CN114557268B - 一种分层自控排灌装置、方法及引导根系生长的灌溉方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种分层自控排灌装置、方法及引导根系生长的灌溉方法。分层自控排灌装置包括排水单元、灌溉单元、多个湿度传感器及控制单元。控制单元分别与湿度传感器、排水单元及灌溉单元通讯连接，在其中一个湿度传感器的检测值大于第一阈值时，控制单元控制抽水机构开启，将土壤内的水分抽出。在其中一个湿度传感器的检测值小于第二阈值时，控制单元控制位于所在深度的灌溉单元开启使对应的灌溉单元灌水。通过对不同深度的湿度进行监控，能够根据土壤不同深度的湿度情况进行排水及灌水。本申请实现精准灌溉及灌排一体化，节约成本，利于推广使用。

Description

一种分层自控排灌装置、方法及引导根系生长的灌溉方法

技术领域

本申请涉及节水灌溉技术领域，具体而言，涉及一种分层自控排灌装置、方法及引导根系生长的灌溉方法。

背景技术

目前的农业生产中，土壤的水分状况一直是制约作物产量的重要因素。适宜的土壤水分环境有利于提高作物产量，过湿或者过旱都会导致作物产量急剧减少；因此，排水和灌溉是农业生产领域绕不开的两大话题。农业排水领域发展至今，各种大规模的排水方式已经比较成熟，例如明沟排水，竖井排水等。

南方地区全年降雨量分布不均，夏季降雨量大，容易引发涝渍灾害，过高的土壤含水率对玫瑰等高价值经济作物的危害十分明显；而初春时节，南方地区又很容易发生季节性干旱，干旱持续时间较长，对许多经济作物往往有致命的影响。尽管危害如此明显，但在实际生产过程中，对于三七、重楼等高价值，并且对涝渍特别敏感的经济作物所设计的排水装置不仅比较缺乏，而且还存在功能单一，容易堵塞，自动化程度低，精度低等问题。

在农业灌溉领域，为节约灌溉用水量，人们探索了许多灌溉方式，并且节水效果都比较明显。节水灌溉技术发展至今，地下灌溉也已经较为成熟，但依然存在灌溉装置适用条件较为严苛，且存在出水孔容易堵塞等问题。伴随着作物的生长，作物根系也在发生变化，所需的灌溉水量、灌溉深度也不同。目前的地下灌溉***大多于作物定植前预埋于地下，灌溉深度和灌溉半径固定不变，对根系生长、作物发育和水分利用有较大程度的限制。

现有的装置采用独立设计，只能实现排水或者灌溉，并不能共用一套设备实现排灌一体化，需要分开安装，安装过程费时费力，成本较高。并且大多装置需要预埋于作物定植前，因此灌溉深度受限，不能根据植株的成长进行调节。若在生产过程中需要对灌溉深度进行调节，则需要重新安装，工程繁琐且工作困难，材料用量大，成本高，难以用于大田研究等工作中。

综上所述，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种分层自控排灌装置，能够对不同深度的湿度进行监控，根据土壤不同深度的湿度情况进行排水及灌水。

本申请实施例的第二目的还在于提供一种分层自控排灌方法。

本申请实施例的第三目的还在于提供一种引导根系生长的灌溉方法。

第一方面，提供了一种分层自控排灌装置，包括排水单元、灌溉单元、多个湿度传感器及控制单元。

排水单元包括抽水机构和蓄水机构，所述抽水机构与所述蓄水机构连接。土壤内的水分通过所述抽水机构被抽入所述蓄水机构内。

灌溉单元与所述蓄水机构连接，包括多个灌溉层，多个灌溉层沿竖直方向布置。每个所述灌溉层分别通过连接支路与所述蓄水机构的连接，在每个连接支路上均设置第二电磁阀，所述第二电磁阀用于控制所述连接支路的启闭。所述灌溉单元用于将所述蓄水机构内的水排至土壤中。

每两个所述湿度传感器间隔预定距离后沿竖向布置，用于检测不同深度的土壤湿度。

控制单元分别与所述湿度传感器、所述第二电磁阀及所述抽水机构通讯连接，在所述控制单元内预设第一阈值和第二阈值，在其中一个所述湿度传感器的检测值大于所述第一阈值时，所述控制单元控制所述抽水机构开启，将土壤内的水分抽出。在其中一个所述湿度传感器的检测值小于所述第二阈值时，所述控制单元控制位于所在深度的所述第二电磁阀开启，与所述第二电磁阀对应的所述灌溉层灌水。

