环保节能型水分输运微灌系统及方法
【专利摘要】本发明提出环保节能型水分输运微灌系统及方法，该系统主要由水源、汲水带、汲水带配重块、汲水带固定装置、输水纤维毡、覆盖层、被治理土方、涵水纤维毡组成，其中汲水带表面或内部附着配重块，汲水带一端浸于水源水平面以下，汲水带利用汲水带固定装置固定于水源附近，输水纤维毡整体覆盖于待治理土地，在其上安置覆盖层，在输水纤维毡下一定深度填埋涵水纤维毡。本发明利用输水纤维毡的毛细力，将就近水源或开发水源充分输运并微灌到涵水纤维毡上下端的被治理土方，达到对治理地带无能耗输水、涵养水分、防风固沙的综合效果。如果将该技术在全国沙漠地区、干旱半干旱地区、黄河源头荒漠区进行推广应用，将有效抑制风沙源头和改善土地表层环境。
【专利说明】环保节能型水分输运微灌系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种微灌系统及方法，特别是涉及一种环保节能型水分输运微灌系统及方法。
【背景技术】
[0002]1972年联合国环境大会把荒漠化定义为“由于气候变异和人为活动等因素造成的干旱、半干旱和亚湿润干旱地区的土地退化”。土地荒漠化是当今世界公认的重大环境问题，被列为全球生态环境十大问题之一。1991年联合国环境规划署对全球荒漠化状况的评估是:全球荒漠化面积已近36亿公顷，约占全球陆地面积的1/4，已影响到全世界1/6的人口(约9亿人)，100多个国家和地区。而且，荒漠化扩展的速度快，全球每年有600万公顷的土地变为荒漠，其中320万公顷是牧场，250万公顷是旱地，12.5万公顷是水浇地，另外还有2100万公顷土地因退化而不能生长谷物。亚洲是世界上受荒漠化影响的人口分布最集中的地区，遭受荒漠化影响最严重的国家依次是中国、阿富汗、蒙古、巴基斯坦和印度。据估计，今后50年内将有1.5亿人被迫迁居，全世界因荒漠化遭受的经济损失每年约260亿美元。
[0003]荒漠化土地不但造成严重的土地资源流失，而且也成为沙尘暴天气的重要来源，沙尘暴和生活生产的废气排放造成的高PM2.5值直接危害人类的健康，荒漠化治理已经提上各国环境治理的重要日程。
[0004]具体而言，土地荒漠化是由于干旱气候和人为原因导致的土地原有的输水、涵水、养分涵养的表皮系统的破坏。土地一般通过其表皮植被根系的莖内维管束吸收和输运水分，其本质即为毛细管原理，同时植物根系通过纤维和土壤内外渗透压差来调节土壤湿度，如果将地球比作“人体”的话，那么土地资源可以看作“人体皮肤”，植物根系就可以看作人体的“毛细血管，”因此可以说“毛细血管”输送及渗透作用保持了 “地球皮肤”的水分和养分，而土地荒漠化则使得植物根系破坏，毛细管作用减弱或消失，水土无法保持，“地球皮肤”其“毛细血管”的“造血输血”功能荡然无存，再加上原有的干旱气候，使得“地球皮肤”环境走向恶性循环，因此“地球皮肤”生态再造刻不容缓。
[0005]荒漠化及沙漠化地区生态恢复最大的难题是缺水，目前节水技术主要有集水技术、保水剂蓄水技术、固体水种植技术、渗滴管技术等。集水技术在水资源短缺地区没有意义；固体水种植技术对水质较敏感，二次吸水特性也受到降水量和土壤Na、Mg离子副作用限制；保水剂仅适合于苗木发芽期，生长需要浇灌大量水；滴、渗、喷灌技术比浇水灌溉节水，但存在保水性差、铺设成本高、水分利用不充分等缺点。近些年来，“液态地膜”这种方法被广泛应用于干旱，半干旱地区，用于固结沙尘，防治风沙，其本质上是将可降解液体洒到土壤中，形成保护薄膜，降解后滋润和改善土壤；还有一种类似于“尿不湿”的方法，将吸水高分子材料混合在表层土壤中，作为土壤保湿剂；还有“人工植被”的方法，将植物根、茎、叶和人畜粪便和生活垃圾为原料，通过特殊工艺，形成“被”状物覆盖在沙漠表面，使植物和农作物在上面生长。可见“膜”、“被”方法具有很强的实用性。
