李曼 劉貞姬 宗全利

摘 要：滴灌用自清洗網(wǎng)式過濾器是目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的過濾器之一，其水頭損失是評價過濾器性能的關(guān)鍵參數(shù)。對過濾器的水力性能進行系統(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，擬合得到了進水流量與水頭損失變化的關(guān)系式;通過渾水試驗，采用單因素分析法對流量相同和含沙量相同條件下的水頭損失變化規(guī)律進行研究，得到了相應(yīng)渾水水頭損失的計算方法，由此擬合出兩種情況下的水頭損失計算公式，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，里面含有大量的無機雜質(zhì)（泥沙等）、有機雜質(zhì)（懸浮物和動物殘骸等）和其他雜質(zhì)，基于此，過濾就顯得尤為重要。就現(xiàn)階段國內(nèi)外對過濾器的研究而言，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價過濾器水力性能及運行經(jīng)濟的一個重要指標(biāo)。目前國內(nèi)對過濾器水頭損失的研究，普遍以立式過濾器為準。相較而言，臥式自清洗網(wǎng)式過濾器具有安裝、維護方便及成本低等優(yōu)點。本文在總結(jié)國內(nèi)外臥式過濾器研究文獻[1-4]的基礎(chǔ)上，重點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，國內(nèi)外對過濾器的研究主要分為以下3類：一是對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)點相結(jié)合，提高過濾器的過濾效果;三是對過濾器清洗方式及排污時間的研究，以期為過濾器提供更長的使用壽命，提高其經(jīng)濟效益。

武漢大學(xué)董文楚從20世紀90年代起就對砂石過濾器過濾機理、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]基于我國現(xiàn)有微灌用篩網(wǎng)式過濾器水力性能試驗研究，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、壓強場及能態(tài)場，得出濾網(wǎng)孔徑越小網(wǎng)式過濾器過濾時的內(nèi)部流場越紊亂、水頭損失越大、罐體與出水管交界處的濾網(wǎng)需要承受的壓強差越大的結(jié)論;宋劍鵬[10]通過對影響自清洗網(wǎng)式過濾器最佳排污時間的因素進行分析，發(fā)現(xiàn)過濾器最佳排污時間與過濾器進水含沙量、排污含沙量及過濾時間有關(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;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。

國外對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，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]在早期就對自清洗過濾器的性能等進行了分析和研究;James[14]提出了自動反沖洗過濾器;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)了若干方程用于計算盤式、網(wǎng)式和砂式過濾器的水頭損失，并對過濾器的水頭損失進行了分析;Demir等[17]主要從過濾器的濾網(wǎng)網(wǎng)篩角度出發(fā)對其水頭損失等進行了研究，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，我國過濾器設(shè)備的發(fā)展有了長足的進步，具有高效率、低投入、系統(tǒng)自動化、適合我國國情的微灌設(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

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)律上下交錯而織成的，這種方式使濾網(wǎng)較為細密緊致，過濾時固體粒徑小于濾網(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，具有強度大、負荷能力強、使用壽命長、效率高等特點，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，但對比矩形網(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，楔形網(wǎng)明顯具有較好的經(jīng)濟效益，因此楔形網(wǎng)更適合推廣應(yīng)用。

3 材料與方法

3.1 試驗材料

試驗裝置如圖2所示，其主要由變頻柜、蓄水池、進水管、試驗用過濾器、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、進水口以及排污口管徑分別為0.20、0.20、0.10 m。試驗地點為石河子大學(xué)水工水力學(xué)試驗大廳，其主要研究對象為臥式自清洗網(wǎng)式過濾器，包括渾水試驗和清水試驗兩部分。試驗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。試驗供水裝置的內(nèi)部還設(shè)置了一個棱柱形攪拌池，其長0.8 m、寬0.8 m、高1.5 m，作用是使試驗用水能夠有一定的含沙量并且基本保持在一個濃度范圍內(nèi)，攪拌池動力由一個額定功率為1.5 kW的三相異步電動機提供，在試驗過程中進水流量大小由變頻器來調(diào)節(jié)。結(jié)合新疆灌溉用水水質(zhì)特點，針對該地區(qū)微灌較為常用的規(guī)格為80目的網(wǎng)式過濾器進行試驗，其對應(yīng)網(wǎng)孔直徑為 0.18 mm，過濾器工作流量為 150～220 m3/h;渾水試驗采用細沙，泥沙粒徑級配見圖3，相應(yīng)中值粒徑d50為0.16 mm。為了在較短時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)水頭損失變化規(guī)律，選用較粗泥沙顆粒級配進行試驗。

