天津某校園景觀綠地噴灌管網(wǎng)設(shè)計(jì)及EPANET在其中的應(yīng)用

林偉強(qiáng)

(1.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津300392；2.天津市基礎(chǔ)設(shè)施耐久性企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300392)

噴灌技術(shù)是指將灌溉用水通過噴灌泵站系統(tǒng)加壓，形成具有一定壓力的水流，通過噴頭噴射到近地空中形成細(xì)小的液滴，均勻噴灑到土壤表面，為景觀植物的生長提供必要的水分。隨著景觀審美要求的不斷提高，在校園景觀的設(shè)計(jì)中綠地往往占有較大比例，景觀綠地的澆灌任務(wù)對(duì)于綠地正常發(fā)揮景觀功能十分重要。噴灌技術(shù)作為現(xiàn)代節(jié)水高效的灌溉方式，受到廣泛應(yīng)用。合理的噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)不但能夠滿足澆灌區(qū)域的澆灌需求，而且能達(dá)到節(jié)約用水、節(jié)省動(dòng)力費(fèi)用的目的。

1 綠地噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)區(qū)域位于天津市某大學(xué)校門入口處中心軸景觀帶內(nèi)，噴灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括確定合理的設(shè)計(jì)參數(shù)、正確選擇噴頭、對(duì)噴頭噴點(diǎn)進(jìn)行合理布置、對(duì)噴灌管網(wǎng)進(jìn)行布置和水力計(jì)算、對(duì)噴灌加壓水泵進(jìn)行選型等。

1.1 灌區(qū)允許噴灌強(qiáng)度

噴灌強(qiáng)度指單位時(shí)間噴灑在單位面積上的水量，該指標(biāo)與土壤透水性相適應(yīng)，噴灌強(qiáng)度不應(yīng)超過土壤滲吸速度。該灌區(qū)土質(zhì)為壤土，依據(jù)《噴灌工程技術(shù)規(guī)范》[1](GB/T 50085—2007)，壤土的允許噴灌強(qiáng)度為12 mm/h，取本灌區(qū)允許噴灌強(qiáng)度ρ為8 mm/h。

1.2 灌區(qū)最大灌水定額

最大灌水定額應(yīng)根據(jù)灌區(qū)需水高峰期的需水量確定，按照最不利條件設(shè)計(jì)，使噴灌系統(tǒng)在需水高峰期具有足夠的供水能力。根據(jù)式(1)計(jì)算最大灌水定額：

mS=0.1γh(β1-β2)

(1)

式中mS為最大灌水定額，mm；h為計(jì)劃濕潤層深度，cm；β1為適宜土壤含水量上限(體積百分比)，%；β2為適宜土壤含水量下限(體積百分比)，%；γ為土壤容重，g/cm3。

取土壤容重γ=1.45 g/cm3，計(jì)劃濕潤深度h=30 cm，β1=24%，β2=17%。經(jīng)計(jì)算，m=30.45 mm，取灌水定額為30 mm。

1.3 灌區(qū)設(shè)計(jì)灌水周期

設(shè)計(jì)灌水周期是指在設(shè)計(jì)灌水定額和設(shè)計(jì)日耗水量條件下，滿足作物生長需要，2次灌水之間的最長間隔。缺少資料時(shí)，灌水周期T可根據(jù)代表年按照水量平衡原理確定：

T=m/ET

(2)

式中T為設(shè)計(jì)灌水周期，d；m為設(shè)計(jì)灌水定額，mm；ET為作物日蒸發(fā)蒸騰量，mm。

經(jīng)計(jì)算，灌水周期T=6 d，結(jié)果可作為天津地區(qū)綠化高峰月份用水依據(jù)。澆灌計(jì)劃并非一成不變，應(yīng)根據(jù)氣溫、風(fēng)力、降水等天氣情況進(jìn)行調(diào)整。

1.4 噴頭的選型與布置

噴頭的選型與布置直接影響噴灌系統(tǒng)的正常工作和澆灌效果的發(fā)揮，如噴灌強(qiáng)度、噴灌均勻度等。合理的噴頭選型與布置既能滿足景觀植物生長的水量需求，又能突出噴灌的優(yōu)勢(shì)，節(jié)省水源、投資成本和后期運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。

本項(xiàng)目為園林景觀灌溉項(xiàng)目，灌區(qū)內(nèi)大部分面積為草坪，宜采用地埋式旋轉(zhuǎn)噴頭。這種噴頭暴露于地面之上的部分較少，不會(huì)對(duì)園林景觀造成破壞。同時(shí)，該噴頭的射程和覆蓋角度等參數(shù)易調(diào)節(jié)，以適用于大小不規(guī)則的地塊，噴灑效果好。

本項(xiàng)目灌區(qū)為校門入口處景觀帶，整個(gè)灌區(qū)被中央景觀道路及特色水景大致分隔成為4個(gè)子灌區(qū)，通過分析可知，灌區(qū)所需要的射程約為8～10 m。通過比較各廠家噴頭的性能，決定采用5500-PC系列地埋式旋轉(zhuǎn)噴頭，其主要參數(shù)見表1。