[0006]中国矿业大学张增志在“调解土壤湿度的导水涂层纤维发展现状”(新材料产业，2008年第六期，48-53页)一文中提出对植物纤维进行导水涂层涂覆，以实现对植物根系的可调控补水，但其缺点在以下缺点:一次储水能力有限，对于长期缺水现状无法改善；使用的纤维材料为植物纤维，粗纤维自身的毛细作用较差；易降解腐烂，无法满足需长期使用长期供水的环境。
[0007]因此还没有一种方法能够完全满足防风固沙的要求:1)固结或者屏蔽沙尘；2)防止水分蒸发；3)滋润改善土壤；4)实现植被再造；5)节能环保、成本低廉。
[0008]本发明提出利用熔体静电纺丝工艺制备的亲水材料微纳米纤维毡，利用其纳米级的纤维空隙及材料亲水性，提供强大的毛细力进行水分的输运，纤维毡也将起到屏蔽大风对沙地的侵蚀和微尘搬运，同时疏水纤维毡将对土地吸收的水分的起到保持作用，防止水分向土地深层渗漏，如果在该微灌系统应用的土地进行植被播种，最终可实现“地球皮肤”及其“毛细血管”的再造。
【发明内容】
[0009]本发明目的在于提供一种环保节能型水分输运微灌系统及方法，该系统及方法充分利用静电纺丝等方法制备的亲水超细纤维毡的自身毛细管力进行水分输运，达到有限水资源低能耗、高效率利用，同时多层输水纤维毡和涵水纤维毡配合使用，达到固沙、涵水、防止水分蒸发等作用，该系统及方法适用于沙漠治理、黄河源荒漠化治理、半干旱及干旱土地资源利用等方面。
[0010]本发明环保节能型水分输运微灌系统主要由水源、汲水带、汲水带配重块、汲水带固定装置、输水纤维毡、覆盖层、被治理土方、涵水纤维毡组成，其中汲水带表面或内部附着汲水带配重块，汲水带一端浸于水源水平面以下，汲水带利用汲水带固定装置固定于水源附近，输水纤维毡整体覆盖于被治理土地，在其上安置覆盖层，在输水纤维毡下一定深度填埋涵水纤维毡，输水纤维毡和涵水纤维毡之间为一定厚度的被治理土方。
[0011]本发明环保节能型水分输运微灌系统，其中水源是被治理土层附近易被微灌系统利用的水资源，在沙漠治理中可以利用深井钻开发的水源或通过雨水收集和空气水收集的水，在黄河源沙化治理中可以是黄河及其支流水域的水资源，在半干旱、干旱土地资源利用中可以是井水或通过雨水收集和空气水收集的水。
[0012]本发明环保节能型水分输运微灌系统，其中汲水带是利用吸水材料超细纤维制备的带子或绳子，可以利用塑料管材将其包覆以提高汲水带强度，汲水带利用毛细管自吸原理，将水源地的水充满汲水带并运输到与之相连接的输水纤维毡，吸水材料超细纤维制备方法可以是熔融纺丝法、闪蒸纺丝法、熔喷法、静电纺丝法(溶液法或熔体法)中的一种或几种，汲水带纤维平均细度小于10 μ m,带厚5-100mm。
[0013]本发明环保节能型水分输运微灌系统，其中汲水带材料可以是尼龙(PA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、乙烯-乙烯醇共聚物(EVAL)、热塑性聚合物/纤维素共混料或其他热塑性材料和无机填料共混体系。
[0014]本发明环保节能型水分输运微灌系统，其中汲水带配重块是接近水密度的片状固体，附着在汲水带上或安装在汲水带内部，用于保持汲水带超过1/2的表面浸入水源。
[0015]本发明环保节能型水分输运微灌系统，其中汲水带固定装置为将汲水带固定于水源附近的卡套、扣、螺钉等，防止汲水带松动、跌落于水源或被大风吹走。
[0016]本发明环保节能型水分输运微灌系统，其中输水纤维毡是由亲水性聚合物制备的无纺纤维毡，输水纤维毡制备方法可以是静电纺丝法(熔体法或溶液法)、熔融纺丝法、闪蒸纺丝法、熔喷法中的一种或几种，其特点在于所用纤维细度200nm-5 μ m，纤维毡厚度
