控水阀管及其在植物微灌技术中的应用 【技术领域】
本发明涉及一种控水阀管，尤其是一种能够控制均衡释水速度的控水阀管。本发明还涉及这种控水阀管在植物微灌技术的应用，尤其是其作为以贮水袋为供水源的便携式微灌器的控水阀的应用。
背景技术
现代灌溉技术中较为节水高效的方法大多选择以少量的水对植物的根部进行直接供水，这样可以减少灌溉水的蒸发和渗入地下，提高水的利用率，也称局部灌溉法。如：滴灌等，它们将管道水直接引向植物根系附近，利用滴头等带有微孔的装置向植物根部提供少量而持续的供水，为了保持在一定范围内的均衡供水，人为保持管道内一定的压力，单位时间出水量取决于微孔的孔径尺寸和管道水压力。这类系统都需要铺设供水管道，对地形、水压、水质、动力等方面也有诸多要求。这对于供水较分散的种植类型和地形变化较大的种植环境均不适宜，如：野外荒山造林，公路铁路两侧的绿化，经济林种植等。
于是出现了不用铺设供水管道的局部灌溉技术，如：中国实用新型专利说明书CN2492060Y所公开的节水滴灌水包。它提到以水包为贮水袋，出水管联接调速器，以调速器控制出水量。使用中需要人工管理，不适于大面积营林工程。
近几年来，又出现了实现局部灌溉的简便技术装置，如中国实用新型专利说明书CN2364678Y所公开地一种滴水浸灌袋。它提到将储水袋中的水通过一节前端密封并在密封处或管壁上开几个毛细管孔的输水软管，将水引向植物根部的装置。它虽然实现了简单、便携的目的，但仅靠在密封处或管壁开几个毛细管孔是无法实现精确稳定控制供水的目的。这是因为：一方面在现有的技术条件下，在一般的输水管材上能够精确地开出所需要尺寸的小孔实属不易，而且越小越难精确，小孔尺寸的微小变化对这样每时每刻都不断出水的容器的出水量将产生很大影响，靠开孔大小控制出水量，只能在一个很笼统的供水范畴内，难以精确；另一方面由于贮水袋中的水不断流失，压力也就不断下降，这样会直接影响到水的流速，此外在野外造林时贮水袋受日晒时间过长会造成袋中水温过高伤及植物根系，这就需要加盖遮阳物或将其埋入地下，如此会更增加压力变化幅度，从而使水的流量变化更大，靠开孔大小控制水流更不适于解决这类问题。因此这种方法难以对十分有限的水源进行充分有效的利用。其它还有一些类似的技术，都是由于缺乏简单有效的控水手段不能广泛应用。
在二十世纪九十年代还有人提出植物毛细灌溉法，如中国发明专利申请公开说明书CN1064982A、CN1329819A和CN1347638A中所公开的。但在这些现有技术中仅仅将毛细管作为吸水管和输水管使用，且未认识到水压变化会影响毛细管中的水流量，并且忽略了毛细管长度变化对水流量的直接影响，因而对毛细管作用机理缺乏全面的认识，也就无法利用毛细管在特定条件下的控水原理设计出将压力变化影响控制在可接受范围内的无须人工管理的控水装置、以及利用这种装置依据周边环境条件(土壤、压力)准确确定释水速度的方法。
由上述现有技术可知，如何实现对植物长期持续稳定的自动供水是现代灌溉技术中急需解决的难题。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是提供一种可用于长期持续稳定释放供水的控水阀管，这种控水阀管可以达到无需人工调节就可将外界一定压力变化对水流的影响控制在可接受范围，且可以很方便地适用于不同释水速度。
本发明要解决的另一个技术问题是提供一种上述控水阀管在植物微灌技术中的应用，以实现向植物根系长期持续稳定地供水。
为解决上述技术问题，本发明的控水阀管由外包层和内芯构成，该内芯是由亲水材料制成的起毛细作用的多孔介质或毛细管束构成，该多孔介质或毛细管束的当量孔径为0.0015毫米至0.2毫米，控水阀管的长度至少为多孔介质或毛细管束当量孔径的200倍。
