模型复原技术在水利遗产保护中的应用——以京杭运河南旺枢纽为例

李云鹏，谭徐明，王 力，万金红

（中国水利水电科学研究院水利史研究所，100048，北京）

水利遗产作为水文化的主要物质载体，在水文化建设进程中逐渐受到重视。由于年久失修、疏于管理或人为破坏，尤其是近几十年大规模的基础建设，有些工程被拆毁、改建，其功能、结构以及周边环境都已经发生巨大变化，无法展示其历史时期的工程布置、运行管理及承载的科学、文化价值。2010—2011年，中国水科院在深入研究南旺枢纽历史演变及工程运行管理机制基础上，主持设计制作了京杭运河南旺枢纽物理模型，形象再现17—19世纪南旺一带工程及管理设施布置，比较客观地还原了历史时期漕船通过分水岭时枢纽各闸坝斗门工程管理过程。

一、南旺枢纽简介及现状

京杭运河南旺分水枢纽位于山东省济宁市汶上县南旺镇，始建于明永乐九年（1411年），地处京杭运河地势最高的分水岭，同时也是保证运河南北贯通的最关键工程之一。元代初开会通河时，引汶泗水至济宁，分水口与南旺间的高差仍有10余m，因此元代会通河不畅，年漕运量仅20万石，至元末，会通河逐渐湮废。明永乐九年，工部尚书宋礼主持重开会通河，采纳汶上老人白英的建议，建戴村坝引汶水至南旺入运河，并利用南旺湖为水柜调蓄，从而真正实现了会通河乃至京杭运河的畅通，年漕运量也达到400万石。

戴村坝-南旺枢纽工程建成之后，工程设施及运行、管理机制不断完善。至明中期的成化十三年 （1477年），建南旺南北闸 （即后来的柳林闸、十里闸），分水比例已经实现人工控制；到清代，工程体系达到最完善的时期。

清咸丰五年（1855年），黄河在兰阳铜瓦厢改道，夺大清河入海，在张秋冲断会通河；光绪二十七年（1901年），漕运终止。大运河遂失去统一管理，南旺枢纽逐渐废弃。尤其是1950年以来，随着经济社会快速发展及土地开发，南旺枢纽的历史形貌受到极大破坏。如今，南旺一带运河及小汶河河道形态破坏严重，区域水系格局已完全改变；大部分闸坝工程已经消失，少量尚有遗存；水柜已全部垦为农田，河湖疏浚堆积的土山也已挖运殆尽。分水龙王庙建筑群破坏严重，个别建筑结构尚存。京杭运河繁盛数百年的南旺枢纽，工程体系历史形态及自然、社会环境已完全改变。

二、模型复原方法及特点

为了直观地再现南旺枢纽历史时期的工程体系、运行管理，以及区域自然地理及社会坏境，采用动态物理模型的形式，复原南旺枢纽工程及管理最为完备时期的历史形态，以及通过工程调控漕船顺利翻越分水岭的场景。复原模型以运河河道及其他工程为核心，北至开河闸、南至寺前铺闸，包括两岸环境、管理设施及龙王庙、市镇等聚落，以及水柜部分区域，模拟范围约40km2。模型平面尺寸为 50 m×7 m，比例尺 1∶400；为突出运河及工程，河道及闸坝等平面比尺和垂直比尺采用1∶20。南旺枢纽在清康熙时期工程设施已经非常完备，水量及工程的管理制度也已经非常完善。因此，选取约17—19世纪作为模型复原的历史时期，工程布置、管理方式、场景等均尽可能反映这个时期的历史原貌。

南旺枢纽模型以展示而非试验为目的，但与常见的其他模型或沙盘又有根本不同。它复原的是特定历史时期的工程枢纽，以表现我国古代传统水利科技，展示水利遗产的科学价值为目的。南旺枢纽模型是相关研究成果的集中体现，水利工程及历史环境的严重破坏成为模型复原的最大障碍，水利史相关研究成果及部分考古成果为模型的设计制作提供了重要参考。

