技术摘要：
本发明涉及一种土壤湿度自动控制系统的工艺技术及装置。本发明可用於农业区或植物暖房的地下灌溉系统，根据植物生长的最佳土壤含水量需求，提供自动及实时双向的供水或排水。鉴於太空无重力情况下土生植物的灌溉困难，本工艺技术也可根据植物生长时根部所需的最佳湿度  全部
背景技术：
全球淡水资源中约有70％做为农业用水已被广为报导。淡水资源中仅约20％做为 工业给水及约10％用于都市给水。淡水的抽取量及应用量并非相同，做为农业用水，其抽取 量约占全世界水资源的93％，而仅约水资源中的4％及3％为工业及都市实际抽取量的百分 比。所以农业用水的小省可有效的解决水资源短缺问题。农业的地下灌溉便是为节水而开 发应用。地下灌溉系统在近二、三十年来有许多改良及专利技术的开发。其使用的主要原因 及目的是节水。这些问题国内外已有不少的新型专利在不断克服。 然而地下灌溉有关水渗漏损失的问题迄今仍然未真正解决。这几十年来有关土生 植物成长的研发证明各类不同土壤的含水量与生长速度及开花结果息息相关。每种土生植 物的最佳成长状况皆有其最佳的土壤湿度范囲。而植物在各不同成长期及外界的环境因子 变化时，其最佳的土壤湿度亦隨之变化。在现有的国内外专利技术文献及学术报告中尚无 法找到真正能依植物的最佳成长需求而实时并自动控制土壤湿度的方法。 土生植物的灌溉可分地面或地下灌溉。现行的地面灌溉一般含(1)喷灌法(Spray  or  Sprinkler  Irrigation)，(2)漫灌法(Flood  Irrigation)，及(3)地面滴灌法(Drip  Irrigation)。而现行的地下灌溉法则为(1)地下渗灌法(subsurface  percolation  irrigation)，(2)地下滴灌法(subsurface  drip  irrigation)，及(3)毛细灌溉法 (subsurface  capillary  irrigation)，等等。用地下灌溉代替地面灌溉的主要目的是减少 蒸发和地表径流造成的水分流失。然而，伴随的问题是成本高昂的地下灌溉系统的安装，堵 塞管道埋入地下时维修的难度和修理，通过重力难以有效地分布水分和土壤养分，并难以 有效控制水灌溉率与植物的实时利用率。为了实现“灌溉的零浪费”，则控制灌溉率等於实 时用水量率就必须解决。但迄今尚未有这方面技术的发明被提出。 另一个困难的问题是在干旱或半干旱农业地区如何通过地下灌溉设备收集多余 的雨水及灌溉水。如果地下灌溉系统也可用于收集超出了植物的额外水分的需求，“灌溉的 零浪费”的完美理想才能真正实现。这意味着，如果地下灌溉系统既可以用于供水，又可以 根据植物的实时用水需求从土壤中收集水，这才是对水流失的真正预防。这便需要在农业 区有自动化且实时的“土壤双向流地下灌溉系统”。只有当灌溉系统能够响应植物的实时水 6 CN 111587716 A 说　明　书 2/14 页 分消耗需求时才能真正实现“灌溉的零浪费”。本专利稍后会进一步提供设备及方法及开发 数学模型以验证这些情况。 美国专利US3,819,118公开了一个毛细管滴漏设计的地下灌溉系统。如该发明所 描述的，为了维持每小时1/4至1加仑的灌溉供水量，6至22psi之间的工作压力需求必需维 持住。由于该发明使用压力推动土壤中的水分迁移，因此在这种情况下无法实现自动双向 流动设计来实时保持植物所需的土壤水分。其他问题，例如防止重力渗漏水的流失及有效 地分布水分及养分至土壤中均无法解决。 为了防止重力水的损失，并更有效地保持土壤湿度及水迁移，几项专利被开发，例 如美国专利US5,374,138、US5,839,659、和US5,938,372。