外包层可以是一起阻隔作用的管材，也可以是经过处理后使起毛细作用的内芯外层被堵塞、从而阻隔了内芯水份的外渗而形成的管状保护层，其作用是保证水从其入口端通过内芯达到出口端，以使内芯中起毛细作用的多孔介质或毛细管束发挥对水的控制作用。采用上述内芯为拥有众多毛细管的多孔介质或毛细管束的控水阀管结构，一方面利用毛细管中较大的表面张力将水从入水口引到出水口；另一方面通过毛细管管壁作用在液体及液体表面的力控制其流动：在出水口没接触土壤前使水不会流出，入水口增加一定值的压力也不会使控水阀管中的水从控水阀管中流出或很少流出；控水阀管出水口与土壤接触后，在土壤毛细力的作用下水就会稳定地从控水阀管中渗出。当选择0.0015毫米至0.2毫米范围的多孔介质或毛细管束当量孔径，以及控水阀管长度大于多孔介质或毛细管束当量孔径200倍以上，就可以使控水阀管入水口的压力变化对渗水速度的影响程度处于植物微灌技术允许的范围。尤其有利的是控水阀管的释水速度可以通过截取相应长度的控水阀管予以确定，从而该控水阀管能够将有限的水比较均匀稳定缓慢地分布在相当长的时间内(一个月到半年或更长)自动供给植物根系吸收，解决了长期阻碍野外造林存活的瓶颈——低成本长期供水问题，为可移动便携式微灌技术的成功应用提供了有效的技术支持。
选择当量孔径较大的控水阀管有利于植物根系对水的吸收，但压力变化对水流量的影响也加大；当量孔径过小虽然会极大提高控水阀管的抗压能力，但也会造成植物根系吸水困难。因此优选多孔介质或毛细管束当量孔径为0.1毫米至0.002毫米的控水阀管不仅可以提供植物可吸取的水份，也可以更为有效地减少压力变化对水流量的影响。
为解决上述控水阀管在植物微灌中的应用这一技术问题，首先按照对植物供水的速度将控水阀管截成相应的长度，然后将该控水阀管安放在向植物供水的输水管的末端，使控水阀管出水口端直接与土壤接触。
当控水阀管出水口与土壤接触后，在土壤毛细力的作用下水就会稳定地从控水阀管中渗出从而可长期持续稳定地向植物根系供给其需要的水。对于不同的植物，其需水量不同，则可根据需要将控水阀管截成相应的长度以改变其释水速度，从而可适应各种对水需求量不同的植物。
作为上述应用的另一种变换方式，可以将该控水阀管用于带贮水袋的便携式微灌器中，将上述控水阀管根据所需供水量截成相应的长度后，直接将该控水阀管作为输水管，使控水阀管进口端与贮水袋内腔相通，该控水阀管的出口端直接与土壤接触。这样一来，只需将该带控水阀管的贮水袋埋入土壤，而不必铺设供水管道就可向植物根系均匀送水，然后定期更换贮水袋或定期向贮水袋补充水份即可。
作为此应用方式的进一步改进，可以使控水阀管的进口直接伸入到贮水袋的内腔。在这种情况下，如果将控水阀管的进口端端面制成锐角斜面，尤其是贮水袋中供控水阀管插入部位由具有良好弹性材料制成，则该便携式微灌器的使用更为方便。
【附图说明】
下面结合附图对本发明作进一步详细说明
图1为本发明控水阀管的透视图；
图2为将本发明控水阀管应用于植物微灌技术的第一种实施方式的示意图；
图3为本发明控水阀管应用于植物微灌技术的第二种实施方式的示意图；
图4、图5为图3所示第二种实施方式的一种改进结构示意图；
图1示出了本发明的控水阀管1，其由外包层2和起毛细作用的内芯3构成。该起毛细作用的内芯3可以由具有良好毛细作用的多孔介质或毛细管束构成。外包层2可以是一起阻隔作用的管材，也可以是经过处理后使其起毛细作用的内芯外层阻隔了内芯水份的外渗而形成的管状保护层。
一般滴灌滴头毛细孔直径为0.5-1.2毫米，滴头流量每小时1.5-12升，供水压力大于0.3兆帕。而本发明从实现长期持续稳定释水出发，为选择合适的毛细管内径和控水阀管的长度做了大量实验，从中选择出既能在植物根系吸收范围内使其起毛细引水作用，又可起到至少在常规压力(一般自然状态下贮水袋压强在1000帕以内)下阻止水任意流出的毛细管内径范围为0.0015毫米至0.2毫米，其中优选为0.002毫米至0.1毫米。在此范围内无需人为调节供水流量或维持供水压力，流量可以控制到相当小，并且在保证水源情况下，能持续地供水。