在一种实施方案中，抽水机构还包括负压单元，所述负压单元用于在所述蓄水机构内形成负压环境。

在一种实施方案中，蓄水机构与外部水源连接。

在一种实施方案中，相邻两个所述湿度传感器间隔8-15cm。沿竖直方向共设置4-7个湿度传感器。

在一种实施方案中，在所述抽水机构与所述蓄水机构之间设置过滤机构，所述过滤机构包括沿排水方向布置的多个过滤层。

在一种实施方案中，过滤机构沿排水方向依次包括：细沙石过滤层、过滤海绵过滤层以及晴纶棉过滤层。

在一种实施方案中，述灌溉单元包括3-5个灌溉层，每个所述灌溉层的厚度设为8-15cm。

在一种实施方案中，每个所述灌溉层包括多个灌水出口，在所述灌水出口处设置防堵结构，所述防堵结构包括沿水平方向伸出的排水管，在所述排水管的底部均布多个排水孔。在所述排水管的伸出端设置锥形盖帽。

根据本申请的第二方面，还提供了一种分层自控排灌方法，使用如第一方面所述的分层自控排灌装置，包括以下步骤：

S1、将湿度传感器作为监测点对土壤的湿度进行检测并将检测数值发送至控制单元。

S2、在控制单元内预设第一阈值和第二阈值，控制单元将检测数值分别与第一阈值及第二阈值进行比对。

S3、在检测数值大于等于第一阈值时，启动抽水机构，将水分抽至蓄水机构内，直至检测数值小于第一阈值关闭抽水机构。

S4、在检测数值小于第二阈值时，打开湿度传感器所在深度的灌溉层的第二电磁阀，将蓄水机构内水排至土壤内，直至检测数值大于等于第二阈值，关闭第二电磁阀。

根据本申请的第三方面，还提供了一种引导根系生长的灌溉方法，使用如第一方面所述的分层自控排灌装置，包括：根据作物植株的生长发育情况控制不同灌溉层进行灌溉。在作物处于幼苗期时，开启上层的灌溉层进行灌溉。在作物生长发育旺盛时，同时打开多个灌溉层进行灌溉。

与现有技术相比，本申请的有益效果为：

在本申请的技术方案中，通过对不同深度的湿度进行监控，能够根据土壤不同深度的湿度情况进行排水及灌水。并且通过在不同深度设置电磁阀，控制不同的灌溉层进行灌水，在土壤湿度过小时，针对性进行灌水。在土壤湿度过大时，通过负压单元进行抽水并蓄水，以达到节水的目的，以适应洪涝灾害等天气。在干旱时使用蓄水机构内的水进行灌溉，节约水资源。既可以减少对耕地面积的占用，又可以更为精确的检测测作物的实际含水率，方便实现精准灌溉。实现了灌排一体化，节约成本，利于推广使用。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为根据本申请实施例示出的一种分层自控排灌装置的立体结构示意图；

图2为图1中分层自控排灌装置的纵剖面图；

图3为图1中分层自控排灌装置的横剖面图；

图4为图1中灌水出口的结构示意图；

图5为根据本申请实施例示出的一种分层自控排灌方法的流程图。

附图标记：1、第一过滤层；2、第二过滤层；3、第三过滤层；4、晴纶棉填充物；5、过滤海绵填充物；6、细沙石填充物；7、抽水孔；8、灌水出口；9、灌水过滤层；10、灌溉层；11、蓄水机构；12、手拉环；13、第一电磁阀；14、第二电磁阀。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

根据本申请的第一方面，参见图1至图4所示，首先提供一种分层自控排灌装置，包括：排水单元、灌溉单元、多个湿度传感器以及控制单元。

排水单元包括抽水机构和蓄水机构11，抽水机构与蓄水机构11连接。抽水机构包括多个抽水孔7，蓄水机构11通过负压单元与抽水机构连接，通过打开负压单元在蓄水机构11内形成负压环境，使土壤内的水分通过负压单元抽水孔7被抽入蓄水机构11内。

湿度传感器，设于分层自控排灌装置的侧面，沿竖直方向均布多个，用于检测不同深度的土壤湿度。

灌溉单元与蓄水机构11连接，灌溉单元用于将蓄水机构11内的水排至土壤中。灌溉单元包括3个灌溉层10，3个灌溉层10沿竖直方向布置。每个灌溉层10分别通过连接支路与蓄水机构11的连接，在每个连接支路上均设置第二电磁阀14，第二电磁阀14用于控制所在连接支路的启闭。

