世界唯一水下博物馆中的循环水净化工艺
小知识：“白鹤绕梁留胜迹，石鱼出水兆丰年”，这句流传已久的诗句是涪陵近现代书画名人刘镜源所作，而它寓意的正是位于重庆市涪陵区蜚声中外的水下博物馆——白鹤梁。
白鹤梁是一块因造山运动而形成的巨石，长约1600米，宽约15米，位于重庆市涪陵城北长江江心，因早年常有白鹤群集而得名。大约1200多年前，聪明的先辈们通过观察长江水位得出了一条规律——白鹤梁上的双鲤石鱼题刻一旦露出水面，表示枯水周期已过，丰收年景将至，接下来的一年将会雨水充沛，五谷丰登。
他们便在石梁上画鱼刻字，记录水位，发现了“三五年一小枯，十年一大枯，六百年一极枯”的规律。这个极具水文价值的记录因完整、准确、延续时间长及少有的枯水记录等特点，使得白鹤梁被联合国教科文组织誉为“保存完好的世界唯一古代水文站”，成为研究长江流域乃至世界气候变迁的极其重要的水文资料宝库。
1200多年以来，白鹤梁上的众多题刻历经日晒雨淋、江水冲刷，自上世纪九十年代三峡水库建立后，因水位抬高，使这块数千年的巨大石梁不得不沉入水底。当地政府为了保护文物，特地为它修建了水下博物馆，使得大家可以在水下透过厚厚的玻璃舷窗继续欣赏这些先辈们留下的人文景观。
“白鹤梁水下博物馆”的落成，标志着世界上规模最大的水下题刻保护工程建成，从此我国拥有了世界上第一座水下博物馆。白鹤梁题刻采用“无压容器”原址保护原理，在白鹤梁题刻上修建椭圆状保护罩体，罩体水容量为3800m3。三峡库区蓄水位升至175m时，保护体将承受近40m水头的巨大压力差，因此罩体内设专门的平压循环水系统，通过系统对保护体内的水质进行净化处理，并通过调节压差，使壳体内外压力尽量接近一致，确保保护体结构及文物安全。
循环水系统具有平压和净化两大功能，是实现“无压容器”构想的基本保证。“平压”是不断向保护体补充水源，使保护体内外压差控制在±10kPa范围内，维持内外压力平衡。“净化”是将保护体内的水抽出，经循环系统不断净化后，重新注入保护体内，使保护体内水质清澈透明，要求保护体内水的浊度lt;1.0NTU，保证题刻的观赏效果。系统在设计、建设及运行阶段无类似工程经验作为借鉴，实际运行中出现保护体内水体透明度不定期变差，藻类大量繁殖，题刻表面生物膜滋生，水耗量大等问题，直接影响题刻的观赏效果和保护，并在一定程度上威胁保护体安全。因此，对原循环水系统进行技术改造，使保护体内水质改善，让观众能够更好地观赏到题刻原址，享受白鹤梁水下文化历史的美妙体验，确保白鹤梁水下博物馆正常开放尤显迫切。
1 原循环水系统组成结构及存在的问题
1.1 原循环水系统组成结构
原循环水系统设计了水处理和循环处理两部分，系统从地面陈列馆通往江水下的廊道，由分别设置在两条交通廊道内的循环水管与无压容器壳体和岸上的净水设备连接组成。循环水系统使水下保护体成为一个特殊的无压容器，其工艺流程如图1所示。
原循环水系统利用坡形交通廊道作为取水设施，分别在两个廊道高程138.00、142.20、151.00、155.00m处各设置取水管，在取水管道或循环水管道上设置加压泵(a、b、c、d或e、f)，分别抽取长江原水或保护体内水质变差的水，送至岸上水处理系统进行处理，制取的合格清水进入保护体对水进行更替。原循环水系统由分别设置在两条交通廊道内的DN300循环水管道与保护穹体连接组成，并在高程为138.00m处各安装两台专用过滤器与长江水相通，保护穹体内的水体与长江水体形成一个“连通器”，以保证穹体内外的水压自动平衡。
在循环水管道上的加压泵抽取长江原水或保护体内的水送至地面陈列馆上的两台￠2800竖流沉淀池内(净化量为25m3/h)进行悬浮颗粒物的初次沉降，水体静止时间约0.50h；出水到集絮凝、沉淀、过滤等功能为一体的全自动净水器，进行二次净化处理；投加PAC药剂后进入中间水箱(高为2.5m，平面尺寸为15m×4m)；由地面水泵升压至磁化器，将水体除垢、杀菌、灭藻后送到活性炭吸附过滤器；循环水系统使用了两台￠2800活性炭罐，压力≤0.60MPa，出水量在55～65m3/h，活性炭可以对之前处理过程中未能去除的余氯进行吸附，降低余氯对后级设备的破坏，同时吸附水中有机物、胶体等较难去除的细小颗粒物；精密过滤器采用两个圆柱形壳体微孔滤芯过滤器，每台放置孔径为1μm的滤芯69支(长为1m，直径为60mm)，共138支。最后出水经过滤，可去除水体中直径gt;1μm的微粒和细菌，同时去除上一级破损的活性炭粉末，进一步降低水体浊度，然后到末端水箱待用。水处理流程如图2所示。
