大田滴灌用網(wǎng)式過濾器濾網(wǎng)堵塞成因分析

楊洪飛，宗全利，劉貞姬，王柏林

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

滴灌等農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)可以使水資源得到高效的利用，高效的利用率意味著節(jié)余的水能灌溉更多的農(nóng)作物，增產(chǎn)增收效果明顯。在我國新疆等西北地區(qū)干旱缺水，滴灌等節(jié)水灌溉技術(shù)的應(yīng)用更顯得迫切和必要。隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入開展和“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略的穩(wěn)步實(shí)施，大量資金的投入加快了滴灌節(jié)水技術(shù)的引進(jìn)、創(chuàng)新與推廣速度，近年來西北地區(qū)農(nóng)業(yè)耕種面積也因滴灌技術(shù)的推廣而大幅增加。2006年，新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)應(yīng)用高新節(jié)水灌溉面積已達(dá)53 萬hm2[1]，2011年突破66 萬hm2[2]，2015年達(dá)到104 萬hm2[3]。隨著節(jié)水基礎(chǔ)工程建設(shè)的不斷推進(jìn)，原本因干旱缺水而無法耕種的荒地得到合理的開發(fā)，原本產(chǎn)量很低的農(nóng)田產(chǎn)量逐年提高，西北地區(qū)進(jìn)入了農(nóng)業(yè)發(fā)展的黃金時期。

然而滴灌水源(如井水、河渠水、雨水、庫塘水)都含有不同程度地污物和雜質(zhì)，即使是水質(zhì)良好的井水，也會含有少量的固體顆粒和一些化學(xué)沉淀物。對于新疆地區(qū)來說，80%以上的灌溉水源為地面水源，它們因含有大量的泥沙極容易造成灌水設(shè)備堵塞，嚴(yán)重降低滴灌系統(tǒng)的使用壽命。對于滴灌系統(tǒng)的堵塞問題，可以通過改善水質(zhì)的方法來解決[4]。因此，在保證滴灌系統(tǒng)正常工作的前提下，對灌溉水源中的泥沙等雜質(zhì)進(jìn)行凈化(過濾處理)顯得尤為重要。過濾器則是清除水流中各種雜質(zhì)，保證整個滴灌系統(tǒng)正常運(yùn)行的核心設(shè)備[5,6]。其中網(wǎng)式過濾器具有過濾效率高、自動化程度高、過濾裝置和反清洗的機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠等優(yōu)點(diǎn)，在我國規(guī)模最大的新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)大田滴灌系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛。

但是，網(wǎng)式過濾器在實(shí)際應(yīng)用過程中也存在一些問題。如：水源沒有進(jìn)行前部粗過濾直接進(jìn)入過濾器或者前部粗過濾設(shè)置太過簡單使過濾器負(fù)擔(dān)過重，造成過濾器堵塞；人工設(shè)置電子控制系統(tǒng)不合理出現(xiàn)連續(xù)清洗或者不清洗的狀況，造成系統(tǒng)水量損失過多或者堵塞現(xiàn)象加劇等。分析可知，網(wǎng)式過濾器在實(shí)際應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題歸根結(jié)底主要還是濾網(wǎng)堵塞的問題。濾網(wǎng)堵塞造成過濾效率降低，過濾質(zhì)量下降，嚴(yán)重的會造成濾網(wǎng)變形[7]。網(wǎng)式過濾器濾網(wǎng)堵塞問題也隨著滴灌系統(tǒng)的推廣而更加顯現(xiàn)，探求網(wǎng)式過濾器濾網(wǎng)堵塞的成因是解決網(wǎng)式過濾器堵塞問題的最佳渠道。

1 網(wǎng)式過濾器過濾機(jī)理及濾網(wǎng)堵塞成因研究現(xiàn)狀

1.1 濾網(wǎng)過濾機(jī)理

過濾是利用過濾介質(zhì)將固體和液體分離的單元操作，是固液分離的組成部分[8]。它利用過濾介質(zhì)或者多孔膜截留液體中的難溶顆粒。網(wǎng)式過濾器濾網(wǎng)過濾的機(jī)理為：濾網(wǎng)以自身網(wǎng)孔大小為基準(zhǔn)，阻擋超過自身孔隙尺度的固體顆粒而允許小于自身孔隙尺度的顆粒通過或者形成濾餅阻止更小顆粒通過，以防超過允許流通范圍的雜質(zhì)堵塞系統(tǒng)中滴灌帶等設(shè)備，從而保證整個系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

