世界唯一水下博物館中的循環水凈化工藝
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，發現了“三五年一小枯，十年一大枯，六百年一極枯”的規律。這個極具水文價值的記錄因完整、準確、延續時間長及少有的枯水記錄等特點，使得白鶴梁被聯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，使這塊數千年的巨大石梁不得不沉入水底。當地政府為了保護文物，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，因此罩體內設專門的平壓循環水系統，通過系統對保護體內的水質進行凈化處理，并通過調節壓差，使殼體內外壓力盡量接近一致，確保保護體結構及文物安全。
循環水系統具有平壓和凈化兩大功能，是實現“無壓容器”構想的基本保證。“平壓”是不斷向保護體補充水源，使保護體內外壓差控制在±10kPa范圍內，維持內外壓力平衡。“凈化”是將保護體內的水抽出，經循環系統不斷凈化后，重新注入保護體內，使保護體內水質清澈透明，要求保護體內水的濁度lt;1.0NTU，保證題刻的觀賞效果。系統在設計、建設及運行階段無類似工程經驗作為借鑒，實際運行中出現保護體內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，對原循環水系統進行技術改造，使保護體內水質改善，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 原循環水系統組成結構及存在的問題
1.1 原循環水系統組成結構
原循環水系統設計了水處理和循環處理兩部分，系統從地面陳列館通往江水下的廊道，由分別設置在兩條交通廊道內的循環水管與無壓容器殼體和岸上的凈水設備連接組成。循環水系統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。
原循環水系統利用坡形交通廊道作為取水設施，分別在兩個廊道高程138.00、142.20、151.00、155.00m處各設置取水管，在取水管道或循環水管道上設置加壓泵(a、b、c、d或e、f)，分別抽取長江原水或保護體內水質變差的水，送至岸上水處理系統進行處理，制取的合格清水進入保護體對水進行更替。原循環水系統由分別設置在兩條交通廊道內的DN300循環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，保護穹體內的水體與長江水體形成一個“連通器”，以保證穹體內外的水壓自動平衡。
在循環水管道上的加壓泵抽取長江原水或保護體內的水送至地面陳列館上的兩臺￠2800豎流沉淀池內(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；循環水系統使用了兩臺￠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 原循環水系統存在的問題
白鶴梁水下博物館2009年5月建成開放僅3d，就因水質不清無法觀賞題刻停止開放，經過近一年的閉館治理，2010年4月重新對外開放，循環系統依然存在以下問題：
(1) 抽取的原江水濁度變化大，水質較差，經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) 題刻保護體內的水質出現了周期性地惡化。水體惡化表現在：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生，白鶴梁題刻的保存年限受到威脅。
(3) 循環水出水水質無法滿足題刻觀賞要求。監測數據顯示保護體內TN含量為0.36～2.26mg /L，TP含量為0.022～1.34mg /L，已達到水體富營養化所需濃度，營養元素Fe、Mn、Zn含量在0.17～0.29mg /L，0.010～0.017mg /L、0.015～0.058mg /L，對藻類生長會產生促進作用。
(4) 循環水系統中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進入保護體，對保護體內水體透明度產生影響。
2 循環水系統改進措施
2.1 補水方式改變
一是由于外江水全年濁度大，水質較差，水處理成本高，將抽取長江原水閥門進行遠期關閉，即短時間內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水進行循環處理。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，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測，確保水質質量和觀賞效果。三是工作人員根據白鶴梁上游寸灘水文站監測的長江水位高程和水流速度適時調整補水量，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，減少保護體內的微絮體及化學藥劑對題刻可能存在的影響。
2.2 增設自動補水、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，自2012年白鶴梁與科研單位合作開展課題研究，設置了循環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。其控制系統結構如圖3所示。
補水裝置是將液位電信號傳遞給PLC，由PLC發出指令，控制電動閥門的開度，根據監測的數據與設定的數據作比較，形成一個閉環控制，設定量與反饋量產生一個偏差信號，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經過運算發出指令，控制訊響器，根據監測的數據與設定預警的數據作比較，形成一個閉環控制，設定預警值與反饋量產生一個偏差信號，偏差信號大于一定值時控制訊響器發聲，提前告知值班設備人員，并采取人工干預等措施，在告知無效的情況下控制循環水泵停止，讓保護體水體處于一種相對靜止的狀態。這一裝置的使用，使保護水體清晰度可控逐漸成為可能，為節能減耗開創條件，實現無壓力容器的構想。
3 結果分析
3.1 江水與保護體內水濁度變化分析
2010年～2012年期間，重慶大學對白鶴梁題刻水環境監測發現保護體內水質與江水水質變化呈顯著相關，江水越渾濁，保護體內水就越渾濁。但由圖4可知，經循環水系統處理后，保護體內水質濁度明顯低于外江水，且外江水對保護體內水無明顯影響。尤其是外江水受三峽庫區蓄水及季節影響，每年七八月份江水濁度較高，而保護體內水在該時間段濁度并未受其影響。自2012年10月監測以來，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，保護體內濁度明顯降低，且基本保持穩定，均lt;1NTU，確保了題刻的觀賞效果。
3.2 江水與保護體內水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藻類數量進行直接監測，而是通過TN、TP等富營養化間接指標來表述與水質關系。如圖5所示，在2012年至2013年初，保護體內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，循環水與江水隔離，使保護體內TN含量降低。但保護體內TN含量大部分為Ⅱ類～Ⅳ類水質標準，仍具備藻類繁殖的條件。
藻類的生產量主要取決于水體中磷的供應量。如圖5所示，保護體內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含量出現累積，說明藻類的生產量降低，對保護體內磷的吸收減少。
3.3 保護體內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含量。由圖6可知，在2012年12月循環水改進完成后，保護體內Chl-a含量并沒有立即降低，而是自2013年4開始出現大幅下降，之后的測定值在0.38～1.44mg /L，表明循環水改進措施后保護體內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 保護體內生物膜生長狀況
由于原循環系統處理出水水質不高，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，為三峽庫區落水季節，重慶地區長江流域均會出現典型的春季“桃花水”，其原水水質復雜，腐殖質類有機物含量高，特別利于題刻水環境中微生物的生長。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，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。
當水環境中養分充足時，水環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生，題刻的保存年限將受到威脅。
3.5 保護體內可觀察窗口數變化
白鶴梁題刻水下參觀廊道有一個可觀察保護體內全景及其他可見窗口數的觀察窗(圖11)，通過肉眼直接觀察可視窗口數量，判斷當日水質大致情況。如表1所示，從2010年～2015年，可視窗口數量在8個以上的逐年增加，而在6個以下的呈逐年減小的趨勢。表明循環水系統的優化改進使得保護體內水質有了明顯的改善。
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。而關閉外江通道，改進循環水系統，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 結語
將循環水凈化技術應用于白鶴梁題刻的保護及展示是一項創造性的工作，它的設計、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，針對保護體內出現的藻類繁殖、生物膜滋生、水體渾濁等問題，循環水系統進行了不斷的改進和完善。使得保護體內水體濁度逐漸降低，藻類和生物膜得到抑制，參觀效果不斷改善，水質的各項理化指標不斷優化，降低了循環水系統運行費用并提高保護體的結構安全，保障水下博物館的正常運行，成功實現了在水下近40m建立“無壓容器”的構想。
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