陶洪飛，宋 漫，章雅麗，徐 濤，陳益坤

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

我國(guó)水資源時(shí)空分布不均，尤其是新疆，干旱少雨，節(jié)水灌溉的形勢(shì)非常嚴(yán)峻[1-3]。其中較普遍的節(jié)水灌溉方式是微灌，但新疆屬于多泥沙河流區(qū)域，若不采取設(shè)備或工程措施處理泥沙，灌水器很容易被堵塞，因此，對(duì)灌溉水源進(jìn)行泥沙處理是保證微灌系統(tǒng)正常運(yùn)行的必要措施。網(wǎng)式過濾器作為末級(jí)過濾器，在處理泥沙時(shí)扮演著重要的角色，許多學(xué)者對(duì)網(wǎng)式過濾器做了如下研究：劉飛[4]對(duì)網(wǎng)式過濾器的過濾和自動(dòng)清洗進(jìn)行了優(yōu)化，這對(duì)研制新型過濾器提供了參考；崔春亮[5]等人對(duì)自動(dòng)清洗網(wǎng)式過濾器進(jìn)行了水力性能測(cè)試，結(jié)果表明自主研發(fā)的過濾器清潔壓降和最小清洗工作壓力均小于進(jìn)口設(shè)備；阿力甫江·阿不里米提[6]等人研究了直沖洗魚雷網(wǎng)式過濾器內(nèi)的清水流場(chǎng)，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化；WU[7]根據(jù)網(wǎng)式過濾器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和大量的水頭損失試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到了一個(gè)水頭損失計(jì)算的三維模型。但目前實(shí)際工程應(yīng)用的網(wǎng)式過濾器產(chǎn)品都屬于泵后過濾，水頭損失大，且沖洗時(shí)需要較大的壓力才能將黏附在濾網(wǎng)的污物排出，這與現(xiàn)在發(fā)展低能耗微灌技術(shù)的現(xiàn)狀不符。另外，許多學(xué)者研究了處理泥沙的水沙分離裝置，如譚義海[8]等人研究的梭錐管、李琳[9]等人研究的水力分離清水裝置、陶洪飛[10-12]等人研究的分離鰓，在處理高含沙量的黏性顆粒時(shí)表現(xiàn)出了很大的優(yōu)勢(shì)，但出清水的流量較小，難以滿足大面積微灌的需水量，仍需要進(jìn)一步改進(jìn)，提高水沙分離效率和出水流量。

針對(duì)以上問題，新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)水利工程課題組提出了一種新型處理泥沙的工程措施，即微壓過濾沖洗池，因?qū)儆诒们斑^濾方式，減小了水頭損失，解決了地表水水源微灌“低成本泥沙處理”這一關(guān)鍵問題。本文擬開展微壓過濾沖洗池在不同排沙方式下的過濾效果，從而為微壓過濾沖洗池在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

微壓過濾沖洗池在實(shí)際工程原理見文獻(xiàn)[13]，圖1表示本次實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)示意圖。從圖1可知該試驗(yàn)系統(tǒng)主要由微壓過濾沖洗池、渾水池和水箱3部分組成。主要參數(shù)如下：微壓過濾沖洗池的長(zhǎng)、寬、高分別為700、500、700 mm；過濾網(wǎng)采用孔徑為0.125 mm的柔性尼龍過濾網(wǎng)，其具有較高的耐磨性能和伸縮性能，有利于水流運(yùn)動(dòng)，同時(shí)由長(zhǎng)度為700 mm的塑料網(wǎng)托架支撐，保證濾網(wǎng)的穩(wěn)定性；進(jìn)水管、回水管、連接管、排污管、出水管的直徑分別為50、50、110、50、110 mm。

圖1 微壓過濾沖洗池結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structural diagram of PFWMP

2 材料及儀器

試驗(yàn)采用的泥沙顆粒級(jí)配如圖2所示。從圖2可知泥沙的中值粒徑D50和粗端粒徑分別為0.23、0.97 mm，泥沙粒徑為0.25～1.0 mm的占48.8%,0.05～0.25 mm的占42.1%。

