一种馆藏出土遗址文物原位环境补水保护系统及补水方法

摘要

本发明公开了一种馆藏出土遗址文物原位环境补水保护系统及补水方法，该系统由水净化装置、水温调控装置及补水末端装置组成；利用水净化装置对城市供水进行过滤、除藻、杀菌等净化处理；根据埋藏在土壤中的温度传感器反馈的信号，利用水温调控装置对补水水温进行调控，以保证补水水温与遗址土环境温度一致；利用土壤含水量传感器、土壤温度传感器、流量控制阀和由高分子吸水树脂组成的补水末端装置，向遗址及其土环境缓慢渗透补水，弥补出土文物缓慢蒸发的失水量，维持文物出土前的湿润原位环境，从而解决遗址文物由失水所导致的干裂破坏，实现出土遗址文物的长久保存。

说明书

技术领域

本发明属于文物保护与博物馆土遗址湿环境调控领域，涉及一种供水系统 的净化处理及补水温度调控装置，具体涉及一种馆藏出土遗址文物原位环境补 水保护系统及补水方法。

背景技术

我国历史悠久，文物古迹众多，以陕西省为例，现已查明的古遗址超过10000 处，古墓葬4000多处，历代帝王陵72座。遗址文物作为一种重要的历史文化 遗迹，具有很高的科学价值与文化价值，如何保护这些历史文化遗址，是我国 目前所面临的一个长期任务。经过多年的探索与实践，我国已经总结出了包括 发掘回填标识保护、建立博物馆等多种遗址保护模式。其中遗址博物馆由于能 有效地集保护、展示、科普、教育等功能于一体，因而发展较快，是国际遗址 文物保护的未来发展趋势，目前我国已经建立遗址博物馆数百座，并且随着考 古工作的广泛开展及文物保护技术的不断进步，更多的遗址、陵墓文物将被考 古发掘和建馆保护。

遗址博物馆虽然能缓解风吹、雨淋、日晒等对文物的危害，但不能解决文 物本体出土后原位环境改变所导致的自然风化。并且，由于对遗址文物保存环 境的特殊性认识不够，现有遗址博物馆的环境调控重点放在大气环境上，而忽 略了遗址本身的土环境参数的控制，导致很多遗址文物都遭受了一定程度的污 损甚至破坏，如陕西半坡遗址博物馆内土遗址本体表层风化深度已超过了40cm； 秦始皇兵马俑遗址出现了遗址土隔梁开裂、局部表面风化病害，即使目前认为 比较接近原文物埋藏环境条件的汉阳陵丛葬坑全封闭式地下保护厅，自从2006 年建成以来，由于种种原因也已在局部发生了明显可察的土遗址干化、开裂、 局部泛碱等问题，这些问题都与遗址文物周围土环境控制不当，特别是土环境 的失水干燥有关。

经过多年的探索研究，文物保护工作者对遗址文物土环境湿度参数要求总 结出了“干千年，湿万年，不干不湿就半年”的基本规律，这一基本规律表明维持 遗址文物出土前的湿润状况是实现文物长久保存的重要条件。总体说来，维持 遗址及其土环境的湿润状态主要有以下几种方法：（1）利用固化材料在土遗址 表面进行灌浆或封护处理，如专利《一种土遗址加固剂与加固工艺》（专利申请 号：200510081268.3）公开了一种土遗址保护的使用的加固剂及其使用工艺，该 方法采用硅酸盐作为加固剂，通过对土遗址进行钻孔静压注浆渗透固话，这种 技术方法能显著提高土遗址的耐强降水冲刷和沙尘暴的风蚀破坏的能力，但是 由于固化材料直接与文物接触以及固化材料会改变土遗址的本身属性等问题， 目前主要用于室外大规模土遗址的保护，因此不宜用于兵马俑、汉阳陵遗址博 物馆这类土遗址与出土文物（如陶俑）混合的场合文物的保护；（2）通过向遗 址文物土环境附近空气喷雾，间接维持土环境的湿润状况，该方法实施比较简 单，但是经过我们在汉阳陵地下遗址博物馆中实施经验表明加湿效果较差，主 要原因在于土壤水分势的吉布斯自由能往往高于空气中水分的自由能，导致空 气中水蒸汽难以向土壤迁移；(3)利用自动灌溉系统，定期向土壤表面直接喷水， 这种技术的优点是补水直接充分，补水速度比较快，特别适宜于农作物与花卉 种植，但由于土遗址本身也是文物，在该方法使用过程中，会出现大量水分短 期内直接渗入文物与土壤中，容易引起文物与土壤的坍塌与变形，不利于维持 文物的长久保存。

