一种微能耗自动灌溉系统的制作方法

本实用新型涉及水利自动化灌溉及排水领域，尤其涉及一种微能耗自动灌溉系统。

背景技术：

现有的农田灌溉技术大致有：

1、大水漫灌。资源浪费，绝大部分的水资源被大气蒸发或渗漏地下；需要有充足的水源供给；需要完善的引水渠道网络；水资源在通往农田的渠道网络中不可避免出现渗漏流失问题，造成浪费；引水渠道网络的日常维护管理需要花费大量人力物力财力；由于大片农田干旱时，往往是同时集中用水，会造成水源、渠道网络负荷分配问题；引水渠道网络覆盖区域，局部小范围干旱时，需要灌溉区域无法承担引水过程中的自然损耗。

2、喷灌。资源浪费，给水速度过快，土壤不能及时吸收，表面看到有很多水，其实没有达到农作物适宜吸水深度，造成少灌；若加大供水则会造成水资源向田外或低洼处流淌，造成灌溉不均；由于水浮于表面，大气蒸发严重，受重力作用，造成大部分水渗漏到地下； 由于水是从上往下直接冲击地面，会造成土层表皮胶结，太阳暴晒后形成硬壳龟裂，不利于土壤疏松保墒；每次灌溉，都需要用农机或电机，从地下或沟渠抽水，这就耗费石油和电力，不符合低碳环保的要求；每次灌溉都需要人力拉动水管，工作强度大，耗费人工；喷灌大多是抽取地下水，时常会遇到水井和井水不够用的情况，并且由于大气候原因造成干旱及长时间抽取地下水，造成地下水水位逐年下降，造成很多水井废弃重新打新井，造成投资浪费，更可怕的是有可能造成地下空洞引起地表塌陷。

以上两种灌溉技术属于常见的传统农田灌溉技术，都不能有效应对农民常见的头痛问题——干热风对小麦的影响，在小麦扬花灌浆期持续的干热风，本来就需要大量水肥供应，但由于蒸腾作用，土壤失水严重，造成小麦减产甚至绝收，但此时浓密的麦田里根本没办法用漫灌或喷灌来补水，农民束手无策。

3、滴灌。滴灌技术是一种新兴的农田灌溉技术，具有良好的节水功能，但需要铺设地表的管网，在作物换茬时影响正常的田间操作（无论人力或机械），必须拆除，下一季作物还要重新铺设，需要花费大量人工；滴灌需要专用的设备，成本较高；也属于地表供水，自然蒸发造成浪费；自动化程度不高，目前有先进的自动滴管技术，但对农民的文化层次要求也较高，所以除了在一些高科技企业或示范田有较好的应用之外，难以大面积推广。

4、地埋灌溉。地埋灌溉技术，在中国古代就已经出现，效果也不错，但由于实施的难度比较大，并没有大面积推广；目前也有一些新型的地埋灌溉技术，与滴灌技术类似，由于成本过高以及对农民的文化技术要求不接地气，难以大面积推广。

滴灌技术和地埋灌溉技术，在特别干旱的地区可能造成土壤盐渍化或盐碱化，这是非常难以解决的问题，这些灌溉方式本身没有考虑减缓措施或为其他解决方法提供接口。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是至少在一定程度上解决上述缺陷之一。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种微能耗自动灌溉系统，包括水箱及水平铺设的灌溉管网，所述水箱为密闭空间，水箱底面不低于灌溉管网最高处；所述水箱通过水气交换组件连接灌溉管网，所述灌溉管网埋入地下一固定深度；所述水气交换组件包括出水管和进气管，所述出水管连接水箱，出水管下端连接于灌溉管网，所述进气管一端外通于大气，一端延伸入出水管内部，所述进气管延伸入出水管内部的端部不高于所述灌溉管网最高处。

进一步地，所述灌溉管网包括多个输水管路，所述输水管路安装于铺设在地下固定深度的防漏水槽内，输水管路底部开有多个出水孔，所述输水管路一端连接于水气交换组件。

进一步地，所述输水管路通过与防漏水槽等深的水气交换池连接水气交换组件，所述水气交换池连接于多个输水管路的一端，水气交换池端部设有余水收集池，所述水气交换池于靠近余水收集池处设有余水收集池开关。

