謝樹華，惠 鑫，嚴(yán)海軍

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

“十三五”以來，我國園林綠地面積發(fā)展迅速，園林灌溉用水量逐年增加[1]，水資源供需矛盾日益突出。噴灌技術(shù)是緩解園林灌溉中水資源供需矛盾的有效途徑，可以提高水資源的利用效率[2]，對(duì)解決我國水資源危機(jī)和實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義[3]。噴頭作為噴灌系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，在提高噴灌效率方面具有舉足輕重的作用[4]。國內(nèi)關(guān)于園林噴灌的研究主要集中在噴頭的水力性能試驗(yàn)和新型園林噴頭的研發(fā)等。嚴(yán)海軍[5, 6]對(duì)兩種園林灌溉噴頭進(jìn)行了水力性能試驗(yàn)，在最大零漏噴范圍內(nèi)，噴灌均勻系數(shù)的大小與組合形式關(guān)系不大，主要取決于噴頭結(jié)構(gòu)及徑向水量分布曲線的特點(diǎn)。栗巖峰[1]發(fā)現(xiàn)再生水對(duì)園林升降式噴頭的均勻系數(shù)不會(huì)產(chǎn)生明顯影響，能夠滿足高灌水均勻度的要求。Shahidian[7]的研究表明在園林灌溉中適宜采用噴灑角度不可調(diào)的噴嘴。劉中善[8]研究了旋轉(zhuǎn)式微噴頭轉(zhuǎn)速對(duì)水力性能影響，結(jié)果表明低轉(zhuǎn)速微噴頭性能優(yōu)于無阻尼的高轉(zhuǎn)速微噴頭。李仰斌[9]等研制了新型的地埋式噴灌裝置，提出了一款基于鋼珠驅(qū)動(dòng)的全地埋式噴頭，可顯著提高裝置的抗堵塞性。目前，園林地埋式旋轉(zhuǎn)噴頭多數(shù)采用齒輪驅(qū)動(dòng)，其換向機(jī)構(gòu)的內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)比地埋式散射噴頭更為復(fù)雜[10]，并直接影響噴灌系統(tǒng)的灌水質(zhì)量和運(yùn)行效率。因此，本文選取了四種市面上應(yīng)用廣泛的典型園林地埋式旋轉(zhuǎn)噴頭，測試對(duì)比其不同壓力和組合間距下的水力性能，并在此基礎(chǔ)上開展經(jīng)濟(jì)性分析，提出四種噴頭的適宜運(yùn)行工作參數(shù)，為園林噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

通過調(diào)研北京市主要公園獲知城市綠地灌溉安裝的地埋式旋轉(zhuǎn)噴頭主要以Rain Bird、Hunter、Toro、K Rain四個(gè)品牌為主，故試驗(yàn)選擇了應(yīng)用較廣泛的四款噴頭：Rain Bird-3500、Hunter-PGP、Toro-mini-8、K Rain-PRO-11003(簡稱K Rain-PRO)，如圖1所示。各噴頭的結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)，如表1所示。四種噴頭具有相似特點(diǎn)，均適用于公園、游樂場等中小面積草坪、花卉的灌溉；材質(zhì)為工程塑料，強(qiáng)度高，耐腐蝕；噴嘴和內(nèi)裝濾網(wǎng)拆換方便；整個(gè)內(nèi)芯可從噴頭頂部旋出，清洗維修方便；集全圓和可調(diào)角度噴灑于一體，頂部角度調(diào)節(jié)范圍40°～360°，且頂部具有刻度盤，方便角度調(diào)節(jié)。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院噴頭自動(dòng)測試系統(tǒng)上完成，測試系統(tǒng)如圖2所示，試驗(yàn)方法參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19795.2-2005[11]。系統(tǒng)主要由供水系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等三部分組成。其中采集系統(tǒng)包括流量傳感器(LDTH型電磁流量計(jì)，精度為0.2%)、壓力表(浙江紅旗0.25級(jí)精密壓力表)、電子秤式雨量筒(精度為1 g，直徑150 mm，高度400 mm)。試驗(yàn)沿噴頭徑向布置一排雨量筒，其中第一個(gè)雨量筒與噴頭的水平距離為1.0 m，相鄰雨量筒間距0.5 m，為模擬現(xiàn)實(shí)情況，噴頭與雨量筒承水口齊平。

