世界唯一水下博物館中的循環(huán)水凈化工藝

小知識：“白鶴繞梁留勝跡，石魚出水兆豐年”，這句流傳已久的詩句是涪陵近現(xiàn)代書畫名人劉鏡源所作，而它寓意的正是位于重慶市涪陵區(qū)蜚聲中外的水下博物館——白鶴梁。

白鶴梁是一塊因造山運動而形成的巨石，長約1600米，寬約15米，位于重慶市涪陵城北長江江心，因早年常有白鶴群集而得名。大約1200多年前，聰明的先輩們通過觀察長江水位得出了一條規(guī)律——白鶴梁上的雙鯉石魚題刻一旦露出水面，表示枯水周期已過，豐收年景將至，接下來的一年將會雨水充沛，五谷豐登。

他們便在石梁上畫魚刻字，記錄水位，發(fā)現(xiàn)了“三五年一小枯，十年一大枯，六百年一極枯”的規(guī)律。這個極具水文價值的記錄因完整、準確、延續(xù)時間長及少有的枯水記錄等特點，使得白鶴梁被聯(lián)合國教科文組織譽為“保存完好的世界唯一古代水文站”，成為研究長江流域乃至世界氣候變遷的極其重要的水文資料寶庫。

1200多年以來，白鶴梁上的眾多題刻歷經(jīng)日曬雨淋、江水沖刷，自上世紀九十年代三峽水庫建立后，因水位抬高，使這塊數(shù)千年的巨大石梁不得不沉入水底。當?shù)卣疄榱吮Ｗo文物，特地為它修建了水下博物館，使得大家可以在水下透過厚厚的玻璃舷窗繼續(xù)欣賞這些先輩們留下的人文景觀。

“白鶴梁水下博物館”的落成，標志著世界上規(guī)模最大的水下題刻保護工程建成，從此我國擁有了世界上第一座水下博物館。白鶴梁題刻采用“無壓容器”原址保護原理，在白鶴梁題刻上修建橢圓狀保護罩體，罩體水容量為3800m³。三峽庫區(qū)蓄水位升至175m時，保護體將承受近40m水頭的巨大壓力差，因此罩體內(nèi)設(shè)專門的平壓循環(huán)水系統(tǒng)，通過系統(tǒng)對保護體內(nèi)的水質(zhì)進行凈化處理，并通過調(diào)節(jié)壓差，使殼體內(nèi)外壓力盡量接近一致，確保保護體結(jié)構(gòu)及文物安全。

循環(huán)水系統(tǒng)具有平壓和凈化兩大功能，是實現(xiàn)“無壓容器”構(gòu)想的基本保證?！捌綁骸笔遣粩嘞虮Ｗo體補充水源，使保護體內(nèi)外壓差控制在±10kPa范圍內(nèi)，維持內(nèi)外壓力平衡?！皟艋笔菍⒈Ｗo體內(nèi)的水抽出，經(jīng)循環(huán)系統(tǒng)不斷凈化后，重新注入保護體內(nèi)，使保護體內(nèi)水質(zhì)清澈透明，要求保護體內(nèi)水的濁度lt;1.0NTU，保證題刻的觀賞效果。系統(tǒng)在設(shè)計、建設(shè)及運行階段無類似工程經(jīng)驗作為借鑒，實際運行中出現(xiàn)保護體內(nèi)水體透明度不定期變差，藻類大量繁殖，題刻表面生物膜滋生，水耗量大等問題，直接影響題刻的觀賞效果和保護，并在一定程度上威脅保護體安全。因此，對原循環(huán)水系統(tǒng)進行技術(shù)改造，使保護體內(nèi)水質(zhì)改善，讓觀眾能夠更好地觀賞到題刻原址，享受白鶴梁水下文化歷史的美妙體驗，確保白鶴梁水下博物館正常開放尤顯迫切。

1 原循環(huán)水系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)及存在的問題

1.1 原循環(huán)水系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

原循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計了水處理和循環(huán)處理兩部分，系統(tǒng)從地面陳列館通往江水下的廊道，由分別設(shè)置在兩條交通廊道內(nèi)的循環(huán)水管與無壓容器殼體和岸上的凈水設(shè)備連接組成。循環(huán)水系統(tǒng)使水下保護體成為一個特殊的無壓容器，其工藝流程如圖1所示。