1.2 原循环水系统存在的问题
白鹤梁水下博物馆2009年5月建成开放仅3d，就因水质不清无法观赏题刻停止开放，经过近一年的闭馆治理，2010年4月重新对外开放，循环系统依然存在以下问题：
(1) 抽取的原江水浊度变化大，水质较差，经岸上水处理的成本高，最初为提升题刻的观赏效果，以直接大量注入自来水的方式对保护体内水进行更替，最高注水量达120m3/h，水耗量巨大。
(2) 题刻保护体内的水质出现了周期性地恶化。水体恶化表现在：水中藻类大量繁殖，题刻表面生物膜滋生。对石刻的外观造成严重影响，并且随着藻类和微生物腐蚀产生，白鹤梁题刻的保存年限受到威胁。
(3) 循环水出水水质无法满足题刻观赏要求。监测数据显示保护体内TN含量为0.36～2.26mg /L，TP含量为0.022～1.34mg /L，已达到水体富营养化所需浓度，营养元素Fe、Mn、Zn含量在0.17～0.29mg /L，0.010～0.017mg /L、0.015～0.058mg /L，对藻类生长会产生促进作用。
(4) 循环水系统中PAC等药剂投加在过滤器前段，受运行管理等因素影响，微絮体有可能穿透过滤系统进入保护体，对保护体内水体透明度产生影响。
2 循环水系统改进措施
2.1 补水方式改变
一是由于外江水全年浊度大，水质较差，水处理成本高，将抽取长江原水阀门进行远期关闭，即短时间内不会以抽取原江水的方式对保护体水进行更换，通过自来水补水及抽取保护体内水进行循环处理。二是由以前末端水箱直接补充自来水改为自中间水箱蓄积，活性炭及精密器处理后再注入保护体内，并在保护体进水口安装了MICR0200BW型在线浊度仪(测量范围：0～10NTU)，对进水浊度进行实时监测，确保水质质量和观赏效果。三是工作人员根据白鹤梁上游寸滩水文站监测的长江水位高程和水流速度适时调整补水量，不再是盲目地以最大补水量补水。四是对所有净化单元进行遮光处理，减少藻类的生长条件。同时取消原有的加药装置，减少保护体内的微絮体及化学药剂对题刻可能存在的影响。
2.2 增设自动补水、缺水预警装置
白鹤梁保护体与涪陵长江段实际上是一个连通器，保护体、长江水位的高低决定水的流向，为防止因保护体缺水或人为忽视导致江水进入保护体内，自2012年白鹤梁与科研单位合作开展课题研究，设置了循环水自动补水装置及缺水预警装置。自动补水装置由液位传感器1、液位传感器2、一体化PLC、电动阀门组成。缺水预警装置由液位传感器1、液位传感器2、一体化PLC、讯响器组成。其控制系统结构如图3所示。
补水装置是将液位电信号传递给PLC，由PLC发出指令，控制电动阀门的开度，根据监测的数据与设定的数据作比较，形成一个闭环控制，设定量与反馈量产生一个偏差信号，偏差信号就是控制电动阀门的控制信号，从而控制补水量。
缺水预警是将液位电信号传递给PLC，由PLC经过运算发出指令，控制讯响器，根据监测的数据与设定预警的数据作比较，形成一个闭环控制，设定预警值与反馈量产生一个偏差信号，偏差信号大于一定值时控制讯响器发声，提前告知值班设备人员，并采取人工干预等措施，在告知无效的情况下控制循环水泵停止，让保护体水体处于一种相对静止的状态。这一装置的使用，使保护水体清晰度可控逐渐成为可能，为节能减耗开创条件，实现无压力容器的构想。
3 结果分析
3.1 江水与保护体内水浊度变化分析
2010年～2012年期间，重庆大学对白鹤梁题刻水环境监测发现保护体内水质与江水水质变化呈显著相关，江水越浑浊，保护体内水就越浑浊。但由图4可知，经循环水系统处理后，保护体内水质浊度明显低于外江水，且外江水对保护体内水无明显影响。尤其是外江水受三峡库区蓄水及季节影响，每年七八月份江水浊度较高，而保护体内水在该时间段浊度并未受其影响。自2012年10月监测以来，浊度呈逐年下降趋势，尤其在2013年12月将精密过滤器滤芯孔径由5μm更换为1μm后，保护体内浊度明显降低，且基本保持稳定，均lt;1NTU，确保了题刻的观赏效果。
