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摘要：“白鹤梁题刻”系三峡文物保护重点工程，基于原址保护、原状展示的全面保护理念，应用“无压容器”原理在实题刻原止保护基础上建成世界上首座水下博物馆，是中国水下文化遗产保护的典型案例。但开放五年来，处于长江水下题刻原止的展示与保护方面出现一些令业内外人士关注的新问题。文中针对当前令博物馆备爱困扰的白鹤梁题刻水环境不稳定现象进行了初步分析和探讨，就水环境控制与题刻展示提升提出了改进之策。
关键词：水下博物馆；保护体；水环境；题刻展示探析
一、引言
白鹤梁是位于重庆涪陵一段记录了长江1200年来水位变化的古代水文题刻石梁，因其独特的枯水水文价值，1988年被公布为全国重点文物保护单位，2006年、2012年两次被列入《中国世界文化遗产预备名单》。长江三峡工程兴建后，因正常蓄水位175米，白鹤梁题刻将长久淹没于长江水下，国家于2003年对其实施重点保护。2009年5月18日，这项在三峡工程中论证最久、投资最多、施工难度最大的文物保护工程，历时7年艰辛保护，应用“无压容器”原理方案，解决了许多工程和技术上的难题，以世界首例在长江水下修建博物馆的形式成功实现了白鹤梁题刻原址保护和展示。白鹤梁水下博物馆自2010年4月正式开放以来，每年接待观众达20余万人次，拓展了三峡文物保护成果可持续发展空间。但不可忽视，建立在白鹤梁题刻原址保护工程基础上的白鹤梁水下博物馆，其保护方式和管理运行模式在世界范围内都是独特的，目前在保护和开放运行中面临一些新的挑战和问题。其中，加强对题刻保护体内水质的改进、水体净化度和题刻展示可视度提升的深入研究，让观众能够很好观赏到题刻原址，享受白鹤梁水下文化历史的美妙体验，确保白鹤梁水下博物馆正常开放尤显迫切。
二、出现的问题
联合国教科文组织将白鹤梁定义为世界上第一座观众通过非潜水方式参观的水下博物馆，即观众参观完白鹤梁地面陈列馆后，通过乘坐90米长的电梯进入到长江水下38米深处，穿越水下时空，以非闯入式近距离观赏白鹤梁千年题刻。这就是白鹤梁这项不同于国内外其他文物保护工程的核心价值所在。
白鹤梁题刻原址保护采用的是“无压容器”原理。其基本思路是在白鹤梁上修建1个钢筋混凝土保护壳（以下简称保护体），将题刻原址笼罩密封，内蓄3800立方水，并设专门的循环水系统与江水相通，通过保护体内水压抵消外部的江水压力确保其安全，同时对进出保护体的水进行循环过滤，在保护体内为白鹤梁题刻提供一个清澈透明的水环境，使白鹤梁题刻在原环境中得到保护的同时，保障题刻的清晰度和参观效果，游客可通过保护体上设置的23个观察窗借助水中照明系统观看水中题刻。因此，保护体内水质的清澈是保证清晰观看题刻的前提，关系到水下博物馆的正常开放。但是，白鹤梁水下博物馆2009年5月建成开放仅3天，就因水质不清无法观赏题刻停止开放，经过近一年的闭馆治理，2010年4月重新对外开放。然而题刻保护体内水质仍然出现周期性不稳定现象，水质时而清澈，时而浑浊，同时题刻表面生物膜滋生，水中藻类大量繁殖，直接影响题刻观赏和题刻保护。由于保护体空间结构和现有布局监测设施不便于对水质进行直接测量和实时采集数据，仅根据操作人员从全景窗能看到窗口多少判断水体为“清晰”或“模糊”的观测记录统计，保护体内可视窗口在4个以下（较为模糊）不能满足题刻观赏要求的，2010年182天，为年开放日49.8%，2011年102天，为年开放日27.9%，因问题严重挂牌公示请观众“自行选择参观与否”，2010年8次，2011年6次，引起观众和社会较大反映。同时水耗不断增长，运行成本增加。2010年水耗31.8万吨，水费103万；2011年水耗26.7万吨，水费97.9万。其中，2010年7月，2011年6、7月，月均水费达25万元。保护体水环境不良状况使新生的水下博物馆陷入开放还是闭馆的尴尬困局，也引起业内人士对白鹤梁水下博物馆可持续发展的担忧。
三、原因分析
对于上述白鹤梁保护体内水环境现象及产生的原因，开放之初工程的设计方、施工方、业主方积极进行了探索和治理，并通过将水中照明灯具的铝制外壳更换成不锈钢外壳，将观察窗压条更换成不锈钢材质，投放药剂等有效地解决了水中部分金属构件锈蚀和金属悬浮物问题。但对影响水体透明的原因众说纷纭、莫衷一是，在实际操控中主要是通过大量补水来提升水体透明度，总体上效果甚微，保护体内时而清晰时而浑浊的不稳定现象没有得到遏制，题刻观赏效果没有改观，水耗则不断增加。据此，对出现的问题有必要建立在科学数据的基础上加以综合研究，用正确的研究结论指导工作实践。本人通过近几年在白鹤梁水下博物馆开放管理工作实践，结合相关课题研究，对保护体内上述水环境现象原因及对题刻展示保护的负面影响提出一些粗浅思考。