濾網(wǎng)過濾的機(jī)制分為介質(zhì)過濾和濾餅過濾，其中介質(zhì)過濾又分為表面過濾與深層過濾。根據(jù)過濾過程時間的先后順序，濾網(wǎng)過濾分為2個不同階段：介質(zhì)過濾階段和濾餅過濾階段[8]。

介質(zhì)過濾是根據(jù)自身網(wǎng)孔大小確定阻擋顆粒大小，過濾介質(zhì)的孔徑要小于液體中固體粒子的粒徑，起著篩網(wǎng)的篩析作用。一般發(fā)生在過濾開始的階段。濾餅過濾也是以本身濾網(wǎng)作為過濾介質(zhì)，但過濾介質(zhì)只是起著支撐濾餅的作用，過濾介質(zhì)的孔徑不一定要小于最小顆粒的粒徑。過濾開始時，部分小顆?？梢赃M(jìn)入甚至穿過介質(zhì)的小孔，但很快即由顆粒的架橋作用使介質(zhì)的孔徑縮小形成有效的阻擋。被截留在介質(zhì)表面的顆粒形成稱為濾餅的濾渣層，透過濾餅層的則是凈化了的濾液。濾餅形成后，真正起過濾作用的是濾餅本身，因此稱為濾餅過濾。

介質(zhì)過濾和濾餅過濾2個過程構(gòu)成了濾網(wǎng)過濾的整個過程。在濾網(wǎng)過濾的整個過程中，介質(zhì)過濾和濾餅過濾沒有嚴(yán)格的界限。由于各種原因，雜質(zhì)顆?；蛘哂袡C(jī)物分布不均，兩種過濾方式可同時進(jìn)行濾網(wǎng)過濾。

徐新陽等詳細(xì)介紹了濾餅過濾過程中各物理量的計(jì)算公式、計(jì)算機(jī)模擬程序的設(shè)計(jì)，為濾餅過濾過程的研究提供了一種新的研究方法[9]；付海明等認(rèn)為，過濾介質(zhì)在運(yùn)行工作時，隨過濾時間的增加，粉塵顆粒會逐漸在過濾介質(zhì)中產(chǎn)生沉積形成濾餅，過濾介質(zhì)中孔隙逐漸被粉塵顆粒阻塞，過濾介質(zhì)的捕集效率和運(yùn)行阻力隨時間產(chǎn)生較大的變化[10]；Schmidt認(rèn)為，在介質(zhì)過濾過程中，雜質(zhì)顆粒積累形成濾餅，過濾器的特性受到濾餅本身結(jié)構(gòu)特征的影響，這些結(jié)構(gòu)特征包括粒徑大小分布、粒子電荷、內(nèi)聚特性等，隨著過濾時間增加，流動阻力和壓降增加，而且壓降變化不是線性變化的[11]。文棋、鄭傳祥對自清洗過濾器的過濾機(jī)理進(jìn)行了研究，著重研究過濾介質(zhì)和過濾所形成的濾餅處的壓降，得到了工業(yè)用全自動自清洗過濾器的透過度和孔隙度兩個參數(shù)值[12]；鄧忠等以顆粒雜質(zhì)堵塞微灌系統(tǒng)的時空變化過程為研究對象，研究了微灌灌水器堵塞的機(jī)理與形成過程，詳細(xì)闡述了灌水器堵塞的類型及其關(guān)系和堵塞規(guī)律，并針對不同類型的過濾器過濾機(jī)理進(jìn)行了分析，最后提出了微灌過濾技術(shù)發(fā)展及過濾設(shè)備存在的問題和建議[13]；景有海通過試驗(yàn)研究表明，過濾池的過濾機(jī)理并非是機(jī)械篩濾，而是濾料對水中的懸浮顆粒的吸附過程，這就涉及2個過程：①水中懸浮顆粒向?yàn)V料的遷移過程；②遷移到濾料表面的懸浮顆粒被濾料表面的吸附過程[14]。宗全利等對滴灌用自清洗網(wǎng)式過濾器排污壓差進(jìn)行了計(jì)算，并給出了80目和120目過濾器最佳排污壓差值[15]。

