模型復(fù)原技術(shù)在水利遺產(chǎn)保護(hù)中的應(yīng)用——以京杭運(yùn)河南旺樞紐為例

李云鵬，譚徐明，王 力，萬(wàn)金紅

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水利史研究所，100048，北京）

水利遺產(chǎn)作為水文化的主要物質(zhì)載體，在水文化建設(shè)進(jìn)程中逐漸受到重視。由于年久失修、疏于管理或人為破壞，尤其是近幾十年大規(guī)模的基礎(chǔ)建設(shè)，有些工程被拆毀、改建，其功能、結(jié)構(gòu)以及周邊環(huán)境都已經(jīng)發(fā)生巨大變化，無(wú)法展示其歷史時(shí)期的工程布置、運(yùn)行管理及承載的科學(xué)、文化價(jià)值。2010—2011年，中國(guó)水科院在深入研究南旺樞紐歷史演變及工程運(yùn)行管理機(jī)制基礎(chǔ)上，主持設(shè)計(jì)制作了京杭運(yùn)河南旺樞紐物理模型，形象再現(xiàn)17—19世紀(jì)南旺一帶工程及管理設(shè)施布置，比較客觀地還原了歷史時(shí)期漕船通過(guò)分水嶺時(shí)樞紐各閘壩斗門工程管理過(guò)程。

一、南旺樞紐簡(jiǎn)介及現(xiàn)狀

京杭運(yùn)河南旺分水樞紐位于山東省濟(jì)寧市汶上縣南旺鎮(zhèn)，始建于明永樂(lè)九年（1411年），地處京杭運(yùn)河地勢(shì)最高的分水嶺，同時(shí)也是保證運(yùn)河南北貫通的最關(guān)鍵工程之一。元代初開(kāi)會(huì)通河時(shí)，引汶泗水至濟(jì)寧，分水口與南旺間的高差仍有10余m，因此元代會(huì)通河不暢，年漕運(yùn)量?jī)H20萬(wàn)石，至元末，會(huì)通河逐漸湮廢。明永樂(lè)九年，工部尚書宋禮主持重開(kāi)會(huì)通河，采納汶上老人白英的建議，建戴村壩引汶水至南旺入運(yùn)河，并利用南旺湖為水柜調(diào)蓄，從而真正實(shí)現(xiàn)了會(huì)通河乃至京杭運(yùn)河的暢通，年漕運(yùn)量也達(dá)到400萬(wàn)石。

戴村壩-南旺樞紐工程建成之后，工程設(shè)施及運(yùn)行、管理機(jī)制不斷完善。至明中期的成化十三年 （1477年），建南旺南北閘 （即后來(lái)的柳林閘、十里閘），分水比例已經(jīng)實(shí)現(xiàn)人工控制；到清代，工程體系達(dá)到最完善的時(shí)期。

清咸豐五年（1855年），黃河在蘭陽(yáng)銅瓦廂改道，奪大清河入海，在張秋沖斷會(huì)通河；光緒二十七年（1901年），漕運(yùn)終止。大運(yùn)河遂失去統(tǒng)一管理，南旺樞紐逐漸廢棄。尤其是1950年以來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展及土地開(kāi)發(fā)，南旺樞紐的歷史形貌受到極大破壞。如今，南旺一帶運(yùn)河及小汶河河道形態(tài)破壞嚴(yán)重，區(qū)域水系格局已完全改變；大部分閘壩工程已經(jīng)消失，少量尚有遺存；水柜已全部墾為農(nóng)田，河湖疏浚堆積的土山也已挖運(yùn)殆盡。分水龍王廟建筑群破壞嚴(yán)重，個(gè)別建筑結(jié)構(gòu)尚存。京杭運(yùn)河繁盛數(shù)百年的南旺樞紐，工程體系歷史形態(tài)及自然、社會(huì)環(huán)境已完全改變。

二、模型復(fù)原方法及特點(diǎn)