由于孔径在0.2毫米以下的毛细管不易找到，本发明在0.2毫米以下的实验选择由多孔介质为内芯的控水阀管进行。由于多孔介质中毛细管孔径大小不一；毛细管束内的毛细管孔径也不一定完全一样，而本发明关注的也并不是每一根毛细管孔径的大小，而是大量不同毛细管集合最终对水所起综合作用的结果，所以本发明借用了土壤学中当量孔径这一标志土壤中毛细管作用的单位，其原含义是：与土壤水吸力相当的土壤孔径。土壤也是一种多孔介质，其中布满的孔隙可视为众多的毛细管，其水吸力即来自于此。在本发明中水吸力表现为控水阀管内芯对水的制约力。本发明中当量孔径的定义是：与多孔介质或毛细管束所产生的对水的制约力相当的毛细管孔径，其对水的制约力体现在控水阀管内芯不使水流出所能承受的最大压强。比如对控水阀管内芯一端施加超过相当于300公斤/每平米压强时才有水从另一端被压出(或吸出)，而毛细管中的水能够承受该数值压强也不使水流出的最大孔径为0.1毫米，则该内芯的多孔介质或毛细管束的当量孔径即为0.1毫米。这里需要说明的是毛细管束对水的制约力受其中最大孔径毛细管的影响，因此以毛细管束为内芯的控水阀管的当量孔径等于该毛细管束中最大的毛细管孔径；而该控水阀管在土壤中释水时，其它较小孔径毛细管才发挥一定作用。因此为了便于掌握控水阀管控水和释水的规律，如选用毛细管束为本发明控水阀管的内芯，则最好选择相同孔径毛细管构成的毛细管束，这样的控水阀管由于其中的毛细管内径、长度完全一致，则其每一根毛细管所起的控水作用也完全一样。在这种情况下控水阀管的当量孔径就等于该控水阀管中的毛细管孔径。本发明在0.2毫米当量孔径实验中选用的就是10根0.2毫米孔径的毛细管组成的控水阀管，其当量孔径与毛细管孔径相同。
下面将所作实验中具有典型意义的数据列在表一中
表一 当量孔径 贮水量 (kg) 阀管截面 积 (mm2) 阀管长度 (cm) 自然状态 释放时间 (天) 增加100公 斤/米2释放 时间(天)影响程度 (％)最大耐压(kg/m2) 0.2mm 5 10根 50 20.9 10.3 50以内150 0.1 mm 5 1 50 57.2 43.7 25以内300 25 29.1 22.1 2 50 29.9 22.5 0.08 mm 5 1 50 89.4 70.6 21以内370 25 45.2 35.7 2 50 45.4 36.1 0.06 mm 5 2 50 59.6 49.8 16以内500 25 30.1 25.3 4 50 29.8 25.2 25 15.2 13.1 0.05 mm 5 2 50 75.5 64.8 14以内600 25 38.1 32.7 4 50 37.8 32.4 25 19.4 16.7 0.02 mm 1 1 20 80.2 75.2 7以内1500 10 40.9 38.3 2 20 41.3 39.1 0.01 mm 1 3 20 103.3 99.7 4以内3000 10 51.9 50.1 6 20 51.3 49.3 0.005 mm 1 6 10 102.4 101.1 2以内6000 5 51.7 50.9 12 10 52.1 51.3 5 26.1 25.7 0.002 mm 1 20 10 157.1 156.3 1以内15000 40 5 39.2 38.8 0.0015mm 1 20 5 125.7 125.1 0.5以内20000
现对其中二组典型实验数据作进一步展开说明
实验1：使用控水阀管当量孔径为0.06毫米、控水阀管截面积为2平方毫米，在截取50公分长时，当控水阀管出水口完全接触土壤后，可以保证5公斤水在自然放置下释放59.6天；在以上条件下当持续增加每平方米100公斤压力时，则释放时间缩短至49.8天，释水速度受影响的幅度在16％以内；而将截取长度缩短一半为25公分时，5公斤水自然放置释放时间也缩短一半为30.1天，持续增加压力100公斤/平方米释放时间也缩短一半为25.3天，释水速度受影响的幅度也在16％以内。可以看出，在该当量孔径下，虽然释水速度对压变化有一定敏感为16％，但控水阀管长度的影响更具决定意义，其长度与流速为反比线性关系，即只要相关条件不变，就可以通过选择控水阀管长度准确确定释水时间。比如在上述100公斤/平方米压力条件下，若需将释水时间延长到100天，只须截取100.4公分长度的该种控水阀管即可。控水阀管越长其长度与释水速度的对应关系越精确，越短则误差越大，经测定当控水阀管长度为其当量孔径的200倍以上时，则其长度与释水速度对应关系的误差就在可接受范围。比如在上述当量孔径条件下，控水阀管不可短于1.2公分。当控水阀管出水口没有接触土壤(悬空时)，控水阀管入水口处在承受每平方米500公斤以内的压力时，控水阀管内的水不会被从出水口挤压出去，这意味着在此压力内运输，即使控水阀管出水口不被封闭，水也不会流出。