0.5-10mm,纤维毡孔隙率65%_90%，亲水材料可以是低粘度聚丙烯亲水改性料或其他低粘度热塑性聚合物或其混配改性材料，输水纤维毡通过毛细力作用连续将汲水带汲取的水均匀分布到所覆盖的被治理土方附近，被治理土方的土壤或者沙子内的间隙也具有毛细力，土壤逐渐被润湿，达到一定湿度形成毛细力的平衡便停止水分输运。
[0017]本发明环保节能型水分输运微灌系统，其中涵水纤维毡是由疏水性聚合物材料通过熔融纺丝法、熔体静电纺丝法、熔喷法中的一种或几种方法制备，其特点在于所用纤维细度50nm-5 μ m,纤维毡厚度0.纤维毡孔隙率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极性疏水聚合物。
[0018]本发明环保节能型水分输运微灌系统，涵水纤维毡填埋在距离输水纤维毡下方一定深度，一定深度是指根据被治理土方的深度确定，保证根系不破坏该层纤维毡，一般在输水纤维毡下方100-300mm。涵水纤维毡起到防止水分向更深层土壤的渗透，保证有限水资源的充分利用。
[0019]本发明环保节能型水分输运微灌系统，其中覆盖层是覆盖在输水纤维毡上的100-200mm的土层或沙层，用于固定输水纤维毡，避免输水纤维毡水分蒸发，降低输水纤维毡材料的降解速度。
[0020]本发明环保节能型水分输运微灌系统，其中当系统用于超细沙尘土质被治理土方时，可以在覆盖层上端加盖一层固沙纤维毡，固沙纤维毡材料可以使用具有耐晒添加剂的低粘度聚合物，固沙纤维毡制备方法可以是熔喷、熔体静电纺丝中的一种，固沙纤维毡平均细度在I μ m以内，纤维空隙小于350nm，孔隙率大于75%，可以对PM2.5粉尘达到95%以上的过滤效果，以此防止沙尘的迁移和大气中气凝胶的形成。
[0021]本发明环保节能型水分输运微灌系统，其中被治理土方是指治理区表面的沙层、土层或沙土层。
[0022]本发明环保节能型水分输运微灌系统，其中输水纤维毡可以是多层输水纤维毡和被治理土方的交替铺设，以满足更厚被治理土方的修复。
[0023]本发明环保节能型水分输运微灌方法具体步骤如下:1)在治理区将土地表面200-500mm的被治理土方推开，覆盖一层涵水纤维毡；2)在涵水纤维毡上覆盖100-300mm的被治理土方；3)在被治理土方上再覆盖一层输水纤维毡；4)在输水纤维毡上覆盖100-200mm的被治理土方，并在其中播撒草种或树种；5)将输水纤维毡和汲水带末端进行充分接触；6)汲水带表面或内部安装汲水带配重块，满足大于1/2的汲水带表面积浸在水面下；7)将汲水带置于水源，并用汲水带固定装置固定。
[0024]本发明环保节能型水分输运微灌方法，其中5)提到的“充分接触”是指汲水带和输水纤维毡通过粘接、熔接、编织、夹持等方式中一种，保证汲水带的水能渗透到输水纤维毡。
[0025]本发明环保节能型水分输运微灌系统和方法，利用输水纤维毡的毛细力，将就近水源或开发水源充分输运并微灌到涵水纤维毡上下端的被治理土方，达到对治理地带无能耗输水、涵养水分、防风固沙的综合效果。如果将该技术在全国沙漠地区、干旱半干旱地区、黄河源头荒漠区进行推广应用，将有效抑制风沙源头和改善土地表层环境，达到地球“皮肤”和“血管”的再造目的。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1是本发明用于农田灌溉的环保节能型水分输运微灌系统示意图。
[0027]图2是本发明用于黄河源头荒漠化土地治理的环保节能型水分输运微灌系统示意图。
[0028]图3是本发明用于沙漠治理的环保节能型水分输运微灌系统示意图。
[0029]图中:1-水源，2-汲水带，3-汲水带配重块，4-汲水带固定装置，5-输水纤维毡，6-覆盖层，7-被治理土方，8-涵水纤维毡，9-沙子，10-植被，11-固沙纤维毡