这些专利通常提供一种不可渗透 的材料或使用疏水性的化学物质使地下灌溉系统下的土壤具有较低的渗透性。美国专利 US5374138包括供水管线、导管、多重的水分配支管，并且每个水分配支管置于V字形不可渗 透层上。并利用土壤中的毛细压力来移动水分。在美国专利US  5,839,659中，发明了一种系 统，该系统包括一个或多个夹在毛细管布的上层和毛细管布的下层和/或不透水材料之间 的穿孔导管。发明人声称他的系统可以提供灌溉水，同时可以达到许多目的，例如防止植物 根的入侵，防止土壤颗粒阻塞导管穿孔，防止边坡种植中的水土流失，促进排水和防止水 浸，防止水土流失。并可防止灌溉地下水使土壤盐碱化，提供空气以防止土壤中的厌氧状 态，并为农业地区所需的需氧细菌提供氧气。在美国专利US5938372号中，其中包括一个衬 垫系统的防水材料，供水管道，多个多孔水分配管道，及纤维层的水扩散器，和一个粗砂层 纤维扩散器。此发明基本上类似于美国专利US5,839,659的设计，功能和目的。上面提到的 三项发明都可以达到美国专利US  5,839,659所列举的目的,但是难以有效地依实时消耗量 供给植物的灌溉水量，并且仍然无法利用双向流动功能来收集超出植物需要的多余水分。 最近美国专利US9,668,432B2也提供了与上述基本相同类型的系统。该系统中至 少含一个穿孔的管，并含二个毛细管织物的纤维网。水由加压泵驱动以进入多孔管，并从套 管渗入毛细管织物的纤维网，然后横穿纤维网进入土壤中。此项发明对有效地控制水灌溉 率以及实时消耗率尚有困难，也不能由土中收集超出了植物需要的额外含水率。 中国在最近廿馀年来也有许多关于地下灌溉的专利发表。本发明亦将主要代表性 专利的重要内涵、水流驱动力、湿度控制、水流控制、及重要的地下灌溉管线设计参数等作 了比较。大部份地下灌溉专利均在提供一种或多种特殊设计针对单向流量(即水流由蓄水 池流向灌溉区)的控制，或提供阻止杂质如砂子、泥浆等进入通孔，或微生物在通孔生长而 堵水流(例如：CN87104234，CN2236735，CN1358417，CN2612230，CN2604868，CN1547886， CN101023732，CN201015336等)或将能吸附或吸水的物质填入地下灌溉管中以长期保存水 分緩慢释水，或緩慢由供水管渗水避免蒸发(例如：CN1423924)等等。灌溉水流的驱动力绝 大多数为蓄水池水压或压力泵。至今尚无灌溉水“自动双向流”的专利提出，更无“土壤湿度 自动控制”能力的专利提出。为达最佳的节水要求、及提供植物最佳生长的土壤湿度控制， 必须有上述自动双向流、及湿度自动控制的功能才可促成。
技术实现要素：
蒸发、地表径流、和渗滤被认为是地上灌溉失水的主要原因。地下灌溉才被建议用 以取代地上灌溉以达到节水的目的。地下灌溉也被认为是向作物土壤更有效地供应可溶性 7 CN 111587716 A 说　明　书 3/14 页 养分、杀虫剂、除草剂的较好方法。 然而，目前地下灌溉方法和装备仍不能解决相关的困难和问题。为了达到更好的 节约用水情况，并达到实时的植物用水需求，需要更好的地下灌溉方法和装备，以解决： (1)大多数地下灌溉方法和装备仍无法有效解决因重力引起的渗滤水损失。当土 壤湿度大于田间持水量(Field  Capacity)时灌溉水会被重力吸引而损失。特别是，当水在 地下灌溉系统中被迫水平或接近水平迁移以覆盖较大的灌溉区域时，或者灌溉时间过长而 导致过度灌溉时，将会损失更多的水。 (2)目前任何地下灌溉系统都无法自动控制和调节响应植物生长不同阶段的最佳 土壤含水率，因此，缺乏避免水分流失和促进植物生长的完善灌溉系统迄今是不存在的。 (3)目前尚无地下灌溉系统可以自动收集土壤中额外的水分(尤其如暴雨或灌溉 之后大于植物所需土壤含水量)以供将来使用，在这种情况才可以真正实现土壤水分流失 达到节水目的。这对于干旱和半干旱的农业地区尤其重要。为了实现这种情况，需要具有 “自动双向流动”能力的系统。 (4)能有效预防堵塞地下灌溉管道，并避免“水肥一体化”对施用化肥而导致土壤 硬化或盐碱化，并易于维护和修理的地下灌溉系统。 (5)对于无重力的空间，例如将来太空站的太空农场，仍然缺少土生植物的灌溉系 统。 本发明是为解决上述的困难和问题而提出。并希望对灌溉节水有较好的建议。本 发明的基本原理，应用的方法和设备，以及操作条件如下述。 1.基本原理，目的及与不同灌溉方法的比较 1.1本工艺技术的原理 关於土壤的持水论述在土壤的物理学、水文学、水力学、土力学等已有许多文献。 土壤的持水能力一般可由能量或压力表示之，如下式所示： ψt＝ψg ψp ψm ψ。………………………………………(1) 其中：ψt＝土中水压力(soil  water  potential)； ψg＝重力水压力(gravitational  potential)； ψp＝水重或机械水压力(pressure  potential)； ψm＝基质势水压力(matric  potential)； ψo＝渗透水压力(osmotic  potential)。 其中ψg，及ψp以正压力形式存在，而ψm及ψo则常以负压力形式存在。若土壤的水份 来源是由地上而来(例如下雨或传统地上灌溉法)，重力水压力ψg促使水流向下形成土中的 饱和含水量。但水源中断后土中的饱和水仍逐渐向下流动形成非饱和含水量。在非饱和状 态下基质势水压ψm及渗透水压ψ。使土中水压呈负压力存在。当非饱和含水量降低至田间持 水量(Field  Capacity，大部份土质约在负1/3巴(Bar)压力)时若土中无其他致水减少的压 力(例如蒸发、植物的蒸腾或其他微生物用水时)，此时负压力不变化而水向下流动也停止。 若大地土壤的水份来源是由下或侧面(例如地下灌溉法)而来，则机械水压ψp(例如压力泵 来的水源)使土壤中水份呈正压力存在且使土中空隙呈饱和水流动。在机械水压构成的土 中饱和水之上或侧面，基质势水压会使饱和水更向上及水平移动，此即一般所称的毛细饱 和水。但基质势水压使土中水流动则以负压力形成的吸力促成。故此毛细饱和水基本上是 8 CN 111587716 A 说　明　书 4/14 页 因负压力而存在，有别於机械水压的正压力促成的饱和含水量。因基质势水压由土颗粒对 水的吸附力(adhesion)及水份子间构成的吸力(cohesion)共同构成，其毛细饱和水可由下 式表示之： ψ＝(2σlg  Cosθ)/r………………………………………………(2) 其中：ψ＝表面张力，在cgs系统，单位为ergs/gram； σlg＝表面张力系数，水对空气值在20℃为72.75dynes/cm； θ＝水对颗粒产生的湿角(Wetting  Angle)； r＝颗粒间隙的平均半径。 此时若水的来源中断，水会因蒸发(气化)及植物吸收(即前述的ψo造成的负压)而 渐减少。土壤中含水量越少则水负压力则越大，造成土性有更大的吸水能量。本发明“土壤 湿度自动控制系统”即利用此种自然界小颗粒间隙中含水率与产生的负压力(即小於大气 的压力)的绝对值成某种反比关系而开发的自动控制系统。此小颗粒间隙产生的负压力主 要含基质势吸力及渗透吸力。此负压力为非饱和含水率的土壤颗粒吸水及持水的主要力 量。