白鶴梁題刻水環境現狀與展示提升思考

胡黎明

摘要：“白鶴梁題刻”系三峽文物保護重點工程，基于原址保護、原狀展示的全面保護理念，應用“無壓容器”原理在實題刻原止保護基礎上建成世界上首座水下博物館，是中國水下文化遺產保護的典型案例。但開放五年來，處于長江水下題刻原止的展示與保護方面出現一些令業內外人士關注的新問題。文中針對當前令博物館備愛困擾的白鶴梁題刻水環境不穩定現象進行了初步分析和探討，就水環境控制與題刻展示提升提出了改進之策。

關鍵詞：水下博物館；保護體；水環境；題刻展示探析

一、引言

白鶴梁是位于重慶涪陵一段記錄了長江1200年來水位變化的古代水文題刻石梁，因其獨特的枯水水文價值，1988年被公布為全國重點文物保護單位，2006年、2012年兩次被列入《中國世界文化遺產預備名單》。長江三峽工程興建后，因正常蓄水位175米，白鶴梁題刻將長久淹沒于長江水下，國家于2003年對其實施重點保護。2009年5月18日，這項在三峽工程中論證最久、投資最多、施工難度最大的文物保護工程，歷時7年艱辛保護，應用“無壓容器”原理方案，解決了許多工程和技術上的難題，以世界首例在長江水下修建博物館的形式成功實現了白鶴梁題刻原址保護和展示。白鶴梁水下博物館自2010年4月正式開放以來，每年接待觀眾達20余萬人次，拓展了三峽文物保護成果可持續發展空間。但不可忽視，建立在白鶴梁題刻原址保護工程基礎上的白鶴梁水下博物館，其保護方式和管理運行模式在世界范圍內都是獨特的，目前在保護和開放運行中面臨一些新的挑戰和問題。其中，加強對題刻保護體內水質的改進、水體凈化度和題刻展示可視度提升的深入研究，讓觀眾能夠很好觀賞到題刻原址，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。

二、出現的問題

聯合國教科文組織將白鶴梁定義為世界上第一座觀眾通過非潛水方式參觀的水下博物館，即觀眾參觀完白鶴梁地面陳列館后，通過乘坐90米長的電梯進入到長江水下38米深處，穿越水下時空，以非闖入式近距離觀賞白鶴梁千年題刻。這就是白鶴梁這項不同于國內外其他文物保護工程的核心價值所在。

白鶴梁題刻原址保護采用的是“無壓容器”原理。其基本思路是在白鶴梁上修建1個鋼筋混凝土保護殼（以下簡稱保護體），將題刻原址籠罩密封，內蓄3800立方水，并設專門的循環水系統與江水相通，通過保護體內水壓抵消外部的江水壓力確保其安全，同時對進出保護體的水進行循環過濾，在保護體內為白鶴梁題刻提供一個清澈透明的水環境，使白鶴梁題刻在原環境中得到保護的同時，保障題刻的清晰度和參觀效果，游客可通過保護體上設置的23個觀察窗借助水中照明系統觀看水中題刻。因此，保護體內水質的清澈是保證清晰觀看題刻的前提，關系到水下博物館的正常開放。但是，白鶴梁水下博物館2009年5月建成開放僅3天，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。然而題刻保護體內水質仍然出現周期性不穩定現象，水質時而清澈，時而渾濁，同時題刻表面生物膜滋生，水中藻類大量繁殖，直接影響題刻觀賞和題刻保護。由于保護體空間結構和現有布局監測設施不便于對水質進行直接測量和實時采集數據，僅根據操作人員從全景窗能看到窗口多少判斷水體為“清晰”或“模糊”的觀測記錄統計，保護體內可視窗口在4個以下（較為模糊）不能滿足題刻觀賞要求的，2010年182天，為年開放日49.8%，2011年102天，為年開放日27.9%，因問題嚴重掛牌公示請觀眾“自行選擇參觀與否”，2010年8次，2011年6次，引起觀眾和社會較大反映。同時水耗不斷增長，運行成本增加。2010年水耗31.8萬噸，水費103萬；2011年水耗26.7萬噸，水費97.9萬。其中，2010年7月，2011年6、7月，月均水費達25萬元。保護體水環境不良狀況使新生的水下博物館陷入開放還是閉館的尷尬困局，也引起業內人士對白鶴梁水下博物館可持續發展的擔憂。