3.2 江水与保护体内水TN、TP变化分析
由于条件限制，白鹤梁水下博物馆运行期间未对保护体内藻类数量进行直接监测，而是通过TN、TP等富营养化间接指标来表述与水质关系。如图5所示，在2012年至2013年初，保护体内TN浓度略低于江水，且变化趋势与江水比较一致。在2013年后期开始与江水变化趋势有一定相似但TN浓度却明显低于江水，说明实施改进措施后，循环水与江水隔离，使保护体内TN含量降低。但保护体内TN含量大部分为Ⅱ类～Ⅳ类水质标准，仍具备藻类繁殖的条件。
藻类的生产量主要取决于水体中磷的供应量。如图5所示，保护体内TP含量波动较大，测定值为0.014～0.070mg /L，改进措施后部分时间段TP含量出现累积，说明藻类的生产量降低，对保护体内磷的吸收减少。
3.3 保护体内Chl-a变化分析
叶绿素a(Chl-a)通常作为直接反应水体藻类生长程度的主要指标，其浓度即为水体中绿色物质含量。由图6可知，在2012年12月循环水改进完成后，保护体内Chl-a含量并没有立即降低，而是自2013年4开始出现大幅下降，之后的测定值在0.38～1.44mg /L，表明循环水改进措施后保护体内藻类生长得到有效抑制。图7为改进措施前后，潜水员清洗保护体后一个月藻类生长对比图。
3.4 保护体内生物膜生长状况
由于原循环系统处理出水水质不高，光照条件、泥沙沉积等条件利于细菌、藻类等原生动物及后生动物的生长。此外每年3月份左右，为三峡库区落水季节，重庆地区长江流域均会出现典型的春季“桃花水”，其原水水质复杂，腐殖质类有机物含量高，特别利于题刻水环境中微生物的生长。由图8可知，原本洁净的石刻上面多了一层黄褐色的生物膜。刮取其附着物，在显微镜下进行观察(图9)：附着物呈松散的状态，颜色主要有黄褐色和黑色，同时还观察到在附着物的附近有大量轮虫活动。在扫描电镜下观察附着在题刻表面的生物膜，微生物紧密地排列在污泥上，且种类比较单一，如图10所示。
当水环境中养分充足时，水环境中的原生生物及后生生物以附着在题刻上，不仅对石刻的外观造成严重影响，并且随着微生物腐蚀产生，题刻的保存年限将受到威胁。
3.5 保护体内可观察窗口数变化
白鹤梁题刻水下参观廊道有一个可观察保护体内全景及其他可见窗口数的观察窗(图11)，通过肉眼直接观察可视窗口数量，判断当日水质大致情况。如表1所示，从2010年～2015年，可视窗口数量在8个以上的逐年增加，而在6个以下的呈逐年减小的趋势。表明循环水系统的优化改进使得保护体内水质有了明显的改善。
3.6 年水耗与水费变化趋势
如图12所示，白鹤梁水下博物馆年水耗量和水费呈逐年下降的趋势，尤其在2012年改变补水方式，增加自动补水装置后，年用水量较2011年降低了近14万t，年水费减少了近1倍。主要原因是保护体与江水连通时，有大量江水进入，为保持题刻观赏，盲目地以最大补水量进行补水，造成大量补水外流。而关闭外江通道，改进循环水系统，有效降低了年用水量。2015年较2014年水耗略有上升，是因为2014年在白鹤梁水下廊道参观玻璃更换工程，进行了较长时间的闭馆。在2015年4月底项目完成后，博物馆一直正常对外开放。
4 结语
将循环水净化技术应用于白鹤梁题刻的保护及展示是一项创造性的工作，它的设计、建造以及运行没有类似的工程可以借鉴，它在保障保护体的安全、水体净化以及题刻观赏方面发挥了重要作用。白鹤梁题刻保护工程完工后安全运行近6年，针对保护体内出现的藻类繁殖、生物膜滋生、水体浑浊等问题，循环水系统进行了不断的改进和完善。使得保护体内水体浊度逐渐降低，藻类和生物膜得到抑制，参观效果不断改善，水质的各项理化指标不断优化，降低了循环水系统运行费用并提高保护体的结构安全，保障水下博物馆的正常运行，成功实现了在水下近40m建立“无压容器”的构想。
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