滴灌用過濾裝置的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

　　摘要：由于滴灌灌水器流道較小，滴灌系統(tǒng)對水質(zhì)要求頗高，因此過濾裝置在滴灌中非常重要。國內(nèi)外學者對其進行了大量的研究和研發(fā)工作。在此背景下，文章在簡要闡述滴灌用砂石、網(wǎng)式、疊片式和離心式過濾器工作原理的基礎上，對滴灌用過濾器的研究現(xiàn)狀進行了系統(tǒng)歸納總結，對過濾器研究存在問題和發(fā)展趨勢進行了討論。文章認為目前針對過濾器水頭損失和堵塞的變化規(guī)律及影響因素的試驗研究較多;在建立過濾器水頭損失理論計算方程和模型模擬過濾器內(nèi)部水流流態(tài)等方面已引入流體計算模型;而砂石過濾器濾料和濾帽、網(wǎng)式過濾器自清洗裝置、疊片式過濾器疊片以及一體式組合過濾器結構的改進等是過濾器研發(fā)的熱點。研究認為將來過濾器的研究研發(fā)工作可重點針對過濾器模擬技術和適應我國國情的過濾器研制等方面展開。本研究可為滴灌用過濾器的研究提供一定的技術支撐。

　　關鍵詞：滴灌;過濾器;水頭損失;結構優(yōu)化

　　農(nóng)田灌溉論文投稿刊物：節(jié)水灌溉雜志是北大核心期刊，因此在來本雜志上進行投稿時就要比省級、國家級這些期刊投稿和撰寫中要注意的事項要嚴格很多了。對于期刊的級別判斷與期刊的真?zhèn)我约捌诳�的征收�?nèi)容，這些都是關乎與你論文是否投稿成功的主要方面。

　　0引言

　　滴灌技術是一種先進的高效節(jié)水灌溉方法，合理使用滴灌技術可以減少土壤蒸發(fā)、地表徑流和深層滲漏等無效的水量損失。但滴灌系統(tǒng)的灌水器由于流道較小，極易被水中雜質(zhì)堵塞，這種堵塞即使在輕微條件下也會降低灌溉水的均勻性，嚴重時甚至會影響整個滴灌系統(tǒng)的使用壽命。過濾是將水中可能堵塞滴灌系統(tǒng)的雜質(zhì)去除的過程，對滴灌系統(tǒng)穩(wěn)定安全的運行有重要意義，是滴灌系統(tǒng)中不可或缺的部分。鑒于過濾的重要性，前人對滴灌過濾裝置進行了大量研究，本文對前人研究進行了系統(tǒng)的歸納，以期對滴灌用過濾裝置的下一步研究提供技術支撐。

　　1滴灌用過濾裝置分類及工作原理

　　目前滴灌上最常見的過濾器有砂石、網(wǎng)式、疊片式和離心式過濾器4種，它們結構不同，過濾原理及適宜水質(zhì)條件也有很大差別。在滴灌系統(tǒng)中往往將其組合使用，以期達到更優(yōu)的過濾效果。砂石過濾器依靠罐體內(nèi)部一層層濾料介質(zhì)對水中雜質(zhì)進行過濾。水流從進水口流進罐體后，水中有機、無機雜質(zhì)都可以在機械篩濾、沉淀和接觸絮凝的作用下被截留，反沖洗時濾層及濾料孔隙中的污物受水流的浮曳力和剪力等作用排出[1]。網(wǎng)式過濾器的主要過濾元件是濾網(wǎng)，濾網(wǎng)會截留水中大于其孔徑的雜質(zhì)顆粒，而隨著濾網(wǎng)上的雜質(zhì)不斷聚集形成濾餅，更細小的顆粒則被濾餅攔截，直至濾網(wǎng)堵塞[2]。

　　疊片式過濾器內(nèi)部具有兩面帶凹槽的疊片，過濾時疊片在彈簧和水流作用下被緊實地壓成柱體，柱體內(nèi)部形成數(shù)條直徑逐漸變小的槽溝，大于槽溝內(nèi)部最小截面直徑的顆粒雜質(zhì)被攔截，隨后雜質(zhì)聚集截留更小的雜質(zhì)。到達一定壓差或時間時，改變流動方向的水流使得彈簧收緊，疊片松開進行反沖洗，附著在疊片上的顆粒雜質(zhì)在水流剪切力的作用下隨水流流出排污管[3]。離心式過濾器中水流會在其內(nèi)部形成漩渦，由此產(chǎn)生的離心力可以分離清水和污物，清水隨著外旋流螺旋向上流向出水口被帶出，比重大的污物隨內(nèi)旋流螺旋向下進入下部的儲砂罐。