（一）长江水对保护体的渗入是影响水体透明度及题刻辨识度的最直接因素
水体透明度和题刻的辨识度，是影响白鹤梁题刻展示效果的根本所在。透明度（SD）是水体能见程度的重要参数，直接影响白鹤梁保护体内水体透明度的首要因素为浊度（NTU）。根据多年水样测试和观测对比，通常情况下，保护体内水体浊度在3NTU以上，视觉上就会有模糊感，而影响到保护体内水的浊度主要因素是江水的渗入。当然，潜水员入内清洗题刻因搅动沉积物也会引起水体浑浊。换言之，保护体内水质清澈度及水质变化主要是受长江水位、江水涨落变化及江水流速因素直接影响，并形成相关规律。但由于连接循环水系统与长江水相通的平衡器，自白鹤梁水下博物馆开放以来一直处于关闭状态，江水无法通过连通器进入保护体，保护体内实际补充的是自来水，加之江水进入保护体近乎隐形，不易目测，因此，江水是导致保护体水质变化影响题刻观赏效果的主要因素这一观点，至今仍有业内人士存疑。在此，有必要通过部分运行基础数据的对比分析作重点阐述。
白鹤梁水下博物馆自2010年开放以来，循环水系统操控实践数据统计显示，每年5月下旬至9月期间，受降雨影响、三峡库区入水量逐渐增加，江水转向浑浊，流速加快，水位涨落变化频繁，保护体内浊度增加，循环系统操作可控难度增加，保护体内补水量大幅增长。当年11月至次年4月期间，三峡库区蓄水水位稳定，流速减缓，水质转向清澈，保护体内透明度较好，水质稳定，循环系统操作可控性好，补水量大幅减少。 针对保护体水环境不稳定现象，自2011年6月以来，重庆大学城环学院研究人员先后近20次进入题刻保护体内提取水样分析，保护体内水体浊度的变化趋势与外江水的浊度趋势一致。见表1、表2。 此外，2010年至2014年夏季长江汛期，循环水系统操作人员先后数十次在保护体内上下游处发现有浊水渗入体内，并迅即呈雾状弥漫保护体。
观察还发现，三峡库区水域处于150米左右低水位时，江中过往大型船只产生的波浪对保护体内清澈度有影响，说明在浪潮的冲压下江水进入保护体。
从以上数据变化可以寻觅出一个规律，长江水的变化对保护体内水质起着强大的作用力，即江水的浊度、流速、落差变化与保护体水体浊度和水资源的消耗有直接关系。江水越浑浊、流速越快、水位涨落变化越大，保护体内就越易浑浊，题刻辨识度越低，水耗也越大。反之，江水清澈、流速缓慢即使处在高水位，保护体内水质就清澈稳定，题刻观赏性就好。向保护体内补水的目的是使保护体内水压力与外江水压力保持一致，抵消外江压力防止江水进入。夏季汛期，因江水浑浊、水势无常，外作用力大，江水进入保护体内导致浊度增加的可能性大，需要靠不断补充自来水保持内外压差动态平衡抵御江水进入，因此耗水量增加。冬春之际，三峡大坝蓄水或缓缓放水，江水清澈，水流稳定，对保护体内压力小，即使偶有进入，对保护体内水质和观赏效果也无大碍，补水相对减少。
白鹤梁保护体工程本系密封工程，而在循环水系统实际运行过程中，连接保护体和外江水的连通平衡器处于关闭状态，那么江水从什么地方进入造成对保护体的影响？其一，地质勘察研究表明，白鹤梁题刻主要地层为侏罗系中统自流井组砂岩、页岩、泥岩组成，抗冲刷能力较差，顶部砂岩层裂隙发育，连通性好，为较强的透水层和含水层，抽取的地下水与长江水的分析结果对比，两者化学成分基本一致，表面地下水为长江水的渗漏水，地下水位埋深与江水一致，水位动态随长江水位季节性变化而变化，进而影响到保护体内水体透明度。其二，长江三峡库区水位变化，有可能引起保护体和岩石的结构发生变化，导致保护体与基地岩石接触处可能存在密封不严，加上地质结构复杂性，外江水与保护体水体存在交换。在江水流速增加、涨落幅度频繁、冲击力增大作用下，江水易通过保护体与岩体的结合部、裂隙、岩体透水层渗透进入保护体，造成人工调控难度增大，出现时而浑浊时而清澈的状况，但也因内外水体的直接连通保障了保护体结构安全。
（二）保护体内藻类和生物膜的滋生、泥沙的沉积对题刻观赏度的综合影响
藻类和生物膜是影响白鹤梁题刻保护体内水体透明度仅次于浊度的因素。自2009年开放以来，保护体内题刻表面滋生生物膜，藻类大量繁殖，部分附着在水中灯饰上面形成多个生长区块。经重庆大学2012年10月以来多次取样检测分析，保护体水中含有针晶蓝纤维藻、小球藻、皮状席藻等。这些水中藻类，一方面增强对光的吸收和散射，阻碍光线在水体中传播，另一方面降低光辐射衰减，降低水体透明度，加之题刻表面覆盖生物膜和泥沙沉积，致使题刻字迹模糊，辨识度低，对白鹤梁题刻观赏性和水环境都带来不良影响，题刻所在岩体表面滋生生物膜还会促进生物风化，降低岩石抗风化能力。藻类、生物膜生长和泥沙的沉积迫使潜水员频繁进入保护体清洗题刻，形成对题刻文物过多的人工干预。重庆大学等相关研究表明，保护体内藻类的生长除了其内部生理特征外，受外部驱动因素影响很大。其一，水下流速对藻类生长的影响。控制在保护体内的水处于相对静止状态，流速较慢，肉眼几乎看不见，有利于藻类生长。其二，光照强度对藻类生长的影响。研究表明，保护体内题刻照明是108盏LED照明灯，题刻内平均照度为419LX，为藻类生长提供了有利的光照条件。其三，温度升高有利于藻类细胞密度和生物量增加。此外，还有氮、磷营养素等其他因素对藻类生长的影响等。