三、主要复原内容及关键技术

南旺枢纽模型复原主要包括历史地形、水系、水利工程，闸厅浅铺等管理设施，市镇等社会设施的位置以及龙王庙建筑群等。历史复原的依据以历史文献为主，主要有正史“河渠志”，明代潘季驯《河防一览》、万恭《治水筌蹄》、王琼《漕河图志》、谢肇淛《北河纪》，清代《清会典事例》、吴江陆《山东运河备览》、张伯行《居济一得》、周家驹《河防辑要》、《运河全图》，以及《（万历）汶上县志》《（康熙）续修汶上县志》《（道光）济宁直隶州志》等地方志；近现代测绘地形图包括民国5年（1916年）潘复《山东南运湖河水利录要》，民国24年（1935年）汪胡桢《整理运河工程计划》中图，20世纪20年代国民政府测绘图，70年代测绘图等，并参考其他一些老照片及考古资料。复原模型及场景以尊重历史真实为原则，成果比较可信。

1.历史水系及地形复原

明清时期，南旺枢纽戴村坝拦引汶水，由小汶河西南流至南旺，入运河及蜀山、马踏二湖济运，运河水多时可泄入南旺湖。汶河泥沙随水进入运河及水柜，疏浚后堆积在河岸，形成“土山”。清末黄河改道及漕运终止之后，尤其是20世纪50年代以来，受南旺一带先后堵塞小汶河上源、老运河干涸、开挖梁济运河、小汶河改道、水柜围垦，以及土山开窑烧砖等影响，水系及地形已发生极大改变。

对历史水系的复原，由于运河及小汶河河道大体路线仍然能辨识，通过测绘并参考历史文献、舆图等资料能够确定其走向；蜀山、马踏、南旺三湖水柜的范围，通过遥感考古、残存湖堤并参考文献记载，大致可以确定其范围；通过对历史文献的研究，17—18世纪时南旺枢纽的南北月河尚存，其走向可通过文献记载各口的相对位置来确定。根据文献记载，运河河道标准宽度为6丈（20 m），现状保存比较完整的河段横断面宽约20 m，因此河宽定为6丈。南旺一带运河河道比较平缓，根据康熙时《山东运河备览》的记载，分水口向南至柳林闸，河底高差为1丈1尺5寸，坡降约0.77‰；向北至十里闸高差为2尺2寸，坡降约1.47‰。分水龙王庙前建石驳岸，正对分水口以防顶冲，石工长49丈，高1丈8尺，砌石15层。

对于南旺一带历史地形的复原，则主要参考文献记载，并以1930年、1950年测绘地形图为基础，以文献资料的记载进行修正和复原，反演处区域历史时期地形尤其是土山的分布及规模。

南旺枢纽作为会通河分水岭及分水枢纽，人们对其认知长期以来一直存在一些误解，其中甚至不乏一些学者。第一，有些人认为“水脊”处地形比较高耸，有明显的地形高耸。分水岭或“水脊”的说法是比较宏观的地理认识，而局限到南旺枢纽的范围内，其地形高差并不特别明显，《山东运河备览》对此有明确记载。另据《居济一得》记载，康熙时曾经进行关闭寺前铺闸，放蜀山湖水北流的非常规调节，可见这一带运河纵坡比较平缓。第二，有人认为分水口处有类似于都江堰鱼嘴的分水设施，甚至曾经开展寻找南旺分水鱼嘴的行动。南旺分水口处并无鱼嘴，正对分水口为石驳岸，其功能是保护龙王庙的安全。分水比例完全由各节制闸、斗门进行人工控制。南旺枢纽工程模型客观真实地反映了南旺一带地形及水系的历史情况。

2.枢纽水利工程位置及结构复原

南旺枢纽为实现对水量的有效调控，集中了大量的闸坝斗门等工程。随着漕运的停止和枢纽的废弃，绝大部分工程被完全拆除，少量工程尚存遗迹。对已消失工程的位置复原，主要依据对历史舆图、文献资料的研究，并在近代地形图基础上参考对工程与河湖、地形相关关系的分析来确认。对节制闸、各斗门、堰坝的工程结构复原，主要参考相关文献记载中的描述及数据确定，并以工程遗存的测量数据校核。

开河、十里、柳林、寺前铺四处节制闸俱有遗址，其结构尺寸有定制，结合文献记载及遗址测量，确定为金门（闸孔）宽 2 丈（约 6.7 m），由身（闸墙）直长 2丈 4尺（约 8.8 m），迎水雁翅（上游翼墙）直长 2丈（约 6.7 m）、横长2丈（约6.7 m），出水雁翅（下游翼墙）直长 3丈（10 m）、横长 2丈（约 6.7 m），闸高 2丈 8尺 8寸（约 9.6 m）。