三、原因分析

對于上述白鶴梁保護體內水環境現象及產生的原因，開放之初工程的設計方、施工方、業主方積極進行了探索和治理，并通過將水中照明燈具的鋁制外殼更換成不銹鋼外殼，將觀察窗壓條更換成不銹鋼材質，投放藥劑等有效地解決了水中部分金屬構件銹蝕和金屬懸浮物問題。但對影響水體透明的原因眾說紛紜、莫衷一是，在實際操控中主要是通過大量補水來提升水體透明度，總體上效果甚微，保護體內時而清晰時而渾濁的不穩定現象沒有得到遏制，題刻觀賞效果沒有改觀，水耗則不斷增加。據此，對出現的問題有必要建立在科學數據的基礎上加以綜合研究，用正確的研究結論指導工作實踐。本人通過近幾年在白鶴梁水下博物館開放管理工作實踐，結合相關課題研究，對保護體內上述水環境現象原因及對題刻展示保護的負面影響提出一些粗淺思考。

（一）長江水對保護體的滲入是影響水體透明度及題刻辨識度的最直接因素

水體透明度和題刻的辨識度，是影響白鶴梁題刻展示效果的根本所在。透明度（SD）是水體能見程度的重要參數，直接影響白鶴梁保護體內水體透明度的首要因素為濁度（NTU）。根據多年水樣測試和觀測對比，通常情況下，保護體內水體濁度在3NTU以上，視覺上就會有模糊感，而影響到保護體內水的濁度主要因素是江水的滲入。當然，潛水員入內清洗題刻因攪動沉積物也會引起水體渾濁。換言之，保護體內水質清澈度及水質變化主要是受長江水位、江水漲落變化及江水流速因素直接影響，并形成相關規律。但由于連接循環水系統與長江水相通的平衡器，自白鶴梁水下博物館開放以來一直處于關閉狀態，江水無法通過連通器進入保護體，保護體內實際補充的是自來水，加之江水進入保護體近乎隱形，不易目測，因此，江水是導致保護體水質變化影響題刻觀賞效果的主要因素這一觀點，至今仍有業內人士存疑。在此，有必要通過部分運行基礎數據的對比分析作重點闡述。

白鶴梁水下博物館自2010年開放以來，循環水系統操控實踐數據統計顯示，每年5月下旬至9月期間，受降雨影響、三峽庫區入水量逐漸增加，江水轉向渾濁，流速加快，水位漲落變化頻繁，保護體內濁度增加，循環系統操作可控難度增加，保護體內補水量大幅增長。當年11月至次年4月期間，三峽庫區蓄水水位穩定，流速減緩，水質轉向清澈，保護體內透明度較好，水質穩定，循環系統操作可控性好，補水量大幅減少。 針對保護體水環境不穩定現象，自2011年6月以來，重慶大學城環學院研究人員先后近20次進入題刻保護體內提取水樣分析，保護體內水體濁度的變化趨勢與外江水的濁度趨勢一致。見表1、表2。

此外，2010年至2014年夏季長江汛期，循環水系統操作人員先后數十次在保護體內上下游處發現有濁水滲入體內，并迅即呈霧狀彌漫保護體。

觀察還發現，三峽庫區水域處于150米左右低水位時，江中過往大型船只產生的波浪對保護體內清澈度有影響，說明在浪潮的沖壓下江水進入保護體。

從以上數據變化可以尋覓出一個規律，長江水的變化對保護體內水質起著強大的作用力，即江水的濁度、流速、落差變化與保護體水體濁度和水資源的消耗有直接關系。江水越渾濁、流速越快、水位漲落變化越大，保護體內就越易渾濁，題刻辨識度越低，水耗也越大。反之，江水清澈、流速緩慢即使處在高水位，保護體內水質就清澈穩定，題刻觀賞性就好。向保護體內補水的目的是使保護體內水壓力與外江水壓力保持一致，抵消外江壓力防止江水進入。夏季汛期，因江水渾濁、水勢無常，外作用力大，江水進入保護體內導致濁度增加的可能性大，需要靠不斷補充自來水保持內外壓差動態平衡抵御江水進入，因此耗水量增加。冬春之際，三峽大壩蓄水或緩緩放水，江水清澈，水流穩定，對保護體內壓力小，即使偶有進入，對保護體內水質和觀賞效果也無大礙，補水相對減少。