（三）现有水下照明系统光照均匀，满足不了题刻观赏的要求
白鹤梁题刻保护体内水下照明系统采用了先进的LED照明技术，并结合复杂水下工程技术，形成了独特的深水照明系统。其系统设计水下可卸式穿舱连接器、水下可插拔接插件等技术的应用，解决了水下照明设备的更换维护问题。保护体内照度达到了设计提出的“平均照度350LX”的要求，满足了展示白鹤梁题刻的基本要求。
但是经过五年的开放运行实践和上海交通大学海科集团、中国海洋大学、重庆大学相关实验研究表明，从展现白鹤梁题刻艺术文化内涵的深度以及申报世界文化遗产的高度来看，白鹤梁题刻水下照明系统仅仅让观众“看得见”白鹤梁题刻是远远不够的，还存在如下需要进行改进和提高的问题：
1.照度虽然达到了设计要求，但是灯具均衡布置，照度均匀，视觉效果平淡，不能突显重点题刻，缺乏视觉的冲击力。
2.水下照明灯只能简单地分组开关控制，不能进行照明亮度调整，不能单独控制每一盏灯，难以实现分块分区的照明控制。
3.灯具投射光线的直线性差，光束角较大，题刻字迹的光影对比效果弱，展示效果不佳。
4.光照是白鹤梁保护体内藻类生长的条件之一，目前简单的开关型照明控制方式，导致过多无谓的光照，这对藻类生长、净化水质不利。
（四）观察窗玻璃光源衰减及其他因素对题刻观赏的影响
白鹤梁题刻文物保护工程水下参观廊道共设有观察窗23个，观察窗外径950毫米，沿长度方向均匀布置，其中一个为全景观察窗。观察窗玻璃系国产亚克力材料，每个观察窗包含内外两块玻璃，内窗玻璃直径为825毫米，厚度88毫米；外窗玻璃直径为790毫米，厚度为84毫米。
观察窗于2005年3月安装焊接完工，同年5月淹没于水下，目前观察窗已达设计使用年限。观察窗玻璃长期处于长江深水38米中，由于水下承受拉应力、水体侵蚀及光照等作用，观察窗玻璃力学指标正在降低，发生变黄和老化丝纹，透光性和强度变差，影响到水体清晰度和题刻可视度。观察窗夹层的清洗功能缺失，导致玻璃夹层之间生长霉斑且有大量杂质存在而无法清洗，大大降低观众观赏视觉美感。保护体内灯饰、观察窗等部位钢构件存在锈蚀现象，也会对水体环境产生一定影响。
此外，由于江水与保护体水体之间实际存在交换，导致泥沙渗漏到保护体内可能性大，泥沙的沉积和细菌的滋生都是水环境净化、题刻展示中不容忽视的问题。 四、启示和建议
（一）加强对白鹤梁题刻水环境基础综合研究
自2012年以来，白鹤梁水下博物馆与重庆大学合作建立白鹤梁水下文物环境保护科研基地，开展《白鹤梁题刻水环境现状分析））课题研究，对白鹤梁题刻保存状况、水环境状况建立了人工定期取样、分析、评估、跟踪监测机制，及时掌握水环境状况及水下题刻安全动态，印证了长江水对保护体内水质变化的影响因素以及相关规律，澄清了一些困扰水体运行争辩不一的疑惑。工作人员根据长江水位高程和水流速度适时调整补水量，设置了循环水自动报警和自动补水装置，有效防止了因缺水导致江水进入保护体。同时将5微米精密过滤器滤芯更换为1微米滤芯，注入方式由自来水直接注入改变为经过循环过滤后再进入保护体，浊度逐年呈下降趋势，能见度趋于稳定，有效地提升了参观效果，水耗也明显降低。见表3、表4。
但是，水下文化遗产的保护具有特殊性，白鹤梁题刻实施的是水下原址保护与展示工程，相对于地面文物和其他水下文化遗产保护更难。保护体、参观廊道等建筑体长期没入长江水下侵蚀，加上水下植物生长对原址的无形破坏，无论如何复原水环境，都与原先不同。保护体内藻类生长、水质的净化、钢构件防腐、石质文物防风化保护、长江汛期防止江水进入保护体，提升题刻辨识度等面临的挑战和问题仍然很多，疑惑和争议仍然会存在。保护体内水环境关系到题刻的安全和展示效果，必须要持续开展水体变化、藻类生长、岩体风化、钢构件锈蚀等综合性基础研究，积极创造有利于题刻保护和展示的水环境。一是开展实践探索，在补水中添加消毒剂的种类和投加量，减少由未经消毒的水带入保护体内的细菌，控制细菌滋生，但要避免过量产生二次污染对题刻带来不利因素；二是尽量减少保护体灯光照射时间，并持续开展微滤除藻、遮光除藻、紫外灯杀菌、对补水进行脱氧除磷等，抑制藻类和生物膜滋生；三是定期对保护体内泥沙进行XRD对比分析，加强对题刻本体基岩动态监测，进一步掌握保护体与长江水连通的变化趋势，以及颢刻存特定水环境下的强度变化。