进一步地，所述水气交换池为埋入地下的管状结构，所述水气交换池设有多个水气交换池透气管延伸至地面，所述输水管路设有多个输水管路透气管延伸至地面。

进一步地，所述水气交换池透气管、输水管路透气管、进气管顶部均为倒“U”形弯头，弯头接触大气的端部设有隔网。

进一步地，多个所述输水管路非连接水气交换组件的一端连接有清淤管道，所述清淤管道端部设有清淤池，所述清淤管道于靠近清淤池处设有清淤池开关。

进一步地，所述出水管为管状结构，上端以密封紧固件封闭，侧面延伸出支管连接于水箱，连接处设有总开关，所述进气管上部从密封紧固件延伸出，下部位于出水管内，所述进气管底端面不高于防漏水槽顶部。

进一步地，所述进气管底端面高度可调。

进一步地，所述水箱设有注水口，顶部开有维修门和天窗，侧面设有气泡观察窗。

进一步地，所述灌溉管网埋入地下40~50厘米处。

本实用新型利用连通器原理及大气压原理，通过土壤吸水性、农作物根系吸水能力，克服现有技术的缺点，构建一种灌溉及排水系统。从自然沟渠中取水装入水箱，根据需要调节灌溉量，自动灌溉，减少用水，经久耐用。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型的水气交换组件结构示意图。

图中：11水箱；12注水口；13维修门；14天窗；15气泡观察窗；2水气交换组件；21总开关；22进气管；23出水管；24密封紧固件；25进气管底端面；31水气交换池；32水气交换池透气管；33防漏水槽；34输水管路；35输水管路前开关；36输水管路后开关；37出水孔；38输水管路透气管；39余水收集池开关；310清淤管道；311清淤池开关；41余水收集池；42清淤池。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。

如图1所示，本实用新型一种微能耗自动灌溉系统，包括水箱11及水平铺设的灌溉管网，水箱11为密闭空间，水箱底面不低于灌溉管网最高处；水箱11通过水气交换组件2连接灌溉管网，灌溉管网埋入地下一固定深度，该深度优选为40~50厘米；水气交换组件2包括出水管23和进气管22，出水管23连接水箱11，出水管23下端连接于灌溉管网，进气管22一端外通于大气，一端延伸入出水管23内部，进气管22延伸入出水管23内部的端部不高于灌溉管网最高处。图1所示优选实施方式中，灌溉管网包括多个输水管路34，输水管路34安装于铺设在地下固定深度的防漏水槽33内，输水管路34底部开有多个出水孔37，输水管路34一端连接于水气交换组件2。更优选地，输水管路34可通过与防漏水槽33等深的水气交换池31连接水气交换组件2，水气交换池31连接于多个输水管路34的一端，水气交换池31端部设有余水收集池41，水气交换池31于靠近余水收集池41处设有余水收集池开关39。再优地，水气交换池31为埋入地下的管状结构，水气交换池31设有多个水气交换池透气管32延伸至地面，输水管路34设有多个输水管路透气管35延伸至地面。最优地，水气交换池透气管32、输水管路透气管35、进气管22顶部均为倒“U”形弯头，弯头接触大气的端部设有隔网（弯头及隔网图中均未示）。

一种实施方式中，多个输水管路34非连接水气交换组件2的一端连接有清淤管道310，清淤管道310端部设有清淤池42，清淤管道310于靠近清淤池42处设有清淤池开关311。一种水气交换组件2的优选实施方式中，出水管23为管状结构，上端以密封紧固件24封闭，侧面延伸出支管连接于水箱11，连接处设有总开关21，进气管22上部从密封紧固件24延伸出，下部位于出水管23内，进气管底端面25不高于防漏水槽33顶部。

本实用新型的自动灌溉原理：利用水的自然属性——连通器原理以及大气压原理。如图示：打开总开关21后，进气管底端面25与出水管23底部连接的水气交换池31底部高度差→致水箱11内外压力失衡→致出水管23出水→经由水气交换池31、输水管路34、防漏水槽33向农作物根系及周围土壤供水→致土壤吸水饱和→致防漏水槽33内积水→致输水管路34积水→致水气交换池31内积水→致水气交换池31内水位上升→致水气交换池31内水面达到进气管底端面25位置高度差消失→致水箱11内外压力平衡→致出水管23自动停止供水；相反的过程，土壤及农作物根系吸水→致防漏水槽33内水位降低→致输水管路34水位降低→致水气交换池31内水位降低→致水气交换池内31水面与进气管底端面25形成高度差→致水箱11内外压力失衡→致出水管23自动供水；自动供水与自动停水，往复循环，水箱11内的储备水源持续减少直到耗尽完成使命，重新注水，开始下一个周期。

