世界唯一水下博物館中的循環(huán)水凈化工藝
小知識(shí)：“白鶴繞梁留勝跡，石魚(yú)出水兆豐年”，這句流傳已久的詩(shī)句是涪陵近現(xiàn)代書(shū)畫(huà)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(yùn)動(dòng)而形成的巨石，長(zhǎng)約1600米，寬約15米，位于重慶市涪陵城北長(zhǎng)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(guò)觀(guān)察長(zhǎng)江水位得出了一條規(guī)律——白鶴梁上的雙鯉石魚(yú)題刻一旦露出水面，表示枯水周期已過(guò)，豐收年景將至，接下來(lái)的一年將會(huì)雨水充沛，五谷豐登。
他們便在石梁上畫(huà)魚(yú)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(gè)極具水文價(jià)值的記錄因完整、準(zhǔn)確、延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)及少有的枯水記錄等特點(diǎn)，使得白鶴梁被聯(lián)合國(guó)教科文組織譽(yù)為“保存完好的世界唯一古代水文站”，成為研究長(zhǎng)江流域乃至世界氣候變遷的極其重要的水文資料寶庫(kù)。
1200多年以來(lái)，白鶴梁上的眾多題刻歷經(jīng)日曬雨淋、江水沖刷，自上世紀(jì)九十年代三峽水庫(kù)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(dāng)?shù)卣疄榱吮Ｗo(hù)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(guò)厚厚的玻璃舷窗繼續(xù)欣賞這些先輩們留下的人文景觀(guān)。
“白鶴梁水下博物館”的落成，標(biāo)志著世界上規(guī)模最大的水下題刻保護(hù)工程建成，從此我國(guó)擁有了世界上第一座水下博物館。白鶴梁題刻采用“無(wú)壓容器”原址保護(hù)原理，在白鶴梁題刻上修建橢圓狀保護(hù)罩體，罩體水容量為3800m3。三峽庫(kù)區(qū)蓄水位升至175m時(shí)，保護(hù)體將承受近40m水頭的巨大壓力差，因此罩體內(nèi)設(shè)專(zhuān)門(mén)的平壓循環(huán)水系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)對(duì)保護(hù)體內(nèi)的水質(zhì)進(jìn)行凈化處理，并通過(guò)調(diào)節(jié)壓差，使殼體內(nèi)外壓力盡量接近一致，確保保護(hù)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(shí)現(xiàn)“無(wú)壓容器”構(gòu)想的基本保證。“平壓”是不斷向保護(hù)體補(bǔ)充水源，使保護(hù)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(hù)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(hù)體內(nèi)，使保護(hù)體內(nèi)水質(zhì)清澈透明，要求保護(hù)體內(nèi)水的濁度lt;1.0NTU，保證題刻的觀(guān)賞效果。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、建設(shè)及運(yùn)行階段無(wú)類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)作為借鑒，實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)保護(hù)體內(nèi)水體透明度不定期變差，藻類(lèi)大量繁殖，題刻表面生物膜滋生，水耗量大等問(wèn)題，直接影響題刻的觀(guān)賞效果和保護(hù)，并在一定程度上威脅保護(hù)體安全。因此，對(duì)原循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，使保護(hù)體內(nèi)水質(zhì)改善，讓觀(guān)眾能夠更好地觀(guān)賞到題刻原址，享受白鶴梁水下文化歷史的美妙體驗(yàn)，確保白鶴梁水下博物館正常開(kāi)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(wèn)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(jì)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(wú)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(hù)體成為一個(gè)特殊的無(wú)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(gè)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(zhǎng)江原水或保護(hù)體內(nèi)水質(zhì)變差的水，送至岸上水處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，制取的合格清水進(jìn)入保護(hù)體對(duì)水進(jìn)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(hù)穹體連接組成，并在高程為138.00m處各安裝兩臺(tái)專(zhuān)用過(guò)濾器與長(zhǎng)江水相通，保護(hù)穹體內(nèi)的水體與長(zhǎng)江水體形成一個(gè)“連通器”，以保證穹體內(nèi)外的水壓自動(dòng)平衡。