上述控水阀管当量孔径不变、控水阀管截面积增加一倍为4平方毫米时，在截取50公分长时，当控水阀管出水口完全接触土壤后，可以保证5公斤水在自然放置下释放29.8天，其释水时间相当于2平方毫米50公分长的同样当量孔径控水阀管的释水时间；在以上条件下当持续增加每平方米100公斤压力时，则释放时间缩短至25.2天；而将截取长度缩短一半为25公分时，5公斤水自然放置释放时间也缩短一半为15.2天，持续增加压力100公斤/平方米释放时间也缩短一半为13.1天。释水速度受影响的幅度都在16％以内。可以看出，控水阀管截面积对释水速度的影响与长度具有同等意义，只不过其截面积与流速为同比线性关系，即只要相关条件不变，通过选择控水阀管面积也可以准确确定释水时间。其道理在于控水阀管截面积为众多毛细管孔组成，其面积增大一倍意味着其中所含的毛细管数量也增加一倍，因此其释水量也必然增大一倍。但控水阀管截面积与长度的选择在使用上还有不同作用：控水阀管截面积在生产时已经确定，造林时只能在大概的供水范围内选取与之相适应截面积的控水阀管；控水阀管长度却可以在造林时根据需要任意截取，以达到按需要精确释水的目的。
实验2：使用控水阀管当量孔径为0.005毫米、控水阀管截面积为6平方毫米，在截取10公分长时，当控水阀管出水口完全接触土壤后，可以保证1公斤水在自然放置下释放102.4天；在以上条件下当持续增加每平方米100公斤压力时，则释放时间只缩短至101.1天，释水速度受影响的幅度在2％以内；而将截取长度缩短一半为5公分时，1公斤水自然放置释放时间也缩短一半为51.7天，持续增加压力100公斤/平方米释放时间也缩短一半为50.9天，释水速度受影响的幅度也在2％以内。可以看出，在该当量孔径下，100公斤/平方米的压力对流速的影响已经非常小了。其长度与流速为反比线性关系。该当量孔径条件下控水阀管不可短于0.1公分，则其长度与释水速度对应关系的误差就在可接受范围内。当控水阀管出水口没有接触土壤(悬空时)，控水阀管入水口处在承受每平方米6000公斤以内的压力时，控水阀管内的水不会被从出水口挤压出去，这意味着在此压力内运输，即使控水阀管出水口不被封闭，水也不会流出。
上述控水阀管当量孔径不变、控水阀管截面积增加一倍为12平方毫米时，在截取10公分长时，当控水阀管出水口完全接触土壤后，可以保证1公斤水在自然放置下释放52.1天，其释水时间相当于6平方毫米5公分长的同样当量孔径控水阀管的释水时间；在以上条件下当持续增加每平方米100公斤压力时，则释放时间缩短至51.3天；而将截取长度缩短一半为5公分时，1公斤水自然放置释放时间也缩短一半为26.1天，持续增加压力100公斤/平方米释放时间也缩短一半为25.7天。释水速度受影响的幅度都在2％以内。
由以上两组实验结果可知，尽管当量孔径较大时压力变化对流速的影响也较大，但只要压力变化的范围能够确定，通过选择适当截面积的控水阀管和精确测定其长度就能够准确给定释水量，从这个意义上讲即使是较大当量孔径的控水阀管其对水流的控制也是精确的。因此，对于供水量较大而压力变化不大的供水情况，可选择当量孔径较大的控水阀管；对于供水量较小或压力变化较大的供水情况，可选择当量孔径较小的控水阀管。当然，增加或减少控水阀管中毛细管的数量(表现为控水阀管截面积的增减)也可直接影响控水阀管的供水量。在这里流量与控水阀管截面积成正比，这在制作控水阀管时已经确定；使用时，应在控水阀管可以有效控制的最大供水范围内，根据植物需水情况、预计供水时间截取相应的控水阀管长度，控水阀管长度与流量成反比。