1.2 濾網(wǎng)堵塞成因研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外對過濾器濾網(wǎng)堵塞的研究較少且主要集中于過濾器濾網(wǎng)壓降的試驗(yàn)研究等方面。例如：董文楚分析了過濾與堵塞的規(guī)律，即過濾時表層堵塞比下層嚴(yán)重，隨著過濾運(yùn)行時間的延續(xù)，濾層堵塞由表層逐漸向下層推移，根據(jù)反沖洗試驗(yàn)結(jié)果，提出了最佳反沖洗強(qiáng)度和最佳膨脹率，并對反沖洗效果進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證，為正確設(shè)計(jì)農(nóng)用砂石過濾器提供了設(shè)計(jì)依據(jù)[16]；涂攀峰等對水溶肥中水不溶物含量對滴灌施肥系統(tǒng)過濾器堵塞的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，以膨潤土為填充料的供試肥料(膨潤土肥料)和凹凸棒土為填充料的供試肥料(凹凸棒土肥料)，在水不溶物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%以上時43 min內(nèi)均可使過濾器濾網(wǎng)兩端的壓差達(dá)到0.05 MPa，并最終使過濾器完全堵塞[17]；楊國華等對雙層濾料過濾床的壓降特性進(jìn)行了研究，得到了床層總壓降、沙層和膨脹珍珠巖層的壓降特性[18]；姚培等對輸油管路網(wǎng)式過濾器濾網(wǎng)進(jìn)行了壓降的實(shí)驗(yàn)研究，通過實(shí)驗(yàn)確定了濾網(wǎng)開孔率β和雷諾數(shù)Re對水頭損失系數(shù)ξ的具體影響[19]；李逢春和王象文對深井過濾器堵塞原因與機(jī)理進(jìn)行分析研究，并提出防止堵塞的措施及堵塞后的整治辦法[20]。

國外，Zeier等分別對6種粒徑、2種含沙量和1種粒徑、8種含沙量針對不同孔徑的濾網(wǎng)進(jìn)行了過濾試驗(yàn)，提出了反映網(wǎng)式過濾器堵塞的方程，并根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪圖判定過濾器在不同條件下的性能[21]；Adin和Alon指出濾網(wǎng)堵塞是滴灌用網(wǎng)式過濾器存在的一個主要問題，他們采用含有大量有機(jī)物的水源為前提，以濾網(wǎng)孔徑、過濾速度和有機(jī)物含量為研究變量分析濾網(wǎng)堵塞機(jī)理，發(fā)現(xiàn)濾網(wǎng)堵塞率取決于濾網(wǎng)孔徑、過濾速度和有機(jī)物含量等變量，計(jì)算出評估過濾器過濾性能的過濾指數(shù)和濾餅阻力[22]。Juanico等對灌溉用水庫水源中雜質(zhì)對過濾器堵塞性能的影響進(jìn)行研究中發(fā)現(xiàn)，過濾器堵塞是由混合的浮游生物和懸浮顆粒的積聚造成的，隨著進(jìn)水流量的增加，堵塞程度加劇，這種現(xiàn)象主要是由較大的海藻和浮游生物造成，懸浮顆粒的積聚造成堵塞的影響較小[23]；通過分析可知，現(xiàn)有研究成果中對過濾器濾網(wǎng)堵塞成因的理論研究不多，特別是網(wǎng)式過濾器濾網(wǎng)堵塞成因的分析與對策未做具體的研究。

2 大田滴灌中網(wǎng)式過濾器濾網(wǎng)堵塞成因分析

根據(jù)實(shí)際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，以新疆為代表的西北地區(qū)網(wǎng)式過濾器濾網(wǎng)堵塞成因復(fù)雜。經(jīng)過在新疆克拉瑪依烏爾禾區(qū)、和什托洛蓋市以及北屯市等地實(shí)地調(diào)研，得到網(wǎng)式過濾器濾網(wǎng)堵塞的主要原因如下。

2.1 水源雜質(zhì)多

新疆地區(qū)屬于西北內(nèi)陸，基本無大江大河，水源大部分來自于冰川融水。水流具有季節(jié)性，并且含沙量大[24]。有些灌溉水源絮類、植物殘骸以及有機(jī)物等眾多，影響過濾器的正常進(jìn)行，容易造成濾網(wǎng)堵塞。圖1給出了新疆某團(tuán)場首部沉淀池中懸浮物和有機(jī)物等雜質(zhì)情況，從圖1可以看出，在灌溉季節(jié)，前池水表面漂浮著很多柳絮、植物殘骸等雜質(zhì)；水體中也有很多蚊蠅等浮游生物，這些都會造成過濾首部的嚴(yán)重堵塞。