本发明以兵马俑与汉阳陵博物馆这类土遗址文物出土后失水干裂的问题为 例，提出一种在土环境中植入高分子吸水材料的补水保护系统，通过利用吸水 材料蓄积大量水分并缓慢渗透释放到土环境与文物中，补充文物与土遗址缓慢 自然蒸发所散失的水分，从而实现维持遗址文物出土前的原始湿润环境，解决 遗址文物出土后所面临的干裂问题。

经过对现有技术文献的检索发现，没有利用补水材料保护土遗址文物的相 关专利报道。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种馆藏出土遗址文物原位环境补 水保护系统及补水方法，该系统能够将城市供水经净化、温度调节后，送入埋 藏在文物周围土环境中的补水系统中，通过补水系统中补水材料的缓慢渗透， 维持文物本体及其周围土环境的出土时的原始湿润状态。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案：

一种馆藏出土遗址文物原位环境补水保护系统，包括设置于设备房中的用 于净化水源的补水净化系统和用于调整补水温度的补水温度调控系统，以及设 置于博物馆展示区遗址文物周围土壤中的用于维持文物本体及周围环境保持原 始湿润状态的补水末端系统；其中，补水净化系统与补水温度调控系统相连， 补水温度调控系统与补水末端系统相连。

所述的补水净化系统包括水净化器，水净化器的侧面上部设有供水进口， 供水进口处连接有用于过滤水中杂质的供水过滤器，水净化器的侧面下部设有 出口，出口与补水温度调控系统相连；水净化器的顶部设置有用于排除水净化 处理过程中产生的气体的排汽口，底部设置有用于将净化芯的反洗再生所产生 的污水排出的排污口；水净化器内设置有用于将供水进行净化处理的净化芯， 净化芯的上方设置有用于将供水雾化并均匀喷淋在净化芯上的喷淋头，且喷淋 头通过供水进口与供水过滤器相连通。

所述的补水温度调控系统包括用于存储净化后的补水的蓄水水箱，以及用 于对蓄水水箱中的蓄水温度进行调节的空气源热泵；蓄水水箱的侧面下部设置 有与补水净化系统相连通的进水口，蓄水水箱的侧面上部设置有与补水末端系 统相连的出水口；蓄水水箱内设置有水-水换热器，水-水换热器的进水口与空气 源热泵的出水口相连通；水-水换热器的出水口与空气源热泵的进水口相连通。

所述的水-水换热器的进水口与空气源热泵的出水口之间的管道上设置有用 于驱动空气源热泵向蓄水水箱提供冷源或热源的水泵；所述的蓄水水箱的出口 处安装有用于调控补水周期与补水量的流量控制阀。

所述的水-水换热器为螺旋盘管换热器。

所述的补水末端系统包括埋藏于文物周围土环境中的补水芯和埋藏在文物 周围土环境中的土壤含水量传感器和土壤温度传感器；补水芯通过毛细管与蓄 水水箱的出口相连通；土壤含水量传感器通过数据信号线与流量控制阀相连； 土壤温度传感器通过数据信号线与水泵相连；土壤含水量传感器和土壤温度传 感器均埋藏在距离地面0.5m深处。

