滴灌網(wǎng)式過濾器水頭損失試驗(yàn)及分析

李曼 劉貞姬 宗全利

摘 要：滴灌用自清洗網(wǎng)式過濾器是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的過濾器之一，其水頭損失是評(píng)價(jià)過濾器性能的關(guān)鍵參數(shù)。對(duì)過濾器的水力性能進(jìn)行系統(tǒng)研究，分析了80目濾網(wǎng)清水和渾水水頭損失的變化規(guī)律。通過清水試驗(yàn)，擬合得到了進(jìn)水流量與水頭損失變化的關(guān)系式;通過渾水試驗(yàn)，采用單因素分析法對(duì)流量相同和含沙量相同條件下的水頭損失變化規(guī)律進(jìn)行研究，得到了相應(yīng)渾水水頭損失的計(jì)算方法，由此擬合出兩種情況下的水頭損失計(jì)算公式，擬合公式的決定系數(shù)均大于0.90。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)式過濾器; 灌溉; 計(jì)算; 清水; 渾水; 水頭損失

Abstract：At present， self-cleaning screen filter for drip irrigation is one of the most widely used filters at home and abroad and its head loss is a key parameter for evaluating filter performance. In this paper， the hydraulic performance of the filter was systematically studied and the variation law of the water loss and turbid water head loss of the 80 mesh filter was analyzed. In the clean water test， the relationship between the inflow and the head loss was obtained by fitting. In muddy waters， the variation of head loss under the same flow rate and the same sediment concentration was carried out by the single factor analysis method. In the study， the calculation method of the corresponding head loss of the drowning water was obtained and calculated separately and the formula for calculating the head loss in two cases was fitted. In the water and drowning experiments， the data fit degree was greater than 0.90.

Key words： screen filter; irrigation; calculation; clean water; muddy water; head loss

新疆地區(qū)水源多為冰川融水，里面含有大量的無(wú)機(jī)雜質(zhì)（泥沙等）、有機(jī)雜質(zhì)（懸浮物和動(dòng)物殘骸等）和其他雜質(zhì)，基于此，過濾就顯得尤為重要。就現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外對(duì)過濾器的研究而言，過濾器水力性能和過濾性能等方面的研究已經(jīng)成為主流。過濾器水頭損失是評(píng)價(jià)過濾器水力性能及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)。目前國(guó)內(nèi)對(duì)過濾器水頭損失的研究，普遍以立式過濾器為準(zhǔn)。相較而言，臥式自清洗網(wǎng)式過濾器具有安裝、維護(hù)方便及成本低等優(yōu)點(diǎn)。本文在總結(jié)國(guó)內(nèi)外臥式過濾器研究文獻(xiàn)[1-4]的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究其水頭損失的變化規(guī)律，以此為用戶提供參考依據(jù)及技術(shù)指導(dǎo)。

1 國(guó)內(nèi)外過濾器研究現(xiàn)狀

綜合過濾器在滴灌系統(tǒng)中的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外對(duì)過濾器的研究主要分為以下3類：一是對(duì)過濾器工作原理及過濾性能的研究，以便優(yōu)化過濾器的內(nèi)部結(jié)構(gòu);二是對(duì)各種組合式過濾器即新型過濾器的研究，包括離心式網(wǎng)式過濾器、疊片式砂過濾器等，將不同過濾器的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，提高過濾器的過濾效果;三是對(duì)過濾器清洗方式及排污時(shí)間的研究，以期為過濾器提供更長(zhǎng)的使用壽命，提高其經(jīng)濟(jì)效益。