有機(jī)物對網(wǎng)式過濾器濾網(wǎng)堵塞的影響很大，主要來源于供水水源、河渠水輸運(yùn)過程中和滋生于灌溉季節(jié)供水管道中。一般有機(jī)物雜質(zhì)數(shù)量的多少主要取決于水源，如額爾齊斯河水在流動過程中會生長很多藻類，浮游生物等，開敞式靜水塘壩或水池中也會滋長大量藻類及浮游生物，產(chǎn)生大量有機(jī)生物遺體。這些雜質(zhì)會進(jìn)入濾網(wǎng)過濾系統(tǒng)，不斷在濾網(wǎng)上匯集，形成濾餅層，隨著時間的推移雜質(zhì)累積堵塞濾網(wǎng)，如圖2(a)所示。微生物也是引起濾網(wǎng)堵塞的一個重要因素。經(jīng)常出現(xiàn)的微生物主要含鐵和硫離子，含鐵的微生物是由可溶解的亞鐵離子氧化而成，黏附在濾網(wǎng)表層，形成一種稱作赭石的沉積物，會很快堵塞過濾器濾網(wǎng)。硫化物是一種白色或黃色的黏稠纖維沉積物，其表面會吸附很多其他雜質(zhì)。

圖1 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)某團(tuán)場灌溉首部水源雜質(zhì)

無機(jī)物對濾網(wǎng)的堵塞起到主要作用，無機(jī)雜質(zhì)(如沙子、碎石等)由于其粒徑過大無法通過過濾器濾網(wǎng)，累積在濾網(wǎng)內(nèi)表面，隨著濾網(wǎng)層上無機(jī)雜質(zhì)的積累最終引起濾網(wǎng)堵塞，如圖2(b)所示。有時，懸浮于水中的黏土粒也會聚集成大的顆粒堵塞過濾器濾網(wǎng)。過濾系統(tǒng)啟動后，帶有雜質(zhì)的水開始以恒定的體積流率進(jìn)入過濾網(wǎng)區(qū)，不管是有機(jī)雜質(zhì)還是無機(jī)雜質(zhì)，只要是固體顆粒都被截留在過濾網(wǎng)面上，隨著時間的推移，累積貢獻(xiàn)形成濾餅，過濾水穿過濾餅和過濾介質(zhì)(即濾網(wǎng))被輸送到灌區(qū)大田，而雜質(zhì)集聚在濾網(wǎng)上，使濾網(wǎng)堵塞無法過水，濾網(wǎng)的過濾功能徹底失效。

圖2 網(wǎng)式過濾器運(yùn)行中的濾網(wǎng)堵塞

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查得到：水中雜質(zhì)越多，顆粒越粗，濾網(wǎng)堵塞所用的時間越短，造成堵塞現(xiàn)象就越嚴(yán)重；不同水質(zhì)造成不同狀況的堵塞，水中雜質(zhì)越多，網(wǎng)式過濾器濾網(wǎng)越容易堵塞；水源成分中，有機(jī)質(zhì)含量所占比例越高濾網(wǎng)越容易堵塞；無機(jī)質(zhì)含量所占比例越高越容易清洗。濾網(wǎng)堵塞情況與水源雜質(zhì)含量有直接的關(guān)系。過濾器濾網(wǎng)的反清洗過程較為復(fù)雜，實(shí)際中應(yīng)用最廣泛的方法是自動反沖洗。但這種方法不能有效的解決過濾器堵塞的難題，尤其是對于有機(jī)物含量較多的雜質(zhì)，清洗效果較差，最有效的方法是在這些雜質(zhì)進(jìn)入過濾器之前進(jìn)行預(yù)處理。例如，在渠道水進(jìn)入過濾器中間環(huán)節(jié)加建重力沉砂池，對水中的雜質(zhì)進(jìn)行沉降，經(jīng)過重力沉沙過濾池對泥沙的處理，出池泥沙含量顯著降低[25]；在各沉淀池之間加建多層濾網(wǎng)設(shè)備，濾網(wǎng)目數(shù)逐級增加，提前進(jìn)行逐級過濾，減少雜質(zhì)進(jìn)入過濾器的幾率，為網(wǎng)式過濾器濾網(wǎng)減輕負(fù)擔(dān)，延緩過濾器堵塞。根據(jù)新疆地區(qū)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在泵的入口增加了圓形濾網(wǎng)的滴灌首部，可以有效地防止絮類和藻類等進(jìn)入過濾器，大大減輕了過濾器的堵塞，這為絮類和藻類等雜質(zhì)較多的水源地的過濾器濾網(wǎng)防堵塞方法提供了一種借鑒。

