zhì)板的上表面起算的高度為H,即流體在貫通容器內(nèi)與在U形容器內(nèi)形成的液面高度差絕對值,具有如下動態(tài)平衡公式:
P0=P=ρgH+Pi+PB
因此,本實施例的恒負(fù)壓灌水系統(tǒng)所能維持穩(wěn)定的最小負(fù)壓值為:
ΔPm=Pi-P0=-(ρgH+PB)
式中,
Pi+PB=P0+ρgh
P0為大氣壓;
ρ為流體密度;
g為重力加速度;
H為流體在貫通容器內(nèi)的多孔介質(zhì)板上的高度;
Pi為多孔介質(zhì)板與貫通容器形成的氣體空間的氣體壓強;
PB為浸潤在流體中的多孔介質(zhì)板的發(fā)泡點壓強;
ΔPm為恒負(fù)壓灌水系統(tǒng)所能維持穩(wěn)定的最小負(fù)壓值,如果設(shè)置最小負(fù)壓值為農(nóng)作物生長對應(yīng)的土壤水勢,則可以以此最小負(fù)壓值為平衡點,控制向土壤的供水。
本實施例中,如果多孔介質(zhì)板與貫通容器形成的上部氣體空間的氣體壓強(Pi)與大氣壓(P0)的差值(Pi-P0)小于ΔPm,例如,土壤通過灌水器向土壤供水,土壤水勢大于最小負(fù)壓值,則外界空氣將依次通過U形容器、多孔介質(zhì)板、流體而進入貫通容器中流體上部的內(nèi)部空間,使得其氣體壓強上升,直到(Pi-P0=ΔPm)或稍大于土壤水勢,從而維持一動態(tài)平衡。
本實施例中,發(fā)泡點壓強為多孔介質(zhì)板和流體組合時所表現(xiàn)出的發(fā)泡點對應(yīng)的壓強,該發(fā)泡點壓強與多孔介質(zhì)板的孔隙大小、流體在多孔介質(zhì)板上的浸潤性質(zhì)、流體的表面張力系數(shù)有關(guān)。
本實施例中,利用下式計算發(fā)泡點壓強:
式中,γ為流體的表面張力系數(shù);
θ為流體在多孔介質(zhì)板上的浸潤角;
d為多孔介質(zhì)板的孔隙直徑。
本實施例中,對于已經(jīng)確定的流體以及多孔介質(zhì)板,發(fā)泡點壓強為一確定的已知值,結(jié)合通過確定合適的H(實際應(yīng)用中,如果選擇合適,可以忽略H產(chǎn)生的流體壓強),可以使得最小負(fù)壓值為一恒定值,在土壤水勢大于該最小負(fù)壓值時,土壤吸水,Pi降低,U形容器中的流體液面下降至稍低于多孔介質(zhì)板的下表面,使得U形容器中的流體液面與多孔介質(zhì)板的下表面形成空隙,從而驅(qū)動外部空氣通過U形容器中的流體液面與多孔介質(zhì)板的下表面形成的空隙,通過多孔介質(zhì)板以及貫通容器中的流體,進入貫通容器中流體液面的上部空間,使貫通容器中流體液面上部空間的氣體壓強(Pi)升高至與土壤吸水力(土壤水勢)相同,土壤停止吸水,維持一動態(tài)平衡。后續(xù)中,作物蒸發(fā)導(dǎo)致作物吸水,又會使Pi降低,驅(qū)動外部空氣通過U形容器中的流體液面與多孔介質(zhì)板的下表面形成的空隙,通過多孔介質(zhì)板以及貫通容器中的流體,進入貫通容器中流體液面的上部空間,如此循環(huán)往復(fù)。
本實施例中,通過設(shè)計新恒負(fù)壓灌水設(shè)備,利用多孔介質(zhì)板以及水或石蠟油調(diào)節(jié)供水的壓強,能夠使供水在最小負(fù)壓值較小的波動范圍內(nèi)維持一動態(tài)平衡,確保負(fù)壓灌溉持續(xù)穩(wěn)定運轉(zhuǎn),同時能夠避免發(fā)生氧化沉淀而導(dǎo)致系統(tǒng)停止運轉(zhuǎn),有效提升負(fù)壓灌溉系統(tǒng)的利用效率。
以上所述,僅為本實用新型的具體實施方式,但本實用新型的保護范圍并不局限于此,任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實用新型揭露的技術(shù)范圍內(nèi),可輕易想到的變化或替換,都應(yīng)涵蓋在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。因此,本實用新型的保護范圍應(yīng)以權(quán)利要求的保護范圍為準(zhǔn)。