【具体实施方式】
[0030]如图1所示，环保节能型水分输运微灌系统主要由水源1、汲水带2，汲水带配重块
3、汲水带固定装置4、输水纤维毡5、覆盖层6、土方7、涵水纤维毡8组成，其中汲水带2表面或内部附着汲水带配重块3，汲水带2 —端浸于水源I水平面以下，汲水带2利用汲水带固定装置4固定于水源I附近，输水纤维毡5整体覆盖于待治理土方，在输水纤维毡5上安置覆盖层，在输水纤维毡5下一定深度填埋涵水纤维毡8，输水纤维毡和涵水纤维毡之间为一定厚度的被治理土方7。
[0031]如图1所示，本发明环保节能型水分输运微灌方法具体步骤如下:1)在治理区将土地表面200-500mm的被治理土方7推开，覆盖一层涵水纤维毡8 ；2)在涵水纤维毡8上覆盖100-300mm的被治理土方7 ；3)在被治理土方7上覆盖一层输水纤维毡5 ；4)在输水纤维毡5上覆盖100-200mm的被治理土方7作为覆盖层6 ；5)将输水纤维毡5和汲水带2末端进行充分接触；7)汲水带2表面或内部安装汲水带配重块4，满足大于1/2的汲水带表面积浸在水面下；8)将汲水带2置于水源1，并用汲水带固定装置4固定。
[0032]实施例1:以缺水地区农田灌溉为例，以农村水渠水或地下水为水源1，汲水带2带厚20mm，纤维平均直径10 μ m，将汲水带2固定于水渠两侧或地下水井附近，汲水带2大于一半的表面积浸入到水源中，利用熔体静电纺丝方法制备亲水添加剂混配的低粘度聚丙烯(PP)制备输水纤维毡5，纤维毡厚度2mm，纤维平均细度3 μ m，将输水纤维毡5覆盖在已经施肥的土地上，再在输水纤维毡5上添加20cm覆盖层6 土壤，植被10主要生长于覆盖层6，涵水纤维层8的铺设根据土地干旱情况进行安置，如果土质干旱，土层500_以下吸水性较强，可铺设涵水纤维层8，如果土层500_以下土壤湿度较大，不再铺设涵水纤维层。
[0033]实施例2:以黄河源头荒漠化土地为例，由于接近黄河水源,将黄河水及其支流作为水源1，在河水沿岸利用水泥浆作为汲水带固定装置4固定汲水带，汲水带厚50_，汲水带2 —端绑上50mm厚度的聚苯乙烯(PS)作为汲水带配重块3，保持一半以上的汲水带2紧贴于河的一侧浸于河水中；利用推土机去掉荒漠土地表面400_ 土方，并用铺膜机进行涵水纤维毡8铺膜，然后利用推土机在其上覆盖300mm被治理土方7并平整，接着铺膜机进行输水纤维毡5铺膜，最后在其上添加10mm的覆盖层6，覆盖层底部播撒草籽用于绿色植被10培养；其中纤维毡都是利用熔体静电纺丝技术制备的超细纤维毡，纤维平均细度2 μ m,毡厚3mm，孔隙率80% ;利用吸水性胶粘剂连接汲水带2和输水纤维毡5。
[0034]实施例3:以阿拉善沙漠地区治理为例，由于人口增长、过渡放牧、过渡开垦、土地漫灌等因素，该地区大面积土地荒漠化，主要实施方式为利用深井钻在荒漠化地区进行钻井，以地下水为水源1，将平均纤维直径10 μ m UOOmm厚度的汲水带2装进高强度聚氯乙烯(PVC)管，高强度PVC管作为汲水带配重块3的作用，将其深入到地下水井中，利用支架作为汲水带固定装置4将汲水带2固定于深井，汲水带2连接覆盖了沙化区域的三层输水纤维毡5，各层输水纤维毡5之间填埋被治理土方7即沙层，该输水纤维毡5平均纤维直径5 μ m,纤维毡厚度5mm，孔隙率约75%，在最上层覆盖层上层上铺设固沙纤维毡，固沙纤维毡利用熔体静电纺丝低粘度聚丙烯制备，厚度2mm，平均细度在I μ m，纤维空隙小于350nm，孔隙率80%，可以对PM2.5粉尘达到95%以上的过滤效果，纤维直径防止超细沙尘在大风天气下的搬运，输水纤维毡5下方10mm被治理土方下铺设涵水纤维毡7，涵水纤维毡7平均纤维直径2 μ m，毡厚3mm，孔隙率约80%，该方法有效防止水分蒸发或渗流，达到水资源的高效利用，节省提灌电费，在3-5年内纤维毡材料不降解，荒漠化土地逐渐恢复植被。
