環保節能型水分輸運微灌系統及方法
2023-05-22 23:12:36
環保節能型水分輸運微灌系統及方法
【專利摘要】本發明提出環保節能型水分輸運微灌系統及方法，該系統主要由水源、汲水帶、汲水帶配重塊、汲水帶固定裝置、輸水纖維氈、覆蓋層、被治理土方、涵水纖維氈組成，其中汲水帶表面或內部附著配重塊，汲水帶一端浸於水源水平面以下，汲水帶利用汲水帶固定裝置固定於水源附近，輸水纖維氈整體覆蓋於待治理土地，在其上安置覆蓋層，在輸水纖維氈下一定深度填埋涵水纖維氈。本發明利用輸水纖維氈的毛細力，將就近水源或開發水源充分輸運並微灌到涵水纖維氈上下端的被治理土方，達到對治理地帶無能耗輸水、涵養水分、防風固沙的綜合效果。如果將該技術在全國沙漠地區、乾旱半乾旱地區、黃河源頭荒漠區進行推廣應用，將有效抑制風沙源頭和改善土地表層環境。
【專利說明】環保節能型水分輸運微灌系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種微灌系統及方法，特別是涉及一種環保節能型水分輸運微灌系統及方法。
【背景技術】
[0002]1972年聯合國環境大會把荒漠化定義為「由於氣候變異和人為活動等因素造成的乾旱、半乾旱和亞溼潤乾旱地區的土地退化」。土地荒漠化是當今世界公認的重大環境問題，被列為全球生態環境十大問題之一。1991年聯合國環境規劃署對全球荒漠化狀況的評估是:全球荒漠化面積已近36億公頃，約佔全球陸地面積的1/4，已影響到全世界1/6的人口(約9億人)，100多個國家和地區。而且，荒漠化擴展的速度快，全球每年有600萬公頃的土地變為荒漠，其中320萬公頃是牧場，250萬公頃是旱地，12.5萬公頃是水澆地，另外還有2100萬公頃土地因退化而不能生長穀物。亞洲是世界上受荒漠化影響的人口分布最集中的地區，遭受荒漠化影響最嚴重的國家依次是中國、阿富汗、蒙古、巴基斯坦和印度。據估計，今後50年內將有1.5億人被迫遷居，全世界因荒漠化遭受的經濟損失每年約260億美元。
[0003]荒漠化土地不但造成嚴重的土地資源流失，而且也成為沙塵暴天氣的重要來源，沙塵暴和生活生產的廢氣排放造成的高PM2.5值直接危害人類的健康，荒漠化治理已經提上各國環境治理的重要日程。
[0004]具體而言，土地荒漠化是由於乾旱氣候和人為原因導致的土地原有的輸水、涵水、養分涵養的表皮系統的破壞。土地一般通過其表皮植被根系的莖內維管束吸收和輸運水分，其本質即為毛細管原理，同時植物根系通過纖維和土壤內外滲透壓差來調節土壤溼度，如果將地球比作「人體」的話，那麼土地資源可以看作「人體皮膚」，植物根系就可以看作人體的「毛細血管，」因此可以說「毛細血管」輸送及滲透作用保持了 「地球皮膚」的水分和養分，而土地荒漠化則使得植物根系破壞，毛細管作用減弱或消失，水土無法保持，「地球皮膚」其「毛細血管」的「造血輸血」功能蕩然無存，再加上原有的乾旱氣候，使得「地球皮膚」環境走向惡性循環，因此「地球皮膚」生態再造刻不容緩。
[0005]荒漠化及沙漠化地區生態恢復最大的難題是缺水，目前節水技術主要有集水技術、保水劑蓄水技術、固體水種植技術、滲滴管技術等。集水技術在水資源短缺地區沒有意義；固體水種植技術對水質較敏感，二次吸水特性也受到降水量和土壤Na、Mg離子副作用限制；保水劑僅適合於苗木發芽期，生長需要澆灌大量水；滴、滲、噴灌技術比澆水灌溉節水，但存在保水性差、鋪設成本高、水分利用不充分等缺點。近些年來，「液態地膜」這種方法被廣泛應用於乾旱，半乾旱地區，用於固結沙塵，防治風沙，其本質上是將可降解液體灑到土壤中，形成保護薄膜，降解後滋潤和改善土壤；還有一種類似於「尿不溼」的方法，將吸水高分子材料混合在表層土壤中，作為土壤保溼劑；還有「人工植被」的方法，將植物根、莖、葉和人畜糞便和生活垃圾為原料，通過特殊工藝，形成「被」狀物覆蓋在沙漠表面，使植物和農作物在上面生長。可見「膜」、「被」方法具有很強的實用性。