2.2 濾網(wǎng)類型設(shè)計(jì)問題

網(wǎng)式過濾器濾網(wǎng)按形狀可分為：矩形、圓形、楔形、環(huán)形等類型。目數(shù)從8～800不等(可按要求定制加工)。根據(jù)新疆地區(qū)調(diào)研得出，實(shí)際中的網(wǎng)式過濾器濾網(wǎng)類型主要為矩形濾網(wǎng)和楔形濾網(wǎng)，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)式過濾器濾網(wǎng)類型

矩形濾網(wǎng)[見圖3(a)]一般是有經(jīng)線和緯線按一定規(guī)律上下交錯而織成的，圖示為平紋組織。這種組織最為致密，可以獲得清潔的濾液。但它的孔隙容易堵塞，當(dāng)固體雜質(zhì)小于濾網(wǎng)孔隙時，固體雜質(zhì)可以從濾網(wǎng)孔隙中過去，不會對濾網(wǎng)產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象，但當(dāng)固體雜質(zhì)尺寸與矩形濾網(wǎng)尺寸相當(dāng)或者大于矩形濾網(wǎng)尺寸時，那么雜質(zhì)會留在濾網(wǎng)孔隙中，雜質(zhì)會很難清洗。當(dāng)矩形濾網(wǎng)形成濾餅時，不管是人工清洗還是自動清洗，濾餅難剝離。圖4給出了濾網(wǎng)長時間被雜質(zhì)堵塞的情況。從圖4可以看出，使用過的濾網(wǎng)，即使經(jīng)常進(jìn)行自動清洗，也都會不同程度地被污物雜質(zhì)卡住，有的甚至?xí)幸话胍陨暇W(wǎng)孔被堵塞而清洗不下來，即便用人工鋼刷清洗也非常困難。此外，水中的霉菌、細(xì)菌、藻類及其他的浮游生物都會引起濾網(wǎng)的堵塞，生物的滋生在低流速下更加嚴(yán)重，加快了濾網(wǎng)堵塞的速度，增加了濾網(wǎng)清洗的難度。它的矩形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其具有較差的穩(wěn)定性，也容易引起濾網(wǎng)變形，濾網(wǎng)變形嚴(yán)重將會大大降低濾網(wǎng)的過濾效果。由于以上種種不利因素，矩形濾網(wǎng)正逐漸被替代。

圖4 網(wǎng)式過濾器濾網(wǎng)長時間被堵塞情況

楔形濾網(wǎng)[見圖3(b)]在實(shí)際應(yīng)用中變得更加廣泛。楔形濾網(wǎng)材質(zhì)一般為不銹鋼、蒙乃爾合金、鋁合金及鎳、鈦等特殊合金，強(qiáng)度大，負(fù)荷能力強(qiáng)，使用壽命長效率也高。濾網(wǎng)的設(shè)計(jì)有利于過濾掉水中的雜質(zhì)且結(jié)實(shí)耐用。濾網(wǎng)有較好的支撐，不會引起濾網(wǎng)的變形，過濾效果較好，濾網(wǎng)材質(zhì)的選擇較好，臨界壓差較高，減少了清洗的次數(shù)。過濾精度高，壓力損失小。因?yàn)槿S的孔隙率很高，所以納污能力提高。由于它的材質(zhì)較硬，過濾過程中濾網(wǎng)目數(shù)與當(dāng)?shù)厮|(zhì)狀況不協(xié)調(diào)將會使過濾器停止工作，無法達(dá)到過濾的效果。如新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)和什托洛蓋一八四團(tuán)一連使用的過濾器濾網(wǎng)太密，而他們的水中有機(jī)物與含沙量較高，造成過濾器無法正常進(jìn)行過濾工作。由于過濾過程中濾網(wǎng)兩邊的較大的壓差作用(超過過濾器規(guī)定的額定壓差)會使過濾器濾網(wǎng)嚴(yán)重堵塞，這種堵塞很難清洗，因?yàn)闉V網(wǎng)類型為楔形，外寬內(nèi)窄，大顆粒在較大壓差下會卡在濾網(wǎng)縫隙中，沖洗的時候很難將雜質(zhì)徹底清洗掉。此時，只能人工清洗，耗時耗力。因此，在使用楔形濾網(wǎng)時，要因地制宜，根據(jù)不同地區(qū)的水質(zhì)特點(diǎn)選擇不同目數(shù)的過濾器，按時間間隔進(jìn)行清洗時要選擇合適的過濾時間，按壓差進(jìn)行清洗時也應(yīng)設(shè)置適合的壓差。

