水下文化遺產監測預警體系設計初探
——以白鶴梁題刻為例

蔣 銳，鄧 佳，楊 娟

（重慶中國三峽博物館，重慶 400015）

水下文化遺產是文化遺產的組成部分，不同的是環境上的特殊性。早期因為水下考古技術上的限制，水下文化遺產的保護和利用十分有限，早期的法律體系并沒有根據環境進行明確區分，只是籠統歸于文化財產（遺產）之內。1978年歐洲理事會通過了《水下文化遺產報告》（Underwater Cultural Heritage），這也是首次明確提出“水下文化遺產”的國際文件。

2001年聯合國教科文組織頒布了《保護水下文化遺產公約》。其中提出了在進行水下文化遺產保護時，第一選擇是原址保護，其根本原因是基于對水下遺址原始真實性的渴望和欣賞。根據航海考古學會（NAS）所提供的數據資料顯示，相比于陸地埋藏環境，文物在水下埋藏環境當中更容易得到保存，所以，出于保護技術、經費等多方因素考慮，現今國外水下文物保護工作者更傾向于采取將文物于水下原址埋藏作為保護方案[1]。

隨著中國科學工程技術的發展，水下原址展示的方式使公眾能夠近距離的觀賞這些遺跡，重慶白鶴梁水下博物館采用的就是這種方式。原址建設、原環境保護、原狀態展示是白鶴梁水下博物館的建館理念。正是在全面保護的理念下，中國水下文化遺產保護工作者與工程技術人員，為了保護這一珍貴的文化遺產攻克了大量的難關，先后論證了10年，提出了7個保護方案，最終采用了“無壓容器”原理方案，以修建水下博物館的形式對題刻進行原址水下保護[2]。

通過探索和實踐，白鶴梁題刻作為世界上第一個水下文化遺產原址保護與展示的項目，得到了寶貴的經驗，其真實性和完整性保存較好（圖1）。為有效監測白鶴梁題刻的安全運行狀況，確保水下保護體游覽和結構安全，在水下博物館設計、建造期間，在其長軸上下游、短軸上下游、穹頂、交通廊道、觀光廊道等典型關鍵部位，設計安裝了基巖變位計、鋼筋計、混凝土應變計等監測儀器，數據采集后通過專業機構監測分析水下文化遺產穩定性運行。缺點是現有的監測方式非常被動、監測手段無法滿足文物保護要求，有部分監測點位設備損壞、數據丟失，無法進行實時預警，監測設備零散，缺乏完整性、系統性和科學性，缺乏對監測數據進行分析研究，無法實現對文物本體的有效監測。

圖1 白鶴梁題刻原貌圖（來源：重慶白鶴梁水下博物館提供）

鑒于水下文化遺產保護的特殊性，為使白鶴梁題刻的保護更加科學，筆者團隊與相關機構合作，探索水下文化遺產監測保護的內容和方法，規劃建立白鶴梁題刻本體及保存環境可預防性監測指標體系。

1 國內外遺產監測現狀

當今世界不少國家都在執行和探索保護文化遺產的方式和方法，比如法國、日本、韓國、美國、意大利等國都是在文化遺產保護方面比較成功的國家[3]。世界遺產保護協會對列入《世界遺產名錄》的文物提出相關的保護要求，當前的系統建設更多的是為了保護物質遺產，對于各種建筑物、構筑物、山水等依據世界各地不同的氣候、不同的文化做出自身的保護標準[4]。

中國世界遺產監測系統的建設起步較晚，最初國內的第一家按照相關制度和標準建設的是蘇州園林的世界遺產監測系統，形成了國內比較有代表性的監測預警系統。國內監測預警方面主要對文物本體、大氣質量、安全環境和自然災害等進行監測[5]，近幾年來，通過對敦煌莫高窟、大足石刻、龍門石窟等文化遺產監測的探索，形成了中國特有的文化遺產監測體系。

水下文物的監測保護與陸地相比有較大的不同。水下文物常年淹沒于水下，且通常情況下，不管是內水還是海域，水下環境狀況不明，受理化環境、水動力環境、水生物生態系統等影響較大，這些因素決定了保護水下文物非常需要科學技術的支持，從而建立水下文物安全監測系統。目前我國對水下文物的監控保護主要是通過執法部門定期或者不定期巡邏，或者通過岸基、船載雷達來監測水面船只，對水下文物本體預警監測較少。

20世紀40年代“水肺”被發現后，法國就開展了水下考古；韓國也在20世紀70年代開展了相關的水下文物保護工作；意大利是水下文物保護技術較為發達的國家，其相關法律和慣例體系非常健全，發現水下文物點，立即將位置信息錄入地理信息系統，并采用水上、水下的監測技術，進行立體監控，一旦有船只接近相關海域，馬上報警，由相關部門進行查處[5]。這些監控手段和方式主要在于防止水下文物盜撈，而對水下文物本體的保護、病害、自然環境影響因素等考慮不足。

