专利名称：水缆、水缆地下灌溉系统及其应用的制作方法
技术领域：
一种利用半透膜制作的农业或林业用的节水灌溉设备及其在农业、林业育林方面 的应用。
背景技术：
在国际性水资源短缺的情况下，农业灌溉的节约用水、减少水资源消耗是一个倍 受关注和迫切需要解决的问题。近几十年相继研究并成功地推广了滴灌、喷灌、渗灌等先进 的灌溉方法，取得明显的节水效果。
发明内容
本发明提出的水缆灌溉是一种与滴灌、喷灌等应用范围相似但节水效果更好，且 不用动力驱动的节水的连续灌溉产品，本发明还提供利用这种产品进行农业灌溉的方法。本发明的目的是这样实现的水缆，其组成包括输水管，所述的输水管中装有一组半透膜管壁的、既输送水分， 又通过管壁渗透向土壤释放水分的芯管，所述的输水管的半透膜管壁外具有加固层。所述的水缆，所述的输水管的加固层为化学纤维、玻璃纤维、岩棉纤维或不锈钢 丝、无纺布、化纤布或者麻布，所述的加固层是用热合或缝制的方法制成的护套。所述的水缆，所述的输水管为高强度、耐腐蚀、易透水的材料制成的保护性护套。一种水缆地下灌溉系统，其组成包括灌溉主供水管和水缆，所述的主供水管上开 具有一组供水孔，所述的主供水管和水缆在供水孔位置连通，并在此将两者固定和密封，根 据垄长将所述的水缆另一端头封口，所述的水缆铺装在植物种植农田地下10 25厘米深 度。所述的水缆地下灌溉系统，所述的水缆沿长度方向采用连接头进行接长处理。一种利用水缆进行灌溉的方法，包括将主供水管路沿农田一侧安装，按照一垄或 者隔垄的方式在主供水管路上开孔，将所述的水缆一端安装到供水孔上并沿垄的走向铺装 在地下10-25厘米深处，形成地下灌溉系统，所述的供水管将水输送到水缆中，由土壤水势 能驱动水缆向土壤和植物提供不间断的补水，是一种在灌溉运行过程不需要机械动力驱动 的方法。所述的利用水缆进行灌溉的方法，水缆采用仿生透水功能半透膜制成，形成不产 生径流及渗漏损失的节水灌溉方式，避免了大部分蒸发损失；水缆内半透膜释放水的行为 拟合植物根部半透膜的吸收水行为，并随不同时段植物耗水量的波动导致土壤水势的波动 而波动，对植物进行不间断的连续灌溉。本发明的效果本发明的核心是使材料的半透膜功能与农作物根部的吸水功能恰当匹配，灌溉过程和吸水过程同步进行，避免或大幅度地降低了灌溉过程中的蒸发损失和渗漏损失，为农 业生产提供了一种非常节水的灌溉方法。
植物根部的细胞膜是半透膜，植物依赖于这些细胞膜的渗透功能，在势能的驱动 下从土壤吸收水分，当根细胞内的水势低于土壤水势时，水分在水势能驱动下，由势能高处 向势能低处迁移，即土壤水分穿越细胞半透膜向细胞内迁移，使植物吸收到足够的水分，保 持正常生长；但当干旱发生时，土壤含水量减少，土壤水势逐渐降低，当降低至比根细胞内 水势更低时，这时细胞内的水分处于高势能态，植物不但不能再从土壤中吸取水分，相反， 细胞内的水分在水势驱动下，穿越半透膜向土壤中迁移，植物失水，膨压下降，发生萎蔫，生 长过程受租。如果这时在受旱植物根部埋一条水缆，由于水缆是用塑料半透膜制成的，水缆 内部的自由水水势为零，处于水势最高状态，高于水缆外干燥土壤的水势，水分穿越水缆半 透膜向土壤迁移，致使土壤含水量逐渐增加，水势逐渐上升。当土壤水势上升至比植物根水 势高时，依前所述，土壤水分又开始向植物迁移，使植物吸收水分，受到灌溉。可见，由于水缆的使用，在水缆——土壤——植物形成了一个水分迁移的动态系 统，水缆内部的水始终处于最高水势状态，干燥土壤水势较低，在水势差驱动下，水分通过 跨膜迁移，水缆中的水穿过自身的半透膜向土壤中运动，使土壤水分增加，水势升高至一个 较高的水准上，高于植物的根水势，二者的水势差又导致另一次跨膜迁移，使水分透过植物 根部半透膜向植物迁移，使植物受到灌溉。