在循環(huán)水管道上的加壓泵抽取長(zhǎng)江原水或保護(hù)體內(nèi)的水送至地面陳列館上的兩臺(tái)￠2800豎流沉淀池內(nèi)(凈化量為25m3/h)進(jìn)行懸浮顆粒物的初次沉降，水體靜止時(shí)間約0.50h；出水到集絮凝、沉淀、過(guò)濾等功能為一體的全自動(dòng)凈水器，進(jìn)行二次凈化處理；投加PAC藥劑后進(jìn)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(guò)濾器；循環(huán)水系統(tǒng)使用了兩臺(tái)￠2800活性炭罐，壓力≤0.60MPa，出水量在55～65m3/h，活性炭可以對(duì)之前處理過(guò)程中未能去除的余氯進(jìn)行吸附，降低余氯對(duì)后級(jí)設(shè)備的破壞，同時(shí)吸附水中有機(jī)物、膠體等較難去除的細(xì)小顆粒物；精密過(guò)濾器采用兩個(gè)圓柱形殼體微孔濾芯過(guò)濾器，每臺(tái)放置孔徑為1μm的濾芯69支(長(zhǎng)為1m，直徑為60mm)，共138支。最后出水經(jīng)過(guò)濾，可去除水體中直徑gt;1μm的微粒和細(xì)菌，同時(shí)去除上一級(jí)破損的活性炭粉末，進(jìn)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(wèn)題
白鶴梁水下博物館2009年5月建成開(kāi)放僅3d，就因水質(zhì)不清無(wú)法觀(guān)賞題刻停止開(kāi)放，經(jīng)過(guò)近一年的閉館治理，2010年4月重新對(duì)外開(kāi)放，循環(huán)系統(tǒng)依然存在以下問(wèn)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(guān)賞效果，以直接大量注入自來(lái)水的方式對(duì)保護(hù)體內(nèi)水進(jìn)行更替，最高注水量達(dá)120m3/h，水耗量巨大。
(2) 題刻保護(hù)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(lèi)大量繁殖，題刻表面生物膜滋生。對(duì)石刻的外觀(guān)造成嚴(yán)重影響，并且隨著藻類(lèi)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(wú)法滿(mǎn)足題刻觀(guān)賞要求。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示保護(hù)體內(nèi)TN含量為0.36～2.26mg /L，TP含量為0.022～1.34mg /L，已達(dá)到水體富營(yíng)養(yǎng)化所需濃度，營(yíng)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(duì)藻類(lèi)生長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生促進(jìn)作用。
(4) 循環(huán)水系統(tǒng)中PAC等藥劑投加在過(guò)濾器前段，受運(yùn)行管理等因素影響，微絮體有可能穿透過(guò)濾系統(tǒng)進(jìn)入保護(hù)體，對(duì)保護(hù)體內(nèi)水體透明度產(chǎn)生影響。
2 循環(huán)水系統(tǒng)改進(jìn)措施
2.1 補(bǔ)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(zhǎng)江原水閥門(mén)進(jìn)行遠(yuǎn)期關(guān)閉，即短時(shí)間內(nèi)不會(huì)以抽取原江水的方式對(duì)保護(hù)體水進(jìn)行更換，通過(guò)自來(lái)水補(bǔ)水及抽取保護(hù)體內(nèi)水進(jìn)行循環(huán)處理。二是由以前末端水箱直接補(bǔ)充自來(lái)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(hù)體內(nèi)，并在保護(hù)體進(jìn)水口安裝了MICR0200BW型在線(xiàn)濁度儀(測(cè)量范圍：0～10NTU)，對(duì)進(jìn)水濁度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保水質(zhì)質(zhì)量和觀(guān)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(cè)的長(zhǎng)江水位高程和水流速度適時(shí)調(diào)整補(bǔ)水量，不再是盲目地以最大補(bǔ)水量補(bǔ)水。四是對(duì)所有凈化單元進(jìn)行遮光處理，減少藻類(lèi)的生長(zhǎng)條件。同時(shí)取消原有的加藥裝置，減少保護(hù)體內(nèi)的微絮體及化學(xué)藥劑對(duì)題刻可能存在的影響。
