塑料介質過濾器的水力性能及泥沙處理特性研究

段 騰，張勝江，郭 濤

(1.新疆農業大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052；2.新疆農業節水工程技術中心，烏魯木齊 830049)

新疆是多泥沙水質為主的區域，發展大規模節水灌溉，首部水質處理是關鍵。目前，在較高含沙水源滴灌[1]系統中，砂石過濾器[2]是最常見的介質過濾器，其運行性能相對較為穩定，但也存在諸多問題：一是使用壽命短，容易風化；二是因為砂石沉重，反沖洗需要的水流速大、工作壓力高，不適應目前滴灌技術向低壓低能耗方向發展的要求；三是大粒徑砂石濾料懸浮性差，反沖洗易產生不均勻沉降，造成“濾帽露孔”現象，使過濾器失效；四是沖洗用時長、用水量大，且對粒徑較大的中粗砂顆粒清洗效率不高，容易造成底部濾帽處泥沙沉積結塊，經常需采用人工清洗，勞動強度大，費時費力影響了過濾器在高含沙水質時的運行效率，這一點在中粗砂含量較高的井水滴灌系統中影響尤為突出。

新型輕介質過濾器，相較于傳統砂石介質過濾器，采用輕型濾料介質，可適應低壓工作條件，滿足滴灌技術向低壓低能耗方向發展的要求；使用再生塑料等新型介質，可延長濾料使用壽命，減少維護費用；同時可提高過濾器清洗效率，減少反沖洗時間和耗水量，從而提高對高含沙水質的適應能力；利用輕型濾料的高懸浮性能，更有利于泥沙沉降，提高過濾效率，同時在反沖洗時不會發生濾料不均勻沉降造成的“濾帽露孔”問題，提高過濾器運行的可靠性。本研究適合我國滴灌技術節能降耗發展的迫切要求，將為井灌區高含沙老機井滴灌提供技術支撐，有十分重要的現實意義。

1 試驗內容與方法

1.1 試驗裝置與設備

試驗為小比例模型試驗，濾料為PVC片狀塑料介質，粒徑8 mm;試驗所用過濾器模型采用半徑0.1 m，高度為1.2 m的圓柱形有機玻璃管，濾料層厚度為0.6 m，儀器兩端有濾網，密封良好[3]。供水采用可調壓滴灌抗堵塞試驗系統，泥沙拌和箱的體積為0.5 m3，儲水箱的體積為1 m3，高精密壓力表兩塊，變頻控制水泵1臺，配置不同含沙水所需的沙樣若干；天平，濾紙，電子秒表等(見圖1和圖2)。

圖2 過濾器Fig.2 The filter

試驗系統由拌和箱、儲水箱和過濾裝置3部分組成。過濾裝置又分為過濾器和兩個高精密壓力表。壓力表記錄過濾過程中的壓力值，通過壓力表的讀數相減就能夠得出水流通過過濾器的水頭損失[4]。在過濾器的進水口和出水口各安裝一個控制閥門，通過調節閥門開啟的程度來控制流量(見圖3)。

①-水桶；②-抽水泵；③-泥沙攪拌罐； ④-攪拌器；⑤-水泵；⑥-儲水箱；⑦-電磁流量計；⑧-閥門；⑨-高精度壓力表；⑩-過濾器圖3 試驗裝置圖Fig.3 Test installation diagram

1.2 試驗設計

本試驗主要采用正向過濾的方式，試驗影響因素選擇過濾流量和原水含沙率，過濾速度選擇1.5、1.7、2、2.5和3.4 m3/h 5個水平；原水含沙率選擇1、1.5和2 kg/m33個水平，比較不同試驗條件下的過濾器水頭損失、泥沙去除率以及反沖洗效果，總結出相關規律。

1.3 試驗方法

在清水試驗時，按試驗設計進行試驗，調節好預定的流量和壓力，等到流量與壓力達到設定值后開始記錄數據，間隔設定為2 min，清水條件下不存在泥沙堵塞過濾器的情況，故水頭損失和過濾流量比較穩定，監測12 min后停止清水試驗。