（二）完善水环境监测预警智能化系统，科学管理和调控水环境
掌握合理的补水量是实现“无压容器”原理最佳运用的关键。操作人员通过多年的实践经验，寻觅出补水量随江水的流速和迅猛涨落变化而变化的规律，通常是江水流速增加1万方/秒，每小时补水增加10方左右，日水位落差在6米左右，每小时补水增加8方左右。但是水势无常，视情而变。由于目前循环水操作系统和监测系统智能化程度不高，缺乏水环境状况的监测和治理的实时数据，对题刻保护体内水温、酸碱度、浊度等常见参数缺乏智能化实时监测和数据采集，也无法实时监测和采集保护体内外水压动态平衡数据。在实际操控中，主要靠人工操作而不能实现数字监测并自动平衡内外水压差为零，难免出现补水过多或不足误差带来不利因素。补水不足造成江水进入保护体影响水质和题刻辨识度，达不到观赏要求。补水过量并非全都在循环使用，实际上部分水源在压力作用下外泄入江，加大题刻基岩裂隙冲刷和渗透性，长时间将会对题刻及保护体结构安全带来危害。另外，保护体内水的浊度超过3NTU以上就会产生淡雾感，前几年直接注入的自来水经多次取样测试为2.5NTU-3NTU左右，所以即使江水没有进入保护体，过多补充没有经过循环过滤的自来水也会影响水体透明度，并造成水资源浪费。
此外，藻类繁殖、生物膜滋生、金属结构发生电化学腐蚀，都与保护体内水质的物理、化学、生物指标有关。因此，有必要在题刻保护体内建立水质、水压实时监测网，根据保护体内外压差监测数据合理补水，保持内外平衡，将保护体内外的压差保持在允许范围内，保证保护体结构安全，保障水质清澈，也减少盲目补水外泄入江导致对文物基岩冲刷的危害。实时采集水体温度、浊度、PH值等数据，建立保护体内水质的物理、化学、生物指标数据库，掌握保护体内生物膜、藻类等附着物生长规律和体内外水压动态数据。从而采取有效措施保持水质健康，抑制生物膜和藻类生长，防止对题刻腐蚀和覆盖，提升题刻展示效果。研究安装沉积物清理系统可行性，实现定期对题刻表面沉积物自动化清除，尽量减少潜水员频繁进入保护体内清洗题刻表面附着物带来的人工干预。
（三）改进水下基础设施，提升硬件保障
其一，现有的水下照明控制简单，智能化程度不高，存在过多的无谓光照，利于藻类生长影响水环境。因此，必须尽快开展水下照明系统改造工程，采用更为先进的技术手段实现保护体内灯光亮度的程序化、智能化控制，通过减弱背景光亮度、突出明暗对比、光影对比等手段丰富题刻的表现层次，改变原有照明光线平淡无奇的状态，展示重点题刻，减少保护体内无谓的光照和温升，弱化藻类生长，从而达到更好的视觉效果。
其二，参观廊道玻璃窗不仅是题刻观赏的基础条件，也是白鹤梁水下博物馆可持续发展的基本保障，更换玻璃窗及完善清洗功能的任务已刻不容缓。欣慰的是这项工程已开始实施。在长江水下建筑更换观察窗玻璃在国内外尚无同类先例可循，面临极大的挑战和风险。关键的问题是迎水面玻璃必须由潜水员进入保护体在水下装配施工，限于条件最多进人2名潜水员，在保护体内工作时间不能超过1小时，难度及风险都很大，工程本身的不确定性也给更换工作带来了很大难度。如果产生意外，则意味着整个参观廊道都会被淹没，事关白鹤梁水下保护体建筑工程的安危和水下博物馆的生存，后果不堪设想。自2014年7月始，该工程云集了国内在这个领域最优秀的专家和技术人员克难攻坚，通过现场勘验分析，对现场情况做出评估，制定了详细周密的施工组织方案，对水下供气系统、供水系统、加减压系统、排水系统、水密门及通信系统等做全面检查、维修、更换和改造，设计加工完成观察窗内外层玻璃拆卸安装专用设备和水下吊运设备，解决潜水员水下卸装及运送观察窗的步骤及方法，为水下安装工作打好基础。经过10个月的水下艰苦作业，23个观察窗玻璃已全部安全更换。更换后的玻璃为聚甲基乙烯酸丙酯，抗压力强，清晰度、透光度达95%以上，是国内目前品质和工艺最好的，大大高于原玻璃，水中视觉效果大大提升，满足参观要求，完善了玻璃自动清洗功能，更为重要的是为今后观察窗玻璃维护常态化奠定了基础，从根本上保障了白鹤梁水下博物馆的可持续发展。
五、结语
水下文化遗产保护是我国文化遗产保护事业的一项新兴的课题，真正得到有效保护和合理利用的水下文化遗产并不多。白鹤梁水下博物馆的建成开放具有特殊意义，目前所面临的已不仅仅是简单的文物保护，而是涉及水下结构安全、遗产展示、环境承载、特种设备、长江水利、航道交通、观众认知评估等多专业、多学科系统工程，保护工作任重道远，需要在开放运行中不断探索。受制于主客观条件，博物馆自身目前无法独立开展对上述现象的研究工作，必须坚持开放与合作，打破行业和部门的壁垒，吸引不同领域的专家学者，共同参与对白鹤梁题刻水环境现状的深入研究。通过吸收现代科技最新成果，来解决白鹤梁题刻水下保护及展示方面的重点、难点和瓶颈问题，更好地指导白鹤梁水下博物馆运行实践，夯实可持续发展基础。