為了直觀地再現(xiàn)南旺樞紐歷史時(shí)期的工程體系、運(yùn)行管理，以及區(qū)域自然地理及社會(huì)壞境，采用動(dòng)態(tài)物理模型的形式，復(fù)原南旺樞紐工程及管理最為完備時(shí)期的歷史形態(tài)，以及通過(guò)工程調(diào)控漕船順利翻越分水嶺的場(chǎng)景。復(fù)原模型以運(yùn)河河道及其他工程為核心，北至開(kāi)河閘、南至寺前鋪閘，包括兩岸環(huán)境、管理設(shè)施及龍王廟、市鎮(zhèn)等聚落，以及水柜部分區(qū)域，模擬范圍約40km2。模型平面尺寸為 50 m×7 m，比例尺 1∶400；為突出運(yùn)河及工程，河道及閘壩等平面比尺和垂直比尺采用1∶20。南旺樞紐在清康熙時(shí)期工程設(shè)施已經(jīng)非常完備，水量及工程的管理制度也已經(jīng)非常完善。因此，選取約17—19世紀(jì)作為模型復(fù)原的歷史時(shí)期，工程布置、管理方式、場(chǎng)景等均盡可能反映這個(gè)時(shí)期的歷史原貌。

南旺樞紐模型以展示而非試驗(yàn)為目的，但與常見(jiàn)的其他模型或沙盤又有根本不同。它復(fù)原的是特定歷史時(shí)期的工程樞紐，以表現(xiàn)我國(guó)古代傳統(tǒng)水利科技，展示水利遺產(chǎn)的科學(xué)價(jià)值為目的。南旺樞紐模型是相關(guān)研究成果的集中體現(xiàn)，水利工程及歷史環(huán)境的嚴(yán)重破壞成為模型復(fù)原的最大障礙，水利史相關(guān)研究成果及部分考古成果為模型的設(shè)計(jì)制作提供了重要參考。

三、主要復(fù)原內(nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)

南旺樞紐模型復(fù)原主要包括歷史地形、水系、水利工程，閘廳淺鋪等管理設(shè)施，市鎮(zhèn)等社會(huì)設(shè)施的位置以及龍王廟建筑群等。歷史復(fù)原的依據(jù)以歷史文獻(xiàn)為主，主要有正史“河渠志”，明代潘季馴《河防一覽》、萬(wàn)恭《治水筌蹄》、王瓊《漕河圖志》、謝肇淛《北河紀(jì)》，清代《清會(huì)典事例》、吳江陸《山東運(yùn)河備覽》、張伯行《居濟(jì)一得》、周家駒《河防輯要》、《運(yùn)河全圖》，以及《（萬(wàn)歷）汶上縣志》《（康熙）續(xù)修汶上縣志》《（道光）濟(jì)寧直隸州志》等地方志；近現(xiàn)代測(cè)繪地形圖包括民國(guó)5年（1916年）潘復(fù)《山東南運(yùn)湖河水利錄要》，民國(guó)24年（1935年）汪胡楨《整理運(yùn)河工程計(jì)劃》中圖，20世紀(jì)20年代國(guó)民政府測(cè)繪圖，70年代測(cè)繪圖等，并參考其他一些老照片及考古資料。復(fù)原模型及場(chǎng)景以尊重歷史真實(shí)為原則，成果比較可信。

1.歷史水系及地形復(fù)原

明清時(shí)期，南旺樞紐戴村壩攔引汶水，由小汶河西南流至南旺，入運(yùn)河及蜀山、馬踏二湖濟(jì)運(yùn)，運(yùn)河水多時(shí)可泄入南旺湖。汶河泥沙隨水進(jìn)入運(yùn)河及水柜，疏浚后堆積在河岸，形成“土山”。清末黃河改道及漕運(yùn)終止之后，尤其是20世紀(jì)50年代以來(lái)，受南旺一帶先后堵塞小汶河上源、老運(yùn)河干涸、開(kāi)挖梁濟(jì)運(yùn)河、小汶河改道、水柜圍墾，以及土山開(kāi)窯燒磚等影響，水系及地形已發(fā)生極大改變。