含沙水試驗前先將沙樣風干，并用1.8 mm的篩網篩去顆粒較大的雜質。調節好試驗設計所需的流量與壓力后，開始試驗，數據記錄間隔為1 min。用量杯盛接濾后水，測得濾后水的含沙率，與原水含沙率比較計算出泥沙去除率?？偨Y分析局部水頭損失變化規律、過濾流量與水頭損失之間的關系以及過濾系統的泥沙去除率[5]，從而確定新型PVC塑料介質過濾器的水力性能和泥沙處理能力。

1.4 參數測定

過濾器的水頭損失由位置水頭以及過濾器進出口的壓力表讀數差確定。

水樣的含沙率采用過濾烘干法，首先對濾后水樣進行24 h的靜置沉淀，使泥沙顆粒完全沉淀，再用濾紙進行過濾，測得一定體積的水樣烘干后的泥沙質量，最后換算為單位體積的含沙率。同時為了說明原水過濾前后含沙率的變化，引入了泥沙去除率進行分析[3]。

2 試驗結果與分析

2.1 過濾器水力性能研究及分析

過濾器產生水頭損失主要是因為水流流經過濾器時發生了能量損耗，過濾器水力性能的好壞直接影響到整個灌溉系統的運行效率和水質處理效果。本試驗所采用的過濾系統中，其水頭損失主要是因為水流流經過濾器時產生能量損耗而造成的，考慮到管路中產生的沿程水頭損失較局部水頭損失可以忽略不計，因此為了更為方便的研究，試驗過程中忽略沿程水頭損失，只考慮局部水頭損失[4]。

為使新型輕介質過濾器的水力性能研究結果更充分，首先要通過試驗測得清水條件下局部水頭損失的大小，分析局部水頭損失與流量的對應關系，找出相關規律；隨后在清水試驗的基礎上，分析過濾器在處理不同含沙水時所對應的局部水頭損失大小，得出局部水頭損失隨流量和水質狀況的變化規律[4]。

2.1.1 清水條件下過濾器水力性能研究

根據實測數據，清水條件下過濾器局部水頭損失與過濾流量的關系曲線如圖4所示。

圖4 過濾器局部水頭損失與流量的關系曲線Fig.4 The relation curve of local head loss and flow rate of filter

由圖4可看出，過濾器的局部水頭損失隨流量的增加而增加，且呈現二次拋物線的形式[5,6]。

根據局部水頭損失公式和管道平均流速公式：

(1)

(2)

式中：hj為局部水頭損失，m；ζ為過濾器局部損失系數；v管管道平均流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；Q為流量，m3/h；A管為管道斷面面積，m2。

由公式(1)和(2)可得： 局部水頭損失hj只與流量Q的二次方程正比例。由此可以得出該過濾器的水力特征方程形式為[6]：

hj=kQ2

(3)

式中：k為過濾器系數。

將實驗數據按該方程回歸擬合得到如下方程：

hj=0.126Q2

(4)

該方程的R2為0.943>0.9，相關程度好。

2.1.2 含沙水條件下過濾器水力性能研究

(1)過濾器初始局部水頭損失研究。圖5為過濾器處理不同含沙水流時，局部水頭損失～流量變化曲線。

圖5 片狀介質正向過濾流量與過濾器平均水頭損失的關系曲線圖Fig.5 The diagram of the relationship between the filter flow and the average head loss of the filter

3種含沙水流之間的變化曲線隨流量的增大呈上升趨勢，但變化并不明顯，基本上重合在了一起。表1為不同水質條件下的過濾器局部水頭損失值，包括清水和含沙水。由表1可知，同一水質，流量越大，局部水頭損失越大；同一流量，3種含沙水所對應的局部水頭損失也基本相同，且均高于清水條件下的局部水頭損失值[5]。

表1 過濾器局部水頭損失統計表Tab.1 Statistical table of local head loss of filter

按方程式(3)對各含沙水條件下的試驗數據進行回歸擬合，得到二次回歸方程如表2所示，各方程的相關系數R均大于0.9，擬合情況良好。從擬合方程可以看出，3種含沙水對應的回歸方程基本一致，其結構系數k分別為0.136、0.141、0.15，將含沙水與清水的回歸方程進行比較發現，含沙水的結構系數均大于清水的結構系數，說明水流中的泥沙會對過濾器的局部水頭損失產生一定的影響，含沙水的黏滯系數大于清水的黏滯系數，當水流運動時，含沙水要克服更大的摩擦阻力，因此含沙水的局部水頭損失要大于清水的局部水頭損失。由方程還可以看出含沙率高的，其結構系數也要略大，即水頭損失隨著含沙率上升也隨之增大。

