CN102668911A

CN102668911A - 一种植物水循环维持模拟装置

Info

Publication number: CN102668911A
Application number: CN2012100069173A
Authority: CN
Inventors: 郭江泓; 赵林; 刘航; 宋伟男; 李东哲
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2012-01-10
Filing date: 2012-01-10
Publication date: 2012-09-19

Abstract

本发明公开了一种植物水循环维持模拟装置，包括土壤层、植被层、配水管和集水池；本发明采用两种方法对集水进行再配水：一种是使用真空泵抽取集水，通过带孔管道对植物进行滴灌，这是主要的配水方式；另一种是通过棉绳的毛细作用使集水池的水上升到土层中，作为补充配水方式。本发明有效进行了节水灌溉，一般情况的雨水直接收集率为65％，保证了植物的需水要求。

Description

一种植物水循环维持模拟装置

技术领域

本发明涉及一种雨水收集、利用装置，特别涉及一种具有植物水循环维持功能的雨水收集和集水再分配模拟装置。

背景技术

充足的水分是植物生长的一个重要条件。水分缺乏，植物生长就会受到影响。一方面植物通过根系吸收水分，使地上部分各器官保持一定的膨压，维持正常的生理功能；另一方面，植株又通过蒸腾作用把大量的水分散失掉，以上两个过程只有相互协调统一才能保证植株的正常生长。植物生长需要一定的有机物作为建造细胞壁和原生质的材料，这些材料主要是光合作用的产物，而水是光合作用顺利进行的必要条件；同时，光合作用制造的有机物质向生长部位运输也需要水分。

物质循环作为生态***的生态功能之一，对维持生态***的稳定有重要的作用。物质循环又包括水循环、碳循环等。其中水循环是生态***的重要过程，是所有物质进行循环的必要条件。构建具有生态完整性的生态***必然需要持续的水循环来保证，在人工海岸、干旱区域等缺水地区的生态构建中，水循环的维持就显得尤为重要。

我国是水资源缺乏的国家，人均占有水量仅居于世界的第108位，水资源已经成为影响我国社会经济可持续发展的关键因素之一。，雨水作为一种自然资源，充分利用雨水可有效缓解城市水资源的紧缺。雨水资源在利用过程中有如下优点：(1)城市化使水循环的下垫面硬质化，雨水资源在地面上过剩，很容易导致洪涝灾害。利用雨水渗透和储留能够适当提高地下水位，补充地下水的涵养量，可有效控制沿海地区的海水入侵、地面沉降等，保护生态环境。(2)雨水资源可用于城市绿化、园林和花坛等生态用水，是生态用水的理想水源，也是节水的有效办法。尤其是在缺乏淡水的地区有效地利用雨水资源可以低成本、高效率的改善水资源缺乏的问题。

目前，雨水收集利用技术包括：(1)雨水收集技术。主要指雨水通过天然或人工修筑的集流面形成地表径流而收集，包括道路收集、屋顶收集、绿地收集等。集流面的材料会影响雨水收集效果，粗糙的集流面容易滞留灰尘，易渗漏的集流面形成地表径流小；(2)雨水贮存和净化技术。主要指将雨水汇流到雨水贮存设施，包括小水库、塘坝等，在贮存设施中长配备沉砂池、滤网等改善水质。雨水贮存设施需要注意防止蒸发和下渗；(3)雨水利用技术。主要指通过输水管道进行节水灌溉，包括喷灌、滴灌、渗灌的灌溉技术。输水效率和节水技术效率将会影响雨水利用效率。

公开号为CN2776027Y的中国专利披露了一种由渗灌器、输水管等构成的节水渗灌及雨水收集装置，可用于雨水的收集储存和渗灌施水作业中水量的调节，但该装置未对集水进行有效分配，且每个渗灌器的渗灌面积有限，大面积的实际应用费用高。公开号为CN201938156U的中国专利披露了一种地下水、雨水综合利用滴灌装置，通过储水池收集和储存雨水、水泵抽取水井中的地下水和海水淡化器淡化海水这三种方式得到的淡水分配到滴灌器进行滴灌，该装置没有将雨水收集作为主要的集水方式，且需耗费大量的电能，淡水制备的成本高。George D.和Akinolay发明的雨水收集***(专利号GB2470017-A)，该***可与房屋供水***相连，雨水经过滤器过滤后，进入供水***，置于屋顶的收集装置可以缓解雨量过大对供水***造成的压力，并防止过量雨水排入排水沟。Alexander W.J.发明的可放置在狭小空间中的雨水收集***(专利号WO2011022704-A1)，收集到的雨水通过管道输送至其它地点进行利用，在雨水收集输送过程中需消耗电能。上述雨水收集、综合利用装置或未对集水进行有效分配，或需消耗大量电能。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种植物水循环维持模拟装置，通过雨水收集和集水再分配，并充分利用太阳能和风能，从而实现低成本、高效率、节约能源的效果，并具有植物保水和雨水灌溉、维持生态***水循环的多种功能。