本实验采用的土壤为黄土高原的轻壤土；本实验相同当量孔径不同截面积的控水阀管一定采用同一材质的多孔介质制成，因此才有可比性。
作为本发明控水阀管在植物微灌技术应用的第一种实施方式是将其安装在向植物供水的输水管作为向植物根系长期持续稳定释水的控水阀，该输水管具有不致由于土壤压力变形而阻碍水流的硬度。首先根据环境压力变化的要求选择适当当量孔径的控水阀管，再根据植物所需释水速度、土壤状况并参考上述表一中的数据将控水阀管截成相应长度，然后如图2所示将其置入输水管4的末端5，最好该控水阀管的出口端至少与输水管出口端齐平或者露出在输水管外，也就是使其出口端能够直接与土壤接触，利用土壤毛细力的作用将水从控水阀管中引入土壤，达到灌溉目的。在这里可以选择控水阀管1，也可以仅选取其外径与输水管4内径相当的内芯3插入输水管4出水端口5，以使输水管4的末端5内部与内芯3外部紧密接触后而成为内芯3的外包层。通过测量这部分外包层的长度就可以计算出释水时间。如果在将控水阀管进口端插入到输水管之前，先将进口端端面截成锐角斜面增大与水的接触面，则能取得更好的效果。
作为控水阀管在植物微灌技术中的另一种应用是将其作为带贮水袋的便携式微灌器的控水阀。当然该控水阀可以置于该便携式微灌器贮水袋中的输水管的末端，但优选该控水阀管直接与贮水袋相连通，尤其是如图3所示，直接伸入贮水袋内部。
图3中的便携式微灌器，由一贮水袋6和控水阀管1构成。该贮水袋6上有一向此贮水袋6内腔充水的入水口7。控水阀管1经过其插入区12处伸入到贮水袋6的内腔中。如果将其中伸入到贮水袋6的内端8的端面9制成锐角斜面，与平端面相比，其可以更容易将控水阀管1经过其插入区12插入到贮水袋6的内腔中，也更方便将贮水袋6内的水引入到控水阀管1的内芯3中。控水阀管1未伸入到贮水袋6中的外端10可以与内端8一样是敞开的，当然也可以将该外端10的外包层制成将其外端10的端部封闭，其端部10可留有便于撕开的刻痕线11，这样便携式微灌器在储存运输过程中遇有超过控水阀管控压上限的情况也不会有水从贮水袋6经控水阀管1的内芯3从控水阀管的外端10渗出，使用时只要沿外包层外端端部10的刻痕线11撕开即可，这种方法适于提前将水灌入贮水袋中后又要经过搬运堆压等发生较大压力变化的情况。在将贮水袋6埋入土壤前，如前面所说的那样，依据环境压力变化要求选定适当当量孔径的控水阀管，按照植物所需释水速度和土质状况，并参考上述表一中的数据将控水阀管截成相应长度，则截成的控水阀管外端10处的起毛细作用的内芯3就会与土壤直接接触，由于土壤本身的毛细作用，贮水袋6中的水就慢慢渗入土壤，起到均衡释放水的作用。
当然，在这种应用中，还可以使该贮水袋6和控水阀管1在安装使用前为两个独立的部件。图3所示的贮水袋6下方准备插装控水阀管2的插入区12为一由橡胶密封材料制成的橡胶密封区，水从入水口7注入此贮水袋6中。当然该贮水袋6可以不另设入水口7，而是将图3中的入水口7与供控水阀管插入的插入区12合二为一。即通过入水口向贮水袋6充满水后，用橡胶密封材料将入水口封死，成为由橡胶密封材料制成的插入区12。该控水阀管1的内端端面切成锐角截面，在使用前可将该控水阀管1带有锐角斜面内端8从贮水袋6的橡胶密封材料制成的插入区12插入到贮水袋6中，成为图3所示使用状态时的微灌器。由于控水阀管1插入端8具有锐角斜面，因而很容易从橡胶密封材料制成的插入区12插入，且由于橡胶密封材料具有足够的弹性，紧紧箍住控水阀管1，因而贮水袋6内的水就不会从橡胶密封材料和控水阀管之间向外渗出。
作为图3所示实施方式的进一步改进，可以如图4、图5所示，将该贮水袋6的入水口7在结构上略作改进，使其成为贮水袋6上供控水阀管1插入的插入区。在贮水袋6的入水口形成具有一定高度的凸圈，将水从进水口注入贮水袋6中后，将有弹性的橡胶塞13塞入其中，使其密封不漏水，成为供控水阀管插入的插入区12，使用时将带有锐角斜面的控水阀管1经该橡胶塞13插入到贮水袋6中。
将营养物质、药物等放入贮水袋中，本发明的便携式微灌器还可制成植物溶剂缓释器，用于农林业中可溶性肥料药物的长期缓慢定量的释放供给。