專利名稱:一種植物水循環(huán)維持模擬裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雨水收集、利用裝置，特別涉及一種具有植物水循環(huán)維持功能的雨水收集和集水再分配模擬裝置。
背景技術(shù)：
充足的水分是植物生長的一個重要條件。水分缺乏，植物生長就會受到影響。一方面植物通過根系吸收水分，使地上部分各器官保持一定的膨壓，維持正常的生理功能；另一方面，植株又通過蒸騰作用把大量的水分散失掉，以上兩個過程只有相互協(xié)調(diào)統(tǒng)一才能保證植株的正常生長。植物生長需要一定的有機物作為建造細(xì)胞壁和原生質(zhì)的材料，這些材料主要是光合作用的產(chǎn)物，而水是光合作用順利進行的必要條件；同時，光合作用制造的有機物質(zhì)向生長部位運輸也需要水分。
物質(zhì)循環(huán)作為生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)功能之一，對維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定有重要的作用。物質(zhì)循環(huán)又包括水循環(huán)、碳循環(huán)等。其中水循環(huán)是生態(tài)系統(tǒng)的重要過程，是所有物質(zhì)進行循環(huán)的必要條件。構(gòu)建具有生態(tài)完整性的生態(tài)系統(tǒng)必然需要持續(xù)的水循環(huán)來保證，在人工海岸、干旱區(qū)域等缺水地區(qū)的生態(tài)構(gòu)建中，水循環(huán)的維持就顯得尤為重要。
我國是水資源缺乏的國家，人均占有水量僅居于世界的第108位，水資源已經(jīng)成為影響我國社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。，雨水作為一種自然資源，充分利用雨水可有效緩解城市水資源的緊缺。雨水資源在利用過程中有如下優(yōu)點(I)城市化使水循環(huán)的下墊面硬質(zhì)化，雨水資源在地面上過剩，很容易導(dǎo)致洪澇災(zāi)害。利用雨水滲透和儲留能夠適當(dāng)提高地下水位，補充地下水的涵養(yǎng)量，可有效控制沿海地區(qū)的海水入侵、地面沉降等，保護生態(tài)環(huán)境。(2)雨水資源可用于城市綠化、園林和花壇等生態(tài)用水，是生態(tài)用水的理想水源，也是節(jié)水的有效辦法。尤其是在缺乏淡水的地區(qū)有效地利用雨水資源可以低成本、高效率的改善水資源缺乏的問題。
目前，雨水收集利用技術(shù)包括(I)雨水收集技術(shù)。主要指雨水通過天然或人工修筑的集流面形成地表徑流而收集，包括道路收集、屋頂收集、綠地收集等。集流面的材料會影響雨水收集效果，粗糙的集流面容易滯留灰塵，易滲漏的集流面形成地表徑流?。?2)雨水貯存和凈化技術(shù)。主要指將雨水匯流到雨水貯存設(shè)施，包括小水庫、塘壩等，在貯存設(shè)施中長配備沉砂池、濾網(wǎng)等改善水質(zhì)。雨水貯存設(shè)施需要注意防止蒸發(fā)和下滲；(3)雨水利用技術(shù)。主要指通過輸水管道進行節(jié)水灌溉，包括噴灌、滴灌、滲灌的灌溉技術(shù)。輸水效率和節(jié)水技術(shù)效率將會影響雨水利用效率。
公開號為CN2776027Y的中國專利披露了一種由滲灌器、輸水管等構(gòu)成的節(jié)水滲灌及雨水收集裝置，可用于雨水的收集儲存和滲灌施水作業(yè)中水量的調(diào)節(jié)，但該裝置未對集水進行有效分配，且每個滲灌器的滲灌面積有限，大面積的實際應(yīng)用費用高。公開號為CN201938156U的中國專利披露了一種地下水、雨水綜合利用滴灌裝置，通過儲水池收集和儲存雨水、水泵抽取水井中的地下水和海水淡化器淡化海水這三種方式得到的淡水分配到滴灌器進行滴灌，該裝置沒有將雨水收集作為主要的集水方式，且需耗費大量的電能，淡水制備的成本高。George D.