水下文化遗产监测预警体系设计初探——以白鹤梁题刻为例

蒋 锐，邓 佳，杨 娟

（重庆中国三峡博物馆，重庆 400015）

水下文化遗产是文化遗产的组成部分，不同的是环境上的特殊性。早期因为水下考古技术上的限制，水下文化遗产的保护和利用十分有限，早期的法律体系并没有根据环境进行明确区分，只是笼统归于文化财产（遗产）之内。1978年欧洲理事会通过了《水下文化遗产报告》（Underwater Cultural Heritage），这也是首次明确提出“水下文化遗产”的国际文件。

2001年联合国教科文组织颁布了《保护水下文化遗产公约》。其中提出了在进行水下文化遗产保护时，第一选择是原址保护，其根本原因是基于对水下遗址原始真实性的渴望和欣赏。根据航海考古学会（NAS）所提供的数据资料显示，相比于陆地埋藏环境，文物在水下埋藏环境当中更容易得到保存，所以，出于保护技术、经费等多方因素考虑，现今国外水下文物保护工作者更倾向于采取将文物于水下原址埋藏作为保护方案[1]。

随着中国科学工程技术的发展，水下原址展示的方式使公众能够近距离的观赏这些遗迹，重庆白鹤梁水下博物馆采用的就是这种方式。原址建设、原环境保护、原状态展示是白鹤梁水下博物馆的建馆理念。正是在全面保护的理念下，中国水下文化遗产保护工作者与工程技术人员，为了保护这一珍贵的文化遗产攻克了大量的难关，先后论证了10年，提出了7个保护方案，最终采用了“无压容器”原理方案，以修建水下博物馆的形式对题刻进行原址水下保护[2]。

通过探索和实践，白鹤梁题刻作为世界上第一个水下文化遗产原址保护与展示的项目，得到了宝贵的经验，其真实性和完整性保存较好（图1）。为有效监测白鹤梁题刻的安全运行状况，确保水下保护体游览和结构安全，在水下博物馆设计、建造期间，在其长轴上下游、短轴上下游、穹顶、交通廊道、观光廊道等典型关键部位，设计安装了基岩变位计、钢筋计、混凝土应变计等监测仪器，数据采集后通过专业机构监测分析水下文化遗产稳定性运行。缺点是现有的监测方式非常被动、监测手段无法满足文物保护要求，有部分监测点位设备损坏、数据丢失，无法进行实时预警，监测设备零散，缺乏完整性、系统性和科学性，缺乏对监测数据进行分析研究，无法实现对文物本体的有效监测。

图1 白鹤梁题刻原貌图（来源：重庆白鹤梁水下博物馆提供）

鉴于水下文化遗产保护的特殊性，为使白鹤梁题刻的保护更加科学，笔者团队与相关机构合作，探索水下文化遗产监测保护的内容和方法，规划建立白鹤梁题刻本体及保存环境可预防性监测指标体系。

1 国内外遗产监测现状

当今世界不少国家都在执行和探索保护文化遗产的方式和方法，比如法国、日本、韩国、美国、意大利等国都是在文化遗产保护方面比较成功的国家[3]。世界遗产保护协会对列入《世界遗产名录》的文物提出相关的保护要求，当前的系统建设更多的是为了保护物质遗产，对于各种建筑物、构筑物、山水等依据世界各地不同的气候、不同的文化做出自身的保护标准[4]。

中国世界遗产监测系统的建设起步较晚，最初国内的第一家按照相关制度和标准建设的是苏州园林的世界遗产监测系统，形成了国内比较有代表性的监测预警系统。国内监测预警方面主要对文物本体、大气质量、安全环境和自然灾害等进行监测[5]，近几年来，通过对敦煌莫高窟、大足石刻、龙门石窟等文化遗产监测的探索，形成了中国特有的文化遗产监测体系。

水下文物的监测保护与陆地相比有较大的不同。水下文物常年淹没于水下，且通常情况下，不管是内水还是海域，水下环境状况不明，受理化环境、水动力环境、水生物生态系统等影响较大，这些因素决定了保护水下文物非常需要科学技术的支持，从而建立水下文物安全监测系统。目前我国对水下文物的监控保护主要是通过执法部门定期或者不定期巡逻，或者通过岸基、船载雷达来监测水面船只，对水下文物本体预警监测较少。

20世纪40年代“水肺”被发现后，法国就开展了水下考古；韩国也在20世纪70年代开展了相关的水下文物保护工作；意大利是水下文物保护技术较为发达的国家，其相关法律和惯例体系非常健全，发现水下文物点，立即将位置信息录入地理信息系统，并采用水上、水下的监测技术，进行立体监控，一旦有船只接近相关海域，马上报警，由相关部门进行查处[5]。这些监控手段和方式主要在于防止水下文物盗捞，而对水下文物本体的保护、病害、自然环境影响因素等考虑不足。

