几种园林地埋式旋转喷头水力性能试验对比与工作参数确定

谢树华，惠 鑫，严海军

(中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083)

0 引 言

“十三五”以来，我国园林绿地面积发展迅速，园林灌溉用水量逐年增加[1]，水资源供需矛盾日益突出。喷灌技术是缓解园林灌溉中水资源供需矛盾的有效途径，可以提高水资源的利用效率[2]，对解决我国水资源危机和实现社会可持续发展具有重要的战略意义[3]。喷头作为喷灌系统的关键设备之一，在提高喷灌效率方面具有举足轻重的作用[4]。国内关于园林喷灌的研究主要集中在喷头的水力性能试验和新型园林喷头的研发等。严海军[5, 6]对两种园林灌溉喷头进行了水力性能试验，在最大零漏喷范围内，喷灌均匀系数的大小与组合形式关系不大，主要取决于喷头结构及径向水量分布曲线的特点。栗岩峰[1]发现再生水对园林升降式喷头的均匀系数不会产生明显影响，能够满足高灌水均匀度的要求。Shahidian[7]的研究表明在园林灌溉中适宜采用喷洒角度不可调的喷嘴。刘中善[8]研究了旋转式微喷头转速对水力性能影响，结果表明低转速微喷头性能优于无阻尼的高转速微喷头。李仰斌[9]等研制了新型的地埋式喷灌装置，提出了一款基于钢珠驱动的全地埋式喷头，可显著提高装置的抗堵塞性。目前，园林地埋式旋转喷头多数采用齿轮驱动，其换向机构的内部流道结构比地埋式散射喷头更为复杂[10]，并直接影响喷灌系统的灌水质量和运行效率。因此，本文选取了四种市面上应用广泛的典型园林地埋式旋转喷头，测试对比其不同压力和组合间距下的水力性能，并在此基础上开展经济性分析，提出四种喷头的适宜运行工作参数，为园林喷灌系统设计提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

通过调研北京市主要公园获知城市绿地灌溉安装的地埋式旋转喷头主要以Rain Bird、Hunter、Toro、K Rain四个品牌为主，故试验选择了应用较广泛的四款喷头：Rain Bird-3500、Hunter-PGP、Toro-mini-8、K Rain-PRO-11003(简称K Rain-PRO)，如图1所示。各喷头的结构及性能参数，如表1所示。四种喷头具有相似特点，均适用于公园、游乐场等中小面积草坪、花卉的灌溉；材质为工程塑料，强度高，耐腐蚀；喷嘴和内装滤网拆换方便；整个内芯可从喷头顶部旋出，清洗维修方便；集全圆和可调角度喷洒于一体，顶部角度调节范围40°～360°，且顶部具有刻度盘，方便角度调节。

1.2 试验方法

试验在中国农业大学水利与土木工程学院喷头自动测试系统上完成，测试系统如图2所示，试验方法参考国家标准GB/T 19795.2-2005[11]。系统主要由供水系统、数据采集系统和控制系统等三部分组成。其中采集系统包括流量传感器(LDTH型电磁流量计，精度为0.2%)、压力表(浙江红旗0.25级精密压力表)、电子秤式雨量筒(精度为1 g，直径150 mm，高度400 mm)。试验沿喷头径向布置一排雨量筒，其中第一个雨量筒与喷头的水平距离为1.0 m，相邻雨量筒间距0.5 m，为模拟现实情况，喷头与雨量筒承水口齐平。

图1 试验所用喷头Fig.1 Sprinklers used in the experiment

表1 喷头的性能参数Tab.1 Performance parameters of sprinklers

试验工作压力设置为0.15、0.20、0.25、0.30 MPa四个工况，喷头喷洒角度为全圆喷洒，测试时间为1 h，每种工况设置3个重复。在试验过程中测试了喷头的流量、转速以及喷灌强度。喷头流量和转速分别由流量计和秒表测得，每种工况测试3次，喷灌强度由雨量筒测得平均水深除以测试时间得到。