从另一个角度来看，当植物体内的水分经叶面蒸 腾耗散时，水势下降，植物与土壤水势差加大，导致水分从土壤向植物的迁移速度即单位时 间的迁移量增大，进而导致土壤水势降低，土壤水势与水缆的水势差加大，促使更多的水从 水缆内迁移向土壤。可见，水分在三者之间的动态的联动关系，产生了这样一个结果，即植 物耗水越多，水缆供水越多，植物耗水越少，水缆供水也相应减少。这是农田灌溉所追求的 最佳灌溉状态。水缆灌溉之所以能使农田水分处于最佳状态，是因为水缆灌溉供水原理是通过半 透膜给水，而植物是通过半透膜吸水，在水迁移功能方面两种膜是同构的。在动力机制方 面，它们又按同一规律受水势趋动，当它们构成同一系统时，水缆内膜可实现按照生物膜吸 水的节奏及数量变化供水。因此，水缆灌溉是一个仿生灌溉系统，其特点是1、非常节水由于水缆的灌溉过程是受水势差驱动的，土壤越干燥、水势差越大，水缆供水越 多，反之亦然，当土壤含水量达到饱合含水量时，土水势升至零，与水缆内水的水势差为零， 水缆停止供水，因此水缆灌溉不会造成径流损失或渗漏损失。另外，水缆使用时是埋在地面 以下10 25cm处的主根区层内，地表是一层干土层，干土层保护其下部润湿层内的水分免 受蒸发损失，使灌溉过程中蒸发损失量大幅度降低。总之，由于水缆灌溉避免或减轻了通 常农田灌溉三种主要的水分损失方式，使该系统成为一种非常节水的有效灌溉方式。应用 实验表明，在作物受到充足灌溉的前题下，水缆灌溉的耗水量是我国目前平均亩耗水量的 10 20%，即节水达80 90%，是一种非常节水的灌溉方式。2、不消耗动力水缆灌溉系统结构非常简单，仅由水箱、管道、水缆三部分组成，不含水泵等机械 动力设备，运行中不消耗动力，这一特点一方面节省了能源，降低了运行费用，另一方面使 得没有电源的偏远地区也可以方便使用。3、连续灌溉任何植物吸收水分的过程都是24小时不间断的连续过程。而延今为止，农业生产中采用灌溉方法，无论是渠灌、喷灌、滴灌、渗灌，无一例外全部都是间歇式灌溉。在间歇式 灌溉的一个灌溉周期中，只有一部分时段可以充分满足植物吸水的需求，而其余时段则是 非充分满足或水分协迫时段，使植物的生长受到不同程度的抑制和影响。水缆灌溉的供水过程是24小时不间断的连续过程，与植物的吸水过程同步，使植 物在生长期内的任何时间均受到充分灌溉，不受周期性水分协迫影响，有利于作物的丰产 丰收，
附图1是本发明的水缆的结构示意图。附图2是水缆供水机械。附图3是本发明在农业灌溉上应用的原理图。本发明的
具体实施例方式实施例1 水缆，其组成包括输水管1，所述的输水管的半透膜管壁外具有加固层2，所述的 输水管中装有一组半透膜管壁的芯管3。本发明所提出的水缆，在外观上类似于电缆，其内部的“缆芯”不是铜线或铝线，而 是由一根或几根中空的塑料膜的芯管组成，其结构如图1所示。这里所指的塑料膜芯管是 具有半透膜性质的管状塑料薄膜，其特点是膜体上每平方厘米有10万个以上的微孔，微孔 的孔径分布为10 900nm，恰在半透膜内孔径范围内，因此在功能上，这种膜具有半透膜的 一切功能。实施例2:实施例1所述的水缆，所述的输水管的加固层为化学纤维、玻璃纤维、岩棉纤维或 不锈钢丝编制而成、也可以采用无纺布、化纤布或者麻布，所述的加固层是用热合或缝制的 方法制成的护套。用功能性的膜材料做为水缆的芯管为本发明的核心材料，并且为了有更好的应用 性能，在芯管外面加上一层用机械强度较高的透水性材料制成的护套，制成具有双层结构 的水缆产品。这里所指的护套，主要是对内层的功能性膜材料起到保护性作用，使得膜材料 机械强度不足得以克服，避免膜材料在复杂的野外农田环境中使用时被刺漏、划破或拉断。 因此要求制作护套的材料一是要有较好的机械强度，二是具有透水性，使膜中渗出的水易 于透过护套进入土壤。适合做护套的材料有化纤编织管、塑料编织管、棉布或无纺布制成的 管。在鼠害严重的地区，为防止鼠啮，可以用金属编织管、玻璃纤维或岩棉纤维编织管。水缆的制造是这样实现的实施例3 选择直径为3cm，厚度为5um，每米日释水量为300克的塑料半透膜水缆芯管，将芯 管导入电缆包履编织机内，启动编织机，编织机在芯管外编织成管状编织物，将作为芯管的 塑料半透膜包裹在管中，形成具有双层结构的、连续的软管状物即为水缆。将水缆用收卷机 收卷成大卷，然后，按农业生产的实际需求，将水缆切成20米、50米或200米等不同长度，将 切好的产品一端用卡扣机打卡封闭，另一端装上自锁式快速拉头，包装后即为成品水缆。这 种水缆适用于日需水量小的作物使用。
