天津某校園景觀綠地噴灌管網設計及EPANET在其中的應用

林偉強

(1.天津市市政工程設計研究院，天津300392；2.天津市基礎設施耐久性企業重點實驗室，天津300392)

噴灌技術是指將灌溉用水通過噴灌泵站系統加壓，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，在校園景觀的設計中綠地往往占有較大比例，景觀綠地的澆灌任務對于綠地正常發揮景觀功能十分重要。噴灌技術作為現代節水高效的灌溉方式，受到廣泛應用。合理的噴灌系統設計不但能夠滿足澆灌區域的澆灌需求，而且能達到節約用水、節省動力費用的目的。

1 綠地噴灌系統設計

本噴灌系統設計區域位于天津市某大學校門入口處中心軸景觀帶內，噴灌系統的設計內容主要包括確定合理的設計參數、正確選擇噴頭、對噴頭噴點進行合理布置、對噴灌管網進行布置和水力計算、對噴灌加壓水泵進行選型等。

1.1 灌區允許噴灌強度

噴灌強度指單位時間噴灑在單位面積上的水量，該指標與土壤透水性相適應，噴灌強度不應超過土壤滲吸速度。該灌區土質為壤土，依據《噴灌工程技術規范》[1](GB/T 50085—2007)，壤土的允許噴灌強度為12 mm/h，取本灌區允許噴灌強度ρ為8 mm/h。

1.2 灌區最大灌水定額

最大灌水定額應根據灌區需水高峰期的需水量確定，按照最不利條件設計，使噴灌系統在需水高峰期具有足夠的供水能力。根據式(1)計算最大灌水定額：

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，計劃濕潤深度h=30 cm，β1=24%，β2=17%。經計算，m=30.45 mm，取灌水定額為30 mm。

1.3 灌區設計灌水周期

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

T=m/ET

(2)

式中T為設計灌水周期，d；m為設計灌水定額，mm；ET為作物日蒸發蒸騰量，mm。

經計算，灌水周期T=6 d，結果可作為天津地區綠化高峰月份用水依據。澆灌計劃并非一成不變，應根據氣溫、風力、降水等天氣情況進行調整。

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的正常工作和澆灌效果的發揮，如噴灌強度、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，又能突出噴灌的優勢，節省水源、投資成本和后期運行維護費用。

本項目為園林景觀灌溉項目，灌區內大部分面積為草坪，宜采用地埋式旋轉噴頭。這種噴頭暴露于地面之上的部分較少，不會對園林景觀造成破壞。同時，該噴頭的射程和覆蓋角度等參數易調節，以適用于大小不規則的地塊，噴灑效果好。

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

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

噴頭布置的合理性直接關系到噴灌系統的均勻度和噴頭的個數，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域存在水量重疊，可以提高噴灌均勻度，節省水源。矩形布置有利于增強噴灌系統的抗風能力。

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

如圖1所示，本項目灌區分為內外2個部分，以中央大型水景為分界，靠近外部的2個子灌區由于緊鄰校門容易受風力影響，噴灑水形容易受到破壞，因此采用矩形布置。考慮到天津噴灌季節的平均風速，將噴頭間距設置為(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。另外，在校門兩側布置了人工取水閥，方便人工取水澆灌。靠近內側的2個子灌區采用三角形布置，噴頭間距設置約為(1.1～1.3)R，噴頭間距約為11～13 m，共布置噴頭99個。

1.5 噴灌強度的驗算

噴灌強度指單位時間內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。則實際噴灌強度ρ=1 000q/A=6.15 mm/h，小于該灌區允許的噴灌強度8 mm/h，滿足要求。

1.6 噴灌管道的水力計算

1.6.1水頭損失計算

根據相關工程經驗，噴灌管網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)。根據同時工作噴頭數量確定噴灌流量約為106 m3/h，按照經濟流速選取干管管徑為DN150。

選取管網典型支管進行支管水頭損失計算，根據《噴灌工程設計手冊》，計算沿程損失：

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，支管流量為24.61 m3/h。查表得到S0=2 188，多口系數F=0.395。計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，支管總水頭損失hz=0.97 m。

