CN105794597B - 一种根据植物根系分布进行分层恒压渗灌系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种根据植物根系分布进行分层恒压渗灌系统和方法，属于农业节水灌溉和自动控制领域。本发明考虑到表层土壤和深层土壤的湿度不均匀性对植物生长的影响，在表层土壤和深层土壤合适深度处埋设渗灌管以此来建立空间分布的渗灌系统。根据表层土壤和深层土壤处土壤临界干旱湿度值作为设定值，将表层土壤和深层土壤处的土壤湿度与设定值进行比较来控制水泵和电磁阀的开启。以特定位置处土壤水分变化情况作为电磁阀关闭的时机，通过控制水泵的转速进行恒压控制，做到灌溉的自动和精准控制。本发明将植物所必需的肥料加到水中通过渗灌管直接运送到植物根系处，被植物直接吸收，有效避免了肥料对环境和地下水的污染，大大提高的肥料的利用率和节水率。
Description
技术领域
本发明涉及农业节水灌溉与自动控制领域，特别涉及一种根据植物根系分布进行分层恒压渗灌的系统与方法。
背景技术
目前在农业生产中应用较为广泛的灌溉方式仍为漫灌，漫灌虽然有效的解决了植物干旱的问题，但是大量水分从上而下的土壤剖面流动，不仅破坏植物根系附近的土壤分布，还会将肥料冲刷进土壤深层从而污染地下水，大大的浪费了水资源。故在此基础上，推出了渗灌方法，渗灌是一种地下微灌形式，是指在低液压条件下，使灌溉水（含可溶性养料）通过架设或埋没在每一株农林作物根系范围内的渗水管壁上的微孔，由内向外呈发汗状渗出，以滴渗方式湿润作物根系层周围土壤，即直接向每一株农林作物根系适时、适量地供水、供养的一种节水增产的灌溉技术方法。
土壤可分为表层土壤和深层土壤，灌溉结束后，由于太阳辐射的影响，表层土壤的水分蒸发较快，故表层土壤的湿度会低于深层土壤的湿度，当深层土壤的湿度满足植物的生长条件时，表层土壤的湿度有时会低于植物的生长条件。而当植物的根系生长时会大量吸收深层土壤中的水分，此时深层土壤的湿度会低于表层土壤的湿度而不能满足植物根系的生长条件。
申请号201020565352.9的中国专利公开了脐橙果园渗灌系统，该专利中提到将渗水管埋设在脐橙果园每行果树中间地下35cm深处，在脐橙树冠滴水线土中30cm深处测量持水量，当持水量在40%以下时应及时灌水，达80%时停止灌溉。此专利中应用渗灌管为脐橙果树提供生长所需的水分，但是未考虑到是否需要分层灌溉，未考虑表层土壤干旱对果树的影响，同时也未考虑到水管中压力变化对渗灌的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种根据植物根系分布进行分层恒压渗灌系统和方法，以考虑到表层干旱对灌溉现象的影响，实现分层灌溉，提高灌溉均匀性和节水率。
为了解决以上的技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：
一种根据植物根系分布进行分层恒压渗灌系统，其特征在于包括：过滤网（1）、主管（2）、水泵（3）、逆止阀（4）、调节阀（5）、文丘里施肥器（6）、叠式过滤器（7）、网式过滤器（8）、流量表（9）、压力传感器（10）、施肥罐（11）、干管（12）、1号电磁阀（13）、2号电磁阀（14）、1号渗灌管（15）、2号渗灌管（16）、1号湿度传感器（17）、2号湿度传感器（18）、3号湿度传感器（19）、地膜（20）、排气阀（21）、控制器（22）、变频器（23）；所述主管（2）上依次连接过滤网（1）、水泵（3）、逆止阀（4）、调节阀（5）、文丘里施肥器（6）、叠式过滤器（7）、网式过滤器（8）、流量表（9）、压力传感器（10）、施肥罐（11）；在所述干管（12）上分别连接各个1号渗灌管（15）和2号渗灌管（16）；在所述1号渗灌管（15）上依次连接1号电磁阀（13）、排气阀（21）；在所述2号渗灌管（16）上依次连接2号电磁阀（14）、排气阀（21）。