表2 過濾器局部水頭損失與流量的二次回歸方程Tab.2 Secondary regression equation of local head loss and flow of filter

(2)流量一定條件下水頭損失變化規律。試驗過程中對過濾器控制柜預設一個壓差值，并在穩定過濾流量2 m3/h條件下改變不同進水含沙量，測出不同過濾時間的水頭損失變化情況結果如圖6所示。

圖6 不同含沙水的水頭損失變化曲線Fig.6 Different water head loss curve with sand water

由圖6可知，在相同過濾流量下，不同原水含沙量下的水頭損失變化趨勢基本相同，初始階段水頭損失的變化較平穩，隨著過濾器運行時間的增加，淤積在濾網上的泥沙顆粒逐漸增多，由圖6可知，在t=35～45 min、h=0.7 m左右時出現拐點。當原水含沙量由小增大時，過濾器水頭損失曲線出現拐點的時間點越來越早，這大概是因為單位時間內原水的含沙率越高，進入濾網斷面的泥沙顆粒就越多，同時附著在濾料和濾網上的泥沙顆粒也比低含沙量時多，更容易在短時間內引起過濾元件的堵塞，過濾器的水頭損失曲線會在短時間內出現拐點[7]。

(3)含沙量一定條件下水頭損失變化規律。圖7以原水含沙率為1.5 kg/m3的含沙水為例，分析局部水頭損失隨時間的變化情況。

圖7 過濾器局部水頭損失隨時間的變化曲線圖Fig.7 The variation of local head loss over time

在過濾初期，相應流量下的過濾器局部水頭損失隨時間的變化并不明顯，均是在水頭損失平均值附近浮動，運行比較穩定。隨著過濾系統運行時間的延長，過濾器水頭損失逐漸增大，當局部水頭損失達到0.7～1.6 m后，曲線出現了拐點，局部水頭損失開始急劇增加。

將局部水頭損失曲線的拐點定義為堵塞周期點。從圖7可以看出，隨著過濾系統運行時間的延長，不同流量對應的水頭損失開始迅速增加。這主要是由于過濾器過濾元件的實際過水面積和水流穿過濾孔流速的變化引起的[5]。過濾器的局部水頭損失與過濾流量呈二次函數的關系，在過濾過程中，流量越小，局部水頭損失也越??；同時流量越小，過濾器通過的泥沙顆粒含量就相對較少，濾孔被堵塞的概率就越小，過濾系統穩定運行的時間就越長，達到堵塞周期點所需的時間就越長。

隨著運行時間的延長，淤積在過濾器中的泥沙顆粒數量增加，濾孔堵塞的概率增大，過濾元件的實際過水面積因濾孔的堵塞而逐漸減小，由此產生的能量消耗也逐漸增大，當堵塞到一定程度以后，局部水頭損失將急劇增加，表明過濾器趨于完全堵塞，需進行泥沙清洗，保證運行。

2.2 過濾器泥沙處理能力的研究及分析

微灌系統中安裝過濾器的主要目的是：①過濾水流中粒徑較大的雜質；②保證灌水器不發生堵塞；③使整個滴灌系統的使用壽命大大延長；④提高灌水質量和作物產量。因此泥沙處理性能是過濾器一項重要的指標。

通過實驗，具體研究各個含沙水條件下，過濾器的泥沙去除率；同時分析比較反沖洗時，濾后水的含沙率隨時間的變化情況。

2.2.1 過濾器泥沙去除效果研究

泥沙去除率分析表如表3所示，可以清晰反映出改變流量和原水含沙率情況下泥沙去除率的變化。

由表3可以看出，不同水質條件下，泥沙去除率隨流量增大有明顯的下降趨勢，當流量達到一定閾值后，去除率趨于穩定；當流量一定時，隨著原水含沙率的增加，泥沙去除率呈現減少趨勢。

表3 不同流量與原水條件下過濾器的泥沙去除率統計表Tab.3 Statistical table of sediment removal rate of filter with different flow rate and original water condition

