滴灌用过滤装置的研究现状及发展趋势

杜思琦，韩启彪，李盛宝,3，黄修桥，尚世龙，孙修国

(1.中国农业科学院农田灌溉研究所/河南省节水农业重点实验室/农业部节水灌溉工程重点实验室，河南 新乡 453002；2.中国农业科学院研究生院，北京 100081；3.河南农业大学机电工程学院，河南 郑州 450046；4. 济宁市任城区水务局，山东 济宁 272008)

0 引 言

滴灌技术是一种先进的高效节水灌溉方法，合理使用滴灌技术可以减少土壤蒸发、地表径流和深层渗漏等无效的水量损失。但滴灌系统的灌水器由于流道较小，极易被水中杂质堵塞，这种堵塞即使在轻微条件下也会降低灌溉水的均匀性，严重时甚至会影响整个滴灌系统的使用寿命。过滤是将水中可能堵塞滴灌系统的杂质去除的过程，对滴灌系统稳定安全的运行有重要意义，是滴灌系统中不可或缺的部分。鉴于过滤的重要性，前人对滴灌过滤装置进行了大量研究，本文对前人研究进行了系统的归纳，以期对滴灌用过滤装置的下一步研究提供技术支撑。

1 滴灌用过滤装置分类及工作原理

目前滴灌上最常见的过滤器有砂石、网式、叠片式和离心式过滤器4种，它们结构不同，过滤原理及适宜水质条件也有很大差别。在滴灌系统中往往将其组合使用，以期达到更优的过滤效果。

砂石过滤器依靠罐体内部一层层滤料介质对水中杂质进行过滤。水流从进水口流进罐体后，水中有机、无机杂质都可以在机械筛滤、沉淀和接触絮凝的作用下被截留，反冲洗时滤层及滤料孔隙中的污物受水流的浮曳力和剪力等作用排出[1]。网式过滤器的主要过滤元件是滤网，滤网会截留水中大于其孔径的杂质颗粒，而随着滤网上的杂质不断聚集形成滤饼，更细小的颗粒则被滤饼拦截，直至滤网堵塞[2]。叠片式过滤器内部具有两面带凹槽的叠片，过滤时叠片在弹簧和水流作用下被紧实地压成柱体，柱体内部形成数条直径逐渐变小的槽沟，大于槽沟内部最小截面直径的颗粒杂质被拦截，随后杂质聚集截留更小的杂质。到达一定压差或时间时，改变流动方向的水流使得弹簧收紧，叠片松开进行反冲洗，附着在叠片上的颗粒杂质在水流剪切力的作用下随水流流出排污管[3]。离心式过滤器中水流会在其内部形成漩涡，由此产生的离心力可以分离清水和污物，清水随着外旋流螺旋向上流向出水口被带出，比重大的污物随内旋流螺旋向下进入下部的储砂罐。

2 滴灌用过滤装置研究进展

2.1 砂石过滤器

对于砂石过滤器，学者们多通过试验方法，以滤后水的浊度、沙颗粒质量浓度及沙颗粒粒径为考察指标，研究砂石过滤器的过滤效率[4, 5]，探讨浑水质量分数[6]、过滤速度[7]和砂石滤料滤层厚度[8]等影响因素对过滤效果的影响成因及影响程度。与此同时，由于水头损失会影响过滤器的耗水耗能和过滤效率，也是学者们研究的重要内容[9]。Arbat[10]数值模拟显示，84.6%的水头损失来自滤料，11%的水头损失来自滤帽和多孔板，4.4%的水头损失是进、出水管造成的。还有学者采用滤层内流体方程，如半经验的欧根方程，来计算和预测水头损失。他们假设滤层由许多平行细管组成，视过滤介质为规则球体，通过确定过滤介质的物理参数，如有效直径和孔隙度等，计算水头损失[11]。由于流体方程中物理参数取值具有不准确性，又有学者引入了量纲分析方法[12-14]，将水头损失影响因素，如过滤面积、流速、过滤水量、总悬浮固体颗粒(TSS)、原水颗粒平均直径、原水密度等，分成若干个无量纲群，建立数学方程来计算过滤器水头损失。相较于传统试验得出水头损失的方式，方程计算更方便快捷，具有一定的参考价值。砂石过滤器水头损失出现骤增前需要进行反冲洗，由于反冲洗过程的复杂性，目前国内对其反冲洗机理的研究还较少。李景海通过试验和数值模拟，指出反冲洗速度对反冲洗压降和滤层密度的影响[15]，并依据反冲洗时滤层水的体积分数变化规律来确定反冲洗效果最优的反冲洗速度[16]。

