小知識：“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蜚聲中外的水下博物館——白鶴梁。

白鶴梁是一塊因造山運動(dòng)而形成的巨石，長(cháng)約1600米，寬約15米，位于重慶市涪陵城北長(cháng)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(cháng)江水位得出了一條規律——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)現了“三五年一小枯，十年一大枯，六百年一極枯”的規律。這個(gè)極具水文價(jià)值的記錄因完整、準確、延續時(shí)間長(cháng)及少有的枯水記錄等特點(diǎn)，使得白鶴梁被聯(lián)合國教科文組織譽(yù)為“保存完好的世界唯一古代水文站”，成為研究長(cháng)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(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(guò)厚厚的玻璃舷窗繼續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，標志著(zhù)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(wú)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(shí)，保護體將承受近40m水頭的巨大壓力差，因此罩體內設專(zhuān)門(mén)的平壓循環(huán)水系統，通過(guò)系統對保護體內的水質(zhì)進(jìn)行凈化處理，并通過(guò)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(huán)水系統具有平壓和凈化兩大功能，是實(shí)現“無(wú)壓容器”構想的基本保證?！捌綁骸笔遣粩嘞虮Ｗo體補充水源，使保護體內外壓差控制在±10kPa范圍內，維持內外壓力平衡?！皟艋笔菍⒈Ｗo體內的水抽出，經(jīng)循環(huán)系統不斷凈化后，重新注入保護體內，使保護體內水質(zhì)清澈透明，要求保護體內水的濁度lt;1.0NTU，保證題刻的觀(guān)賞效果。系統在設計、建設及運行階段無(wú)類(lèi)似工程經(jīng)驗作為借鑒，實(shí)際運行中出現保護體內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，并在一定程度上威脅保護體安全。因此，對原循環(huán)水系統進(jìn)行技術(shù)改造，使保護體內水質(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，確保白鶴梁水下博物館正常開(kāi)放尤顯迫切。

1 原循環(huán)水系統組成結構及存在的問(wèn)題

1.1 原循環(huán)水系統組成結構

原循環(huán)水系統設計了水處理和循環(huán)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(huán)水管與無(wú)壓容器殼體和岸上的凈水設備連接組成。循環(huán)水系統使水下保護體成為一個(gè)特殊的無(wú)壓容器，其工藝流程如圖1所示。

原循環(huán)水系統利用坡形交通廊道作為取水設施，分別在兩個(gè)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(huán)水管道上設置加壓泵(a、b、c、d或e、f)，分別抽取長(cháng)江原水或保護體內水質(zhì)變差的水，送至岸上水處理系統進(jìn)行處理，制取的合格清水進(jìn)入保護體對水進(jìn)行更替。原循環(huán)水系統由分別設置在兩條交通廊道內的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(zhuān)用過(guò)濾器與長(cháng)江水相通，保護穹體內的水體與長(cháng)江水體形成一個(gè)“連通器”，以保證穹體內外的水壓自動(dòng)平衡。

在循環(huán)水管道上的加壓泵抽取長(cháng)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(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(guò)程中未能去除的余氯進(jìn)行吸附，降低余氯對后級設備的破壞，同時(shí)吸附水中有機物、膠體等較難去除的細小顆粒物；精密過(guò)濾器采用兩個(gè)圓柱形殼體微孔濾芯過(guò)濾器，每臺放置孔徑為1μm的濾芯69支(長(cháng)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的微粒和細菌，同時(shí)去除上一級破損的活性炭粉末，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月重新對外開(kāi)放，循環(huán)系統依然存在以下問(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)水的方式對保護體內水進(jìn)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(zhì)出現了周期性地惡化。水體惡化表現在：水中藻類(lèi)大量繁殖，題刻表面生物膜滋生。對石刻的外觀(guān)造成嚴重影響，并且隨著(zhù)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(yíng)養化所需濃度，營(yíng)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(lèi)生長(cháng)會(huì )產(chǎn)生促進(jìn)作用。

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

2 循環(huán)水系統改進(jìn)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(cháng)江原水閥門(mén)進(jìn)行遠期關(guān)閉，即短時(shí)間內不會(huì )以抽取原江水的方式對保護體水進(jìn)行更換，通過(guò)自來(lái)水補水及抽取保護體內水進(jìn)行循環(huán)處理。二是由以前末端水箱直接補充自來(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體內，并在保護體進(jìn)水口安裝了MICR0200BW型在線(xiàn)濁度儀(測量范圍：0～10NTU)，對進(jìn)水濁度進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，確保水質(zhì)質(zhì)量和觀(guān)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(cháng)江水位高程和水流速度適時(shí)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(jìn)行遮光處理，減少藻類(lèi)的生長(cháng)條件。同時(shí)取消原有的加藥裝置，減少保護體內的微絮體及化學(xué)藥劑對題刻可能存在的影響。