對(duì)歷史水系的復(fù)原，由于運(yùn)河及小汶河河道大體路線仍然能辨識(shí)，通過(guò)測(cè)繪并參考?xì)v史文獻(xiàn)、輿圖等資料能夠確定其走向；蜀山、馬踏、南旺三湖水柜的范圍，通過(guò)遙感考古、殘存湖堤并參考文獻(xiàn)記載，大致可以確定其范圍；通過(guò)對(duì)歷史文獻(xiàn)的研究，17—18世紀(jì)時(shí)南旺樞紐的南北月河尚存，其走向可通過(guò)文獻(xiàn)記載各口的相對(duì)位置來(lái)確定。根據(jù)文獻(xiàn)記載，運(yùn)河河道標(biāo)準(zhǔn)寬度為6丈（20 m），現(xiàn)狀保存比較完整的河段橫斷面寬約20 m，因此河寬定為6丈。南旺一帶運(yùn)河河道比較平緩，根據(jù)康熙時(shí)《山東運(yùn)河備覽》的記載，分水口向南至柳林閘，河底高差為1丈1尺5寸，坡降約0.77‰；向北至十里閘高差為2尺2寸，坡降約1.47‰。分水龍王廟前建石駁岸，正對(duì)分水口以防頂沖，石工長(zhǎng)49丈，高1丈8尺，砌石15層。

對(duì)于南旺一帶歷史地形的復(fù)原，則主要參考文獻(xiàn)記載，并以1930年、1950年測(cè)繪地形圖為基礎(chǔ)，以文獻(xiàn)資料的記載進(jìn)行修正和復(fù)原，反演處區(qū)域歷史時(shí)期地形尤其是土山的分布及規(guī)模。

南旺樞紐作為會(huì)通河分水嶺及分水樞紐，人們對(duì)其認(rèn)知長(zhǎng)期以來(lái)一直存在一些誤解，其中甚至不乏一些學(xué)者。第一，有些人認(rèn)為“水脊”處地形比較高聳，有明顯的地形高聳。分水嶺或“水脊”的說(shuō)法是比較宏觀的地理認(rèn)識(shí)，而局限到南旺樞紐的范圍內(nèi)，其地形高差并不特別明顯，《山東運(yùn)河備覽》對(duì)此有明確記載。另?yè)?jù)《居濟(jì)一得》記載，康熙時(shí)曾經(jīng)進(jìn)行關(guān)閉寺前鋪閘，放蜀山湖水北流的非常規(guī)調(diào)節(jié)，可見(jiàn)這一帶運(yùn)河縱坡比較平緩。第二，有人認(rèn)為分水口處有類似于都江堰魚嘴的分水設(shè)施，甚至曾經(jīng)開(kāi)展尋找南旺分水魚嘴的行動(dòng)。南旺分水口處并無(wú)魚嘴，正對(duì)分水口為石駁岸，其功能是保護(hù)龍王廟的安全。分水比例完全由各節(jié)制閘、斗門進(jìn)行人工控制。南旺樞紐工程模型客觀真實(shí)地反映了南旺一帶地形及水系的歷史情況。

2.樞紐水利工程位置及結(jié)構(gòu)復(fù)原

南旺樞紐為實(shí)現(xiàn)對(duì)水量的有效調(diào)控，集中了大量的閘壩斗門等工程。隨著漕運(yùn)的停止和樞紐的廢棄，絕大部分工程被完全拆除，少量工程尚存遺跡。對(duì)已消失工程的位置復(fù)原，主要依據(jù)對(duì)歷史輿圖、文獻(xiàn)資料的研究，并在近代地形圖基礎(chǔ)上參考對(duì)工程與河湖、地形相關(guān)關(guān)系的分析來(lái)確認(rèn)。對(duì)節(jié)制閘、各斗門、堰壩的工程結(jié)構(gòu)復(fù)原，主要參考相關(guān)文獻(xiàn)記載中的描述及數(shù)據(jù)確定，并以工程遺存的測(cè)量數(shù)據(jù)校核。

