城市绿地灌溉系统设计

　　摘要：结合实际工程，阐述了城市绿地人工喷灌系统的设计；并探讨了再生污水用于城市绿地灌溉的安全性，提出相应的预防措施，为类似工程提供工程示范。
　　关键词：城市绿地；人工喷灌；再生水回用；水质安全
　　1.前言
　　1.1概述
　　近几年来，我国城乡公共绿地的面积增长迅速，灌溉需水量迅速增长。部分地区的灌溉设施不完善，在干旱季节，依靠洒水车和人工浇灌，既浪费人力、财力，又达不到良好的灌溉效果；采用自来水为水源的，更加大了绿地的养护成本。因此，从长远利益出发，完善灌溉系统、开辟新的灌溉水源对公共绿地的长效管理是非常必要的。
　　影响植物灌溉需水量的因素有气象条件（温度、光照、湿度、辐射及风速）、土壤性质及其含水状况、植物种植的环境、植物生长阶段等。昆明市属低纬度高原山地季风气候，年均温度在15.20℃上下波动，干湿季分明，年均降水量1035毫米，日照长，光能充足，霜期短，能见度良好，非常有利于植物的生长。尽管如此，昆明雨季集中、短暂，一年中大多数时间晴朗干燥，因此城市绿地的灌溉显得尤为重要。
　　本文结合昆明市某景观大道绿化美化工程灌溉系统施工图设计，探讨城市绿地灌溉系统设计的相关问题。
　　1.2工程概况
　　昆明市某景观大道绿化美化工程为道路红线外两侧各60m宽绿化景观带，长约6km，总面积为56.57公顷，分为15个标段，主要内容包括现场清污、种植土回填、绿化栽植、灌溉系统建设等。
　　2.灌溉方式
　　灌溉方式分为人工灌溉和自动灌溉。人工灌溉系统技术简单，投资少，运行、管理、维护简单，缺点是这种灌溉方法只能改变土壤湿度，对绿地植物生长的小气候影响小，灌水定额较大，不便于适时适量灌溉，水的利用率低，运行过程中人力投入大。自动灌溉系统具有如下优势：（1）节水；（2）省工；（3）提高养护质量；（4）增加景观效果。但是自动灌溉系统技术含量较高，系统组成较复杂，投资高，运行、管理、维护复杂，对操作人员素质要求高。根据业主要求，本工程选用人工灌溉方式。
　　3.水源及其水质
　　3.1水源
　　本工程靠近昆明市某城市污水处理厂，该厂有再生水厂，拟用该厂再生水作为绿地灌溉水源。
　　3.2水源水质
　　昆明市所有的污水处理厂出水必须达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A标准才允许排放；将此标准水质指标与《城市污水再生利用城市杂用水水质》（GB/T18920-2002）中城市绿化用水主要水质标准比较可知，城镇污水处理厂一级A标准出水基本达到再生污水用于城市绿化的水质要求，其中粪大肠菌群达不到绿化用水标准，为了保证回用水的生物安全性，回用前均经过加氯消毒，且要有一定的余氯。
　　叶茂研究发现，采用次氯酸钠消毒，投加量为4.5mg/L，余氯为1.8mg/L（均以Cl2计）时，总大肠菌和粪大肠菌都被全部杀灭。有研究表明，在余氯为0.5mg/L，接触时间6.5min的条件下，可以杀灭99.99%的甲肝病毒；而在余氯为6.6mg/L，接触时间为15min条件下只有50%的脊髓灰质炎病毒被灭活。
　　再生水中过多的余氯对所灌溉的景观带植物生长将产生伤害，甚至致其死亡，余氯上限的要求在现行的回用水标准中并没有体现。张楠等研究认为，再生水中的余氯对高羊茅与早熟禾的生长均有明显的负面影响。随着余氯含量的增加，两种草的相对地上生物量、光合速率和叶绿素总量下降明显，尤其早熟禾降幅更剧烈。试验表明，再生水灌溉高羊茅，余氯应控制在1.0mg/L以下，灌溉早熟禾，余氯应控制在0.8mg/L以下。
　　由此可见，为了保证再生污水回用于绿地灌溉的生物安全性，污水必须有一定的余氯；同时为避免过高的余氯对绿地植物产生负面影响，余氯应控制在一定水平。本工程水源为昆明市某污水处理厂再生水，其余氯符合国家标准要求。