表1 5500-PC系列地埋式旋轉(zhuǎn)噴頭的主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of the 5500-PC series buried rotary nozzle

噴頭布置的合理性直接關(guān)系到噴灌系統(tǒng)的均勻度和噴頭的個(gè)數(shù)，影響噴灌效果和工程投資。噴頭的布置形式通常有三角形和矩形兩種。三角形布置在中心區(qū)域存在水量重疊，可以提高噴灌均勻度，節(jié)省水源。矩形布置有利于增強(qiáng)噴灌系統(tǒng)的抗風(fēng)能力。

圖1 中心軸景觀帶自動(dòng)噴灌系統(tǒng)Fig.1 Automatic sprinkling irrigation system for central axis landscape belt

如圖1所示，本項(xiàng)目灌區(qū)分為內(nèi)外2個(gè)部分，以中央大型水景為分界，靠近外部的2個(gè)子灌區(qū)由于緊鄰校門容易受風(fēng)力影響，噴灑水形容易受到破壞，因此采用矩形布置?？紤]到天津噴灌季節(jié)的平均風(fēng)速，將噴頭間距設(shè)置為(1.1～1.3)R，噴頭間距約為11～13 m，噴灌面積約為31 500 m2，共布置噴頭174個(gè)。另外，在校門兩側(cè)布置了人工取水閥，方便人工取水澆灌。靠近內(nèi)側(cè)的2個(gè)子灌區(qū)采用三角形布置，噴頭間距設(shè)置約為(1.1～1.3)R，噴頭間距約為11～13 m，共布置噴頭99個(gè)。

1.5 噴灌強(qiáng)度的驗(yàn)算

噴灌強(qiáng)度指單位時(shí)間內(nèi)噴灑到地面上的水深，5500-PC型噴頭的流量q為1.23 m3/h，控制面積A約為200 m2。則實(shí)際噴灌強(qiáng)度ρ=1 000q/A=6.15 mm/h，小于該灌區(qū)允許的噴灌強(qiáng)度8 mm/h，滿足要求。

1.6 噴灌管道的水力計(jì)算

1.6.1水頭損失計(jì)算

根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，噴灌管網(wǎng)管材多選用硬聚氯乙烯(PVC)管，支管管徑多選用DN50(公稱直徑50 mm、外徑63 mm)。根據(jù)同時(shí)工作噴頭數(shù)量確定噴灌流量約為106 m3/h，按照經(jīng)濟(jì)流速選取干管管徑為DN150。

選取管網(wǎng)典型支管進(jìn)行支管水頭損失計(jì)算，根據(jù)《噴灌工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》，計(jì)算沿程損失：

hfz=S0Q1.77L

(3)

hfz′=F×hfz

(4)

選取的典型支管管長L=50 m，連接噴頭約10個(gè)，支管流量為24.61 m3/h。查表得到S0=2 188，多口系數(shù)F=0.395。計(jì)算得到典型支管沿程損失hfz′=0.88m，局部損失hjz按沿程損失的10%計(jì)，支管總水頭損失hz=0.97 m。

由于灌區(qū)內(nèi)管網(wǎng)為對(duì)稱布置，選擇其中一側(cè)干管進(jìn)行計(jì)算，按照最遠(yuǎn)端噴灌區(qū)工作的最不利情況計(jì)算，干管沿程損失：

(5)

查手冊(cè)得到f=0.948105，m=1.77，b=4.77。計(jì)算得到干管沿程損失hfg=2.94m，局部損失hjg按沿程損失的10%計(jì)，干管總水頭損失hg=3.24 m。因此，總水頭損失h總=hz+hg=4.21 m。

1.6.2系統(tǒng)揚(yáng)程計(jì)算與水泵選取

根據(jù)水力計(jì)算結(jié)果計(jì)算所需流量、揚(yáng)程并進(jìn)行水泵選型時(shí)，需要以距離水源最遠(yuǎn)處子灌區(qū)噴頭運(yùn)行時(shí)的工況為依據(jù)。根據(jù)式(6)計(jì)算系統(tǒng)揚(yáng)程：

H系=Hp+H豎+hz+hg+h泵

(6)

式中Hp為典型噴點(diǎn)的噴頭工作壓力水頭，取25 m；H豎為噴點(diǎn)的豎管高度，取0.5 m；hz為支管的水頭損失，取0.97 m；hg為干管的水頭損失，取3.24 m；h泵為水泵進(jìn)出水管口的水頭損失，取1 m。

計(jì)算得到H系=30.71 m，根據(jù)流量和揚(yáng)程，參照各水泵廠家的性能參數(shù)，推薦采用變頻調(diào)速單級(jí)離心清水泵。

2 EPANET在噴灌管網(wǎng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

EPANET軟件被廣泛應(yīng)用于城市供水管網(wǎng)的分析計(jì)算，由于綠化噴灌管網(wǎng)與供水管網(wǎng)具有相似性，因此可將供水枝狀管網(wǎng)的分析計(jì)算方法引入綠化噴灌管網(wǎng)的水力計(jì)算中。

