CN209017598U - 一种高效松土反梯度湿润交替灌溉渗水装置 - Google Patents

Abstract

一种高效松土反梯度湿润交替灌溉渗水装置，包括植株坑，干管，三叉水管接头，对称分布在干管两侧的两组支管组件；支管组件放置在植株坑内，三叉水管接头的一个端口与干管连接，三叉水管接头的其余两个端口分别与两组支管组件连接；支管组件包括多条环形软水带、多个渗水头和依次连接在一起的阀门、弯头、支管；阀门的端口与三叉水管接头的一个端口连接，多条环形软水带沿着支管的轴向方向依次固定在支管上，渗水头安置在环形软水带的端部。渗水装置能够实现土壤的反梯度湿润，对土壤能实现多层高效松土，具有良好的灌溉效果，属于渗灌节水的技术领域。

Description

一种高效松土反梯度湿润交替灌溉渗水装置

技术领域

本实用新型属于农业机械制造领域，渗灌节水的技术领域，尤其涉及一种高效松土反梯度湿润交替灌溉渗水装置。

背景技术

随着社会的发展，市场对木材、水果的需求量也在不断增大，从而促使林木业对经济林木的广泛种植。高产的经济林木在种植过程中对土壤的水分和肥力需求极多。典型的桉树就被称作“抽水机”和“抽肥机”，原因是桉树是速生丰产林，有很强的蒸腾作用，对土壤的水分需求极大，大面积引种桉树会导致地下水位下降，保持水的能力很差，时间长了，土地表面板结，还出现土地沙化现象；与此同时，桉树对土壤的肥料和养分需求极大，凡种植了桉树的，土地肥力下降乃至枯竭，原始植被因为得不到足够的肥料和养分而受到严重破坏，引发土地退化，水土保持情况恶化，土地贫瘠，到时再引种其他植物根本无法存活。

因此，基于经济林木对土壤存在较大破坏力而社会又对木材、水果需求增加的事实，必须利用现代科学技术，提高水肥的利用效率，有针对性地对经济林木进行水肥灌溉。这样既能防止土地退化、改善土质和节约水资源，又能满足社会对木材、水果的需求。

然而现有的地埋式渗灌装置，如申请号为201720906405.0的专利公开了环形地下渗灌装置、申请号为201721036646.0的专利公开了一种古树深插式渗灌装置，主要将输水的渗灌管埋在植株根系附近来实现对植株根系的灌溉；这些灌溉技术存在着土壤表层含水率高、深处含水率低和不具备松土功能、水分控制不合理等问题，不利于根系向水生长，水肥利用率不高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术中的不足提供一种高效松土反梯度湿润交替灌溉渗水装置，能够实现土壤的反梯度湿润，对土壤能实现多层高效松土，具有良好的灌溉效果。

本实用新型的目的通过以下技术方案实现：

一种高效松土反梯度湿润交替灌溉渗水装置，包括植株坑，干管，三叉水管接头，对称分布在干管两侧的两组支管组件；支管组件放置在植株坑内，三叉水管接头的一个端口与干管连接，三叉水管接头的其余两个端口分别与两组支管组件连接；支管组件包括多条环形软水带、多个渗水头和依次连接在一起的阀门、弯头、支管；阀门的端口与三叉水管接头的一个端口连接，多条环形软水带沿着支管的轴向方向依次固定在支管上，渗水头安置在环形软水带的端部。

进一步的是：植株坑内设有土壤，支管***土壤内，环形软水带位于土壤内，植株种植在两组支管组件的环形软水带所围成的区域内。

进一步的是：采用强化研磨加工工艺处理后的支管的外管壁设有喷漆防腐层，支管的外管壁均匀分布有微圆凹坑。这些微圆凹坑有利于使支管的外管壁与土壤的接触更密实，从而增加支管***的稳固性；强化研磨加工工艺处理后的支管的外管壁经过喷漆防腐处理，可以防止支管被氧化、腐蚀，从而有效延长支管的使用寿命。

