耿 苗

“南海I號(hào)”宋代古船沉沒于水下長達(dá)800余年，船體木材降解破壞較嚴(yán)重。其船載貨物數(shù)量巨大，原有的用于固定捆扎貨物的包裝材料大部分腐爛殆盡，不同材質(zhì)的貨物緊密堆疊對(duì)船體造成擠壓破壞。船載的大量鐵質(zhì)器物銹蝕產(chǎn)生的有害離子，對(duì)木質(zhì)船體的保存、保護(hù)帶來的干擾非常嚴(yán)重。

由于“南海I號(hào)”保護(hù)及發(fā)掘模式尚無先例可循，在持續(xù)的保護(hù)發(fā)掘工作中，文物保護(hù)技術(shù)人員遵循文物保護(hù)基本原則和理念，在工作實(shí)踐中克服了諸多難題，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，針對(duì)發(fā)掘現(xiàn)場的文物保護(hù)設(shè)計(jì)并實(shí)施的多種行之有效的保護(hù)技術(shù)措施，保證了發(fā)掘現(xiàn)場文物保護(hù)工作的順利開展。其中，利用真空負(fù)壓原理，設(shè)計(jì)并實(shí)施的用于沉船噴淋殘液抽除的專用裝置，是為解決有害殘液對(duì)船體木材造成二次損傷的成功案例之一。

一、“南海I號(hào)”船木病害的主要特點(diǎn)及解決方法

隨著“南海I號(hào)”的全面保護(hù)發(fā)掘，船體木材逐步暴露出來，為相關(guān)研究人員提供了更加全面掌握船體木材病害狀態(tài)的可能。經(jīng)對(duì)“南海I號(hào)”船體木材取樣檢測分析顯示，船木纖維素含量顯著下降，木材含水率極高，木材受硫、鐵等有害離子浸蝕嚴(yán)重。

“南海I號(hào)”船木病害表現(xiàn)形式主要是船木的斷裂、變形、殘損等表觀上的物理性損傷，而引起這些物理性損傷的根本原因其實(shí)是材質(zhì)性能上的劣化，木材強(qiáng)度的下降導(dǎo)致船木及船體原有形狀和結(jié)構(gòu)遭到破壞。

（一）船木纖維素含量太低

纖維素是維持木材強(qiáng)度的主要結(jié)構(gòu)物質(zhì)，對(duì)木材纖維素的含量分析，一方面可以評(píng)估木材的降解程度，另一方面也是間接評(píng)價(jià)木材材質(zhì)強(qiáng)度的重要依據(jù)。對(duì)“南海I號(hào)”船體木材采樣分析，平均纖維素含量不足20%，遠(yuǎn)低于同種新材平均60%的纖維素含量，船木降解程度非常嚴(yán)重。

（二）船木含水率極高

長期處于水下環(huán)境浸泡的經(jīng)考古發(fā)掘的古代木材被稱為“飽水古木材”[1]，飽水木材其木材纖維素、半纖維素及木質(zhì)素會(huì)發(fā)生嚴(yán)重降解，降解后的木材成分溶出后，在木材的微觀結(jié)構(gòu)上，會(huì)遺留下來大量的“空穴”，這些數(shù)量眾多的細(xì)小孔隙會(huì)被周圍的水分填充，導(dǎo)致木材含水率大幅度上升。飽水木材的含水率是間接衡量木材糟朽程度的重要指標(biāo)，含水率越高，說明木材的降解程度越嚴(yán)重，飽水木材的含水率和強(qiáng)度呈反比關(guān)系。對(duì)“南海I號(hào)”船體木材標(biāo)本含水率檢側(cè)，所測得的最高含水率高達(dá)700%，保存較好的船體木材含水率也達(dá)到了350%左右（圖1），而即使是木材新材的含水率通常也僅僅是100%左右。

圖1 含水率分析數(shù)據(jù)

（三）有害離子浸蝕嚴(yán)重

利用掃描電鏡+能譜儀對(duì)“南海I號(hào)”船木標(biāo)本進(jìn)行形貌觀察和元素分析（表1)，可見木材內(nèi)部沉積有大量的鹽類；利用離子色譜對(duì)船木可溶鹽分析（表2），結(jié)果顯示船木樣品中均有較高含量的Na+、 K+、 Ca2+、 Mg2+和 Cl-。

表1 “南海Ⅰ號(hào)”船體木材能譜元素成分分析結(jié)果（wt%）

表2 “南海Ⅰ號(hào)”船體木材可溶鹽含量（ppm)

