城市綠化節水灌溉技術比較研究

歐玉民，許 萍

（北京建筑大學城市雨水系統與水環境教育部重點實驗室水環境國家級實驗教學示范中心，北京100044）

0 引 言

城市綠化不僅具有調節城市濕熱環境和改善城市水環境等生態功能，還具有提高居民生活質量和改善市容市貌等社會功能[1]。根據《2018年中國國土綠化狀況公報》顯示，2018年全國城市建成區綠化率達37.9%，人均公園綠地面積為14.1 m2[2]。對比發達國家，早在2000年，德國柏林、英國倫敦、俄羅斯莫斯科及美國洛杉磯等城市的人均公園綠地面積已分別達到26.1、25.4、21.0 及18.06 m2[3]。可以看出，我國城市綠化現狀與國際先進水平還存在著較大的差距。隨著未來我國城市化進程不斷發展，城市綠地面積逐漸增大，其用水量與水資源短缺之間的矛盾漸顯。

除業內熟知的噴灌、微噴灌及滴灌技術之外，近年來還出現了微潤灌及痕量灌溉等新興灌溉技術，不同的灌溉技術有著不同的特點及適用場景。基于此，本文在對比噴灌、微噴灌、滴灌、微潤灌及痕量灌溉等不同節水灌溉系統技術特征的基礎上，基于情景假設，開展了五類節水灌溉系統用水量及總投資的對比分析，并以此為基礎，探討了五類灌溉系統對再生水的適用性問題，最后提出了適用于不同城市綠地形式的灌溉系統，旨在為節水灌溉技術在城市中的推廣與應用提供參考。

1 不同灌溉系統技術特征及其比較

噴灌、微噴灌、滴灌、微潤灌及痕量灌溉等不同節水灌溉系統技術特征比較見表1。

表1 不同節水灌溉系統技術特征比較Tab.1 Comparison of technical characteristics of different water-saving irrigation systems

由表1可以看出，從出水方式上對比，噴灌、微噴灌及滴灌均屬于點狀出水，區別在于灌水器的不同；微潤灌溉屬于線狀出水，微潤管既是輸水管也是灌水管，水分從管壁逐漸滲出灌溉；痕量灌溉類似于密集的點狀出水，土壤毛細管力使得水分從痕量灌溉管中流出進行灌溉。

從灌水范圍上對比，噴灌系統工作壓力較微噴灌系統大，噴頭射程范圍也較遠，最遠可達50 m 左右；滴灌、微潤灌及痕量灌溉均屬于局部灌溉，在水分運移距離上差別不大。滴灌、微潤灌及痕量灌溉水平方向水分運移范圍分別為20～50、40～60 及50～60 cm，垂直方向水分運移范圍分別為40～80、50～80及20～80 cm。

從系統抗堵塞性能上對比，噴灌和微噴灌系統因系統工作壓力大，管道內水流速較快，水質不會對系統的出流量造成較大的影響[14，15]；微潤管以管壁滲流的方式出水，管壁遍布出水孔，雖然半透膜孔徑極小，但只要半透膜上微孔沒被完全堵塞，均能夠持續出水，系統在以自來水[16]、井水[17]為水源時，分別能夠良好運行70 d、48 d不發生堵塞；痕量灌溉管由于其獨特的過濾膜結構，抗堵塞性能較優[11]，在再生水水源條件下，在17 d 內系統出流量變化率小于10%[18]。而滴灌系統，由于灌水器流道尺寸較小，內部水流流速較慢，對水質極為敏感[19]，即使在以自來水為水源的條件下，系統在運行38 d左右時，滴頭出流量下降率達到了50%[20]。因此從不同節水灌溉系統抗堵塞性能上對比，噴灌系統抗堵塞性能最優，微噴灌、微潤灌及痕量灌溉其次，滴灌系統抗堵塞性能最差。

2 不同灌溉系統用水量及總投資比較

為了更直觀地比較不同節水灌溉系統的用水量及總投資，本文以一塊100 m×100 m 的新建草坪作為情景，地點為北京市，以自來水作為水源，分別以噴灌、微噴灌、滴灌、微潤灌及痕量灌溉等作為灌溉系統，對用水量及總投資進行對比分析。