2.3 清洗設(shè)計(jì)不夠完善

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，過濾器濾網(wǎng)清洗設(shè)計(jì)不夠完善也是導(dǎo)致過濾器堵塞的一個重要原因。過濾器濾網(wǎng)清洗分為人工清洗和自動反清洗兩種。人工清洗是根據(jù)實(shí)際濾網(wǎng)堵塞狀況對濾網(wǎng)進(jìn)行的操作。不用考慮時間和水質(zhì)，當(dāng)濾網(wǎng)沒有堵塞時，不用進(jìn)行相關(guān)操作，當(dāng)濾網(wǎng)堵塞程度超過實(shí)供水需求時進(jìn)行拆卸清洗濾網(wǎng)。這種清洗方法基本不會加重過濾器堵塞程度。人工清洗雖然能夠根據(jù)實(shí)際狀況決定是否進(jìn)行濾網(wǎng)清洗，但也存在操作復(fù)雜的弊端。

自動反清洗最主要的優(yōu)點(diǎn)是利用水壓自我操作、自我清洗，且清洗時不停止過濾，自動化程度高，壓力損失小，不必進(jìn)行人工清除濾渣。目前，為了過濾系統(tǒng)更加的方便快捷，濾網(wǎng)清洗基本上都是自動反清洗。自動反清洗分為按時間間隔進(jìn)行清洗和按壓差進(jìn)行清洗。以時間為控制參數(shù)進(jìn)行的清洗，即人為設(shè)定每隔一定時間清洗一次，不考慮過濾器是否有必要清洗。但要實(shí)現(xiàn)自清洗自動控制，僅依照時間次序方法可能達(dá)不到徹底清洗目的，而且容易導(dǎo)致重復(fù)浪費(fèi)，而以壓差作為控制參數(shù)就能合理地解決這個問題，即用濾網(wǎng)過濾產(chǎn)生的壓差作為控制預(yù)設(shè)參數(shù)，當(dāng)壓差達(dá)到預(yù)設(shè)值時，輸出自清洗信號，實(shí)現(xiàn)自動清洗。兩種清洗方式都存在一個問題：因?yàn)樽詣舆^濾的兩種方式都不是實(shí)時操作，過濾過程中由于較大的壓力作用使雜質(zhì)鑲?cè)霝V網(wǎng)內(nèi)，而在清洗過程中無法將雜質(zhì)排除，從而影響后面的過濾過程。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，自動反清洗過程中對沙石的清洗效果較好，但對浮游生物、藻類、絮類等雜質(zhì)的清洗效果不理想。建立沉淀池和攔污網(wǎng)進(jìn)行前期的粗過濾可以有效降低過濾器負(fù)擔(dān)，減輕過濾器濾網(wǎng)堵塞的程度，保證過濾器正常工作。

2.4 水肥一體化對濾網(wǎng)的影響

圖5 網(wǎng)式過濾器濾網(wǎng)表面形成水垢情況

將施肥這一環(huán)節(jié)增加到節(jié)水灌溉系統(tǒng)中是一個重大的創(chuàng)新，水肥一體化節(jié)約了大量的人力成本和經(jīng)濟(jì)成本?，F(xiàn)行的施肥器是將化肥溶解均勻后加入過濾器前端，流經(jīng)過濾器濾網(wǎng)與各級管道進(jìn)入大田作物。但在利用滴灌等節(jié)水灌溉系統(tǒng)施肥的過程中，化肥會不可避免地在濾網(wǎng)上產(chǎn)生積垢而逐漸造成濾網(wǎng)堵塞。因此，化學(xué)雜質(zhì)是引起濾網(wǎng)堵塞的隱形因素。通常水體中含大量Ca、Mg、Mn等礦物質(zhì)，積垢主要是在溫度、壓力、pH值適宜的條件下，各種微生物、碳酸鹽與礦物質(zhì)相互作用形成沉淀物附著在濾網(wǎng)表面引起的。因?yàn)樾陆耐恋睾退吹膲A性程度比較高，水中礦物質(zhì)含量比較多，而農(nóng)業(yè)滴灌用化肥也多呈堿性，在灌溉施肥過程中，農(nóng)業(yè)化肥溶解進(jìn)入過濾器，使過濾器內(nèi)水的pH值升高。pH越高，水中的堿性越強(qiáng)，水中化合物析出形成沉淀(碳酸鈣等)凝結(jié)在濾網(wǎng)上，形成水垢。另一方面，水中的Fe3+在微生物的作用下與OH-形成Fe(OH)3難溶物。圖5給出了水垢對濾網(wǎng)堵塞的情況，從圖5可以看出，濾網(wǎng)的堵塞程度比較嚴(yán)重，濾網(wǎng)因化肥、各種微生物、碳酸鹽與礦物質(zhì)相互作用發(fā)生的生物化學(xué)作用使濾網(wǎng)表面銹蝕及難溶物析出，形成水垢(沉淀物)。濾網(wǎng)表面形成的水垢無法在自清洗過程中被清洗掉，時間越長積累越多，濾網(wǎng)因過水面積減小而影響過濾器的正常運(yùn)行。