在研发方面，砂石过滤器集中在滤料改进上，早期采用的分级滤料在过滤和反冲洗时会发生水力分级现象，随后引进了均质滤料，研究认为其可在更大程度上减少堵塞，从而过滤时间更长，过滤效果更好。出于降低造价，目前玻璃滤料成为研究热点。玻璃滤料过滤第一阶段以拦截作用为主，第二阶段拦截和吸附共同作用[17]。但玻璃滤料的研究应用还有待深入。Horan[18]、Soyer[19]试验显示玻璃滤料在相同时间内比砂石滤料多过滤10%的水量，清洁压降和堵塞水头损失更低； Soyer[20]另有试验显示碎玻璃、砂石分别与无烟煤组合的双层滤料过滤性能相当；而Bové[21]使用直径在0.63～1.50 mm之间的四种不同滤料，试验得出水头损失最小的是石英砂，其次是粉碎回收玻璃颗粒、改性玻璃颗粒、微玻璃球体。

在结构优化上，不少学者针对滤帽进行改进[22, 23]。Bové在滤帽顶部布置槽，周围放置粗颗粒滤料并增加滤帽出口管道截面面积[24]，试验和模拟表明其结构可以有效降低水头损失[25]。但Arbat[10]却认为顶部滤槽设计会增加反冲洗频率，导致能量损失更大。

2.2 网式过滤器

对于网式过滤器，学者们通过理论分析构建了网式过滤器水头损失计算模型[26, 27]，他们将影响网式过滤器过滤效率的参数，如过滤水平、总过滤面积、流量、总沙浓度、过滤时间、出入口管道直径、水流流速、沙颗粒的平均直径、水的黏度和水密度等水头损失影响因子划分成几个无量纲组建立水头损失方程，并通过试验数据调整参数得到方程。这样依据不同试验条件研究者们会得出不同的方程，因此数学方程计算水头损失的方式虽简单高效，但适应条件各不相同。也有不少学者通过试验方法研究网式过滤器堵塞，如堵塞成因、堵塞与水头损失间的关系等[28, 29]。近年来，学者们纷纷利用CFD数值模拟技术模拟网式过滤器过滤时的内部水流流态[30-32]。陶洪飞[33]首先对比三种紊流模型模拟结果选择出最优模型，并依此分析卧式网式过滤器的流场，指出滤网内外流速沿筒身方向分布不均，且出水管与罐体衔接处会形成“Y”型紊乱区，增加了水头损失，降低了过滤效率。喻黎明[34,35]模拟Y型过滤器内部水流流态、沙粒运动轨迹及其分布，认为滤网内部水流流态与沙颗粒粒径影响沙粒在滤网上的沉积位置和堵塞程度，建议增大进口侧上端的过水面积，降低进口流速，使颗粒均匀分布，获得更大的过滤效率。可以看出，CFD数值模拟技术可以模拟并呈现流体在滤网各部位的运动情况和场的分布情况，针对流量、流速和压强分布不均的地方分析成因，进行优化，获得更优的过滤器结构。

随着灌溉自动化的需求不断提升，在网式过滤器的研发上，学者们也关注着自清洗网式过滤器[36, 37]。宗全利[38]通过对80目和120目网式过滤器排污压差的理论计算和试验验证，探讨了含沙量、流量和过滤时间对过滤压差的影响，得到了保证水头损失曲线不出现激增时的最佳排污压差，认为80目的过滤器为6 m，120目的过滤器为7 m。实际大田过滤器前设有沉沙池，进入过滤器的水颗粒粒径实际偏小，设置压差时也应当比理论值小。也有学者通过试验分析了排污效果最好的自清洗时间[39]。此外，宗全利[40]对吸式网式过滤器自清洗过程进行数值模拟，结果显示位于最上面的吸嘴流速最大，压强最小，提出可通过调整吸嘴位置和增加吸嘴个数提高自清洗效率。全自动鱼雷网式过滤器是一种新型低压排沙过滤器，目前正被推广应用于新疆滴灌系统。阿力甫江·阿不里米提[41, 42]通过模拟鱼雷网式过滤器内部流场，指出高速的进水口和低速的出水口使得滤网堵塞不均，而更多的过滤器水力特性如最佳排污压差等还需进一步研究。