　　2滴灌用過濾裝置研究進展

　　2.1砂石過濾器

　　對于砂石過濾器，學者們多通過試驗方法，以濾后水的濁度、沙顆粒質(zhì)量濃度及沙顆粒粒徑為考察指標，研究砂石過濾器的過濾效率[4,5]，探討渾水質(zhì)量分數(shù)[6]、過濾速度[7]和砂石濾料濾層厚度[8]等影響因素對過濾效果的影響成因及影響程度。與此同時，由于水頭損失會影響過濾器的耗水耗能和過濾效率，也是學者們研究的重要內(nèi)容[9]。Arbat[10]數(shù)值模擬顯示，84.6%的水頭損失來自濾料，11%的水頭損失來自濾帽和多孔板，4.4%的水頭損失是進、出水管造成的。

　　還有學者采用濾層內(nèi)流體方程，如半經(jīng)驗的歐根方程，來計算和預測水頭損失。他們假設濾層由許多平行細管組成，視過濾介質(zhì)為規(guī)則球體，通過確定過濾介質(zhì)的物理參數(shù)，如有效直徑和孔隙度等，計算水頭損失[11]。由于流體方程中物理參數(shù)取值具有不準確性，又有學者引入了量綱分析方法[12-14]，將水頭損失影響因素，如過濾面積、流速、過濾水量、總懸浮固體顆粒(TSS)、原水顆粒平均直徑、原水密度等，分成若干個無量綱群，建立數(shù)學方程來計算過濾器水頭損失。相較于傳統(tǒng)試驗得出水頭損失的方式，方程計算更方便快捷，具有一定的參考價值。砂石過濾器水頭損失出現(xiàn)驟增前需要進行反沖洗，由于反沖洗過程的復雜性，目前國內(nèi)對其反沖洗機理的研究還較少。李景海通過試驗和數(shù)值模擬，指出反沖洗速度對反沖洗壓降和濾層密度的影響[15]，并依據(jù)反沖洗時濾層水的體積分數(shù)變化規(guī)律來確定反沖洗效果最優(yōu)的反沖洗速度[16]。

　　在研發(fā)方面，砂石過濾器集中在濾料改進上，早期采用的分級濾料在過濾和反沖洗時會發(fā)生水力分級現(xiàn)象，隨后引進了均質(zhì)濾料，研究認為其可在更大程度上減少堵塞，從而過濾時間更長，過濾效果更好。出于降低造價，目前玻璃濾料成為研究熱點。玻璃濾料過濾第一階段以攔截作用為主，第二階段攔截和吸附共同作用[17]。但玻璃濾料的研究應用還有待深入。Horan[18]、Soyer[19]試驗顯示玻璃濾料在相同時間內(nèi)比砂石濾料多過濾10%的水量，清潔壓降和堵塞水頭損失更低;Soyer[20]另有試驗顯示碎玻璃、砂石分別與無煙煤組合的雙層濾料過濾性能相當;而Bové[21]使用直徑在0.63到1.50mm之間的四種不同濾料，試驗得出水頭損失最小的是石英砂，其次是粉碎回收玻璃顆粒、改性玻璃顆粒、微玻璃球體。在結構優(yōu)化上，不少學者針對濾帽進行改進[22,23]。Bové在濾帽頂部布置槽，周圍放置粗顆粒濾料并增加濾帽出口管道截面面積[24]，試驗和模擬表明其結構可以有效降低水頭損失[25]。但Arbat[10]卻認為頂部濾槽設計會增加反沖洗頻率，導致能量損失更大。