一种植物水循环维持模拟装置，包括土壤层(2)、植被层(3)、配水管(7)和集水池(9)，其特征在于，所述集水池(9)的上面设置有铁棍(11)，铁棍(11)的上面设置有带孔隔板(4)，带孔隔板(4)的上面设置有呈一定的坡度土壤层(2)，土壤层(2)的上面设置有植被层(3)，还设置有地膜(14)；所述土壤层(2)坡度小的一侧的外部设置有过滤器(1)，过滤器(1)的下端通过配水管与集水池(9)相通，集水池(9)常规水面的上方设置有溢流管(10)；土壤层(2)另一侧的下部设置有出水口(12)，出水口(12)通过配水管(7)与真空泵(8)相连接，再通过设置在土壤层(2)的进水口(13)进入土壤层(2)；在过滤器(1)一侧0.25m×0.6m的区域设置有棉绳，利用毛细现象作为辅助配水方式；该模拟装置的外部上方设置有太阳能电池板(5)和风力发电机(6)，由其产生的电能作为水泵(8)的电源。

所述铁棍(11)为3根，或者根据具体需要确定。

所述带孔隔板(4)的孔径为10mm，孔径距离横向为50mm，纵向为100mm；带孔隔板(4)的上面还设置有多层纱布，以防止土壤颗粒漏到底部。

所述土壤层(2)的坡度为1∶12。

进入土壤层(2)的配水管(7)设置在植物根系部位，并设置有设有若干浇灌口，该浇灌口包裹纱布以防止土壤颗粒物进入。

在植物根系周围设置有保水剂。

本发明的有益效果是，采用本发明的植物水循环维持模拟装置，在缺水地区以雨水作为水源维持植物的生长。通过管道滴灌和毛细配水两者结合可有效进行节水灌溉，采用铺设地膜和保水剂结合的措施可使植物需水量降低30％左右，保证了植物的需水要求。

附图说明

图1是植物水循环维持模拟装置的总体示意图；

图2是植物水循环维持模拟装置主体的主视剖面图；图3是图2的左视图；

图4是植物水循环维持模拟装置中隔板的俯视图。

本发明的附图标记如下：

1——过滤器 2——土壤层

3——植被层 4——带孔隔板

5——太阳能电池板 6——风力发电机

7——配水管 8——真空泵

9——集水池 10——溢流管

11——铁棍 12——出水口

13——进水口 14——地膜

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例对本发明作进一步描述。

本发明的植物水循环维持模拟装置尺寸为：长×宽×高＝1m×0.6m×0.8m，材质为10mm厚的有机玻璃板。在距底部30cm处设置有带孔隔板4，同为10mm厚有机玻璃制作，且其下端设置有三根铁棍11，使得带孔隔板4能够承受上部土层的压力。带孔的隔板4使得渗入土壤的雨水可通过隔板上的孔径进入集水池9，隔板孔径为10mm，孔径距离横向为50mm，纵向为100mm。在装置的一侧设有出水口12和进水口13，在出水口12和进水口13之间连接真空泵8以实现集水的再分配，真空泵8为水汽两用泵，由蓄电池供电，蓄电池可连接风力发电机6和太阳能电池5板进行发电；装置的另一侧设有溢流孔10以及过滤器1，过滤器1为简易过滤器。

为实验方便，维持装置的上方还设置了一个喷头，喷头连接转子流量计同时与自来水管相连接，通过调节流量大小模拟降雨过程。该喷头由天津埃尼斯阀门有限公司制造；转子流量计为东台市东兴仪表厂生产，型号为LZB-10。

真空泵为成都新为诚科技有限公司生产的WKA1300高温型真空泵，以抽取集水池中的水；蓄电池由上海艾瑞斯电子有限公司制造，型号为NP17-12，为真空泵提供电能；风力发电机额定功率100w，额定直流电压12V，额定风速和启动风速分别为12m/s和3m/s，叶轮直径920mm；太阳能电池板为单晶硅太阳能电池板，额定电压为12V，额定功率50W，工作温度范围为-40℃～+90℃。

本发明植物水循环维持模拟装置采用两种方法对集水进行再配水：一种是使用真空泵抽取集水，通过带孔管道对植物进行滴灌，这是主要的配水方式；另一种是通过棉绳的毛细作用使集水池的水上升到土层中，作为补充配水方式。具体实施步骤如下：