白鶴梁保護體工程本系密封工程，而在循環水系統實際運行過程中，連接保護體和外江水的連通平衡器處于關閉狀態，那么江水從什么地方進入造成對保護體的影響？其一，地質勘察研究表明，白鶴梁題刻主要地層為侏羅系中統自流井組砂巖、頁巖、泥巖組成，抗沖刷能力較差，頂部砂巖層裂隙發育，連通性好，為較強的透水層和含水層，抽取的地下水與長江水的分析結果對比，兩者化學成分基本一致，表面地下水為長江水的滲漏水，地下水位埋深與江水一致，水位動態隨長江水位季節性變化而變化，進而影響到保護體內水體透明度。其二，長江三峽庫區水位變化，有可能引起保護體和巖石的結構發生變化，導致保護體與基地巖石接觸處可能存在密封不嚴，加上地質結構復雜性，外江水與保護體水體存在交換。在江水流速增加、漲落幅度頻繁、沖擊力增大作用下，江水易通過保護體與巖體的結合部、裂隙、巖體透水層滲透進入保護體，造成人工調控難度增大，出現時而渾濁時而清澈的狀況，但也因內外水體的直接連通保障了保護體結構安全。

（二）保護體內藻類和生物膜的滋生、泥沙的沉積對題刻觀賞度的綜合影響

藻類和生物膜是影響白鶴梁題刻保護體內水體透明度僅次于濁度的因素。自2009年開放以來，保護體內題刻表面滋生生物膜，藻類大量繁殖，部分附著在水中燈飾上面形成多個生長區塊。經重慶大學2012年10月以來多次取樣檢測分析，保護體水中含有針晶藍纖維藻、小球藻、皮狀席藻等。這些水中藻類，一方面增強對光的吸收和散射，阻礙光線在水體中傳播，另一方面降低光輻射衰減，降低水體透明度，加之題刻表面覆蓋生物膜和泥沙沉積，致使題刻字跡模糊，辨識度低，對白鶴梁題刻觀賞性和水環境都帶來不良影響，題刻所在巖體表面滋生生物膜還會促進生物風化，降低巖石抗風化能力。藻類、生物膜生長和泥沙的沉積迫使潛水員頻繁進入保護體清洗題刻，形成對題刻文物過多的人工干預。重慶大學等相關研究表明，保護體內藻類的生長除了其內部生理特征外，受外部驅動因素影響很大。其一，水下流速對藻類生長的影響。控制在保護體內的水處于相對靜止狀態，流速較慢，肉眼幾乎看不見，有利于藻類生長。其二，光照強度對藻類生長的影響。研究表明，保護體內題刻照明是108盞LED照明燈，題刻內平均照度為419LX，為藻類生長提供了有利的光照條件。其三，溫度升高有利于藻類細胞密度和生物量增加。此外，還有氮、磷營養素等其他因素對藻類生長的影響等。

（三）現有水下照明系統光照均勻，滿足不了題刻觀賞的要求

白鶴梁題刻保護體內水下照明系統采用了先進的LED照明技術，并結合復雜水下工程技術，形成了獨特的深水照明系統。其系統設計水下可卸式穿艙連接器、水下可插拔接插件等技術的應用，解決了水下照明設備的更換維護問題。保護體內照度達到了設計提出的“平均照度350LX”的要求，滿足了展示白鶴梁題刻的基本要求。

但是經過五年的開放運行實踐和上海交通大學海科集團、中國海洋大學、重慶大學相關實驗研究表明，從展現白鶴梁題刻藝術文化內涵的深度以及申報世界文化遺產的高度來看，白鶴梁題刻水下照明系統僅僅讓觀眾“看得見”白鶴梁題刻是遠遠不夠的，還存在如下需要進行改進和提高的問題：

1.照度雖然達到了設計要求，但是燈具均衡布置，照度均勻，視覺效果平淡，不能突顯重點題刻，缺乏視覺的沖擊力。

2.水下照明燈只能簡單地分組開關控制，不能進行照明亮度調整，不能單獨控制每一盞燈，難以實現分塊分區的照明控制。

3.燈具投射光線的直線性差，光束角較大，題刻字跡的光影對比效果弱，展示效果不佳。

4.光照是白鶴梁保護體內藻類生長的條件之一，目前簡單的開關型照明控制方式，導致過多無謂的光照，這對藻類生長、凈化水質不利。

（四）觀察窗玻璃光源衰減及其他因素對題刻觀賞的影響

白鶴梁題刻文物保護工程水下參觀廊道共設有觀察窗23個，觀察窗外徑950毫米，沿長度方向均勻布置，其中一個為全景觀察窗。觀察窗玻璃系國產亞克力材料，每個觀察窗包含內外兩塊玻璃，內窗玻璃直徑為825毫米，厚度88毫米；外窗玻璃直徑為790毫米，厚度為84毫米。