開(kāi)河、十里、柳林、寺前鋪四處節(jié)制閘俱有遺址，其結(jié)構(gòu)尺寸有定制，結(jié)合文獻(xiàn)記載及遺址測(cè)量，確定為金門（閘孔）寬 2 丈（約 6.7 m），由身（閘墻）直長(zhǎng) 2丈 4尺（約 8.8 m），迎水雁翅（上游翼墻）直長(zhǎng) 2丈（約 6.7 m）、橫長(zhǎng)2丈（約6.7 m），出水雁翅（下游翼墻）直長(zhǎng) 3丈（10 m）、橫長(zhǎng) 2丈（約 6.7 m），閘高 2丈 8尺 8寸（約 9.6 m）。

斗門等是南旺樞紐調(diào)節(jié)運(yùn)河水量的重要工程設(shè)施，它們分布在運(yùn)河、小汶河河道與蜀山、馬踏、南旺三湖之間，根據(jù)水情需要實(shí)施調(diào)節(jié)水量交換。17—18世紀(jì)時(shí)，南旺樞紐共有這種調(diào)控運(yùn)河水量的斗門、水口、堰壩23處。運(yùn)河西岸與南旺湖之間11處，自北向南各節(jié)制閘之間分別為：（開(kāi)河閘）五里鋪滾水壩、關(guān)家大閘，（十里閘）常名斗門、邢通斗門，（分水口）彭室斗門、孫強(qiáng)斗門、劉立斗門，（柳林閘）張全斗門、盛進(jìn)斗門、焦欒斗門，（寺前鋪閘）十字河斗門。馬踏湖與運(yùn)河之間自北向南有洪仁橋、新河兩處斗門，都在開(kāi)河閘與十里閘之間；蜀山湖與運(yùn)河之間有利運(yùn)閘，向柳林閘與寺前鋪閘之間的河段補(bǔ)水。小汶河北岸自西向東依次為北月河口、王士宜口、徐建口、王堂口土壩、何家口，通過(guò)引河向馬踏湖或運(yùn)河補(bǔ)水。小汶河南岸自西向東依次為邢家林口（即南月河口）、田家樓口、胡家樓口，均為小汶河向蜀山湖補(bǔ)水的工程。由于制作規(guī)模的限制，模型范圍內(nèi)共復(fù)原斗門堰壩15處。斗門結(jié)構(gòu)形式與節(jié)制閘基本相同，規(guī)模略小。根據(jù)文獻(xiàn)記載，南旺樞紐各斗門的尺寸基本一致，取均值作為復(fù)原的尺寸，斗門口寬 1丈 1尺（約 3.6 m），由身長(zhǎng)2丈（約6.7 m），雁翅各斜長(zhǎng)3丈（約 10m），高 1丈 5尺（約 5.0m）。五里鋪滾水壩堰頂長(zhǎng)5丈 （約16.7 m），由身長(zhǎng)2丈（約6.7 m），上雁翅斜長(zhǎng)3丈，下雁翅斜長(zhǎng)5丈。

各工程均由條石砌成?！肚鍟?huì)典事例》記載，“條石每塊長(zhǎng)四尺五寸至六尺不等，寬厚各一尺”，現(xiàn)場(chǎng)遺存的條石尺寸與此相符。

3.樞紐調(diào)度運(yùn)行機(jī)理復(fù)原

南旺樞紐通過(guò)各閘壩斗門的啟閉，實(shí)現(xiàn)對(duì)水源管理及水量分配的人工控制，使船幫依次順利通過(guò)分水口。工程運(yùn)行及水量調(diào)配機(jī)理，是樞紐科學(xué)價(jià)值的核心所在。樞紐水量調(diào)度在歷史實(shí)際當(dāng)中具有實(shí)時(shí)性、針對(duì)性、偶然性，不同季節(jié)、不同水量條件、不同類型船只都有不同的調(diào)度方式?！毒訚?jì)一得》形象總結(jié)了樞紐運(yùn)行管理的特點(diǎn)：“南旺分水最宜斟酌。如春月重運(yùn)盛行之時(shí)，南邊淺阻則多放水往南，北邊淺阻則多放水往北。若遇伏秋水長(zhǎng)，運(yùn)河水大，重運(yùn)在北則水往南放，重運(yùn)在南則水往北放，蓋使水勢(shì)常平，糧船易行也?！?/p>