圖2 試驗(yàn)沙的顆分曲線Fig.2 Gradation curve of sand

為觀察微壓過濾沖洗池中的試驗(yàn)現(xiàn)象，向水箱中投入有機(jī)玻璃板的鋸末和樹葉，如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)用的雜質(zhì)Fig.3 Impurities of experiment

試驗(yàn)所用的儀器主要包括：①電子秤1個(gè)；②秒表2塊；③帶有刻度的鋼尺1把；④數(shù)碼照相機(jī)1臺(tái)；⑤攪水泵1臺(tái)，泥漿泵1臺(tái)；⑥LS-pop(6)型激光粒度儀；⑦英國(guó)740便攜式懸浮物測(cè)定儀。

3 試驗(yàn)步驟及測(cè)量方法

3.1 試驗(yàn)步驟

本文的過濾是指泥沙進(jìn)入到濾網(wǎng)中，從里向外過濾，達(dá)到水沙分離的目的。沖洗分為連續(xù)沖洗和定時(shí)沖洗，連續(xù)沖洗是指過濾開始時(shí)便開始沖洗，即排污閥始終是處于打開的狀態(tài)；而定時(shí)沖洗是指剛開始排污閥是關(guān)閉的，當(dāng)過濾一段時(shí)間后，濾網(wǎng)內(nèi)污物增多鼓起，濾網(wǎng)即將破壞，此時(shí)需打開排污閥進(jìn)行排污，從而保證濾網(wǎng)的安全。

為快速觀察和量測(cè)微壓過濾沖洗池的試驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)，本試驗(yàn)選取的含沙量為3.1～3.6 kg/m3，該范圍的含沙量可加速試驗(yàn)的進(jìn)程，縮短試驗(yàn)周期。在定時(shí)沖洗狀態(tài)下進(jìn)行過濾，首先關(guān)閉排污閥，開啟進(jìn)水閥和出水閥，在渾水池中配置好試驗(yàn)所需要的渾水，然后將其通過泥漿泵注入水箱，并在此時(shí)向水箱中放入事先準(zhǔn)備好的樹葉和鋸末，當(dāng)泥沙及雜質(zhì)進(jìn)入到微壓過濾沖洗池中，開始計(jì)時(shí)，且每隔一定時(shí)間記錄水箱和微壓過濾沖洗池的水深，并用數(shù)碼相機(jī)記錄微壓過濾沖洗池中過濾的試驗(yàn)現(xiàn)象，同時(shí)量測(cè)渾水池內(nèi)的含沙量和經(jīng)微壓過濾沖洗池過濾后水中的含沙量，當(dāng)渾水池中的含沙量低于試驗(yàn)要求含沙量范圍時(shí)，需向渾水池中加入泥沙，從而維持含沙量在試驗(yàn)要求的含沙量范圍之內(nèi)，重復(fù)上述步驟，直至過濾結(jié)束。與定時(shí)沖洗狀態(tài)下過濾不同的是連續(xù)沖洗狀態(tài)下進(jìn)行過濾試驗(yàn)之前需打開排污閥，對(duì)濾網(wǎng)進(jìn)行連續(xù)沖洗，其他步驟同定時(shí)沖洗。

3.2 測(cè)量方法

試驗(yàn)采用英國(guó)“740”便攜式懸浮物測(cè)定儀測(cè)濃度。該儀器可精確測(cè)定含沙量，并且可適應(yīng)于各種不同溫度情況，而不影響其精度。其最小量程在0～50 mg/L，最大量程為0～20 000 mg/L。為使試驗(yàn)測(cè)溶液更準(zhǔn)確，試驗(yàn)前應(yīng)設(shè)置實(shí)驗(yàn)所需的測(cè)量模式，并且在試驗(yàn)前取已知含沙量的液體進(jìn)行校正。儀器會(huì)將記錄顯示的數(shù)據(jù)保存下來，分析測(cè)量，得出準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，此結(jié)果滿足試驗(yàn)精度要求。