此实际上由三种力量的相互作用(即土粒对水吸附力、水份子间吸力及渗透吸力)造成 土粒中水流动的主要负压力来源。若能控制土粒中水的负压力，便可控制土中含水率。 本发明利用水负压力与土含水量的反比关系，且负压愈大吸水及持水能力愈大。 根据以上理论若开发一套可实时双向控制水流及自动调控土壤含水率的设备，其完整系统 须含土中水压探测器、双向流导管、双向流输水管、水源水压控制糟、及水净化器等组成。细 节将于后详述。 1.2不同灌溉方法的节水比较 本工艺技术目的之一是将传统或现行农业区灌溉方法的节水目标进一步改良。 一般而言土生植物的灌溉可分地面或地下灌溉。现行的地面灌溉一般含(1)喷灌 法(Spray  or  Sprinkler  Irrigation)，(2)漫灌法(Flood  Irrigation)，及(3)地面滴灌法 (Drip  Irrigation)。而现行的地下灌溉法则为(1)地下渗灌法，(2)地下滴灌法，及(3)毛细 灌溉法，等等。依节水而言，不同灌溉法有其相异的灌溉水损失量。灌溉时或灌溉后水的损 失可分三方面：蒸发(Evaporation)、地表迳流(Surface  Runoff)、及渗漏(Percolation)损 失。一般而言，地面或地下灌溉对节水的最大不同便是地面灌溉常含有蒸发及迳流水的损 失。地面灌溉水损失率及量亦受控於水在土表的渗入率(Infiltration  Rates)、水在土中 的渗透率(Permeability)、根区深度、灌溉用水率(水流量)等影响。地下灌溉法一般虽可减 少或避免迳流水损失及达到少量的蒸发损失，但其使用亦受控於水在土中的渗透率、土壤 空隙率、田间持水率、根区深度、灌溉率、水压、及毛细饱和水层厚度等的影响。地下灌溉若 无法控制得当，不意味著一定比地面灌溉省水！ 为了比较本土壤湿度自动控制器在节水上的优越性，我们可由下面讨论估算各不 同灌溉法可能的水损失量。因水在农地蒸发、迳流、渗漏的复杂性，以往数十年已有无数的 经验模式的开发。例如合理公式(Rational  Equation)、曲线数字法(Curve  Number  Method)、酷克法(Cook’s  Method)等在水利及农业工程迳流估算的应用，地表状况及表土 之雨前状况对渗入率的影响，及数百经验模式在蒸腾(Evapotranspiration)的应用，使灌 溉水估算变为十分繁复。本文以下述方法简化灌溉水的估算。所有灌溉需水的比较均以能 将整个根区深的含水率供给到田间持水量为原则。对灌溉而言，其水损失量可依下式估算： 9 CN 111587716 A 说　明　书 5/14 页 ql＝qe qr qp ＝E(tRd) qe50 rIR(tRd) Rd(Vs–Vf)……………………………(3) 其中: ql＝灌溉期间的总水损失量(单位为mm或cm)； qe，qr，及qp＝分别为灌溉期间的蒸发、地表迳流、及渗漏水损失量(mm 或cm)； qe50＝灌溉后上层5cm土中水份蒸发量(mm)； E＝灌溉时或灌溉后的蒸发率(mm/hour)； IR＝灌溉加水率，或单位面积灌溉率(mm/hour)； r＝径流系数(根据上述的曲线数字法或合理公式，传统灌溉的r值一般多 在0.1至0.35间，无单位)； Rd＝根区深(mm或cm)； tRd＝整个根深区的土达水饱和时所需时间(hour)， ＝Rd/Ksi…………………………………………………………(4) K＝土之滲透率(cm/sec或mm/hour；以Ks表示饱和渗透率，Ku表示未饱和 滲透率)； i＝液位梯度； Vs＝土壤空隙率，或土壤达饱和水的体积比(％,体积比)； Vf＝土壤的田间持水率(％,体积比)。 