段曉芳，張延賀，馬 睿，楊文新，2

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆水利工程安全與水災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830052）

1 國(guó)內(nèi)外研究背景及現(xiàn)狀

我國(guó)總體水資源呈現(xiàn)“東南多，西北少”的大分配格局。隨著人口數(shù)量變多、城市化進(jìn)程加快、地表水污染嚴(yán)重、水資源供需矛盾、地區(qū)之間分配不均等，我國(guó)人均水資源利用量持續(xù)減少，與其他國(guó)家差距較大。在新疆地區(qū)，作物大量需水的生育期正是河流的汛期，80%以上的灌溉水源為高山冰川的地表水，具有含沙量較高、泥沙粒徑大的特點(diǎn)。在工程設(shè)計(jì)中考慮防止和減少泥沙進(jìn)入引取水口措施，如沉沙池（井）等沉沙設(shè)施解決泥沙問(wèn)題[1]非常有必要。

上世紀(jì)后期，石河子大學(xué)張開泉等人曾進(jìn)行過(guò)螺旋排沙試驗(yàn)研究[2]。目前，砂介質(zhì)過(guò)濾器、網(wǎng)式過(guò)濾器、離心過(guò)濾器及疊片過(guò)濾器等[3]常用于地表水的處理，劉亞麗研究的河水滴灌重力沉沙過(guò)濾池[4]也取得了較好成果。在常規(guī)過(guò)濾器研究成果基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)學(xué)者又提出了新型過(guò)濾器，如魚雷網(wǎng)式過(guò)濾器[5]、砂石-篩網(wǎng)組合過(guò)濾器[6]、離心篩網(wǎng)式過(guò)濾器[7]，為滴灌技術(shù)首部系統(tǒng)過(guò)濾器的選擇提供了更多選項(xiàng)。但這些過(guò)濾器的工作方式都屬于泵后強(qiáng)壓過(guò)濾沖洗，且能耗高、生產(chǎn)投資大，會(huì)造成灌水器堵塞，影響灌水質(zhì)量，造成作物減產(chǎn)，嚴(yán)重的甚至?xí)斐烧麄€(gè)微灌系統(tǒng)癱瘓[8，9]。

現(xiàn)有的網(wǎng)式過(guò)濾器研究對(duì)象主要包括水利性能、流場(chǎng)、過(guò)濾機(jī)理以及綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)等[10]。劉煥芳[11]等對(duì)自吸網(wǎng)式過(guò)濾器進(jìn)行水力性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)裝置過(guò)濾效率與時(shí)間并不成線性關(guān)系；宗全利等[12]對(duì)自清洗網(wǎng)式過(guò)濾器排污壓差進(jìn)行了計(jì)算，最終獲得清水和渾水水頭損失變化曲線并得出過(guò)濾器的最佳排污壓差值；阿力甫江·阿不里米提等[13]對(duì)魚雷網(wǎng)式過(guò)濾器內(nèi)部全流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，最終表明，魚雷部件和出水口邊界條件對(duì)過(guò)濾器的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布規(guī)律影響很大。

利用自反沖洗式水質(zhì)過(guò)濾裝置原理[14]，研究一種造價(jià)低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高效節(jié)能、輕便實(shí)用、管理方便的設(shè)備或裝置，是保障微灌系統(tǒng)正常發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益的必要條件，也是發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)的首要前提。在網(wǎng)式過(guò)濾器的基礎(chǔ)上，提出一種新型過(guò)濾裝置——自清洗旋轉(zhuǎn)網(wǎng)筒過(guò)濾器，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、形狀、驅(qū)動(dòng)方式上加以創(chuàng)新，同時(shí)提高過(guò)濾和排沙雙重效率。

2 裝置簡(jiǎn)介

2.1 試驗(yàn)裝置

本裝置是一種新型除沙過(guò)濾裝置，將傳統(tǒng)的微灌首部樞紐泵后式過(guò)濾改為泵前轉(zhuǎn)筒式過(guò)濾，如圖1 所示。過(guò)濾器由進(jìn)水端、旋轉(zhuǎn)網(wǎng)筒、葉片、軸承及排污閥等組成，渾水桶與轉(zhuǎn)筒進(jìn)水管連接，在自然水頭的作用下渾水進(jìn)入旋轉(zhuǎn)網(wǎng)筒。旋轉(zhuǎn)網(wǎng)筒由錐桶、兩端葉片、中部的濾網(wǎng)、高壓噴嘴和尾部的排沙閥組成。整個(gè)轉(zhuǎn)筒從左到右直徑逐漸減少，促進(jìn)泥沙等污物向轉(zhuǎn)筒末端匯集。