所述1号渗灌管（15）位于地表植物中间位置处，位于地表以下5-10cm，地表铺设地膜（20）；所述2号渗灌管（16）位于1号渗灌管（15）正下方20-25cm处。
相邻两个所述1号渗灌管（15）之间的距离等于植物的行距。
所述1号湿度传感器（17）位于地表以下10cm处，2号湿度传感器（18）位于地表以下15cm处，3号湿度传感器（19）位于地表以下20cm处。
1号湿度传感器（17）、2号湿度传感器（18）、3号湿度传感器（19）和压力传感器（10）与控制器（22）输入端相连；1号电磁阀（13）、2号电磁阀（14）和变频器（23）的输入端与控制器（22）的输出端相连；水泵（3）连接变频器（23）的输出端。
一种根据植物根系分布进行分层恒压渗灌方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤1，在控制器（22）中输入压力设定值和每个深度处的土壤湿度设定值；
步骤2，当 1号湿度传感器（17）检测到该深度处的土壤湿度低于设定值时，开启水泵（3）和1号电磁阀（13）；当 3号湿度传感器（19）检测到该深度处的土壤湿度低于设定值时，开启水泵（3）和2号电磁阀（14）；
步骤3，所述渗灌系统运行后，当压力传感器（10）检测到主管（2）中的压力低于设定值时，打开变频器（23），增加压力：当检测到压力高于设定值时，打开变频器（23），减小压力；
步骤4，当2号湿度传感器（18）检测到土壤湿度发生变化时，关闭1号电磁阀（13）；当3号湿度传感器（19）检测到土壤湿度高于设定值时，关闭2号电磁阀（14）；
步骤5，当1号电磁阀（13）和2号电磁阀（14）均关闭后，渗灌结束，关闭水泵（3），保持控制器（22）开启，等待下一个渗灌周期。
本发明的工作的过程。本发明利用土壤湿度的情况作为电磁阀开启和关闭的情况，利用压力传感器检测压力从而控制系统恒压运行。本发明在控制器（22）中输入系统的额定压力、表层土壤的湿度设定值和深层土壤的湿度设定值，当1号湿度传感器（17）检测到该深度处的土壤湿度低于设定值时，打开水泵（2）和1号电磁阀（13），当3号湿度传感器（19）检测到该深度处的土壤湿度低于设定值时，打开21号电磁阀（14）。系统运行后，压力传感器（10）检测系统管道中的压力，当压力低于额定压力时，打开变频器（23），增大水泵（3）的转速，增大系统的压力；当压力高于额定压力时，打开变频器（23），降低水泵（3）的转速，减小系统的压力；以此来保证系统的恒压运行。当2号湿度传感器（18）检测到土壤湿度发生变化时，关闭1号电磁阀（13）；当3号湿度传感器（19）检测到土壤湿度高于设定值时，关闭2号电磁阀（14）；当1号电磁阀（13）和2号电磁阀（14）均关闭时，关闭水泵（3），结束渗灌，等待下一次灌溉周期。
本发明具有有益效果。本发明考虑到表层土壤和深层土壤的湿度不均匀性对植物生长的影响，将植物的灌溉分为表层灌溉和深层灌溉，通过分层灌溉解决植物生长过程中湿度不均匀性对植物生长的影响。本发明通过对表层土壤和深层土壤湿度的实时监测，判断表层土壤和深层土壤处干旱的情况，以此来控制电磁阀的开启和关闭，为植物的分层灌溉提供了合理的解决方案，通过压力传感器和变频器的使用，保证系统的恒压运行，提高了灌溉均匀性和节水率、保证了植物实时、适量的灌溉。
附图说明
图1为本发明渗灌系统组成与结构示意图。
图中：1. 滤网、2. 主管、3. 水泵、4. 逆止阀、5. 调节阀、6. 文丘里施肥器、7.叠式过滤器、8. 网式过滤器、9. 流量表、10. 压力传感器、11. 施肥罐、12. 干管、13. 1号电磁阀、14. 2号电磁阀、15. 1号渗灌管、16. 2号渗灌管、17. 1号湿度传感器、18. 2号湿度传感器、19. 3号湿度传感器、20. 地膜、21. 排气阀、22. 控制器、23. 变频器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本方法的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本方法，但不用来限制本方法的范围。