根據2019年《北京市水資源公報》，北京市多年平均降雨量為488 mm，降雨集中在6?9月，四季多年平均蒸散量依次為4.0、4.7、2.3、1.2 mm/d[21]。蒸散量及降雨量的變化會對灌溉制度造成影響，因此本文噴灌、微噴灌、滴灌系統的灌溉制度參考已建成的北京市奧林匹克公園中心區綠化灌溉系統設計[22]：一年灌溉時間為200 d，集中在3月中旬至11月下旬，灌溉周期為1 d，噴灌系統一次灌水延續時間為0.6 h；微噴灌和滴灌系統一次灌水延續時間為1.25 h。由于缺少微潤灌和痕量灌溉技術實際應用于城市綠地的參考資料，因此在本文設置情景中，微潤管流量參考張國祥[23]等的實驗結果：當工作壓力為0.02 MPa時，微潤管在地埋條件下流量為63 mL/（m·h）；痕量灌溉管流量參考新疆哈密棗園試點數據[13]：當工作壓力為0.05 MPa時，痕量灌溉管在地埋條件下流量為60 mL/（m·h），微潤灌和痕量灌溉系統均為24 h持續出水。

本文考慮灌溉系統總投資包括動力設備成本、預處理設備成本、管材及附件成本和運行成本四部分，其中動力設備成本為系統泵的費用；預處理設備成本為系統水源端過濾裝置費用，結合第1節中系統抗堵塞性能的對比結果，設定當以自來水為水源時，僅抗堵塞性能最差的滴灌系統需要在水源端安裝離心過濾器、網式過濾器及砂石過濾器等預處理裝置；管材及附件單價參考互聯網上某同一廠家；運行成本包括水費和電費，單價均參照北京市標準：自來水水價為5 元/m3，電費為0.49 元/kWh。水源距離綠地的距離為10 m。為簡便計算，忽略系統中沿程和局部損失的影響。

管道管徑計算方法：對于單獨的壓力輸水管道，管徑計算采用公式（1）；用水量計算方法如公式（2）所示；系統用電主要為泵電耗，用電量計算方法如公式（3）所示。

式中：D為管道直徑，m；v為管道流速，m/s，通常為1～3 m/s[24]，此處取1.5 m/s；Q為管道流量，m3/s。

式中：V為用水量，m3；q為系統流量，m3/h；t為系統運行時間，h。

式中：W為用電量，kWh；P為泵功率，kW；t為系統運行時間，h。

2.1 噴灌系統

噴灌系統選擇PY1?40 型噴頭，其射程為29.5 m，故系統布置兩根支管，如圖1所示，兩根支管距A、C 兩端距離為25 m，支管間距為50 m，每根支管上布置兩個噴頭，噴頭距B、D 兩端距離為25 m，噴頭間距為50 m。根據所選PY1—40 型噴頭流量，代入式（1）和式（2），計算管道管徑及用水量。根據噴頭的工作壓力，選擇CDL60?30?1 型多級泵為動力設備，根據泵功率代入式（3）計算用電量。系統管道流量、管徑及設備性能參數見表2，系統總投資概算見表3。

圖1 噴灌系統布置圖（單位：m）Fig.1 Layout of sprinkler irrigation system

經計算，噴灌系統用水量為51.6 m3/h×0.6 h×200 d=6 192 m3，水費為6 192 m3×5元/m3=30 960 萬元。用電量為15 kW×0.6 h×200 d=1 800 kWh，電費為1 800 kWh×0.49元/kWh=882元。

表2 噴灌系統管道流量、管徑及設備性能參數Tab.2 Pipe flow，pipe diameter and equipment performance parameters of sprinkler irrigation system

表3 噴灌系統總投資概算Tab.3 Total investment estimate of sprinkler irrigation system

2.2 微噴灌系統

微噴灌系統選擇WPX90?250 單向射流旋轉式微噴頭，其射程為2.7 m，故系統布置支管19 根，如圖2所示，支管間距為5 m，其中兩端的支管距A、C 兩端距離為2.5 m，每根支管上布置微噴頭數量為19個，微噴頭間距為5 m，兩端微噴頭距B、D 兩端2.5 m。根據所選微噴頭流量，代入式（1）和式（2），計算管道管徑及用水量。根據微噴頭的工作壓力，選擇CDL20?3 型多級泵為動力設備，根據泵功率代入式（3）計算用電量。管道流量、管徑及設備性能參數見表4，系統總投資概算見表5。

