天津某校园景观绿地喷灌管网设计及EPANET在其中的应用

2021-01-06林伟强

供水技术 2020年5期

林伟强

(1.天津市市政工程设计研究院，天津300392；2.天津市基础设施耐久性企业重点实验室，天津300392)

喷灌技术是指将灌溉用水通过喷灌泵站系统加压，形成具有一定压力的水流，通过喷头喷射到近地空中形成细小的液滴，均匀喷洒到土壤表面，为景观植物的生长提供必要的水分。随着景观审美要求的不断提高，在校园景观的设计中绿地往往占有较大比例，景观绿地的浇灌任务对于绿地正常发挥景观功能十分重要。喷灌技术作为现代节水高效的灌溉方式，受到广泛应用。合理的喷灌系统设计不但能够满足浇灌区域的浇灌需求，而且能达到节约用水、节省动力费用的目的。

1 绿地喷灌系统设计

本喷灌系统设计区域位于天津市某大学校门入口处中心轴景观带内，喷灌系统的设计内容主要包括确定合理的设计参数、正确选择喷头、对喷头喷点进行合理布置、对喷灌管网进行布置和水力计算、对喷灌加压水泵进行选型等。

1.1 灌区允许喷灌强度

喷灌强度指单位时间喷洒在单位面积上的水量，该指标与土壤透水性相适应，喷灌强度不应超过土壤渗吸速度。该灌区土质为壤土，依据《喷灌工程技术规范》[1](GB/T 50085—2007)，壤土的允许喷灌强度为12 mm/h，取本灌区允许喷灌强度ρ为8 mm/h。

1.2 灌区最大灌水定额

最大灌水定额应根据灌区需水高峰期的需水量确定，按照最不利条件设计，使喷灌系统在需水高峰期具有足够的供水能力。根据式(1)计算最大灌水定额：

mS=0.1γh(β1-β2)

(1)

式中mS为最大灌水定额，mm；h为计划湿润层深度，cm；β1为适宜土壤含水量上限(体积百分比)，%；β2为适宜土壤含水量下限(体积百分比)，%；γ为土壤容重，g/cm3。

取土壤容重γ=1.45 g/cm3，计划湿润深度h=30 cm，β1=24%，β2=17%。经计算，m=30.45 mm，取灌水定额为30 mm。

1.3 灌区设计灌水周期

设计灌水周期是指在设计灌水定额和设计日耗水量条件下，满足作物生长需要，2次灌水之间的最长间隔。缺少资料时，灌水周期T可根据代表年按照水量平衡原理确定：

T=m/ET

(2)

式中T为设计灌水周期，d；m为设计灌水定额，mm；ET为作物日蒸发蒸腾量，mm。

经计算，灌水周期T=6 d，结果可作为天津地区绿化高峰月份用水依据。浇灌计划并非一成不变，应根据气温、风力、降水等天气情况进行调整。

1.4 喷头的选型与布置

喷头的选型与布置直接影响喷灌系统的正常工作和浇灌效果的发挥，如喷灌强度、喷灌均匀度等。合理的喷头选型与布置既能满足景观植物生长的水量需求，又能突出喷灌的优势，节省水源、投资成本和后期运行维护费用。

本项目为园林景观灌溉项目，灌区内大部分面积为草坪，宜采用地埋式旋转喷头。这种喷头暴露于地面之上的部分较少，不会对园林景观造成破坏。同时，该喷头的射程和覆盖角度等参数易调节，以适用于大小不规则的地块，喷洒效果好。

本项目灌区为校门入口处景观带，整个灌区被中央景观道路及特色水景大致分隔成为4个子灌区，通过分析可知，灌区所需要的射程约为8～10 m。通过比较各厂家喷头的性能，决定采用5500-PC系列地埋式旋转喷头，其主要参数见表1。

表1 5500-PC系列地埋式旋转喷头的主要参数Tab.1 Main parameters of the 5500-PC series buried rotary nozzle

喷头布置的合理性直接关系到喷灌系统的均匀度和喷头的个数，影响喷灌效果和工程投资。喷头的布置形式通常有三角形和矩形两种。三角形布置在中心区域存在水量重叠，可以提高喷灌均匀度，节省水源。矩形布置有利于增强喷灌系统的抗风能力。

图1 中心轴景观带自动喷灌系统Fig.1 Automatic sprinkling irrigation system for central axis landscape belt

如图1所示，本项目灌区分为内外2个部分，以中央大型水景为分界，靠近外部的2个子灌区由于紧邻校门容易受风力影响，喷洒水形容易受到破坏，因此采用矩形布置。考虑到天津喷灌季节的平均风速，将喷头间距设置为(1.1～1.3)R，喷头间距约为11～13 m，喷灌面积约为31 500 m2，共布置喷头174个。另外，在校门两侧布置了人工取水阀，方便人工取水浇灌。靠近内侧的2个子灌区采用三角形布置，喷头间距设置约为(1.1～1.3)R，喷头间距约为11～13 m，共布置喷头99个。

1.5 喷灌强度的验算

喷灌强度指单位时间内喷洒到地面上的水深，5500-PC型喷头的流量q为1.23 m3/h，控制面积A约为200 m2。则实际喷灌强度ρ=1 000q/A=6.15 mm/h，小于该灌区允许的喷灌强度8 mm/h，满足要求。

