园林升降式旋转射线喷头对再生水的适应性评价

王 珍，李久生，栗岩峰(中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038)

再生术灌溉是缓解水资源供需矛盾的有效途径。近年来，我国的再生水生产能力取得了较快发展，全国城市污水处理率已由1991年时的14.9%增加到2013年时的89.3%[1]，这为再生水的应用提供了良好的基础。与此同时，我国园林绿地面积也有迅猛发展，利用再生水进行园林绿地灌溉已成为解决我国水资源危机的一个重要途径[2]。随着再生水灌溉在园林绿地中的应用，再生水灌溉对园林绿地植物生长和土壤环境的影响已成为国内外研究者关注的热点问题[3-5]，而有关灌溉设备对再生水的适应性研究较少。喷灌是园林绿地灌溉的一种主要形式，以往灌溉所用喷头都以常规水为介质进行设计制造[6,7]，缺乏再生水灌溉条件下的适应性评价。栗岩峰[8]等对比研究了再生水和地下水运行条件对园林喷头水力性能的影响，结果发现再生水长期运行会导致喷头流量下降，而喷头射程、喷洒均匀性并未受到再生水灌溉影响。该研究为我国园林喷头再生水灌溉适应性研究提供了一个良好的开端，但由于喷头类型多样，不同结构喷头再生水运行条件下的水力性能评价对再生水园林喷灌运行管理规程的制定仍至关重要。旋转射线喷头既具有散射式喷头结构简单的优点又实现了齿轮传动喷头可旋转、射程大、抗风能力强等功能，同时还具有较低的喷灌强度和较高的喷洒均匀度，在国内外园林灌溉中的应用不断增加，但其对再生水灌溉的适应性评价还未见报道。本研究选择自行研制的一种园林升降式旋转射线喷头[9]，对其水力性能及再生水灌溉适应性进行评价，旨在为建立再生水园林喷灌的运行管理规程提供支撑。

1 喷头结构

本研究设计的园林升降式旋转射线喷头工作组件主要包括旋转射线喷头、升降装置、套筒、弹簧和流量调节装置等。喷头外筒与旋转射线喷头螺纹连接，喷头外筒内设有弹簧和升降柱，升降柱上端螺纹连接射线喷头，下端内置流量调节装置，如图1所示。旋转射线喷头采用了散射式喷头的驱动方式，直接由水流顶托喷头顶部的导水板将水流喷出，通过水流冲击导水板上的射线形流道实现旋转。与其他喷头相比，该类型喷头结构简单、可旋转、抗风能力强，且具有较低的喷灌强度和较高的均匀性，在国内外园林灌溉中的应用不断增加，相关的研究工作也广受关注。

1-喷头；2-喷头外筒；3-升降柱；4-弹簧；5-流量调节装置；6-喷头滤网图1 新研制的园林升降式旋转射线喷头及其工作套筒装置Fig.1 Geometrical configuration of the new pop-up multi-jet rotational sprayer

2 材料与方法

2.1 园林升降式旋转射线喷头水力性能测试

(1)流量-压力关系。为了解喷头水力性能指标，随机选择3个射线喷头，用0.25级精密压力表控制压力为0.1、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.4 MPa，利用0.5级涡轮流量测定每个喷头在不同工作压力条件下的流量。喷灌试验在国家节水灌溉北京工程技术研究中心大兴试验基地进行。

(2)喷洒均匀性。随机选择3个射线喷头，设定工作压力为0.15、0.25和0.35 MPa，对喷头水量分布特性进行测试，同时分析流量变化与喷灌强度、射程及水量分布均匀性等指标的关系。雨量筒按照半圆区域布设，布设半径取为10 m。布置方法参照GBT19795.2-2005《农业灌溉设备 旋转式喷头 第2部分水量分布均匀性的试验方法》[10]中的规定，射程小于10 m的喷头雨量筒间距为1 m，轴线上加密为0.5 m。喷洒时间为1 h。喷灌均匀度用克里斯琴森系数Cu(%)[11]表示。

(3)组合喷洒均匀度。为评价新研制的旋转射线喷头在不同喷头组合间距条件下的组合喷灌均匀度，本文选用组合克里斯琴森均匀系数表示喷灌组合均匀度，利用Matlab程序对单喷头水量分布数据叠加，计算正方组合条件下的克里斯琴森均匀系数[12]。

2.2 园林升降式旋转射线喷头再生水运行适宜性评价

为了评价研制的旋转射线喷头对再生水运行的适应性，为旋转射线喷头再生水运行管理规程的制定提供依据，随机选取12个喷头样品进行再生水喷灌试验。试验在国家节水灌溉北京工程技术研究中心进行，试验装置采用自行研制的喷头耐久性试验台。试验过程中再生水选用北京市大兴区黄村污水处理厂的二级处理再生水，试验台内再生水循环使用，由于蒸发损失等原因，每运行约500 h对再生水进行更换。每次更换再生水后，采集水样对其中各水质指标进行测定，水质指标平均值如表1所示。

