微灌魚雷網式過濾器的推廣應用研究

阿力甫江·阿不里米提，虎膽·吐馬爾白，木拉提·玉賽音,3，阿依古麗·艾科拜爾

(1.新疆農業(yè)大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052；2.新疆蘇齊農業(yè)節(jié)水規(guī)劃設計研究院(有限公司)，烏魯木齊 830049；3.新疆鑫水現代水利工程有限公司，烏魯木齊 830019)

微灌系統(tǒng)對灌溉水源水質的要求較高。微灌水源都含有不同程度的污物和雜質，若未對水源進行過濾處理，則造成灌水器堵塞，大大降低微灌系統(tǒng)的效率[1，2]。過濾器是微灌系統(tǒng)中至為重要的設備，其工作性能直接影響了微灌系統(tǒng)的工作效率，從而間接地對水資源利用產生影響[3-5]。

對于新疆干旱氣候來說，大力推廣節(jié)水灌溉技術是解決水資源緊缺而供水矛盾突出問題的重大舉措，其意義深遠和重大。隨著新疆農業(yè)高效節(jié)水技術的迅速發(fā)展，有關過濾器理論研究、研制及實際應用性能等方面的研究取得了飛躍進步[6-8]，過濾器應用范圍也在逐年增大。魚雷網式過濾器是在傳統(tǒng)網式過濾器基礎上改造的一種新型過濾器，具有操作簡便、占地面積小、節(jié)能減排及自動化程度高等特點[9，10]。依據水源水質情況，既可以與砂石過濾器、離心過濾器配套組合使用，也可單獨使用[11]。本研究基于新疆南疆和田地區(qū)、喀什麥蓋提縣、巴州輪臺縣及尉犁縣等環(huán)塔里木盆地的微灌工程區(qū)應用魚雷網式過濾器實踐的調研和觀測，分析魚雷網式過濾器運行效果，與以往的應用過濾器實踐結果對比，總結魚雷網式過濾器優(yōu)點和最佳運行條件，為微灌研究進一步發(fā)展提供依據和參考。

1 魚雷網式過濾器結構與原理

1.1 魚雷網式過濾器結構

魚雷網式過濾器結構如圖1所示，主要由過濾器殼體、濾網、魚雷、自動沖洗控制器及排污裝置等部分組成，其核心部件是魚雷和濾網。魚雷部件的存在，在泥沙處理和延長過濾時間方面創(chuàng)造了革命性的變革，其結構包括帶有4片分水嶺體的流線型迎水頭，并緊跟迎水頭部的4個直徑為10 mm的孔口和末端的8個直徑為20 mm的孔口，濾網目數有80目和120目。

1-進水口；2-進水口壓力表；3-過濾器殼體(筒體)；4-自動沖洗控制器；5-魚雷；6-濾網；7-排污閥進水口壓力表；8-排污閥出水口壓力表；9-自動排污閥；10-出水口壓力表；11-出水口圖1 魚雷網式過濾器結構圖

1.2 工作原理

與其他網式過濾器一樣，魚雷網式過濾器的工作過程包括過濾過程和自清洗過程等2個階段。過濾過程中濾網開始堵塞，過濾器水頭損失逐漸增大，當水頭損失達到預設壓差值時，壓差傳感器將信息傳到沖洗控制器，控制器自動開啟排污閥通向大氣進行排污。排污的同時過濾依然進行，不間斷地向微灌系統(tǒng)供水。達到預設的排污時間時，排污閥自動關閉，過濾器再次進入正常過濾狀態(tài)。

由于魚雷部件的存在，魚雷網式過濾器的內流場與其他網式過濾器有所不同。魚雷部件作為重要功能部件，增加進水口水流流速，防止泥沙顆粒吸附在濾網內側表面，并以高速水流的作用下帶到魚雷部件末端。魚雷部件末端的聚泥區(qū)有8個直徑20 mm的孔口，含有泥沙顆粒和其他雜物的水流經這些孔口進入魚雷部件內腔。因為魚雷部件內腔容積較大，粗顆粒和雜物沉淀在其內，相對清的水從魚雷部件頭部的直徑為10 mm的孔口流出，此種水流循環(huán)隨過濾時間的推移而繼續(xù)進行，過濾過程中濾網將不會容易堵塞。

2 魚雷網式過濾器推廣應用實踐

2.1 魚雷網式過濾器與砂石過濾器的配套組合應用

當地表水作為微灌灌溉水源時，因水中含有各種有機和無機污物，單獨使用一種過濾器很難滿足微灌對水質的要求。在實際應用中，配套使用幾種類型過濾器的措施來滿足微灌對水質的要求。在水中含有漂浮物、浮游生物及其他有機雜質，并且水中有機物含量超過10 mg/L和污物顆粒尺寸大于10 μm的情況下，優(yōu)先考慮選用砂石過濾器作為初級過濾器，將網式(疊片)過濾器作為二級過濾器來配套使用，可達到較高的過濾效果。實際應用中發(fā)現，魚雷網式過濾器除砂過濾性能較突出，與砂石過濾器配套串聯使用的過濾效果更好。

南疆塔里木河中下游為水源的灌溉水中泥沙含量高，漂浮物較多。圖2為南疆麥蓋提縣、尉犁縣的高效節(jié)水項目應用的砂石+魚雷網式過濾器組合。

圖2 砂石+魚雷網式過濾器配套串聯組合使用

現場測試結果指出，水源中粒徑大于10 μm的顆粒和80 %左右的泥沙被砂石過濾器截留，于是進入魚雷網式過濾器的水中泥沙含量較少，魚雷網式過濾器過濾周期很長。當進水含沙量0.035～0.053 g/L的條件下，砂石過濾器與120目的魚雷網式過濾器配套串聯組合使用，連續(xù)運行12 h過程中的水頭損失變化情況如圖3所示。沖洗控制器顯示魚雷網式過濾器進出口壓差在0.032 MPa≤Δp<0.04 MPa范圍內，過濾器很長時間過濾而不堵塞。像環(huán)塔里木盆地地表水水質較差的灌區(qū)配套應用砂石+魚雷網式過濾器時，魚雷網式過濾器充分發(fā)揮除沙過濾效果，最大限度地保證灌水器不容易堵塞和滴水均勻。