地面喷灌及漫灌的水损失： 喷灌及漫灌时经常需滿足上层土含水饱和后水再往下流动。而滴灌则假设水渗入 土中时可形成饱和(以Ks估算)或非饱和流(以Ku估算)。假设地面灌溉后，水由土中蒸发仅 在上表面5cm发生，且土中饱和水(即Vs含水率)因重力而渗漏至Vf含水率。上述虽为估算，但 因所有灌溉法皆基於相同的计算模式，故不影响节水的结果比较。一般而言，因qe，及qr的无 法避免，地面喷灌及漫灌法会造成最大的灌溉水损失。若耕作区的根深区、蒸发率、土渗透 率、及其他土质Vs及Vf固定，喷灌及漫灌的水损失与灌溉加水率及时间成正比。而地面滴灌 法，若有适当的加水率控制，qr可避免之。但其蒸发损失仍无法避免且因灌溉时间所需的增 长会相对增大。将上(3)及(4)式合并，喷灌及漫灌的水损失ql可以下式估算： ql＝Rd(E/Ks r  IR/Ks Vs–Vf) qe50……………………………(5) 地面滴灌法的水损失： 因地面滴灌法的控制较复杂，水损失可分三种情况： (1)加灌溉水时，水先造成上层土饱和再因重力往下流。若加水量正好能控制在整 个Rd到达Vf则无qp损失。此时ql可用下式估算： ql＝(E rIR)[(RdVf)/(KsVs)] qe50………………………………(6) (2)加灌溉水时，水流缓慢而成不饱和往下流。若加水量正好能控制在整个Rd到达 Vf则无qp损失。此时ql可用下式估算： ql＝(E rIR)[(RdVs)/(KsVf)] qe50…………………………………(7) (3)加灌溉水时整个Rd到达饱和水量。此时ql可用下式估算： ql＝(E rIR)(Rd/Ks) Rd(Vs–Vf) qe50…………………………(8) 10 CN 111587716 A 说　明　书 6/14 页 如上述，耕作区的根深区深度、蒸发率、土渗透率、灌溉率、径流系数、及其他土质 Vs及Vf等均会影响灌溉水的损失量，情况相当复杂。 地下灌溉的水损失： 与地面灌溉相比，地下灌溉一般可减除蒸发及迳流水损失，但渗漏水损失在所难 免，除非有特别的防渗漏设计及灌溉率及时间的控制。目前已有的专利报告所示，绝大多数 的地下灌溉法不管滴灌、喷灌、或毛细灌均先用水压将水灌入土中。如此是应用土中饱和水 压及重力或毛细现象以驱动水流。因灌溉率、灌溉器深度、根区深度、土壤种类等影响地下 灌溉水损失甚大，其灌溉水损失的估算可分下述五情况讨论： (1)灌溉器在Rd浅处(一般需埋5cm以下深度以避免蒸发水损失)，利用上层土先达 饱和 水再往下或侧面流动(此在土的渗透率低的情况常发生)，若造成Rd均达饱和水便 停 止灌溉，此时灌溉水损失估算为： ql＝Rd(Vs–Vf) 50Vf………………………………………………(9) (2)灌溉器在Rd浅处，利用部份上层土先达饱和水再往下或侧面流动，若控制加入 水量 正好造成Rd达田间持水量，此时渗漏水损失估算为零。若此时上述饱和层深度为 Rs， 则Rs可估算为： Rs＝(Vf/Vs)Rd……………………………………………………………(10) 若在灌溉时当Rs达到时立即关闭灌溉水则可正好造成Rd达田间持水量。此时的灌 溉水损失为： ql＝50Vf………………………………………………………………(11) (3)灌溉器在等於或畧大於Rd深处，灌溉器之下无防水层。 此情况下灌溉水在土中的向上流动(即往上灌溉整个Rd深度)需靠饱和水压或毛 细现象。既使靠毛细现象下层水也需先饱和才有法符合上式(2)所述。故土中的饱和水层的 形成可分二个层次，先下层由水压造成(深度以Rs1表示)饱和水层，再由此饱和水层向上形 成毛细饱和水层(深度以Rs2表示)。