圖1 自清洗旋轉(zhuǎn)網(wǎng)筒過(guò)濾器示意

2.2 工作原理

該裝置濾網(wǎng)孔徑為100 目，噴嘴頻率為50 Hz，從渾水箱中流出的渾水通過(guò)進(jìn)水管進(jìn)入轉(zhuǎn)筒式過(guò)濾器，沖擊轉(zhuǎn)筒外壁上的葉片，保障轉(zhuǎn)筒持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。渾水由內(nèi)向外過(guò)濾出來(lái)，當(dāng)轉(zhuǎn)筒內(nèi)部的泥沙沉積到一定量時(shí)，打開尾部排沙閥門，在沉沙池內(nèi)的自然水頭作用下升高裝置進(jìn)水端實(shí)現(xiàn)水力排沙。自制模型利用渾水桶代替沉沙池，由渾水桶與轉(zhuǎn)筒之間的高差模擬自然水頭。本設(shè)計(jì)利用旋轉(zhuǎn)網(wǎng)筒（錐筒）結(jié)構(gòu)，減小轉(zhuǎn)筒的截面面積，增大水流流速，促進(jìn)網(wǎng)筒中的泥沙向轉(zhuǎn)筒尾部移動(dòng)。由于噴嘴的作用，將附著在濾網(wǎng)表面的泥沙沖洗掉，使網(wǎng)筒處于高效的介質(zhì)過(guò)濾階段，進(jìn)一步促使泥沙向轉(zhuǎn)筒尾部匯集，可提高過(guò)濾器的過(guò)濾效率和排沙速率。

2.3 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)分為清水試驗(yàn)和渾水試驗(yàn)。做清水試驗(yàn)時(shí)，含沙量為0，故不考慮含沙量對(duì)裝置的影響，主要研究進(jìn)水端升高高度和進(jìn)水流量對(duì)過(guò)濾效果的影響；做渾水試驗(yàn)時(shí)，主要研究進(jìn)水端升高高度、進(jìn)水流量、含沙量對(duì)轉(zhuǎn)速大小、過(guò)濾效果以及排沙耗水率的影響。試驗(yàn)時(shí)，用秒表計(jì)時(shí)，測(cè)出轉(zhuǎn)筒每分鐘所轉(zhuǎn)圈數(shù)，最后可得出各工況對(duì)裝置轉(zhuǎn)速的影響，進(jìn)而判斷出裝置的過(guò)濾效率。

2.3.1 清水試驗(yàn)

（1）研究進(jìn)水流量對(duì)裝置轉(zhuǎn)速的影響時(shí)，控制進(jìn)水端升高高度為5、9和13 cm，控制進(jìn)水流量分別為5.1、3.1、1.3 m3/h；共做3 組試驗(yàn)，以消除系統(tǒng)誤差和偶然誤差，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 進(jìn)水流量與裝置轉(zhuǎn)速關(guān)系

由進(jìn)水流量與裝置轉(zhuǎn)速的影響關(guān)系曲線得知：進(jìn)水端升高高度越高、進(jìn)水流量越小，裝置轉(zhuǎn)速越快。在進(jìn)水端升高高度為13 cm、進(jìn)水流量為1.3 m3/h時(shí)，裝置的轉(zhuǎn)速最快為363 r/min，由于受到水重力的影響，轉(zhuǎn)筒內(nèi)部水量越大，裝置越重，減小進(jìn)水流量，會(huì)使裝置的轉(zhuǎn)速加快；升高高度越高進(jìn)水流量變小，使得裝置轉(zhuǎn)動(dòng)阻力變小，轉(zhuǎn)速加快。

（2）研究進(jìn)水端升高高度對(duì)裝置轉(zhuǎn)速的影響時(shí)，控制流量在5.1、3.1 和1.3 m3/h，控制升高高度分別為5、9、13、17、20 cm；共做3組試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 進(jìn)水端升高高度對(duì)裝置轉(zhuǎn)速影響

由升高高度對(duì)裝置轉(zhuǎn)速的影響關(guān)系曲線得知：抬高轉(zhuǎn)筒的升高高度，使得網(wǎng)筒的傾斜角度變大，更多的水聚到錐桶尾部，使網(wǎng)筒重力的水平分力增加，進(jìn)而增加了網(wǎng)筒末端的摩擦力，使得網(wǎng)筒的轉(zhuǎn)速越慢。