武漢大學(xué)董文楚從20世紀(jì)90年代起就對(duì)砂石過濾器過濾機(jī)理、堵塞規(guī)律、水頭損失及其影響因素等方面做了大量的研究[5-7];徐茂云[8]基于我國(guó)現(xiàn)有微灌用篩網(wǎng)式過濾器水力性能試驗(yàn)研究，提出了減小濾網(wǎng)面積、改變過濾器結(jié)構(gòu)使其便于安裝等建議;陶洪飛等[9]采用 Fluent軟件討論和分析不同濾網(wǎng)孔徑下的速度場(chǎng)、壓強(qiáng)場(chǎng)及能態(tài)場(chǎng)，得出濾網(wǎng)孔徑越小網(wǎng)式過濾器過濾時(shí)的內(nèi)部流場(chǎng)越紊亂、水頭損失越大、罐體與出水管交界處的濾網(wǎng)需要承受的壓強(qiáng)差越大的結(jié)論;宋劍鵬[10]通過對(duì)影響自清洗網(wǎng)式過濾器最佳排污時(shí)間的因素進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)過濾器最佳排污時(shí)間與過濾器進(jìn)水含沙量、排污含沙量及過濾時(shí)間有關(guān);閆大壯等[11]通過大量研究得出造成滴頭堵塞的主要顆粒的數(shù)量級(jí);宗全利等[12]研究發(fā)現(xiàn)，濾網(wǎng)內(nèi)外壓降隨水流流量、濾網(wǎng)厚度、形成濾餅層厚度增大而增大，濾網(wǎng)孔徑越小，濾餅孔隙率越小，濾網(wǎng)兩側(cè)壓降越大。

國(guó)外對(duì)自清洗過濾器的研究比較早，理論研究比較透徹，灌溉技術(shù)較為先進(jìn)，研制生產(chǎn)了各種類型的自清洗過濾器，水資源利用率較高。Anon[13]在早期就對(duì)自清洗過濾器的性能等進(jìn)行了分析和研究;James[14]提出了自動(dòng)反沖洗過濾器;Jan[15]研究了自清洗連續(xù)過濾系統(tǒng);Puig等[16]利用量綱分析法推導(dǎo)了若干方程用于計(jì)算盤式、網(wǎng)式和砂式過濾器的水頭損失，并對(duì)過濾器的水頭損失進(jìn)行了分析;Demir等[17]主要從過濾器的濾網(wǎng)網(wǎng)篩角度出發(fā)對(duì)其水頭損失等進(jìn)行了研究，得到了過濾器不同，其流量和水頭損失等也隨之不同的結(jié)論，基于此進(jìn)一步確定了其變化范圍;Yurdem等[18]研究了用于滴灌系統(tǒng)中網(wǎng)式、旋流器、砂分離器等不同過濾器的效率，得出了在特定流量范圍下的水頭損失。

隨著我國(guó)工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，過濾器的總體水平不斷提高，我國(guó)過濾器設(shè)備的發(fā)展有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，具有高效率、低投入、系統(tǒng)自動(dòng)化、適合我國(guó)國(guó)情的微灌設(shè)備將是今后研究的主要方向[19]。

2 過濾器濾網(wǎng)類型設(shè)計(jì)

網(wǎng)式過濾器濾網(wǎng)按形狀可分為矩形、楔形、圓形等類型[20]。實(shí)際應(yīng)用中主要采用矩形濾網(wǎng)和楔形濾網(wǎng)，如圖1所示。矩形濾網(wǎng)一般是由經(jīng)線和緯線按一定規(guī)律上下交錯(cuò)而織成的，這種方式使濾網(wǎng)較為細(xì)密緊致，過濾時(shí)固體粒徑小于濾網(wǎng)孔隙的可以通過，大于其孔隙的則被截留，過濾后可以獲得比較清潔的濾液。楔形濾網(wǎng)材質(zhì)一般為不銹鋼、鈦等特殊合金，具有強(qiáng)度大、負(fù)荷能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、效率高等特點(diǎn)，特殊材質(zhì)為濾網(wǎng)提供了較好的支撐，使濾網(wǎng)不易變形。

目前隨著對(duì)過濾器自清洗程度要求的提高，雖然楔形網(wǎng)有不易拆卸、需要因地制宜以及制作成本高等缺點(diǎn)，但對(duì)比矩形網(wǎng)的容易造成堵塞、易變形、清洗不干凈和使用壽命短等缺點(diǎn)，楔形網(wǎng)明顯具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，因此楔形網(wǎng)更適合推廣應(yīng)用。