控制单元分别与湿度传感器、灌溉单元的第二电磁阀14及负压单元通讯连接，在控制单元内预设第一阈值和第二阈值，在某一深度的湿度传感器检测值大于第一阈值时，控制单元控制开启负压单元，将土壤内的水分抽出。在预定深度的湿度传感器检测到的湿度值小于第二阈值时，控制单元控制位于所在深度的第二电磁阀14 的开启，以使同深度的灌溉层10进行灌水。

本申请通过对不同深度的湿度进行监控，能够根据土壤不同深度的湿度情况进行排水及灌水。通过排灌一体化设计，可以减少安装时的工作量,降低成本。涝灾排出去的水经过收集以后可在旱季进行灌溉。并且通过在不同深度设置电磁阀，控制不同的灌溉层进行灌水，在土壤湿度过小时，针对性进行灌水。在土壤湿度过大时，通过负压单元进行抽水并蓄水，以达到节水的目的，以适应洪涝灾害等天气。在干旱时使用蓄水机构内的水进行灌溉，节约水资源。可以极大地减轻土壤涝害，增加作物产量。分层灌水的功能，可以引导根系横纵向发展，促进作物生长，同时还可减少灌溉水蒸发，节约水资源。既可以减少对耕地面积的占用，又可以更为精确的检测测作物的实际含水率，方便实现精准灌溉。实现了灌排一体化，节约成本，利于推广使用。

需要说明的是，本装置可以用于科学研究的试验田布置，将其安装在两垅作物之间，用于精确的控制灌溉与排水。也可以用于南方易涝地区高价值作物的分层排水。

在一种实施方式中，负压单元通过第一电磁阀13控制开启，第一电磁阀13与控制***通讯连接。

在一种实施方式中，负压单元包括双向泵，铺设于地表。在双向泵正转时，将蓄水机构11内形成负压环境。在双向泵反转时，将蓄水机构11内的水抽出以流入灌溉单元内。

需要说明的是，双向泵的进水管道与排水单元连接，双向泵的出水管道与灌溉单元连接，在进水管道及出水管道上均设置单向阀。单向阀均沿水流方向开启。在排水时，打开进水管道上的单向阀，关闭出水管道上的单向阀；在灌水时，打开出水管道上的单向阀，关闭进水管道上的单向阀。

具体的，双向泵的出水管道与每个连接支路连接。

当发生涝渍时，双向泵正向转动，将抽水机构的管路内空气抽出以形成负压空间，将土壤内多余水分经过负压单元排至蓄水机构内储存。当季节性干旱来临时，双向泵反向旋转，将处理后的水通过灌溉单元输送至作物根部，为作物提供充足的水分。可以实现负压排水与灌水共用一个泵，节约成本。

在一种实施方式中，蓄水机构11为蓄水箱，蓄水箱与外部水源连接，考虑在蓄水机构11蓄水不足时，能够通过外部水源灌水。

在另一种实施方式中，在蓄水机构11与外部水源连接的管路上连接集水装置，集水装置可收集发生涝渍时的积水至蓄水机构11内，待旱季时可以用来灌溉。

需要说明的是，在蓄水机构11与外部水源连接的管路上连接施肥装置，施肥装置将水溶性肥料加至蓄水机构11内，可以对作物植株进行水肥管理，以拓宽装置的适用范围，实现水肥一体化。

在一种实施方式中，蓄水箱的顶部盖板为不可拆卸的密封式设计。

在一种实施方式中，蓄水箱采用分层设计，具体的，沿竖直方向设置三层，每一层分别与灌溉层对应设置。在每一层的底部设有出水管，每层蓄水箱与对应的灌溉层10通过连接支管连接。

在每层蓄水箱通过进水管道与对应层的抽水孔7连接，在每个进水管道上均设置一个第一电磁阀13。

具体的，每层蓄水箱的高度为20cm，在本装置的周侧沿竖直方向均布多个湿度传感器。

当20cm深度内的湿度传感器监测到土壤含水率大于第一阈值时，便会打开此层所对应的第一电磁阀13，并且启动负压单元，而其他层的第一电磁阀13并不会打开。当20-40cm深度处的湿度传感器监测到该层土壤湿度值大于第一阈值时，打开该层所对应的第一电磁阀13，该层的排水***打开，使该层进行负压排水。通过分层负压排水，可以对不同深度的土壤水分进行精准调控，高效调控。