4 試驗(yàn)現(xiàn)象

圖4表示不同時(shí)刻下兩種排污方式的過濾試驗(yàn)現(xiàn)象。①當(dāng)過濾時(shí)間t=10 min時(shí)，定時(shí)沖洗和連續(xù)沖洗下的過濾現(xiàn)象相同，如圖4(a)所示。濾網(wǎng)都處于干癟狀態(tài)，且部分濾網(wǎng)被過濾后的水流淹沒，此時(shí)僅有部分濾網(wǎng)參與過濾。②當(dāng)過濾時(shí)間t=180 min時(shí)，如圖4(b)所示，由于少部分泥沙、鋸末和樹葉逐漸堵塞濾網(wǎng)，濾網(wǎng)較t=10 min時(shí)鼓起一些，此時(shí)大部分濾網(wǎng)參與過濾，可觀察到部分鋸末和樹葉在微壓作用下在濾網(wǎng)內(nèi)流動(dòng)，而泥沙集中在濾網(wǎng)底部和尾部；但連續(xù)沖洗的濾網(wǎng)大部分被過濾出來的水流淹沒，濾網(wǎng)鼓起程度小于定時(shí)沖洗的。③當(dāng)過濾時(shí)間為t=480 min時(shí)，定時(shí)沖洗和連續(xù)沖洗下的過濾現(xiàn)象完全不同，如圖4(c)所示。連續(xù)沖洗時(shí)的試驗(yàn)現(xiàn)象與t=180 min時(shí)相差不大；而定時(shí)沖洗的濾網(wǎng)完全膨脹，污物充滿整個(gè)濾網(wǎng)，且未被過濾水流淹沒，過濾效率低，同時(shí)微壓過濾沖洗池中的水位下降，而水箱中的水位正在上升，此時(shí)需要打開排污閥進(jìn)行排污，否則會(huì)導(dǎo)致濾網(wǎng)繼續(xù)變形直至破壞，而連續(xù)沖洗時(shí)出現(xiàn)該現(xiàn)象的過濾時(shí)間為t=1 470 min，如圖4(d)所示，排污管來不及進(jìn)行排污，導(dǎo)致大量污物黏附在濾網(wǎng)內(nèi)表面，濾網(wǎng)已經(jīng)扭曲變形，濾網(wǎng)將要破壞，此時(shí)，需停止微壓過濾沖洗池的工作，取出濾網(wǎng)進(jìn)行沖洗。

圖4 不同時(shí)刻下連續(xù)沖洗和定時(shí)沖洗試驗(yàn)現(xiàn)象Fig.4 The experiment phenomenon of PFWMP under different filtration time