(1)在填土之前先在模拟装置过滤器1的一端约0.25m×0.6m的区域布置棉绳，棉绳穿过装置中间带孔隔板4且其顶端高于带孔隔板约10cm，其底端与装置底部接触，棉绳是经过筛选的具有较好毛细作用的绳子，在25cm处，棉绳可将自身水分传递给周围土壤，使得土壤含水率提高，一定程度上可以满足植物的需水。布置好棉绳之后，在带孔隔板上填垫多层纱布，防止土壤颗粒通过孔漏到底部。之后，开始进行填土，刚开始填土时，边填土边在绳子周围布撒一定量的保水剂，保水剂吸收绳子中的水份并在植物缺水时缓慢释放给周围的土壤，充分发挥保水剂的吸水性能和棉绳的毛细性能。

(2)在填土高度高于带孔隔板约为25cm时，即植物根系部位，开始铺设配水管7。配水管7采用内径为10mm的软管，管道每隔10cm钻若干个小孔，小孔***用多层纱布包裹，防止细小土壤颗粒堵塞管孔。配水管从进水口13进入，绕行布置，最后从过滤器穿出，尽量使装置各个部位都有配水口；在小孔周围也布撒一定量保水剂，在配水过多时，保水剂可吸收多余的水存储起来，慢慢释放给土壤供水。布置好配水管之后，继续填土直至过滤器口的下端，土壤层2从过滤器一端到另一端由低到高呈倾斜填装，坡度约为1∶12。土壤层2的表面还铺设地膜14，主要收集雨水之用。

(3)在铺好土之后，将已经培养好的三种耐盐碱植物(柽柳、紫花苜蓿和沙打旺)分别移植到装置中，构建植被层3，形成等间距5排共16株植物。从进水口13一端到过滤器另一端前2排为柽柳，由于柽柳植株较大，每排种3株，等间距种植；第三排为紫花苜蓿，共4株；第四排紫花苜蓿和沙打旺各2株；第五排为2株沙打旺。第一、三、五排每株植物根系周围均布置7g左右的保水剂。

在土壤层2的地表面还铺设有地膜14，地膜14收集雨水后流向过滤器1。

植物需水实验结果显示，柽柳、紫花苜蓿和沙打旺在有地膜、有保水剂时的需水量分别为它们在无地膜、无保水剂时需水量的71.01％、73.43％、71.89％。

降雨模拟实验结果为，在流量为146.25L/min的情况下，即模拟降雨为35.1mm/d，相当于气象部门规定的一般降雨，雨水直接收集率为64.87％，雨水总收集率约为78.6％；在流量为334.29L/min的情况下，即模拟降雨为80.23mm/d，相当于气象部门规定的一般暴雨，雨水直接收集率为65.57％，雨水总收集率约为81.2％。

装置模拟实验中，大部分的雨水可通过地膜直接收集起来，一部分雨水通过地膜流入土壤或降雨直接进入土壤，还有约20％左右的雨水滞留在地膜表面或植物叶面，在降雨过后通过蒸发散失。总体来说，本装置具有较高的雨水收集率，同时将收集的雨水进行再分配，较好的实现了植物水循环的维持。

本发明实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施实例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims

1.一种植物水循环维持模拟装置，包括土壤层(2)、植被层(3)、配水管(7)和集水池(9)，其特征在于，所述集水池(9)的上面设置有铁棍(11)，铁棍(11)的上面设置有带孔隔板(4)，带孔隔板(4)的上面设置有呈一定的坡度土壤层(2)，土壤层(2)的上面设置有植被层(3)，还设置有地膜(14)；所述土壤层(2)坡度小的一侧的外部设置有过滤器(1)，过滤器(1)的下端通过配水管与集水池(9)相通，集水池(9)常规水面的上方设置有溢流管(10)；土壤层(2)另一侧的下部设置有出水口(12)，出水口(12)通过配水管(7)与真空泵(8)相连接，再通过设置在土壤层(2)的进水口(13)进入土壤层(2)；在过滤器(1)一侧0.25m×0.6m的区域设置有棉绳，利用毛细现象作为辅助配水方式；该模拟装置的外部上方设置有太阳能电池板(5)和风力发电机(6)，由其产生的电能作为水泵(8)的电源。

2.根据权利要求1的一种植物水循环维持模拟装置，其特征在于，所述铁棍(11)为3根，或者根据具体需要确定。

3.根据权利要求1的一种植物水循环维持模拟装置，其特征在于，所述带孔隔板(4)的孔径为10mm，孔径距离横向为50mm，纵向为100mm；带孔隔板(4)的上面还设置有多层纱布，以防止土壤颗粒漏到底部。

4.根据权利要求1的一种植物水循环维持模拟装置，其特征在于，所述土壤层(2)的坡度为1∶12。

5.根据权利要求1的一种植物水循环维持模拟装置，其特征在于，进入土壤层(2)的配水管(7)设置在植物根系部位，并设置有设有若干浇灌口，该浇灌口包裹纱布以防止土壤颗粒物进入。

6.根据权利要求5的一种植物水循环维持模拟装置，其特征在于，在植物根系周围设置有保水剂。