王 珍，李久生，栗巖峰(中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038)

再生術(shù)灌溉是緩解水資源供需矛盾的有效途徑。近年來，我國的再生水生產(chǎn)能力取得了較快發(fā)展，全國城市污水處理率已由1991年時的14.9%增加到2013年時的89.3%[1]，這為再生水的應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)。與此同時，我國園林綠地面積也有迅猛發(fā)展，利用再生水進(jìn)行園林綠地灌溉已成為解決我國水資源危機的一個重要途徑[2]。隨著再生水灌溉在園林綠地中的應(yīng)用，再生水灌溉對園林綠地植物生長和土壤環(huán)境的影響已成為國內(nèi)外研究者關(guān)注的熱點問題[3-5]，而有關(guān)灌溉設(shè)備對再生水的適應(yīng)性研究較少。噴灌是園林綠地灌溉的一種主要形式，以往灌溉所用噴頭都以常規(guī)水為介質(zhì)進(jìn)行設(shè)計制造[6,7]，缺乏再生水灌溉條件下的適應(yīng)性評價。栗巖峰[8]等對比研究了再生水和地下水運行條件對園林噴頭水力性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)再生水長期運行會導(dǎo)致噴頭流量下降，而噴頭射程、噴灑均勻性并未受到再生水灌溉影響。該研究為我國園林噴頭再生水灌溉適應(yīng)性研究提供了一個良好的開端，但由于噴頭類型多樣，不同結(jié)構(gòu)噴頭再生水運行條件下的水力性能評價對再生水園林噴灌運行管理規(guī)程的制定仍至關(guān)重要。旋轉(zhuǎn)射線噴頭既具有散射式噴頭結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點又實現(xiàn)了齒輪傳動噴頭可旋轉(zhuǎn)、射程大、抗風(fēng)能力強等功能，同時還具有較低的噴灌強度和較高的噴灑均勻度，在國內(nèi)外園林灌溉中的應(yīng)用不斷增加，但其對再生水灌溉的適應(yīng)性評價還未見報道。本研究選擇自行研制的一種園林升降式旋轉(zhuǎn)射線噴頭[9]，對其水力性能及再生水灌溉適應(yīng)性進(jìn)行評價，旨在為建立再生水園林噴灌的運行管理規(guī)程提供支撐。

1 噴頭結(jié)構(gòu)

本研究設(shè)計的園林升降式旋轉(zhuǎn)射線噴頭工作組件主要包括旋轉(zhuǎn)射線噴頭、升降裝置、套筒、彈簧和流量調(diào)節(jié)裝置等。噴頭外筒與旋轉(zhuǎn)射線噴頭螺紋連接，噴頭外筒內(nèi)設(shè)有彈簧和升降柱，升降柱上端螺紋連接射線噴頭，下端內(nèi)置流量調(diào)節(jié)裝置，如圖1所示。旋轉(zhuǎn)射線噴頭采用了散射式噴頭的驅(qū)動方式，直接由水流頂托噴頭頂部的導(dǎo)水板將水流噴出，通過水流沖擊導(dǎo)水板上的射線形流道實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。與其他噴頭相比，該類型噴頭結(jié)構(gòu)簡單、可旋轉(zhuǎn)、抗風(fēng)能力強，且具有較低的噴灌強度和較高的均勻性，在國內(nèi)外園林灌溉中的應(yīng)用不斷增加，相關(guān)的研究工作也廣受關(guān)注。

1-噴頭；2-噴頭外筒；3-升降柱；4-彈簧；5-流量調(diào)節(jié)裝置；6-噴頭濾網(wǎng)圖1 新研制的園林升降式旋轉(zhuǎn)射線噴頭及其工作套筒裝置Fig.1 Geometrical configuration of the new pop-up multi-jet rotational sprayer

2 材料與方法

2.1 園林升降式旋轉(zhuǎn)射線噴頭水力性能測試

(1)流量-壓力關(guān)系。為了解噴頭水力性能指標(biāo)，隨機選擇3個射線噴頭，用0.25級精密壓力表控制壓力為0.1、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.4 MPa，利用0.5級渦輪流量測定每個噴頭在不同工作壓力條件下的流量。噴灌試驗在國家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心大興試驗基地進(jìn)行。