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

水箱中水深的增加，能反映過濾網(wǎng)的堵塞情況，故本文以水箱中水深隨過濾時(shí)間的變化情況進(jìn)行相關(guān)說明，其中過濾時(shí)間可以反映微壓過濾沖洗池的過濾效率，過濾時(shí)間越長(zhǎng)，過濾效率越高。圖5表示不同排污方式下水箱水深隨過濾時(shí)間的變化曲線。從圖5可以看出：①連續(xù)沖洗時(shí)，水箱中水深隨過濾時(shí)間的變化規(guī)律包含水深恒定和水深快速增加2個(gè)階段，而定時(shí)沖洗時(shí)，則包含水深恒定、水深快速增加和水深急速增加3個(gè)階段，且相同階段發(fā)生的過濾時(shí)間段不同。如連續(xù)沖洗時(shí)水深恒定階段的過濾時(shí)間段為0～1 320 min，而定時(shí)沖洗卻為0～210 min，該階段水深一直保持在31 cm，說明在微壓(水頭為98 mm)作用下，泥沙、鋸末、樹葉還未堵塞過濾網(wǎng)。連續(xù)沖洗時(shí)水深快速增加階段的過濾時(shí)間段為1 320～1 470 min，而定時(shí)沖洗為210～420 min，隨著污物在濾網(wǎng)中逐漸增多，水箱中的水位開始快速上升，微壓過濾沖洗池中的水位快速開始下降。定時(shí)沖洗比連續(xù)沖洗多了一個(gè)水深急速增加階段，過濾時(shí)間段為420～480 min，此時(shí)水箱中的水深隨過濾時(shí)間急速增加，說明過濾網(wǎng)中的污物已經(jīng)到達(dá)極限狀態(tài)。②由本次試驗(yàn)研究確定，微壓過濾沖洗池在定時(shí)沖洗時(shí)的過濾時(shí)間為420 min，連續(xù)沖洗的過濾時(shí)間為1 470 min,是定時(shí)沖洗的3.5倍，說明連續(xù)沖洗的過濾效率比定時(shí)沖洗要高。時(shí)間t=1 470 min應(yīng)作為微壓過濾池停止工作的時(shí)間，以保障濾網(wǎng)的安全性，而t=420 min作為定時(shí)沖洗的時(shí)間，即此時(shí)必須打開排污閥進(jìn)行排污，從而保障微壓過濾沖洗池的正常運(yùn)行。連續(xù)沖洗的過濾時(shí)間比定時(shí)沖洗的要長(zhǎng)，分析其原因主要是由于連續(xù)沖洗時(shí)排污閥保持開啟狀態(tài)，排污口流量為1 m3/h，可將部分污物排出微壓過濾沖洗池，從而增加了過濾時(shí)間，但因排污口流量非常小，加上排污口直徑僅為50 mm，部分濾網(wǎng)又在排污管管軸線以下，造成污物堆積在濾網(wǎng)底部，隨著過濾時(shí)間的推移最終污物仍然會(huì)堵塞濾網(wǎng)，這也是連續(xù)沖洗時(shí)存在水深快速增加階段的原因。

圖5 不同排污方式下水箱水深隨過濾時(shí)間的變化曲線Fig.5 Curve of water depth variation in the tank with filtration time in different blowdown modes

泥沙去除率是反映微壓過濾沖洗池處理污物能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)，表達(dá)式如式(1)所示。

(1)

式中：η是泥沙去除率，%；S1是過濾后微壓過濾沖洗池中的含沙量，kg/m3；S是過濾前渾水池中的渾水含沙量，kg/m3。

表1表示同一含沙量下不同沖洗方式的泥沙去除率的對(duì)比，可得相同含沙量下定時(shí)沖洗和連續(xù)沖洗的泥沙去除率都可以達(dá)到81%以上。

表1 定時(shí)沖洗和連續(xù)沖洗兩種情況下的泥沙去除率對(duì)比Tab.1 Contrast of sediment separation efficiency under time-washing and continue-washing

級(jí)效率是反映微壓過濾沖洗池處理泥沙能力的另一項(xiàng)重要指標(biāo)。級(jí)效率，是指某一級(jí)別粒度顆粒的分離效率。將3.1～3.6 kg/m3范圍下定時(shí)沖洗和連續(xù)沖洗過濾后的水流利用激光粒度儀進(jìn)行分析，得出顆分曲線，如圖6所示。從圖6可以看出，2種不同沖洗方式下微壓過濾沖洗池過濾后的泥沙顆分曲線幾乎相同，0.15～1 mm的泥沙全部截留在過濾網(wǎng)內(nèi)，級(jí)效率達(dá)到100%。

圖6 原土樣與不同沖洗方式下過濾后水流中泥沙的顆分曲線Fig.6 Gradation curve of original soil sample and the sediment after filtering water under different blowdown modes

由泥沙處理能力的指標(biāo)可知，連續(xù)沖洗和定時(shí)沖洗下的污物處理能力相當(dāng)，但連續(xù)沖洗的過濾時(shí)間是定時(shí)沖洗的3.5倍。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，兩種排污方式可以并存，雖然連續(xù)沖洗過濾時(shí)間長(zhǎng)，但存在一個(gè)耗水率的問題，本實(shí)驗(yàn)中進(jìn)水管中流量為10 m3/h，排污流量為1 m3/h，耗水率為10%，為使耗水率為0，可在微壓過濾沖洗池后設(shè)置排污池，排污池中再放入一個(gè)柔性濾網(wǎng)，如此污物全部攔截在該濾網(wǎng)里，而排污池中的水可通過設(shè)置旁通管通過水泵抽入到主管道中。定時(shí)沖洗，雖然沖洗頻繁，但隨著電磁閥的使用，可以自動(dòng)開關(guān)閥門，所以已不成問題。