本发明的系统组成和结构如图1所示，包括过滤网1、主管2、水泵3、逆止阀4、调节阀5、文丘里施肥器6、叠式过滤器7、网式过滤器8、流量表9、压力传感器10、施肥罐11、干管12、1号电磁阀13、2号电磁阀14、1号渗灌管15、2号渗灌管16、1号湿度传感器17、2号湿度传感器18、3号湿度传感器19、地膜20、排气阀21、控制器22、变频器23；主管2上依次连接过滤网1、水泵3、逆止阀4、调节阀5、文丘里施肥器6、叠式过滤器7、网式过滤器8、流量表9、压力传感器10、施肥罐11；干管12上分别连接各个1号渗灌管15和2号渗灌管16； 1号渗灌管15上依次连接1号电磁阀13、排气阀21；2号渗灌管16上依次连接2号电磁阀14、排气阀21。1号渗灌管15位于地表植物中间位置处，位于地表以下5-10cm，地表铺设地膜20；2号渗灌管16位于1号渗灌管15正下方20-25cm处。各1号渗灌管15之间的距离等于植物的行距。1号湿度传感器17位于地表以下10cm处，2号湿度传感器18位于地表以下15cm处，3号湿度传感器19位于地表以下20cm处。1号湿度传感器17、2号湿度传感器18、3号湿度传感器19和压力传感器10与控制器22输入端相连；1号电磁阀13、2号电磁阀14和变频器23的输入端与控制器22的输出端相连；水泵3连接变频器23的输出端。
在本例中，1号渗灌管15和2号渗灌管16均采用优质型渗灌管，1号湿度传感器17、2号湿度传感器18和3号湿度传感器19的型号均为CS616，压力传感器10的型号为QBE2002-P16，地膜20为透明PE薄膜。
渗灌区域土壤为壤粘土，供试植物为安吉白茶，树龄约7年。试验测得的茶树根系深度为45cm。下面进一步介绍下渗灌的工作过程。
第一步：在控制器22中输入压力设定值0.06Mpa，输入10cm和20cm处的土壤湿度设定值15%、25%。
第二步：当 1号湿度传感器17检测到10cm处的土壤湿度低于15%时，开启水泵3和1号电磁阀13；当 3号湿度传感器19检测到20cm处的土壤湿度低于15%时，开启2号电磁阀14。
第三步：系统运行后，当压力传感器检测到压力低于0.06Mpa时，打开变频器23，增加压力；当检测到压力高于0.06Mpa时，打开变频器23，减小压力。
第四步：当2号湿度传感器18检测到土壤湿度发生变化时，关闭1号电磁阀13；当3号湿度传感器19检测到土壤湿度高于25%时，关闭2号电磁阀14。
第五步：当1号电磁阀13和2号电磁阀14均关闭后，渗灌结束，关闭水泵3，保持控制器22开启，等待下一个渗灌周期。
以上实施方式仅用于说明本方法，而并非对本方法的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本方法的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本方法的范畴，本方法的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (3)
1.一种根据植物根系分布进行分层恒压渗灌系统，其特征在于包括：过滤网（1）、主管（2）、水泵（3）、逆止阀（4）、调节阀（5）、文丘里施肥器（6）、叠式过滤器（7）、网式过滤器（8）、流量表（9）、压力传感器（10）、施肥罐（11）、干管（12）、1号电磁阀（13）、2号电磁阀（14）、1号渗灌管（15）、2号渗灌管（16）、1号湿度传感器（17）、2号湿度传感器（18）、3号湿度传感器（19）、地膜（20）、排气阀（21）、控制器（22）、变频器（23）；