关键词：水下博物馆；保护体；水环境；题刻展示探析
一、引言
白鹤梁是位于重庆涪陵一段记录了长江1200年来水位变化的古代水文题刻石梁，因其独特的枯水水文价值，1988年被公布为全国重点文物保护单位，2006年、2012年两次被列入《中国世界文化遗产预备名单》。长江三峡工程兴建后，因正常蓄水位175米，白鹤梁题刻将长久淹没于长江水下，国家于2003年对其实施重点保护。2009年5月18日，这项在三峡工程中论证最久、投资最多、施工难度最大的文物保护工程，历时7年艰辛保护，应用“无压容器”原理方案，解决了许多工程和技术上的难题，以世界首例在长江水下修建博物馆的形式成功实现了白鹤梁题刻原址保护和展示。白鹤梁水下博物馆自2010年4月正式开放以来，每年接待观众达20余万人次，拓展了三峡文物保护成果可持续发展空间。但不可忽视，建立在白鹤梁题刻原址保护工程基础上的白鹤梁水下博物馆，其保护方式和管理运行模式在世界范围内都是独特的，目前在保护和开放运行中面临一些新的挑战和问题。其中，加强对题刻保护体内水质的改进、水体净化度和题刻展示可视度提升的深入研究，让观众能够很好观赏到题刻原址，享受白鹤梁水下文化历史的美妙体验，确保白鹤梁水下博物馆正常开放尤显迫切。
二、出现的问题
联合国教科文组织将白鹤梁定义为世界上第一座观众通过非潜水方式参观的水下博物馆，即观众参观完白鹤梁地面陈列馆后，通过乘坐90米长的电梯进入到长江水下38米深处，穿越水下时空，以非闯入式近距离观赏白鹤梁千年题刻。这就是白鹤梁这项不同于国内外其他文物保护工程的核心价值所在。
白鹤梁题刻原址保护采用的是“无压容器”原理。其基本思路是在白鹤梁上修建1个钢筋混凝土保护壳（以下简称保护体），将题刻原址笼罩密封，内蓄3800立方水，并设专门的循环水系统与江水相通，通过保护体内水压抵消外部的江水压力确保其安全，同时对进出保护体的水进行循环过滤，在保护体内为白鹤梁题刻提供一个清澈透明的水环境，使白鹤梁题刻在原环境中得到保护的同时，保障题刻的清晰度和参观效果，游客可通过保护体上设置的23个观察窗借助水中照明系统观看水中题刻。因此，保护体内水质的清澈是保证清晰观看题刻的前提，关系到水下博物馆的正常开放。但是，白鹤梁水下博物馆2009年5月建成开放仅3天，就因水质不清无法观赏题刻停止开放，经过近一年的闭馆治理，2010年4月重新对外开放。然而题刻保护体内水质仍然出现周期性不稳定现象，水质时而清澈，时而浑浊，同时题刻表面生物膜滋生，水中藻类大量繁殖，直接影响题刻观赏和题刻保护。由于保护体空间结构和现有布局监测设施不便于对水质进行直接测量和实时采集数据，仅根据操作人员从全景窗能看到窗口多少判断水体为“清晰”或“模糊”的观测记录统计，保护体内可视窗口在4个以下（较为模糊）不能满足题刻观赏要求的，2010年182天，为年开放日49.8%，2011年102天，为年开放日27.9%，因问题严重挂牌公示请观众“自行选择参观与否”，2010年8次，2011年6次，引起观众和社会较大反映。同时水耗不断增长，运行成本增加。2010年水耗31.8万吨，水费103万；2011年水耗26.7万吨，水费97.9万。其中，2010年7月，2011年6、7月，月均水费达25万元。保护体水环境不良状况使新生的水下博物馆陷入开放还是闭馆的尴尬困局，也引起业内人士对白鹤梁水下博物馆可持续发展的担忧。
三、原因分析
对于上述白鹤梁保护体内水环境现象及产生的原因，开放之初工程的设计方、施工方、业主方积极进行了探索和治理，并通过将水中照明灯具的铝制外壳更换成不锈钢外壳，将观察窗压条更换成不锈钢材质，投放药剂等有效地解决了水中部分金属构件锈蚀和金属悬浮物问题。但对影响水体透明的原因众说纷纭、莫衷一是，在实际操控中主要是通过大量补水来提升水体透明度，总体上效果甚微，保护体内时而清晰时而浑浊的不稳定现象没有得到遏制，题刻观赏效果没有改观，水耗则不断增加。据此，对出现的问题有必要建立在科学数据的基础上加以综合研究，用正确的研究结论指导工作实践。本人通过近几年在白鹤梁水下博物馆开放管理工作实践，结合相关课题研究，对保护体内上述水环境现象原因及对题刻展示保护的负面影响提出一些粗浅思考。
（一）长江水对保护体的渗入是影响水体透明度及题刻辨识度的最直接因素