　　4.首部枢纽工程
　　其作用是从水源取水，并对水进行加压、水质处理、肥料注入和系统控制。一般包括动力设备、水泵、过滤器、加药器、泄压阀、逆止阀、水表、压力表，以及控制设备，如自动灌溉控制器、恒压变频控制装置等。本工程为人工喷灌系统，首部枢纽工程较简单，由动力设备（电机）、水泵、加药器、泄压阀、逆止阀、水表、压力表及控制设备组成。水源为污水处理厂再生水，其SS可到达绿地灌溉要求，可不设置过滤器。再生水余氯达不到GB/T18920-2002的要求时，可通过加药器加氯；另外，如有需要也可通过加药器注入肥料。由于人工喷灌系统自动控制要求低，故控制系统较为简单。
　　5.景观带需水量
　　5.1景观带需水量参数
　　设计灌溉定额应依据设计代表年的灌溉试验资料确定，或按水量平衡原理确定。由于缺乏相关基础资料，故参照表1中所列经验数据选取。
　　表1绿地灌水量估算
　　气候条件 湿冷 干冷 湿暖 干暖 湿热 干热
　　日需水量/mm 2.5~3.8 3.8~5.0 3.8~5.0 5.0~6.4 5.0~7.6 7.6~11.4
　　注：“冷”指仲夏最高气温低于21℃；“暖”指仲夏最高气温21~32℃；“热”指仲夏最高气温高于32℃；“湿”指仲夏平均湿度大于50%；“干”指仲夏平均湿度低于50%。
　　昆明市属于“干暖”气候，故选取日需水量为6.0mm/d。《室外给水设计规范》（GB50013-2006）中浇洒绿地用水定额为1.0~3.0L/(m2·d)，亦即1.0~3.0mm/d。选取日需水量为6.0mm/d，基于如下考虑：
　　（1）GB50013-2006中绿化给水定额参照《建筑给水排水设计规范》（GB50015-2003）确定，其相应的给水定额系小区绿化给水定额，小区绿化植物与市政道路绿化植物种类配置不同，需水量不同，故不能硬套该标准中的定额。
　　（2）应业主要求，本工程建成后要同时为新建景观带和已建成绿地提供灌溉水源；建成后有可能同时作为道路浇洒水源，故日需水量取得比规范大。
　　5.2景观带灌溉系统设计流量
　　5.2.1最大允许喷灌强度
　　确定了日需水量(6mm/d)，要确定喷灌系统的流量，必须确定喷灌强度。土壤的喷灌强度是指单位时间内喷洒在地面上的水深，灌溉系统的设计喷灌强度不得大于土壤的允许喷灌强度，喷灌强度过大将形成积水或地表径流，使得土壤板结或破坏土壤结构，造成水土流失。昆明市的土壤为壤土，最大允许喷灌强度为11mm/h。6mm/d的需水量在1h内喷洒完毕即喷灌强度为6mm/h，低于最大允许喷灌强度，符合要求。
　　5.2.2灌水周期
　　绿地灌水周期由下式确定：
　　
　　式中T设——绿地灌水周期，d；
　　W——日需水量，mm/d；
　　η——灌溉水的有效利用系数，风速低于3.4m/s，η=0.8~0.9，风速为3.4~5.4m/s，η=0.7~0.8。
　　经计算并做适当调整，本工程灌水周期为1d。
　　5.2.3系统设计需水量
　　根据4.2.1和4.2.2确定的参数，本工程喷灌系统设计流量为
　　
　　式中Q——系统设计流量，m3/d；
　　S——绿地面积，m2。
　　经计算，本工程喷灌系统设计流量为3394.2m3/d。本工程水源为昆明市某污水处理厂再生水，水量充足。
　　6.管道水力计算及管道布置
　　6.1管道水力计算
　　6.1.1管径计算
　　（1）快速取水阀
　　当取水阀用于浇灌时，其服务半径一般为20m，不得超过50m，本工程中取服务半径为30m。在道路两侧60m宽景观带中央各布置1条主管。经计算，本工程快速取水阀总数为210个。