2 白鹤梁题刻文物本体和保存环境的监测分析

白鹤梁监测预警系统平台初步规划设计包含21类、84项，涵盖了国家17类、59项指标数据，并依据中国文化遗产研究院制定的规范性要求，实现与省市、国家监测平台数据的共享。一期项目涉及系统平台搭建、部分监测设施设备安装等，整个监测项目预期投入1 197万元。

白鹤梁监测预警系统由基础信息管理系统、动态信息管理系统、遗产监测管理系统、预警信息管理系统、信息服务系统5部分组成（图2）。

图2 水下40 m白鹤梁题刻文物本体的保护现状（来源：重庆白鹤梁水下博物馆提供）

2.1 基础信息管理系统

基础信息管理系统由申遗承诺、遗产地申报资料、遗产地基础信息、文物保护单位档案4部分组成。包含了白鹤梁题刻申遗文本、OUV声明材料、定期报告、承诺事项内容、完成时间、目前进展、基础信息、遗产总图、遗产要素分布图、四有档案、保护监测方案等国家文物局要求监测的4个方面、22项内容。

2.2 动态信息管理系统

动态信息管理系统从白鹤梁题刻保护项目管理、展示利用、管理活动现状、保护管理规划、保护研究、宣传教育、水下文化遗产保护、机构与能力建设8个方面，实现机构与能力建设、信息归档汇总管理、管理活动现状跟踪管理、展示利用状况的建档管理、宣传教育情况的跟踪管理、白鹤梁题刻本体及环境保护现状管理、保护项目管理跟踪管理、保护管理规划状况的跟踪管理、保护研究等监测数据的对接、信息共享等27项管理功能。

2.3 遗产监测管理系统

遗产监测管理系统以国家级监测预警指标为参照，可将白鹤梁题刻监测指标分为日常管理、建设控制、社会环境、自然环境、本体与载体病害、旅游与游客管理、安全防范监测信息数据7大类、28项指标。构建监测预警指标体系，对题刻本体、水下保护环境、外部环境、具体监测部位等进行查询、新增和修改等功能设置，通过该系统实现监测指标和监测数据的动态维护。

2.4 预警信息管理系统

预警流程信息管理子系统由预警指标研究与制定、数据评估、信息发布3大类组成。确定威胁白鹤梁题刻的破坏因素，制定预警指标和评估标准，发布预警信息和专业评估报告。目前，根据前期预埋的监测设备和监测数据，可基本实现对水下建筑物等监测。但由于水下文物本体和保存环境的监测处于起步阶段，预警值尚无行业标准，需要通过长期的摸索实践，对大量的基础监测数据研究分析后才能逐步实现预警功能。

2.5 信息服务系统

信息服务系统包含辅助决策分析、科研信息服务、公众参与监督、舆情信息4大类的信息数据。系统能够为白鹤梁题刻保护管理处的管理提供决策信息和分析数据；通过大数据分析为白鹤梁题刻研究管理提供相关准确的科研信息服务；提供水下文化遗产保护公众参与和监督平台等功能。

3 白鹤梁题刻监测预警系统搭建

白鹤梁题刻已通过“无压容器”原理在水下进行了原址保护，是水下文化遗产原址保护和展示利用的典型案列，在全世界尚属首例。对白鹤梁题刻的监测应重点考虑对题刻表面微生物及石质弱化监测和岩石裂隙监测，同时对文物本体所处保护体内的水质进行监测，研究水质的变化与石质文物本体保存的关系，指导循环水补水系统在保护体内的有效运行。将前期与重庆大学取样及检测分析的结果录入到监测系统平台。针对水下保护体的安全监测主要从保护体等压监测及闭环管理、水下保护建筑体安全性、文物本体病害、文物保存环境等多方面考虑。“等压”是整个保护建筑体的核心，保护体内外水压力的不均衡，会对保护体的安全造成一定隐患，不利于文物本体的保护。本文拟根据以上因素搭建白鹤梁题刻遗产监测预警管理系统平台，从保护体等压监测及闭环管理、保护体内保存环境、水下建筑体安全性、文物本体及病害、水下博物馆环境、游客监测与管控6个方面进行监测，以期实现对白鹤梁题刻的预防性保护。