和Akinolay發(fā)明的雨水收集系統(tǒng)(專利號GB2470017-A)，該系統(tǒng)可與房屋供水系統(tǒng)相連，雨水經(jīng)過濾器過濾后，進入供水系統(tǒng)，置于屋頂?shù)氖占b置可以緩解雨量過大對供水系統(tǒng)造成的壓力，并防止過量雨水排入排水溝。Alexander ff. J.發(fā)明的可放置在狹小空間中的雨水收集系統(tǒng)(專利號W02011022704-A1)，收集到的雨水通過管道輸送至其它地點進行利用，在雨水收集輸送過程中需消耗電能。上述雨水收集、綜合利用裝置或未對集水進行有效分配，或需消耗大量電能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，在于提供一種植物水循環(huán)維持模擬裝置，通過雨水收集和集水再分配，并充分利用太陽能和風(fēng)能，從而實現(xiàn)低成本、高效率、節(jié)約能源的效果，并具有植物保水和雨水灌溉、維持生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)的多種功能。
一種植物水循環(huán)維持模擬裝置，包括土壤層⑵、植被層(3)、配水管(7)和集水池
(9)，其特征在于，所述集水池(9)的上面設(shè)置有鐵棍(11)，鐵棍(11)的上面設(shè)置有帶孔隔板(4)，帶孔隔板(4)的上面設(shè)置有呈一定的坡度土壤層(2)，土壤層(2)的上面設(shè)置有植被層(3)，還設(shè)置有地膜(14);所述土壤層⑵坡度小的一側(cè)的外部設(shè)置有過濾器⑴，過濾器(I)的下端通過配水管與集水池(9)相通，集水池(9)常規(guī)水面的上方設(shè)置有溢流管
(10);土壤層⑵另一側(cè)的下部設(shè)置有出水口(12)，出水口(12)通過配水管(7)與真空泵
相連接，再通過設(shè)置在土壤層⑵的進水口(13)進入土壤層⑵；在過濾器⑴一側(cè)0.25mX0. 6m的區(qū)域設(shè)置有棉繩，利用毛細(xì)現(xiàn)象作為輔助配水方式；該模擬裝置的外部上方設(shè)置有太陽能電池板(5)和風(fēng)力發(fā)電機(6)，由其產(chǎn)生的電能作為水泵⑶的電源。
所述鐵棍(11)為3根，或者根據(jù)具體需要確定。
所述帶孔隔板⑷的孔徑為IOmm,孔徑距離橫向為50mm,縱向為IOOmm ;帶孔隔板
(4)的上面還設(shè)置有多層紗布，以防止土壤顆粒漏到底部。
所述土壤層(2)的坡度為I : 12。
進入土壤層(2)的配水管(7)設(shè)置在植物根系部位，并設(shè)置有設(shè)有若干澆灌口，該澆灌口包裹紗布以防止土壤顆粒物進入。
在植物根系周圍設(shè)直有保水劑。
本發(fā)明的有益效果是，采用本發(fā)明的植物水循環(huán)維持模擬裝置，在缺水地區(qū)以雨水作為水源維持植物的生長。通過管道滴灌和毛細(xì)配水兩者結(jié)合可有效進行節(jié)水灌溉，采用鋪設(shè)地膜和保水劑結(jié)合的措施可使植物需水量降低30%左右，保證了植物的需水要求。


圖I是植物水循環(huán)維持模擬裝置的總體示意圖；
圖2是植物水循環(huán)維持模擬裝置主體的主視剖面圖；圖3是圖2的左視圖；
圖4是植物水循環(huán)維持模擬裝置中隔板的俯視圖。
本發(fā)明的附圖標(biāo)記如下
I—過濾器2—土壤層
3——植被層4——帶孔隔板
5—太陽能電池板6—風(fēng)力發(fā)電機[0022]7-配水管8-真空泵
9——集水池10——溢流管
11——鐵棍12——出水口
13-進水口14-地膜
具體實施方式
下面結(jié)合附圖，通過具體實施例對本發(fā)明作進一步描述。