圖1 試驗(yàn)所用噴頭Fig.1 Sprinklers used in the experiment

表1 噴頭的性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of sprinklers

試驗(yàn)工作壓力設(shè)置為0.15、0.20、0.25、0.30 MPa四個(gè)工況，噴頭噴灑角度為全圓噴灑，測試時(shí)間為1 h，每種工況設(shè)置3個(gè)重復(fù)。在試驗(yàn)過程中測試了噴頭的流量、轉(zhuǎn)速以及噴灌強(qiáng)度。噴頭流量和轉(zhuǎn)速分別由流量計(jì)和秒表測得，每種工況測試3次，噴灌強(qiáng)度由雨量筒測得平均水深除以測試時(shí)間得到。

圖2 噴頭自動(dòng)測試系統(tǒng)示意圖Fig.2 Automatic test system for sprinkler hydraulic performance

1.3 噴灌強(qiáng)度計(jì)算

噴灌過程中每個(gè)雨量筒接受的瞬時(shí)水量是不均勻的，因此采用平均噴灌強(qiáng)度[12]表示，其計(jì)算公式如下：

(1)

式中：ρ為平均噴灌強(qiáng)度mm/h；h為某一范圍內(nèi)的平均水深，mm；t為噴灑時(shí)間，h。

1.4 噴灌均勻度計(jì)算

噴灌水量分布經(jīng)常采用噴灌均勻系數(shù)Cu和分布均勻系數(shù)Du進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中噴灌均勻系數(shù)計(jì)算公式[13]如下：

(2)

分布均勻系數(shù)的計(jì)算公式[14]如下：

(3)

1.5 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

考慮噴頭對(duì)初始投資的影響，以噴頭組合采用矩形布置時(shí)的單位面積投資作為經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，其計(jì)算公式如下：

(4)

式中：P為單位面積的投資，元/m2；Pi為噴頭單價(jià)，元；Sl為支管上的噴頭間距，m；Sm為支管間距，m。

2 結(jié)果與分析

2.1 壓力與流量之間的關(guān)系

圖3給出了4種噴頭在不同壓力0.15、0.20、0.25、0.30 MPa時(shí)的流量?？梢钥闯?，隨著工作壓力的增大，四種噴頭的流量整體都呈遞增的趨勢，與李紅[15]等人的試驗(yàn)結(jié)果一致。以K Rain-PRO噴頭為例，其0.30 MPa下的流量為0.68 m3/h，較0.15 MPa下的流量增加了46%。在工作壓力一定的情況下，K Rain-PRO噴頭的流量整體大于其他噴頭的流量；Rain Bird-3500噴頭的流量整體小于其他噴頭流量，在0.15 MPa壓力下，Rain Bird-3500和K Rain-PRO的流量分別為0.21和0.46 m3/h，相差0.25 m3/h；當(dāng)壓力增大到0.30 MPa時(shí)，兩者相差0.37 m3/h。