2.3.2 渾水試驗(yàn)

（1）在研究進(jìn)水端升高高度對(duì)轉(zhuǎn)速、排沙效率、排沙耗水率的影響時(shí)，首先可控制進(jìn)水流量為1.7 m3/h，含沙量為1 kg/m3，升高高度分別為0、4、9 cm，測(cè)得過(guò)濾烘干前后沙子的重量分析該影響；再控制進(jìn)水流量為0.66 m3/h，含沙量為2.4 kg/m3，升高高度分別為0、4、9 cm，測(cè)得過(guò)濾烘干前后沙子的重量，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 進(jìn)水端升高高度與裝置過(guò)濾效率關(guān)系

由進(jìn)水端升高高度與裝置過(guò)濾效率影響關(guān)系曲線得知：控制進(jìn)水流量和含沙量相同，升高高度越高，網(wǎng)筒的傾斜角度變大，網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速變慢，使得沙子和過(guò)濾網(wǎng)的接觸面積減小，過(guò)濾效率變低，排沙耗水率越小。

（2）在研究進(jìn)水流量對(duì)轉(zhuǎn)速、排沙效率、排沙耗水率的影響時(shí)，控制含沙量為1.2 kg/m3，進(jìn)水端升高高度分別為0、4、9 cm，測(cè)得過(guò)濾烘干前后沙子的重量以分析該影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 進(jìn)水流量與裝置過(guò)濾效率關(guān)系

由進(jìn)水流量與裝置過(guò)濾效率關(guān)系曲線得知：含沙量和進(jìn)水端升高高度相同時(shí)，進(jìn)水流量越大，裝置重量最大，動(dòng)能越大，使得轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)速越低，過(guò)濾效率降低，排沙耗水率越大。

3 試驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)有研究成果[10]，在其基礎(chǔ)上將裝置加以改進(jìn)，利用控制變量法，全面探究含沙量、升高高度、進(jìn)水流量等綜合因素對(duì)裝置過(guò)濾效率的影響。

清水工況下，在控制進(jìn)水端升高高度不變、濾網(wǎng)孔徑一定時(shí)，進(jìn)水流量越大，轉(zhuǎn)筒內(nèi)部蓄水越多，轉(zhuǎn)筒重量越大，使得網(wǎng)筒的轉(zhuǎn)速越慢。以控制升高高度9 cm 工況為例，隨著進(jìn)水流量的減小，在進(jìn)水流量為1.3 m3/h 時(shí)，網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速最快為363 r/min；抬高轉(zhuǎn)筒的升高高度時(shí)，使得網(wǎng)筒的傾斜角度變大，更多的水聚到錐桶尾部，使得網(wǎng)筒的轉(zhuǎn)速越慢，以控制進(jìn)水流量3.14 m3/h 工況為例，在升高高度為9 cm 時(shí)，網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速最快，為288 r/min。

渾水工況下，進(jìn)水流量和含沙量相同時(shí)，進(jìn)水端升高高度越高，網(wǎng)筒的傾斜角度變大，更多沙子淤積在錐桶尾部，使得沙子和過(guò)濾網(wǎng)的接觸面積減小，過(guò)濾效率變低，以進(jìn)水流量為1.7 m3/h、含沙量為1 kg/m3工況為例，進(jìn)水端升高高度為9 cm 時(shí)，網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速最快為363 r/min；裝置平放時(shí)，過(guò)濾效率最高為87%，排沙耗水率最大為2.46%。含沙量和升高高度相同時(shí)，進(jìn)水流量越大，轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)速越低，從而影響過(guò)濾效率，使其變低，以含沙量為1.2 kg/m3、升高高度為4 cm 的工況為例，當(dāng)進(jìn)水流量為0.55 m3/h 時(shí)，過(guò)濾效率最高為86%，排沙耗水率為2.42%；進(jìn)水流量為1.05 m3/h 時(shí)，排沙耗水率最大為2.62%，過(guò)濾效率為78%。

4 結(jié)語(yǔ)

本裝置用于泵前過(guò)濾，減少對(duì)過(guò)濾裝置本身的損壞，提高了過(guò)濾效率；與傳統(tǒng)的人工清理過(guò)濾器相比，在過(guò)濾的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排沙，經(jīng)濟(jì)成本低廉，投入成本較小，發(fā)展前景良好。但僅僅依靠微灌首部過(guò)濾裝置等措施遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還要持續(xù)減少河流中的泥沙含量，建立健全水資源剛性約束制度、全社會(huì)節(jié)水制度，早日實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)。