水体透明度和题刻的辨识度，是影响白鹤梁题刻展示效果的根本所在。透明度（SD）是水体能见程度的重要参数，直接影响白鹤梁保护体内水体透明度的首要因素为浊度（NTU）。根据多年水样测试和观测对比，通常情况下，保护体内水体浊度在3NTU以上，视觉上就会有模糊感，而影响到保护体内水的浊度主要因素是江水的渗入。当然，潜水员入内清洗题刻因搅动沉积物也会引起水体浑浊。换言之，保护体内水质清澈度及水质变化主要是受长江水位、江水涨落变化及江水流速因素直接影响，并形成相关规律。但由于连接循环水系统与长江水相通的平衡器，自白鹤梁水下博物馆开放以来一直处于关闭状态，江水无法通过连通器进入保护体，保护体内实际补充的是自来水，加之江水进入保护体近乎隐形，不易目测，因此，江水是导致保护体水质变化影响题刻观赏效果的主要因素这一观点，至今仍有业内人士存疑。在此，有必要通过部分运行基础数据的对比分析作重点阐述。
白鹤梁水下博物馆自2010年开放以来，循环水系统操控实践数据统计显示，每年5月下旬至9月期间，受降雨影响、三峡库区入水量逐渐增加，江水转向浑浊，流速加快，水位涨落变化频繁，保护体内浊度增加，循环系统操作可控难度增加，保护体内补水量大幅增长。当年11月至次年4月期间，三峡库区蓄水水位稳定，流速减缓，水质转向清澈，保护体内透明度较好，水质稳定，循环系统操作可控性好，补水量大幅减少。 针对保护体水环境不稳定现象，自2011年6月以来，重庆大学城环学院研究人员先后近20次进入题刻保护体内提取水样分析，保护体内水体浊度的变化趋势与外江水的浊度趋势一致。见表1、表2。 此外，2010年至2014年夏季长江汛期，循环水系统操作人员先后数十次在保护体内上下游处发现有浊水渗入体内，并迅即呈雾状弥漫保护体。
观察还发现，三峡库区水域处于150米左右低水位时，江中过往大型船只产生的波浪对保护体内清澈度有影响，说明在浪潮的冲压下江水进入保护体。
从以上数据变化可以寻觅出一个规律，长江水的变化对保护体内水质起着强大的作用力，即江水的浊度、流速、落差变化与保护体水体浊度和水资源的消耗有直接关系。江水越浑浊、流速越快、水位涨落变化越大，保护体内就越易浑浊，题刻辨识度越低，水耗也越大。反之，江水清澈、流速缓慢即使处在高水位，保护体内水质就清澈稳定，题刻观赏性就好。向保护体内补水的目的是使保护体内水压力与外江水压力保持一致，抵消外江压力防止江水进入。夏季汛期，因江水浑浊、水势无常，外作用力大，江水进入保护体内导致浊度增加的可能性大，需要靠不断补充自来水保持内外压差动态平衡抵御江水进入，因此耗水量增加。冬春之际，三峡大坝蓄水或缓缓放水，江水清澈，水流稳定，对保护体内压力小，即使偶有进入，对保护体内水质和观赏效果也无大碍，补水相对减少。
白鹤梁保护体工程本系密封工程，而在循环水系统实际运行过程中，连接保护体和外江水的连通平衡器处于关闭状态，那么江水从什么地方进入造成对保护体的影响？其一，地质勘察研究表明，白鹤梁题刻主要地层为侏罗系中统自流井组砂岩、页岩、泥岩组成，抗冲刷能力较差，顶部砂岩层裂隙发育，连通性好，为较强的透水层和含水层，抽取的地下水与长江水的分析结果对比，两者化学成分基本一致，表面地下水为长江水的渗漏水，地下水位埋深与江水一致，水位动态随长江水位季节性变化而变化，进而影响到保护体内水体透明度。其二，长江三峡库区水位变化，有可能引起保护体和岩石的结构发生变化，导致保护体与基地岩石接触处可能存在密封不严，加上地质结构复杂性，外江水与保护体水体存在交换。在江水流速增加、涨落幅度频繁、冲击力增大作用下，江水易通过保护体与岩体的结合部、裂隙、岩体透水层渗透进入保护体，造成人工调控难度增大，出现时而浑浊时而清澈的状况，但也因内外水体的直接连通保障了保护体结构安全。
（二）保护体内藻类和生物膜的滋生、泥沙的沉积对题刻观赏度的综合影响
藻类和生物膜是影响白鹤梁题刻保护体内水体透明度仅次于浊度的因素。自2009年开放以来，保护体内题刻表面滋生生物膜，藻类大量繁殖，部分附着在水中灯饰上面形成多个生长区块。经重庆大学2012年10月以来多次取样检测分析，保护体水中含有针晶蓝纤维藻、小球藻、皮状席藻等。这些水中藻类，一方面增强对光的吸收和散射，阻碍光线在水体中传播，另一方面降低光辐射衰减，降低水体透明度，加之题刻表面覆盖生物膜和泥沙沉积，致使题刻字迹模糊，辨识度低，对白鹤梁题刻观赏性和水环境都带来不良影响，题刻所在岩体表面滋生生物膜还会促进生物风化，降低岩石抗风化能力。藻类、生物膜生长和泥沙的沉积迫使潜水员频繁进入保护体清洗题刻，形成对题刻文物过多的人工干预。重庆大学等相关研究表明，保护体内藻类的生长除了其内部生理特征外，受外部驱动因素影响很大。其一，水下流速对藻类生长的影响。控制在保护体内的水处于相对静止状态，流速较慢，肉眼几乎看不见，有利于藻类生长。其二，光照强度对藻类生长的影响。研究表明，保护体内题刻照明是108盏LED照明灯，题刻内平均照度为419LX，为藻类生长提供了有利的光照条件。其三，温度升高有利于藻类细胞密度和生物量增加。此外，还有氮、磷营养素等其他因素对藻类生长的影响等。