2.2 增設自動(dòng)補水、缺水預警裝置

白鶴梁保護體與涪陵長(cháng)江段實(shí)際上是一個(gè)連通器，保護體、長(cháng)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(jìn)入保護體內，自2012年白鶴梁與科研單位合作開(kāi)展課題研究，設置了循環(huán)水自動(dòng)補水裝置及缺水預警裝置。自動(dòng)補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(fā)出指令，控制電動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)度，根據監測的數據與設定的數據作比較，形成一個(gè)閉環(huán)控制，設定量與反饋量產(chǎn)生一個(gè)偏差信號，偏差信號就是控制電動(dòng)閥門(mén)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(guò)運算發(fā)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(gè)閉環(huán)控制，設定預警值與反饋量產(chǎn)生一個(gè)偏差信號，偏差信號大于一定值時(shí)控制訊響器發(fā)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(wú)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，為節能減耗開(kāi)創(chuàng )條件，實(shí)現無(wú)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(xué)對白鶴梁題刻水環(huán)境監測發(fā)現保護體內水質(zhì)與江水水質(zhì)變化呈顯著(zhù)相關(guān)，江水越渾濁，保護體內水就越渾濁。但由圖4可知，經(jīng)循環(huán)水系統處理后，保護體內水質(zhì)濁度明顯低于外江水，且外江水對保護體內水無(wú)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(shí)間段濁度并未受其影響。自2012年10月監測以來(lái)，濁度呈逐年下降趨勢，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(guān)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(lèi)數量進(jìn)行直接監測，而是通過(guò)TN、TP等富營(yíng)養化間接指標來(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(kāi)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(shuō)明實(shí)施改進(jìn)措施后，循環(huán)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(lèi)～Ⅳ類(lèi)水質(zhì)標準，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量。如圖5所示，保護體內TP含量波動(dòng)較大，測定值為0.014～0.070mg /L，改進(jìn)措施后部分時(shí)間段TP含量出現累積，說(shuō)明藻類(lèi)的生產(chǎn)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(lèi)生長(cháng)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(jìn)完成后，保護體內Chl-a含量并沒(méi)有立即降低，而是自2013年4開(kāi)始出現大幅下降，之后的測定值在0.38～1.44mg /L，表明循環(huán)水改進(jìn)措施后保護體內藻類(lèi)生長(cháng)得到有效抑制。圖7為改進(jìn)措施前后，潛水員清洗保護體后一個(gè)月藻類(lèi)生長(cháng)對比圖。

3.4 保護體內生物膜生長(cháng)狀況

由于原循環(huán)系統處理出水水質(zhì)不高，光照條件、泥沙沉積等條件利于細菌、藻類(lèi)等原生動(dòng)物及后生動(dòng)物的生長(cháng)。此外每年3月份左右，為三峽庫區落水季節，重慶地區長(cháng)江流域均會(huì )出現典型的春季“桃花水”，其原水水質(zhì)復雜，腐殖質(zhì)類(lèi)有機物含量高，特別利于題刻水環(huán)境中微生物的生長(cháng)。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(zhù)物，在顯微鏡下進(jìn)行觀(guān)察(圖9)：附著(zhù)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(zhù)物的附近有大量輪蟲(chóng)活動(dòng)。在掃描電鏡下觀(guān)察附著(zhù)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。

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

3.5 保護體內可觀(guān)察窗口數變化

白鶴梁題刻水下參觀(guān)廊道有一個(gè)可觀(guān)察保護體內全景及其他可見(jiàn)窗口數的觀(guān)察窗(圖11)，通過(guò)肉眼直接觀(guān)察可視窗口數量，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。表明循環(huán)水系統的優(yōu)化改進(jìn)使得保護體內水質(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(dòng)補水裝置后，年用水量較2011年降低了近14萬(wàn)t，年水費減少了近1倍。主要原因是保護體與江水連通時(shí)，有大量江水進(jìn)入，為保持題刻觀(guān)賞，盲目地以最大補水量進(jìn)行補水，造成大量補水外流。而關(guān)閉外江通道，改進(jìn)循環(huán)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(guān)玻璃更換工程，進(jìn)行了較長(cháng)時(shí)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(kāi)放。

4 結語(yǔ)

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，它的設計、建造以及運行沒(méi)有類(lèi)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(guān)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，針對保護體內出現的藻類(lèi)繁殖、生物膜滋生、水體渾濁等問(wèn)題，循環(huán)水系統進(jìn)行了不斷的改進(jìn)和完善。使得保護體內水體濁度逐漸降低，藻類(lèi)和生物膜得到抑制，參觀(guān)效果不斷改善，水質(zhì)的各項理化指標不斷優(yōu)化，降低了循環(huán)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(shí)現了在水下近40m建立“無(wú)壓容器”的構想。