斗门等是南旺枢纽调节运河水量的重要工程设施，它们分布在运河、小汶河河道与蜀山、马踏、南旺三湖之间，根据水情需要实施调节水量交换。17—18世纪时，南旺枢纽共有这种调控运河水量的斗门、水口、堰坝23处。运河西岸与南旺湖之间11处，自北向南各节制闸之间分别为：（开河闸）五里铺滚水坝、关家大闸，（十里闸）常名斗门、邢通斗门，（分水口）彭室斗门、孙强斗门、刘立斗门，（柳林闸）张全斗门、盛进斗门、焦栾斗门，（寺前铺闸）十字河斗门。马踏湖与运河之间自北向南有洪仁桥、新河两处斗门，都在开河闸与十里闸之间；蜀山湖与运河之间有利运闸，向柳林闸与寺前铺闸之间的河段补水。小汶河北岸自西向东依次为北月河口、王士宜口、徐建口、王堂口土坝、何家口，通过引河向马踏湖或运河补水。小汶河南岸自西向东依次为邢家林口（即南月河口）、田家楼口、胡家楼口，均为小汶河向蜀山湖补水的工程。由于制作规模的限制，模型范围内共复原斗门堰坝15处。斗门结构形式与节制闸基本相同，规模略小。根据文献记载，南旺枢纽各斗门的尺寸基本一致，取均值作为复原的尺寸，斗门口宽 1丈 1尺（约 3.6 m），由身长2丈（约6.7 m），雁翅各斜长3丈（约 10m），高 1丈 5尺（约 5.0m）。五里铺滚水坝堰顶长5丈 （约16.7 m），由身长2丈（约6.7 m），上雁翅斜长3丈，下雁翅斜长5丈。

各工程均由条石砌成。《清会典事例》记载，“条石每块长四尺五寸至六尺不等，宽厚各一尺”，现场遗存的条石尺寸与此相符。

3.枢纽调度运行机理复原

南旺枢纽通过各闸坝斗门的启闭，实现对水源管理及水量分配的人工控制，使船帮依次顺利通过分水口。工程运行及水量调配机理，是枢纽科学价值的核心所在。枢纽水量调度在历史实际当中具有实时性、针对性、偶然性，不同季节、不同水量条件、不同类型船只都有不同的调度方式。《居济一得》形象总结了枢纽运行管理的特点：“南旺分水最宜斟酌。如春月重运盛行之时，南边浅阻则多放水往南，北边浅阻则多放水往北。若遇伏秋水长，运河水大，重运在北则水往南放，重运在南则水往北放，盖使水势常平，粮船易行也。”

为动态展现历史时期漕船经过枢纽的过程及水量调度的机理，模型设计了漕船重运北上及回空南下经过南旺的场景，以及官船经过枢纽的情节；通过合理的场景设置，将枢纽航运管理及水量调度的典型运行过程融入其中，尽可能全面重现船队经过时上下闸配合启闭、水柜通过斗门与运河之间水量交换的所有过程。模型所用船只通过动力带动，闸、坝斗门通过机械传动来操作启闭，水流通过光影效果来模拟。

文献研究表明，船只通过南旺枢纽时，工程运行具有以下几个特点：①节制闸动水开闸。山东运河号称“闸河”，节制闸是有效控制水量分配、维持漕运畅通的重要工程设施。会通河节制闸的运行机理不同于“复闸”，其主要特征即动水开闸。《山东运河备览》对此有明确记载：“启板时，上下水舟俱泊五十步之外，每启一板辄停半晌，命曰晾板，则水势杀，舟乃不败。”②闭下闸后，方开上闸。为了节约宝贵的济运水量，启上游闸板之前，必先关闭下游闸板，使水量不致轻泄。《山东运河备览》记载“如启上闸即闭下闸，启下闸即闭上闸，节缩之道也，不然□□竭。”③每两座节制闸之间的河段均有补水设施及泄水设施，补水设施包括上游节制闸、运东斗门、小汶河分水口（柳林闸及十里闸之间河段）；泄水措施包括下游节制闸、运西斗门及减水坝。这些闸坝根据河段同行水量需要，由闸官控制启闭，使船队所在河段及将进入的下一河段满足通航需求。模型复原的场景遵守这些原则。