(2)噴灑均勻性。隨機選擇3個射線噴頭，設(shè)定工作壓力為0.15、0.25和0.35 MPa，對噴頭水量分布特性進(jìn)行測試，同時分析流量變化與噴灌強度、射程及水量分布均勻性等指標(biāo)的關(guān)系。雨量筒按照半圓區(qū)域布設(shè)，布設(shè)半徑取為10 m。布置方法參照GBT19795.2-2005《農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備 旋轉(zhuǎn)式噴頭 第2部分水量分布均勻性的試驗方法》[10]中的規(guī)定，射程小于10 m的噴頭雨量筒間距為1 m，軸線上加密為0.5 m。噴灑時間為1 h。噴灌均勻度用克里斯琴森系數(shù)Cu(%)[11]表示。

(3)組合噴灑均勻度。為評價新研制的旋轉(zhuǎn)射線噴頭在不同噴頭組合間距條件下的組合噴灌均勻度，本文選用組合克里斯琴森均勻系數(shù)表示噴灌組合均勻度，利用Matlab程序?qū)螄婎^水量分布數(shù)據(jù)疊加，計算正方組合條件下的克里斯琴森均勻系數(shù)[12]。

2.2 園林升降式旋轉(zhuǎn)射線噴頭再生水運行適宜性評價

為了評價研制的旋轉(zhuǎn)射線噴頭對再生水運行的適應(yīng)性，為旋轉(zhuǎn)射線噴頭再生水運行管理規(guī)程的制定提供依據(jù)，隨機選取12個噴頭樣品進(jìn)行再生水噴灌試驗。試驗在國家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心進(jìn)行，試驗裝置采用自行研制的噴頭耐久性試驗臺。試驗過程中再生水選用北京市大興區(qū)黃村污水處理廠的二級處理再生水，試驗臺內(nèi)再生水循環(huán)使用，由于蒸發(fā)損失等原因，每運行約500 h對再生水進(jìn)行更換。每次更換再生水后，采集水樣對其中各水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行測定，水質(zhì)指標(biāo)平均值如表1所示。

表1 再生水水質(zhì)指標(biāo)測試結(jié)果Tab.1 Characteristics of the reclaimed wastewater used during the experiments

試驗過程中系統(tǒng)工作壓力保持在0.25 MPa，系統(tǒng)每天運行10 h(8:00-18:00)，總運行時間為1400 h。試驗共分為三個階段：第一階段(0～500 h)于2014年9月12日-2014年11月12日進(jìn)行，噴頭每運行50 h，將每個噴頭從試驗臺上卸下，用清水涮去噴頭濾網(wǎng)上附著物后，用0.5級電磁流量計(YK-LDG-10S-M2F101P1N)測定噴頭流量，判斷噴頭堵塞情況及其耐久性；第二階段(500～1 000 h)于2015年5月25日-2015年7月20日進(jìn)行，測試內(nèi)容及方法與第一階段一致；在試驗第三階段(1 000～1 400 h，2015年7月22日-2015年9月7日)，為評價濾網(wǎng)清洗頻率對噴頭流量的影響，將所有噴頭(12個)分為4組，設(shè)定高頻清洗(清洗間隔50 h)、中頻清洗(清洗間隔100 h)、低頻清洗(清洗間隔200 h)和不清洗，流量測試方法和測試間隔同第一、二階段。同時，在試驗結(jié)束后，測定噴頭流量-壓力關(guān)系及水量分布，測試方法同2.1節(jié)所述。

3 結(jié)果與分析

3.1 噴頭水力性能及其水量分布

圖2給出了新研制旋轉(zhuǎn)射線噴頭的流量-壓力關(guān)系，噴頭流量隨壓力升高而明顯增加，當(dāng)壓力在0.1～0.40 MPa范圍內(nèi)變化時，噴頭流量變化范圍為0.512～1.001 m3/h。3個射線噴頭在同一工作壓力下流量的標(biāo)準(zhǔn)差變化范圍為0.003～0.009 m3/h，因此噴頭制造偏差很小。由圖2還可看出，噴頭流量-壓力關(guān)系可用冪函數(shù)進(jìn)行表示，流態(tài)指數(shù)為0.49。

圖2 噴頭流量-壓力關(guān)系曲線Fig.2 Relationship between discharge and operating pressure for the sprayer

圖3給出了新研制噴頭在不同工作壓力條件下噴灌強度等值線圖。噴頭噴灑范圍隨噴頭工作壓力的增大而增加，當(dāng)壓力從0.15 MPa升高為0.25 MPa時這一現(xiàn)象尤為明顯。由表2可知，壓力為0.25 MPa下的射程較0.15 MPa時高12%，而當(dāng)噴頭壓力繼續(xù)升高至0.35 MPa時，噴頭對應(yīng)射程僅較0.25 MPa時提高5%，說明當(dāng)噴頭壓力超過0.25 MPa時噴頭射程隨壓力增大的增幅有所降低。

