城市绿化节水灌溉技术比较研究

欧玉民，许 萍

（北京建筑大学城市雨水系统与水环境教育部重点实验室水环境国家级实验教学示范中心，北京100044）

0 引 言

城市绿化不仅具有调节城市湿热环境和改善城市水环境等生态功能，还具有提高居民生活质量和改善市容市貌等社会功能[1]。根据《2018年中国国土绿化状况公报》显示，2018年全国城市建成区绿化率达37.9%，人均公园绿地面积为14.1 m2[2]。对比发达国家，早在2000年，德国柏林、英国伦敦、俄罗斯莫斯科及美国洛杉矶等城市的人均公园绿地面积已分别达到26.1、25.4、21.0 及18.06 m2[3]。可以看出，我国城市绿化现状与国际先进水平还存在着较大的差距。随着未来我国城市化进程不断发展，城市绿地面积逐渐增大，其用水量与水资源短缺之间的矛盾渐显。

除业内熟知的喷灌、微喷灌及滴灌技术之外，近年来还出现了微润灌及痕量灌溉等新兴灌溉技术，不同的灌溉技术有着不同的特点及适用场景。基于此，本文在对比喷灌、微喷灌、滴灌、微润灌及痕量灌溉等不同节水灌溉系统技术特征的基础上，基于情景假设，开展了五类节水灌溉系统用水量及总投资的对比分析，并以此为基础，探讨了五类灌溉系统对再生水的适用性问题，最后提出了适用于不同城市绿地形式的灌溉系统，旨在为节水灌溉技术在城市中的推广与应用提供参考。

1 不同灌溉系统技术特征及其比较

喷灌、微喷灌、滴灌、微润灌及痕量灌溉等不同节水灌溉系统技术特征比较见表1。

表1 不同节水灌溉系统技术特征比较Tab.1 Comparison of technical characteristics of different water-saving irrigation systems

由表1可以看出，从出水方式上对比，喷灌、微喷灌及滴灌均属于点状出水，区别在于灌水器的不同；微润灌溉属于线状出水，微润管既是输水管也是灌水管，水分从管壁逐渐渗出灌溉；痕量灌溉类似于密集的点状出水，土壤毛细管力使得水分从痕量灌溉管中流出进行灌溉。

从灌水范围上对比，喷灌系统工作压力较微喷灌系统大，喷头射程范围也较远，最远可达50 m 左右；滴灌、微润灌及痕量灌溉均属于局部灌溉，在水分运移距离上差别不大。滴灌、微润灌及痕量灌溉水平方向水分运移范围分别为20～50、40～60 及50～60 cm，垂直方向水分运移范围分别为40～80、50～80及20～80 cm。

从系统抗堵塞性能上对比，喷灌和微喷灌系统因系统工作压力大，管道内水流速较快，水质不会对系统的出流量造成较大的影响[14，15]；微润管以管壁渗流的方式出水，管壁遍布出水孔，虽然半透膜孔径极小，但只要半透膜上微孔没被完全堵塞，均能够持续出水，系统在以自来水[16]、井水[17]为水源时，分别能够良好运行70 d、48 d不发生堵塞；痕量灌溉管由于其独特的过滤膜结构，抗堵塞性能较优[11]，在再生水水源条件下，在17 d 内系统出流量变化率小于10%[18]。而滴灌系统，由于灌水器流道尺寸较小，内部水流流速较慢，对水质极为敏感[19]，即使在以自来水为水源的条件下，系统在运行38 d左右时，滴头出流量下降率达到了50%[20]。因此从不同节水灌溉系统抗堵塞性能上对比，喷灌系统抗堵塞性能最优，微喷灌、微润灌及痕量灌溉其次，滴灌系统抗堵塞性能最差。

2 不同灌溉系统用水量及总投资比较

为了更直观地比较不同节水灌溉系统的用水量及总投资，本文以一块100 m×100 m 的新建草坪作为情景，地点为北京市，以自来水作为水源，分别以喷灌、微喷灌、滴灌、微润灌及痕量灌溉等作为灌溉系统，对用水量及总投资进行对比分析。

根据2019年《北京市水资源公报》，北京市多年平均降雨量为488 mm，降雨集中在6−9月，四季多年平均蒸散量依次为4.0、4.7、2.3、1.2 mm/d[21]。蒸散量及降雨量的变化会对灌溉制度造成影响，因此本文喷灌、微喷灌、滴灌系统的灌溉制度参考已建成的北京市奥林匹克公园中心区绿化灌溉系统设计[22]：一年灌溉时间为200 d，集中在3月中旬至11月下旬，灌溉周期为1 d，喷灌系统一次灌水延续时间为0.6 h；微喷灌和滴灌系统一次灌水延续时间为1.25 h。由于缺少微润灌和痕量灌溉技术实际应用于城市绿地的参考资料，因此在本文设置情景中，微润管流量参考张国祥[23]等的实验结果：当工作压力为0.02 MPa时，微润管在地埋条件下流量为63 mL/（m·h）；痕量灌溉管流量参考新疆哈密枣园试点数据[13]：当工作压力为0.05 MPa时，痕量灌溉管在地埋条件下流量为60 mL/（m·h），微润灌和痕量灌溉系统均为24 h持续出水。

本文考虑灌溉系统总投资包括动力设备成本、预处理设备成本、管材及附件成本和运行成本四部分，其中动力设备成本为系统泵的费用；预处理设备成本为系统水源端过滤装置费用，结合第1节中系统抗堵塞性能的对比结果，设定当以自来水为水源时，仅抗堵塞性能最差的滴灌系统需要在水源端安装离心过滤器、网式过滤器及砂石过滤器等预处理装置；管材及附件单价参考互联网上某同一厂家；运行成本包括水费和电费，单价均参照北京市标准：自来水水价为5 元/m3，电费为0.49 元/kWh。水源距离绿地的距离为10 m。为简便计算，忽略系统中沿程和局部损失的影响。

管道管径计算方法：对于单独的压力输水管道，管径计算采用公式（1）；用水量计算方法如公式（2）所示；系统用电主要为泵电耗，用电量计算方法如公式（3）所示。

式中：D为管道直径，m；v为管道流速，m/s，通常为1～3 m/s[24]，此处取1.5 m/s；Q为管道流量，m3/s。

式中：V为用水量，m3；q为系统流量，m3/h；t为系统运行时间，h。

式中：W为用电量，kWh；P为泵功率，kW；t为系统运行时间，h。

2.1 喷灌系统

喷灌系统选择PY1−40 型喷头，其射程为29.5 m，故系统布置两根支管，如图1所示，两根支管距A、C 两端距离为25 m，支管间距为50 m，每根支管上布置两个喷头，喷头距B、D 两端距离为25 m，喷头间距为50 m。根据所选PY1—40 型喷头流量，代入式（1）和式（2），计算管道管径及用水量。根据喷头的工作压力，选择CDL60−30−1 型多级泵为动力设备，根据泵功率代入式（3）计算用电量。系统管道流量、管径及设备性能参数见表2，系统总投资概算见表3。

图1 喷灌系统布置图（单位：m）Fig.1 Layout of sprinkler irrigation system

经计算，喷灌系统用水量为51.6 m3/h×0.6 h×200 d=6 192 m3，水费为6 192 m3×5元/m3=30 960 万元。用电量为15 kW×0.6 h×200 d=1 800 kWh，电费为1 800 kWh×0.49元/kWh=882元。

表2 喷灌系统管道流量、管径及设备性能参数Tab.2 Pipe flow，pipe diameter and equipment performance parameters of sprinkler irrigation system

表3 喷灌系统总投资概算Tab.3 Total investment estimate of sprinkler irrigation system

2.2 微喷灌系统

微喷灌系统选择WPX90−250 单向射流旋转式微喷头，其射程为2.7 m，故系统布置支管19 根，如图2所示，支管间距为5 m，其中两端的支管距A、C 两端距离为2.5 m，每根支管上布置微喷头数量为19个，微喷头间距为5 m，两端微喷头距B、D 两端2.5 m。根据所选微喷头流量，代入式（1）和式（2），计算管道管径及用水量。根据微喷头的工作压力，选择CDL20−3 型多级泵为动力设备，根据泵功率代入式（3）计算用电量。管道流量、管径及设备性能参数见表4，系统总投资概算见表5。

图2 微喷灌系统布置图（单位：m）Fig.2 Layout of micro sprinkler irrigation system

经计算，微喷灌系统用水量为14.44 m3/h×1.25 h×200 d=3 610 m3，水费为3 610 m3×5元/m3=18 050元。用电量为4 kW×1.25 h×200 d=1 000 kWh，电 费为1 000 kWh×0.49 元/kWh=490元。

2.3 滴灌系统

滴灌系统选择WDF16/2.1−100 单翼迷宫式滴头，假设滴头单侧湿润土壤距离为0.5 m，故系统共设置100根长为100 m的支管，如图3所示，支管间距为1 m，其中两端的支管距A、C 两端0.5 m，每根支管上布置100个滴头，滴头间距为1 m，两端的滴头距离B、D 两端0.5 m。根据所选滴头流量，代入式（1）和式（2），计算管道管径及用水量。根据滴头工作压力，选择CDL20−1 型多级泵为动力设备，根据泵功率代入式（3）计算用电量。系统管道流量、管径及设备性能参数见表6，系统总投资概算见表7。

表4 微喷灌系统管道流量、管径及设备性能参数Tab.4 Pipe flow，pipe diameter and equipment performance parameters of micro sprinkler irrigation system

表5 微喷灌系统总投资概算Tab.5 Total investment estimate of micro sprinkler irrigation system

图3 滴灌系统布置图（单位：m）Fig.3 Layout of drip irrigation system

经计算，滴灌系统用水量为20 m3/h×1.25 h×200 d=5 000 m3，水费为5 000 m3×5 元/m3=25 000 元。用电量为1.1 kW×1.25 h×200 d=275 kWh，电 费为275 kWh×0.49 元/kWh=134.75元。

2.4 微润灌系统

微润灌系统中，微润管流量为63 mL/（m·h），即1.512 L/（m·d）。假设微润管单侧湿润土壤距离为0.5 m，故共设置100根长为100 m 的微润管，如图4所示，管间距为1 m，其中两端的微润管距A、C 两端0.5 m。根据流量代入式（1）和式（2），计算管道管径及用水量。系统工作压力为0.02 MPa，故选择CDL2−2 型多级泵为动力设备，根据泵功率代入式（3）计算用电量。系统管道流量、管径及设备性能参数见表8，系统总投资概算见表9。

表6 滴灌系统管道流量、管径及设备性能参数Tab.6 Pipe flow，pipe diameter and equipment performance parameters of drip irrigation system

表7 滴灌系统总投资概算Tab.7 Total investment estimate of drip irrigation system

图4 微润灌系统布置图（单位：m）Fig.4 Layout of moistube irrigation system

表8 微润灌系统管道流量、管径及设备性能参数Tab.8 Pipeline flow，pipe diameter and equipment performance parameters of moistube irrigation system

经计算，微润灌系统用水量为0.63 m3/h×24 h×200 d=3 024 m3，水费为3 024 m3×5 元/m3=15 120 元。用电量为0.37 kW×24 h×200 d=1 776 kWh，电费为1 776 kWh×0.49 元/kWh=870.24元。

表9 微润灌系统总投资概算Tab.9 Total investment estimate of moistube irrigation system

2.5 痕量灌溉系统

痕量灌溉系统中，痕量灌溉管流量为60 mL/（m·h），即1.440 L/（m·d）。假设痕量灌溉管单侧湿润土壤距离为0.5 m，故共设置100 根长为100 m 的痕量灌溉管，如图5所示，管间距为1 m，其中两端的痕量灌溉管距A、C 两端0.5 m。根据流量代入式（1）和式（2）计算管径及用水量，系统工作压力为0.05 MPa，故选择CDL2−2 型多级泵为动力设备，根据泵功率代入式（3）计算用电量。系统管道流量、管径及设备性能参数见表10，系统总投资概算见表11。

图5 痕量灌溉系统布置图（单位：m）Fig.5 Layout of trace irrigation system

表10 痕量灌溉系统管道流量、管径及设备性能参数Tab.10 Pipe flow，pipe diameter and equipment performance parameters of trace irrigation system

经计算，痕量灌溉系统用水量为0.60 m3/h×24 h×200 d=2 880 m3，水费为2 880 m3×5 元/m3=14 400 元。用电量为0.37 kW×24 h×200 d=1 776 kWh，电费为1 776 kWh×0.49 元/kWh=870.24元。

喷灌、微喷灌、滴灌、微润灌及痕量灌溉等几种不同节水灌溉系统单位面积年用水量见图6。

由图6可知，微润灌和痕量灌溉系统单位面积年用水量较滴灌系统分别减少了39.60%、42.40%，这与王新生[25]、刘学军[12]等的实验结果基本一致，主要原因是微润管及痕量灌溉管出水后浸润土壤，而土壤不能将水分及时地扩散出去，减少了灌水器内外的水势梯度，从而抑制了水分的出流[11,23]。喷灌系统单位面积年用水量在五类灌溉系统中最大，为0.619 m3/（m2·a）。

表11 痕量灌溉系统总投资概算Tab.11 Total investment estimate of trace irrigation system

图6 不同节水灌溉系统单位面积年用水量Fig.6 Annual water consumption per unit area of different water saving irrigation systems

喷灌、微喷灌、滴灌、微润灌及痕量灌溉等几种不同节水灌溉系统单位面积投资见图7。

图7 不同节水灌溉系统单位面积投资Fig.7 Unit area investment of different water saving irrigation systems

由图7可知，微润灌和痕量灌溉系统单位面积投资最高，分别为8.09、8.02 元/m2，其中运行成本占比分别为19.76%、19.04%，管材附件成本占比分别达到了78.69%、79.40%；喷灌系统在五类灌溉系统中单位面积投资最少，为3.84 元/m2，其中运行成本占比达到了82.88%；滴灌系统单位面积投资为4.47 元/m2，其中管材及附件成本占比20.23%，预处理设备成本占比17.88%，运行成本占比56.19%。

3 不同灌溉系统对再生水的适用性比较

我国人均水资源量仅为世界平均水平的1/4，水资源短缺问题在我国十分严重[26]。而再生水作为非传统水资源，具有量大、稳定和集中等特点，因此再生水回用是缓解水资源紧张的重要手段，其中，灌溉绿地是再生水回用的主要途径之一。虽然再生水灌溉会对土壤环境及植物产生一定影响，但从目前研究结果来看，再生水作为绿地灌溉水源是可行的[27]。而再生水复杂的水质极有可能会引起灌溉系统如滴灌等堵塞进而影响出水[28]。随着再生水回用城市绿地灌溉系统不断地推广与应用，各类灌溉系统对再生水的适用性问题随之而来。

结合第1节中关于系统抗堵塞性能的比较得知，喷灌和微喷灌系统抗堵塞性能较强，因此，本文比较了滴灌、微润灌及痕量灌溉等三类灌溉系统对于水源水质指标的控制阈值，见表12。

表12 滴灌、微润灌及痕量灌溉系统对于水源水质指标的控制阈值Tab.12 Control threshold of water quality index for drip irrigation，moistube irrigation and trace irrigation systems

由表12可知，滴灌系统的再生水堵塞问题一直是学者们研究的重点，近年来取得了不少研究成果[29，30，33]。而目前针对微润灌及痕量灌溉系统堵塞问题的研究集中在水中的不溶性颗粒物，而再生水中的溶解性物质对微润灌及痕量灌溉系统的堵塞特性及机理鲜有研究结果支撑，因此未来可在这些方面进行更加深入的探讨。

此外，灌溉系统对再生水的适用性不仅仅是系统抗堵塞性能的问题，还涉及到经济性问题。如北京市为大力推广居民使用再生水，定价比自来水低（再生水为3.5元/m3，自来水为5 元/m3），长期使用再生水能节省大量水费（以本文计算的喷灌系统为例，每年可节省水费6 192 m3×（5−3.5）元/m3=9 288 元），然 而 以 再 生 水为 灌 溉 水源，需在水源端安装过滤装置甚至混凝沉淀、膜处理等深度处理工艺[34]，导致系统初期投资及运行能耗增加（过滤装置投资为灌溉系统总投资的5%～15%，能耗为总能耗的10%～30%[35]），再加上系统长期运行后，过滤器的过滤效率降低，其反冲洗水费及相应泵电费，系统内部堵塞后的处理费如加氯、加酸处理费及人工费等都不可忽视，使得再生水回用绿地灌溉系统的经济性问题变得复杂。