　　2.2網(wǎng)式過濾器

　　對于網(wǎng)式過濾器，學者們通過理論分析構建了網(wǎng)式過濾器水頭損失計算模型[26,27]，他們將影響網(wǎng)式過濾器過濾效率的參數(shù)，如過濾水平、總過濾面積、流量、總沙濃度、過濾時間、出入口管道直徑、水流流速、沙顆粒的平均直徑、水的粘度和水密度等水頭損失影響因子劃分成幾個無量綱組建立水頭損失方程，并通過試驗數(shù)據(jù)調(diào)整參數(shù)得到方程。這樣依據(jù)不同試驗條件研究者們會得出不同的方程，因此數(shù)學方程計算水頭損失的方式雖簡單高效，但適應條件各不相同。也有不少學者通過試驗方法研究網(wǎng)式過濾器堵塞，如堵塞成因、堵塞與水頭損失間的關系等[28,29]。近年來，學者們紛紛利用CFD數(shù)值模擬技術模擬網(wǎng)式過濾器過濾時的內(nèi)部水流流態(tài)[30-32]。陶洪飛[33]首先對比三種紊流模型模擬結果選擇出最優(yōu)模型，并依此分析臥式網(wǎng)式過濾器的流場，指出濾網(wǎng)內(nèi)外流速沿筒身方向分布不均，且出水管與罐體銜接處會形成“Y”型紊亂區(qū)，增加了水頭損失，降低了過濾效率。

　　喻黎明[34,35]模擬Y型過濾器內(nèi)部水流流態(tài)、沙粒運動軌跡及其分布，認為濾網(wǎng)內(nèi)部水流流態(tài)與沙顆粒粒徑影響沙粒在濾網(wǎng)上的沉積位置和堵塞程度，建議增大進口側上端的過水面積，降低進口流速，使顆粒均勻分布，獲得更大的過濾效率。可以看出，CFD數(shù)值模擬技術可以模擬并呈現(xiàn)流體在濾網(wǎng)各部位的運動情況和場的分布情況，針對流量、流速和壓強分布不均的地方分析成因，進行優(yōu)化，獲得更優(yōu)的過濾器結構。隨著灌溉自動化的需求不斷提升，在網(wǎng)式過濾器的研發(fā)上，學者們也關注著自清洗網(wǎng)式過濾器[36,37]。

　　宗全利[38]通過對80目和120目網(wǎng)式過濾器排污壓差的理論計算和試驗驗證，探討了含沙量、流量和過濾時間對過濾壓差的影響，得到了保證水頭損失曲線不出現(xiàn)激增時的最佳排污壓差，認為80目的過濾器為6m，120目的過濾器為7m。實際大田過濾器前設有沉沙池，進入過濾器的水顆粒粒徑實際偏小，設置壓差時也應當比理論值小。也有學者通過試驗分析了排污效果最好的自清洗時間[39]。此外，宗全利[40]對吸式網(wǎng)式過濾器自清洗過程進行數(shù)值模擬，結果顯示位于最上面的吸嘴流速最大，壓強最小，提出可通過調(diào)整吸嘴位置和增加吸嘴個數(shù)提高自清洗效率。全自動魚雷網(wǎng)式過濾器是一種新型低壓排沙過濾器，目前正被推廣應用于新疆滴灌系統(tǒng)。阿力甫江·阿不里米提[41,42]通過模擬魚雷網(wǎng)式過濾器內(nèi)部流場，指出高速的進水口和低速的出水口使得濾網(wǎng)堵塞不均，而更多的過濾器水力特性如最佳排污壓差等還需進一步研究。

　　2.3疊片式過濾器

　　疊片式過濾器過濾時緊壓的疊片間形成溝槽，整個過濾元件可視為多層濾網(wǎng)復合過濾器，過濾精度由溝槽的最小斷面圓直徑?jīng)Q定，但目前與疊片尺寸的關系還未有統(tǒng)一標準[43]。Duran-Ros[44]將網(wǎng)式、疊片式及網(wǎng)式疊片式組合三個過濾系統(tǒng)分別在300kPa和500kPa壓力下進行過濾和反沖洗試驗，結果表明三個過濾系統(tǒng)濾后水濁度、顆粒濃度和TSS沒有顯著區(qū)別，但疊片式過濾器反沖洗消耗水量更多;秦天云[45]通過試驗指出疊片式過濾器過濾效果優(yōu)于網(wǎng)式過濾器，但其復雜的流道結構使得水頭損失更高。