為動(dòng)態(tài)展現(xiàn)歷史時(shí)期漕船經(jīng)過(guò)樞紐的過(guò)程及水量調(diào)度的機(jī)理，模型設(shè)計(jì)了漕船重運(yùn)北上及回空南下經(jīng)過(guò)南旺的場(chǎng)景，以及官船經(jīng)過(guò)樞紐的情節(jié)；通過(guò)合理的場(chǎng)景設(shè)置，將樞紐航運(yùn)管理及水量調(diào)度的典型運(yùn)行過(guò)程融入其中，盡可能全面重現(xiàn)船隊(duì)經(jīng)過(guò)時(shí)上下閘配合啟閉、水柜通過(guò)斗門與運(yùn)河之間水量交換的所有過(guò)程。模型所用船只通過(guò)動(dòng)力帶動(dòng)，閘、壩斗門通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)來(lái)操作啟閉，水流通過(guò)光影效果來(lái)模擬。

文獻(xiàn)研究表明，船只通過(guò)南旺樞紐時(shí)，工程運(yùn)行具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①節(jié)制閘動(dòng)水開(kāi)閘。山東運(yùn)河號(hào)稱“閘河”，節(jié)制閘是有效控制水量分配、維持漕運(yùn)暢通的重要工程設(shè)施。會(huì)通河節(jié)制閘的運(yùn)行機(jī)理不同于“復(fù)閘”，其主要特征即動(dòng)水開(kāi)閘?！渡綎|運(yùn)河備覽》對(duì)此有明確記載：“啟板時(shí)，上下水舟俱泊五十步之外，每啟一板輒停半晌，命曰晾板，則水勢(shì)殺，舟乃不敗?！雹陂]下閘后，方開(kāi)上閘。為了節(jié)約寶貴的濟(jì)運(yùn)水量，啟上游閘板之前，必先關(guān)閉下游閘板，使水量不致輕泄。《山東運(yùn)河備覽》記載“如啟上閘即閉下閘，啟下閘即閉上閘，節(jié)縮之道也，不然□□竭。”③每?jī)勺?jié)制閘之間的河段均有補(bǔ)水設(shè)施及泄水設(shè)施，補(bǔ)水設(shè)施包括上游節(jié)制閘、運(yùn)東斗門、小汶河分水口（柳林閘及十里閘之間河段）；泄水措施包括下游節(jié)制閘、運(yùn)西斗門及減水壩。這些閘壩根據(jù)河段同行水量需要，由閘官控制啟閉，使船隊(duì)所在河段及將進(jìn)入的下一河段滿足通航需求。模型復(fù)原的場(chǎng)景遵守這些原則。

古代的閘門均為木板疊梁閘，開(kāi)啟時(shí)需要自上而下一塊一塊地吊起，閉閘時(shí)也自下而上一塊一塊地放入。模型中船只過(guò)閘的場(chǎng)景、閘門啟閉的程序復(fù)原了疊梁閘的操作過(guò)程。

4.管理設(shè)施及社會(huì)聚落復(fù)原

南旺樞紐的工程管理設(shè)施主要有管理節(jié)制閘啟閉的閘廳和疏浚河道、協(xié)助船只過(guò)閘、過(guò)淺的淺鋪。據(jù)《（康熙）續(xù)修汶上縣志》記載，四座節(jié)制閘處均設(shè)閘廳，開(kāi)河閘置閘官1名，閘夫17名；十里閘與柳林閘設(shè)閘官1名，閘夫各18名，溜夫各9名；寺前鋪閘設(shè)閘官1名，閘夫18名。淺鋪是 “漕河之間遞設(shè)之，以防膠舟者”，“列舍居夫，習(xí)沙阻以招呼運(yùn)卒，而堤岸樹木，盜警郵傳，亦并責(zé)之防守”（《萬(wàn)歷汶上縣志》）。南旺樞紐一帶運(yùn)河上的淺鋪?zhàn)阅隙币来螢槟辖缡诇\、石口淺、柳堤淺、南旺淺、闞城淺、開(kāi)河淺，小汶河上有鵝河口、田家口二淺。各淺位置通過(guò)地名分析以及淺鋪布置規(guī)律大致確定。

