基于毛細水運移的平遙古城墻監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)初探

□　王立志　黃繼忠　任建光　梁喜平

基于毛細水運移的平遙古城墻監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)初探

□王立志黃繼忠任建光梁喜平

在分析建立平遙古城墻監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的必要性及我國現(xiàn)階段文物保護監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研究進展的基礎(chǔ)上，結(jié)合平遙古城墻實際情況，對基于毛細水運移的平遙古城墻監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)進行了探索性研究。提出了超前預(yù)警指標、險情應(yīng)急性補救預(yù)警指標、輔助分析預(yù)警指標三個層面的指標體系，探討了監(jiān)測預(yù)警指標預(yù)警值的確定方法，確立了監(jiān)測預(yù)警原則，指出了尚需研究解決的難點問題。建立基于毛細水運移的平遙古城墻監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)是將平遙古城墻保護工作變被動為主動，逐漸實現(xiàn)從搶救性保護向預(yù)防性保護轉(zhuǎn)變的重要途徑。

平遙古城墻毛細水運移監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

一、建立平遙古城墻監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的必要性

在平遙古城墻風化保護中，建立以“互聯(lián)網(wǎng)+”等現(xiàn)代信息技術(shù)為支撐的古城墻風化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)是歷史發(fā)展的必然趨勢，是實現(xiàn)文物保護事業(yè)發(fā)展目標的必經(jīng)之路。長期以來我國古城墻保護工作的主要原則都是“搶救第一”，然而搶救性保護的速度往往滯后于文化遺產(chǎn)的破壞速度，隨著城市化進程加快，文物破壞的速度也可能進一步加快，甚至在某些破壞嚴重的情況下，搶救性保護已經(jīng)很難奏效，只能采取翻修或重建等被動措施。將文物保護工作變被動為主動，逐漸實現(xiàn)從搶救性保護階段向預(yù)防性保護（Preventive Conservation）階段跨越是必然趨勢，因此急需展開古城墻風化監(jiān)測預(yù)警研究，對古城墻實施預(yù)防性保護，只有主動消除和防止影響平遙古城墻保護的各種不利因素，才能最大限度地延長其壽命，減少古城墻風化，使平遙古城墻的全部文物信息和突出歷史價值得到真實、完整的保存和延續(xù)。

二、我國文物保護監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研究進展

近幾年在我國涉及文物保護監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)方面的研究得到了一定程度關(guān)注，實施成功的案例也逐漸增多。王旭東對基于風險管理理論的莫高窟監(jiān)測預(yù)警體系構(gòu)建與預(yù)防性保護進行了探索研究，論述了莫高窟風險監(jiān)測體系的框架和構(gòu)建內(nèi)容，強調(diào)了在風險監(jiān)測預(yù)警體系指引下，開展風險防范與控制技術(shù)研究，是減緩或降低各類風險對遺址帶來的危害，實現(xiàn)預(yù)防性保護的必由之路［1］。

西安市在世界遺產(chǎn)“絲綢之路：長安-天山廊道的路網(wǎng)”西安地區(qū)的唐長安城大明宮遺址、漢長安城未央宮遺址、興教寺塔、大雁塔、小雁塔各遺產(chǎn)點監(jiān)測預(yù)警平臺的基礎(chǔ)上，建設(shè)西安世界遺產(chǎn)監(jiān)測預(yù)警平臺。

嘉峪關(guān)世界文化遺產(chǎn)監(jiān)測中心依托嘉峪關(guān)萬里長城文化遺產(chǎn)資源優(yōu)勢，以建立嘉峪關(guān)長城乃至中國西部地區(qū)夯土長城監(jiān)測技術(shù)標準和規(guī)范體系為目標，爭取將嘉峪關(guān)世界文化遺產(chǎn)監(jiān)測中心建成國家級的世界文化遺產(chǎn)監(jiān)測基地（分中心）——中國西部夯土長城監(jiān)測中心。

以上文物保護監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的實例表明我國文物保護事業(yè)也在“互聯(lián)網(wǎng)+”等現(xiàn)代信息技術(shù)支持下不斷尋求創(chuàng)新和突破。但是通過對監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)測指標分析可以得出，除對遺產(chǎn)周邊環(huán)境進行監(jiān)測外，對木結(jié)構(gòu)、古建筑、城墻等文物本體的裂隙、位移、傾斜值等進行監(jiān)測，均是對文物實際發(fā)生的物理形變進行監(jiān)測。只要文物本體發(fā)生物理形變，不管程度如何，事實上已經(jīng)發(fā)生了病害險情，這與真正意義上的預(yù)防性保護還有一定的距離。

