摘 要:为解决传统微灌系统中使用的各种过滤装置孔口堵塞及水头损失较大这一问题,设计了几种不同截面型式的开敞式滤网过滤器,其结构有箱式、圆柱体式及棱柱体式三种型式,并分别对其进行水力性能测试。测试结果表明:额定流量为2 m³/h时,以圆柱体式结构的滤网过滤器水头损失为最小(7. 95 cm);额定流量为5 m³/h时,以箱形结构的滤网过滤器水头损失为最小(16. 93cm),两者均满足水头损失在30 cm以下的要求。实践应用结果表明,优选的两种开敞式滤网过滤器具有过滤效果好、水头损失小等优点,对于减缓灌水器堵塞、延长系统寿命发挥了重要作用,是适于低水头微灌系统的一种较为理想的过滤装置。
关键词:低水头滴灌;开敞式滤网过滤器;微灌系统;水头损失
中图分类号: S275. 6 文献标识码: A 文章编号: 1005-6254(2007)04-0043-03
上世纪九十年代初,山西运城市技术人员应用了一种新的节水技术-地下渗灌(亦称地表下滴灌),它是在塑料管上用锥针之类的打孔器进行人工打孔,然后按一定间距将其埋入土壤一定深度,并利用地头蓄水池中的低水头自压,使水以小孔出流的形式湿润作物根部土壤,以此达到灌溉作物的目的[1, 2]。该项技术应用前期效果很好,节水效果显著,但随着应用期的延长,后期出现了较为严重的灌水器(即孔口)堵塞现象,致使灌水质量严重下降。
大量研究表明,这是由于水源水质不洁而导致的内堵,而蓄水池不封闭,尤其是进水口不设任何过滤设施或过滤设施简陋(大多以双层窗纱做为滤网)是致其堵塞的一个重要原因。为解决这一问题,山西省科委将其列入“九五”科技攻关项目,并委托运城市水科所、中国农业大学等单位承担了这一任务。
笔者旨在通过对低水头过滤器的研究,以提供一种造价低廉、使用方便以及水头损失小的过滤装置,从而促进低水头滴灌技术的发展。
1 研制思路
低水头滴灌(或重力式滴灌)的工作压力一般仅0. 01~0. 03 MPa[3, 4],在传统微灌系统中使用的各种过滤器,如滤网式、叠片式、砂过滤器等,由于采用封闭式装置,在通过额定流量时的水头损失均较大,一般都在1 m以上,因此不适于低水头滴灌系统。
鉴于低水头滴灌工作压力小、流量小的特点,为降低其水头损失,保证系统一定的供水压力,采用网式过滤器比较合适。因而将开敞式滤网过滤器做为研究对象。
2 开敞式滤网过滤器的结构
2. 1 开敞式滤网过滤器的结构型式
根据低水头滴灌系统的特点,共设计了圆形、正方形、正六边形三种不同截面形状的适于低水头滴灌系统使用的开敞式滤网过滤器。
研制的开敞式过滤器由骨架与滤网组成,骨架采用40mm×40mm的3镀锌钢丝网,外面的滤网采用尼龙、不锈钢或铜滤网。滤网用压片和拉铆钉固定于骨架之上。过滤器出口为25~40 mm镀锌钢管。两端面骨架亦采用镀锌钢丝,拉铆钉为3. 2 mm×11 mm铝制铆钉。以上结构除滤网外全部采用镀锌材料,其目的是为了有效提高整个结构的耐锈蚀性和使用寿命,保证过滤器本身不致因锈蚀而造成灌水器堵塞。
根据所设计的截面形状,过滤器的结构型式设计有箱式、圆柱体式及棱柱体式三种,图1为圆柱体式过滤器结构示意图。
2. 2 开敞式滤网过滤器的结构参数
据设计的截面结构型式,共研制了五种过滤器,其结构参数见表1。
3 水力性能测试及结果分析
3. 1 水力性能测试
开敞式过滤器的水力性能测试装置如图2所示。该测试系统由补水管、水池、过滤器、测压管、控制阀门、离心泵及量水堰等组成。其中流量由量水堰测量;水头损失则由设于水池之上的测压管1与设于出水管之上的测压管2间的水头损失之差并减去出口弯头至测压管间的沿程和局部水头损失计算而得。
3. 2 测试结果与分析
表2为根据试验数据以Δh=KQx的形式回归出的过滤器的水头损失与流量之间的函数表达式。