　　为了减少水头损失，避免在主管上安装过多管件，故在每个标段各安装1根支管，将快速取水阀安装在支管上，可降低水损，减少管件数量，节省投资。
　　（2）支管管径
　　喷灌系统的工作制度可分为续灌和轮灌。应业主要求，为了方便招标、施工、管理及明晰责任，本工程15个标段的喷灌系统既是一个整体，又具有一定的独立性。采用轮灌制度，将每个标段作为一个轮灌区。由于是人工浇灌，假设建成后15标段最多有1个工人同时使用取水阀浇灌，各标段轮灌1小时，则每区平均水流量为q1=Q/15=226.28m3/h
　　平均每区取水阀个数为14个，则平均每个取水阀流量为q2=16.16m3/h，取管内流速为v=2.0m/s。绿化喷灌系统管内经济流速一般为1.5m/s，不得超过2.5m/s。本工程取2.0m/s，主要考虑喷灌管网工程投资，如取得小，必然增大管径，增加投资。
　　支管管径由下式计算确定：
　　
　　经计算并适当调整，本工程支管径取63mm。
　　（3）主管管径
　　在道路两侧60m宽景观带中央各布置1条主管，假设建成后15个标段每标段最多有1个工人同时使用取水阀浇灌，则喷灌系统最大流量为Q1=15q2=242.44m3/h，管内设计流速V=2.0m/s，则主管管径由下式计算确定：
　　
　　经计算并适当调整，本工程主管管径取160mm。
　　6.1.2水头损失
　　应业主要求，喷灌管网采用塑料管，则沿程水头损失采用魏斯巴赫-达西公式计算，即
　　
　　式中λ——沿程阻力系数，按勃拉休斯公式计算，即
　　
　　（1）主管沿程水头损失
　　按最不利点计算，本工程主管沿程水头损失为32m。
　　（2）支管沿程水头损失
　　按最不利点计算，本工程支管沿程水头损失为6m。
　　（3）局部水头损失
　　管道局部水头损失一般取沿程水头损失的10%~15%，本工程取10%，经计算得局部水头损失为3.8m。
　　（4）总水头损失
　　即沿程水头损失与局部水头损失之和，为42m。
　　6.1.3确定水泵参数
　　（1）水泵流量
　　由于有2条主管，故设置2台水泵，水泵流量为系统流量的一半，即Q1/2=121.22m3/h。
　　（2）水泵扬程
　　绿化灌溉给水管网从地面算起最小服务水压应为0.10MPa，即10m服务水头。水泵扬程为
　　H=H设+hz+∆H
　　式中，H——水泵扬程，m；
　　H设——设计服务水头，10m；
　　hz——水泵至最不利点快速取水阀之间管路总水头损失，42m；
　　∆H——水泵出口中心线至最不利点快速取水阀高差，本工程所在地地势平坦，高差很小，故取0.5m。
　　经计算，水泵扬程为53m。
　　6.2管道布置
　　绿化灌溉系统的设计、施工与市政给水管道的设计、施工要求基本相同，因此可按市政给水管道设计与施工的相关原则、做法、相关标准、规范来做，不再赘述。值得注意的是，绿化灌溉系统应尽量将阀门井、泄水井布置在绿地周边区域，以便于使用和检修；管道尽量避免穿越灌木和乔木的根区，以满足绿地种植要求。
　　7.结束语
　　完善的灌溉条件是城市绿地的重要保障，使其发挥良好的景观效益、环境效益、生态效益，成为城市一道靓丽的风景。本文结合实际工程探讨了城市绿地人工灌溉系统设计的通用原则、一般步骤及注意事项，以期为类似工程提供一定借鉴。
　　昆明是缺水城市，绿地灌溉需水量巨大，如用自来水将拉高运行成本，因此采用污水处理厂再生水作为灌溉水源。但是这有一定的健康风险，本文重点探讨了病原微生物的健康风险，并采取一定的措施预防。其他风险如化学致癌物健康风险等，只要做好健康风险管理与控制，再生回用风险处于可以接受水平，再生水可作为城市绿地灌溉的可靠水源。

《城市绿地灌溉系统设计》

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