本發(fā)明的植物水循環(huán)維持模擬裝置尺寸為長X寬X高=ImXO. 6mX0. 8m，材質(zhì)為IOmm厚的有機玻璃板。在距底部30cm處設(shè)置有帶孔隔板4，同為IOmm厚有機玻璃制作，且其下端設(shè)置有三根鐵棍11，使得帶孔隔板4能夠承受上部土層的壓力。帶孔的隔板 4使得滲入土壤的雨水可通過隔板上的孔徑進入集水池9，隔板孔徑為10mm，孔徑距離橫向為50mm，縱向為100mm。在裝置的一側(cè)設(shè)有出水口 12和進水口 13，在出水口 12和進水口13之間連接真空泵8以實現(xiàn)集水的再分配，真空泵8為水汽兩用泵，由蓄電池供電，蓄電池可連接風(fēng)力發(fā)電機6和太陽能電池5板進行發(fā)電；裝置的另一側(cè)設(shè)有溢流孔10以及過濾器1，過濾器I為簡易過濾器。
為實驗方便，維持裝置的上方還設(shè)置了一個噴頭，噴頭連接轉(zhuǎn)子流量計同時與自來水管相連接，通過調(diào)節(jié)流量大小模擬降雨過程。該噴頭由天津埃尼斯閥門有限公司制造；轉(zhuǎn)子流量計為東臺市東興儀表廠生產(chǎn)，型號為LZB-10。
真空泵為成都新為誠科技有限公司生產(chǎn)的WKA1300高溫型真空泵，以抽取集水池中的水；蓄電池由上海艾瑞斯電子有限公司制造，型號為NP17-12，為真空泵提供電能；風(fēng)力發(fā)電機額定功率100w，額定直流電壓12V，額定風(fēng)速和啟動風(fēng)速分別為12m/s和3m/s，葉輪直徑920mm ;太陽能電池板為單晶硅太陽能電池板，額定電壓為12V，額定功率50W，工作溫度范圍為_40°C +90°C。
本發(fā)明植物水循環(huán)維持模擬裝置采用兩種方法對集水進行再配水一種是使用真空泵抽取集水，通過帶孔管道對植物進行滴灌，這是主要的配水方式；另一種是通過棉繩的毛細(xì)作用使集水池的水上升到土層中，作為補充配水方式。具體實施步驟如下
(I)在填土之前先在模擬裝置過濾器I的一端約0. 25mX0. 6m的區(qū)域布置棉繩，棉繩穿過裝置中間帶孔隔板4且其頂端高于帶孔隔板約10cm，其底端與裝置底部接觸，棉繩是經(jīng)過篩選的具有較好毛細(xì)作用的繩子，在25cm處，棉繩可將自身水分傳遞給周圍土壤，使得土壤含水率提高，一定程度上可以滿足植物的需水。布置好棉繩之后，在帶孔隔板上填墊多層紗布，防止土壤顆粒通過孔漏到底部。之后，開始進行填土，剛開始填土?xí)r，邊填土邊在繩子周圍布撒一定量的保水劑，保水劑吸收繩子中的水份并在植物缺水時緩慢釋放給周圍的土壤，充分發(fā)揮保水劑的吸水性能和棉繩的毛細(xì)性能。
(2)在填土高度高于帶孔隔板約為25cm時，即植物根系部位，開始鋪設(shè)配水管7。配水管7采用內(nèi)徑為IOmm的軟管，管道每隔IOcm鉆若干個小孔，小孔外圍用多層紗布包裹，防止細(xì)小土壤顆粒堵塞管孔。配水管從進水口 13進入，繞行布置，最后從過濾器穿出，盡量使裝置各個部位都有配水口 ；在小孔周圍也布撒一定量保水劑，在配水過多時，保水劑可吸收多余的水存儲起來，慢慢釋放給土壤供水。布置好配水管之后，繼續(xù)填土直至過濾器口的下端，土壤層2從過濾器一端到另一端由低到高呈傾斜填裝，坡度約為I : 12。土壤層2的表面還鋪設(shè)地膜14，主要收集雨水之用。
(3)在鋪好土之后，將已經(jīng)培養(yǎng)好的三種耐鹽堿植物(檉柳、紫花苜蓿和沙打旺)分別移植到裝置中，構(gòu)建植被層3，形成等間距5排共16株植物。從進水口 13 —端到過濾器另一端前2排為檉柳，由于檉柳植株較大，每排種3株，等間距種植；第三排為紫花苜蓿，共4株；第四排紫花苜蓿和沙打旺各2株；第五排為2株沙打旺。第一、三、五排每株植物根系周圍均布置7g左右的保水劑。
在土壤層2的地表面還鋪設(shè)有地膜14，地膜14收集雨水后流向過濾器I。
植物需水實驗結(jié)果顯示，檉柳、紫花苜蓿和沙打旺在有地膜、有保水劑時的需水量分別為它們在無地膜、無保水劑時需水量的71. 01 %、73. 43%、71. 89%。
降雨模擬實驗結(jié)果為，在流量為146. 25L/min的情況下，即模擬降雨為35. lmm/d,相當(dāng)于氣象部門規(guī)定的一般降雨，雨水直接收集率為64. 87 %，雨水總收集率約為78. 6 % ;在流量為334. 29L/min的情況下，即模擬降雨為80. 23mm/d，相當(dāng)于氣象部門規(guī)定的一般暴 雨，雨水直接收集率為65. 57%，雨水總收集率約為81. 2%。