圖2 微噴灌系統布置圖（單位：m）Fig.2 Layout of micro sprinkler irrigation system

經計算，微噴灌系統用水量為14.44 m3/h×1.25 h×200 d=3 610 m3，水費為3 610 m3×5元/m3=18 050元。用電量為4 kW×1.25 h×200 d=1 000 kWh，電 費為1 000 kWh×0.49 元/kWh=490元。

2.3 滴灌系統

滴灌系統選擇WDF16/2.1?100 單翼迷宮式滴頭，假設滴頭單側濕潤土壤距離為0.5 m，故系統共設置100根長為100 m的支管，如圖3所示，支管間距為1 m，其中兩端的支管距A、C 兩端0.5 m，每根支管上布置100個滴頭，滴頭間距為1 m，兩端的滴頭距離B、D 兩端0.5 m。根據所選滴頭流量，代入式（1）和式（2），計算管道管徑及用水量。根據滴頭工作壓力，選擇CDL20?1 型多級泵為動力設備，根據泵功率代入式（3）計算用電量。系統管道流量、管徑及設備性能參數見表6，系統總投資概算見表7。

表4 微噴灌系統管道流量、管徑及設備性能參數Tab.4 Pipe flow，pipe diameter and equipment performance parameters of micro sprinkler irrigation system

表5 微噴灌系統總投資概算Tab.5 Total investment estimate of micro sprinkler irrigation system

圖3 滴灌系統布置圖（單位：m）Fig.3 Layout of drip irrigation system

經計算，滴灌系統用水量為20 m3/h×1.25 h×200 d=5 000 m3，水費為5 000 m3×5 元/m3=25 000 元。用電量為1.1 kW×1.25 h×200 d=275 kWh，電 費為275 kWh×0.49 元/kWh=134.75元。

2.4 微潤灌系統

微潤灌系統中，微潤管流量為63 mL/（m·h），即1.512 L/（m·d）。假設微潤管單側濕潤土壤距離為0.5 m，故共設置100根長為100 m 的微潤管，如圖4所示，管間距為1 m，其中兩端的微潤管距A、C 兩端0.5 m。根據流量代入式（1）和式（2），計算管道管徑及用水量。系統工作壓力為0.02 MPa，故選擇CDL2?2 型多級泵為動力設備，根據泵功率代入式（3）計算用電量。系統管道流量、管徑及設備性能參數見表8，系統總投資概算見表9。

表6 滴灌系統管道流量、管徑及設備性能參數Tab.6 Pipe flow，pipe diameter and equipment performance parameters of drip irrigation system

表7 滴灌系統總投資概算Tab.7 Total investment estimate of drip irrigation system

圖4 微潤灌系統布置圖（單位：m）Fig.4 Layout of moistube irrigation system

表8 微潤灌系統管道流量、管徑及設備性能參數Tab.8 Pipeline flow，pipe diameter and equipment performance parameters of moistube irrigation system

經計算，微潤灌系統用水量為0.63 m3/h×24 h×200 d=3 024 m3，水費為3 024 m3×5 元/m3=15 120 元。用電量為0.37 kW×24 h×200 d=1 776 kWh，電費為1 776 kWh×0.49 元/kWh=870.24元。

表9 微潤灌系統總投資概算Tab.9 Total investment estimate of moistube irrigation system

2.5 痕量灌溉系統

痕量灌溉系統中，痕量灌溉管流量為60 mL/（m·h），即1.440 L/（m·d）。假設痕量灌溉管單側濕潤土壤距離為0.5 m，故共設置100 根長為100 m 的痕量灌溉管，如圖5所示，管間距為1 m，其中兩端的痕量灌溉管距A、C 兩端0.5 m。根據流量代入式（1）和式（2）計算管徑及用水量，系統工作壓力為0.05 MPa，故選擇CDL2?2 型多級泵為動力設備，根據泵功率代入式（3）計算用電量。系統管道流量、管徑及設備性能參數見表10，系統總投資概算見表11。

圖5 痕量灌溉系統布置圖（單位：m）Fig.5 Layout of trace irrigation system

表10 痕量灌溉系統管道流量、管徑及設備性能參數Tab.10 Pipe flow，pipe diameter and equipment performance parameters of trace irrigation system

經計算，痕量灌溉系統用水量為0.60 m3/h×24 h×200 d=2 880 m3，水費為2 880 m3×5 元/m3=14 400 元。用電量為0.37 kW×24 h×200 d=1 776 kWh，電費為1 776 kWh×0.49 元/kWh=870.24元。