进一步的是：环形软水带的内壁光滑，环形软水带的外表光滑平整无褶皱，环形软水带的两端均设有金属接头，环形软水带的一端通过金属接头与支管连接，环形软水带的另一端通过金属接头与渗水头连接。环形软水带内壁光滑，水流与环形软水带内壁摩擦的减小利于减少水流动能的损耗；外表光滑平整无褶皱，可以防止环形软水带的外壁被土壤黏住，保证灌溉时环形软水带可以有效地径向舒张及轻微摆动，不会影响到环形软水带给植株坑土壤层松土。

相对于现有技术，本实用新型具有如下有益效果：采用本实用新型设计方法设计的一种高效松土反梯度湿润交替灌溉渗水装置，可以通过调控2个阀门给不同支管组件的环形软水带供水，实现对植株根系的交替灌溉，利于合理控制灌溉水分，促使根系向水生长；交替灌溉下的各条环形软水带在不同水流压力作用下由干瘪状到饱满状，产生舒张蠕动效果，起到给植株坑多层松土的作用，有效解决土壤板结问题，也防止了植株根系因缺氧而导致霉根、烂根；交替灌溉下水从多条环形软水带的渗水头流出，上方的渗水头流出的水会慢慢往下渗透，从而反梯度湿润植株坑中的土壤层，这样可以防止水分蒸发，利于保水节水，促进根系生长，抑制杂草生长。通过轮换开合阀门，在交替灌溉的同时实现反梯度湿润植株坑中的土壤层，既利于根系的生长，又利于土壤节水、保水。

附图说明

图1是渗水装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式来对本实用新型做进一步详细的说明。

为了便于统一查看说明书附图里面的各个附图标记，现对说明书附图里出现的附图标记统一说明如下：

1为干管，2为三叉水管接头，3为第一阀门，4为第二阀门，5为弯头， 6为支管，7为第一环形软水带，8为第二环形软水带，9为第三环形软水带， 10为第三环形软水带，11为第五环形软水带，12为第六环形软水带，13为第一渗水头，14为第二渗水头，15为第三渗水头，16为第四渗水头，17为第五渗水头，18为第六渗水头，19为植株坑，20为植株。

实施例1

结合图1所示，一种高效松土反梯度湿润交替灌溉渗水装置，包括植株坑，干管，三叉水管接头，对称分布在干管两侧的两组支管组件。两组支管组件是一样的，一组支管组件在干管的一侧，另一组支管组件在干管的另一侧。支管组件放置在植株坑内，三叉水管接头有三个端口，三叉水管接头的一个端口与干管连接，三叉水管接头的其余两个端口分别与两组支管组件连接。支管组件包括多条环形软水带、多个渗水头和依次连接在一起的阀门、弯头、支管；阀门的一端与三叉水管接头的一个端口连接，阀门的另一端与弯头的一端连接，弯头的另一端与支管连接。阀门的端口与三叉水管接头的一个端口连接，多条环形软水带沿着支管的轴向方向依次固定在支管上，即多条环形软水带由上往下依次布置，环形软水带所在的平面与支管的中心线垂直，即环形软水带水平放置，渗水头安置在环形软水带的端部，每一条环形软水带的端部都设有渗水头。干管的一端通过阀门与供水***的管道连接，干管的另一端通过一个三叉水管接头分出两条支管。

植株坑内设有土壤，支管***土壤内，环形软水带位于土壤内，植株种植在两组支管组件的环形软水带所围成的区域内，所有的环形软水带环抱着植株。

采用强化研磨加工工艺处理后的支管的外管壁设有喷漆防腐层，支管的外管壁均匀分布有微圆凹坑。埋在植株坑中的支管的外管壁经过了强化研磨加工工艺处理，这些微圆凹坑有利于使支管的外管壁与土壤的接触更密实，从而增加支管***的稳固性；强化研磨加工工艺处理后的支管的外管壁经过喷漆防腐处理，可以防止支管被氧化、腐蚀，从而有效延长支管的使用寿命。