图2 喷头自动测试系统示意图Fig.2 Automatic test system for sprinkler hydraulic performance

1.3 喷灌强度计算

喷灌过程中每个雨量筒接受的瞬时水量是不均匀的，因此采用平均喷灌强度[12]表示，其计算公式如下：

(1)

式中：ρ为平均喷灌强度mm/h；h为某一范围内的平均水深，mm；t为喷洒时间，h。

1.4 喷灌均匀度计算

喷灌水量分布经常采用喷灌均匀系数Cu和分布均匀系数Du进行评价。其中喷灌均匀系数计算公式[13]如下：

(2)

分布均匀系数的计算公式[14]如下：

(3)

1.5 经济性指标

考虑喷头对初始投资的影响，以喷头组合采用矩形布置时的单位面积投资作为经济性指标，其计算公式如下：

(4)

式中：P为单位面积的投资，元/m2；Pi为喷头单价，元；Sl为支管上的喷头间距，m；Sm为支管间距，m。

2 结果与分析

2.1 压力与流量之间的关系

图3给出了4种喷头在不同压力0.15、0.20、0.25、0.30 MPa时的流量。可以看出，随着工作压力的增大，四种喷头的流量整体都呈递增的趋势，与李红[15]等人的试验结果一致。以K Rain-PRO喷头为例，其0.30 MPa下的流量为0.68 m3/h，较0.15 MPa下的流量增加了46%。在工作压力一定的情况下，K Rain-PRO喷头的流量整体大于其他喷头的流量；Rain Bird-3500喷头的流量整体小于其他喷头流量，在0.15 MPa压力下，Rain Bird-3500和K Rain-PRO的流量分别为0.21和0.46 m3/h，相差0.25 m3/h；当压力增大到0.30 MPa时，两者相差0.37 m3/h。

图3 4种喷头在不同压力下的流量Fig.3 The flow rates of four sprinklers at different pressures

2.2 喷头运转速度

图4为4种喷头在不同压力下的运转速度，可以看出不同喷头的运转速度对压力的敏感程度不同，这是喷头内部旋转驱动结构有关。其中Rain Bird-3500喷头的转动速度在不同压力下均保持在1.13 r/min，表明压力对该喷头的运转速度的影响不大。Hunter-PGP喷头的运转速度均随压力增大而略微减小，其规律与其他喷头相反，但最大降幅仅为0.04 r/min。Toro-mini-8和K Rain-PRO喷头的转动速度随着压力的增大而增加，但Toro-mini-8相比K Rain-PRO喷头的转速受压力影响更显著。一般而言，当一定灌水量情况下，喷头转动圈数越多，喷头磨损将加重，会缩短喷头的使用寿命。

图4 4种喷头的运转速度Fig.4 The rotating speeds of four sprinklers

2.3 单喷头径向水量分布

根据试验数据绘制喷头径向水量分布曲线，如图5所示。Rain Bird-3500在距离喷头1.0 m处喷灌强度最大，其值在7 mm/h左右，这是Rain Bird的喷嘴特有的“雨帘”技术造成的，水流在1.0 m处破裂而四溅导致喷灌强度较大；当距离喷头大于1.0 m时，喷灌强度逐渐下降，总体在0～3.5 mm/h之间，射程约8.5 m。Hunter-PGP的射程远于其他三种喷头，约11.5 m，在离喷头1.0 m处喷灌强度较大，其值在3.5 mm/h左右；当距离喷头1.0～4.0 m时，喷灌强度有明显的下降趋势；而距离喷头4.0～11.0 m时，喷灌强度又趋于平坦，其值大部分在0.4～1.7 mm/h之间。从图中还发现，Hunter-PGP在0.15 MPa压力下，10.0 m处的喷灌强度达到峰值，这可能与压力较小导致远处的水滴破碎不明显，造成末端水滴分布集中，进而形成了较大的喷灌强度。Toro-mini-8的曲线呈谷峰状，喷灌强度在距离喷头3.0 m处达到峰值，其值在5.0 mm/h左右，当距离喷头大于3.0 m时，喷灌强度缓慢下降，射程约为9.5 m。K Rain-PRO径向水量分布曲线的特征趋势与Toro-mini-8较为相似，整体呈谷峰状，在1.5 m处达到峰值，其值在4.5 mm/h左右，在1.5～2.5 m之间迅速下降，在2.5～9.5 m处缓慢下降，射程约为10.5 m。总体来说，4种喷头在0.15～0.30 MPa范围内，工作压力对喷头射程的影响均不大，但径向的喷灌强度均随压力的增大而增大。