3.2 泥沙顆粒級配

試驗中采用的渾水水樣的泥沙粒徑級配曲線見圖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）下不會在很短時間內(nèi)堵塞，為試驗提供足夠取樣時間（至少10～20 min）;其次要確保在較小含沙量（S=0.006 g/L）下，達到預(yù)設(shè)壓差不會很長時間（小于60～90 min），保證試驗的效率。

3.3 試驗方法與步驟

根據(jù)實際情況，本試驗采用清水試驗和渾水試驗兩種情況來進行對比分析。其中清水試驗主要通過控制進水流量得到不同的進出口壓差值，進而通過計算得出其細過濾網(wǎng)局部水頭損失，最后將細過濾網(wǎng)局部水頭損失值與進水流量進行擬合，得出兩者之間的關(guān)系方程。

渾水試驗主要采用單因素試驗法分別對進水流量一定和進水含沙量一定兩種情況進行分析?？紤]多方面的因素，本試驗采用4級不同進水流量和6級不同進水含沙量，重點測試過濾器的局部水頭損失隨時間的變化情況，并在此基礎(chǔ)上進行擬合分析。其中4級不同進水流量Q分別為220、200、180、160 m3/h，6級不同進水含沙量S分別為0.006、0.013、0.015、0.018、0.027、0.063 g/L。本試驗中4種試驗流量是按照過濾器工作流量Q=150～220 m3/h范圍且級差為20 m3/h來進行選擇的，這樣既可以保證試驗流量有較廣的范圍，又在過濾器額定流量之內(nèi)。根據(jù)試驗所得數(shù)據(jù)，選取具有代表性的組次進行對比分析，進而得出相應(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)式過濾器不會發(fā)生堵塞現(xiàn)象，其有效過濾面積不會減小，在此情況下過濾器能夠正常工作，并不會產(chǎn)生其他的水頭損失，因此濾網(wǎng)進、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行調(diào)節(jié)，結(jié)合試驗中進、出口壓力表差值得出過濾器細過濾網(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)等均不會發(fā)生變化，因此過濾器總水頭系數(shù)不會隨過濾時間的延長而變化，其水頭損失只與進水口的進水流量即過濾器進水口斷面平均流速有關(guān)。根據(jù)試驗資料，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，可用于實際研究，且可以得到目數(shù)一定時進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

在試驗用水中如果含有一定的泥沙等雜質(zhì)，那么過濾器細過濾網(wǎng)的堵塞情況會變得很明顯。在過濾剛開始的時候，細過濾網(wǎng)表面所攔截下來的泥沙等雜質(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。過濾器工作一段時間后，一方面水流中的泥沙等雜質(zhì)會在細過濾網(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 相同進水流量，不同進水含沙量

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

由圖5可知，在渾水條件下，當(dāng)進水流量相同含沙量不同時，過濾器所產(chǎn)生的水頭損失呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，即在進水流量不變的情況下，過濾器剛開始運行時細過濾網(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。此后，過濾器進水口含沙量逐漸增大，隨著過濾時間的延長，水頭損失增大，并出現(xiàn)拐點，且含沙量越大，拐點越早出現(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，因此進水含沙量越大，過濾器過濾一次所用的時間就會越短，且更易堵塞。

4.2.2 相同含沙量，不同進水流量

在試驗中，進水口含沙量相同但進水流量不同的條件下所顯示出來的規(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)其進水口的進水流量，進而得出其水頭損失隨時間的變化關(guān)系。

由圖6可知：試驗中，當(dāng)進水含沙量相同時，渾水水頭損失總體的變化趨勢較為相似。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，過濾時間相應(yīng)減少且較早地出現(xiàn)拐點，因此更易發(fā)生堵塞現(xiàn)象，且在進水含沙量一定的條件下，過濾器的水頭損失也會隨進水流量的增大而增大。由此可知，進水流量越大，水頭損失隨時間的變化就會越顯著。

5 渾水水頭損失理論計算

綜上分析可知，當(dāng)試驗用水中含有泥沙等雜質(zhì)時，過濾器進水含沙量、過濾時間和進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)驗公式進行計算[21-23]：

利用式（4）對試驗數(shù)據(jù)進行擬合并在此基礎(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)試驗表明，進水流量越大過濾器水頭損失越大。

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

（3）針對 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算方法，給出了該方法的適用條件，對各種組合條件下的水頭損失計算公式進行了擬合，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算方法和計算公式，沒有考慮濾網(wǎng)目數(shù)影響，以后還需進行目數(shù)對水頭損失的影響研究，使其具有更廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻：

[1] 李強強，宗全利，劉貞姬，等.臥式自清洗網(wǎng)式過濾器排污時間試驗及計算[J].排灌機械工程學(xué)報，2014， 32（12）：1098-1104.