2 白鶴梁題刻文物本體和保存環境的監測分析

白鶴梁監測預警系統平臺初步規劃設計包含21類、84項，涵蓋了國家17類、59項指標數據，并依據中國文化遺產研究院制定的規范性要求，實現與省市、國家監測平臺數據的共享。一期項目涉及系統平臺搭建、部分監測設施設備安裝等，整個監測項目預期投入1 197萬元。

白鶴梁監測預警系統由基礎信息管理系統、動態信息管理系統、遺產監測管理系統、預警信息管理系統、信息服務系統5部分組成（圖2）。

圖2 水下40 m白鶴梁題刻文物本體的保護現狀（來源：重慶白鶴梁水下博物館提供）

2.1 基礎信息管理系統

基礎信息管理系統由申遺承諾、遺產地申報資料、遺產地基礎信息、文物保護單位檔案4部分組成。包含了白鶴梁題刻申遺文本、OUV聲明材料、定期報告、承諾事項內容、完成時間、目前進展、基礎信息、遺產總圖、遺產要素分布圖、四有檔案、保護監測方案等國家文物局要求監測的4個方面、22項內容。

2.2 動態信息管理系統

動態信息管理系統從白鶴梁題刻保護項目管理、展示利用、管理活動現狀、保護管理規劃、保護研究、宣傳教育、水下文化遺產保護、機構與能力建設8個方面，實現機構與能力建設、信息歸檔匯總管理、管理活動現狀跟蹤管理、展示利用狀況的建檔管理、宣傳教育情況的跟蹤管理、白鶴梁題刻本體及環境保護現狀管理、保護項目管理跟蹤管理、保護管理規劃狀況的跟蹤管理、保護研究等監測數據的對接、信息共享等27項管理功能。

2.3 遺產監測管理系統

遺產監測管理系統以國家級監測預警指標為參照，可將白鶴梁題刻監測指標分為日常管理、建設控制、社會環境、自然環境、本體與載體病害、旅游與游客管理、安全防范監測信息數據7大類、28項指標。構建監測預警指標體系，對題刻本體、水下保護環境、外部環境、具體監測部位等進行查詢、新增和修改等功能設置，通過該系統實現監測指標和監測數據的動態維護。

2.4 預警信息管理系統

預警流程信息管理子系統由預警指標研究與制定、數據評估、信息發布3大類組成。確定威脅白鶴梁題刻的破壞因素，制定預警指標和評估標準，發布預警信息和專業評估報告。目前，根據前期預埋的監測設備和監測數據，可基本實現對水下建筑物等監測。但由于水下文物本體和保存環境的監測處于起步階段，預警值尚無行業標準，需要通過長期的摸索實踐，對大量的基礎監測數據研究分析后才能逐步實現預警功能。

2.5 信息服務系統

信息服務系統包含輔助決策分析、科研信息服務、公眾參與監督、輿情信息4大類的信息數據。系統能夠為白鶴梁題刻保護管理處的管理提供決策信息和分析數據；通過大數據分析為白鶴梁題刻研究管理提供相關準確的科研信息服務；提供水下文化遺產保護公眾參與和監督平臺等功能。

3 白鶴梁題刻監測預警系統搭建

白鶴梁題刻已通過“無壓容器”原理在水下進行了原址保護，是水下文化遺產原址保護和展示利用的典型案列，在全世界尚屬首例。對白鶴梁題刻的監測應重點考慮對題刻表面微生物及石質弱化監測和巖石裂隙監測，同時對文物本體所處保護體內的水質進行監測，研究水質的變化與石質文物本體保存的關系，指導循環水補水系統在保護體內的有效運行。將前期與重慶大學取樣及檢測分析的結果錄入到監測系統平臺。針對水下保護體的安全監測主要從保護體等壓監測及閉環管理、水下保護建筑體安全性、文物本體病害、文物保存環境等多方面考慮。“等壓”是整個保護建筑體的核心，保護體內外水壓力的不均衡，會對保護體的安全造成一定隱患，不利于文物本體的保護。本文擬根據以上因素搭建白鶴梁題刻遺產監測預警管理系統平臺，從保護體等壓監測及閉環管理、保護體內保存環境、水下建筑體安全性、文物本體及病害、水下博物館環境、游客監測與管控6個方面進行監測，以期實現對白鶴梁題刻的預防性保護。