圖3 砂石過濾器與120目魚雷網式過濾器配套串聯組合使用時的水頭損失變化曲線

2.2 魚雷網式過濾器和離心過濾器的配套組合應用

隨著水資源短缺問題的日趨嚴重，新疆大部分灌區(qū)廣泛提取地下水作為微灌水源。即使地下水中污物含量相對于地表水小，但地下水中肉眼看不到的微小泥沙顆粒較多。在實際微灌工程中，離心過濾器作為初級過濾，對地下水中的泥沙進行水砂分離(一般分離泥沙效率達到92%～98%)，但離心過濾器很難除去與水比重相近和比水輕的有機質等雜質。因此，離心過濾器與網式(或疊片)過濾器配套組合使用，為微灌系統(tǒng)供應滿足灌溉要求的水源。

圖4為新疆尉犁縣微灌工程應用的額定流量200 m3/h的離心+魚雷網式過濾器組合。項目區(qū)地下水含沙量為0.705 g/L，魚雷網式過濾器運行10幾個小時均無堵塞(圖5)，沖洗控制器顯示魚雷網式過濾器進出口壓差分別為0.014和0.012 MPa左右。在尉犁縣等地下水水質較差的區(qū)域，魚雷網式過濾器進行長時間過濾，不易堵塞，使得田間灌水器暢通無阻均勻滴水。

圖4 離心+魚雷網式過濾器配套串聯組合使用

圖5 離心過濾器與120目魚雷網式過濾器配套串聯組合使用時的水頭損失變化曲線

2.3 魚雷網式過濾器的單獨應用

在實際微灌工程中，魚雷網式過濾器可單獨使用，主要用于過濾灌溉水中的粉粒、泥沙及水垢等污物。魚雷網式過濾器濾網內裝有魚雷部件，其關鍵作用是提高濾網軸向流速，水中泥沙隨水流帶到魚雷末端，并經過末端的孔口進入魚雷內腔，尤其是粒徑大于濾網孔徑的大部分泥沙進入魚雷部件內腔，故濾網不易堵塞而過濾時間相應延長。實踐測試結果表明，灌溉水中有機物含量不超過10 mg/L，進水含沙量和泥沙顆粒粒徑較大的條件下，單獨使用魚雷網式過濾器完全可以滿足微灌水質的要求。

圖6 魚雷網式過濾器單獨使用

圖6是設計額定流量為300 m3/h的全自動魚雷網式過濾器在新疆生產建設兵團14師皮墨墾區(qū)(224團)紅棗基地自壓滴灌項目中的單獨使用狀況。此項目灌溉水源來自于烏魯瓦提水利樞紐，并以引水明渠引水到項目區(qū)域內的小型水庫，以54 hm2為一個灌溉單元的首部設有設計額定流量為300 m3/h的120目全自動魚雷網式過濾器。對連續(xù)運行情況和水頭損失隨過濾時間的變化規(guī)律進行現場測試，結果表明在進水流量基本穩(wěn)定為300 m3/h和進水含沙量在0.012 g/L左右的情況下，過濾器進出口壓力表讀取壓差和沖洗控制器顯示壓差均為0.032 MPa左右。在較長的測試時間段內，過濾器沒有發(fā)生堵塞，進出口壓差始終沒有達到室內試驗確定的最佳排污壓差值0.04 MPa(見圖7)。

圖7 120目魚雷網式過濾器運行過程中水頭損失變化曲線

在灌溉水中，漂浮物較少和有機物含量不超過10 mg/L，含沙量較大和粒徑大于濾網孔徑的顆粒含量較多以及微灌系統(tǒng)首部前面設有容量較大的沉淀池的情況下(圖8)，單獨使用魚雷網式過濾器也可滿足微灌系統(tǒng)對灌溉水質的要求。

圖8 地表水微灌系統(tǒng)常用沉淀池

3 結 語

魚雷網式過濾器作為微灌用新型除沙設備，在延長過濾時間和提高除沙效率等方面具有很大優(yōu)勢。魚雷網式過濾器在新疆灌區(qū)的推廣應用結果表明，根據水源類型和水質情況，魚雷網式過濾器在實際應用過程中與砂石過濾器或離心過濾器配套串聯組合使用更能充分發(fā)揮其除沙功能，相應延長過濾時間并避免頻繁沖洗浪費水資源的現象。

隨著新疆微灌工程的大范圍實施，微灌過濾器的應用范圍逐年擴大，微灌工程對過濾器研發(fā)和推廣應用方面研究需求也增加。宗全利[12]、劉煥芳[13]、劉飛[14]、阿力甫江等[15]學者開展有關微灌過濾器的試驗研究，并探索過濾器結構優(yōu)化的途徑。但目前有關過濾器推廣應用方面的示范試驗還比較少，多數灌區(qū)選擇過濾器存在盲目性，過濾器性能與實際微灌要求不符等阻礙過濾器發(fā)揮最佳效益。因此，微灌工程發(fā)展應以過濾器應用實踐為基礎，注重開展推廣應用方面試驗研究，確定不同地區(qū)、不同水源適用的最佳過濾器類型，促進微灌過濾器理論研究和實踐經驗同步發(fā)展。