表1 再生水水质指标测试结果Tab.1 Characteristics of the reclaimed wastewater used during the experiments

试验过程中系统工作压力保持在0.25 MPa，系统每天运行10 h(8:00-18:00)，总运行时间为1400 h。试验共分为三个阶段：第一阶段(0～500 h)于2014年9月12日-2014年11月12日进行，喷头每运行50 h，将每个喷头从试验台上卸下，用清水涮去喷头滤网上附着物后，用0.5级电磁流量计(YK-LDG-10S-M2F101P1N)测定喷头流量，判断喷头堵塞情况及其耐久性；第二阶段(500～1 000 h)于2015年5月25日-2015年7月20日进行，测试内容及方法与第一阶段一致；在试验第三阶段(1 000～1 400 h，2015年7月22日-2015年9月7日)，为评价滤网清洗频率对喷头流量的影响，将所有喷头(12个)分为4组，设定高频清洗(清洗间隔50 h)、中频清洗(清洗间隔100 h)、低频清洗(清洗间隔200 h)和不清洗，流量测试方法和测试间隔同第一、二阶段。同时，在试验结束后，测定喷头流量-压力关系及水量分布，测试方法同2.1节所述。

3 结果与分析

3.1 喷头水力性能及其水量分布

图2给出了新研制旋转射线喷头的流量-压力关系，喷头流量随压力升高而明显增加，当压力在0.1～0.40 MPa范围内变化时，喷头流量变化范围为0.512～1.001 m3/h。3个射线喷头在同一工作压力下流量的标准差变化范围为0.003～0.009 m3/h，因此喷头制造偏差很小。由图2还可看出，喷头流量-压力关系可用幂函数进行表示，流态指数为0.49。

图2 喷头流量-压力关系曲线Fig.2 Relationship between discharge and operating pressure for the sprayer

图3给出了新研制喷头在不同工作压力条件下喷灌强度等值线图。喷头喷洒范围随喷头工作压力的增大而增加，当压力从0.15 MPa升高为0.25 MPa时这一现象尤为明显。由表2可知，压力为0.25 MPa下的射程较0.15 MPa时高12%，而当喷头压力继续升高至0.35 MPa时，喷头对应射程仅较0.25 MPa时提高5%，说明当喷头压力超过0.25 MPa时喷头射程随压力增大的增幅有所降低。

由图3还可看出，喷洒范围内点喷灌强度基本呈均分分布特征。表2中同时给出了不同压力条件下的平均喷灌强度和喷洒均匀系数。0.25 MPa下平均喷灌强度略低于其他两种压力条件下对应值；0.25和0.35 MPa压力条件下喷头喷洒均匀度基本一致，但0.15 MPa压力条件下喷头喷洒均匀系数明显低于0.25和0.35 MPa下的对应值，综合喷头能耗及水分分布特征可以得出喷头最佳工作压力为0.25 MPa。

表2 不同工作压力条件下喷头射程及水量分布特征参数Tab.2 Water distribution characteristics of the sprayer under different operating pressures

3.2 喷头组合间距对喷洒均匀性的影响

本文以正方形组合设计为例，计算了平均喷灌强度和组合均匀系数(表3)。组合间距系数在1.0～1.4之间变化时，平均喷灌强度变化范围为8.65～4.44 mm/h，随着组合间距的增加，平均喷灌强度和喷洒均匀系数降低，均匀系数在78.7%～68.0%之间变化。当喷头组合间距系数为1.4时，喷头组合均匀系数低于单喷头喷洒均匀系数(72.4%)，因此实际应用中应尽量避免过大的组合间距(组合间距系数>1.3)。

表3 不同组合间距条件下喷头组合喷洒水力性能Tab.3 The average application rate and overlapped uniformity coefficient at different sprayer spacings

注：工作压力为0.25 MPa；喷头采用正方形组合设计。

3.3 再生水运行条件下喷头水力性能变化特征

由于再生水中含有较多的藻类、微生物及盐分离子，与地下水相比其更容易形成堵塞物对灌溉系统产生影响。本研究再生水运行过程中，系统每运行50 h后均能发现喷头下部装设的滤网(图1中部件6)上会不同程度的附着一些再生水中产生的沉积物，由于试验第一阶段(0～500 h)和第二阶段(500～1 000 h)主要关注再生水运行对喷头内部及流道堵塞的影响，因此每50 h流量测定时均对喷头下部滤网外的堵塞物进行了清洗。经测试，喷头工作压力为0.25 MPa条件下系统运行1000 h过程中，平均流量变化范围为0.759～0.784 m3/h(变异系数为0.006)，再生水条件下新研制的旋转射线喷头流道没有出现堵塞，这得益于喷头下部滤网对再生水中堵塞物的过滤效果，同时这也与旋转射线喷头过水流道断面尺寸较大有关。