[2] 劉煥芳，王軍，胡九英，等.旋流網(wǎng)式過濾器水力性能的試驗研究[J].水利學(xué)報，2005，36（12）： 418-422.

[3] 宗全利，劉煥芳，鄭鐵剛，等.微灌用網(wǎng)式新型自清洗過濾器的設(shè)計與試驗研究[J].灌溉排水學(xué)報，2010，29（1）：78-82.

[4] 劉煥芳，王軍，胡九英，等.微灌用網(wǎng)式過濾器局部水頭損失的試驗研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2006（6）：57-60.

[5] 董文楚.微灌用過濾砂料選擇與參數(shù)測定[J].噴灌技術(shù)，1995（2）：42-44.

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

[7] 董文楚.微灌用濾網(wǎng)過濾器設(shè)計原理與方法[J]. 噴灌技術(shù)，1989（3）：7-13.

[8] 徐茂云.微灌用篩網(wǎng)過濾器水力性能的試驗研究[ J].水利學(xué)報，1992，23（3）：54-56.

[9] 陶洪飛，朱玲玲，馬英杰，等.濾網(wǎng)孔徑對網(wǎng)式過濾器內(nèi)部流場的影響[J].灌溉排水學(xué)報，2017，36（12）：1-7.

[10] 宋劍鵬.自清洗網(wǎng)式過濾器最佳排污時間試驗研究[J].人民黃河，2017，39（3）：145-148.

[11] 閆大壯，楊培嶺，任樹梅.滴頭流道中顆粒物質(zhì)運移動態(tài)分析與CFD模擬[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2007（6）：71-75.

[12] 宗全利，楊洪飛，劉貞姬，等.網(wǎng)式過濾器濾網(wǎng)堵塞成因分析與壓降計算[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2017，48（9）：215-222.

[13] ANON.Self Cleaning Water Filter[J]. Process Engineering（Sydney），1984，2（1）：27-29.

[14] JAMES E Amburgey. Optimization of the Extended Terminal Subfluidization Wash （ETSW） Filter back Washing Procedure[J]. Water Research，2005（39）：314-330.

[15] JAN Hermene. Auto-Line Filter. Self-Cleaning， Continuous Filtration System Filter&Sep-Aration[J]. 2002，39（7）：28-30.

[16] PUIG BARGUES ，BARRAGAN J， RAMIREZ de Cartegena F.Development of Equations Forcalculating the Head Loss in Effluent Filtration in Microirrigation Systems Using[J]. Dimensionalanalysis Biosystems Engineering，2003，92（3）：383-390.

[17] DEMIR V， YURDEM H， YAZGI A， et al. Determination of the Head Losses in Metal Body Discfilters Used in Drip Irrigation Systems[J]. Turkish Journal of Agriculture & Forestry， 2009， 33（3）：219-229.

[18] YURDEM H， DEMIR V， DEGIRMENCIOGLU A . Development of a Mathematical Model to Predict Head Losses from Discfilters in Drip Irrigation Systems Using Dimensional Analysis[J]. Biosystems Engineering， 2010， 100（1）：14-23.

[19] 山侖，康紹忠，吳普特.中國節(jié)水農(nóng)業(yè)[J].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2004：58-61.

[20] 楊洪飛，宗全利，劉貞姬，等.大田滴灌用網(wǎng)式過濾器濾網(wǎng)堵塞成因分析[J].節(jié)水灌溉，2017（2）：94-98.

[21] 劉煥芳，鄭鐵鋼，劉飛.自吸網(wǎng)式過濾器過濾時間與自清洗時間變化規(guī)律分析[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2010，41（7）：80-83.

[22] 劉飛，劉煥芳，宗全利，等.自清洗網(wǎng)式過濾器水頭損失和排污時間研究[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2013， 44（5）：127-134.

[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[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28（16）：86-92.

【責(zé)任編輯 許立新】