[发明专利]自击式气-水混合装置、利用该装置的灌溉系统以及利用该灌溉系统的灌溉方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种对空气和水进行高效混合的自击式气-水混合装置，该装置主要应用于农田灌溉过程中为作物根区补充氧气，属于农业机械领域。此外，本发明还涉及利用该装置的灌溉系统以及利用该灌溉系统的灌溉方法。 

背景技术

土壤水分和土壤空气是植物生长不可或缺的两个最主要因素。其中，土壤水分能直接被植物根系所吸收。同时，土壤水分的存在还有利于各种营养物质的溶解和运动，有利于磷酸盐的水解和有机态磷的矿化，改善植物的营养状况。而土壤空气(尤其是其中的氧气)，主要服务于根系的呼吸作用。作物根系的呼吸作用需要消耗大量的O₂(氧气)，研究表明平均每克干物质的形成在作物生长季内平均每小时需要消耗约5毫升的O₂。且根系对O₂的亏缺十分敏感，根区土壤中O₂不足会显著降低其对水、肥(尤其是K和P)的吸收利用。当土壤空气中的含氧量低于10％时，植物根系的呼吸作用受到明显的抑制，从而影响植物的生理功能。 

土壤中的空气或氧气缺乏的问题主要出现在黏土地中。主要是由于黏土的有效通气孔隙较少，土壤与大气间的气体交换能力差，导致土壤中的O₂被消耗后不能及时地通过气体交换从大气中得到补充。为增加土壤中的氧气，目前较为常用的方法是通过诸如旋耕机等机械或人工来深翻土壤，破坏掉土壤表层结皮，以利于空气向土壤中渗透。但这种方法较为费时费力，特别是对于密植作物就更为困难，因为松土的机械有可能损伤到作物的根系，使作物的生长受到影响。 

为及时有效地补充土壤中的氧气，本发明从一个全新的角度考虑问 题，将土壤中氧气的补充与灌溉过程相结合，提出了一种新方法，并设计了一种装置(如图1所示)，采用该装置可将灌溉水分和空气高效混合，然后将这种“气-水”混合物通过埋于地下的多孔管道直接输送到作物根区土壤，在进行灌溉的同时为作物根区补充氧气，从而改善作物的生长环境。 

发明内容

本发明所涉及的气-水混合装置称为自击式气-水混合装置，其由多个管道部分组成，多个管道部分包括水流进入管道、与水流进入管道成一定角度连接的至少两个分流管道以及与分流管道的端部连接的水流出口管道，至少两个分流管道在与水流出口管道的连接处交汇地连接在一起，分流管道具有锥形管道部，在锥形管道部上设置有进气口。本发明的锥形管道部分可形成负压，从而通过进气口将空气吸入管道内与从管道中流过的水流进行混合，从而实现在灌溉的同时为作物根系补充氧气。另外，本发明的至少两个分流管道可以使管道中流动的水流在汇合到出口管道时形成水流之间对撞和冲击作用，在对撞过程中形成强烈的水流紊动过程，以使空气与水流更加均匀地混合，使得灌溉水更有利于作物的生长。 

根据本发明的另一方面，自击式气-水混合装置的分流管道包括弯管，弯管上设置有锥形管道部，锥形管道部包括缩颈部、喉部和扩径部，缩颈部是沿水流方向内径逐渐缩小的锥形管，在缩颈部之后设置有扩颈部，扩颈部是沿水流方向内径逐渐增大的锥形管，喉部设置在缩径部与扩颈部之间，进气口设置在喉部上。这种缩颈部和扩颈部的设置利用文丘里效应，使得在管道内部产生负压，从而将外界的空气吸入管道内。 

在根据本发明的再一方面中，自击式气-水混合装置的至少两个分流管道相对于水流进入管道和水流出口管道的轴线成对称结构。这种对称结构的设计能够使水流形成相向的对撞，从而使水流和空气的混合的效果更加良好，更加均匀。 

根据本发明的进一步的方面，在自击式气-水混合装置的扩颈部中设置有导叶结构，导叶结构包括至少一个导叶，导叶中的每一个均与扩颈部的管道内壁垂直。导叶结构的设置对水流形成阻碍和导流作用，使 得刚刚从进气口吸入的空气与水流更好地混合。 

在根据本发明的又一方面中，自击式气-水混合装置的水流出口管道包括水流输出整流管道，在水流输出整流管道的内部设置有筛网结构。筛网结构使得刚刚经过对撞而汇流的水流通过筛网结构而被整流和导向，从而使水流和空气混合更加均匀。 

根据本发明的另一个实施例，还提供一种安装有如上所述的自击式气-水混合装置的灌溉系统，该灌溉系统还包括水泵、与自击式气-水混合装置串联连接的灌溉管路、与自击式气-水混合装置并联连接的灌溉管路、设置在灌溉管路上的阀门以及灌水装置。本发明涉及的气-水混合装置通过支管的形式并联在主管道上，用户通过打开或关闭不同的阀门来方便地选择进行纯水灌水过程或气-水混合灌溉过程，或实现两者之间的切换。