所述补水芯的埋藏深度为距离地表30～100cm处。

所述的补水芯为直径为10cm，高度为20cm的不锈钢圆桶，内部填充有高 分子吸水树脂。

所述的高分子吸水树脂为聚丙烯酸盐，吸水率大于自重的300倍。

一种馆藏出土遗址文物原位环境补水方法，供水首先经过供水过滤器过滤 后送入水净化器中，对供水进行进一步的净化处理，经过处理后的纯净水送入 蓄水水箱中，经过空气源热泵对水温进行调节后，经过毛细管送入埋藏在土遗 址中的补水芯中，利用补水芯中高分子吸水树脂的缓慢渗透，持续对出土文物 及土环境进行补水，维持文物出土时的湿润原位环境；

补水水温目标值与布置在土环境中的土壤温度传感器读数一致，保证补水 不会引起土壤温度的波动；

补水周期与补水量通过布置在土环境中的土壤含水量传感器进行控制：当 土壤含水量传感器的读数低于15%时，打开流量控制阀进行补水，当土壤含水 量传感器的读数高于25%时，关闭流量控制阀停止补水，将遗址文物土环境的 含水量维持在15～25%以内，实现文物土环境含水量的自动控制。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明在博物馆展示区遗址文物周围土壤中设置补水末端系统，通过补水 净化系统净化水源，再由补水温度调控系统调整补水的温度，进而由补水末端 系统将净化调温后的补水渗透至文物周围的土壤中，以维持文物本体及周围环 境保持原始湿润状态，弥补出土文物缓慢蒸发的失水量，维持文物出土前的湿 润原位环境，从而解决遗址文物由失水所导致的干裂破坏，实现出土遗址文物 的长久保存。

进一步的，本发明利用高分子吸水树脂作为补水芯填充材料，该材料具有： ①不易分解，可以反复使用，对文物与土遗址无损；②可以吸收自重300倍以 上的水量，并可实现对土壤缓慢释放水分，这与文物出土后缓慢的自然干裂的 过程相反，可以在不接触文物本体且不损害土遗址的条件下，维持土遗址的出 土前的原始湿润状况。

进一步的，本发明补水末端系统包括埋藏于文物周围土环境中的补水芯以 及土壤含水量传感器和土壤温度传感器，土壤含水量传感器和土壤温度传感器 能够及时检测到土壤的温湿度变化，进而间接控制水泵和流量控制阀进行工作， 能有效地实现直接对土遗址进行长期自动渗透补水，可以解决目前遗址博物馆 中出土文物与土遗址干裂的问题，实现出土文物的原位保存。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

其中，1为水净化器；2为蓄水水箱；3为供水过滤器；4为喷淋头；5为净 化芯；6为排气口；7为排污口；8为水-水换热器；9为水泵；10为空气源热泵； 11为流量控制阀；12为补水芯；13为土壤含水量传感器；14为土壤温度传感 器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明：

参见图1，本发明一种馆藏出土遗址文物原位环境补水保护系统，包括设置 于设备房中的用于净化水源的补水净化系统和用于调整补水温度的补水温度调 控系统，以及设置于博物馆展示区遗址文物周围土壤中的用于维持文物本体及 周围环境保持原始湿润状态的补水末端系统；其中，补水净化系统与补水温度 调控系统相连，补水温度调控系统与补水末端系统相连。

补水净化系统包括水净化器1，水净化器1的侧面上部设有供水进口，供水 进口处连接有用于过滤水中杂质的供水过滤器3，水净化器1的侧面下部设有出 口，出口与补水温度调控系统相连；水净化器1的顶部设置有用于排除水净化 处理过程中产生的气体的排汽口6，底部设置有用于将净化芯的反洗再生所产生 的污水排出的排污口7；水净化器1内设置有用于将供水进行净化处理的净化芯 5，净化芯5的上方设置有用于将供水雾化并均匀喷淋在净化芯5上的喷淋头4， 且喷淋头4通过供水进口与供水过滤器3相连通。

补水温度调控系统包括用于存储净化后的补水的蓄水水箱2，以及用于对蓄 水水箱中的蓄水温度进行调节的空气源热泵10；蓄水水箱2的侧面下部设置有 与补水净化系统相连通的进水口，蓄水水箱2的侧面上部设置有与补水末端系 统相连的出水口；蓄水水箱2内设置有水-水换热器8，水-水换热器8的进水口 与空气源热泵10的出水口相连通；水-水换热器8的出水口与空气源热泵10的 进水口相连通。水-水换热器8为螺旋盘管换热器，水-水换热器8的进水口与空 气源热泵10的出水口之间的管道上设置有用于驱动空气源热泵10向蓄水水箱2 提供冷源或热源的水泵9；所述的蓄水水箱2的出口处安装有用于调控补水周期 与补水量的流量控制阀11。