由表1及表2中可以看出:在开敞式过滤器的额定流量相同时,影响过滤器水头损失的主要因素是过滤元件滤网的净面积,即净面积愈大,水头损失愈小。从另一方面分析,过网流速又与其滤网净面积的大小有着直接的关系,两者成一反比例关系(在额定流量相同时)。本试验中,从过网流速上也可分析出其水头损失的变化规律,由于通过滤网水流的水头损失主要为局部水头损失,而局部水头损失的大小又与流速的平方成正比例关系,通过计算各结构型式滤网的过网流速可知, 1#~5#过滤器的过网流速依次为: 0. 003 4, 0. 003 8, 0. 004 9, 0. 006 2和0. 005 8m/s,可以看出, 1#与5#过滤器的过网流速分别是额定流量为2 m³/h及5 m³/h时的最小值,显然,其相应的水头损失亦应为其最低值(虽然出水口直径和过滤器的形状对水头损失也有一些影响,但与过滤网净面积比较,其所占比例不大)。从表2测试的水头损失值中即可看出其结果与以上分析是一致的。
从表2各种不同型式的开敞式过滤器的水力性能参数对比情况可以看出,在额定流量为2 m³/h情况下, 1#过滤器的水头损失为7. 95 cm,明显小于相同流量下2#及3#过滤器的水头损失;在通过额定流量为5 m³/h情况下, 5#过滤器的水头损失为16. 93cm,亦明显小于相同流量情况下4#过滤器的水头损失。1#及5#过滤器的水头损失均小于20 cm,在低水头滴灌系统中使用较为合适。
在实际应用的低水头滴灌系统中,由于系统的工作水头是由容器内具有一定高度的水的重力提供的。经分析,这些水头可以从以下几种途径获得[4]: (1)灌溉地点有渠道或蓄水池,且这些渠道或蓄水池的地形必须高于田间地面一定的高度。(2)当低水头滴灌系统应用于温室或离居民生活区较近的田块时,如用饮用水灌溉,可以用自来水管网的压力为其供水。(3)管灌区发展低水头滴灌,可直接利用管灌管网为低水头滴灌系统供水。(4)已有机井或水池、水窑等水源,可以用扬程较低、能耗较小的水泵把水提到低水头滴灌系统的储水器中。
从以上的几种途径可以看出,提供的水头一般均比较低,这就要求过滤设施的水头损失必须尽可能的小,以保证系统在足够的压力下运行。否则,系统水压过低,不但灌水质量得不到保证,而且系统造价将显著提高。由于低水头滴灌系统的工作压力低,要求过滤器在通过额定流量时的水头损失不能太大,一般应控制在30 cm以下。以上试验中的1#及5#过滤器的水头损失均小于20 cm,符合这一要求,故适于在低水头滴灌系统中作为过滤设备使用。
4 开敞式过滤器在滴灌工程中的应用
低水头滴灌包括低水头地表滴灌与低水头地表下滴灌,上世纪九十年代山西运城市发展的即属于低水头地表下滴灌,亦称地下渗灌。1996年对渗灌工程进行补配套建设时,运城市水科所相继研制出了专用打孔器、过滤器等配套设备,应用表明,安装配套滤网过滤器后,毛管出水孔口的堵塞问题明显改善,因水质不洁而造成的内堵问题(因成孔工艺差而造成孔口塑料体回缩继而导致的堵塞约占总堵塞孔数的53%;因水质不洁而造成的内堵约占总堵塞孔数的35%;因植物根系堵塞的约占总堵塞孔数的8%;因微生物堵塞的约占总堵塞孔数的4% )基本解决。原使用不到3年即发生堵塞的问题,自加设本研究设计的过滤器并配以专用打孔器的成孔工艺后可延缓堵塞约5~10年,从而大大延长了工程的使用寿命。
5 结 语
过滤器是微灌系统中承担灌溉水源水质过滤的关键设备[5]。该滤网过滤器的适时研制为运城市后期低水头滴灌补配套工程的水源水质过滤发挥了重要作用。对于地下滴灌技术而言,由于管道被埋置于地下,其出流孔口(即灌水器)直接面对的是土壤,因而在消除堵塞方面还受到成孔质量、作物根系、土壤质地以及微生物等诸多复杂因素的影响,同时在工程措施上还应充分考虑管道运行过程中的进排气需要以及蓄水池加盖封闭等措施,故应综合考虑,以最大限度地减缓孔口的堵塞时间,延长工程的使用寿命,发挥工程的最大效益。
上海联兵环保科技有限公司
地址：上海市松江区工业区茸北分区茸阳路69号
总机：021-51691929
传真：021-57784244
免费电话：400-600-5030
技术支持：13641659499
E-mail：zhanglianbing@126.com
http://www.shlbhb.com
最近更新