2.3 叠片式过滤器

叠片式过滤器过滤时紧压的叠片间形成沟槽，整个过滤元件可视为多层滤网复合过滤器，过滤精度由沟槽的最小断面圆直径决定，但目前与叠片尺寸的关系还未有统一标准[43]。Duran-Ros[44]将网式、叠片式及网式叠片式组合三个过滤系统分别在300和500 kPa压力下进行过滤和反冲洗试验，结果表明3个过滤系统滤后水浊度、颗粒浓度和TSS没有显著区别，但叠片式过滤器反冲洗消耗水量更多；秦天云[45]通过试验指出叠片式过滤器过滤效果优于网式过滤器，但其复杂的流道结构使得水头损失更高。此外，Vedat DEMiR[46]对Y型、L型和LT型的金属叠片式过滤器进行水力性能比较，认为Y型水头损失更大，耗能更多，曲线型槽沟过滤时水头损失低于直线型槽沟。还有学者[47, 48]利用量纲分析建立水头损失方程，通过水力性能试验验证方程，并依此给出过滤器设计优化方案如增加进出口管道内径等。目前，利用数值模拟技术模拟叠片式过滤器内部水流还有一定困难，李楠[49]在模拟时简化为两片叠片结构，得出断面形状为底角接近 π/2 的等腰三角形时水头损失最小；但李浩[50]认为单片或多片叠片结构模拟出的水流不能完全反映整个过滤器的实际流动规律，进行全流场模拟后指出过滤器的安装角度对水头损失也有影响。

在对叠片式过滤器的研发主要集中在叠片的改进上，通过改变叠片几何形状，优化流道结构。崔春亮[51]改变单片叠片的沟槽形状和“V”型角度研发的叠片式过滤器精度高、水力性能好；崔瑞[52]设计的叠片结构可形成过滤精度为60目和120目的复合流道，并指出含复合流道的叠片较120目的含普通直线型流道叠片水头损失更小；杨培岭[53]采用分形理论设计出带有分形流道和缓冲槽的叠片，试验表明这种过滤器泥沙拦截能力和堵塞均匀度都优于普通叠片式过滤器。

2.4 离心式过滤器

离心式过滤器利用不同比重的清水和颗粒杂质会在离心作用下分离的原理完成过滤，不仅在农业上，而且在矿物、化学及环保领域得到广泛应用[54]。研究表明决定离心式过滤器过滤效果的关键是原水杂质特性以及离心作用的大小。一般认为原水中颗粒杂质粒径越大，分离效率越高[55]。Mailapalli[56]通过试验研究发现过滤前期含高浓度悬浮颗粒的水杂质分离效果更好，但后期过滤效率与悬浮液浓度无关。针对离心式过滤器的结构优化，Yurdem[57]通过模拟指出增加流速会提高离心力，但水头损失会更大，建议增大进、出水口的管道直径来减少水头损失；崔瑞[58]通过将离心式过滤器筒身锥形部分改为柱形提高离心力，认为改进后的过滤器水头损失低，除沙率高；Hwang[59]设计出不同导流环结构并对其进行数值模拟，得出锥形导流环更有助于清水与杂质颗粒分离。

2.5 组合过滤器

在实际应用中，往往将不同过滤器组合在一起使用，以期达到更优的过滤效果。有的学者[60-62]通过试验对比了组合过滤器与单个过滤器的滤后水浊度和水头损失，指出组合过滤器过滤性能更优。叶成恒[63]试验表明，相同流量下的离心式叠片式组合过滤装置较离心式网式组合分离粒径更均匀，但局部水头损失更大，耗能更多。