2.1 EPANET對(duì)綠化噴灌管網(wǎng)的水力計(jì)算方法

將綠化管網(wǎng)的CAD圖形導(dǎo)入EPANET中，同時(shí)需要定義各節(jié)點(diǎn)的屬性和各管段的管徑、管長信息。由于EPANET的節(jié)點(diǎn)屬性中沒有專門的噴頭屬性可以定義使用，但其中的擴(kuò)散器組件可用于噴頭水力特性的模擬分析[2]。擴(kuò)散器是EPANET中的一種節(jié)點(diǎn)屬性，通過控制模擬流量排向大氣，通過擴(kuò)散器的流量是節(jié)點(diǎn)壓強(qiáng)的函數(shù)。

q=Cpr

(7)

式中q為噴嘴流量，L/s；C為擴(kuò)散系數(shù)；p為工作壓力，m；r為壓強(qiáng)系數(shù)。

由于擴(kuò)散系數(shù)C未知，需根據(jù)噴頭的正常工作流量和工作壓力進(jìn)行推算，壓強(qiáng)系數(shù)r取0.5，根據(jù)所選噴頭的特性，q取0.4 L/s，p取25 mH2O，計(jì)算得到C約為0.08。

2.2 算例分析

以圖2所示部分綠化自動(dòng)噴灌系統(tǒng)為例，噴頭根據(jù)景觀公園綠地的澆灌要求布置，選用5500系列地埋式旋轉(zhuǎn)噴頭，總作用面積約為10 000 m2，作用面積內(nèi)共設(shè)置45個(gè)噴頭。

圖2 局部綠化自動(dòng)噴灌系統(tǒng)Fig.2 Automatic sprinkling irrigation system for local greening

2.2.1計(jì)算方法

根據(jù)整體綠化噴灌管線系統(tǒng)在EPANET中進(jìn)行建模。水力計(jì)算選用海澄-威廉公式，管道粗糙度C=150。根據(jù)各噴頭的位置確定各節(jié)點(diǎn)的標(biāo)高，輸入各節(jié)管道的管徑和長度(將管件折算為當(dāng)量管長)，將噴頭節(jié)點(diǎn)定義為擴(kuò)散器，賦值擴(kuò)散系數(shù)。

對(duì)于有壓管網(wǎng)的模擬，EPANET軟件采用正向計(jì)算的方式，即按照給定的入口壓力計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)的工作壓力和流量。與由最不利點(diǎn)壓力反算入口水壓的方式不同，本算例模擬計(jì)算中以計(jì)算的揚(yáng)程為基礎(chǔ)，根據(jù)最不利點(diǎn)滿足25 mH2O工作壓力為條件，對(duì)系統(tǒng)入口壓力進(jìn)行試算，得出滿足條件的最佳工況。

2.2.2計(jì)算與校核

用EPANET對(duì)算例進(jìn)行模擬計(jì)算，同時(shí)按照水力計(jì)算公式進(jìn)行手工計(jì)算對(duì)比。模擬計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)遠(yuǎn)端最不利點(diǎn)設(shè)計(jì)水頭為25 mH2O時(shí)，軟件計(jì)算的入口壓力為34.2 mH2O，系統(tǒng)總水量為19.54 L/s，作用面積內(nèi)的平均噴灌強(qiáng)度為7 mm/h，滿足《噴灌工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50085—2007)的要求，基本可以達(dá)到噴灌效果。此外，將部分手工計(jì)算結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見表2。

表2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比 Tab.2 Comparison of calculation results

2.2.3結(jié)果與分析

為了評(píng)價(jià)EPANET用于噴灌系統(tǒng)計(jì)算的結(jié)果準(zhǔn)確性，分別采用手工計(jì)算與EPANET模擬計(jì)算，對(duì)該噴灌管網(wǎng)進(jìn)行水力計(jì)算。EPANET模擬計(jì)算結(jié)果表明，保持噴灌系統(tǒng)最不利點(diǎn)水頭為25 mH2O的情況下，系統(tǒng)入口處的壓力為31.63 mH2O，略高于手工計(jì)算結(jié)果，各噴灌作用點(diǎn)的流量和壓力有一定偏差但基本保持一致。EPANET模擬計(jì)算采用的海澄-威廉公式的水力損失計(jì)算值與手工計(jì)算采用的舍維列夫公式計(jì)算值相比略偏大，保持最不利點(diǎn)工況和誤差累計(jì)下造成系統(tǒng)入口壓力略高。

3 結(jié)論

① 對(duì)于綠化噴灌的枝狀管網(wǎng)的水力計(jì)算，采用EPANET擴(kuò)散器組件可以較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)噴灌噴頭的模擬。

② EPANET模擬計(jì)算采用的海澄-威廉公式的水力損失計(jì)算值與手工計(jì)算采用的舍維列夫公式計(jì)算值相比有一定的差異，但差異很小，采用EPANET模擬計(jì)算結(jié)果偏于安全。