本例中选用的纺织纤维为聚脂纤维，具有强度高，耐腐蚀等特点，对芯管起到保护 作用，使水缆在严酷的农业生产环境中正常发挥使用功能。实施例4 直径为5cm，厚度为7um，每米日释水量为800克的塑料半透膜水缆芯管，将芯管导 入电缆包履编织机内，启动编织机，编织机在芯管外编织成管状编织物错位加强层，将作为 芯管的聚乙烯半透膜包裹在管中，形成具有双层结构的、连续的软管状物即为水缆。将水缆 用收卷机收卷成大卷，然后，按农业生产的实际需求，将水缆切成20米、50米或200米等不 同长度，将切好的产品一端用卡扣机打卡封闭，另一端装上自锁式快速拉头，包装后即为成 品水缆。这种水缆适用于日需水量大的作物使用。实施例5 直径为4cm，厚度为6um，每米释水量为500克的塑料半透膜水缆芯管，将芯管导入 电缆包履编织机内，启动编织机，编织机在芯管外编织成管状编织物，将作为芯管的聚乙烯 半透膜包裹在管中，形成具有双层结构的、连续的软管状物即为水缆。将水缆用收卷机收卷 成大卷，然后，按农业生产的实际需求，将水缆切成20米、50米或200米等不同长度，将切好 的产品一端用卡扣机打卡封闭，另一端装上自锁式快速拉头，包装后即为成品水缆。本例选 用的编织纤维为玻璃纤维，除有强度好，耐腐蚀的特点外，还具有防鼠咬功能，特别适用于 鼠害严重的农田或草原使用。实施例6 直径为3cm，厚度为5um，每米日释水量为300克的半透膜水缆芯管，选用聚脂无纺 布做为护套材料，将宽度为7cm成卷的无纺布的对折成双层，将芯管夹在折叠后的无纺布 的两层中间，然后导入连续热合机中，热合机将折叠无纺布开口 一侧连续热合，使无纺布形 成软管状，芯管包裹在管中，形成与编织法制造的相同的、具有双层结构的水缆。用这种方 法制造的水缆在性能上，与用化纤编织法制造的基本相同。实施例7 三条直径为5cm，厚度为7um，每米日释水量为800克的塑料半透膜芯管，用上述编 织法或无纺布热合法制成三芯水缆如附图1所示，这种水缆适用于需水量特别大，用单芯 水缆无法满足的特殊环境使用。实施例8 一种水缆供水机械，其组成包括与水箱或者其它水源连接的灌溉主供水管，所述 的主供水管上开具有多个供水孔，所述的主供水管和水缆在供水孔位置连通，并在此将两 者固定和密封，根据垄长将所述的水缆另一端头封口，所述的水缆铺装在植物种植农田地 下10 25厘米深度，据以此形成所述的地下灌溉系统。其中的水缆在系统中既起输水支管作用，又是给水器。使用时水缆须埋入地下 10 25cm处，形成本发明的地下灌溉系统。这里所述的芯管为半透膜，是一种塑料材料制成的膜管，厚度及膜管直径可在制 造时任意设定，其长度原则上是可以无限长的，但在实际制作过程中，依据农业生产的不同 要求，可以制成不同直径，不同出水量，不同长度的产品，从而制成不同规格的水缆。当商品 供应的水缆的长度不能达到农田的长度的时候，所述的水缆沿长度方向采用连接头进行接 长处理。
实施例9 利用水缆进行灌溉的方法，包括将主供水管路沿农田一侧安装，按照一垄或者隔垄的方式在主供水管上开孔，将所述的水缆一端安装在供水孔上并沿垄的走向铺装在地下 10-25厘米深处，所述的供水管将水输送到水缆中，由土壤水势能驱动水缆向土壤和植物提 供不间断的补水，灌溉进行过程不需要机械动力驱动。水缆采用仿生透水功能半透膜制成，形成不产生径流及渗漏损失的节水灌溉方 式，避免了大部分蒸发损失；水缆内半透膜释放水的行为拟合植物根部半透膜的吸收水行 为，并随不同时段植物耗水量的波动导致土壤水势的波动而波动，对植物进行不间断的连