由于灌區內管網為對稱布置，選擇其中一側干管進行計算，按照最遠端噴灌區工作的最不利情況計算，干管沿程損失：

(5)

查手冊得到f=0.948105，m=1.77，b=4.77。計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，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系統揚程計算與水泵選取

根據水力計算結果計算所需流量、揚程并進行水泵選型時，需要以距離水源最遠處子灌區噴頭運行時的工況為依據。根據式(6)計算系統揚程：

H系=Hp+H豎+hz+hg+h泵

(6)

式中Hp為典型噴點的噴頭工作壓力水頭，取25 m；H豎為噴點的豎管高度，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泵為水泵進出水管口的水頭損失，取1 m。

計算得到H系=30.71 m，根據流量和揚程，參照各水泵廠家的性能參數，推薦采用變頻調速單級離心清水泵。

2 EPANET在噴灌管網設計中的應用

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

2.1 EPANET對綠化噴灌管網的水力計算方法

將綠化管網的CAD圖形導入EPANET中，同時需要定義各節點的屬性和各管段的管徑、管長信息。由于EPANET的節點屬性中沒有專門的噴頭屬性可以定義使用，但其中的擴散器組件可用于噴頭水力特性的模擬分析[2]。擴散器是EPANET中的一種節點屬性，通過控制模擬流量排向大氣，通過擴散器的流量是節點壓強的函數。

q=Cpr

(7)

式中q為噴嘴流量，L/s；C為擴散系數；p為工作壓力，m；r為壓強系數。

由于擴散系數C未知，需根據噴頭的正常工作流量和工作壓力進行推算，壓強系數r取0.5，根據所選噴頭的特性，q取0.4 L/s，p取25 mH2O，計算得到C約為0.08。

2.2 算例分析

以圖2所示部分綠化自動噴灌系統為例，噴頭根據景觀公園綠地的澆灌要求布置，選用5500系列地埋式旋轉噴頭，總作用面積約為10 000 m2，作用面積內共設置45個噴頭。

圖2 局部綠化自動噴灌系統Fig.2 Automatic sprinkling irrigation system for local greening

2.2.1計算方法

根據整體綠化噴灌管線系統在EPANET中進行建模。水力計算選用海澄-威廉公式，管道粗糙度C=150。根據各噴頭的位置確定各節點的標高，輸入各節管道的管徑和長度(將管件折算為當量管長)，將噴頭節點定義為擴散器，賦值擴散系數。

對于有壓管網的模擬，EPANET軟件采用正向計算的方式，即按照給定的入口壓力計算系統內各點的工作壓力和流量。與由最不利點壓力反算入口水壓的方式不同，本算例模擬計算中以計算的揚程為基礎，根據最不利點滿足25 mH2O工作壓力為條件，對系統入口壓力進行試算，得出滿足條件的最佳工況。

2.2.2計算與校核

用EPANET對算例進行模擬計算，同時按照水力計算公式進行手工計算對比。模擬計算結果表明，當遠端最不利點設計水頭為25 mH2O時，軟件計算的入口壓力為34.2 mH2O，系統總水量為19.54 L/s，作用面積內的平均噴灌強度為7 mm/h，滿足《噴灌工程技術規范》(GB/T 50085—2007)的要求，基本可以達到噴灌效果。此外，將部分手工計算結果與模擬計算結果進行對比，見表2。

表2 計算結果對比 Tab.2 Comparison of calculation results

2.2.3結果與分析

為了評價EPANET用于噴灌系統計算的結果準確性，分別采用手工計算與EPANET模擬計算，對該噴灌管網進行水力計算。EPANET模擬計算結果表明，保持噴灌系統最不利點水頭為25 mH2O的情況下，系統入口處的壓力為31.63 mH2O，略高于手工計算結果，各噴灌作用點的流量和壓力有一定偏差但基本保持一致。EPANET模擬計算采用的海澄-威廉公式的水力損失計算值與手工計算采用的舍維列夫公式計算值相比略偏大，保持最不利點工況和誤差累計下造成系統入口壓力略高。

3 結論

① 對于綠化噴灌的枝狀管網的水力計算，采用EPANET擴散器組件可以較好地實現對噴灌噴頭的模擬。

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