补水末端系统包括埋藏于文物周围土环境中的补水芯12和埋藏在文物周围 土环境中的土壤含水量传感器13和土壤温度传感器14，补水芯12的埋藏深度 为距离地表30～100cm处，补水芯12为直径为10cm，高度为20cm的不锈钢圆 桶，内部填充有高分子吸水树脂，高分子吸水树脂为聚丙烯酸盐，吸水率大于 自重的300倍；补水芯12通过毛细管与蓄水水箱2的出口相连通；土壤含水量 传感器13通过数据信号线与流量控制阀11相连；土壤温度传感器14通过数据 信号线与水泵9相连；土壤含水量传感器13和土壤温度传感器14均埋藏在距 离地面0.5m深处。

本发明还公开了一种馆藏出土遗址文物原位环境补水方法，供水首先经过 供水过滤器3过滤后送入水净化器1中，对供水进行进一步的净化处理，经过 处理后的纯净水送入蓄水水箱2中，经过空气源热泵10对水温进行调节后，经 过毛细管送入埋藏在土遗址中的补水芯12中，利用补水芯12中高分子吸水树 脂的缓慢渗透，持续对出土文物及土环境进行补水，维持文物出土时的湿润原 位环境；补水水温目标值与布置在土环境中的土壤温度传感器14读数一致，保 证补水不会引起土壤温度的波动；补水周期与补水量通过布置在土环境中的土 壤含水量传感器13进行控制：当土壤含水量传感器13的读数低于15%时，打 开流量控制阀11进行补水，当土壤含水量传感器13的读数高于25%时，关闭 流量控制阀11停止补水，将遗址文物土环境的含水量维持在15～25%以内，实 现文物土环境含水量的自动控制。

本发明的原理：

本发明是针对土遗址文物（如兵马俑博物馆、汉阳陵博物馆、半坡博物馆 等出土的陶俑及其周边土遗址）提供一种利用高吸水性保水材料进行补水保护 的方法。将城市供水经净化、温度调节后，送入埋藏在文物周围土环境中的补 水系统中，通过补水系统中补水材料的缓慢渗透，维持文物本体及其周围土环 境的出土时的原始湿润状态。所采用的补水材料为高吸水性环保树脂，吸水率 可达自重的300倍以上，补水材料完全吸收水分后，可以满足1个月以上的自 动释水，维持土环境的湿润状况，同时该系统利用布置在土环境中土壤含水量 传感器和温度传感器控制补水周期与补水温度，实现系统的长期自动运行，满 足遗址文物出土后，长期维持其出土前的原始湿润状态保存要求。

本发明馆藏出土遗址文物原位环境补水保护系统，包供水过滤器、水净化 器、喷淋头，净化芯、排气口、排污口、蓄水水箱、水-水换热器、水泵、空气 源热泵机组、流量控制阀、补水芯、土壤含水量传感器、土壤温度传感器。其 中供水过滤器、喷淋头、净化芯、排气口、排污口组合在水净化器上，构成补 水净化系统；水-水换热器、蓄水水箱、水泵、空气源热泵机组组合在一起，构 成补水温度调控系统；流量控制阀、补水芯、土环境含水量传感器、土环境温 度传感器组合在一起，构成补水末端系统。补水净化系统和补水温度调控系统 布置在博物馆附属设备房中，而补水末端系统布置在博物馆展示区遗址文物周 围土壤中。