续灌溉。它的使用方法是1、在需要灌溉的地块的一边适当位置安装内设水位计的水箱，接通上水管。2、依据农作物的行距，在土地上等距地挖出深度为10 25cm深的沟，沟的深度取 决于作物根区层深度。3、所需长度的水缆一端用卡扣或夹子封闭，另一端与一个自锁式快速接头连接。4、在一条与水箱相连接的硬塑料主供水管上等距离的开孔，孔距与作物行距相 等，主供水管的长度与所需灌溉地块的另一个边等长。5、将水缆一端的快速接头插入硬塑料管上打好的孔内并锁紧。6、将水缆铺在挖好的沟内，每个沟一条。7、打开水箱上的阀门，水通过主供水管进入水缆内并将水缆充满。8、用回填土将水缆埋好，将沟填平后种植作物。埋在土中的水缆开始慢慢向外渗透水分，使水缆周围的土壤润湿，随着时间的延 长，逐渐在地下形成一个以水缆为中心的润湿体，如图3所示，润湿体上部有一层干土层， 保护润湿体内的水分不受蒸发损失，润湿体的位置处于地面以下的作物根层区，作物的根 系分布在润湿体内，吸收水分，受到充分的灌溉。
权利要求
一种水缆，其组成包括输水管，其特征是所述的输水管中装有一组半透膜管壁的、既输送水分，又通过管壁渗透向土壤释放水分的芯管，所述的输水管的半透膜管壁外具有加固层。
2.根据权利要求1所述的水缆，其特征是所述的输水管的加固层为化学纤维、玻璃纤 维、岩棉纤维或不锈钢丝、无纺布、化纤布或者麻布，所述的加固层是用热合或缝制的方法 制成的护套。
3.根据权利要求1或2所述的水缆，其特征是所述的输水管为高强度、耐腐蚀、易透 水的材料制成的保护性护套。
4.一种水缆地下灌溉系统，其组成包括灌溉主供水管和水缆，其特征是所述的主供 水管上开具有一组供水孔，所述的主供水管和水缆在供水孔位置连通，并在此将两者固定 和密封，根据垄长将所述的水缆另一端头封口，所述的水缆铺装在植物种植农田地下10 25厘米深度。
5.根据权利要求4所述的水缆地下灌溉系统，其特征是所述的水缆沿长度方向采用 连接头进行接长处理。
6.一种利用水缆进行灌溉的方法，包括将主供水管路沿农田一侧安装，其特征是按 照一垄或者隔垄的方式在主供水管路上开孔，将所述的水缆一端安装到供水孔上并沿垄的 走向铺装在地下10-25厘米深处，形成地下灌溉系统，所述的供水管将水输送到水缆中，由 土壤水势能驱动水缆向土壤和植物提供不间断的补水，是一种在灌溉运行过程不需要机械 动力驱动的方法。
7.根据权利要求6所述的利用水缆进行灌溉的方法，其特征是水缆采用仿生透水功 能半透膜制成，形成不产生径流及渗漏损失的节水灌溉方式，避免了大部分蒸发损失；水缆 内半透膜释放水的行为拟合植物根部半透膜的吸收水行为，并随不同时段植物耗水量的波 动导致土壤水势的波动而波动，对植物进行不间断的连续灌溉。
全文摘要
水缆、水缆地下灌溉系统及其应用，近几十年相继研究并成功地推广了滴灌、喷灌、渗灌等先进的灌溉方法，取得明显的节水效果。本发明的水缆，其组成包括输水管，所述的输水管中装有一组半透膜管壁的、既输送水分，又通过管壁渗透向土壤释放水分的芯管，所述的输水管的半透膜管壁外具有加固层。水缆地下灌溉系统，其组成包括灌溉主供水管和水缆，所述的主供水管上开具有一组供水孔，所述的主供水管和水缆在供水孔位置连通，并在此将两者固定和密封，根据垄长将所述的水缆另一端头封口，所述的水缆铺装在植物种植农田地下10～25厘米深度。用于农业、林业育林方面的节水灌溉。
文档编号F16L11/20GK101823030SQ20091007147
公开日2010年9月8日 申请日期2009年3月3日 优先权日2009年3月3日
发明者杨庆理 申请人:杨庆理