在一种实施方式中，每层蓄水箱内部均设有支撑件，增强结构稳定性，避免负压排水环境下每层蓄水箱发生损坏。在负压单元工作时，支撑件提供足够的支撑力。

在一种实施方式中，每两个湿度传感器间隔10cm。沿竖直方向共设置5个湿度传感器。因此，该装置的监测深度为60cm。本装置能自动监测土壤含水率，实现精准排水；排水深度大，排水速度快。

需要说明的是，通过设置不同个数及不同间隔的湿度传感器，能够满足不同种类植株在不同时期的根部湿度监控。例如，重楼的根系的长度范围为20-50cm。

在一种实施方式中，在负压单元与蓄水机构11之间设置过滤机构，过滤机构包括沿排水方向依次布置第一过滤层1、第二过滤层2以及第三过滤层3。

需要说明的是，第一过滤层1设于最外层，在第一过滤层1的外壁密集开孔，方便水流流入。第一过滤层1与第二过滤层2的接触面上均设有密集开孔，第二过滤层2与第三过滤层3的接触面上均设有密集开孔。

具体的，如图1至图3所示，第一过滤层1、第二过滤层2以及第三过滤层3均采用抽屉式设计，根据需要随时取出某一过滤层，以便检修以及更换滤层。在第一过滤层1、第二过滤层2以及第三过滤层3的顶部均设有顶盖，顶部边缘处均采用橡胶圈以进行密封。在第一过滤层1、第二过滤层2以及第三过滤层3的顶部均设置手拉环12，当过滤层发生堵塞时，可通过手拉环12取出整个过滤层进行维修或者更换。多个过滤层的设置可以减少负压排水过程中堵塞的可能性，延长装置使用寿命，使后期维护更加便捷。

具体的，在第一过滤层1内设置细沙石填充物6，在第二过滤层2内设置过滤海绵填充物5，在第三过滤层3内设置晴纶棉填充物4。考虑过滤密度沿排水方向递增，能够将水分进行充分过滤后进行储存。

在一种实施方式中，灌溉单元包括3个灌溉层10，每个灌溉层10的厚度设为10cm。本装置的灌水深度及湿润半径可变，可以拓宽一般地下灌溉***的适用范围。

在一种实施方式中，每个灌溉层10包括多个灌水出口8，灌水出口8为半圆形，在灌水出口8处设置防堵结构。

在一种实施方式中，如图4所示，防堵结构包括沿水平方向伸出的排水管，在所述排水管的底部均布多个排水孔。在所述排水管的伸出端设置锥形盖帽，考虑防止外部的土壤堵塞排水孔。

需要说明的是，在灌溉层10的最外侧，即与土壤接触的一侧内设置灌水过滤层9，对蓄水机构内的水进行过滤后排出，以增强抗塞堵性能。

在一种实施方式中，本装置的所有连接处均采用密封结构，将本装置安装于土壤内后，防止土壤进入装置内部，对装置造成损坏影响使用。该装置可拆卸的特性，可让排灌***适用于更多场合，同时便于干管的回收及存放。

根据本申请的第二方面，还提供了一种分层自控排灌方法，如图5所示，使用如第一方面所述的分层自控排灌装置，包括以下步骤：

S1、将湿度传感器作为监测点对土壤的湿度进行检测并将检测数值发送至控制单元。

S2、在控制单元内预设第一阈值和第二阈值，控制单元将检测数值分别与第一阈值及第二阈值进行比对。

其中，第一阈值大于第二阈值。

S3、在检测数值大于等于第一阈值时，启动负压单元，将水分抽至蓄水机构内，直至检测数值小于第一阈值关闭负压单元。

具体的，可以根据湿度传感器所在深度启动对应层的第一电磁阀，以精准控制土壤湿度。

S4、在检测数值小于第二阈值时，打开湿度传感器所在深度的灌溉层10的第二电磁阀14，将蓄水机构内水排至土壤内直至检测数值大于等于第二阈值，关闭第二电磁阀14。

在一种实施方式中，在步骤S1中，根据降水量选择不同位置的湿度传感器作为监测点。在降水量小于20mm时，上层土壤的含水率大于下层土壤的含水率，将10cm处的湿度传感器作为监测点，对土壤的水分进行检测，考虑避免负压单元频繁启动增加成本。在降水量大于30mm时，多个湿度传感器同时对土壤水分进行监测。