2.4 组合平均喷灌强度

以工程实践中常用的喷头正方形组合形式为基础，利用VB程序，采用3次样条2次插值[16]的方法将试验测得的喷头径向数据转化成网格形，计算各喷头在不同组合间距下的平均喷灌强度，结果如图6所示。图6中可以看出各喷头的平均喷灌强度随组合间距的增大而减小，以图6(a)为例，在0.30 MPa的工作条件下，当喷头间距从6 m×6 m增大到16 m×16 m时，组合平均喷灌强度从13.4 mm/h降低到了2.4 mm/h，降幅达83%。在相同组合间距情况下，组合平均喷灌强度随着压力的增大而增大以Rain Bird-3500为例。间距为6 m×6 m时，压力从0.15 MPa增大到0.30 MPa时，组合平均喷灌强度从10.3 mm/h增大到13.3 mm/h。在相同压力、相同组合间距情况下，Toro-mini-8的组合平均喷灌强度最高，Rain Bird-3500的平均喷灌强度最低，如在压力为0.20 MPa、组合间距为12 m×12 m的条件下，Toro-mini-8与Rain Bird-3500的平均喷灌强度分别为3.9、2.7 mm/h，这与两款喷头的流量差异有关，流量较大的喷头，其平均喷灌强度较大。

图5 4种喷头在不同压力下的径向水量分布Fig.5 Radial water distribution of four sprinklers at different pressures

图6 4种喷头在不同压力下的平均喷灌强度Fig.6 Average application intensity of four sprinklers at different pressures

2.5 组合喷灌均匀性和经济性分析

基于单喷头径向水量分布数据，通过自编软件计得到组合喷灌均匀系数和分布均匀系数，其计算结果如表2所示。从表2可以看出，4种喷头的喷灌均匀性系数随间距的增大而呈现总体下降趋势。当喷头间距一定时，0.30 MPa下的喷灌均匀系数和分布均匀系数均大于其他3种工作压力，这是因为随着压力的增加，水滴破碎后使得喷头水量分布更均匀。

表2 4种喷头在不同压力下的喷灌均匀度Tab.2 Combined sprinkler uniformity of four sprinklers at different pressures

在确定组合间距和工作压力等工作参数时需要综合考虑灌溉质量和经济性。多数学者[17]在确定工作参数时常将喷灌均匀性作为指标，但并未考虑喷头价格的影响。本文在考虑喷灌均匀性的基础上分析了4种喷头在不同组合间距下的单位面积投资。4种喷头的市场销售价格基本相同，单价在120元左右。利用公式(4)计算4种喷头的单位面积的投资，结果如表3所示。以100 m×100 m的正方形地块为例，计算所需喷头数量及总投资，相关结果如表3所示。

表3 4种喷头在不同组合间距下的单位面积投资及喷头总投资Tab.3 Investment per unit and gross investment of four sprinklers in different sprinkler spacings