（三）现有水下照明系统光照均匀，满足不了题刻观赏的要求
白鹤梁题刻保护体内水下照明系统采用了先进的LED照明技术，并结合复杂水下工程技术，形成了独特的深水照明系统。其系统设计水下可卸式穿舱连接器、水下可插拔接插件等技术的应用，解决了水下照明设备的更换维护问题。保护体内照度达到了设计提出的“平均照度350LX”的要求，满足了展示白鹤梁题刻的基本要求。
但是经过五年的开放运行实践和上海交通大学海科集团、中国海洋大学、重庆大学相关实验研究表明，从展现白鹤梁题刻艺术文化内涵的深度以及申报世界文化遗产的高度来看，白鹤梁题刻水下照明系统仅仅让观众“看得见”白鹤梁题刻是远远不够的，还存在如下需要进行改进和提高的问题：
1.照度虽然达到了设计要求，但是灯具均衡布置，照度均匀，视觉效果平淡，不能突显重点题刻，缺乏视觉的冲击力。
2.水下照明灯只能简单地分组开关控制，不能进行照明亮度调整，不能单独控制每一盏灯，难以实现分块分区的照明控制。
3.灯具投射光线的直线性差，光束角较大，题刻字迹的光影对比效果弱，展示效果不佳。
4.光照是白鹤梁保护体内藻类生长的条件之一，目前简单的开关型照明控制方式，导致过多无谓的光照，这对藻类生长、净化水质不利。
（四）观察窗玻璃光源衰减及其他因素对题刻观赏的影响
白鹤梁题刻文物保护工程水下参观廊道共设有观察窗23个，观察窗外径950毫米，沿长度方向均匀布置，其中一个为全景观察窗。观察窗玻璃系国产亚克力材料，每个观察窗包含内外两块玻璃，内窗玻璃直径为825毫米，厚度88毫米；外窗玻璃直径为790毫米，厚度为84毫米。
观察窗于2005年3月安装焊接完工，同年5月淹没于水下，目前观察窗已达设计使用年限。观察窗玻璃长期处于长江深水38米中，由于水下承受拉应力、水体侵蚀及光照等作用，观察窗玻璃力学指标正在降低，发生变黄和老化丝纹，透光性和强度变差，影响到水体清晰度和题刻可视度。观察窗夹层的清洗功能缺失，导致玻璃夹层之间生长霉斑且有大量杂质存在而无法清洗，大大降低观众观赏视觉美感。保护体内灯饰、观察窗等部位钢构件存在锈蚀现象，也会对水体环境产生一定影响。
此外，由于江水与保护体水体之间实际存在交换，导致泥沙渗漏到保护体内可能性大，泥沙的沉积和细菌的滋生都是水环境净化、题刻展示中不容忽视的问题。 四、启示和建议
（一）加强对白鹤梁题刻水环境基础综合研究
自2012年以来，白鹤梁水下博物馆与重庆大学合作建立白鹤梁水下文物环境保护科研基地，开展《白鹤梁题刻水环境现状分析））课题研究，对白鹤梁题刻保存状况、水环境状况建立了人工定期取样、分析、评估、跟踪监测机制，及时掌握水环境状况及水下题刻安全动态，印证了长江水对保护体内水质变化的影响因素以及相关规律，澄清了一些困扰水体运行争辩不一的疑惑。工作人员根据长江水位高程和水流速度适时调整补水量，设置了循环水自动报警和自动补水装置，有效防止了因缺水导致江水进入保护体。同时将5微米精密过滤器滤芯更换为1微米滤芯，注入方式由自来水直接注入改变为经过循环过滤后再进入保护体，浊度逐年呈下降趋势，能见度趋于稳定，有效地提升了参观效果，水耗也明显降低。见表3、表4。
但是，水下文化遗产的保护具有特殊性，白鹤梁题刻实施的是水下原址保护与展示工程，相对于地面文物和其他水下文化遗产保护更难。保护体、参观廊道等建筑体长期没入长江水下侵蚀，加上水下植物生长对原址的无形破坏，无论如何复原水环境，都与原先不同。保护体内藻类生长、水质的净化、钢构件防腐、石质文物防风化保护、长江汛期防止江水进入保护体，提升题刻辨识度等面临的挑战和问题仍然很多，疑惑和争议仍然会存在。保护体内水环境关系到题刻的安全和展示效果，必须要持续开展水体变化、藻类生长、岩体风化、钢构件锈蚀等综合性基础研究，积极创造有利于题刻保护和展示的水环境。一是开展实践探索，在补水中添加消毒剂的种类和投加量，减少由未经消毒的水带入保护体内的细菌，控制细菌滋生，但要避免过量产生二次污染对题刻带来不利因素；二是尽量减少保护体灯光照射时间，并持续开展微滤除藻、遮光除藻、紫外灯杀菌、对补水进行脱氧除磷等，抑制藻类和生物膜滋生；三是定期对保护体内泥沙进行XRD对比分析，加强对题刻本体基岩动态监测，进一步掌握保护体与长江水连通的变化趋势，以及颢刻存特定水环境下的强度变化。
（二）完善水环境监测预警智能化系统，科学管理和调控水环境