根据本申请的第三方面，还提供了一种引导根系生长的灌溉方法，使用如第一方面所述的分层自控排灌装置，包括：根据作物植株的生长发育情况进行不同深度的灌溉。在作物处于幼苗期时，开启上层灌溉层进行灌溉。不仅可以促进作物生长，还可以节约大量灌溉水。在作物生长发育旺盛时，打开多个灌溉层进行灌溉。

当灌水深度适当下移的时候，整个湿润体距离根系一定深度并保持一定时间。在这期间根系周围干燥，由于根系生长具有向水向肥性，根系会向更深、更广处，即湿润体方向生长。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种分层自控排灌装置，其特征在于，包括：

排水单元，包括抽水机构和蓄水机构，所述抽水机构与所述蓄水机构连接；土壤内的水分通过所述抽水机构被抽入所述蓄水机构内；

灌溉单元，与所述蓄水机构连接，包括多个灌溉层，多个灌溉层沿竖直方向布置；每个所述灌溉层分别通过连接支路与所述蓄水机构的连接，在每个连接支路上均设置第二电磁阀，所述第二电磁阀用于控制所述连接支路的启闭；所述灌溉单元用于将所述蓄水机构内的水排至土壤中；

多个湿度传感器，每两个所述湿度传感器间隔预定距离后沿竖向布置，用于检测不同深度的土壤湿度；

控制单元，所述控制单元分别与所述湿度传感器、所述第二电磁阀及所述抽水机构通讯连接，在所述控制单元内预设第一阈值和第二阈值，在其中一个所述湿度传感器的检测值大于所述第一阈值时，所述控制单元控制所述抽水机构开启，将土壤内的水分抽出；在其中一个所述湿度传感器的检测值小于所述第二阈值时，所述控制单元控制位于所在深度的所述第二电磁阀开启，与所述第二电磁阀对应的所述灌溉层灌水。

2.根据权利要求1所述的分层自控排灌装置，其特征在于，所述抽水机构还包括负压单元，所述负压单元用于在所述蓄水机构内形成负压环境。

3.根据权利要求1所述的分层自控排灌装置，其特征在于，所述蓄水机构与外部水源连接。

4.根据权利要求1所述的分层自控排灌装置，其特征在于，相邻两个所述湿度传感器间隔8-15cm；沿竖直方向共设置4-7个湿度传感器。

5.根据权利要求1所述的分层自控排灌装置，其特征在于，在所述抽水机构与所述蓄水机构之间设置过滤机构，所述过滤机构包括沿排水方向布置的多个过滤层。

6.根据权利要求5所述的分层自控排灌装置，其特征在于，所述过滤机构沿排水方向依次包括：细沙石过滤层、过滤海绵过滤层以及晴纶棉过滤层。

7.根据权利要求1所述的分层自控排灌装置，其特征在于，所述灌溉单元包括3-5个灌溉层，每个所述灌溉层的厚度设为8-15cm。

8.根据权利要求7所述的分层自控排灌装置，其特征在于，每个所述灌溉层包括多个灌水出口，在所述灌水出口处设置防堵结构，所述防堵结构包括沿水平方向伸出的排水管，在所述排水管的底部均布多个排水孔；在所述排水管的伸出端设置锥形盖帽。

9.一种分层自控排灌方法，其特征在于，使用权利要求1-8中任一项所述的分层自控排灌装置，包括以下步骤：

S1、将湿度传感器作为监测点对土壤的湿度进行检测并将检测数值发送至控制单元；

S2、在控制单元内预设第一阈值和第二阈值，控制单元将检测数值分别与第一阈值及第二阈值进行比对；

S3、在检测数值大于等于第一阈值时，启动抽水机构，将水分抽至蓄水机构内，直至检测数值小于第一阈值关闭抽水机构；

S4、在检测数值小于第二阈值时，打开湿度传感器所在深度的灌溉层的第二电磁阀，将蓄水机构内水排至土壤内，直至检测数值大于等于第二阈值，关闭第二电磁阀。

10.一种引导根系生长的灌溉方法，其特征在于，使用权利要求1-8中任一项所述的分层自控排灌装置，包括：根据作物植株的生长发育情况控制不同灌溉层进行灌溉；在作物处于幼苗期时，开启上层的灌溉层进行灌溉；在作物生长发育旺盛时，同时打开多个灌溉层进行灌溉。

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