圖3 4種噴頭在不同壓力下的流量Fig.3 The flow rates of four sprinklers at different pressures

2.2 噴頭運(yùn)轉(zhuǎn)速度

圖4為4種噴頭在不同壓力下的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，可以看出不同噴頭的運(yùn)轉(zhuǎn)速度對(duì)壓力的敏感程度不同，這是噴頭內(nèi)部旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)有關(guān)。其中Rain Bird-3500噴頭的轉(zhuǎn)動(dòng)速度在不同壓力下均保持在1.13 r/min，表明壓力對(duì)該噴頭的運(yùn)轉(zhuǎn)速度的影響不大。Hunter-PGP噴頭的運(yùn)轉(zhuǎn)速度均隨壓力增大而略微減小，其規(guī)律與其他噴頭相反，但最大降幅僅為0.04 r/min。Toro-mini-8和K Rain-PRO噴頭的轉(zhuǎn)動(dòng)速度隨著壓力的增大而增加，但Toro-mini-8相比K Rain-PRO噴頭的轉(zhuǎn)速受壓力影響更顯著。一般而言，當(dāng)一定灌水量情況下，噴頭轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)越多，噴頭磨損將加重，會(huì)縮短噴頭的使用壽命。

圖4 4種噴頭的運(yùn)轉(zhuǎn)速度Fig.4 The rotating speeds of four sprinklers

2.3 單噴頭徑向水量分布

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制噴頭徑向水量分布曲線，如圖5所示。Rain Bird-3500在距離噴頭1.0 m處噴灌強(qiáng)度最大，其值在7 mm/h左右，這是Rain Bird的噴嘴特有的“雨簾”技術(shù)造成的，水流在1.0 m處破裂而四濺導(dǎo)致噴灌強(qiáng)度較大；當(dāng)距離噴頭大于1.0 m時(shí)，噴灌強(qiáng)度逐漸下降，總體在0～3.5 mm/h之間，射程約8.5 m。Hunter-PGP的射程遠(yuǎn)于其他三種噴頭，約11.5 m，在離噴頭1.0 m處噴灌強(qiáng)度較大，其值在3.5 mm/h左右；當(dāng)距離噴頭1.0～4.0 m時(shí)，噴灌強(qiáng)度有明顯的下降趨勢；而距離噴頭4.0～11.0 m時(shí)，噴灌強(qiáng)度又趨于平坦，其值大部分在0.4～1.7 mm/h之間。從圖中還發(fā)現(xiàn)，Hunter-PGP在0.15 MPa壓力下，10.0 m處的噴灌強(qiáng)度達(dá)到峰值，這可能與壓力較小導(dǎo)致遠(yuǎn)處的水滴破碎不明顯，造成末端水滴分布集中，進(jìn)而形成了較大的噴灌強(qiáng)度。Toro-mini-8的曲線呈谷峰狀，噴灌強(qiáng)度在距離噴頭3.0 m處達(dá)到峰值，其值在5.0 mm/h左右，當(dāng)距離噴頭大于3.0 m時(shí)，噴灌強(qiáng)度緩慢下降，射程約為9.5 m。K Rain-PRO徑向水量分布曲線的特征趨勢與Toro-mini-8較為相似，整體呈谷峰狀，在1.5 m處達(dá)到峰值，其值在4.5 mm/h左右，在1.5～2.5 m之間迅速下降，在2.5～9.5 m處緩慢下降，射程約為10.5 m?？傮w來說，4種噴頭在0.15～0.30 MPa范圍內(nèi)，工作壓力對(duì)噴頭射程的影響均不大，但徑向的噴灌強(qiáng)度均隨壓力的增大而增大。