[0006]中國礦業大學張增志在「調解土壤溼度的導水塗層纖維發展現狀」(新材料產業，2008年第六期，48-53頁)一文中提出對植物纖維進行導水塗層塗覆，以實現對植物根系的可調控補水，但其缺點在以下缺點:一次儲水能力有限，對於長期缺水現狀無法改善；使用的纖維材料為植物纖維，粗纖維自身的毛細作用較差；易降解腐爛，無法滿足需長期使用長期供水的環境。
[0007]因此還沒有一種方法能夠完全滿足防風固沙的要求:1)固結或者屏蔽沙塵；2)防止水分蒸發；3)滋潤改善土壤；4)實現植被再造；5)節能環保、成本低廉。
[0008]本發明提出利用熔體靜電紡絲工藝製備的親水材料微納米纖維氈，利用其納米級的纖維空隙及材料親水性，提供強大的毛細力進行水分的輸運，纖維氈也將起到屏蔽大風對沙地的侵蝕和微塵搬運，同時疏水纖維氈將對土地吸收的水分的起到保持作用，防止水分向土地深層滲漏，如果在該微灌系統應用的土地進行植被播種，最終可實現「地球皮膚」及其「毛細血管」的再造。
【發明內容】
[0009]本發明目的在於提供一種環保節能型水分輸運微灌系統及方法，該系統及方法充分利用靜電紡絲等方法製備的親水超細纖維氈的自身毛細管力進行水分輸運，達到有限水資源低能耗、高效率利用，同時多層輸水纖維氈和涵水纖維氈配合使用，達到固沙、涵水、防止水分蒸發等作用，該系統及方法適用於沙漠治理、黃河源荒漠化治理、半乾旱及乾旱土地資源利用等方面。
[0010]本發明環保節能型水分輸運微灌系統主要由水源、汲水帶、汲水帶配重塊、汲水帶固定裝置、輸水纖維氈、覆蓋層、被治理土方、涵水纖維氈組成，其中汲水帶表面或內部附著汲水帶配重塊，汲水帶一端浸於水源水平面以下，汲水帶利用汲水帶固定裝置固定於水源附近，輸水纖維氈整體覆蓋於被治理土地，在其上安置覆蓋層，在輸水纖維氈下一定深度填埋涵水纖維氈，輸水纖維氈和涵水纖維氈之間為一定厚度的被治理土方。
[0011]本發明環保節能型水分輸運微灌系統，其中水源是被治理土層附近易被微灌系統利用的水資源，在沙漠治理中可以利用深井鑽開發的水源或通過雨水收集和空氣水收集的水，在黃河源沙化治理中可以是黃河及其支流水域的水資源，在半乾旱、乾旱土地資源利用中可以是井水或通過雨水收集和空氣水收集的水。
[0012]本發明環保節能型水分輸運微灌系統，其中汲水帶是利用吸水材料超細纖維製備的帶子或繩子，可以利用塑料管材將其包覆以提高汲水帶強度，汲水帶利用毛細管自吸原理，將水源地的水充滿汲水帶並運輸到與之相連接的輸水纖維氈，吸水材料超細纖維製備方法可以是熔融紡絲法、閃蒸紡絲法、熔噴法、靜電紡絲法(溶液法或熔體法)中的一種或幾種，汲水帶纖維平均細度小於10 μ m,帶厚5-100mm。
[0013]本發明環保節能型水分輸運微灌系統，其中汲水帶材料可以是尼龍(PA)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、乙烯-乙烯醇共聚物(EVAL)、熱塑性聚合物/纖維素共混料或其他熱塑性材料和無機填料共混體系。
[0014]本發明環保節能型水分輸運微灌系統，其中汲水帶配重塊是接近水密度的片狀固體，附著在汲水帶上或安裝在汲水帶內部，用於保持汲水帶超過1/2的表面浸入水源。
[0015]本發明環保節能型水分輸運微灌系統，其中汲水帶固定裝置為將汲水帶固定於水源附近的卡套、扣、螺釘等，防止汲水帶鬆動、跌落於水源或被大風吹走。
[0016]本發明環保節能型水分輸運微灌系統，其中輸水纖維氈是由親水性聚合物製備的無紡纖維氈，輸水纖維氈製備方法可以是靜電紡絲法(熔體法或溶液法)、熔融紡絲法、閃蒸紡絲法、熔噴法中的一種或幾種，其特點在於所用纖維細度200nm-5 μ m，纖維氈厚度