　　此外，VedatDEMİR[46]對Y型、L型和LT型的金屬疊片式過濾器進行水力性能比較，認為Y型水頭損失更大，耗能更多，曲線型槽溝過濾時水頭損失低于直線型槽溝。還有學者[47,48]利用量綱分析建立水頭損失方程，通過水力性能試驗驗證方程，并依此給出過濾器設計優(yōu)化方案如增加進出口管道內(nèi)徑等。目前，利用數(shù)值模擬技術模擬疊片式過濾器內(nèi)部水流還有一定困難，李楠[49]在模擬時簡化為兩片疊片結構，得出斷面形狀為底角接近π/2的等腰三角形時水頭損失最小;但李浩[50]認為單片或多片疊片結構模擬出的水流不能完全反映整個過濾器的實際流動規(guī)律，進行全流場模擬后指出過濾器的安裝角度對水頭損失也有影響。在對疊片式過濾器的研發(fā)主要集中在疊片的改進上，通過改變疊片幾何形狀，優(yōu)化流道結構。

　　崔春亮[51]改變單片疊片的溝槽形狀和“V”型角度研發(fā)的疊片式過濾器精度高、水力性能好;崔瑞[52]設計的疊片結構可形成過濾精度為60目和120目的復合流道，并指出含復合流道的疊片較120目的含普通直線型流道疊片水頭損失更小;楊培嶺[53]采用分形理論設計出帶有分形流道和緩沖槽的疊片，試驗表明這種過濾器泥沙攔截能力和堵塞均勻度都優(yōu)于普通疊片式過濾器。

　　2.4離心式過濾器

　　離心式過濾器利用不同比重的清水和顆粒雜質(zhì)會在離心作用下分離的原理完成過濾，不僅在農(nóng)業(yè)上，而且在礦物、化學及環(huán)保領域得到廣泛應用[54]。研究表明決定離心式過濾器過濾效果的關鍵是原水雜質(zhì)特性以及離心作用的大小。一般認為原水中顆粒雜質(zhì)粒徑越大，分離效率越高[55]。Mailapalli[56]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)過濾前期含高濃度懸浮顆粒的水雜質(zhì)分離效果更好，但后期過濾效率與懸浮液濃度無關。針對離心式過濾器的結構優(yōu)化，Yurdem[57]通過模擬指出增加流速會提高離心力，但水頭損失會更大，建議增大進、出水口的管道直徑來減少水頭損失;崔瑞[58]通過將離心式過濾器筒身錐形部分改為柱形提高離心力，認為改進后的過濾器水頭損失低，除沙率高;Hwang[59]設計出不同導流環(huán)結構并對其進行數(shù)值模擬，得出錐形導流環(huán)更有助于清水與雜質(zhì)顆粒分離。

　　2.5組合過濾器

　　在實際應用中，往往將不同過濾器組合在一起使用，以期達到更優(yōu)的過濾效果。有的學者[60-62]通過試驗對比了組合過濾器與單個過濾器的濾后水濁度和水頭損失，指出組合過濾器過濾性能更優(yōu)。葉成恒[63]試驗表明，相同流量下的離心式疊片式組合過濾裝置較離心式網(wǎng)式組合分離粒徑更均勻，但局部水頭損失更大，耗能更多。為減少組合過濾裝置中管道等附屬結構引起的水頭損失，也有學者將兩種過濾器設計為一體式裝置進行研究。李振成[64]研究發(fā)現(xiàn)與普通離心式網(wǎng)式組合過濾裝置沙粒運移規(guī)律不同的是，一體式過濾器只有一部分沙粒因重力作用而自然沉降，另一部分會因強作用的浮力和挾持力隨水流運動至濾網(wǎng)進行二次過濾，建議降低篩網(wǎng)高度達到更優(yōu)的過濾效果。

　　謝崇寶[65]研發(fā)設計了一種上下復合型砂石—濾網(wǎng)集成式過濾器，兩個濾料區(qū)分別布置在上、下部的中空殼體中，下部濾料區(qū)下安裝一張完整濾網(wǎng)，兩個殼體之間用法蘭連接，整個結構具有體積小、成本低的特點;具有異曲同工之妙的是，楊培嶺[66]將相互垂直的四個篩網(wǎng)置于砂石罐體內(nèi)部，設計出新的一體式過濾裝置，利用CFD數(shù)值模擬技術分析流場后發(fā)現(xiàn)一體式過濾裝置能夠減少38.5%的水頭損失，其水力性能更優(yōu)，過濾效果更好，運行時間更長。