3 材料與方法

3.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)裝置如圖2所示，其主要由變頻柜、蓄水池、進(jìn)水管、試驗(yàn)用過濾器、出水管、攪拌池、排污管、離心泵以及過濾設(shè)備等構(gòu)成。其中：過濾器外殼直徑0.38 m，濾網(wǎng)內(nèi)直徑0.28 m、外直徑0.30 m，出水口、進(jìn)水口以及排污口管徑分別為0.20、0.20、0.10 m。試驗(yàn)地點(diǎn)為石河子大學(xué)水工水力學(xué)試驗(yàn)大廳，其主要研究對(duì)象為臥式自清洗網(wǎng)式過濾器，包括渾水試驗(yàn)和清水試驗(yàn)兩部分。試驗(yàn)用水采用抽取蓄水池水源的方式，該蓄水池直徑4.5 m、高2.0 m。試驗(yàn)供水裝置的內(nèi)部還設(shè)置了一個(gè)棱柱形攪拌池，其長(zhǎng)0.8 m、寬0.8 m、高1.5 m，作用是使試驗(yàn)用水能夠有一定的含沙量并且基本保持在一個(gè)濃度范圍內(nèi)，攪拌池動(dòng)力由一個(gè)額定功率為1.5 kW的三相異步電動(dòng)機(jī)提供，在試驗(yàn)過程中進(jìn)水流量大小由變頻器來(lái)調(diào)節(jié)。結(jié)合新疆灌溉用水水質(zhì)特點(diǎn)，針對(duì)該地區(qū)微灌較為常用的規(guī)格為80目的網(wǎng)式過濾器進(jìn)行試驗(yàn)，其對(duì)應(yīng)網(wǎng)孔直徑為 0.18 mm，過濾器工作流量為 150～220 m3/h;渾水試驗(yàn)采用細(xì)沙，泥沙粒徑級(jí)配見圖3，相應(yīng)中值粒徑d50為0.16 mm。為了在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)水頭損失變化規(guī)律，選用較粗泥沙顆粒級(jí)配進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2 泥沙顆粒級(jí)配

試驗(yàn)中采用的渾水水樣的泥沙粒徑級(jí)配曲線見圖3。所選取泥沙粒徑依據(jù)為：首先要保證過濾器濾網(wǎng)在較大含沙量（S=0.063 g/L）下不會(huì)在很短時(shí)間內(nèi)堵塞，為試驗(yàn)提供足夠取樣時(shí)間（至少10～20 min）;其次要確保在較小含沙量（S=0.006 g/L）下，達(dá)到預(yù)設(shè)壓差不會(huì)很長(zhǎng)時(shí)間（小于60～90 min），保證試驗(yàn)的效率。

3.3 試驗(yàn)方法與步驟

根據(jù)實(shí)際情況，本試驗(yàn)采用清水試驗(yàn)和渾水試驗(yàn)兩種情況來(lái)進(jìn)行對(duì)比分析。其中清水試驗(yàn)主要通過控制進(jìn)水流量得到不同的進(jìn)出口壓差值，進(jìn)而通過計(jì)算得出其細(xì)過濾網(wǎng)局部水頭損失，最后將細(xì)過濾網(wǎng)局部水頭損失值與進(jìn)水流量進(jìn)行擬合，得出兩者之間的關(guān)系方程。