6 結(jié) 語

本文對(duì)微壓過濾沖洗池在同一含沙量范圍下排污管定時(shí)沖洗和連續(xù)沖洗進(jìn)行物理試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

(1)在連續(xù)沖洗下進(jìn)行過濾時(shí)，水箱中水深隨過濾時(shí)間的變化規(guī)律包含水深恒定和水深快速增加2個(gè)階段，而連續(xù)沖洗時(shí)，則包含水深恒定、水深快速增加和水深急速增加3個(gè)階段。

(2)在本試驗(yàn)條件下，微壓過濾沖洗池在連續(xù)沖洗下的過濾時(shí)間為定時(shí)沖洗的3.5倍，說明連續(xù)沖洗時(shí)的過濾效率比定時(shí)沖洗要高。

從泥沙去除率、級(jí)效率、中值粒徑和粗端粒徑考量?jī)煞N不同排污方式對(duì)微壓過濾沖洗池的泥沙處理能力影響，結(jié)果表明兩種方式下的泥沙處理能力相同，均滿足微灌系統(tǒng)對(duì)灌溉水的要求，故實(shí)際工程中兩種排沙方式都可以采用。

[1] 徐文靜，王翔翔，施六林，等．中國(guó)節(jié)水灌溉技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)研究[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2016,32(11)：184-187．

[2] 袁壽其，李 紅，王新坤．中國(guó)節(jié)水灌溉裝備發(fā)展現(xiàn)狀、問題、趨勢(shì)與建議[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2015,33(1)：78-92．

[3] 趙文杰，丁凡林．我國(guó)節(jié)水灌溉技術(shù)推廣現(xiàn)狀與對(duì)策研究綜述[J]. 節(jié)水灌溉，2015,(4)：95-98．

[4] 劉 飛．微灌自清洗網(wǎng)式過濾器運(yùn)行特性研究[D]. 新疆石河子：石河子大學(xué)，2011．

[5] 崔春亮，雷建花，阿不都沙拉木．自主研發(fā)的自動(dòng)清洗網(wǎng)式過濾器[J]. 節(jié)水灌溉，2010,(10)：46-48．

[6] 阿力甫江·阿不里米提，虎膽·吐馬爾白，馬合木江·艾合買提，等. 直沖洗魚雷網(wǎng)式過濾器內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].節(jié)水灌溉,2014,(10):6-10.

[7] Wenyong WU, Wei CHEN, Honglu LIU, et al. A new model for head loss assessment of screen filters developed with dimensional analysis in drip irrigation systems [J]. Irrig. and Drain., 2014,(63):523-531.

[8] 譚義海，李 琳，邱秀云．梭錐管混濁流體分離裝置水沙分離試驗(yàn)研究[J]. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，33(6)：521-526.

[9] 李 琳，邱秀云，聶 境，等．基于滴灌渾水水力分離裝置的水沙分離試驗(yàn)研究[J]. 水資源與水工程學(xué)報(bào)，2010，21(6)：37-40.

[10] 陶洪飛，邱秀云，趙麗娜，等. 分離鰓內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬與PIV顯示[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29(17)：38-46.

[11] 陶洪飛，邱秀云，何照青，等.含沙量對(duì)分離鰓的水沙分離影響試驗(yàn)[J].水電能源科學(xué)，2013，31(7)：93-95.

[12] 陶洪飛，邱秀云，李 巧，等.不同鰓片間距下的分離鰓內(nèi)部流場(chǎng)三維數(shù)值模擬[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，45(6)：183-189.

[13] 陶洪飛，馬英杰，洪 明，等. 微壓過濾沖洗池的污物處理能力研究[J]. 節(jié)水灌溉，2017,(2):39-43.