運(yùn)河的開(kāi)挖及漕運(yùn)的延續(xù)，以及南旺樞紐及龍王廟的重要地位，對(duì)南旺一帶的商貿(mào)發(fā)展和社會(huì)繁榮起到促進(jìn)作用。明末清初，這里已經(jīng)形成固定聚落，沿運(yùn)河有常設(shè)的集市、渡口以及水驛。柳林閘市、南旺市、開(kāi)河市成為繁榮的經(jīng)濟(jì)和聚居中心，“帆檣云集，人跡星羅”（《萬(wàn)歷汶上縣志》）。運(yùn)河兩岸的商民往來(lái)主要經(jīng)由渡口，汶上縣境內(nèi)常設(shè)的渡口有南旺渡、開(kāi)河渡、劉家渡、袁家渡、張八老口渡，其中在南旺樞紐范圍內(nèi)的為南旺渡和開(kāi)河渡。水路的驛站稱為“水驛”，開(kāi)河驛即其一。它們位置的復(fù)原也是通過(guò)地名分析大致確定。

5.龍王廟建筑群復(fù)原

龍王廟建筑群位于運(yùn)河西岸，正對(duì)南旺分水口，是京杭運(yùn)河重要的文化及管理設(shè)施。龍王廟建筑群的復(fù)原，以部分遺存、考古成果為依據(jù)，并參考一些老照片。

四、模型效果評(píng)價(jià)

1.學(xué)術(shù)價(jià)值

以歷史復(fù)原為目的的南旺樞紐模型并非一般的物理沙盤，而是水利史研究成果的集中體現(xiàn)。模型在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目甲C和綜合研究基礎(chǔ)上，以直觀、形象的方式，復(fù)原了17—19世紀(jì)南旺樞紐工程最完善時(shí)期的工程及管理設(shè)施分布，明確地說(shuō)明了會(huì)通河分水嶺的局部地形、分水控制機(jī)制、水量綜合調(diào)節(jié)機(jī)制以及節(jié)制閘動(dòng)水開(kāi)閘等特征。模型的完成，是對(duì)南旺樞紐工程歷史研究的重要推進(jìn)，澄清了一些關(guān)于南旺樞紐的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，也是學(xué)術(shù)研究成果以這種更為直觀的形式表現(xiàn)出來(lái)的大膽嘗試，具有重要學(xué)術(shù)價(jià)值。同時(shí)，南旺樞紐模型對(duì)闡述運(yùn)河科學(xué)價(jià)值提供了載體，也是大運(yùn)河申報(bào)世界文化遺產(chǎn)的重要支撐。

2.歷史記憶的保存

南旺樞紐所在地區(qū)的地貌、自然環(huán)境及社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件在近幾十年中發(fā)生了巨大變化，工程本身遭受了巨大破壞。如果沒(méi)有及時(shí)的遺產(chǎn)保護(hù)行動(dòng)及模型制作，二三十年之后，關(guān)于它的歷史記憶將隨著一代人的逝去而消失，我們的后代只能從零星的文獻(xiàn)記載中去想象曾經(jīng)的輝煌。當(dāng)?shù)匾恍├夏耆丝吹侥Ｐ椭?，無(wú)不異常興奮地向我們以及其他年輕人回憶他們小時(shí)候，運(yùn)河工程還未全面破壞時(shí)，與運(yùn)河及龍王廟有關(guān)的生活，講述龍王廟、運(yùn)河的傳說(shuō)和他們親身經(jīng)歷的故事，他們對(duì)模型復(fù)原的準(zhǔn)確性給予了認(rèn)可。南旺樞紐模型喚起了當(dāng)?shù)鼐用竦奈幕洃?，同時(shí)在工程物質(zhì)遺存已經(jīng)遭受徹底破壞的條件下，及時(shí)地保存了這一古代偉大工程的歷史記憶。這對(duì)水利工程類文化遺產(chǎn)的保護(hù)具有重要意義。

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