觀察窗于2005年3月安裝焊接完工，同年5月淹沒于水下，目前觀察窗已達設計使用年限。觀察窗玻璃長期處于長江深水38米中，由于水下承受拉應力、水體侵蝕及光照等作用，觀察窗玻璃力學指標正在降低，發生變黃和老化絲紋，透光性和強度變差，影響到水體清晰度和題刻可視度。觀察窗夾層的清洗功能缺失，導致玻璃夾層之間生長霉斑且有大量雜質存在而無法清洗，大大降低觀眾觀賞視覺美感。保護體內燈飾、觀察窗等部位鋼構件存在銹蝕現象，也會對水體環境產生一定影響。

此外，由于江水與保護體水體之間實際存在交換，導致泥沙滲漏到保護體內可能性大，泥沙的沉積和細菌的滋生都是水環境凈化、題刻展示中不容忽視的問題。

四、啟示和建議

（一）加強對白鶴梁題刻水環境基礎綜合研究

自2012年以來，白鶴梁水下博物館與重慶大學合作建立白鶴梁水下文物環境保護科研基地，開展《白鶴梁題刻水環境現狀分析））課題研究，對白鶴梁題刻保存狀況、水環境狀況建立了人工定期取樣、分析、評估、跟蹤監測機制，及時掌握水環境狀況及水下題刻安全動態，印證了長江水對保護體內水質變化的影響因素以及相關規律，澄清了一些困擾水體運行爭辯不一的疑惑。工作人員根據長江水位高程和水流速度適時調整補水量，設置了循環水自動報警和自動補水裝置，有效防止了因缺水導致江水進入保護體。同時將5微米精密過濾器濾芯更換為1微米濾芯，注入方式由自來水直接注入改變為經過循環過濾后再進入保護體，濁度逐年呈下降趨勢，能見度趨于穩定，有效地提升了參觀效果，水耗也明顯降低。見表3、表4。

但是，水下文化遺產的保護具有特殊性，白鶴梁題刻實施的是水下原址保護與展示工程，相對于地面文物和其他水下文化遺產保護更難。保護體、參觀廊道等建筑體長期沒入長江水下侵蝕，加上水下植物生長對原址的無形破壞，無論如何復原水環境，都與原先不同。保護體內藻類生長、水質的凈化、鋼構件防腐、石質文物防風化保護、長江汛期防止江水進入保護體，提升題刻辨識度等面臨的挑戰和問題仍然很多，疑惑和爭議仍然會存在。保護體內水環境關系到題刻的安全和展示效果，必須要持續開展水體變化、藻類生長、巖體風化、鋼構件銹蝕等綜合性基礎研究，積極創造有利于題刻保護和展示的水環境。一是開展實踐探索，在補水中添加消毒劑的種類和投加量，減少由未經消毒的水帶入保護體內的細菌，控制細菌滋生，但要避免過量產生二次污染對題刻帶來不利因素；二是盡量減少保護體燈光照射時間，并持續開展微濾除藻、遮光除藻、紫外燈殺菌、對補水進行脫氧除磷等，抑制藻類和生物膜滋生；三是定期對保護體內泥沙進行XRD對比分析，加強對題刻本體基巖動態監測，進一步掌握保護體與長江水連通的變化趨勢，以及顥刻存特定水環境下的強度變化。

（二）完善水環境監測預警智能化系統，科學管理和調控水環境

掌握合理的補水量是實現“無壓容器”原理最佳運用的關鍵。操作人員通過多年的實踐經驗，尋覓出補水量隨江水的流速和迅猛漲落變化而變化的規律，通常是江水流速增加1萬方/秒，每小時補水增加10方左右，日水位落差在6米左右，每小時補水增加8方左右。但是水勢無常，視情而變。由于目前循環水操作系統和監測系統智能化程度不高，缺乏水環境狀況的監測和治理的實時數據，對題刻保護體內水溫、酸堿度、濁度等常見參數缺乏智能化實時監測和數據采集，也無法實時監測和采集保護體內外水壓動態平衡數據。在實際操控中，主要靠人工操作而不能實現數字監測并自動平衡內外水壓差為零，難免出現補水過多或不足誤差帶來不利因素。補水不足造成江水進入保護體影響水質和題刻辨識度，達不到觀賞要求。補水過量并非全都在循環使用，實際上部分水源在壓力作用下外泄入江，加大題刻基巖裂隙沖刷和滲透性，長時間將會對題刻及保護體結構安全帶來危害。另外，保護體內水的濁度超過3NTU以上就會產生淡霧感，前幾年直接注入的自來水經多次取樣測試為2.5NTU-3NTU左右，所以即使江水沒有進入保護體，過多補充沒有經過循環過濾的自來水也會影響水體透明度，并造成水資源浪費。