环形软水带的内壁光滑，环形软水带的外表光滑平整无褶皱，环形软水带的两端均设有金属接头，环形软水带的一端通过金属接头与支管连接，环形软水带的另一端通过金属接头与渗水头连接。环形软水带内壁光滑，水流与环形软水带的内壁摩擦的减小利于减少水流动能的损耗；环形软水带的外表光滑平整无褶皱，可以防止环形软水带的外壁被土壤黏住，保证灌溉时水带可以有效地径向舒张及轻微摆动，不会影响到环形软水带给植株坑土壤层松土；两头都有金属接头，一端的金属接头接上支管，另一端的金属接头接上渗水头。

实施例2

一种高效松土反梯度湿润交替灌溉渗水装置的设计方法，包括下述步骤：

(1)根据灌溉需求确定渗水装置的核心功能；

(2)以渗水装置的核心功能为设计目标，建立渗水装置的几何模型；

(3)依据渗水装置的几何模型构建渗水装置的流道模型，并对流道模型进行网格划分和边界条件设定；

(4)利用Comsol Multiphysics软件模拟渗水装置流道内流体的流动；

(5)分析渗水装置流道内流体的流动模拟结果。

步骤(1)主要是根据实际灌溉需求确定渗水装置的核心功能，渗水装置的核心功能包括：高效松土，反梯度湿润土壤，交替灌溉植株。

步骤(2)以渗水装置的核心功能为设计目标，建立渗水装置的几何模型，构建渗水装置几何模型的过程包括：

1)以高效松土、反梯度湿润土壤作为渗水装置的核心功能，并以此为目标的设计：

中心线垂直于地面的支管的长度略大于植株坑的深度，支管的中心线垂直于地面，支管上设置有多条环形软水带，多条环形软水带由上往下分布，在每一条环形软水带的端部安置有渗水头。支管、多条环形软水带、多个渗水头均埋在植株坑中。环形软水带水平放置，环形软水带所在的平面与支管的中心线垂直；植株种植在环形软水带所围的区域内。环形软水带在水流作用下会产生径向的舒张效果，水流的冲击作用也可以使环形软水带发生轻微摆动，多条环形软水带的径向舒张及轻微摆动可以起到给植株坑多层松土的作用。植株坑呈圆柱体状，植株坑的底面半径为R₁、深度为H，植株坑的体积 V₁：V₁＝πR₁ ²Ｈ(m³)；环形软水带的长度均为四分之一圆弧长，圆弧对应的圆半径为R₂，环形软水带的内径为d，R₂略小于R₁。计算出松土体积V₂及松土体积占植株坑体积的比例τ：

其中：i为环形软水带根数。

2)以交替灌溉植株作为渗水装置的核心功能，并以此为目标的设计：

干管内的水通过一个三叉水管接头和2个阀门将水流一分为二，调控这2 个阀门可以给不同的环形软水带供水。

步骤(3)根据整个渗水装置中流道的尺寸和渗水头出水截面面积的大小，利用Comsol Multiphysics软件对渗水装置中整个流道模型进行网格划分，渗水装置整个流道模型采用Comsol Multiphysics软件的自由剖分四面体网格划分，在Comsol Multiphysics软件中将所划分网格的尺寸设定为特别细化，这是Comsol Multiphysics软件的一些操作，Comsol Multiphysics软件是现有技术。

边界条件设定：

①入口设定：显示假设方程(u＝-U₀n)；法向流入速度(U₀＝0.5m/s)。

②出口设定：

显示假设方程抑制回流压力(p₀＝0Pa)。

③重力矢量g：x＝0m/s²，y＝0m/s²，z＝-9.8m/s²。

步骤(4)利用Comsol Multiphysics分析软件中“混合物模型，层流”物理场接口分析渗水装置流道流体的流动过程，该接口可以模拟较低和中等Reynolds数，包含分散相的流体流动；其中的分散相可以是气泡、液滴，或者固体微小颗粒。

