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

我國水資源時空分布不均，尤其是新疆，干旱少雨，節(jié)水灌溉的形勢非常嚴(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，對灌溉水源進行泥沙處理是保證微灌系統(tǒng)正常運行的必要措施。網(wǎng)式過濾器作為末級過濾器，在處理泥沙時扮演著重要的角色，許多學(xué)者對網(wǎng)式過濾器做了如下研究：劉飛[4]對網(wǎng)式過濾器的過濾和自動清洗進行了優(yōu)化，這對研制新型過濾器提供了參考；崔春亮[5]等人對自動清洗網(wǎng)式過濾器進行了水力性能測試，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，并對其結(jié)構(gòu)進行了優(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數(shù)據(jù)，得到了一個水頭損失計算的三維模型。但目前實際工程應(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表現(xiàn)出了很大的優(yōu)勢，但出清水的流量較小，難以滿足大面積微灌的需水量，仍需要進一步改進，提高水沙分離效率和出水流量。

針對以上問題，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際工程中的應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 試驗系統(tǒng)

微壓過濾沖洗池在實際工程原理見文獻[13]，圖1表示本次實驗的系統(tǒng)示意圖。從圖1可知該試驗系統(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、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，有利于水流運動，同時由長度為700 mm的塑料網(wǎng)托架支撐，保證濾網(wǎng)的穩(wěn)定性；進水管、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

試驗采用的泥沙顆粒級配如圖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現(xiàn)象，向水箱中投入有機玻璃板的鋸末和樹葉，如圖3所示。

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

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

3 試驗步驟及測量方法

3.1 試驗步驟

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

為快速觀察和量測微壓過濾沖洗池的試驗現(xiàn)象及數(shù)據(jù)，本試驗選取的含沙量為3.1～3.6 kg/m3，該范圍的含沙量可加速試驗的進程，縮短試驗周期。在定時沖洗狀態(tài)下進行過濾，首先關(guān)閉排污閥，開啟進水閥和出水閥，在渾水池中配置好試驗所需要的渾水，然后將其通過泥漿泵注入水箱，并在此時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)進入到微壓過濾沖洗池中，開始計時，且每隔一定時間記錄水箱和微壓過濾沖洗池的水深，并用數(shù)碼相機記錄微壓過濾沖洗池中過濾的試驗現(xiàn)象，同時量測渾水池內(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要求含沙量范圍時，需向渾水池中加入泥沙，從而維持含沙量在試驗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。與定時沖洗狀態(tài)下過濾不同的是連續(xù)沖洗狀態(tài)下進行過濾試驗之前需打開排污閥，對濾網(wǎng)進行連續(xù)沖洗，其他步驟同定時沖洗。

3.2 測量方法

試驗采用英國“740”便攜式懸浮物測定儀測濃度。該儀器可精確測定含沙量，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。為使試驗測溶液更準(zhǔn)確，試驗前應(yīng)設(shè)置實驗所需的測量模式，并且在試驗前取已知含沙量的液體進行校正。儀器會將記錄顯示的數(shù)據(jù)保存下來，分析測量，得出準(zhǔn)確的測量結(jié)果，此結(jié)果滿足試驗精度要求。

4 試驗現(xiàn)象

圖4表示不同時刻下兩種排污方式的過濾試驗現(xiàn)象。①當(dāng)過濾時間t=10 min時，定時沖洗和連續(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，此時僅有部分濾網(wǎng)參與過濾。②當(dāng)過濾時間t=180 min時，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時鼓起一些，此時大部分濾網(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，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)鼓起程度小于定時沖洗的。③當(dāng)過濾時間為t=480 min時，定時沖洗和連續(xù)沖洗下的過濾現(xiàn)象完全不同，如圖4(c)所示。連續(xù)沖洗時的試驗現(xiàn)象與t=180 min時相差不大；而定時沖洗的濾網(wǎng)完全膨脹，污物充滿整個濾網(wǎng)，且未被過濾水流淹沒，過濾效率低，同時微壓過濾沖洗池中的水位下降，而水箱中的水位正在上升，此時需要打開排污閥進行排污，否則會導(dǎo)致濾網(wǎng)繼續(xù)變形直至破壞，而連續(xù)沖洗時出現(xiàn)該現(xiàn)象的過濾時間為t=1 470 min，如圖4(d)所示，排污管來不及進行排污，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，需停止微壓過濾沖洗池的工作，取出濾網(wǎng)進行沖洗。