0.5-10mm,纖維氈孔隙率65%_90%，親水材料可以是低粘度聚丙烯親水改性料或其他低粘度熱塑性聚合物或其混配改性材料，輸水纖維氈通過毛細力作用連續將汲水帶汲取的水均勻分布到所覆蓋的被治理土方附近，被治理土方的土壤或者沙子內的間隙也具有毛細力，土壤逐漸被潤溼，達到一定溼度形成毛細力的平衡便停止水分輸運。
[0017]本發明環保節能型水分輸運微灌系統，其中涵水纖維氈是由疏水性聚合物材料通過熔融紡絲法、熔體靜電紡絲法、熔噴法中的一種或幾種方法製備，其特點在於所用纖維細度50nm-5 μ m,纖維氈厚度0.纖維氈孔隙率65%_90%，疏水材料可以是低粘度聚丙烯、低粘度聚乙烯或其他非極性疏水聚合物。
[0018]本發明環保節能型水分輸運微灌系統，涵水纖維氈填埋在距離輸水纖維氈下方一定深度，一定深度是指根據被治理土方的深度確定，保證根系不破壞該層纖維氈，一般在輸水纖維氈下方100-300mm。涵水纖維氈起到防止水分向更深層土壤的滲透，保證有限水資源的充分利用。
[0019]本發明環保節能型水分輸運微灌系統，其中覆蓋層是覆蓋在輸水纖維氈上的100-200mm的土層或沙層，用於固定輸水纖維氈，避免輸水纖維氈水分蒸發，降低輸水纖維氈材料的降解速度。
[0020]本發明環保節能型水分輸運微灌系統，其中當系統用於超細沙塵土質被治理土方時，可以在覆蓋層上端加蓋一層固沙纖維氈，固沙纖維氈材料可以使用具有耐曬添加劑的低粘度聚合物，固沙纖維氈製備方法可以是熔噴、熔體靜電紡絲中的一種，固沙纖維氈平均細度在I μ m以內，纖維空隙小於350nm，孔隙率大於75%，可以對PM2.5粉塵達到95%以上的過濾效果，以此防止沙塵的遷移和大氣中氣凝膠的形成。
[0021]本發明環保節能型水分輸運微灌系統，其中被治理土方是指治理區表面的沙層、土層或沙土層。
[0022]本發明環保節能型水分輸運微灌系統，其中輸水纖維氈可以是多層輸水纖維氈和被治理土方的交替鋪設，以滿足更厚被治理土方的修復。
[0023]本發明環保節能型水分輸運微灌方法具體步驟如下:1)在治理區將土地表面200-500mm的被治理土方推開，覆蓋一層涵水纖維氈；2)在涵水纖維氈上覆蓋100-300mm的被治理土方；3)在被治理土方上再覆蓋一層輸水纖維氈；4)在輸水纖維氈上覆蓋100-200mm的被治理土方，並在其中播撒草種或樹種；5)將輸水纖維氈和汲水帶末端進行充分接觸；6)汲水帶表面或內部安裝汲水帶配重塊，滿足大於1/2的汲水帶表面積浸在水面下；7)將汲水帶置於水源，並用汲水帶固定裝置固定。
[0024]本發明環保節能型水分輸運微灌方法，其中5)提到的「充分接觸」是指汲水帶和輸水纖維氈通過粘接、熔接、編織、夾持等方式中一種，保證汲水帶的水能滲透到輸水纖維氈。
[0025]本發明環保節能型水分輸運微灌系統和方法，利用輸水纖維氈的毛細力，將就近水源或開發水源充分輸運並微灌到涵水纖維氈上下端的被治理土方，達到對治理地帶無能耗輸水、涵養水分、防風固沙的綜合效果。如果將該技術在全國沙漠地區、乾旱半乾旱地區、黃河源頭荒漠區進行推廣應用，將有效抑制風沙源頭和改善土地表層環境，達到地球「皮膚」和「血管」的再造目的。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1是本發明用於農田灌溉的環保節能型水分輸運微灌系統示意圖。
[0027]圖2是本發明用於黃河源頭荒漠化土地治理的環保節能型水分輸運微灌系統示意圖。
[0028]圖3是本發明用於沙漠治理的環保節能型水分輸運微灌系統示意圖。
[0029]圖中:1-水源，2-汲水帶，3-汲水帶配重塊，4-汲水帶固定裝置，5-輸水纖維氈，6-覆蓋層，7-被治理土方，8-涵水纖維氈，9-沙子，10-植被，11-固沙纖維氈