除船木本體含有高濃度的有害鹽分浸蝕外，在保護(hù)發(fā)掘現(xiàn)場對(duì)船木開展的日常巡查監(jiān)測過程中，發(fā)現(xiàn)有多處船木的表面出現(xiàn)黃色、黃褐色至深紅褐色的顏色附著現(xiàn)象，對(duì)這些附著物刮取取樣，利用X射線衍射分析（XRD） ，分析結(jié)果主要是黃鐵礦（FeS2）、赤鐵礦（Fe2O3）、鈉鐵礬[NaFe3（SO4）2（OH）6]、鈣磷石等礦物，可見這些附著物同樣含有危害木材的硫、鐵離子。這些有害的鹽類物質(zhì)與“南海I號(hào)”埋藏環(huán)境、船載鐵器及整體打撈所用的沉箱銹蝕污染等有關(guān)，特別是沉船木質(zhì)船體靠近鐵質(zhì)凝結(jié)物的區(qū)域，這類附著物尤其明顯[2]。

通過上述檢測分析表明“南海I號(hào)”船木有害鹽分浸蝕和附著的現(xiàn)象十分嚴(yán)重。其中，對(duì)船木威脅最大的主要是含有硫、鐵離子的可溶鹽或難溶鹽類，這類鹽類會(huì)與空氣中的水分、氧發(fā)生反應(yīng)生成酸類物質(zhì)，引發(fā)木材纖維素加速降解[3]。

（四）生物病害嚴(yán)重

由于采用開放式發(fā)掘，船木大面積暴露于空氣中，“南海I號(hào)”木質(zhì)沉船還存在嚴(yán)重的微生物病害侵蝕風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)船木進(jìn)行微生物取樣培養(yǎng)分析，發(fā)現(xiàn)存在10余種危害船木的菌群[4]，如果不加以有效控制，危害船木的微生物有爆發(fā)滋生的風(fēng)險(xiǎn)。

（五）解決方法

針對(duì)“南海I號(hào)”船體木材的主要病害，船體保護(hù)的工作目標(biāo)就是要在現(xiàn)有技術(shù)條件下，采取有效的保護(hù)技術(shù)手段延緩/阻止船體病害在發(fā)掘期間的進(jìn)一步擴(kuò)展蔓延，維持發(fā)掘期間船體的穩(wěn)定性，并為將來的全面保護(hù)打下良好的工作基礎(chǔ)。為達(dá)成上述工作目標(biāo)，具體的保護(hù)技術(shù)實(shí)施簡單概括起來，就是通過對(duì)船體木材的每日高頻度噴淋防腐保濕，使船體木材的水分含量保持在相對(duì)恒定狀態(tài)，以避免木材失水干燥，導(dǎo)致木材尺寸、體積發(fā)生不可逆的干縮變形和扭曲[5]。同時(shí)，結(jié)合適當(dāng)?shù)姆栏刂?，抑制微生物病害的爆發(fā)。在穩(wěn)定性保護(hù)的同時(shí)，利用有效的技術(shù)手段，對(duì)船體的保護(hù)狀態(tài)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整保護(hù)實(shí)施方案。經(jīng)過對(duì)船木穩(wěn)定性保護(hù)過程的持續(xù)監(jiān)測，結(jié)果顯示，船體及船木目前處于穩(wěn)定的狀態(tài)[6]。

二、噴淋保護(hù)液的殘留淤積問題

1.殘液淤積破壞力大

在對(duì)“南海I號(hào)”開展的持續(xù)監(jiān)測過程中，文物保護(hù)技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)大部分船木監(jiān)測點(diǎn)的鹽類含量（包括硫、鐵離子）有一定程度的下降。船木有害離子含量的降低，其“去向”只能是在對(duì)船木的噴淋保護(hù)過程中，伴隨著噴淋操作的淋洗作用，這些有害鹽類隨著噴淋液從船木中被逐步淋洗脫除出來。經(jīng)對(duì)淤積于船艙底部的噴淋殘液取樣分析，證實(shí)殘液中含有大量的硫、鐵離子。

因?yàn)橐ＷC噴淋防腐保濕的效果，船體的穩(wěn)定性噴淋操作采取每日高頻度噴淋，噴淋的液量較大，導(dǎo)致噴淋殘液滯留淤積于木質(zhì)船艙底部低洼處的情況比較嚴(yán)重。這些含有高濃度有害鹽類的殘液會(huì)對(duì)船艙底部的木質(zhì)船體造成嚴(yán)重的破壞作用。另外，發(fā)掘現(xiàn)場的積液，也對(duì)現(xiàn)場發(fā)掘工作造成干擾，應(yīng)采取有效措施及時(shí)抽除這些淤積的殘液，以保護(hù)船艙底部的船木處于良好的保護(hù)狀態(tài)。

