幾種園林地埋式旋轉噴頭水力性能試驗對比與工作參數確定

謝樹華，惠 鑫，嚴海軍

(中國農業大學水利與土木工程學院，北京 100083)

0 引 言

“十三五”以來，我國園林綠地面積發展迅速，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]，對解決我國水資源危機和實現社會可持續發展具有重要的戰略意義[3]。噴頭作為噴灌系統的關鍵設備之一，在提高噴灌效率方面具有舉足輕重的作用[4]。國內關于園林噴灌的研究主要集中在噴頭的水力性能試驗和新型園林噴頭的研發等。嚴海軍[5, 6]對兩種園林灌溉噴頭進行了水力性能試驗，在最大零漏噴范圍內，噴灌均勻系數的大小與組合形式關系不大，主要取決于噴頭結構及徑向水量分布曲線的特點。栗巖峰[1]發現再生水對園林升降式噴頭的均勻系數不會產生明顯影響，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的噴嘴。劉中善[8]研究了旋轉式微噴頭轉速對水力性能影響，結果表明低轉速微噴頭性能優于無阻尼的高轉速微噴頭。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動的全地埋式噴頭，可顯著提高裝置的抗堵塞性。目前，園林地埋式旋轉噴頭多數采用齒輪驅動，其換向機構的內部流道結構比地埋式散射噴頭更為復雜[10]，并直接影響噴灌系統的灌水質量和運行效率。因此，本文選取了四種市面上應用廣泛的典型園林地埋式旋轉噴頭，測試對比其不同壓力和組合間距下的水力性能，并在此基礎上開展經濟性分析，提出四種噴頭的適宜運行工作參數，為園林噴灌系統設計提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

通過調研北京市主要公園獲知城市綠地灌溉安裝的地埋式旋轉噴頭主要以Rain Bird、Hunter、Toro、K Rain四個品牌為主，故試驗選擇了應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。各噴頭的結構及性能參數，如表1所示。四種噴頭具有相似特點，均適用于公園、游樂場等中小面積草坪、花卉的灌溉；材質為工程塑料，強度高，耐腐蝕；噴嘴和內裝濾網拆換方便；整個內芯可從噴頭頂部旋出，清洗維修方便；集全圓和可調角度噴灑于一體，頂部角度調節范圍40°～360°，且頂部具有刻度盤，方便角度調節。

1.2 試驗方法

試驗在中國農業大學水利與土木工程學院噴頭自動測試系統上完成，測試系統如圖2所示，試驗方法參考國家標準GB/T 19795.2-2005[11]。系統主要由供水系統、數據采集系統和控制系統等三部分組成。其中采集系統包括流量傳感器(LDTH型電磁流量計，精度為0.2%)、壓力表(浙江紅旗0.25級精密壓力表)、電子秤式雨量筒(精度為1 g，直徑150 mm，高度400 mm)。試驗沿噴頭徑向布置一排雨量筒，其中第一個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，為模擬現實情況，噴頭與雨量筒承水口齊平。

圖1 試驗所用噴頭Fig.1 Sprinklers used in the experiment

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

試驗工作壓力設置為0.15、0.20、0.25、0.30 MPa四個工況，噴頭噴灑角度為全圓噴灑，測試時間為1 h，每種工況設置3個重復。在試驗過程中測試了噴頭的流量、轉速以及噴灌強度。噴頭流量和轉速分別由流量計和秒表測得，每種工況測試3次，噴灌強度由雨量筒測得平均水深除以測試時間得到。

圖2 噴頭自動測試系統示意圖Fig.2 Automatic test system for sprinkler hydraulic performance

1.3 噴灌強度計算

噴灌過程中每個雨量筒接受的瞬時水量是不均勻的，因此采用平均噴灌強度[12]表示，其計算公式如下：

(1)

式中：ρ為平均噴灌強度mm/h；h為某一范圍內的平均水深，mm；t為噴灑時間，h。

1.4 噴灌均勻度計算

噴灌水量分布經常采用噴灌均勻系數Cu和分布均勻系數Du進行評價。其中噴灌均勻系數計算公式[13]如下：

(2)

分布均勻系數的計算公式[14]如下：

(3)

1.5 經濟性指標

考慮噴頭對初始投資的影響，以噴頭組合采用矩形布置時的單位面積投資作為經濟性指標，其計算公式如下：

(4)

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

2 結果與分析

2.1 壓力與流量之間的關系

圖3給出了4種噴頭在不同壓力0.15、0.20、0.25、0.30 MPa時的流量。可以看出，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]等人的試驗結果一致。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；當壓力增大到0.30 MPa時，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 噴頭運轉速度

圖4為4種噴頭在不同壓力下的運轉速度，可以看出不同噴頭的運轉速度對壓力的敏感程度不同，這是噴頭內部旋轉驅動結構有關。其中Rain Bird-3500噴頭的轉動速度在不同壓力下均保持在1.13 r/min，表明壓力對該噴頭的運轉速度的影響不大。Hunter-PGP噴頭的運轉速度均隨壓力增大而略微減小，其規律與其他噴頭相反，但最大降幅僅為0.04 r/min。Toro-mini-8和K Rain-PRO噴頭的轉動速度隨著壓力的增大而增加，但Toro-mini-8相比K Rain-PRO噴頭的轉速受壓力影響更顯著。一般而言，當一定灌水量情況下，噴頭轉動圈數越多，噴頭磨損將加重，會縮短噴頭的使用壽命。