原循環(huán)水系統(tǒng)利用坡形交通廊道作為取水設(shè)施，分別在兩個廊道高程138.00、142.20、151.00、155.00m處各設(shè)置取水管，在取水管道或循環(huán)水管道上設(shè)置加壓泵(a、b、c、d或e、f)，分別抽取長江原水或保護體內(nèi)水質(zhì)變差的水，送至岸上水處理系統(tǒng)進行處理，制取的合格清水進入保護體對水進行更替。原循環(huán)水系統(tǒng)由分別設(shè)置在兩條交通廊道內(nèi)的DN300循環(huán)水管道與保護穹體連接組成，并在高程為138.00m處各安裝兩臺專用過濾器與長江水相通，保護穹體內(nèi)的水體與長江水體形成一個“連通器”，以保證穹體內(nèi)外的水壓自動平衡。

在循環(huán)水管道上的加壓泵抽取長江原水或保護體內(nèi)的水送至地面陳列館上的兩臺￠2800豎流沉淀池內(nèi)(凈化量為25m³/h)進行懸浮顆粒物的初次沉降，水體靜止時間約0.50h；出水到集絮凝、沉淀、過濾等功能為一體的全自動凈水器，進行二次凈化處理；投加PAC藥劑后進入中間水箱(高為2.5m，平面尺寸為15m×4m)；由地面水泵升壓至磁化器，將水體除垢、殺菌、滅藻后送到活性炭吸附過濾器；循環(huán)水系統(tǒng)使用了兩臺￠2800活性炭罐，壓力≤0.60MPa，出水量在55～65m³/h，活性炭可以對之前處理過程中未能去除的余氯進行吸附，降低余氯對后級設(shè)備的破壞，同時吸附水中有機物、膠體等較難去除的細小顆粒物；精密過濾器采用兩個圓柱形殼體微孔濾芯過濾器，每臺放置孔徑為1μm的濾芯69支(長為1m，直徑為60mm)，共138支。最后出水經(jīng)過濾，可去除水體中直徑gt;1μm的微粒和細菌，同時去除上一級破損的活性炭粉末，進一步降低水體濁度，然后到末端水箱待用。水處理流程如圖2所示。

1.2 原循環(huán)水系統(tǒng)存在的問題

白鶴梁水下博物館2009年5月建成開放僅3d，就因水質(zhì)不清無法觀賞題刻停止開放，經(jīng)過近一年的閉館治理，2010年4月重新對外開放，循環(huán)系統(tǒng)依然存在以下問題：

(1) 抽取的原江水濁度變化大，水質(zhì)較差，經(jīng)岸上水處理的成本高，最初為提升題刻的觀賞效果，以直接大量注入自來水的方式對保護體內(nèi)水進行更替，最高注水量達120m³/h，水耗量巨大。

(2) 題刻保護體內(nèi)的水質(zhì)出現(xiàn)了周期性地惡化。水體惡化表現(xiàn)在：水中藻類大量繁殖，題刻表面生物膜滋生。對石刻的外觀造成嚴重影響，并且隨著藻類和微生物腐蝕產(chǎn)生，白鶴梁題刻的保存年限受到威脅。

(3) 循環(huán)水出水水質(zhì)無法滿足題刻觀賞要求。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示保護體內(nèi)TN含量為0.36～2.26mg /L，TP含量為0.022～1.34mg /L，已達到水體富營養(yǎng)化所需濃度，營養(yǎng)元素Fe、Mn、Zn含量在0.17～0.29mg /L，0.010～0.017mg /L、0.015～0.058mg /L，對藻類生長會產(chǎn)生促進作用。

(4) 循環(huán)水系統(tǒng)中PAC等藥劑投加在過濾器前段，受運行管理等因素影響，微絮體有可能穿透過濾系統(tǒng)進入保護體，對保護體內(nèi)水體透明度產(chǎn)生影響。