注：在实际工程中，由于地块面积无法被组合间距完全整除，可以根据实际情况调整，故表中的喷头数量是一定范围值。

Rain Bird-3500在工作压力为0.15 MPa的条件下，在组合间距为14 m×14 m～16 m×16 m时的喷灌均匀性不能满足灌溉[18]要求，故不建议采用这两种组合间距。当压力增加至0.20～0.30 MPa时，除组合间距为16 m×16 m外，Rain Bird-3500的喷灌均匀性均满足灌溉要求。从表3可知，12 m×12 m下的喷头总投资比14 m×14 m多36%，故Rain Bird-3500的组合间距建议采用14 m×14 m。综合喷灌质量、节能性和经济性三方面考虑，建议Rain Bird-3500的工作压力为0.20 MPa、组合间距以14 m×14 m为宜。

Hunter-PGP在工作压力为0.15 MPa条件下的喷灌均匀系数 基本不满足规范要求，因此该喷头不宜在0.15 MPa下运行。当压力增大到0.20 MPa时，Hunter-PGP在组合间距为12 m×12 m～16m×16m时的喷灌均匀性不能满足灌溉要求。当压力在0.25～0.30 MPa范围时，除组合间距为16 m×16 m外，Hunter-PGP在其余5个组合间距的喷灌均匀性均能满足规范要求。综合喷灌质量、节能性和经济性三方面考虑，Hunter-PGP的工作压力建议采用0.25 MPa，组合间距采用14 m×14 m。

Toro-mini-8在工作压力0.15～0.30 MPa时，组合间距为16 m×16 m下的喷灌均匀系数Cu均低于0.65，不满足规范要求，组合间距14 m×14 m下的Cu约为0.75，部分指标不满足规范要求。但在组合间距6 m×6 m～12 m×12 m、工作压力0.15～0.30 MPa下的Cu均大于0.80。因此，综合喷灌质量、节能性和经济性三方面考虑，建议Toro-mini-8的工作压力设置为0.15 MPa，组合间距设置为12 m×12 m。

K Rain-PRO在0.15 MPa工作压力下，组合间距为14 m×14 m～16m ×16 m时的喷灌均匀性较低且不满足规范要求，故0.15 MPa压力下不建议采用该两种组合间距。当压力在0.20～0.30 MPa时，除组合间距为16 m×16 m外，K Rain-PRO的喷灌均匀性均满足灌溉要求。综合喷灌质量、节能性和经济性三方面考虑，建议K Rain-PRO的工作压力设置为0.20 MPa，且组合间距以14 m×14 m为宜。

此外，从表2中还可以看出，相同试验工况下的Cu值大于Du值，且两者之间呈现正向线性相关关系，这与李久生[14]的研究结论一致。将Cu与Du进行回归分析，得到拟合公式(5)。由公式(5)可知，当Cu为0.75所对应的Du为0.62，这与Keller[19]等提出的Du不低于0.60的推荐值基本一致。

Du=1.48Cu-48.53 (R2=0.93n=96)

(5)

式中：R为相关系数；n为样本个数；Cu的取值范围为0.44～0.96。

图7 喷灌均匀系数Cu和分布均匀系数Du的关系Fig.7 The relationship between Cu and Du

3 结 论

(1)喷头的流量随着工作压力的增大而增大；随组合间距的增大，组合平均喷灌强度和喷灌均匀系数总体有下降的趋势；当喷头间距一定时，随着压力的增大，组合平均喷灌强度和喷灌均匀系数逐渐增加；四种喷头的投资均随组合间距的增大而减小。

(2)以地埋旋转式喷头不同组合间距的试验数据为基础，获得喷灌均匀系数Cu和分布均匀系数Du之间的函数关系，当Cu为0.75时所对应的Du值为0.62。

(3)综合喷灌质量、节能性和经济性三方面考虑，建议Rain Bird-3500和K Rain-PRO的工作压力以0.20 MPa、组合间距为14 m×14 m为宜；Hunter-PGP的工作压力以0.25 MPa、组合间距以14 m×14 m为宜；Toro-mini-8的工作压力以0.15 MPa、组合间距以12 m×12 m为宜。