在再生水运行第三阶段(1 000～1 400 h)，不同清洗频率条件下喷头流量变化过程如图4所示。喷头每运行50 h后，滤网会出现不同程度的堵塞，喷头流量呈明显下降趋势，高频清洗条件下(清洗间隔50 h)每运行50 h后流量平均为运行前(1 000 h处流量)的95.5%，而清洗后流量恢复为运行前的98.9%，由此说明高频清洗能较好地去除喷头滤网上附着堵塞物对喷头流量造成的影响。与高频冲洗处理类似，中频清洗(清洗间隔100 h)和低频清洗(清洗间隔200 h)条件下，喷头滤网清洗前喷头流量也呈持续下降趋势，清洗后喷头流量明显升高。每运行一个清洗周期后，中频清洗和低频清洗条件下喷头流量分别较运行前降低6.2%和10.3%，而喷头滤网清洗后喷头流量恢复为运行前的99.8%和98.9%，这说明在中、低频清洗频率条件下喷头滤网清洗仍能较好地去除滤网上附着的堵塞物，且喷头内部流道结构未出现明显的堵塞现象。由图4还可看出，不清洗处理喷头流量呈持续下降趋势，第1 200和1 400 h时喷头流量分别为运行前的94.3%和86.1%，由此可见滤网清洗在喷头再生水运行过程中非常必要。综上，为了尽量避免再生水对喷头滤网堵塞对喷头流量造成影响，建议选用的清洗间隔为50 h。

图4 不同滤网清洗间隔条件下喷头流量变化情况Fig.4 The variation of the discharge rates of the sprayer at different cleaning intervals of the sprayer screen

为了评价长期再生水灌溉对喷头水力性能的影响，在再生水运行结束后对喷头流量-压力关系及喷洒均匀性进行了测试。由于喷头流道并未出现明显堵塞情况，因此仅选取3个喷头进行测试(滤网清洗后)。经计算，喷头运行1 400 h后流量-压力关系与运行前相比无明显差异，流量-压力关系仍符合幂函数关系(y=1.523x0.465，R2=0.996)，流量系数和流态指数较运行前相比有所降低，但下降值均未超过5%，说明再生水运行对喷头流量-压力关系未产生明显影响。

图5给出了运行前(0 h)与运行后(1 400 h)时喷头在0.25 MPa压力下的径向水量分布图。喷头运行1 400 h后，喷头射程(9.4 m)与运行前一致。由图还可看出，再生水运行后距离喷头0～2.0 m范围内，喷灌强度有增大趋势，而其他位置喷灌强度变化不明显。经计算，运行1 400 h后无风条件下单喷头平均喷灌强度为2.82 mm/h，略高于运行前的喷灌强度(2.72 mm/h)；单喷头水量分布均匀系数Cu为67.2%，较运行前Cu低7.2%。0.25 MPa下正方形组合(组合间距系数为1.2)均匀系数为79.6%，略高于运行前。综上分析可知，喷头在经过长期运行后(1 400 h)，基本保持了较好的工作状态，喷洒范围及平均喷灌强度较运行前均未出现明显变化。随着喷头部件的老化，喷头密闭性等可能受到影响，单喷头喷洒均匀性有所降低，但是喷头组合均匀系数仍能保持较高水平，满足园林绿地灌溉需求。

图5 喷头再生水运行前后径向水量分布图Fig. 5 Radial water distribution of the sprayer at the beginning and the end of the operation with reclaimed wastewater

4 结 语

考虑园林绿地灌溉需求，设计了一种升降式旋转射线喷头。该喷头流量-压力关系可用幂函数表示，流态指数为0.49；在工作压力在0.15～0.35 MPa变化时，喷灌强度变化不大(变化范围为2.72～2.98 mm/h)，单喷头在工作压力为0.25和0.35 MPa时可保持较高的喷洒均匀度。无风条件下，组合间距系数为1.0～1.4时，组合均匀系数为79%～68%。喷头在再生水条件下运行过程中，每运行50 h清洗喷头进口滤网，可以有效防止堵塞造成的流量降低，将流量下降幅度控制在5%以内。喷头在再生水条件下运行1 400 h后，结构完好，流量、射程未发生明显改变，表明喷头质量较好，对再生水灌溉具有较好的适应性。总体来看，再生水长期运行 未对新研制喷头水力性能产生明显不利影响，但长期使用再生水仍可能对喷头流道、滤网、喷头套筒等过流部件造成堵塞，影响喷头的流量、水量分布特性。因此，再生水运行条件下，需要定期对喷头流道特性进行检查，并根据堵塞情况及堵塞物类别采用清洗、加氯或加酸等方式对堵塞喷头进行处理。

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