所述主管（2）上依次连接过滤网（1）、水泵（3）、逆止阀（4）、调节阀（5）、文丘里施肥器（6）、叠式过滤器（7）、网式过滤器（8）、流量表（9）、压力传感器（10）、施肥罐（11）；
在所述干管（12）上分别连接各个1号渗灌管（15）和2号渗灌管（16），所述1号渗灌管（15）位于地表植物中间位置处，位于地表以下5-10cm，地表铺设地膜，相邻两个所述1号渗灌管（15）之间的距离等于植物的行距；所述2号渗灌管（16）位于1号渗灌管（15）正下方20-25cm处；
在所述1号渗灌管（15）上依次连接1号电磁阀（13）、排气阀（21）；
在所述2号渗灌管（16）上依次连接2号电磁阀（14）、排气阀（21）；
所述1号湿度传感器（17）位于地表以下10cm处，2号湿度传感器（18）位于地表以下15cm处，3号湿度传感器（19）位于地表以下20cm处。
2.根据权利要求1所述的一种根据植物根系分布进行分层恒压渗灌系统，其特征在于：1号湿度传感器（17）、2号湿度传感器（18）、3号湿度传感器（19）和压力传感器（10）与控制器（22）输入端相连；1号电磁阀（13）、2号电磁阀（14）和变频器（23）的输入端与控制器（22）的输出端相连；水泵（3）连接变频器（23）的输出端。
3.一种利用权利要求1所述的根据植物根系分布进行分层恒压渗灌系统对植物进行分层恒压渗灌的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤1，在控制器（22）中输入压力设定值和每个深度处的土壤湿度设定值；
步骤2，当1号湿度传感器（17）检测到该深度处的土壤湿度低于设定值时，开启水泵（3）和1号电磁阀（13）；当3号湿度传感器（19）检测到该深度处的土壤湿度低于设定值时，开启水泵（3）和2号电磁阀（14）；
步骤3，所述渗灌系统运行后，当压力传感器（10）检测到主管（2）中的压力低于设定值时，打开变频器（23），增加压力；当检测到压力高于设定值时，打开变频器（23），减小压力；
步骤4，当2号湿度传感器（18）检测到土壤湿度发生变化时，关闭1号电磁阀（13）；当3号湿度传感器（19）检测到土壤湿度高于设定值时，关闭2号电磁阀（14）；
步骤5，当1号电磁阀（13）和2号电磁阀（14）均关闭后，渗灌结束，关闭水泵（3），保持控制器（22）开启，等待下一个渗灌周期。
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| CN2618431Y (zh) * | 2003-06-03 | 2004-06-02 | 西北农林科技大学水利与建筑工程学院 | 一种根系分层灌溉装置 |
| CN201436843U (zh) * | 2009-04-18 | 2010-04-14 | 无锡职业技术学院 | 一种节水灌溉系统 |
| CN202285734U (zh) * | 2011-10-17 | 2012-07-04 | 孔才春 | 一种渗灌系统 |
| CN102845274A (zh) * | 2011-06-27 | 2013-01-02 | 上海宝山夙峰园艺场 | 一种新型的植物灌溉方法 |
| CN104904562A (zh) * | 2015-05-28 | 2015-09-16 | 山东农业大学 | 根据冬小麦根系分布进行灌溉的方法 |
-
2016
- 2016-05-24 CN CN201610347402.8A patent/CN105794597B/zh active Active
Patent Citations (5)
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