遇透墒大雨等状况时，本实用新型还可用于自动排水，并收集再利用，自动排水原理：利用自然常识——水往低处流的原理。关闭总开关21，打开水气交换池31与余水收集池41之间的阀门39，通过地下输水管路34将富含养分的余水导入余水收集池41，待需要时注入水箱11再利用；遇到涝灾或在用大量灌水排水解决盐渍化问题时，用同样的方法操作，并把多余的雨水或废水排出到田外。

以下将提示本实用新型的实施和安装方法，并进一步提示本实用新型的结构细节：

1、地块找平——在计划施工的地块，找相对的最高点与最低点水平落差。若落差值小于水槽高度，可直接施工。若落差较大，可用机械或人工，取高补低。水平程度允许的误差应小于地下防漏水槽33的高度。

2、构建水源储备箱。在地块中寻找一个合适位置（也可以在耕作区意外，以尽量不影响田间作业为准），形状大小不限，平整地面。水箱的材质不限，大小形状不限（只要做到坚固耐用，可以密闭即可）水箱高度容积不限（主要根据目标作业面积来定，几方，几十方，几百方都可）。水箱11内部搭设连接六个面的立柱及拉杆以对冲各面的压力；设置注水口12，底部留出总出口装总开关21，在合适的位置留出维修门13，在总开关21上方设置水泡观察窗15，在水箱11顶部设置一个或多个照明天窗14。注意，各部件与水箱11之间的连接部分要做到密闭，注水口12及维修门13加装活动的密封盖。

3、开挖地埋沟。开挖深度为距离地面40-50厘米为宜，犁地时深度不会达到此深度，不会损坏；有较厚土层阻隔以缓冲，大型机器田间作业时也不会压坏地下设施。每条沟的间距1米左右为宜，各地土壤性质有差异可做调整。可人工开挖也可机械开挖。沟底要处于同一水平面，允许误差不超过防漏水槽33的高度。

4、铺设防漏水槽33及输水管路34。水槽材质不限，只要不漏水即可；水管材质也不限，但要耐一定的压力，不会因为上面机器辗轧变形致不通水即可。在地埋沟中铺设防漏水槽33，在防漏水槽33中铺设输水管路34，输水管路34朝下的一面，每隔1米左右开出水孔37，然后填土铺平即可。防漏水槽33两端堵死以防漏，连接处也要做到不漏水。输水管路34连接水气交换池31，装输水管路前开关35，另一端连接清淤管道310，装输水管路后开关36，可在输水管路34两端或其他任意位置，设置通向地表的透气孔38，开关和透气管主要是在维修及保养土地是使用，开关可以处于打开状态埋入地下，用时挖出。

5、设置水气交换池31。水气交换池31是水箱11与输水管路34之间的过渡装置，在较小的地块不用，水气交换组件2出水管23与输水管路34直接相连即可；较大地块，要设置水气交换池31，以便容纳多组水气交换组件2和输水管路34。深度与防漏水槽33相同。可以设明池也可以设暗池，明池露出地表，底部接水气交换组件2与输水管路34，但这样成本较高，建议采用暗池。暗池用一根较粗的水管埋于地下与防漏水槽33同深位置，连接水气交换组件2和输水管路34，水汽交换管31两端及中央可根据需要设置通向地面的透气管32其中一端与余水收集池41相连并安装余水收集池开关39。

6、设置余水收集池41。在离水箱较近的位置挖出一个坑作为余水收集池41，坑底一定要低于输水管路34，大小形状不限，材质不限，不漏水即可，其进水端连接水气交换池31，为方便向外排水可在底部设置出水口。

7、安装水气交换组件2。水气交换组件2是地下灌溉水位控制的关键装置，可以有多种实现方式。以比较简洁实用的方式为例，在水箱底部设置总开关21，总开关21后接三通，向上部分出地表到方便操作的位置即可，向下到水气交换池31底部，上部顶端加密封紧固件24，中央嵌入一根较细的管作为进气管22，进气管底端面25——管口边缘的最高点所在的水平面，其水平高度就是工作时的地下水平位置，不能高过防漏水槽33的顶端。实际应用中可以做几个不同高度的进气管22，针对不同需要换用；也可以用一根活动的进气管22调整好高度后，用专用的密封紧固件24同时紧固密封。灌溉面积大的地块，应设置多个水气交换组件2。

8、设置清淤装置。在输水管路34的末端，铺设一个粗管埋于地下作为清淤管道310，深度不高过输水管路34，连接输水管路34与清淤池42。在清淤管道一端，挖坑作为清淤池42，深度低于清淤管道310，清淤池42可以用余水收集池代替41，清淤池42入口清淤管道310上设置清淤池开关311。