噴灌、微噴灌、滴灌、微潤灌及痕量灌溉等幾種不同節水灌溉系統單位面積年用水量見圖6。

由圖6可知，微潤灌和痕量灌溉系統單位面積年用水量較滴灌系統分別減少了39.60%、42.40%，這與王新生[25]、劉學軍[12]等的實驗結果基本一致，主要原因是微潤管及痕量灌溉管出水后浸潤土壤，而土壤不能將水分及時地擴散出去，減少了灌水器內外的水勢梯度，從而抑制了水分的出流[11,23]。噴灌系統單位面積年用水量在五類灌溉系統中最大，為0.619 m3/（m2·a）。

表11 痕量灌溉系統總投資概算Tab.11 Total investment estimate of trace irrigation system

圖6 不同節水灌溉系統單位面積年用水量Fig.6 Annual water consumption per unit area of different water saving irrigation systems

噴灌、微噴灌、滴灌、微潤灌及痕量灌溉等幾種不同節水灌溉系統單位面積投資見圖7。

圖7 不同節水灌溉系統單位面積投資Fig.7 Unit area investment of different water saving irrigation systems

由圖7可知，微潤灌和痕量灌溉系統單位面積投資最高，分別為8.09、8.02 元/m2，其中運行成本占比分別為19.76%、19.04%，管材附件成本占比分別達到了78.69%、79.40%；噴灌系統在五類灌溉系統中單位面積投資最少，為3.84 元/m2，其中運行成本占比達到了82.88%；滴灌系統單位面積投資為4.47 元/m2，其中管材及附件成本占比20.23%，預處理設備成本占比17.88%，運行成本占比56.19%。

3 不同灌溉系統對再生水的適用性比較

我國人均水資源量僅為世界平均水平的1/4，水資源短缺問題在我國十分嚴重[26]。而再生水作為非傳統水資源，具有量大、穩定和集中等特點，因此再生水回用是緩解水資源緊張的重要手段，其中，灌溉綠地是再生水回用的主要途徑之一。雖然再生水灌溉會對土壤環境及植物產生一定影響，但從目前研究結果來看，再生水作為綠地灌溉水源是可行的[27]。而再生水復雜的水質極有可能會引起灌溉系統如滴灌等堵塞進而影響出水[28]。隨著再生水回用城市綠地灌溉系統不斷地推廣與應用，各類灌溉系統對再生水的適用性問題隨之而來。

結合第1節中關于系統抗堵塞性能的比較得知，噴灌和微噴灌系統抗堵塞性能較強，因此，本文比較了滴灌、微潤灌及痕量灌溉等三類灌溉系統對于水源水質指標的控制閾值，見表12。

表12 滴灌、微潤灌及痕量灌溉系統對于水源水質指標的控制閾值Tab.12 Control threshold of water quality index for drip irrigation，moistube irrigation and trace irrigation systems

由表12可知，滴灌系統的再生水堵塞問題一直是學者們研究的重點，近年來取得了不少研究成果[29，30，33]。而目前針對微潤灌及痕量灌溉系統堵塞問題的研究集中在水中的不溶性顆粒物，而再生水中的溶解性物質對微潤灌及痕量灌溉系統的堵塞特性及機理鮮有研究結果支撐，因此未來可在這些方面進行更加深入的探討。

此外，灌溉系統對再生水的適用性不僅僅是系統抗堵塞性能的問題，還涉及到經濟性問題。如北京市為大力推廣居民使用再生水，定價比自來水低（再生水為3.5元/m3，自來水為5 元/m3），長期使用再生水能節省大量水費（以本文計算的噴灌系統為例，每年可節省水費6 192 m3×（5?3.5）元/m3=9 288 元），然 而 以 再 生 水為 灌 溉 水源，需在水源端安裝過濾裝置甚至混凝沉淀、膜處理等深度處理工藝[34]，導致系統初期投資及運行能耗增加（過濾裝置投資為灌溉系統總投資的5%～15%，能耗為總能耗的10%～30%[35]），再加上系統長期運行后，過濾器的過濾效率降低，其反沖洗水費及相應泵電費，系統內部堵塞后的處理費如加氯、加酸處理費及人工費等都不可忽視，使得再生水回用綠地灌溉系統的經濟性問題變得復雜。