古代的闸门均为木板叠梁闸，开启时需要自上而下一块一块地吊起，闭闸时也自下而上一块一块地放入。模型中船只过闸的场景、闸门启闭的程序复原了叠梁闸的操作过程。

4.管理设施及社会聚落复原

南旺枢纽的工程管理设施主要有管理节制闸启闭的闸厅和疏浚河道、协助船只过闸、过浅的浅铺。据《（康熙）续修汶上县志》记载，四座节制闸处均设闸厅，开河闸置闸官1名，闸夫17名；十里闸与柳林闸设闸官1名，闸夫各18名，溜夫各9名；寺前铺闸设闸官1名，闸夫18名。浅铺是 “漕河之间递设之，以防胶舟者”，“列舍居夫，习沙阻以招呼运卒，而堤岸树木，盗警邮传，亦并责之防守”（《万历汶上县志》）。南旺枢纽一带运河上的浅铺自南而北依次为南界首浅、石口浅、柳堤浅、南旺浅、阚城浅、开河浅，小汶河上有鹅河口、田家口二浅。各浅位置通过地名分析以及浅铺布置规律大致确定。

运河的开挖及漕运的延续，以及南旺枢纽及龙王庙的重要地位，对南旺一带的商贸发展和社会繁荣起到促进作用。明末清初，这里已经形成固定聚落，沿运河有常设的集市、渡口以及水驿。柳林闸市、南旺市、开河市成为繁荣的经济和聚居中心，“帆樯云集，人迹星罗”（《万历汶上县志》）。运河两岸的商民往来主要经由渡口，汶上县境内常设的渡口有南旺渡、开河渡、刘家渡、袁家渡、张八老口渡，其中在南旺枢纽范围内的为南旺渡和开河渡。水路的驿站称为“水驿”，开河驿即其一。它们位置的复原也是通过地名分析大致确定。

5.龙王庙建筑群复原

龙王庙建筑群位于运河西岸，正对南旺分水口，是京杭运河重要的文化及管理设施。龙王庙建筑群的复原，以部分遗存、考古成果为依据，并参考一些老照片。

四、模型效果评价

1.学术价值

以历史复原为目的的南旺枢纽模型并非一般的物理沙盘，而是水利史研究成果的集中体现。模型在严谨的考证和综合研究基础上，以直观、形象的方式，复原了17—19世纪南旺枢纽工程最完善时期的工程及管理设施分布，明确地说明了会通河分水岭的局部地形、分水控制机制、水量综合调节机制以及节制闸动水开闸等特征。模型的完成，是对南旺枢纽工程历史研究的重要推进，澄清了一些关于南旺枢纽的错误认识，也是学术研究成果以这种更为直观的形式表现出来的大胆尝试，具有重要学术价值。同时，南旺枢纽模型对阐述运河科学价值提供了载体，也是大运河申报世界文化遗产的重要支撑。

2.历史记忆的保存

南旺枢纽所在地区的地貌、自然环境及社会经济条件在近几十年中发生了巨大变化，工程本身遭受了巨大破坏。如果没有及时的遗产保护行动及模型制作，二三十年之后，关于它的历史记忆将随着一代人的逝去而消失，我们的后代只能从零星的文献记载中去想象曾经的辉煌。当地一些老年人看到模型之后，无不异常兴奋地向我们以及其他年轻人回忆他们小时候，运河工程还未全面破坏时，与运河及龙王庙有关的生活，讲述龙王庙、运河的传说和他们亲身经历的故事，他们对模型复原的准确性给予了认可。南旺枢纽模型唤起了当地居民的文化记忆，同时在工程物质遗存已经遭受彻底破坏的条件下，及时地保存了这一古代伟大工程的历史记忆。这对水利工程类文化遗产的保护具有重要意义。

[1]（清）张伯行.居济一得.文渊阁四库全书 （579），史部地理类四河渠之属[M].上海：上海古籍出版社，2003.

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[5] 清会典事例（十）.工部[M].北京：中华书局，1991.

[6] （清）周家驹.河防辑要（卷 3），石工类[M].南京：汤明林印刷工厂（线状），宣统三年（1911）.