白鹤梁题刻监测预警系统从保护体等压、文物本体及病害等6个方面、15个子项进行构建，构架图如图3所示。

图3 白鹤梁题刻遗产监测预警系统平台构架图（来源：作者自绘）

3.1 保护体等压监测及闭环管理

白鹤梁通过每天给水下保护体内人工控制阀门进行经验性补水，以实际达到保护体与外江水的压力基本平衡，其补水量依靠当天外江水位、流速等因素确定。一旦出现保护体内水压力低于或高于长江水压力，则不易保持相对比较稳定的等压关系。

保护体等压监测系统主要负责保护体内水压、保护体外长江的水压、保护体外长江的水位以及保护体外长江的流速等指标数据的采集、保存、实时记录。即在保护体内和保护体外等高的位置安装水压监测设备，实时获得保护体内外压力数据，根据两段压力差，结合外江水位及流速参数，适时补充水量以达到两端等压的目的。保护体循环水补水量

监测系统主要负责自来水入口瞬时流量、累计流量、竖式沉淀池入水口瞬时流量、累计流量、末端水箱出水口瞬时流量、累计流量、中间及末端水箱水位等指标数据的采集、保存、实时记录，通过监测得到实时补水量，为保护体等压运行和渗水量研究提供数据支撑。

3.2 保护体内保存环境监测

目前白鹤梁保护体内水质监测是通过潜水员每季度进入保护体，在上、中、下3个监测点位取水样及生物膜，在实验室进行浊度、溶解氧、Ph值、温度、电导率及微生物等监测分析。保护体内水质监测主要是针对保护体内水质指标数据的采集、保存、实时记录，以指导白鹤梁循环水系统的有效运行以及水质与题刻本体保存的关系。同时，水下灯光照明所产生的温度、光照等方面容易滋生保护体内微生物的生长，对水下照明系统进行实时监测，调节光照强度及色温，既可有效抑制保护体内生物膜增长，为今后协同评估文物本体病害、水环境变化预警值等主要影响数据做准备，也可为游客参观题刻提升观赏效果。

3.3 水下建筑体安全性监测

水下建筑体安全性监测系统包括水下建筑体稳定性监测、长江航运对保护体安全影响、水下建筑体振动监测、交通廊道渗漏水监测4个监测子项。

一是水下保护建筑体稳定性监测。其设计主要针对水下交通廊道和钢筋混凝土拱水下保护体及钢结构参观廊道，因长期受水压力及泥沙压力作用，对可能出现的结构位移、变形等影响结构稳定性的情况进行监测。为有效监测白鹤梁水下建筑体的安全运行情况，在最初建立水下博物馆时已在建筑体关键部位设计安装了钢筋计、土压力计、基岩变位计、应变计、混凝土应变计等监测仪器。按照传感器传输方式，现有的稳定性监测系统中稳定性传感器分为电测传感器和光纤传感器2大类。2类传感器分别将采集到的数据存储到各自的上位机；定期由数据分析相关委托单位指派的专人提取后带回实验室进行分析，并且出具相应时间段内的数据分析报告。目前稳定性电测传感器共安装60个，其中23个出现故障或数据丢失，安装光纤式传感器176个，其中18个出现故障或数据丢失。此次设计首先是对现有传感器进行故障排查，更换部分数据采集器；其次是把数据接入到监测系统平台，通过获取各项指标数据，分析其变化趋势对建筑体所造成的影响，为采取相应的保护措施提供可靠的科学依据。

二是长江航运对保护体安全影响。其设计是为了能监测水下保护建筑体附近江面的航运区域，对过往船只的通过进行无盲区的全过程监测。考虑在长江大堤上安装2台高清智能网络摄像机，分别对水下保护建筑体附近江面的航运区域进行监测，监测区域完全覆盖整个江面，实时动态监测过往的船只。

三是水下建筑体振动监测。通过振动监测希望能够实现2个目的：①能够通过采集到的船只通航时的振动数据，为长江航运对建筑体影响的研究提供振动方面的数据支撑；②通过对采集的数据与建筑体主体材料自振数据的对比分析，并结合保护建筑体稳定性传感器监测数据的变化，为水下保护建筑体自身健康状况及发展趋势评估提供数据支撑。

四是交通廊道渗漏水监测。下游交通廊道变形缝、下游交通廊道内稳定性监测传感器线缆汇集处和上游交通廊道内稳定性监测传感器线缆汇集处有渗水点，需要人工排水，渗水的多少、渗水的变化量、渗水的周期变化直接影响到水下保护建筑体的健康状况。通过监测渗漏水量，得出渗水累积量，分析一定周期内渗水量变化和不同周期内渗水变化，评估水下保护建筑体的健康状况，以提供科学、有效的数据。