白鶴梁題刻監測預警系統從保護體等壓、文物本體及病害等6個方面、15個子項進行構建，構架圖如圖3所示。

圖3 白鶴梁題刻遺產監測預警系統平臺構架圖（來源：作者自繪）

3.1 保護體等壓監測及閉環管理

白鶴梁通過每天給水下保護體內人工控制閥門進行經驗性補水，以實際達到保護體與外江水的壓力基本平衡，其補水量依靠當天外江水位、流速等因素確定。一旦出現保護體內水壓力低于或高于長江水壓力，則不易保持相對比較穩定的等壓關系。

保護體等壓監測系統主要負責保護體內水壓、保護體外長江的水壓、保護體外長江的水位以及保護體外長江的流速等指標數據的采集、保存、實時記錄。即在保護體內和保護體外等高的位置安裝水壓監測設備，實時獲得保護體內外壓力數據，根據兩段壓力差，結合外江水位及流速參數，適時補充水量以達到兩端等壓的目的。保護體循環水補水量

監測系統主要負責自來水入口瞬時流量、累計流量、豎式沉淀池入水口瞬時流量、累計流量、末端水箱出水口瞬時流量、累計流量、中間及末端水箱水位等指標數據的采集、保存、實時記錄，通過監測得到實時補水量，為保護體等壓運行和滲水量研究提供數據支撐。

3.2 保護體內保存環境監測

目前白鶴梁保護體內水質監測是通過潛水員每季度進入保護體，在上、中、下3個監測點位取水樣及生物膜，在實驗室進行濁度、溶解氧、Ph值、溫度、電導率及微生物等監測分析。保護體內水質監測主要是針對保護體內水質指標數據的采集、保存、實時記錄，以指導白鶴梁循環水系統的有效運行以及水質與題刻本體保存的關系。同時，水下燈光照明所產生的溫度、光照等方面容易滋生保護體內微生物的生長，對水下照明系統進行實時監測，調節光照強度及色溫，既可有效抑制保護體內生物膜增長，為今后協同評估文物本體病害、水環境變化預警值等主要影響數據做準備，也可為游客參觀題刻提升觀賞效果。

3.3 水下建筑體安全性監測

水下建筑體安全性監測系統包括水下建筑體穩定性監測、長江航運對保護體安全影響、水下建筑體振動監測、交通廊道滲漏水監測4個監測子項。

一是水下保護建筑體穩定性監測。其設計主要針對水下交通廊道和鋼筋混凝土拱水下保護體及鋼結構參觀廊道，因長期受水壓力及泥沙壓力作用，對可能出現的結構位移、變形等影響結構穩定性的情況進行監測。為有效監測白鶴梁水下建筑體的安全運行情況，在最初建立水下博物館時已在建筑體關鍵部位設計安裝了鋼筋計、土壓力計、基巖變位計、應變計、混凝土應變計等監測儀器。按照傳感器傳輸方式，現有的穩定性監測系統中穩定性傳感器分為電測傳感器和光纖傳感器2大類。2類傳感器分別將采集到的數據存儲到各自的上位機；定期由數據分析相關委托單位指派的專人提取后帶回實驗室進行分析，并且出具相應時間段內的數據分析報告。目前穩定性電測傳感器共安裝60個，其中23個出現故障或數據丟失，安裝光纖式傳感器176個，其中18個出現故障或數據丟失。此次設計首先是對現有傳感器進行故障排查，更換部分數據采集器；其次是把數據接入到監測系統平臺，通過獲取各項指標數據，分析其變化趨勢對建筑體所造成的影響，為采取相應的保護措施提供可靠的科學依據。

二是長江航運對保護體安全影響。其設計是為了能監測水下保護建筑體附近江面的航運區域，對過往船只的通過進行無盲區的全過程監測。考慮在長江大堤上安裝2臺高清智能網絡攝像機，分別對水下保護建筑體附近江面的航運區域進行監測，監測區域完全覆蓋整個江面，實時動態監測過往的船只。

三是水下建筑體振動監測。通過振動監測希望能夠實現2個目的：①能夠通過采集到的船只通航時的振動數據，為長江航運對建筑體影響的研究提供振動方面的數據支撐；②通過對采集的數據與建筑體主體材料自振數據的對比分析，并結合保護建筑體穩定性傳感器監測數據的變化，為水下保護建筑體自身健康狀況及發展趨勢評估提供數據支撐。

四是交通廊道滲漏水監測。下游交通廊道變形縫、下游交通廊道內穩定性監測傳感器線纜匯集處和上游交通廊道內穩定性監測傳感器線纜匯集處有滲水點，需要人工排水，滲水的多少、滲水的變化量、滲水的周期變化直接影響到水下保護建筑體的健康狀況。通過監測滲漏水量，得出滲水累積量，分析一定周期內滲水量變化和不同周期內滲水變化，評估水下保護建筑體的健康狀況，以提供科學、有效的數據。