由圖3還可看出，噴灑范圍內(nèi)點噴灌強度基本呈均分分布特征。表2中同時給出了不同壓力條件下的平均噴灌強度和噴灑均勻系數(shù)。0.25 MPa下平均噴灌強度略低于其他兩種壓力條件下對應(yīng)值；0.25和0.35 MPa壓力條件下噴頭噴灑均勻度基本一致，但0.15 MPa壓力條件下噴頭噴灑均勻系數(shù)明顯低于0.25和0.35 MPa下的對應(yīng)值，綜合噴頭能耗及水分分布特征可以得出噴頭最佳工作壓力為0.25 MPa。

表2 不同工作壓力條件下噴頭射程及水量分布特征參數(shù)Tab.2 Water distribution characteristics of the sprayer under different operating pressures

3.2 噴頭組合間距對噴灑均勻性的影響

本文以正方形組合設(shè)計為例，計算了平均噴灌強度和組合均勻系數(shù)(表3)。組合間距系數(shù)在1.0～1.4之間變化時，平均噴灌強度變化范圍為8.65～4.44 mm/h，隨著組合間距的增加，平均噴灌強度和噴灑均勻系數(shù)降低，均勻系數(shù)在78.7%～68.0%之間變化。當(dāng)噴頭組合間距系數(shù)為1.4時，噴頭組合均勻系數(shù)低于單噴頭噴灑均勻系數(shù)(72.4%)，因此實際應(yīng)用中應(yīng)盡量避免過大的組合間距(組合間距系數(shù)>1.3)。

表3 不同組合間距條件下噴頭組合噴灑水力性能Tab.3 The average application rate and overlapped uniformity coefficient at different sprayer spacings

注：工作壓力為0.25 MPa；噴頭采用正方形組合設(shè)計。

3.3 再生水運行條件下噴頭水力性能變化特征

由于再生水中含有較多的藻類、微生物及鹽分離子，與地下水相比其更容易形成堵塞物對灌溉系統(tǒng)產(chǎn)生影響。本研究再生水運行過程中，系統(tǒng)每運行50 h后均能發(fā)現(xiàn)噴頭下部裝設(shè)的濾網(wǎng)(圖1中部件6)上會不同程度的附著一些再生水中產(chǎn)生的沉積物，由于試驗第一階段(0～500 h)和第二階段(500～1 000 h)主要關(guān)注再生水運行對噴頭內(nèi)部及流道堵塞的影響，因此每50 h流量測定時均對噴頭下部濾網(wǎng)外的堵塞物進(jìn)行了清洗。經(jīng)測試，噴頭工作壓力為0.25 MPa條件下系統(tǒng)運行1000 h過程中，平均流量變化范圍為0.759～0.784 m3/h(變異系數(shù)為0.006)，再生水條件下新研制的旋轉(zhuǎn)射線噴頭流道沒有出現(xiàn)堵塞，這得益于噴頭下部濾網(wǎng)對再生水中堵塞物的過濾效果，同時這也與旋轉(zhuǎn)射線噴頭過水流道斷面尺寸較大有關(guān)。

在再生水運行第三階段(1 000～1 400 h)，不同清洗頻率條件下噴頭流量變化過程如圖4所示。噴頭每運行50 h后，濾網(wǎng)會出現(xiàn)不同程度的堵塞，噴頭流量呈明顯下降趨勢，高頻清洗條件下(清洗間隔50 h)每運行50 h后流量平均為運行前(1 000 h處流量)的95.5%，而清洗后流量恢復(fù)為運行前的98.9%，由此說明高頻清洗能較好地去除噴頭濾網(wǎng)上附著堵塞物對噴頭流量造成的影響。與高頻沖洗處理類似，中頻清洗(清洗間隔100 h)和低頻清洗(清洗間隔200 h)條件下，噴頭濾網(wǎng)清洗前噴頭流量也呈持續(xù)下降趨勢，清洗后噴頭流量明顯升高。每運行一個清洗周期后，中頻清洗和低頻清洗條件下噴頭流量分別較運行前降低6.2%和10.3%，而噴頭濾網(wǎng)清洗后噴頭流量恢復(fù)為運行前的99.8%和98.9%，這說明在中、低頻清洗頻率條件下噴頭濾網(wǎng)清洗仍能較好地去除濾網(wǎng)上附著的堵塞物，且噴頭內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)明顯的堵塞現(xiàn)象。由圖4還可看出，不清洗處理噴頭流量呈持續(xù)下降趨勢，第1 200和1 400 h時噴頭流量分別為運行前的94.3%和86.1%，由此可見濾網(wǎng)清洗在噴頭再生水運行過程中非常必要。綜上，為了盡量避免再生水對噴頭濾網(wǎng)堵塞對噴頭流量造成影響，建議選用的清洗間隔為50 h。