掌握合理的补水量是实现“无压容器”原理最佳运用的关键。操作人员通过多年的实践经验，寻觅出补水量随江水的流速和迅猛涨落变化而变化的规律，通常是江水流速增加1万方/秒，每小时补水增加10方左右，日水位落差在6米左右，每小时补水增加8方左右。但是水势无常，视情而变。由于目前循环水操作系统和监测系统智能化程度不高，缺乏水环境状况的监测和治理的实时数据，对题刻保护体内水温、酸碱度、浊度等常见参数缺乏智能化实时监测和数据采集，也无法实时监测和采集保护体内外水压动态平衡数据。在实际操控中，主要靠人工操作而不能实现数字监测并自动平衡内外水压差为零，难免出现补水过多或不足误差带来不利因素。补水不足造成江水进入保护体影响水质和题刻辨识度，达不到观赏要求。补水过量并非全都在循环使用，实际上部分水源在压力作用下外泄入江，加大题刻基岩裂隙冲刷和渗透性，长时间将会对题刻及保护体结构安全带来危害。另外，保护体内水的浊度超过3NTU以上就会产生淡雾感，前几年直接注入的自来水经多次取样测试为2.5NTU-3NTU左右，所以即使江水没有进入保护体，过多补充没有经过循环过滤的自来水也会影响水体透明度，并造成水资源浪费。
此外，藻类繁殖、生物膜滋生、金属结构发生电化学腐蚀，都与保护体内水质的物理、化学、生物指标有关。因此，有必要在题刻保护体内建立水质、水压实时监测网，根据保护体内外压差监测数据合理补水，保持内外平衡，将保护体内外的压差保持在允许范围内，保证保护体结构安全，保障水质清澈，也减少盲目补水外泄入江导致对文物基岩冲刷的危害。实时采集水体温度、浊度、PH值等数据，建立保护体内水质的物理、化学、生物指标数据库，掌握保护体内生物膜、藻类等附着物生长规律和体内外水压动态数据。从而采取有效措施保持水质健康，抑制生物膜和藻类生长，防止对题刻腐蚀和覆盖，提升题刻展示效果。研究安装沉积物清理系统可行性，实现定期对题刻表面沉积物自动化清除，尽量减少潜水员频繁进入保护体内清洗题刻表面附着物带来的人工干预。
（三）改进水下基础设施，提升硬件保障
其一，现有的水下照明控制简单，智能化程度不高，存在过多的无谓光照，利于藻类生长影响水环境。因此，必须尽快开展水下照明系统改造工程，采用更为先进的技术手段实现保护体内灯光亮度的程序化、智能化控制，通过减弱背景光亮度、突出明暗对比、光影对比等手段丰富题刻的表现层次，改变原有照明光线平淡无奇的状态，展示重点题刻，减少保护体内无谓的光照和温升，弱化藻类生长，从而达到更好的视觉效果。
其二，参观廊道玻璃窗不仅是题刻观赏的基础条件，也是白鹤梁水下博物馆可持续发展的基本保障，更换玻璃窗及完善清洗功能的任务已刻不容缓。欣慰的是这项工程已开始实施。在长江水下建筑更换观察窗玻璃在国内外尚无同类先例可循，面临极大的挑战和风险。关键的问题是迎水面玻璃必须由潜水员进入保护体在水下装配施工，限于条件最多进人2名潜水员，在保护体内工作时间不能超过1小时，难度及风险都很大，工程本身的不确定性也给更换工作带来了很大难度。如果产生意外，则意味着整个参观廊道都会被淹没，事关白鹤梁水下保护体建筑工程的安危和水下博物馆的生存，后果不堪设想。自2014年7月始，该工程云集了国内在这个领域最优秀的专家和技术人员克难攻坚，通过现场勘验分析，对现场情况做出评估，制定了详细周密的施工组织方案，对水下供气系统、供水系统、加减压系统、排水系统、水密门及通信系统等做全面检查、维修、更换和改造，设计加工完成观察窗内外层玻璃拆卸安装专用设备和水下吊运设备，解决潜水员水下卸装及运送观察窗的步骤及方法，为水下安装工作打好基础。经过10个月的水下艰苦作业，23个观察窗玻璃已全部安全更换。更换后的玻璃为聚甲基乙烯酸丙酯，抗压力强，清晰度、透光度达95%以上，是国内目前品质和工艺最好的，大大高于原玻璃，水中视觉效果大大提升，满足参观要求，完善了玻璃自动清洗功能，更为重要的是为今后观察窗玻璃维护常态化奠定了基础，从根本上保障了白鹤梁水下博物馆的可持续发展。
五、结语
水下文化遗产保护是我国文化遗产保护事业的一项新兴的课题，真正得到有效保护和合理利用的水下文化遗产并不多。白鹤梁水下博物馆的建成开放具有特殊意义，目前所面临的已不仅仅是简单的文物保护，而是涉及水下结构安全、遗产展示、环境承载、特种设备、长江水利、航道交通、观众认知评估等多专业、多学科系统工程，保护工作任重道远，需要在开放运行中不断探索。受制于主客观条件，博物馆自身目前无法独立开展对上述现象的研究工作，必须坚持开放与合作，打破行业和部门的壁垒，吸引不同领域的专家学者，共同参与对白鹤梁题刻水环境现状的深入研究。通过吸收现代科技最新成果，来解决白鹤梁题刻水下保护及展示方面的重点、难点和瓶颈问题，更好地指导白鹤梁水下博物馆运行实践，夯实可持续发展基础。