2 循環(huán)水系統(tǒng)改進措施

2.1 補水方式改變

一是由于外江水全年濁度大，水質(zhì)較差，水處理成本高，將抽取長江原水閥門進行遠期關(guān)閉，即短時間內(nèi)不會以抽取原江水的方式對保護體水進行更換，通過自來水補水及抽取保護體內(nèi)水進行循環(huán)處理。二是由以前末端水箱直接補充自來水改為自中間水箱蓄積，活性炭及精密器處理后再注入保護體內(nèi)，并在保護體進水口安裝了MICR0200BW型在線濁度儀(測量范圍：0～10NTU)，對進水濁度進行實時監(jiān)測，確保水質(zhì)質(zhì)量和觀賞效果。三是工作人員根據(jù)白鶴梁上游寸灘水文站監(jiān)測的長江水位高程和水流速度適時調(diào)整補水量，不再是盲目地以最大補水量補水。四是對所有凈化單元進行遮光處理，減少藻類的生長條件。同時取消原有的加藥裝置，減少保護體內(nèi)的微絮體及化學藥劑對題刻可能存在的影響。

2.2 增設(shè)自動補水、缺水預警裝置

白鶴梁保護體與涪陵長江段實際上是一個連通器，保護體、長江水位的高低決定水的流向，為防止因保護體缺水或人為忽視導致江水進入保護體內(nèi)，自2012年白鶴梁與科研單位合作開展課題研究，設(shè)置了循環(huán)水自動補水裝置及缺水預警裝置。自動補水裝置由液位傳感器1、液位傳感器2、一體化PLC、電動閥門組成。缺水預警裝置由液位傳感器1、液位傳感器2、一體化PLC、訊響器組成。其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

補水裝置是將液位電信號傳遞給PLC，由PLC發(fā)出指令，控制電動閥門的開度，根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)與設(shè)定的數(shù)據(jù)作比較，形成一個閉環(huán)控制，設(shè)定量與反饋量產(chǎn)生一個偏差信號，偏差信號就是控制電動閥門的控制信號，從而控制補水量。

缺水預警是將液位電信號傳遞給PLC，由PLC經(jīng)過運算發(fā)出指令，控制訊響器，根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)與設(shè)定預警的數(shù)據(jù)作比較，形成一個閉環(huán)控制，設(shè)定預警值與反饋量產(chǎn)生一個偏差信號，偏差信號大于一定值時控制訊響器發(fā)聲，提前告知值班設(shè)備人員，并采取人工干預等措施，在告知無效的情況下控制循環(huán)水泵停止，讓保護體水體處于一種相對靜止的狀態(tài)。這一裝置的使用，使保護水體清晰度可控逐漸成為可能，為節(jié)能減耗開創(chuàng)條件，實現(xiàn)無壓力容器的構(gòu)想。

3 結(jié)果分析

3.1 江水與保護體內(nèi)水濁度變化分析

2010年～2012年期間，重慶大學對白鶴梁題刻水環(huán)境監(jiān)測發(fā)現(xiàn)保護體內(nèi)水質(zhì)與江水水質(zhì)變化呈顯著相關(guān)，江水越渾濁，保護體內(nèi)水就越渾濁。但由圖4可知，經(jīng)循環(huán)水系統(tǒng)處理后，保護體內(nèi)水質(zhì)濁度明顯低于外江水，且外江水對保護體內(nèi)水無明顯影響。尤其是外江水受三峽庫區(qū)蓄水及季節(jié)影響，每年七八月份江水濁度較高，而保護體內(nèi)水在該時間段濁度并未受其影響。自2012年10月監(jiān)測以來，濁度呈逐年下降趨勢，尤其在2013年12月將精密過濾器濾芯孔徑由5μm更換為1μm后，保護體內(nèi)濁度明顯降低，且基本保持穩(wěn)定，均lt;1NTU，確保了題刻的觀賞效果。

3.2 江水與保護體內(nèi)水TN、TP變化分析

由于條件限制，白鶴梁水下博物館運行期間未對保護體內(nèi)藻類數(shù)量進行直接監(jiān)測，而是通過TN、TP等富營養(yǎng)化間接指標來表述與水質(zhì)關(guān)系。如圖5所示，在2012年至2013年初，保護體內(nèi)TN濃度略低于江水，且變化趨勢與江水比較一致。在2013年后期開始與江水變化趨勢有一定相似但TN濃度卻明顯低于江水，說明實施改進措施后，循環(huán)水與江水隔離，使保護體內(nèi)TN含量降低。但保護體內(nèi)TN含量大部分為Ⅱ類～Ⅳ類水質(zhì)標準，仍具備藻類繁殖的條件。