3.4 文物本体及病害监测

一是题刻表面微生物及石质弱化程度监测。由于题刻长期处于保护体内静水的保存环境下，因此会导致微生物滋生现象，一些滋生的微生物会附着在题刻表面。为此白鹤梁保护管理处委托重庆大学定期对保护体内题刻表面生物膜取样检测分析，发现生物附着在题刻表面会分泌少量有机酸，长时间堆积在题刻，可能会对题刻岩石的强度产生影响，导致题刻表面石质弱化。通过实施题刻表面微生物及石质弱化监测，了解微生物繁衍的规律及观察题刻表层在一定周期内题刻表面结构的变化、风化的剥落速度。同时将所采集的题刻表面微生物数据、石质弱化监测数据及水质监测数据与题刻基础资料搜集获取的标准图片形成技术性比对，以分析其变化对白鹤梁题刻本体所造成的影响，为科学合理地采取保护措施提供数据支撑。

二是岩体裂隙监测。岩体裂隙是石质文物的主要病害，题刻在江水不断地冲蚀下，其岩体裂隙有可能扩大，在长期的不平衡外力作用下，岩体发生位移和题刻损坏的可能性会增大。为了确保题刻的安全和长期保存，对白鹤梁题刻裂隙实施监测是很有必要的。通过监测掌握裂隙的发育及演变趋势，以及保护体内外压力的平衡对于岩体裂隙的影响进行关联性的分析，为制定相应的保护措施提供数据支撑。

3.5 水下博物馆环境监测

水下博物馆环境监测主要针对水下参观廊道的温、湿度及二氧化碳含量进行监测。通过对白鹤梁水下博物馆展厅及水下参观区环境的监测数据的分析，为参观舒适度提供了科学的依据，为游客承载量的科学设置提供数据支撑，同时为游客消除了可能存在的健康隐患，提供一个安全、舒心的参观环境[6]。

3.6 游客监测及管控

包括游客数量、瞬间容量、游客满意度及安全等监测模块。游客实时数据利用现有的道闸系统进行实时监测目前游客的分布区域，为游客管理疏导起到数据支撑作用；同时可以进行游客分时段累积量的呈现，为博物馆游客参观时间和人数控制进行数据分析，合理地安排、布置游客游览阶段时间。

建立“白鹤梁题刻文物本体和保存环境监测系统”，实现与国家文物局监测预警中心、国家相关部委、市级文物局、其他遗产地、白鹤梁题刻各相关职能部门、社会公众等交换数据，为相关决策提供基本依据。白鹤梁题刻文物本体和保存环境监测系统要对文物本体和保存环境实施管理，自动对监测数据进行实时采集、存储、管理、分析、展示和预警，极大提升主动预警能力，同时通过对其进行评估，可使遗产地对其文物及遗产等的监、管、保护水平再上一个台阶。该系统要充分利用当前先进的计算机技术、通信技术、网络技术、传感技术、多媒体技术、数据库技术，使该软件系统平台达到自动化、标准化、人机界面友好化。逐步实现建立白鹤梁题刻统一的基础数据录入规范，各类数据采集标准、数据传输通信接口管理标准，监测预警指标体系和评估体系，能高效、可靠、准确地实现与国家级系统平台、省市主管单位等进行数据交换。

4 结束语

白鹤梁题刻文物本体和保存环境监测系统项目在实施过程中遇到的诸多困难都没有先例可循，从2015年立项至今，该项目中基础信息管理系统、动态信息管理系统、遗产监测管理系统的基本功能逐步搭建完成，但受水下监测设施设备的影响，对文物本体和水下保护设施的监测还显得较薄弱。由于白鹤梁题刻水下原址保护的特殊方式，且在世界文化遗产监测工作中无先例可循，再加上对水下遗产本体、保存环境及保护工程等如何采集监测数据、合理设定预警值等方面理解还不够深入，如金属构件腐蚀、光源温度对微生物繁殖速度的影响等许多监测对象和数据有待进一步研究梳理。对于如何在水下对文化遗产本体进行有效监测尚缺乏专业仪器和行之有效的手段，如何解决监测设备的防水和抗压是一个难题，所以预警信息管理系统、信息服务系统还有待于建立长效工作机制，在具体实施和使用过程中完善和更新。但监测预警系统的初步设立，有助于收集分析白鹤梁题刻本体和保存环境的基本监测数据，对白鹤梁题刻的保护现状进行研究分析，给出合理的预警性保护数据和措施。有助于科学合理地制订白鹤梁题刻保护管理规划，为申报世界文化遗产提供数据支撑。白鹤梁题刻监测预警体系的探索，将对世界水下文化遗产预防性保护提供可借鉴性的经验。