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

5 試驗結(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間的變化情況進行相關(guān)說明，其中過濾時間可以反映微壓過濾沖洗池的過濾效率，過濾時間越長，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間的變化曲線。從圖5可以看出：①連續(xù)沖洗時，水箱中水深隨過濾時間的變化規(guī)律包含水深恒定和水深快速增加2個階段，而定時沖洗時，則包含水深恒定、水深快速增加和水深急速增加3個階段，且相同階段發(fā)生的過濾時間段不同。如連續(xù)沖洗時水深恒定階段的過濾時間段為0～1 320 min，而定時沖洗卻為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)沖洗時水深快速增加階段的過濾時間段為1 320～1 470 min，而定時沖洗為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。定時沖洗比連續(xù)沖洗多了一個水深急速增加階段，過濾時間段為420～480 min，此時水箱中的水深隨過濾時間急速增加，說明過濾網(wǎng)中的污物已經(jīng)到達極限狀態(tài)。②由本次試驗研究確定，微壓過濾沖洗池在定時沖洗時的過濾時間為420 min，連續(xù)沖洗的過濾時間為1 470 min,是定時沖洗的3.5倍，說明連續(xù)沖洗的過濾效率比定時沖洗要高。時間t=1 470 min應(yīng)作為微壓過濾池停止工作的時間，以保障濾網(wǎng)的安全性，而t=420 min作為定時沖洗的時間，即此時必須打開排污閥進行排污，從而保障微壓過濾沖洗池的正常運行。連續(xù)沖洗的過濾時間比定時沖洗的要長，分析其原因主要是由于連續(xù)沖洗時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，隨著過濾時間的推移最終污物仍然會堵塞濾網(wǎng)，這也是連續(xù)沖洗時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重要指標(biāo)，表達式如式(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比，可得相同含沙量下定時沖洗和連續(xù)沖洗的泥沙去除率都可以達到81%以上。

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

級效率是反映微壓過濾沖洗池處理泥沙能力的另一項重要指標(biāo)。級效率，是指某一級別粒度顆粒的分離效率。將3.1～3.6 kg/m3范圍下定時沖洗和連續(xù)沖洗過濾后的水流利用激光粒度儀進行分析，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)，級效率達到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)沖洗和定時沖洗下的污物處理能力相當(dāng)，但連續(xù)沖洗的過濾時間是定時沖洗的3.5倍。實際應(yīng)用時，兩種排污方式可以并存，雖然連續(xù)沖洗過濾時間長，但存在一個耗水率的問題，本實驗中進水管中流量為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。定時沖洗，雖然沖洗頻繁，但隨著電磁閥的使用，可以自動開關(guān)閥門，所以已不成問題。

6 結(jié) 語

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

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

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

從泥沙去除率、級效率、中值粒徑和粗端粒徑考量兩種不同排污方式對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)對灌溉水的要求，故實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．中國節(jié)水灌溉技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢研究[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報，2016,32(11)：184-187．

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

[3] 趙文杰，丁凡林．我國節(jié)水灌溉技術(shù)推廣現(xiàn)狀與對策研究綜述[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研究[J]. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，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研究[J]. 水資源與水工程學(xué)報，2010，21(6)：37-40.

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

[11] 陶洪飛，邱秀云，何照青，等.含沙量對分離鰓的水沙分離影響試驗[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)部流場三維數(shù)值模擬[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，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.