【具體實施方式】
[0030]如圖1所示，環保節能型水分輸運微灌系統主要由水源1、汲水帶2，汲水帶配重塊
3、汲水帶固定裝置4、輸水纖維氈5、覆蓋層6、土方7、涵水纖維氈8組成，其中汲水帶2表面或內部附著汲水帶配重塊3，汲水帶2 —端浸於水源I水平面以下，汲水帶2利用汲水帶固定裝置4固定於水源I附近，輸水纖維氈5整體覆蓋於待治理土方，在輸水纖維氈5上安置覆蓋層，在輸水纖維氈5下一定深度填埋涵水纖維氈8，輸水纖維氈和涵水纖維氈之間為一定厚度的被治理土方7。
[0031]如圖1所示，本發明環保節能型水分輸運微灌方法具體步驟如下:1)在治理區將土地表面200-500mm的被治理土方7推開，覆蓋一層涵水纖維氈8 ；2)在涵水纖維氈8上覆蓋100-300mm的被治理土方7 ；3)在被治理土方7上覆蓋一層輸水纖維氈5 ；4)在輸水纖維氈5上覆蓋100-200mm的被治理土方7作為覆蓋層6 ；5)將輸水纖維氈5和汲水帶2末端進行充分接觸；7)汲水帶2表面或內部安裝汲水帶配重塊4，滿足大於1/2的汲水帶表面積浸在水面下；8)將汲水帶2置於水源1，並用汲水帶固定裝置4固定。
[0032]實施例1:以缺水地區農田灌溉為例，以農村水渠水或地下水為水源1，汲水帶2帶厚20mm，纖維平均直徑10 μ m，將汲水帶2固定於水渠兩側或地下水井附近，汲水帶2大於一半的表面積浸入到水源中，利用熔體靜電紡絲方法製備親水添加劑混配的低粘度聚丙烯(PP)製備輸水纖維氈5，纖維氈厚度2mm，纖維平均細度3 μ m，將輸水纖維氈5覆蓋在已經施肥的土地上，再在輸水纖維氈5上添加20cm覆蓋層6 土壤，植被10主要生長於覆蓋層6，涵水纖維層8的鋪設根據土地乾旱情況進行安置，如果土質乾旱，土層500_以下吸水性較強，可鋪設涵水纖維層8，如果土層500_以下土壤溼度較大，不再鋪設涵水纖維層。
[0033]實施例2:以黃河源頭荒漠化土地為例，由於接近黃河水源,將黃河水及其支流作為水源1，在河水沿岸利用水泥漿作為汲水帶固定裝置4固定汲水帶，汲水帶厚50_，汲水帶2 —端綁上50mm厚度的聚苯乙烯(PS)作為汲水帶配重塊3，保持一半以上的汲水帶2緊貼於河的一側浸於河水中；利用推土機去掉荒漠土地表面400_ 土方，並用鋪膜機進行涵水纖維氈8鋪膜，然後利用推土機在其上覆蓋300mm被治理土方7並平整，接著鋪膜機進行輸水纖維氈5鋪膜，最後在其上添加10mm的覆蓋層6，覆蓋層底部播撒草籽用於綠色植被10培養；其中纖維氈都是利用熔體靜電紡絲技術製備的超細纖維氈，纖維平均細度2 μ m,氈厚3mm，孔隙率80% ;利用吸水性膠粘劑連接汲水帶2和輸水纖維氈5。
[0034]實施例3:以阿拉善沙漠地區治理為例，由於人口增長、過渡放牧、過渡開墾、土地漫灌等因素，該地區大面積土地荒漠化，主要實施方式為利用深井鑽在荒漠化地區進行鑽井，以地下水為水源1，將平均纖維直徑10 μ m UOOmm厚度的汲水帶2裝進高強度聚氯乙烯(PVC)管，高強度PVC管作為汲水帶配重塊3的作用，將其深入到地下水井中，利用支架作為汲水帶固定裝置4將汲水帶2固定於深井，汲水帶2連接覆蓋了沙化區域的三層輸水纖維氈5，各層輸水纖維氈5之間填埋被治理土方7即沙層，該輸水纖維氈5平均纖維直徑5 μ m,纖維氈厚度5mm，孔隙率約75%，在最上層覆蓋層上層上鋪設固沙纖維氈，固沙纖維氈利用熔體靜電紡絲低粘度聚丙烯製備，厚度2mm，平均細度在I μ m，纖維空隙小於350nm，孔隙率80%，可以對PM2.5粉塵達到95%以上的過濾效果，纖維直徑防止超細沙塵在大風天氣下的搬運，輸水纖維氈5下方10mm被治理土方下鋪設涵水纖維氈7，涵水纖維氈7平均纖維直徑2 μ m，氈厚3mm，孔隙率約80%，該方法有效防止水分蒸發或滲流，達到水資源的高效利用，節省提灌電費，在3-5年內纖維氈材料不降解，荒漠化土地逐漸恢復植被。