2.2 增設(shè)自動(dòng)補(bǔ)水、缺水預(yù)警裝置
白鶴梁保護(hù)體與涪陵長(zhǎng)江段實(shí)際上是一個(gè)連通器，保護(hù)體、長(zhǎng)江水位的高低決定水的流向，為防止因保護(hù)體缺水或人為忽視導(dǎo)致江水進(jìn)入保護(hù)體內(nèi)，自2012年白鶴梁與科研單位合作開(kāi)展課題研究，設(shè)置了循環(huán)水自動(dòng)補(bǔ)水裝置及缺水預(yù)警裝置。自動(dòng)補(bǔ)水裝置由液位傳感器1、液位傳感器2、一體化PLC、電動(dòng)閥門(mén)組成。缺水預(yù)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(bǔ)水裝置是將液位電信號(hào)傳遞給PLC，由PLC發(fā)出指令，控制電動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)度，根據(jù)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)與設(shè)定的數(shù)據(jù)作比較，形成一個(gè)閉環(huán)控制，設(shè)定量與反饋量產(chǎn)生一個(gè)偏差信號(hào)，偏差信號(hào)就是控制電動(dòng)閥門(mén)的控制信號(hào)，從而控制補(bǔ)水量。
缺水預(yù)警是將液位電信號(hào)傳遞給PLC，由PLC經(jīng)過(guò)運(yùn)算發(fā)出指令，控制訊響器，根據(jù)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)與設(shè)定預(yù)警的數(shù)據(jù)作比較，形成一個(gè)閉環(huán)控制，設(shè)定預(yù)警值與反饋量產(chǎn)生一個(gè)偏差信號(hào)，偏差信號(hào)大于一定值時(shí)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(yù)等措施，在告知無(wú)效的情況下控制循環(huán)水泵停止，讓保護(hù)體水體處于一種相對(duì)靜止的狀態(tài)。這一裝置的使用，使保護(hù)水體清晰度可控逐漸成為可能，為節(jié)能減耗開(kāi)創(chuàng)條件，實(shí)現(xiàn)無(wú)壓力容器的構(gòu)想。
3 結(jié)果分析
3.1 江水與保護(hù)體內(nèi)水濁度變化分析
2010年～2012年期間，重慶大學(xué)對(duì)白鶴梁題刻水環(huán)境監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)保護(hù)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(hù)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(hù)體內(nèi)水質(zhì)濁度明顯低于外江水，且外江水對(duì)保護(hù)體內(nèi)水無(wú)明顯影響。尤其是外江水受三峽庫(kù)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(hù)體內(nèi)水在該時(shí)間段濁度并未受其影響。自2012年10月監(jiān)測(cè)以來(lái)，濁度呈逐年下降趨勢(shì)，尤其在2013年12月將精密過(guò)濾器濾芯孔徑由5μm更換為1μm后，保護(hù)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(guān)賞效果。
3.2 江水與保護(hù)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(yùn)行期間未對(duì)保護(hù)體內(nèi)藻類(lèi)數(shù)量進(jìn)行直接監(jiān)測(cè)，而是通過(guò)TN、TP等富營(yíng)養(yǎng)化間接指標(biāo)來(lái)表述與水質(zhì)關(guān)系。如圖5所示，在2012年至2013年初，保護(hù)體內(nèi)TN濃度略低于江水，且變化趨勢(shì)與江水比較一致。在2013年后期開(kāi)始與江水變化趨勢(shì)有一定相似但TN濃度卻明顯低于江水，說(shuō)明實(shí)施改進(jìn)措施后，循環(huán)水與江水隔離，使保護(hù)體內(nèi)TN含量降低。但保護(hù)體內(nèi)TN含量大部分為Ⅱ類(lèi)～Ⅳ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，仍具備藻類(lèi)繁殖的條件。
藻類(lèi)的生產(chǎn)量主要取決于水體中磷的供應(yīng)量。如圖5所示，保護(hù)體內(nèi)TP含量波動(dòng)較大，測(cè)定值為0.014～0.070mg /L，改進(jìn)措施后部分時(shí)間段TP含量出現(xiàn)累積，說(shuō)明藻類(lèi)的生產(chǎn)量降低，對(duì)保護(hù)體內(nèi)磷的吸收減少。