渾水試驗(yàn)主要采用單因素試驗(yàn)法分別對(duì)進(jìn)水流量一定和進(jìn)水含沙量一定兩種情況進(jìn)行分析?？紤]多方面的因素，本試驗(yàn)采用4級(jí)不同進(jìn)水流量和6級(jí)不同進(jìn)水含沙量，重點(diǎn)測(cè)試過濾器的局部水頭損失隨時(shí)間的變化情況，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行擬合分析。其中4級(jí)不同進(jìn)水流量Q分別為220、200、180、160 m3/h，6級(jí)不同進(jìn)水含沙量S分別為0.006、0.013、0.015、0.018、0.027、0.063 g/L。本試驗(yàn)中4種試驗(yàn)流量是按照過濾器工作流量Q=150～220 m3/h范圍且級(jí)差為20 m3/h來(lái)進(jìn)行選擇的，這樣既可以保證試驗(yàn)流量有較廣的范圍，又在過濾器額定流量之內(nèi)。根據(jù)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，選取具有代表性的組次進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而得出相應(yīng)的結(jié)論。

4 結(jié)果與分析

4.1 清水條件下過濾器水頭損失變化規(guī)律

清水條件下，自清洗網(wǎng)式過濾器不會(huì)發(fā)生堵塞現(xiàn)象，其有效過濾面積不會(huì)減小，在此情況下過濾器能夠正常工作，并不會(huì)產(chǎn)生其他的水頭損失，因此濾網(wǎng)進(jìn)、出口之間的總水頭差即其總水頭損失。在過濾器流量允許的范圍內(nèi)，通過變頻柜將過濾器流量從小到大進(jìn)行調(diào)節(jié)，結(jié)合試驗(yàn)中進(jìn)、出口壓力表差值得出過濾器細(xì)過濾網(wǎng)的水頭損失[21]。

由于在清水狀態(tài)下，過濾器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及材質(zhì)等均不會(huì)發(fā)生變化，因此過濾器總水頭系數(shù)不會(huì)隨過濾時(shí)間的延長(zhǎng)而變化，其水頭損失只與進(jìn)水口的進(jìn)水流量即過濾器進(jìn)水口斷面平均流速有關(guān)。根據(jù)試驗(yàn)資料，可以用下式表示清水狀態(tài)下水頭損失與流量的關(guān)系[8]：

本試驗(yàn)獲得的公式是清水水頭損失的一般形式，由清水條件下過濾器水頭損失曲線（見圖4）可以看出，公式中的決定系數(shù)R2大于0.90，擬合度較高，可用于實(shí)際研究，且可以得到目數(shù)一定時(shí)進(jìn)水口流量越大其清水水頭損失越大的結(jié)論。

4.2 渾水水頭損失

在試驗(yàn)用水中如果含有一定的泥沙等雜質(zhì)，那么過濾器細(xì)過濾網(wǎng)的堵塞情況會(huì)變得很明顯。在過濾剛開始的時(shí)候，細(xì)過濾網(wǎng)表面所攔截下來(lái)的泥沙等雜質(zhì)比較少，過濾產(chǎn)生的阻力也不大，過濾網(wǎng)內(nèi)外側(cè)的壓差變化也不是很突出，且上升不快。過濾器工作一段時(shí)間后，一方面水流中的泥沙等雜質(zhì)會(huì)在細(xì)過濾網(wǎng)表面不斷堆積，使得過濾網(wǎng)表面有效過濾面積慢慢減小，另一方面過濾層表面阻力變大使過濾網(wǎng)內(nèi)外側(cè)壓差迅速產(chǎn)生變化，局部水頭損失快速上升。

4.2.1 相同進(jìn)水流量，不同進(jìn)水含沙量

試驗(yàn)在進(jìn)水口的進(jìn)水流量相同但含沙量不同的條件下進(jìn)行，其中進(jìn)水流量分別為160、180、200、220 m3/h，則過濾器水頭損失隨過濾時(shí)間所顯示出來(lái)的變化規(guī)律見圖5。