3.4 文物本體及病害監測

一是題刻表面微生物及石質弱化程度監測。由于題刻長期處于保護體內靜水的保存環境下，因此會導致微生物滋生現象，一些滋生的微生物會附著在題刻表面。為此白鶴梁保護管理處委托重慶大學定期對保護體內題刻表面生物膜取樣檢測分析，發現生物附著在題刻表面會分泌少量有機酸，長時間堆積在題刻，可能會對題刻巖石的強度產生影響，導致題刻表面石質弱化。通過實施題刻表面微生物及石質弱化監測，了解微生物繁衍的規律及觀察題刻表層在一定周期內題刻表面結構的變化、風化的剝落速度。同時將所采集的題刻表面微生物數據、石質弱化監測數據及水質監測數據與題刻基礎資料搜集獲取的標準圖片形成技術性比對，以分析其變化對白鶴梁題刻本體所造成的影響，為科學合理地采取保護措施提供數據支撐。

二是巖體裂隙監測。巖體裂隙是石質文物的主要病害，題刻在江水不斷地沖蝕下，其巖體裂隙有可能擴大，在長期的不平衡外力作用下，巖體發生位移和題刻損壞的可能性會增大。為了確保題刻的安全和長期保存，對白鶴梁題刻裂隙實施監測是很有必要的。通過監測掌握裂隙的發育及演變趨勢，以及保護體內外壓力的平衡對于巖體裂隙的影響進行關聯性的分析，為制定相應的保護措施提供數據支撐。

3.5 水下博物館環境監測

水下博物館環境監測主要針對水下參觀廊道的溫、濕度及二氧化碳含量進行監測。通過對白鶴梁水下博物館展廳及水下參觀區環境的監測數據的分析，為參觀舒適度提供了科學的依據，為游客承載量的科學設置提供數據支撐，同時為游客消除了可能存在的健康隱患，提供一個安全、舒心的參觀環境[6]。

3.6 游客監測及管控

包括游客數量、瞬間容量、游客滿意度及安全等監測模塊。游客實時數據利用現有的道閘系統進行實時監測目前游客的分布區域，為游客管理疏導起到數據支撐作用；同時可以進行游客分時段累積量的呈現，為博物館游客參觀時間和人數控制進行數據分析，合理地安排、布置游客游覽階段時間。

建立“白鶴梁題刻文物本體和保存環境監測系統”，實現與國家文物局監測預警中心、國家相關部委、市級文物局、其他遺產地、白鶴梁題刻各相關職能部門、社會公眾等交換數據，為相關決策提供基本依據。白鶴梁題刻文物本體和保存環境監測系統要對文物本體和保存環境實施管理，自動對監測數據進行實時采集、存儲、管理、分析、展示和預警，極大提升主動預警能力，同時通過對其進行評估，可使遺產地對其文物及遺產等的監、管、保護水平再上一個臺階。該系統要充分利用當前先進的計算機技術、通信技術、網絡技術、傳感技術、多媒體技術、數據庫技術，使該軟件系統平臺達到自動化、標準化、人機界面友好化。逐步實現建立白鶴梁題刻統一的基礎數據錄入規范，各類數據采集標準、數據傳輸通信接口管理標準，監測預警指標體系和評估體系，能高效、可靠、準確地實現與國家級系統平臺、省市主管單位等進行數據交換。

4 結束語

白鶴梁題刻文物本體和保存環境監測系統項目在實施過程中遇到的諸多困難都沒有先例可循，從2015年立項至今，該項目中基礎信息管理系統、動態信息管理系統、遺產監測管理系統的基本功能逐步搭建完成，但受水下監測設施設備的影響，對文物本體和水下保護設施的監測還顯得較薄弱。由于白鶴梁題刻水下原址保護的特殊方式，且在世界文化遺產監測工作中無先例可循，再加上對水下遺產本體、保存環境及保護工程等如何采集監測數據、合理設定預警值等方面理解還不夠深入，如金屬構件腐蝕、光源溫度對微生物繁殖速度的影響等許多監測對象和數據有待進一步研究梳理。對于如何在水下對文化遺產本體進行有效監測尚缺乏專業儀器和行之有效的手段，如何解決監測設備的防水和抗壓是一個難題，所以預警信息管理系統、信息服務系統還有待于建立長效工作機制，在具體實施和使用過程中完善和更新。但監測預警系統的初步設立，有助于收集分析白鶴梁題刻本體和保存環境的基本監測數據，對白鶴梁題刻的保護現狀進行研究分析，給出合理的預警性保護數據和措施。有助于科學合理地制訂白鶴梁題刻保護管理規劃，為申報世界文化遺產提供數據支撐。白鶴梁題刻監測預警體系的探索，將對世界水下文化遺產預防性保護提供可借鑒性的經驗。