減少濾網(wǎng)堵塞就是如何更好地處理濾網(wǎng)上的積垢或者減少積垢在濾網(wǎng)表面形成的條件，針對濾網(wǎng)積垢的現(xiàn)象，可以考慮在水中添加一些酸性物質(zhì)與水中的堿性中和，使凝結(jié)在濾網(wǎng)上的難溶物溶解，減少形成難溶物的條件。這種方法雖然效果明顯，但是成本較高。把施肥設(shè)備安裝在過濾器后端不失是一個好辦法。這樣，攪拌均勻的化肥不經(jīng)過過濾器濾網(wǎng)，濾網(wǎng)不會因化學(xué)雜質(zhì)而結(jié)垢，可以大大降低濾網(wǎng)堵塞的可能性。然而，這會增加滴灌帶的負(fù)擔(dān)，為防止滴灌帶堵塞，需要根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況調(diào)整滴灌帶的孔徑大小，還要對化肥的攪拌嚴(yán)格執(zhí)行相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。在新疆實(shí)際的生產(chǎn)中，滴灌帶使用期限一般是一年，在使用過程中一般不會造成堵塞。

3 結(jié) 語

水源高含沙量以及大量存在的絮類、植物殘骸等有機(jī)物是造成濾網(wǎng)堵塞的主要原因；濾網(wǎng)類型設(shè)計(jì)與選擇暴露出來的缺陷是造成濾網(wǎng)堵塞的根本原因；水肥一體化對濾網(wǎng)的化學(xué)影響是導(dǎo)致濾網(wǎng)堵塞的次要原因。各種原因相互配合共同作用造成濾網(wǎng)的堵塞。濾網(wǎng)優(yōu)良的過濾性能必然會引起濾網(wǎng)的堵塞。只有通過盡可能地利用濾網(wǎng)優(yōu)良的過濾性能的同時降低濾網(wǎng)堵塞的幾率或者延緩濾網(wǎng)堵塞所用時間才能更好地服務(wù)新疆乃至西北地區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展。

(1)對于水源雜質(zhì)太多造成濾網(wǎng)容易堵塞的難題，在應(yīng)用自動反沖洗的同時，在渠道水進(jìn)入過濾器中間環(huán)節(jié)加建多個沉淀池與濾網(wǎng)過濾設(shè)施，延緩過濾器堵塞。

(2)對于濾網(wǎng)類型設(shè)計(jì)不同，因其缺陷造成的濾網(wǎng)堵塞，應(yīng)在使用過程中根據(jù)不同環(huán)境選擇不同濾網(wǎng)類型，楔形濾網(wǎng)因其多種優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)更好的應(yīng)用推廣，但在使用楔形濾網(wǎng)時，也要因地制宜，根據(jù)不同地區(qū)的水質(zhì)特點(diǎn)選擇不同目數(shù)的濾網(wǎng)。

(3)對于過濾器濾網(wǎng)清洗設(shè)計(jì)不夠完善引起堵塞的問題，要根據(jù)不同水質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行合理的操作設(shè)計(jì)，按時間間隔進(jìn)行清洗時要選擇合適的過濾時間，按壓差進(jìn)行清洗時也應(yīng)設(shè)置適合的壓差。

(4)對于水肥一體化對濾網(wǎng)的化學(xué)作用造成的濾網(wǎng)堵塞，不考慮成本的條件下可以在水中添加酸性物質(zhì)與水中的堿性中和，使凝結(jié)在濾網(wǎng)上的難溶物溶解，減少形成難溶物的條件，對于大片農(nóng)田可以考慮把施肥設(shè)備安裝在過濾器后端，降低濾網(wǎng)堵塞的可能性。

[1] 宋 維.新疆兵團(tuán)節(jié)水灌溉面積達(dá)八百萬畝 成節(jié)水示范區(qū)[EB/OL]. http:∥www.chinanews.com/cj/gncj/news/2006/12-27/844497.shtml, 2006-12-27.