圖4 不同濾網(wǎng)清洗間隔條件下噴頭流量變化情況Fig.4 The variation of the discharge rates of the sprayer at different cleaning intervals of the sprayer screen

為了評價長期再生水灌溉對噴頭水力性能的影響，在再生水運行結(jié)束后對噴頭流量-壓力關(guān)系及噴灑均勻性進(jìn)行了測試。由于噴頭流道并未出現(xiàn)明顯堵塞情況，因此僅選取3個噴頭進(jìn)行測試(濾網(wǎng)清洗后)。經(jīng)計算，噴頭運行1 400 h后流量-壓力關(guān)系與運行前相比無明顯差異，流量-壓力關(guān)系仍符合冪函數(shù)關(guān)系(y=1.523x0.465，R2=0.996)，流量系數(shù)和流態(tài)指數(shù)較運行前相比有所降低，但下降值均未超過5%，說明再生水運行對噴頭流量-壓力關(guān)系未產(chǎn)生明顯影響。

圖5給出了運行前(0 h)與運行后(1 400 h)時噴頭在0.25 MPa壓力下的徑向水量分布圖。噴頭運行1 400 h后，噴頭射程(9.4 m)與運行前一致。由圖還可看出，再生水運行后距離噴頭0～2.0 m范圍內(nèi)，噴灌強度有增大趨勢，而其他位置噴灌強度變化不明顯。經(jīng)計算，運行1 400 h后無風(fēng)條件下單噴頭平均噴灌強度為2.82 mm/h，略高于運行前的噴灌強度(2.72 mm/h)；單噴頭水量分布均勻系數(shù)Cu為67.2%，較運行前Cu低7.2%。0.25 MPa下正方形組合(組合間距系數(shù)為1.2)均勻系數(shù)為79.6%，略高于運行前。綜上分析可知，噴頭在經(jīng)過長期運行后(1 400 h)，基本保持了較好的工作狀態(tài)，噴灑范圍及平均噴灌強度較運行前均未出現(xiàn)明顯變化。隨著噴頭部件的老化，噴頭密閉性等可能受到影響，單噴頭噴灑均勻性有所降低，但是噴頭組合均勻系數(shù)仍能保持較高水平，滿足園林綠地灌溉需求。

圖5 噴頭再生水運行前后徑向水量分布圖Fig. 5 Radial water distribution of the sprayer at the beginning and the end of the operation with reclaimed wastewater

4 結(jié) 語

考慮園林綠地灌溉需求，設(shè)計了一種升降式旋轉(zhuǎn)射線噴頭。該噴頭流量-壓力關(guān)系可用冪函數(shù)表示，流態(tài)指數(shù)為0.49；在工作壓力在0.15～0.35 MPa變化時，噴灌強度變化不大(變化范圍為2.72～2.98 mm/h)，單噴頭在工作壓力為0.25和0.35 MPa時可保持較高的噴灑均勻度。無風(fēng)條件下，組合間距系數(shù)為1.0～1.4時，組合均勻系數(shù)為79%～68%。噴頭在再生水條件下運行過程中，每運行50 h清洗噴頭進(jìn)口濾網(wǎng)，可以有效防止堵塞造成的流量降低，將流量下降幅度控制在5%以內(nèi)。噴頭在再生水條件下運行1 400 h后，結(jié)構(gòu)完好，流量、射程未發(fā)生明顯改變，表明噴頭質(zhì)量較好，對再生水灌溉具有較好的適應(yīng)性?？傮w來看，再生水長期運行 未對新研制噴頭水力性能產(chǎn)生明顯不利影響，但長期使用再生水仍可能對噴頭流道、濾網(wǎng)、噴頭套筒等過流部件造成堵塞，影響噴頭的流量、水量分布特性。因此，再生水運行條件下，需要定期對噴頭流道特性進(jìn)行檢查，并根據(jù)堵塞情況及堵塞物類別采用清洗、加氯或加酸等方式對堵塞噴頭進(jìn)行處理。

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