3.3 保護(hù)體內(nèi)Chl-a變化分析
葉綠素a(Chl-a)通常作為直接反應(yīng)水體藻類(lèi)生長(zhǎng)程度的主要指標(biāo)，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(jìn)完成后，保護(hù)體內(nèi)Chl-a含量并沒(méi)有立即降低，而是自2013年4開(kāi)始出現(xiàn)大幅下降，之后的測(cè)定值在0.38～1.44mg /L，表明循環(huán)水改進(jìn)措施后保護(hù)體內(nèi)藻類(lèi)生長(zhǎng)得到有效抑制。圖7為改進(jìn)措施前后，潛水員清洗保護(hù)體后一個(gè)月藻類(lèi)生長(zhǎng)對(duì)比圖。
3.4 保護(hù)體內(nèi)生物膜生長(zhǎng)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(xì)菌、藻類(lèi)等原生動(dòng)物及后生動(dòng)物的生長(zhǎng)。此外每年3月份左右，為三峽庫(kù)區(qū)落水季節(jié)，重慶地區(qū)長(zhǎng)江流域均會(huì)出現(xiàn)典型的春季“桃花水”，其原水水質(zhì)復(fù)雜，腐殖質(zhì)類(lèi)有機(jī)物含量高，特別利于題刻水環(huán)境中微生物的生長(zhǎng)。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(jìn)行觀(guān)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(shí)還觀(guān)察到在附著物的附近有大量輪蟲(chóng)活動(dòng)。在掃描電鏡下觀(guān)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(lèi)比較單一，如圖10所示。
當(dāng)水環(huán)境中養(yǎng)分充足時(shí)，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(duì)石刻的外觀(guān)造成嚴(yán)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(hù)體內(nèi)可觀(guān)察窗口數(shù)變化
白鶴梁題刻水下參觀(guān)廊道有一個(gè)可觀(guān)察保護(hù)體內(nèi)全景及其他可見(jiàn)窗口數(shù)的觀(guān)察窗(圖11)，通過(guò)肉眼直接觀(guān)察可視窗口數(shù)量，判斷當(dāng)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(gè)以上的逐年增加，而在6個(gè)以下的呈逐年減小的趨勢(shì)。表明循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)使得保護(hù)體內(nèi)水質(zhì)有了明顯的改善。
3.6 年水耗與水費(fèi)變化趨勢(shì)
如圖12所示，白鶴梁水下博物館年水耗量和水費(fèi)呈逐年下降的趨勢(shì)，尤其在2012年改變補(bǔ)水方式，增加自動(dòng)補(bǔ)水裝置后，年用水量較2011年降低了近14萬(wàn)t，年水費(fèi)減少了近1倍。主要原因是保護(hù)體與江水連通時(shí)，有大量江水進(jìn)入，為保持題刻觀(guān)賞，盲目地以最大補(bǔ)水量進(jìn)行補(bǔ)水，造成大量補(bǔ)水外流。而關(guān)閉外江通道，改進(jìn)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?yàn)?014年在白鶴梁水下廊道參觀(guān)玻璃更換工程，進(jìn)行了較長(zhǎng)時(shí)間的閉館。在2015年4月底項(xiàng)目完成后，博物館一直正常對(duì)外開(kāi)放。
4 結(jié)語(yǔ)
將循環(huán)水凈化技術(shù)應(yīng)用于白鶴梁題刻的保護(hù)及展示是一項(xiàng)創(chuàng)造性的工作，它的設(shè)計(jì)、建造以及運(yùn)行沒(méi)有類(lèi)似的工程可以借鑒，它在保障保護(hù)體的安全、水體凈化以及題刻觀(guān)賞方面發(fā)揮了重要作用。白鶴梁題刻保護(hù)工程完工后安全運(yùn)行近6年，針對(duì)保護(hù)體內(nèi)出現(xiàn)的藻類(lèi)繁殖、生物膜滋生、水體渾濁等問(wèn)題，循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行了不斷的改進(jìn)和完善。使得保護(hù)體內(nèi)水體濁度逐漸降低，藻類(lèi)和生物膜得到抑制，參觀(guān)效果不斷改善，水質(zhì)的各項(xiàng)理化指標(biāo)不斷優(yōu)化，降低了循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用并提高保護(hù)體的結(jié)構(gòu)安全，保障水下博物館的正常運(yùn)行，成功實(shí)現(xiàn)了在水下近40m建立“無(wú)壓容器”的構(gòu)想。