應用SPSS軟件做相關性分析，可以得出原水含沙率和過濾流量與泥沙去除率的顯著性系數p分別為0.014和0.026，均小于0.05，說明具有顯著性，Pearson相關系數為負數，說明是中度負相關(見表4)。

表4 相關性分析表Tab.4 Correlation analysis table

注：*為在 0.05 水平(雙側)上顯著相關。

綜上所述，過濾流量和原水含沙率對泥沙去除率起到決定性的作用，過濾流量不能太小，過濾器容易發生堵塞；同時流量也不能太大，泥沙雜質會被沖出濾孔，起不到過濾的作用。原水含沙率越大，過濾器的泥沙處理能力就越差。

2.2.2 反沖洗過程中沖砂水含沙率的變化情況

當正向過濾試驗停止后，排空攪拌罐和供水罐里的水，注入清水開始逆向反沖洗，用量杯盛接濾出水，試驗共進行24 min，同樣采用過濾烘干法，計算出單位體積水樣的泥沙含量?，F從以下兩個方面來研究反沖洗[8-10]過程中，沖砂水的泥沙含量變化。

(1)含沙水在不同流量的反沖洗作用下，含沙率的變化情況如圖8所示。

由圖8可知，沖沙水的含沙率變化主要在8 min之前，特別在前4 min急劇減小，8 min后變化趨于平穩，大約20 min左右含沙率趨近于零。圖8中1和1.5 kg/m3含沙水在不同流量反沖洗的條件下，濾后水初始含沙率的規律是相同的，即濾后水初始含沙率1.5 m3/h>1.7 m3/h>2 m3/h>2.5 m3/h>3.4 m3/h，當原水含沙率較低時，過濾流量越小，過濾效果越好，系統運行時間越長，過濾器內堆積的泥沙就越多，反沖洗時沖沙水的初始含沙率就越高；而2 kg/m3含沙水的沖砂水含沙率與流量的關系不明顯，沒有明顯的規律。

(2)不同含沙水在相同流量的反沖洗作用下，沖沙水含沙率的變化情況如圖9所示。

圖8 不同含沙水反沖洗時沖沙水的含沙率隨時間的變化曲線圖Fig.8 The sand content of sand water in different sand water is different with time

圖9 不同含沙水在相同流量的反沖洗作用下沖沙水含沙率的變化情況Fig.9 The change of sand water content in sand water with different sand water in the same flow

無論在任何流量條件下的實驗結果表明，反沖洗開始階段，5 min內出水含沙率迅速下降，10 min后含沙率開始趨于平穩；而且在5個流量下，起初原水含沙率高的，沖沙水含沙率也高，這可能是由于泥沙在過濾器中堆積所致，含沙率越高，泥沙堆積的就越多。

3 結 語

通過比例試驗重點研究了新型輕介質過濾器的水力性能特點及其泥沙處理能力特點，可以得出以下結論。

(1)過濾器初始局部水頭損失與流量成二次函數關系，擬合方程式為hj=kQ2。從擬合結果來看，含沙量對回歸方程系數k還是具有一定的影響，含沙量大的，其回歸方程系數k也略大。表明含沙率越高，過濾器產生的局部水頭損失也略大。

(2)PVC塑料介質過濾器的除沙率在30%～80%之間，過濾器泥沙去除率與過濾流量和原水含沙率均呈顯著的負相關關系。不同水質條件下，泥沙去除率隨流量增大有明顯的下降趨勢，當流量達到一定閾值后，去除率趨于穩定；當流量一定時，隨著原水含沙率的增加，泥沙去除率呈現減少趨勢。

(3)當過濾器的濾網發生堵塞后，局部水頭損失就開始急劇增加，此時需要對過濾器進行反沖洗。反沖洗的間隔周期與原水含沙率和流量呈負相關的關系，即原水的含沙率和流量越大，過濾器中泥沙淤積的速度越快，相應反沖洗的間隔周期就越短。

(4)反沖洗時，沖沙水的含沙率初始較大，但會在短時間內迅速下降，一般反沖洗的時間不宜小于10 min，以20 min左右為宜，可保證過濾器保持良好的過濾效果。

(5)本實驗只是通過小比例模型試驗的方法，研究了塑料介質過濾器的水力性能及泥沙處理能力，有些試驗結果和結論還有待進一步研究論證。