藻類的生產(chǎn)量主要取決于水體中磷的供應量。如圖5所示，保護體內(nèi)TP含量波動較大，測定值為0.014～0.070mg /L，改進措施后部分時間段TP含量出現(xiàn)累積，說明藻類的生產(chǎn)量降低，對保護體內(nèi)磷的吸收減少。

3.3 保護體內(nèi)Chl-a變化分析

葉綠素a(Chl-a)通常作為直接反應水體藻類生長程度的主要指標，其濃度即為水體中綠色物質(zhì)含量。由圖6可知，在2012年12月循環(huán)水改進完成后，保護體內(nèi)Chl-a含量并沒有立即降低，而是自2013年4開始出現(xiàn)大幅下降，之后的測定值在0.38～1.44mg /L，表明循環(huán)水改進措施后保護體內(nèi)藻類生長得到有效抑制。圖7為改進措施前后，潛水員清洗保護體后一個月藻類生長對比圖。

3.4 保護體內(nèi)生物膜生長狀況

由于原循環(huán)系統(tǒng)處理出水水質(zhì)不高，光照條件、泥沙沉積等條件利于細菌、藻類等原生動物及后生動物的生長。此外每年3月份左右，為三峽庫區(qū)落水季節(jié)，重慶地區(qū)長江流域均會出現(xiàn)典型的春季“桃花水”，其原水水質(zhì)復雜，腐殖質(zhì)類有機物含量高，特別利于題刻水環(huán)境中微生物的生長。由圖8可知，原本潔凈的石刻上面多了一層黃褐色的生物膜。刮取其附著物，在顯微鏡下進行觀察(圖9)：附著物呈松散的狀態(tài)，顏色主要有黃褐色和黑色，同時還觀察到在附著物的附近有大量輪蟲活動。在掃描電鏡下觀察附著在題刻表面的生物膜，微生物緊密地排列在污泥上，且種類比較單一，如圖10所示。

當水環(huán)境中養(yǎng)分充足時，水環(huán)境中的原生生物及后生生物以附著在題刻上，不僅對石刻的外觀造成嚴重影響，并且隨著微生物腐蝕產(chǎn)生，題刻的保存年限將受到威脅。

3.5 保護體內(nèi)可觀察窗口數(shù)變化

白鶴梁題刻水下參觀廊道有一個可觀察保護體內(nèi)全景及其他可見窗口數(shù)的觀察窗(圖11)，通過肉眼直接觀察可視窗口數(shù)量，判斷當日水質(zhì)大致情況。如表1所示，從2010年～2015年，可視窗口數(shù)量在8個以上的逐年增加，而在6個以下的呈逐年減小的趨勢。表明循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化改進使得保護體內(nèi)水質(zhì)有了明顯的改善。

3.6 年水耗與水費變化趨勢

如圖12所示，白鶴梁水下博物館年水耗量和水費呈逐年下降的趨勢，尤其在2012年改變補水方式，增加自動補水裝置后，年用水量較2011年降低了近14萬t，年水費減少了近1倍。主要原因是保護體與江水連通時，有大量江水進入，為保持題刻觀賞，盲目地以最大補水量進行補水，造成大量補水外流。而關(guān)閉外江通道，改進循環(huán)水系統(tǒng)，有效降低了年用水量。2015年較2014年水耗略有上升，是因為2014年在白鶴梁水下廊道參觀玻璃更換工程，進行了較長時間的閉館。在2015年4月底項目完成后，博物館一直正常對外開放。

4 結(jié)語

將循環(huán)水凈化技術(shù)應用于白鶴梁題刻的保護及展示是一項創(chuàng)造性的工作，它的設(shè)計、建造以及運行沒有類似的工程可以借鑒，它在保障保護體的安全、水體凈化以及題刻觀賞方面發(fā)揮了重要作用。白鶴梁題刻保護工程完工后安全運行近6年，針對保護體內(nèi)出現(xiàn)的藻類繁殖、生物膜滋生、水體渾濁等問題，循環(huán)水系統(tǒng)進行了不斷的改進和完善。使得保護體內(nèi)水體濁度逐漸降低，藻類和生物膜得到抑制，參觀效果不斷改善，水質(zhì)的各項理化指標不斷優(yōu)化，降低了循環(huán)水系統(tǒng)運行費用并提高保護體的結(jié)構(gòu)安全，保障水下博物館的正常運行，成功實現(xiàn)了在水下近40m建立“無壓容器”的構(gòu)想。