因此未來可通過優化過濾器及灌水器內部結構，提高過濾及抗堵塞性能。針對再生水回用綠地灌溉系統的經濟性問題，可通過建立經濟學模型，以節水為目標，投資最少為原則，探索過濾裝置+灌溉系統的最優組合模式，為再生水回用綠地灌溉提供參考。

4 適用于不同城市綠地形式的灌溉系統分析

與大面積的農作物種植不同的是，城市綠地形式多樣復雜且分散化，分散化的形式給灌溉系統的布置、灌溉水源的選擇及灌溉能源的供給帶來了許多困難，這也是節水灌溉技術在城市中推廣受限的原因之一。從綠地形式上看，公園、社區公園及單位附屬綠地面積較大，對綠地外觀質量有較高要求；街旁和道路綠地均以狹長的形式為主；居住綠地面積小、地塊多且分散，近些年還出現屋頂綠化和垂直綠化等城市綠化新形式。綜合考慮技術特征、用水量、總投資及對再生水的適用性等因素，本文提出適用于不同城市綠地形式的灌溉系統，見表13。

表13 適用于不同城市綠地形式的灌溉系統Tab.13 Suitable irrigation system for different urban green space forms

在不同城市綠地形式中，公園、社區公園和單位附屬綠地等的綠地面積較大，可采用射程范圍大的噴灌系統，若對綠地外觀質量有較高要求，也可采用微噴灌系統；微潤灌系統額定工作壓力僅為0.02 MPa，若水力勢能可滿足要求，也可不設水泵，便于安裝，且其灌水器形態類似手持軟管，對地形的適應性較好，但其管材單價較高（6 元/m），因此適用于居住綠地、街旁及道路綠地等小面積綠地；屋頂綠化由于地勢高、風速大等原因，對噴灌及微噴灌出水會造成影響，且采用噴灌系統容易導致屋頂漏水[36]，因此可采用微潤灌和痕量灌溉等地下灌溉系統，避免刮風對系統出水效果的影響；垂直綠化需水量較大，可達1～20 L/（m2·d）[37]，因此滴灌、微潤灌及痕量灌溉等出水量較小的系統（見表1）均不適用，可采用噴灌系統，制定合理的灌溉制度，穩定供水。

綜合考慮不同節水灌溉系統的技術特征、用水量、總投資及對再生水的適用性等因素，建議主要推廣微噴灌及微潤灌系統在城市綠地中的應用，其中，微噴灌系統適用于公園、社區公園和單位附屬綠地等大面積綠地；居住綠地、街旁及道路綠地等小面積綠地則以采用靈活性較高的微潤灌系統為主；屋頂綠化和垂直綠化則可根據其特點，選擇微潤灌和噴灌系統。

5 結論與展望

（1）本文基于情景假設，對比了微潤灌、痕量灌溉等新興節水灌溉系統與噴灌、微噴灌及滴灌等傳統節水灌溉系統的用水量及總投資。結果顯示，微潤灌及痕量灌溉系統的單位面積年用水量分別較滴灌系統減少了39.60%、42.40%；痕量灌溉及微潤灌系統單位面積投資分別是噴灌系統的2.11、2.09倍，主要原因在于管材及附件的成本較高。

根據《中國城市建設統計年鑒》顯示，2018年全國建成區綠化覆蓋面積為242萬hm2，假設全部由噴灌系統進行灌水，灌水定額為1.50 L/（m2·d），則全國綠化用水量為132.49 億m3。若全部替換成由痕量灌溉系統進行供水，能節水53.47%（見圖6），則全國綠化用水量能減少70.85 億m3/a，減少的水量相當于2018年全國公共服務用水量的80.94%。

（2）在比較五類節水灌溉系統技術特征的基礎上，對不同灌溉系統對再生水的適用性進行了探討。認為再生水中的溶解性物質對微潤灌及痕量灌溉系統的堵塞特性及機理研究是未來關注的熱點之一。此外，張國祥[13]、張志新[38]等對痕量灌溉系統的理論基礎、抗堵塞性能存疑。因此未來可在這些問題上進行更加深入的探討。

（3）綜合考慮不同節水灌溉系統的技術特征、用水量、總投資及對再生水的適用性等因素，在維持城市綠地良好面貌前提下，建議主要推廣微噴灌及微潤灌系統在城市綠地中的應用。