圖4 4種噴頭的運轉速度Fig.4 The rotating speeds of four sprinklers

2.3 單噴頭徑向水量分布

根據試驗數據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”技術造成的，水流在1.0 m處破裂而四濺導致噴灌強度較大；當距離噴頭大于1.0 m時，噴灌強度逐漸下降，總體在0～3.5 mm/h之間，射程約8.5 m。Hunter-PGP的射程遠于其他三種噴頭，約11.5 m，在離噴頭1.0 m處噴灌強度較大，其值在3.5 mm/h左右；當距離噴頭1.0～4.0 m時，噴灌強度有明顯的下降趨勢；而距離噴頭4.0～11.0 m時，噴灌強度又趨于平坦，其值大部分在0.4～1.7 mm/h之間。從圖中還發現，Hunter-PGP在0.15 MPa壓力下，10.0 m處的噴灌強度達到峰值，這可能與壓力較小導致遠處的水滴破碎不明顯，造成末端水滴分布集中，進而形成了較大的噴灌強度。Toro-mini-8的曲線呈谷峰狀，噴灌強度在距離噴頭3.0 m處達到峰值，其值在5.0 mm/h左右，當距離噴頭大于3.0 m時，噴灌強度緩慢下降，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。總體來說，4種噴頭在0.15～0.30 MPa范圍內，工作壓力對噴頭射程的影響均不大，但徑向的噴灌強度均隨壓力的增大而增大。

2.4 組合平均噴灌強度

以工程實踐中常用的噴頭正方形組合形式為基礎，利用VB程序，采用3次樣條2次插值[16]的方法將試驗測得的噴頭徑向數據轉化成網格形，計算各噴頭在不同組合間距下的平均噴灌強度，結果如圖6所示。圖6中可以看出各噴頭的平均噴灌強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，當噴頭間距從6 m×6 m增大到16 m×16 m時，組合平均噴灌強度從13.4 mm/h降低到了2.4 mm/h，降幅達83%。在相同組合間距情況下，組合平均噴灌強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，壓力從0.15 MPa增大到0.30 MPa時，組合平均噴灌強度從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的組合平均噴灌強度最高，Rain Bird-3500的平均噴灌強度最低，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的平均噴灌強度分別為3.9、2.7 mm/h，這與兩款噴頭的流量差異有關，流量較大的噴頭，其平均噴灌強度較大。

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度Fig.6 Average application intensity of four sprinklers at different pressures

2.5 組合噴灌均勻性和經濟性分析

基于單噴頭徑向水量分布數據，通過自編軟件計得到組合噴灌均勻系數和分布均勻系數，其計算結果如表2所示。從表2可以看出，4種噴頭的噴灌均勻性系數隨間距的增大而呈現總體下降趨勢。當噴頭間距一定時，0.30 MPa下的噴灌均勻系數和分布均勻系數均大于其他3種工作壓力，這是因為隨著壓力的增加，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時需要綜合考慮灌溉質量和經濟性。多數學者[17]在確定工作參數時常將噴灌均勻性作為指標，但并未考慮噴頭價格的影響。本文在考慮噴灌均勻性的基礎上分析了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格基本相同，單價在120元左右。利用公式(4)計算4種噴頭的單位面積的投資，結果如表3所示。以100 m×100 m的正方形地塊為例，計算所需噴頭數量及總投資，相關結果如表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，可以根據實際情況調整，故表中的噴頭數量是一定范圍值。

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。當壓力增加至0.20～0.30 MPa時，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。綜合噴灌質量、節能性和經濟性三方面考慮，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 基本不滿足規范要求，因此該噴頭不宜在0.15 MPa下運行。當壓力增大到0.20 MPa時，Hunter-PGP在組合間距為12 m×12 m～16m×16m時的噴灌均勻性不能滿足灌溉要求。當壓力在0.25～0.30 MPa范圍時，除組合間距為16 m×16 m外，Hunter-PGP在其余5個組合間距的噴灌均勻性均能滿足規范要求。綜合噴灌質量、節能性和經濟性三方面考慮，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，組合間距為16 m×16 m下的噴灌均勻系數Cu均低于0.65，不滿足規范要求，組合間距14 m×14 m下的Cu約為0.75，部分指標不滿足規范要求。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，綜合噴灌質量、節能性和經濟性三方面考慮，建議Toro-mini-8的工作壓力設置為0.15 MPa，組合間距設置為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時的噴灌均勻性較低且不滿足規范要求，故0.15 MPa壓力下不建議采用該兩種組合間距。當壓力在0.20～0.30 MPa時，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。綜合噴灌質量、節能性和經濟性三方面考慮，建議K Rain-PRO的工作壓力設置為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，相同試驗工況下的Cu值大于Du值，且兩者之間呈現正向線性相關關系，這與李久生[14]的研究結論一致。將Cu與Du進行回歸分析，得到擬合公式(5)。由公式(5)可知，當Cu為0.75所對應的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為相關系數；n為樣本個數；Cu的取值范圍為0.44～0.96。

圖7 噴灌均勻系數Cu和分布均勻系數Du的關系Fig.7 The relationship between Cu and Du

3 結 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，組合平均噴灌強度和噴灌均勻系數總體有下降的趨勢；當噴頭間距一定時，隨著壓力的增大，組合平均噴灌強度和噴灌均勻系數逐漸增加；四種噴頭的投資均隨組合間距的增大而減小。

(2)以地埋旋轉式噴頭不同組合間距的試驗數據為基礎，獲得噴灌均勻系數Cu和分布均勻系數Du之間的函數關系，當Cu為0.75時所對應的Du值為0.62。

(3)綜合噴灌質量、節能性和經濟性三方面考慮，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。