1.6 喷灌管道的水力计算

1.6.1水头损失计算

根据相关工程经验，喷灌管网管材多选用硬聚氯乙烯(PVC)管，支管管径多选用DN50(公称直径50 mm、外径63 mm)。根据同时工作喷头数量确定喷灌流量约为106 m3/h，按照经济流速选取干管管径为DN150。

选取管网典型支管进行支管水头损失计算，根据《喷灌工程设计手册》，计算沿程损失：

hfz=S0Q1.77L

(3)

hfz′=F×hfz

(4)

选取的典型支管管长L=50 m，连接喷头约10个，支管流量为24.61 m3/h。查表得到S0=2 188，多口系数F=0.395。计算得到典型支管沿程损失hfz′=0.88m，局部损失hjz按沿程损失的10%计，支管总水头损失hz=0.97 m。

由于灌区内管网为对称布置，选择其中一侧干管进行计算，按照最远端喷灌区工作的最不利情况计算，干管沿程损失：

(5)

查手册得到f=0.948105，m=1.77，b=4.77。计算得到干管沿程损失hfg=2.94m，局部损失hjg按沿程损失的10%计，干管总水头损失hg=3.24 m。因此，总水头损失h总=hz+hg=4.21 m。

1.6.2系统扬程计算与水泵选取

根据水力计算结果计算所需流量、扬程并进行水泵选型时，需要以距离水源最远处子灌区喷头运行时的工况为依据。根据式(6)计算系统扬程：

H系=Hp+H竖+hz+hg+h泵

(6)

式中Hp为典型喷点的喷头工作压力水头，取25 m；H竖为喷点的竖管高度，取0.5 m；hz为支管的水头损失，取0.97 m；hg为干管的水头损失，取3.24 m；h泵为水泵进出水管口的水头损失，取1 m。

计算得到H系=30.71 m，根据流量和扬程，参照各水泵厂家的性能参数，推荐采用变频调速单级离心清水泵。

2 EPANET在喷灌管网设计中的应用

EPANET软件被广泛应用于城市供水管网的分析计算，由于绿化喷灌管网与供水管网具有相似性，因此可将供水枝状管网的分析计算方法引入绿化喷灌管网的水力计算中。

2.1 EPANET对绿化喷灌管网的水力计算方法

将绿化管网的CAD图形导入EPANET中，同时需要定义各节点的属性和各管段的管径、管长信息。由于EPANET的节点属性中没有专门的喷头属性可以定义使用，但其中的扩散器组件可用于喷头水力特性的模拟分析[2]。扩散器是EPANET中的一种节点属性，通过控制模拟流量排向大气，通过扩散器的流量是节点压强的函数。

q=Cpr

(7)

式中q为喷嘴流量，L/s；C为扩散系数；p为工作压力，m；r为压强系数。

由于扩散系数C未知，需根据喷头的正常工作流量和工作压力进行推算，压强系数r取0.5，根据所选喷头的特性，q取0.4 L/s，p取25 mH2O，计算得到C约为0.08。

2.2 算例分析

以图2所示部分绿化自动喷灌系统为例，喷头根据景观公园绿地的浇灌要求布置，选用5500系列地埋式旋转喷头，总作用面积约为10 000 m2，作用面积内共设置45个喷头。

图2 局部绿化自动喷灌系统Fig.2 Automatic sprinkling irrigation system for local greening

2.2.1计算方法

根据整体绿化喷灌管线系统在EPANET中进行建模。水力计算选用海澄-威廉公式，管道粗糙度C=150。根据各喷头的位置确定各节点的标高，输入各节管道的管径和长度(将管件折算为当量管长)，将喷头节点定义为扩散器，赋值扩散系数。

对于有压管网的模拟，EPANET软件采用正向计算的方式，即按照给定的入口压力计算系统内各点的工作压力和流量。与由最不利点压力反算入口水压的方式不同，本算例模拟计算中以计算的扬程为基础，根据最不利点满足25 mH2O工作压力为条件，对系统入口压力进行试算，得出满足条件的最佳工况。

2.2.2计算与校核

用EPANET对算例进行模拟计算，同时按照水力计算公式进行手工计算对比。模拟计算结果表明，当远端最不利点设计水头为25 mH2O时，软件计算的入口压力为34.2 mH2O，系统总水量为19.54 L/s，作用面积内的平均喷灌强度为7 mm/h，满足《喷灌工程技术规范》(GB/T 50085—2007)的要求，基本可以达到喷灌效果。此外，将部分手工计算结果与模拟计算结果进行对比，见表2。

表2 计算结果对比 Tab.2 Comparison of calculation results

2.2.3结果与分析

为了评价EPANET用于喷灌系统计算的结果准确性，分别采用手工计算与EPANET模拟计算，对该喷灌管网进行水力计算。EPANET模拟计算结果表明，保持喷灌系统最不利点水头为25 mH2O的情况下，系统入口处的压力为31.63 mH2O，略高于手工计算结果，各喷灌作用点的流量和压力有一定偏差但基本保持一致。EPANET模拟计算采用的海澄-威廉公式的水力损失计算值与手工计算采用的舍维列夫公式计算值相比略偏大，保持最不利点工况和误差累计下造成系统入口压力略高。