总饱和水层Rs为： Rs＝Rs1 Rs2…………………………………………………………(12) 在实际情况，因无防水层，为了Rd能达到Vf，灌溉时则Rd一般需先达饱和水。故此时 的灌溉水损失为： ql＝2Rd(Vs–Vf) 50Vf…………………………………………(13) (4)同上情况(3)但有防水层。 在此情况下若防水层完全不漏水，则由上方程式(2)得知除了沙质或粗矽质土壤 外其饱和层Rs会太大而无法使用，否则灌溉器则需埋非常深而不实用。在实用的范囲内灌 溉水损失估算为： ql＝RdVf 50Vf………………………………………………………(14) (5)灌溉器在Rd浅处，以滴灌方式进行。灌溉水损失估算为： ql＝50Vf………………………………………………………………(15) 11 CN 111587716 A 说　明　书 7/14 页 为了比较上述各不同灌溉法的节水情况，各不同灌溉法在各相同的因素影响下需 计算其总灌溉需水量、灌溉水损失量、及水量有效存於根深区间可为植物利用之量。其总灌 溉需水量(qT)及有效水量(qa)可以下二式估算之： qT＝qa ql……………………………………………………………(16) qa＝RdVf-50Vf………………………………………………………(17) 因影响因素的复杂性，以下仅用粉壤土(clayey  silt  soil)为例:假设Rd由200mm 至1000mm，Ks＝3.6mm/Hour，r＝0.25,E＝500mm/Year，Vs＝40％,and  Vf＝20％.当比较r及K 的影响时选Rd＝300mm做比较。其比较结果列於图5A至5D中。依不同灌溉法中灌溉水损失的 严重性比较，由大至小的顺序为： 地面滴灌法(上述例二)>地面喷灌/漫灌及地面滴灌法(例三)>地下渗灌法(例三) >地面滴灌法(例一)>地下渗灌/毛细灌法(例三)>地下渗灌(例一)>地下渗灌(例二)>地下 滴灌法(例五) 上估算结果发现灌溉水损失因不同灌溉法，可由5％至90％范囲。为了节水目的， 不同灌溉法的选择至关重要。如上顺序所示，地下灌溉除了上述例三之外，一般较地面灌溉 节水。而地下灌溉又以地下滴灌(上述情况五，即图中例五)及地下渗灌(例二)最佳，在 500mm的根区深情况下其灌溉水可减少到10％的水损失率。 若与上述各不同灌溉法比较，因本工艺技术的供水是由植物所需而造成土的不饱 和水流的地下灌溉法，灌溉需水量等於有效水量，故理论上不会造成水损失。本工艺技术亦 有别於地下渗灌/毛细灌法(如上例三及例四所示)。毛细灌法的灌溉水在土中的向上或向 侧流动需下层水先饱和才有法发生。若此饱和水之下无防水层，则渗漏水损失无法避免。而 若有防水层则如上所述此法仅适用於较粗颗粒的土壤。 2.本工艺系统的设备及重要参数： 本工艺系统的主要组成设备如附图1A至图1D及图2A至图2B所示。其主要组成含土 中水压探测器1(如附图1A至图1D中1所示)、双向流导管2、双向流输水管3、水源水压控制糟 4(如附图2A及图2B所示)、及水净化器5等组成。在使用本工艺技术时，其他附属组成会因实 际需要而被包含。例如在农田或荒漠造田的应用时，为了收集过量的雨水，在土中水压探测 器之下可有防水层42(图1B)、含孔状排水管21(图1B及图2A,2B)、排水管17(图2A,2B)、集水 罐6(图2A,2B)、缓冲罐7(图2A,2B)等设施。若本工艺技术应用於室内种植而需用天然光线 时则可配合光收集器38及39(图4A)、光纤40(图4C)、光分离器/照明器41(图4A)等将光源导 入种植盘36(图4A,4B)，如下