【權利要求】
1.環保節能型水分輸運微灌系統，其特徵在於:主要由水源、汲水帶、汲水帶配重塊、汲水帶固定裝置、輸水纖維氈、覆蓋層、被治理土方、涵水纖維氈組成，其中汲水帶表面或內部附著配重塊，汲水帶一端浸於水源水平面以下，汲水帶利用汲水帶固定裝置固定於水源附近，輸水纖維氈整體覆蓋於待治理土地，在其上安置覆蓋層，在輸水纖維氈下一定深度填埋涵水纖維氈，輸水纖維氈和涵水纖維氈之間為一定厚度的被治理土方。
2.根據權利要求1所述的環保節能型水分輸運微灌系統，其特徵在於:水源是被治理土層附近易被微灌系統利用的水資源，在沙漠治理中可以利用深井鑽開發的水源或通過雨水收集和空氣水收集的水，在黃河源沙化治理中可以是黃河及其支流水域的水資源，在半乾旱、乾旱土地資源利用中可以是井水或通過雨水收集和空氣水收集的水。
3.根據權利要求1所述的環保節能型水分輸運微灌系統，其特徵在於:汲水帶是利用吸水材料超細纖維製備的帶子或繩子，可以利用塑料管材將其包覆，汲水帶超細纖維製備方法可以是熔融紡絲法、閃蒸紡絲法、熔噴法、靜電紡絲法中的一種或幾種。
4.根據權利要求1所述的環保節能型水分輸運微灌系統，其特徵在於:汲水帶材料可以是尼龍(PA)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、乙烯-乙烯醇共聚物(EVAL)、熱塑性聚合物/纖維素共混料或其他熱塑性材料和無機填料共混體系。
5.根據權利要求1所述的環保節能型水分輸運微灌系統，其特徵在於:配重塊是接近水密度的片狀固體，附著在汲水帶上或安裝在汲水帶內部。
6.根據權利要求1所述的環保節能型水分輸運微灌系統，其特徵在於:汲水帶固定裝置為將汲水帶固定於水源附近的卡套、扣、螺釘等。
7.根據權利要求1所述的環保節能型水分輸運微灌系統，其特徵在於:輸水纖維氈是由親水性聚合物製備的無紡纖維氈，輸水纖維氈製備方法可以是靜電紡絲法、熔融紡絲法、閃蒸紡絲法、熔噴法中的一種或幾種，所用親水材料可以是低粘度聚丙烯親水改性料或其他低粘度熱塑性聚合物或其混配改性材料。
8.根據權利要求1所述的環保節能型水分輸運微灌系統，其特徵在於:涵水纖維氈是由疏水性聚合物材料通過熔融紡絲法、熔體靜電紡絲法、熔噴法中的一種或幾種方法製備，疏水材料可以是低粘度聚丙烯、低粘度聚乙烯或其他非極性疏水聚合物。
9.採用權利要求1所述的環保節能型水分輸運微灌系統進行微灌的方法，其特徵在於，具體步驟如下:第一步，在治理區將土地表面200-500mm的被治理土方推開，覆蓋一層涵水纖維氈；第二步，在涵水纖維氈上覆蓋100-300mm的被治理土方，並在其中播撒草種或數種；第三步，在被治理土方上再覆蓋一層輸水纖維氈；第四步，在輸水纖維氈上覆蓋100-200mm的被治理土方作為覆蓋層；第五步，將輸水纖維氈和汲水帶末端進行充分接觸；第六步，汲水帶表面或內部安裝配重塊，滿足大於1/2的汲水帶表面積浸在水面下；第七步，將汲水帶置於水源，並用汲水帶固定裝置固定。
10.根據權利要求9所述的環保節能型水分輸運微灌方法，其特徵在於:輸水纖維氈和汲水帶末端進行充分接觸的方法是汲水帶和輸水纖維氈通過粘接、熔接、編織或夾持等方式中一種。
【文檔編號】A01G25/00GK104126484SQ201310161185
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2013年5月3日 優先權日:2013年5月3日
【發明者】楊衛民, 李好義, 馬帥, 焦志偉, 閻華 , 安瑛, 丁玉梅 申請人:北京化工大學