2.4 組合平均噴灌強(qiáng)度

以工程實(shí)踐中常用的噴頭正方形組合形式為基礎(chǔ)，利用VB程序，采用3次樣條2次插值[16]的方法將試驗(yàn)測得的噴頭徑向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成網(wǎng)格形，計(jì)算各噴頭在不同組合間距下的平均噴灌強(qiáng)度，結(jié)果如圖6所示。圖6中可以看出各噴頭的平均噴灌強(qiáng)度隨組合間距的增大而減小，以圖6(a)為例，在0.30 MPa的工作條件下，當(dāng)噴頭間距從6 m×6 m增大到16 m×16 m時(shí)，組合平均噴灌強(qiáng)度從13.4 mm/h降低到了2.4 mm/h，降幅達(dá)83%。在相同組合間距情況下，組合平均噴灌強(qiáng)度隨著壓力的增大而增大以Rain Bird-3500為例。間距為6 m×6 m時(shí)，壓力從0.15 MPa增大到0.30 MPa時(shí)，組合平均噴灌強(qiáng)度從10.3 mm/h增大到13.3 mm/h。在相同壓力、相同組合間距情況下，Toro-mini-8的組合平均噴灌強(qiáng)度最高，Rain Bird-3500的平均噴灌強(qiáng)度最低，如在壓力為0.20 MPa、組合間距為12 m×12 m的條件下，Toro-mini-8與Rain Bird-3500的平均噴灌強(qiáng)度分別為3.9、2.7 mm/h，這與兩款噴頭的流量差異有關(guān)，流量較大的噴頭，其平均噴灌強(qiáng)度較大。

圖5 4種噴頭在不同壓力下的徑向水量分布Fig.5 Radial water distribution of four sprinklers at different pressures

圖6 4種噴頭在不同壓力下的平均噴灌強(qiáng)度Fig.6 Average application intensity of four sprinklers at different pressures

2.5 組合噴灌均勻性和經(jīng)濟(jì)性分析

基于單噴頭徑向水量分布數(shù)據(jù)，通過自編軟件計(jì)得到組合噴灌均勻系數(shù)和分布均勻系數(shù)，其計(jì)算結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，4種噴頭的噴灌均勻性系數(shù)隨間距的增大而呈現(xiàn)總體下降趨勢。當(dāng)噴頭間距一定時(shí)，0.30 MPa下的噴灌均勻系數(shù)和分布均勻系數(shù)均大于其他3種工作壓力，這是因?yàn)殡S著壓力的增加，水滴破碎后使得噴頭水量分布更均勻。

表2 4種噴頭在不同壓力下的噴灌均勻度Tab.2 Combined sprinkler uniformity of four sprinklers at different pressures

在確定組合間距和工作壓力等工作參數(shù)時(shí)需要綜合考慮灌溉質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性。多數(shù)學(xué)者[17]在確定工作參數(shù)時(shí)常將噴灌均勻性作為指標(biāo)，但并未考慮噴頭價(jià)格的影響。本文在考慮噴灌均勻性的基礎(chǔ)上分析了4種噴頭在不同組合間距下的單位面積投資。4種噴頭的市場銷售價(jià)格基本相同，單價(jià)在120元左右。利用公式(4)計(jì)算4種噴頭的單位面積的投資，結(jié)果如表3所示。以100 m×100 m的正方形地塊為例，計(jì)算所需噴頭數(shù)量及總投資，相關(guān)結(jié)果如表3所示。

表3 4種噴頭在不同組合間距下的單位面積投資及噴頭總投資Tab.3 Investment per unit and gross investment of four sprinklers in different sprinkler spacings

注：在實(shí)際工程中，由于地塊面積無法被組合間距完全整除，可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，故表中的噴頭數(shù)量是一定范圍值。

Rain Bird-3500在工作壓力為0.15 MPa的條件下，在組合間距為14 m×14 m～16 m×16 m時(shí)的噴灌均勻性不能滿足灌溉[18]要求，故不建議采用這兩種組合間距。當(dāng)壓力增加至0.20～0.30 MPa時(shí)，除組合間距為16 m×16 m外，Rain Bird-3500的噴灌均勻性均滿足灌溉要求。從表3可知，12 m×12 m下的噴頭總投資比14 m×14 m多36%，故Rain Bird-3500的組合間距建議采用14 m×14 m。綜合噴灌質(zhì)量、節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性三方面考慮，建議Rain Bird-3500的工作壓力為0.20 MPa、組合間距以14 m×14 m為宜。