此外，藻類繁殖、生物膜滋生、金屬結構發生電化學腐蝕，都與保護體內水質的物理、化學、生物指標有關。因此，有必要在題刻保護體內建立水質、水壓實時監測網，根據保護體內外壓差監測數據合理補水，保持內外平衡，將保護體內外的壓差保持在允許范圍內，保證保護體結構安全，保障水質清澈，也減少盲目補水外泄入江導致對文物基巖沖刷的危害。實時采集水體溫度、濁度、PH值等數據，建立保護體內水質的物理、化學、生物指標數據庫，掌握保護體內生物膜、藻類等附著物生長規律和體內外水壓動態數據。從而采取有效措施保持水質健康，抑制生物膜和藻類生長，防止對題刻腐蝕和覆蓋，提升題刻展示效果。研究安裝沉積物清理系統可行性，實現定期對題刻表面沉積物自動化清除，盡量減少潛水員頻繁進入保護體內清洗題刻表面附著物帶來的人工干預。

（三）改進水下基礎設施，提升硬件保障

其一，現有的水下照明控制簡單，智能化程度不高，存在過多的無謂光照，利于藻類生長影響水環境。因此，必須盡快開展水下照明系統改造工程，采用更為先進的技術手段實現保護體內燈光亮度的程序化、智能化控制，通過減弱背景光亮度、突出明暗對比、光影對比等手段豐富題刻的表現層次，改變原有照明光線平淡無奇的狀態，展示重點題刻，減少保護體內無謂的光照和溫升，弱化藻類生長，從而達到更好的視覺效果。

其二，參觀廊道玻璃窗不僅是題刻觀賞的基礎條件，也是白鶴梁水下博物館可持續發展的基本保障，更換玻璃窗及完善清洗功能的任務已刻不容緩。欣慰的是這項工程已開始實施。在長江水下建筑更換觀察窗玻璃在國內外尚無同類先例可循，面臨極大的挑戰和風險。關鍵的問題是迎水面玻璃必須由潛水員進入保護體在水下裝配施工，限于條件最多進人2名潛水員，在保護體內工作時間不能超過1小時，難度及風險都很大，工程本身的不確定性也給更換工作帶來了很大難度。如果產生意外，則意味著整個參觀廊道都會被淹沒，事關白鶴梁水下保護體建筑工程的安危和水下博物館的生存，后果不堪設想。自2014年7月始，該工程云集了國內在這個領域最優秀的專家和技術人員克難攻堅，通過現場勘驗分析，對現場情況做出評估，制定了詳細周密的施工組織方案，對水下供氣系統、供水系統、加減壓系統、排水系統、水密門及通信系統等做全面檢查、維修、更換和改造，設計加工完成觀察窗內外層玻璃拆卸安裝專用設備和水下吊運設備，解決潛水員水下卸裝及運送觀察窗的步驟及方法，為水下安裝工作打好基礎。經過10個月的水下艱苦作業，23個觀察窗玻璃已全部安全更換。更換后的玻璃為聚甲基乙烯酸丙酯，抗壓力強，清晰度、透光度達95%以上，是國內目前品質和工藝最好的，大大高于原玻璃，水中視覺效果大大提升，滿足參觀要求，完善了玻璃自動清洗功能，更為重要的是為今后觀察窗玻璃維護常態化奠定了基礎，從根本上保障了白鶴梁水下博物館的可持續發展。

五、結語

水下文化遺產保護是我國文化遺產保護事業的一項新興的課題，真正得到有效保護和合理利用的水下文化遺產并不多。白鶴梁水下博物館的建成開放具有特殊意義，目前所面臨的已不僅僅是簡單的文物保護，而是涉及水下結構安全、遺產展示、環境承載、特種設備、長江水利、航道交通、觀眾認知評估等多專業、多學科系統工程，保護工作任重道遠，需要在開放運行中不斷探索。受制于主客觀條件，博物館自身目前無法獨立開展對上述現象的研究工作，必須堅持開放與合作，打破行業和部門的壁壘，吸引不同領域的專家學者，共同參與對白鶴梁題刻水環境現狀的深入研究。通過吸收現代科技最新成果，來解決白鶴梁題刻水下保護及展示方面的重點、難點和瓶頸問題，更好地指導白鶴梁水下博物館運行實踐，夯實可持續發展基礎。