2、通用水泵排淤效果差

為解決發(fā)掘現(xiàn)場及船艙底部低洼處噴淋液淤積的問題，現(xiàn)場保護(hù)人員先后嘗試采用自吸式離心泵和潛水泵抽除積液，經(jīng)過現(xiàn)場使用，發(fā)現(xiàn)這兩種方案效果都較差。

自吸泵存在的問題是，每次開機(jī)抽水，都需要在泵體內(nèi)加注引水，而現(xiàn)場的積水區(qū)有多處，需要將水泵在各個(gè)積水區(qū)進(jìn)行搬移，即使每日進(jìn)行一次全面抽水作業(yè)，也要頻繁移動(dòng)水泵并重新加注引水，操作十分不便；當(dāng)積水區(qū)水位逐漸降低接近吸污進(jìn)水管口的高度時(shí)，污水會(huì)裹挾空氣一同被抽入污水管，導(dǎo)致水泵無法正常工作，積液區(qū)不能被徹底排干。

采用潛水泵排水存在的問題是，潛水泵正常工作所需要的液位高度比離心泵更高，積液區(qū)的“死液位”高度大；潛水泵需要放置在積液區(qū)內(nèi)，因泵體較重，會(huì)對(duì)船木造成二次破壞損傷；潛水泵的動(dòng)力電源線需要隨潛水泵一起接入到積液區(qū)，發(fā)掘現(xiàn)場情況復(fù)雜，電源線引入到發(fā)掘工作面，存在安全隱患。

另外，積液中的泥沙雜質(zhì)較多，經(jīng)常導(dǎo)致自吸泵或潛水泵的葉輪卡死或水管堵塞的情況發(fā)生。

三、利用真空負(fù)壓原理實(shí)施積液抽除的解決方案

為了解決采用通用設(shè)備排水方案存在的問題，實(shí)現(xiàn)安全、高效、徹底地排凈遺址區(qū)內(nèi)淤積的廢液，文物保護(hù)技術(shù)人員利用真空負(fù)壓原理，設(shè)計(jì)并實(shí)施安裝了一套排淤專用裝置。該裝置的基本工作原理為，在真空集液罐頂部的排氣口接入大排量真空泵，利用真空泵在集液罐內(nèi)部產(chǎn)生真空負(fù)壓。此時(shí)，將安裝在真空集液罐頂部的吸水管引入到遺址的噴淋液淤積區(qū)，利用罐體與外界的負(fù)壓差，通過吸污管將淤積的殘液吸入到真空集液罐內(nèi)。

（一）真空負(fù)壓積液排除裝置的組成

在真空負(fù)壓積液排除方案的具體實(shí)施裝置中，為防止集液罐內(nèi)的廢液滿罐后，廢液被吸入真空泵造成設(shè)備損壞，增設(shè)了一套由自動(dòng)控制單元和電磁閥組成的開關(guān)系統(tǒng)，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)連續(xù)抽排功能，將真空罐分隔成兩個(gè)工作腔室（圖2）。整套系統(tǒng)由內(nèi)部被分隔成兩個(gè)工作腔室的不銹鋼真空集污罐、真空泵和自動(dòng)控制單元組成。

圖2 真空污水抽除裝置（真空集污罐）結(jié)構(gòu)圖

圖3 真空污水抽除裝置工作原理示意圖

a1、b1為電磁控制空氣閥門（空氣出口），a2、b2為電磁控制污水入口閥門，a3、b3為電磁控制污水排放閥門，a4、b4為液位控制傳感器（傳感器接口）.

裝置工作時(shí)（見圖3工作原理示意圖），首先關(guān)閉b1、b2電磁閥（a3、b3處于關(guān)閉狀態(tài)），a1、a2電磁閥開啟，真空泵工作抽除A腔室氣體，真空罐A腔室處于低壓狀態(tài)。此時(shí)，將連接于真空集液罐污水入口的吸污管導(dǎo)入遺址低洼的積液區(qū)，污水連同泥沙等被吸入A罐腔室中，當(dāng)A罐液位上升至液位傳感器預(yù)設(shè)液面高度后，觸發(fā)液位傳感器并通過自動(dòng)控制模塊關(guān)閉a1、a2電磁閥，同時(shí)開啟b1、b2和a3電磁排污閥，A罐污水泥沙排出A腔室。此時(shí)，B腔室同步形成負(fù)壓狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)掘遺址積液的連續(xù)抽除作業(yè)。

由于在排淤過程中，廢液的抽吸管路內(nèi)沒有運(yùn)動(dòng)部件，因而不會(huì)發(fā)生泥沙阻滯葉輪的情況，也無需在現(xiàn)場引入電源線，廢液抽吸管即使有空氣混入，也不影響其正常污水抽除能力，即使在船艙底部狹小縫隙淤積的廢液也可以被有效地徹底抽除排空，