由圖5可知，在渾水條件下，當(dāng)進(jìn)水流量相同含沙量不同時(shí)，過濾器所產(chǎn)生的水頭損失呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，即在進(jìn)水流量不變的情況下，過濾器剛開始運(yùn)行時(shí)細(xì)過濾網(wǎng)攔截的雜質(zhì)較少，內(nèi)外壓差不大，因而水頭損失不發(fā)生變動(dòng)。此后，過濾器進(jìn)水口含沙量逐漸增大，隨著過濾時(shí)間的延長(zhǎng)，水頭損失增大，并出現(xiàn)拐點(diǎn)，且含沙量越大，拐點(diǎn)越早出現(xiàn)。由于過濾器濾網(wǎng)表面堆積大量的雜質(zhì)，濾網(wǎng)內(nèi)外壓差迅速增大，水頭損失也隨之快速上升，因此進(jìn)水含沙量越大，過濾器過濾一次所用的時(shí)間就會(huì)越短，且更易堵塞。

4.2.2 相同含沙量，不同進(jìn)水流量

在試驗(yàn)中，進(jìn)水口含沙量相同但進(jìn)水流量不同的條件下所顯示出來(lái)的規(guī)律見圖6。其主要是在過濾器含沙量一定的條件下，調(diào)節(jié)其進(jìn)水口的進(jìn)水流量，進(jìn)而得出其水頭損失隨時(shí)間的變化關(guān)系。

由圖6可知：試驗(yàn)中，當(dāng)進(jìn)水含沙量相同時(shí)，渾水水頭損失總體的變化趨勢(shì)較為相似。即初始條件下，過濾器濾網(wǎng)表面雜質(zhì)較少，內(nèi)外兩側(cè)水頭損失變化不大。隨著進(jìn)水流量的增大，濾網(wǎng)表面的雜質(zhì)增多，有效過濾面積減小，濾網(wǎng)內(nèi)外側(cè)壓差較大，水頭損失隨之迅速增大，過濾時(shí)間相應(yīng)減少且較早地出現(xiàn)拐點(diǎn)，因此更易發(fā)生堵塞現(xiàn)象，且在進(jìn)水含沙量一定的條件下，過濾器的水頭損失也會(huì)隨進(jìn)水流量的增大而增大。由此可知，進(jìn)水流量越大，水頭損失隨時(shí)間的變化就會(huì)越顯著。

5 渾水水頭損失理論計(jì)算

綜上分析可知，當(dāng)試驗(yàn)用水中含有泥沙等雜質(zhì)時(shí)，過濾器進(jìn)水含沙量、過濾時(shí)間和進(jìn)水流速都與過濾器的渾水水頭損失Δh有關(guān)，渾水水頭損失Δh可用如下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算[21-23]：

利用式（4）對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合并在此基礎(chǔ)上回歸分析，可以得到以下兩種關(guān)系（見圖7和圖8），即流量Q一定、含沙量S不同以及含沙量 S一定 、流量 Q不同，并以此來(lái)確定兩種情況下的系數(shù)a和指數(shù)b，結(jié)果見表1和表2。

6 結(jié)論與討論

（1）清水和渾水兩種水質(zhì)試驗(yàn)表明，進(jìn)水流量越大過濾器水頭損失越大。

（2）渾水試驗(yàn)表明，當(dāng)進(jìn)水流量一定時(shí)進(jìn)水口含沙量越大過濾器水頭損失越大，當(dāng)進(jìn)水口含沙量一定時(shí)隨著進(jìn)水流量的增大水頭損失也會(huì)增大，這兩種情況下過濾器過濾時(shí)間均相應(yīng)減少，且堵塞現(xiàn)象較為顯著。

（3）針對(duì) 80目濾網(wǎng)，在定性分析了流量為220 m3/h 和含沙量為0.018 g/L 條件下渾水水頭損失變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，研究了渾水水頭損失計(jì)算方法，給出了該方法的適用條件，對(duì)各種組合條件下的水頭損失計(jì)算公式進(jìn)行了擬合，結(jié)果表明各公式擬合精度較高，決定系數(shù)均大于0.90。

本文所提出的渾水水頭損失計(jì)算方法和計(jì)算公式，沒有考慮濾網(wǎng)目數(shù)影響，以后還需進(jìn)行目數(shù)對(duì)水頭損失的影響研究，使其具有更廣泛的應(yīng)用前景。

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[23] 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.

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