Hunter-PGP在工作壓力為0.15 MPa條件下的噴灌均勻系數(shù) 基本不滿足規(guī)范要求，因此該噴頭不宜在0.15 MPa下運(yùn)行。當(dāng)壓力增大到0.20 MPa時(shí)，Hunter-PGP在組合間距為12 m×12 m～16m×16m時(shí)的噴灌均勻性不能滿足灌溉要求。當(dāng)壓力在0.25～0.30 MPa范圍時(shí)，除組合間距為16 m×16 m外，Hunter-PGP在其余5個(gè)組合間距的噴灌均勻性均能滿足規(guī)范要求。綜合噴灌質(zhì)量、節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性三方面考慮，Hunter-PGP的工作壓力建議采用0.25 MPa，組合間距采用14 m×14 m。

Toro-mini-8在工作壓力0.15～0.30 MPa時(shí)，組合間距為16 m×16 m下的噴灌均勻系數(shù)Cu均低于0.65，不滿足規(guī)范要求，組合間距14 m×14 m下的Cu約為0.75，部分指標(biāo)不滿足規(guī)范要求。但在組合間距6 m×6 m～12 m×12 m、工作壓力0.15～0.30 MPa下的Cu均大于0.80。因此，綜合噴灌質(zhì)量、節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性三方面考慮，建議Toro-mini-8的工作壓力設(shè)置為0.15 MPa，組合間距設(shè)置為12 m×12 m。

K Rain-PRO在0.15 MPa工作壓力下，組合間距為14 m×14 m～16m ×16 m時(shí)的噴灌均勻性較低且不滿足規(guī)范要求，故0.15 MPa壓力下不建議采用該兩種組合間距。當(dāng)壓力在0.20～0.30 MPa時(shí)，除組合間距為16 m×16 m外，K Rain-PRO的噴灌均勻性均滿足灌溉要求。綜合噴灌質(zhì)量、節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性三方面考慮，建議K Rain-PRO的工作壓力設(shè)置為0.20 MPa，且組合間距以14 m×14 m為宜。

此外，從表2中還可以看出，相同試驗(yàn)工況下的Cu值大于Du值，且兩者之間呈現(xiàn)正向線性相關(guān)關(guān)系，這與李久生[14]的研究結(jié)論一致。將Cu與Du進(jìn)行回歸分析，得到擬合公式(5)。由公式(5)可知，當(dāng)Cu為0.75所對(duì)應(yīng)的Du為0.62，這與Keller[19]等提出的Du不低于0.60的推薦值基本一致。

Du=1.48Cu-48.53 (R2=0.93n=96)

(5)

式中：R為相關(guān)系數(shù)；n為樣本個(gè)數(shù)；Cu的取值范圍為0.44～0.96。

圖7 噴灌均勻系數(shù)Cu和分布均勻系數(shù)Du的關(guān)系Fig.7 The relationship between Cu and Du

3 結(jié) 論

(1)噴頭的流量隨著工作壓力的增大而增大；隨組合間距的增大，組合平均噴灌強(qiáng)度和噴灌均勻系數(shù)總體有下降的趨勢；當(dāng)噴頭間距一定時(shí)，隨著壓力的增大，組合平均噴灌強(qiáng)度和噴灌均勻系數(shù)逐漸增加；四種噴頭的投資均隨組合間距的增大而減小。

(2)以地埋旋轉(zhuǎn)式噴頭不同組合間距的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，獲得噴灌均勻系數(shù)Cu和分布均勻系數(shù)Du之間的函數(shù)關(guān)系，當(dāng)Cu為0.75時(shí)所對(duì)應(yīng)的Du值為0.62。

(3)綜合噴灌質(zhì)量、節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性三方面考慮，建議Rain Bird-3500和K Rain-PRO的工作壓力以0.20 MPa、組合間距為14 m×14 m為宜；Hunter-PGP的工作壓力以0.25 MPa、組合間距以14 m×14 m為宜；Toro-mini-8的工作壓力以0.15 MPa、組合間距以12 m×12 m為宜。