以上步骤，不一定按先后顺序，操作方便即可。各进气管22及透气管（32，38）的顶端要通畅，最好弯头使管口向下并加隔网以防进入异物。有些装置使用频率较低甚至可以替代，但都有用。注意四个关键点：水平、密闭、高度差，管道畅通。

完成以上的步骤，就可以构建一个完整农田自动灌溉排水系统，根据四个关键点（水平、密闭、高差、畅通）的要求，检查各组成部分，确认符合要求后就可以投入使用了。

利用本实用新型构建的排灌系统的灌溉工作过程，描述如下：

1、水箱注水。关闭总开关21，打开注水口12，利用农机或电机（人工也可以，但太辛苦），向水箱11加注水，注满为止。在本排灌系统的整个工作过程中，只有这个环节需要用到动力能源，这个环节既储备了水源，也提高了水位储备了势能，是正常工作过程中的主要动力来源。

2、调节水位高度，即调节水气交换组件2中进气管的底端面25，最低到水气交换池31底部，最高到水气交换池31顶部。应当指出，水气交换池应与防漏水槽等深，最好等深等高，以便于水气交换池中的水流向灌溉管网。

3、打开总开关21。剩下的工作则会自动完成，直到水箱里的水耗尽。可能要做的工作就是去水箱11旁，通过气泡观察窗15观察气泡了，悟性高的农民可以根据气泡的变化，推断出这块田地的状况，类似于中医把脉，气泡就是脉搏。

利用本实用新型构建的排灌系统的排水工作过程，描述如下：

1、当遇到大雨需要把多出的余水排出收集时，只需要关闭总开关，打开水气交换池31与余水收集池41之间的阀门，富含养分的余水（可以叫土壤溶液）收集到余水收集池41，补充到水箱11再利用。

2、在某些特别干旱的地方，由于蒸发量大于灌水量会造成土壤盐渍化，需要用灌注清水或其他化学液体解决时，可以同样的方法排水，收集后处理。在目前没有更有效的办法解决盐渍化的背景下，本实用新型的至少可以预留一个解决方向。

利用本实用新型构建的系统的维护与管理。本系统的使用期限较长，日常维护很重要，主要是根据水平、密闭、高差、畅通四个关键点的要求，水平和高差的问题，在构建时已解决，除非出现非常严重的自然灾害造成地表变动一般不会有问题，一旦有问题，则维护基本等同于重建。主要是密闭和畅通的问题。描述如下：

1、密闭问题。水箱11破损，用同样材料补住即可，水箱维修门13、注水口12、水箱总出口21、水气交换组件2等紧固部位或连接部位密封不严漏气，更换相应部件填缝即可，没有大的工作量。

2、畅通问题。水箱11，水气交换组件2，水气交换池31及输水管路中34内部，由于长期在水中浸泡，会形成一个小的生态系统，生物附着箱壁和管壁，形成水路不畅通，从出水孔37也会进入一些泥沙等杂物，形成淤塞。水箱清理，打开水箱维修门13，人进入手工或用高压水流清洗（水箱底部会很滑，要做好防滑措施）。各条输水管路34的清淤，利用预设的各开关（35，36）、通气管38，用高压水流或高压气流清理，堵塞物排入清淤池42或余水收集池41后最后清除。

3、应对土壤板结，增加土壤透气性的操作。无需灌溉时，关闭总开关21，排空水气交换池31及输水管路34中的水，使地下土壤直接与空气接触，以增加透气性；也可以利用预设的开关（35，36）及输水管路透气管38，用高压气体，强冲地下土壤。

以上所述是以农田灌溉为例介绍，另外还有，城市及道路绿化带自动排灌方案，蔬菜大棚自动排灌方案、园林绿化自动排灌方案、立体绿化墙自动排灌方案、坡地自动排灌方案，还有地上有农作物时的临时性的地上铺管走水方案，都是在本实用新型专利的保护范围内。

城市及道路绿化带自动排灌方案，由于水箱体可以设显眼位置，系统所有权人可以作为广告位使用，从而带来收入。对城市环卫部门及公路养护部门来讲，不仅可以节约人工、水电成本，还可以有收入，在好的地段，所带来的收益冲抵各种成本之外还可以形成净收益。