为减少组合过滤装置中管道等附属结构引起的水头损失，也有学者将两种过滤器设计为一体式装置进行研究。李振成[64]研究发现与普通离心式网式组合过滤装置沙粒运移规律不同的是，一体式过滤器只有一部分沙粒因重力作用而自然沉降，另一部分会因强作用的浮力和挟持力随水流运动至滤网进行二次过滤，建议降低筛网高度达到更优的过滤效果。谢崇宝[65]研发设计了一种上下复合型砂石—滤网集成式过滤器，两个滤料区分别布置在上、下部的中空壳体中，下部滤料区下安装一张完整滤网，两个壳体之间用法兰连接，整个结构具有体积小、成本低的特点；具有异曲同工之妙的是，杨培岭[66]将相互垂直的四个筛网置于砂石罐体内部，设计出新的一体式过滤装置，利用CFD数值模拟技术分析流场后发现一体式过滤装置能够减少38.5%的水头损失，其水力性能更优，过滤效果更好，运行时间更长。

3 存在问题与发展趋势

由上可知，为研究提高滴灌用过滤器的过滤效率，学者们采用理论分析、试验和数值模拟等方法对过滤器的结构和性能进行了大量研究，在过滤器研究研发方面已有诸多成果，这促进了滴灌用过滤器的研发、生产和应用，但就目前来看尚存在如下问题：

过滤器的抗堵塞性能和自清洗功能仍有待进一步优化，如何在保证过滤器过滤效果的同时，不产生过大的水头损失，如何在提高过滤器自清洗效率的同时不造成过多的能源浪费，以上问题都需要进一步研究。在研发方面，无论是砂石过滤器滤料对水流特性的影响及其内部滤帽结构的改进，还是叠片式过滤器的叠片凹槽结构设计等都存在瓶颈，需要更多的理论支撑。此外，将工业应用的过滤器引进到农业灌溉时，如离心式过滤器，需要深入探究其适用差异，进行针对性改进。在实际应用中，不同地区的水源不同，微灌系统也大多是分级过滤，而过滤器的研究主要是单一进行的，没有结合不同地域和不同微灌系统的应用要求进行运行模式的探讨。因此，在下一步的研究中，针对单个过滤器，可进一步对结构和性能进行创新性研究，同时，也需要结合不同地区和微灌系统要求，研究微灌系统中分级过滤的多个过滤器的运行模式。

在研究方法上，国内大多采用试验方法来探讨过滤器水头损失及其影响因素，近年来，部分学者采用CFD模拟技术手段深入研究过滤器内部水流特性，找到过滤器水头损失高的原因，并依此给出结构改进的建议。但此类研究较少，可能是因为过滤器内部水流流态复杂，不易模拟精确，如叠片式过滤器在模拟时简化为两片叠片模型，模拟得出的水流特性无法完全代表整个过滤器内部水流；同时研究沙粒堵塞时需结合沙粒的运移规律，更是加大了研究难度。与此同时，国内少有学者利用量纲分析法分析水头损失与其影响因素之间的关系函数，其原因也许是学科交叉，需引入数学和物理等相关专业知识，研究有一定难度。此外，杨培岭团队利用分形理论对叠片式过滤器内部构造的分析也提供了另一种研究思路。由此，研究技术手段还有待进一步提高，这或许是未来过滤器研究能够有所突破的关键。

从过滤器市场来看，国外过滤产品水头损失小，过滤效果好，使用寿命长，自动化和创新程度高，生产工艺远高于国内的过滤器。但其适用特点、运行模式和昂贵的价格在一定程度上不能适应国内国情，因此，怎样在改进国内过滤器结构提高过滤效率的基础上，提高生产工艺，促进产学研深度融合，研究和生产达到国外产品水准和适应我国国情的过滤器是未来研究的重要任务之一。

4 结 语

总之，滴灌过滤装置的最终目的是有效地去除杂质防止灌水器堵塞。因此，需要通过行之有效的方法提高过滤效率，同时为保障系统合理运行，优化结构、节水节能、实现自动化和智能化也一直是过滤器研究研发的重要内容。因此，应该综合运用理论、试验模拟等手段对不同种类过滤器深入研究，同时对接生产实际，因地制宜地选用过滤装置。