圖4 擺放在保護(hù)發(fā)掘現(xiàn)場的真空集污罐

（二）真空負(fù)壓積液排除裝置的應(yīng)用效果

配合大流量水環(huán)式高真空泵，該裝置的最大排污能力可達(dá)0.5m3/min，吸污管采用高彈性硅膠軟管，耐受負(fù)壓能力好又不會(huì)在使用中彎折出現(xiàn)“死角”，保證了吸污過程的通暢。由于采用的是內(nèi)置式雙腔室結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)吸污和排污，經(jīng)現(xiàn)場實(shí)施效果驗(yàn)證，直徑0.9米、高1.0米的真空集污罐（圖4),就可完全滿足發(fā)掘現(xiàn)場的排污需求。

真空排污裝置主要的功能特點(diǎn)如下：

1.自動(dòng)連續(xù)排污功能，通過A、B罐的交替吸污和排污，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)遺址現(xiàn)場的連續(xù)抽除污水作業(yè)；

2.遺址現(xiàn)場不需接入電源，有效避免漏電故障造成的火險(xiǎn)及人員安全隱患；

3.抽污作業(yè)時(shí)，只將真空吸污軟管引入到遺址現(xiàn)場，不必在遺址擺放沉重的潛水泵，避免設(shè)備自重對(duì)遺址現(xiàn)場及文物產(chǎn)生的擠壓破壞；

4.吸污過程中，整個(gè)管路系統(tǒng)無運(yùn)動(dòng)部件，避免了對(duì)可能抽吸進(jìn)入排污設(shè)備中的文物造成破壞，排放的污水經(jīng)過濾篩選，可完好地將這些文物浮選提取出來；

5.吸污徹底，設(shè)備工作時(shí)，沒有最低液位要求，通過采用小口徑的吸污軟管，可以有效排除狹小空間內(nèi)的殘存污水。

四、結(jié)語

隨著海洋環(huán)境出水文物保護(hù)研究的不斷進(jìn)展，對(duì)于文物病害的發(fā)生機(jī)理以及保護(hù)基礎(chǔ)理論，已經(jīng)有了基本的共識(shí)性認(rèn)識(shí)，文物保護(hù)研究人員在實(shí)驗(yàn)室“可控”的環(huán)境條件下，對(duì)材質(zhì)單一的“單件”出水文物所開展的相關(guān)保護(hù)實(shí)施技術(shù)研究，大多可以獲得比較滿意的效果。

但是，對(duì)于“南海I號(hào)”保護(hù)現(xiàn)場這樣文物體量巨大、數(shù)量眾多、材質(zhì)種類多樣且密集堆疊的復(fù)雜環(huán)境下[7]，不同材質(zhì)文物所要求的保護(hù)條件不盡相同甚至是相互矛盾，在發(fā)掘現(xiàn)場條件下，如何協(xié)調(diào)各類材質(zhì)文物保護(hù)的特定性要求，協(xié)調(diào)好各不同材質(zhì)文物保護(hù)的工作流程，是擺在現(xiàn)場保護(hù)人員面前的一道難題。在實(shí)驗(yàn)室“可控”的環(huán)境條件下，將小批量、單一材質(zhì)文物保護(hù)技術(shù)實(shí)施研究所取得的成功經(jīng)驗(yàn)，簡單地“移植”到情況復(fù)雜、各項(xiàng)工作環(huán)節(jié)交錯(cuò)甚至是相互“干擾”的大型文物保護(hù)發(fā)掘現(xiàn)場，其可實(shí)施性需要進(jìn)行充分驗(yàn)證和取舍平衡。

以現(xiàn)場船木穩(wěn)定性保濕防腐噴淋為例，如果僅僅關(guān)注木材本身的保濕和防腐效果，而沒有考慮到發(fā)掘現(xiàn)場鐵質(zhì)船貨及船木在噴淋保濕過程中，伴隨產(chǎn)生的含有害離子的噴淋廢液的淤積問題，對(duì)遺址和船木造成的二次損傷是不可避免的。沒有考慮到噴淋廢液淤積并進(jìn)行有效應(yīng)對(duì)的保濕防腐噴淋方案，是不完善的保護(hù)方案，甚至是對(duì)船體造成更大損傷的失敗的保護(hù)實(shí)施方案。從事文物保護(hù)一線的專業(yè)技術(shù)人員，應(yīng)結(jié)合工作實(shí)際，更多地考慮現(xiàn)場保護(hù)方案實(shí)施的技術(shù)可行性，并盡量排除現(xiàn)場不利因素對(duì)文物保護(hù)帶來的干擾破壞。