蔬菜大棚自动排灌方案，是把棚体设计成空腔同时可做水箱使用，可以取消水气交换池、余水收集池及清淤池设置，以增加耕种面积。有证据显示节水可以达到75%以上。

园林绿化自动排灌方案，可以设置独立小单元针对单棵果木或一个大水箱连各个单独供水装置，可以浅埋地下，也可以利用虹吸原理直接布管路于地上而出水口及防漏槽在地下。

立体绿化墙自动排灌方案，水箱设置在背墙或其他不适合种植的犄角旮旯，每一个种植高度各设一个水箱，只要水箱底高度大于种植水平面即可。以农村院墙为例，向阳外墙不同高度设置水平种植槽，背阴一面设置对应的水箱，随便就可以整出够一家人吃菜的菜园，美化了环境培养了情趣节约了生活开支。

坡地自动排灌方案，是先在高处设置一个大水箱，不密闭，延坡面不同水平位置加设如上述方案的小的水箱，水箱内利用浮球开关原理自动控制水位，在输水管路及小水箱入水口设置防回流装置，以防在小水箱注水时，高低层之间形成虹吸连通器，下层吸取上层的水形成下层溢灌而上层漏灌。在不同坡度上做同样的设置即可。

地上走水方灌溉方案，在非换茬期地上农作物处于生长期，不宜做地埋系统铺设，此时可以用地面走水方案，作物收割时拆除，然后再铺设地埋系统。对于北方小麦种植区，铺设地埋系统的时间可以从秋收以后一直到来年春天返青都可以操作，对小麦的毁损较小，不必考虑地上走水方案。该方案原理与地埋方案大致相同，主要是增加利用虹吸原理的装置，地面走水管，各灌溉点输水到地下，地下设置防漏底托、出水孔，各灌溉点不设进气孔，在水箱旁设置总进气口，高度要求是地下40-50厘米，这个高度就是所有灌溉点的地下水平高度，总进气口的面积要大于所有灌溉点出水孔面积的总和，否则会造成供水不足，出现某灌溉点的回流阀密闭不严时该点出水口排空漏气打破水平造成溢灌。特别注意，各灌溉点的供水端安装回流阀，初次使用时在不关闭水箱注水口的情况下，打开总供水开关，直到输水管路末端出水一段时间，然后关闭供水管路末端阀门及水箱注水口，然后打开总进气口。目的是排出整个管路中的空气，只有总进气口可以进气，这样才可以形成需要的虹吸。在管路排空过程中会有溢灌现象出现，离水箱越近的灌溉点越明显。

本实用新型的明显优点：

1、节约水资源，地下供水，极大减少自然蒸发与地下渗漏。

2、节约能源，除水箱注水外，完全不用燃油和电力，微能耗。

3、健康环保，可持续发展。西北等干旱地区，现有的灌溉方法多是有灌无排，在蒸发量大于灌溉量的情况下，灌水越多蒸发越多，水中的盐碱成分滞留土壤就越多，长期使用造成土壤盐碱化，在这些地区使用节水灌溉方法本身就可以延缓盐碱化，本实用新型的排水功能，不仅直接提供解决盐碱化的方法，还为其他解决办法提供方向接口，利于实现可持续发展。

4、节约人工成本，操作简单，水箱注水以后，调节好控制水位，打开开关即可。

5、节约肥料。在作物不同的生长阶段，根据所需的营养要求，将水溶性肥料直接加注到水箱，水肥同走，地下供给，不渗漏以减少流失浪费。无需播种前所有肥料一起上以减少流失浪费，也不需要在生长期地表施肥以减少流失浪费。余水收集池收集的水即为富含营养的土壤溶液，回收利用以减少流失浪费。

6、建造成本低。构建系统所用材料及机械设备市场上常见，且价格低廉。

7、使用期限长，维护成本低。地上设置使用坚固耐用材料，地下系统由于土层缓冲保护也不易损坏，所用材料没有高科技、高成本产品，维护方法也简单。盯住水平、密闭、高差、畅通四要求，做好日常维护，长期使用。

8、适用领域、区域广。单就农田灌溉，淮河以北广大地区都适用，尤其西北干旱少雨地区更急需；还有城市及道路绿化带、园林绿化、蔬菜大棚、立体绿化墙等；坡地解决方案，使得不仅平地可以使用，丘陵坡地也可以使用。

9、受益面广。对农民，不仅可以增收，由于使用期限长，也成了一种保值增值的投资方式；对商家，由于适用范围广，各种材料使用量很大，可以带动一个大的产业链，使用后带来农产品的增产及后续加工业也可以带动一个产业链，产业链上各商家都是受益对象；本实用新型构思新颖，巧妙利用基本的自然常识，使用价格低廉的常见材料，建造出具有广泛应用前景的灌溉排水系统。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征 “上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述实施例仅是为充分说明本实用新型而所举的较佳的实施例，本实用新型的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本实用新型基础上所作的等同替代或变换，均在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围以权利要求书为准。