裝置模擬實驗中，大部分的雨水可通過地膜直接收集起來，一部分雨水通過地膜流入土壤或降雨直接進入土壤，還有約20%左右的雨水滯留在地膜表面或植物葉面，在降雨過后通過蒸發(fā)散失?？傮w來說，本裝置具有較高的雨水收集率，同時將收集的雨水進行再分配，較好的實現(xiàn)了植物水循環(huán)的維持。
本發(fā)明實施例的目的在于幫助進一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求
的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實施實例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護的范圍以權(quán)利要求
書界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種植物水循環(huán)維持模擬裝置，包括土壤層(2)、植被層(3)、配水管(7)和集水池(9)，其特征在于，所述集水池(9)的上面設(shè)置有鐵棍(11)，鐵棍(11)的上面設(shè)置有帶孔隔板(4)，帶孔隔板(4)的上面設(shè)置有呈一定的坡度土壤層(2)，土壤層(2)的上面設(shè)置有植被層(3)，還設(shè)置有地膜(14);所述土壤層⑵坡度小的一側(cè)的外部設(shè)置有過濾器⑴，過濾器(I)的下端通過配水管與集水池(9)相通，集水池(9)常規(guī)水面的上方設(shè)置有溢流管(10);土壤層⑵另一側(cè)的下部設(shè)置有出水口(12)，出水口(12)通過配水管(7)與真空泵(8)相連接，再通過設(shè)置在土壤層⑵的進水口(13)進入土壤層⑵；在過濾器⑴一側(cè)0.25mX0. 6m的區(qū)域設(shè)置有棉繩，利用毛細(xì)現(xiàn)象作為輔助配水方式；該模擬裝置的外部上方設(shè)置有太陽能電池板(5)和風(fēng)力發(fā)電機(6)，由其產(chǎn)生的電能作為水泵⑶的電源。
2.根據(jù)權(quán)利要求
I的一種植物水循環(huán)維持模擬裝置，其特征在于，所述鐵棍(11)為3根，或者根據(jù)具體需要確定。
3.根據(jù)權(quán)利要求
I的一種植物水循環(huán)維持模擬裝置，其特征在于，所述帶孔隔板(4)的孔徑為10mm，孔徑距離橫向為50mm，縱向為IOOmm ;帶孔隔板⑷的上面還設(shè)置有多層紗布，以防止土壤顆粒漏到底部。
4.根據(jù)權(quán)利要求
I的一種植物水循環(huán)維持模擬裝置，其特征在于，所述土壤層(2)的坡度為I : 12。
5.根據(jù)權(quán)利要求
I的一種植物水循環(huán)維持模擬裝置，其特征在于，進入土壤層(2)的配水管(7)設(shè)置在植物根系部位，并設(shè)置有設(shè)有若干澆灌口，該澆灌口包裹紗布以防止土壤顆粒物進入。
6.根據(jù)權(quán)利要求
5的一種植物水循環(huán)維持模擬裝置，其特征在于，在植物根系周圍設(shè)置有保水劑。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種植物水循環(huán)維持模擬裝置，包括土壤層、植被層、配水管和集水池；本發(fā)明采用兩種方法對集水進行再配水一種是使用真空泵抽取集水，通過帶孔管道對植物進行滴灌，這是主要的配水方式；另一種是通過棉繩的毛細(xì)作用使集水池的水上升到土層中，作為補充配水方式。本發(fā)明有效進行了節(jié)水灌溉，一般情況的雨水直接收集率為65％，保證了植物的需水要求。
文檔編號A01G9/00GKCN102668911SQ201210006917
公開日2012年9月19日 申請日期2012年1月10日
發(fā)明者劉航, 宋偉男, 李東哲, 趙林, 郭江泓 申請人:天津大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan