園林升降式旋轉(zhuǎn)射線噴頭對再生水的適應(yīng)性評價

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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jī)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(diǎn)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(jì)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(yùn)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(yùn)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(yùn)行條件下的水力性能評價對再生水園林噴灌運(yùn)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(diǎn)又實(shí)現(xiàn)了齒輪傳動噴頭可旋轉(zhuǎn)、射程大、抗風(fēng)能力強(qiáng)等功能，同時還具有較低的噴灌強(qiáng)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(yùn)行管理規(guī)程提供支撐。

1 噴頭結(jié)構(gòu)

本研究設(shè)計(jì)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(shí)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(qiáng)，且具有較低的噴灌強(qiáng)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(jī)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(yàn)在國家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心大興試驗(yàn)基地進(jìn)行。

(2)噴灑均勻性。隨機(jī)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(qiáng)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(yàn)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(jì)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(yùn)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(yùn)行的適應(yīng)性，為旋轉(zhuǎn)射線噴頭再生水運(yùn)行管理規(guī)程的制定提供依據(jù)，隨機(jī)選取12個噴頭樣品進(jìn)行再生水噴灌試驗(yàn)。試驗(yàn)在國家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心進(jìn)行，試驗(yàn)裝置采用自行研制的噴頭耐久性試驗(yàn)臺。試驗(yàn)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(yàn)臺內(nèi)再生水循環(huán)使用，由于蒸發(fā)損失等原因，每運(yùn)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(yàn)過程中系統(tǒng)工作壓力保持在0.25 MPa，系統(tǒng)每天運(yùn)行10 h(8:00-18:00)，總運(yùn)行時間為1400 h。試驗(yàn)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(yùn)行50 h，將每個噴頭從試驗(yàn)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(jì)(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(yàn)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(yàn)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(qiáng)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(diǎn)噴灌強(qiáng)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(qiáng)度和噴灑均勻系數(shù)。0.25 MPa下平均噴灌強(qiáng)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(jì)為例，計(jì)算了平均噴灌強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)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(jì)。

3.3 再生水運(yùn)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(yùn)行過程中，系統(tǒng)每運(yùn)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(yàn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)行50 h后流量平均為運(yùn)行前(1 000 h處流量)的95.5%，而清洗后流量恢復(fù)為運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)行前的94.3%和86.1%，由此可見濾網(wǎng)清洗在噴頭再生水運(yùn)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(yùn)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(jì)算，噴頭運(yùn)行1 400 h后流量-壓力關(guān)系與運(yùn)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(yùn)行前相比有所降低，但下降值均未超過5%，說明再生水運(yùn)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(yùn)行前(0 h)與運(yùn)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(yùn)行1 400 h后，噴頭射程(9.4 m)與運(yùn)行前一致。由圖還可看出，再生水運(yùn)行后距離噴頭0～2.0 m范圍內(nèi)，噴灌強(qiáng)度有增大趨勢，而其他位置噴灌強(qiáng)度變化不明顯。經(jīng)計(jì)算，運(yùn)行1 400 h后無風(fēng)條件下單噴頭平均噴灌強(qiáng)度為2.82 mm/h，略高于運(yùn)行前的噴灌強(qiáng)度(2.72 mm/h)；單噴頭水量分布均勻系數(shù)Cu為67.2%，較運(yùn)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(yùn)行前。綜上分析可知，噴頭在經(jīng)過長期運(yùn)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(qiáng)度較運(yùn)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(yùn)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(jì)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(qiáng)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(yùn)行過程中，每運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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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