水净化器布置在设备房中，与城市供水系统及蓄水水箱连接，用于对城市 供水进行过滤净化处理；供水过滤器安装在水净化器的供水进口处，与城市供 水系统相连，用于过滤城市供水中的藻类、沙石等杂质；喷淋头安装在水净化 器的上部，与水净化器相连，用于将供水雾化均匀喷淋在水进化处理芯上；净 化芯安装在水净化器中部，用于将城市供水进行净化处理；排气口安装在水净 化器顶部，用于排除水净化处理过程中产生的气体；排污口安装在水净化器的 底部，用于净化芯的反洗再生所产生的污水排出；蓄水水箱布置在设备房内， 与水净化器相连，用于储存净化后的补水；水-水换热器布置在蓄水水箱内，为 螺旋盘管换热器，与空气源热泵机组相连，用于对蓄水水箱中的蓄水温度进行 调节；水泵布置在设备房内，与空气源热泵机组及水-水换热器连接，用于驱动 空气源热泵向补水水箱提供冷/热源；空气源热泵机组安装在设备房内，通过管 道与水-水换热器连接，用于调控蓄水水箱内水温与遗址文物土环境温度一致； 流量控制阀安装在蓄水水箱的出口处，通过毛细管及数据信号线分别与补水芯 及文物土环境水分传感器连接，用于调控补水周期与补水量；补水芯埋藏在文 物周围土环境中，为直径为10cm，高度为20cm的不锈钢圆桶，内部填充高分 子吸水树脂，通过毛细管与蓄水水箱连接，用于向土环境及文物进行渗透补水； 土壤含水量传感器埋藏在文物周围土环境中，通过数据信号线与流量控制阀连 接，用于控制流量阀的启停；土壤土壤温度传感器埋藏在文物周围土环境中， 通过数据信号线与水泵连接，用于控制空气源热泵机组及水泵的启停；

基于所述馆藏遗址文物原位土环境补水保护系统，城市供水首先经过供水 过滤器过滤后送入水净化器中，对供水进行进一步的净化处理（包括灭菌、除 藻、过滤微小颗粒，离子交换软化等），经过处理后的纯净水送入蓄水水箱中， 经过空气源热泵机组对水温进行调节后，经过毛细管系统送入埋藏在土遗址中 的补水末端（补水芯）中，利用补水芯中高分子吸水树脂的缓慢渗透，持续对 出土文物及土环境进行补水，维持文物出土时的湿润原位环境。

补水系统的补水水温目标值与布置在土环境中的0.5m深处的温度传感器读 数一致，这样保证补水不会引起土壤温度的波动。补水系统的补水周期与补水 量通过布置在土环境中0.5m深处的土壤含水量传感器进行控制：当土壤体积含 水量传感器读数低于设定的最低值（15%），自动打开流量控制阀进行补水，当 土壤体积含水量读数高于设定值（25%）时，自动关闭流量控制阀停止补水，可 以将遗址文物土环境的含水量维持在20%±5%以内，补水芯内部填充高分子吸 水树脂，实现文物土环境含水量的自动控制。

本发明的工作过程：

结合附图1，本发明的主要组成包括该装置由水净化装置、水温调控装置及 补水末端装置组成三个部分，具体连接方式如下：

用于对水进行净化处理的供水过滤器、净化芯、排气口、排污口都集成安 装在水净化器上，其中供水过滤器与城市供水系统相连；蓄水水箱与水净化器 连接，布置在蓄水水箱内的水-水换热器通过水泵与空气源热泵连接；补水芯埋 藏在土环境中离地表30-100cm深度处，通过管道及流量控制阀与蓄水水箱连接； 布置在土壤中的土壤水分传感器通过数据信号线与流量控制阀连接；布置在土 壤中的土壤温度传感器与通过数据信号线与水泵控制器连接。

系统运行时：城市供水经供水过滤器3初步过滤后送入水净化器1，经过喷 淋头4均匀喷洒在净化芯5上，经过净化处理后的纯净水送入蓄水水箱2，在蓄 水水箱中经过水-水换热器8换热后达到设定温度，同时，水-水换热器管内侧通 过水泵9与空气源热泵10统连接，为系统提供冷热源，经过温度调控后的净化 水在经过流量控制阀11送入土遗址中的补水芯12中，经过补水芯中的高分子 吸水树脂吸收后再缓慢渗透补入土遗址及文物中。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不 能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换， 都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。