【权利要求】
1.环保节能型水分输运微灌系统，其特征在于:主要由水源、汲水带、汲水带配重块、汲水带固定装置、输水纤维毡、覆盖层、被治理土方、涵水纤维毡组成，其中汲水带表面或内部附着配重块，汲水带一端浸于水源水平面以下，汲水带利用汲水带固定装置固定于水源附近，输水纤维毡整体覆盖于待治理土地，在其上安置覆盖层，在输水纤维毡下一定深度填埋涵水纤维毡，输水纤维毡和涵水纤维毡之间为一定厚度的被治理土方。
2.根据权利要求1所述的环保节能型水分输运微灌系统，其特征在于:水源是被治理土层附近易被微灌系统利用的水资源，在沙漠治理中可以利用深井钻开发的水源或通过雨水收集和空气水收集的水，在黄河源沙化治理中可以是黄河及其支流水域的水资源，在半干旱、干旱土地资源利用中可以是井水或通过雨水收集和空气水收集的水。
3.根据权利要求1所述的环保节能型水分输运微灌系统，其特征在于:汲水带是利用吸水材料超细纤维制备的带子或绳子，可以利用塑料管材将其包覆，汲水带超细纤维制备方法可以是熔融纺丝法、闪蒸纺丝法、熔喷法、静电纺丝法中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的环保节能型水分输运微灌系统，其特征在于:汲水带材料可以是尼龙(PA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、乙烯-乙烯醇共聚物(EVAL)、热塑性聚合物/纤维素共混料或其他热塑性材料和无机填料共混体系。
5.根据权利要求1所述的环保节能型水分输运微灌系统，其特征在于:配重块是接近水密度的片状固体，附着在汲水带上或安装在汲水带内部。
6.根据权利要求1所述的环保节能型水分输运微灌系统，其特征在于:汲水带固定装置为将汲水带固定于水源附近的卡套、扣、螺钉等。
7.根据权利要求1所述的环保节能型水分输运微灌系统，其特征在于:输水纤维毡是由亲水性聚合物制备的无纺纤维毡，输水纤维毡制备方法可以是静电纺丝法、熔融纺丝法、闪蒸纺丝法、熔喷法中的一种或几种，所用亲水材料可以是低粘度聚丙烯亲水改性料或其他低粘度热塑性聚合物或其混配改性材料。
8.根据权利要求1所述的环保节能型水分输运微灌系统，其特征在于:涵水纤维毡是由疏水性聚合物材料通过熔融纺丝法、熔体静电纺丝法、熔喷法中的一种或几种方法制备，疏水材料可以是低粘度聚丙烯、低粘度聚乙烯或其他非极性疏水聚合物。
9.采用权利要求1所述的环保节能型水分输运微灌系统进行微灌的方法，其特征在于，具体步骤如下:第一步，在治理区将土地表面200-500mm的被治理土方推开，覆盖一层涵水纤维毡；第二步，在涵水纤维毡上覆盖100-300mm的被治理土方，并在其中播撒草种或数种；第三步，在被治理土方上再覆盖一层输水纤维毡；第四步，在输水纤维毡上覆盖100-200mm的被治理土方作为覆盖层；第五步，将输水纤维毡和汲水带末端进行充分接触；第六步，汲水带表面或内部安装配重块，满足大于1/2的汲水带表面积浸在水面下；第七步，将汲水带置于水源，并用汲水带固定装置固定。
10.根据权利要求9所述的环保节能型水分输运微灌方法，其特征在于:输水纤维毡和汲水带末端进行充分接触的方法是汲水带和输水纤维毡通过粘接、熔接、编织或夹持等方式中一种。
【文档编号】A01G25/00GK104126484SQ201310161185
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2013年5月3日 优先权日:2013年5月3日
【发明者】杨卫民, 李好义, 马帅, 焦志伟, 阎华 , 安瑛, 丁玉梅 申请人:北京化工大学