　　3存在問題與發(fā)展趨勢

　　由上可知，為研究提高滴灌用過濾器的過濾效率，學者們采用理論分析、試驗和數(shù)值模擬等方法對過濾器的結構和性能進行了大量研究，在過濾器研究研發(fā)方面已有諸多成果，這促進了滴灌用過濾器的研發(fā)、生產(chǎn)和應用，但就目前來看尚存在如下問題：過濾器的抗堵塞性能和自清洗功能仍有待進一步優(yōu)化，如何在保證過濾器過濾效果的同時，不產(chǎn)生過大的水頭損失，如何在提高過濾器自清洗效率的同時不造成過多的能源浪費，以上問題都需要進一步研究。在研發(fā)方面，無論是砂石過濾器濾料對水流特性的影響及其內(nèi)部濾帽結構的改進，還是疊片式過濾器的疊片凹槽結構設計等都存在瓶頸，需要更多的理論支撐。此外，將工業(yè)應用的過濾器引進到農(nóng)業(yè)灌溉時，如離心式過濾器，需要深入探究其適用差異，進行針對性改進。

　　在實際應用中，不同地區(qū)的水源不同，微灌系統(tǒng)也大多是分級過濾，而過濾器的研究主要是單一進行的，沒有結合不同地域和不同微灌系統(tǒng)的應用要求進行運行模式的探討。因此，在下一步的研究中，針對單個過濾器，可進一步對結構和性能進行創(chuàng)新性研究，同時，也需要結合不同地區(qū)和微灌系統(tǒng)要求，研究微灌系統(tǒng)中分級過濾的多個過濾器的運行模式。在研究方法上，國內(nèi)大多采用試驗方法來探討過濾器水頭損失及其影響因素，近年來，部分學者采用CFD模擬技術手段深入研究過濾器內(nèi)部水流特性，找到過濾器水頭損失高的原因，并依此給出結構改進的建議。

　　但此類研究較少，可能是因為過濾器內(nèi)部水流流態(tài)復雜，不易模擬精確，如疊片式過濾器在模擬時簡化為兩片疊片模型，模擬得出的水流特性無法完全代表整個過濾器內(nèi)部水流;同時研究沙粒堵塞時需結合沙粒的運移規(guī)律，更是加大了研究難度。與此同時，國內(nèi)少有學者利用量綱分析法分析水頭損失與其影響因素之間的關系函數(shù)，其原因也許是學科交叉，需引入數(shù)學和物理等相關專業(yè)知識，研究有一定難度。此外，楊培嶺團隊利用分形理論對疊片式過濾器內(nèi)部構造的分析也提供了另一種研究思路。由此，研究技術手段還有待進一步提高，這或許是未來過濾器研究能夠有所突破的關鍵。從過濾器市場來看，國外過濾產(chǎn)品水頭損失小，過濾效果好，使用壽命長，自動化和創(chuàng)新程度高，生產(chǎn)工藝遠高于國內(nèi)的過濾器。但其適用特點、運行模式和昂貴的價格在一定程度上不能適應國內(nèi)國情，因此，怎樣在改進國內(nèi)過濾器結構提高過濾效率的基礎上，提高生產(chǎn)工藝，促進產(chǎn)學研深度融合，研究和生產(chǎn)達到國外產(chǎn)品水準和適應我國國情的過濾器是未來研究的重要任務之一。

　　4結語

　　總之，滴灌過濾裝置的最終目的是有效地去除雜質(zhì)防止灌水器堵塞。因此，需要通過行之有效的方法提高過濾效率，同時為保障系統(tǒng)合理運行，優(yōu)化結構、節(jié)水節(jié)能、實現(xiàn)自動化和智能化也一直是過濾器研究研發(fā)的重要內(nèi)容。因此，應該綜合運用理論、試驗模擬等手段對不同種類過濾器深入研究，同時對接生產(chǎn)實際，因地制宜地選用過濾裝置。

　　參考文獻

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