[2] 陳維華. 新疆兵團(tuán)高新節(jié)水灌溉面積突破1 000 萬畝成為全國節(jié)水灌溉示范基地[EB/OL]. http:∥xj.people.com.cn/GB/188514/14715535.html, 2011-05-23.

[3] 戚亞平. 新疆兵團(tuán)高效節(jié)水灌溉面積達(dá)到1 560 萬畝[EB/OL]. http:∥www.chinanews.com/df/2016/01-13/7715324.shtml, 2016-01-13.

[4] 薛英文,楊 開,李白紅,等. 中水微灌系統(tǒng)生物堵塞特性探討[J]. 中國農(nóng)村水利水電,2007,(7):36-39.

[5] 宗全利,鄭鐵剛,劉煥芳,等. 滴灌自清洗網(wǎng)式過濾器全流場數(shù)值模擬與分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013,29(16):57-65.

[6] Zong Quanli,Zheng Tiegang, Liu Huanfang, et al. Development of head loss equations for self-cleaning screen filters in drip irrigation systems using dimensional analysis[J].Biosystems Engineering,2015, 133:116-127.

[7] 宗全利,劉煥芳,鄭鐵鋼,等.過濾器技術(shù)及應(yīng)用-自清洗網(wǎng)式[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2015.

[8] 丁啟圣,王唯一.新型實(shí)用過濾技術(shù)[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社,2011.

[9] 徐新陽,徐繼潤,劉振山,等. 濾餅過濾過程的計(jì)算機(jī)模擬程序設(shè)計(jì)[J]. 過濾與分離,2000,(4):15-18.

[10] 付海明,沈恒根. 纖維過濾器過濾理論的研究進(jìn)展[J]. 中國粉體技術(shù),2003,9 (1):41-46.

[11] Schmidt E.Experimental investigation into the compression of dust cakes deposited on filter media[J]. Filtration Separation,1995,32(8):789-793.

[12] 文 棋.全自動自清洗過濾器過濾機(jī)理分析及控制系統(tǒng)研究[D]. 杭州：浙江大學(xué),2004.

[13] 鄧 忠,翟國亮,宗 潔,等. 微灌系統(tǒng)堵塞機(jī)理分析與微灌過濾器研究進(jìn)展[J]. 節(jié)水灌溉,2014,(8):71-74.

[14] 景有海,金同軌,范謹(jǐn)初.均質(zhì)濾料過濾過程的毛細(xì)管去除濁質(zhì)模型[J]. 中國給水排水,2000,(6):1-4.

[15] 宗全利,劉 飛,劉煥芳,等.大田滴灌自清洗網(wǎng)式過濾器水頭損失試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(16)：86-92.

[16] 董文楚.微灌用砂石過濾器水力性能研究[J]. 噴灌技術(shù),1996,(1):7-14.

[17] 涂攀峰,鄧蘭生,龔 林,等. 水溶肥中水不溶物含量對滴灌施肥系統(tǒng)過濾器堵塞的影響[J]. 磷肥與復(fù)肥,2012,27(1):72-73.

[18] 楊國華,周江華. 雙層濾料過濾床的壓降特性研究[J]. 熱能動力工程,2007,22(3):267-269,344.

[19] 姚 培,潘文群,李恩田.輸油管路網(wǎng)式過濾器壓降的實(shí)驗(yàn)研究[J].管道技術(shù)與設(shè)備,2008,(3):32-33.

[20] 李逢春,王象文. 深井過濾器堵塞原因與防治[J]. 山西建筑,1997,(2):42-45,20.

[21] Kenneth R Z, David J H.Trickle irrigation screen filter performance as affected by sand size and concentration[J]. Transactions of the ASABE. 1987,30(3):735-739.

[22] Avner A,Giora A.Mechanisms and process parameters of filter screens[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 1986,112:293-304.

[23] Juanico M, Azov Y, Teltsch B et al. Effect of effluent addition to a freshwater reservoir on the filter clogging capacity of irrigation water [J]. Water Reserch, 1995,29(7):1 695-1 702.

[24] 劉 飛,劉煥芳,鄭鐵剛,等.微灌用自吸式自動過濾器濾網(wǎng)內(nèi)外工作壓差的設(shè)置研究[J].中國農(nóng)村水利水電,2010,(4):50-53.

[25] 戚印鑫. 河水滴灌重力沉沙過濾池對河水泥沙處理效果的試驗(yàn)研究[J]. 中國農(nóng)村水利水電,2014,(4):15-17,24.