因此未来可通过优化过滤器及灌水器内部结构，提高过滤及抗堵塞性能。针对再生水回用绿地灌溉系统的经济性问题，可通过建立经济学模型，以节水为目标，投资最少为原则，探索过滤装置+灌溉系统的最优组合模式，为再生水回用绿地灌溉提供参考。

4 适用于不同城市绿地形式的灌溉系统分析

与大面积的农作物种植不同的是，城市绿地形式多样复杂且分散化，分散化的形式给灌溉系统的布置、灌溉水源的选择及灌溉能源的供给带来了许多困难，这也是节水灌溉技术在城市中推广受限的原因之一。从绿地形式上看，公园、社区公园及单位附属绿地面积较大，对绿地外观质量有较高要求；街旁和道路绿地均以狭长的形式为主；居住绿地面积小、地块多且分散，近些年还出现屋顶绿化和垂直绿化等城市绿化新形式。综合考虑技术特征、用水量、总投资及对再生水的适用性等因素，本文提出适用于不同城市绿地形式的灌溉系统，见表13。

表13 适用于不同城市绿地形式的灌溉系统Tab.13 Suitable irrigation system for different urban green space forms

在不同城市绿地形式中，公园、社区公园和单位附属绿地等的绿地面积较大，可采用射程范围大的喷灌系统，若对绿地外观质量有较高要求，也可采用微喷灌系统；微润灌系统额定工作压力仅为0.02 MPa，若水力势能可满足要求，也可不设水泵，便于安装，且其灌水器形态类似手持软管，对地形的适应性较好，但其管材单价较高（6 元/m），因此适用于居住绿地、街旁及道路绿地等小面积绿地；屋顶绿化由于地势高、风速大等原因，对喷灌及微喷灌出水会造成影响，且采用喷灌系统容易导致屋顶漏水[36]，因此可采用微润灌和痕量灌溉等地下灌溉系统，避免刮风对系统出水效果的影响；垂直绿化需水量较大，可达1～20 L/（m2·d）[37]，因此滴灌、微润灌及痕量灌溉等出水量较小的系统（见表1）均不适用，可采用喷灌系统，制定合理的灌溉制度，稳定供水。

综合考虑不同节水灌溉系统的技术特征、用水量、总投资及对再生水的适用性等因素，建议主要推广微喷灌及微润灌系统在城市绿地中的应用，其中，微喷灌系统适用于公园、社区公园和单位附属绿地等大面积绿地；居住绿地、街旁及道路绿地等小面积绿地则以采用灵活性较高的微润灌系统为主；屋顶绿化和垂直绿化则可根据其特点，选择微润灌和喷灌系统。

5 结论与展望

（1）本文基于情景假设，对比了微润灌、痕量灌溉等新兴节水灌溉系统与喷灌、微喷灌及滴灌等传统节水灌溉系统的用水量及总投资。结果显示，微润灌及痕量灌溉系统的单位面积年用水量分别较滴灌系统减少了39.60%、42.40%；痕量灌溉及微润灌系统单位面积投资分别是喷灌系统的2.11、2.09倍，主要原因在于管材及附件的成本较高。

根据《中国城市建设统计年鉴》显示，2018年全国建成区绿化覆盖面积为242万hm2，假设全部由喷灌系统进行灌水，灌水定额为1.50 L/（m2·d），则全国绿化用水量为132.49 亿m3。若全部替换成由痕量灌溉系统进行供水，能节水53.47%（见图6），则全国绿化用水量能减少70.85 亿m3/a，减少的水量相当于2018年全国公共服务用水量的80.94%。

（2）在比较五类节水灌溉系统技术特征的基础上，对不同灌溉系统对再生水的适用性进行了探讨。认为再生水中的溶解性物质对微润灌及痕量灌溉系统的堵塞特性及机理研究是未来关注的热点之一。此外，张国祥[13]、张志新[38]等对痕量灌溉系统的理论基础、抗堵塞性能存疑。因此未来可在这些问题上进行更加深入的探讨。

（3）综合考虑不同节水灌溉系统的技术特征、用水量、总投资及对再生水的适用性等因素，在维持城市绿地良好面貌前提下，建议主要推广微喷灌及微润灌系统在城市绿地中的应用。