Comsol Multiphysics分析软件中“混合物模型，层流”接口求解一组混合物动量的Navier-Stokes方程，通过混合物平均连续性方程计算压力分布，分散相的速度采用滑动模型来描述。这是Comsol Multiphysics软件的一些操作。

研究稳态下的显示假设方程：

步骤(5)根据渗水装置内流体的流动模拟结果进行分析：

本实施例中，使用了六条环形软水带，依次称为第一环形软水带、第二环形软水带、第三环形软水带、第四环形软水带、第五环形软水带、第六环形软水带；使用了六个渗水头，依次称为第一渗水头、第二渗水头、第三渗水头、第四渗水头、第五渗水头、第六渗水头；使用了两个阀门，依次称为第一阀门和第二阀门。渗水装置不进行交替灌溉时，6个渗水头可以实现均匀出水，且渗水头出水口处的流速是干管口流速(U₀＝0.5m/s)的3倍左右，可以迅速湿润整个植株坑；但是水从干管流到环形软水带的过程中，水压不断下降，环形软水带在水流的作用下由干瘪状到饱满状这一过程会受到影响，不利于环形软水带舒张蠕动，难以给植株坑多层松土。

通过调控各个阀门的关闭(比如打开第一阀门，关闭第二阀门)可以顺利实现渗水装置的交替灌溉。水从干管流到环形软水带的过程中，水压不断上升，埋得越深的环形软水带其内部的水压越大，这有利于环形软水带在土层带来的不同压力下产生舒张蠕动效果，对土壤实现多层高效松土。多层松土可以通气，防止土壤板结，促进根系生长，防止霉根、烂根。

渗水装置交替灌溉时各个渗水头出水口流速和压力，埋得越深的渗水头出水口越容易堵，即埋得越深的渗水头，渗水头处水的流速越大，渗水头内外的水压差越大，即渗水头埋的越深，渗水头的出水口越容易堵，但是渗水头埋的越深，渗水头内外的水压差也越大，这不仅能防止渗水头出水口处发生堵塞，而且能够实现土壤的反梯度湿润(上干下湿)。相比于传统的土壤灌溉湿润(上湿下干)，反梯度润湿土壤可以防止水分蒸发，起到保水节水功能；利于促进根系的生长；可以有效地防止杂草的生长。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高效松土反梯度湿润交替灌溉渗水装置，其特征在于，包括植株坑，干管，三叉水管接头，对称分布在干管两侧的两组支管组件；支管组件放置在植株坑内，三叉水管接头的一个端口与干管连接，三叉水管接头的其余两个端口分别与两组支管组件连接；支管组件包括多条环形软水带、多个渗水头和依次连接在一起的阀门、弯头、支管；阀门的端口与三叉水管接头的一个端口连接，多条环形软水带沿着支管的轴向方向依次固定在支管上，渗水头安置在环形软水带的端部。

2.根据权利要求1所述的一种高效松土反梯度湿润交替灌溉渗水装置，其特征在于，植株坑内设有土壤，支管***土壤内，环形软水带位于土壤内，植株种植在两组支管组件的环形软水带所围成的区域内。

3.根据权利要求1所述的一种高效松土反梯度湿润交替灌溉渗水装置，其特征在于，采用强化研磨加工工艺处理后的支管的外管壁设有喷漆防腐层，支管的外管壁均匀分布有微圆凹坑。

4.根据权利要求1所述的一种高效松土反梯度湿润交替灌溉渗水装置，其特征在于，环形软水带的内壁光滑，环形软水带的外表光滑平整无褶皱，环形软水带的两端均设有金属接头，环形软水带的一端通过金属接头与支管连接，环形软水带的另一端通过金属接头与渗水头连接。