三、基于毛細水運移的平遙古城墻監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

（一）監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)指標體系

對平遙古城墻進行監(jiān)測預(yù)警不僅是所在地政府應(yīng)盡的責任和義務(wù)，更是對古城墻進行保護管理行之有效的手段。完善的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)必須包含科學(xué)的指標設(shè)置、數(shù)據(jù)收集和技術(shù)分析，其中科學(xué)的指標設(shè)置是監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)和保障。指標體系的建立是將監(jiān)測預(yù)警工作具體化、規(guī)范化、標準化的關(guān)鍵，可以確保監(jiān)測工作能全面客觀反映古城墻的保存現(xiàn)狀，綜合評估古城墻的保護效果，最大可能避免古城墻的風化破壞，為古城墻的科學(xué)管理和保護提供可靠依據(jù)［2］。

除周邊氣候環(huán)境指標外，平遙古城墻位移、裂隙、空鼓、傾斜等物理形變均是監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)當重點監(jiān)測的指標，但是這些物理變形一旦發(fā)生，實質(zhì)上古城墻已經(jīng)發(fā)生了險情，此時預(yù)警后采取措施還屬于搶救性保護，要對平遙古城墻進行實質(zhì)性的預(yù)防性保護，還需要對誘發(fā)風化的因素進行監(jiān)測從而超前預(yù)判險情。根據(jù)平遙古城墻風化主要影響因素的分析，可以作為預(yù)防性保護預(yù)警監(jiān)測指標有毛細水、可溶鹽、溫度及微生物等，而毛細水作為可溶鹽運移的載體、溫度變化和微生物生長的重要影響因素，是古城墻風化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)中首要考慮的指標。通過綜合分析。平遙古城墻監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)確定三個層面的指標體系：

1.第一層面為超前預(yù)警指標。以毛細水運移情況為基本指標，結(jié)合可溶鹽、墻體溫度、微生物等可能誘發(fā)古城墻風化的因素等指標，該層面的指標體系的建立可以在古城墻發(fā)生風化險情之前就進行預(yù)警分析判斷，以便提前采取預(yù)防性保護措施。

2.第二層面為險情應(yīng)急性補救預(yù)警指標。將古城墻墻體裂縫、位移、傾斜等已經(jīng)發(fā)生的物理形變作為主要的監(jiān)測指標，以便及時采取補救修復(fù)措施，防止古城墻發(fā)生進一步風化病害。

3.第三層面為輔助分析預(yù)警指標。平遙古城墻的保護是一項系統(tǒng)工程，它不僅包括文物本體保護，還需注重遺址周圍人文環(huán)境和自然環(huán)境的影響。通過對與平遙古城墻密切相關(guān)的自然氣候環(huán)境及人類活動情況等環(huán)境要素進行監(jiān)測，對古城墻風化險情綜合成因分析及合理預(yù)測有非常重要的輔助性作用。該層次的監(jiān)測預(yù)警指標包括降雨量、風速、風向、紫外線等氣候要素，以及人類人為破壞等人文環(huán)境要素。

（二）監(jiān)測指標預(yù)警值確定方法

科學(xué)合理的監(jiān)測指標預(yù)警值是監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)擁有高靈敏性和準確性的前提，達到預(yù)警值一般是各種病害險情發(fā)生的征兆。所謂預(yù)警值，就是對監(jiān)測的指標預(yù)先確定一個量值，當監(jiān)測值達到該量值時，預(yù)警系統(tǒng)自動報警，此時對于古城墻來說處于警戒狀態(tài)，需要引起密切關(guān)注，通過比較監(jiān)測值是否超過允許的指標范圍，可以判斷古城墻是處于安全狀態(tài)還是有出現(xiàn)風化險情的隱患，從而決定是否需要采取相應(yīng)的預(yù)防性保護措施。

預(yù)警值的確定是一個難度較大的技術(shù)問題，預(yù)警值取太大，起不到超前預(yù)警的作用，錯過預(yù)防性保護的最佳時期，相反預(yù)警值取太小則會增加監(jiān)測預(yù)警的成本費用，造成人力物力的不必要浪費。根據(jù)平遙古城墻毛細水運移的一般規(guī)律，依照以下規(guī)則來確定毛細水這一主要指標的預(yù)警值：

1.在同一位置、同一高度古城墻開始發(fā)生風化病害的臨界時刻的毛細水容積含水量值。

2.在同一位置、同一高度毛細水容積含水量達到最大值后，如果古城墻仍未發(fā)生風化病害，毛細水含量保持不變持續(xù)一段時間，隨著時間推移古城墻開始發(fā)生風化病害，可將這個保持毛細水含量不變所持續(xù)的最大時間長度作為預(yù)警值。

3.古城墻中毛細水不斷上升到某一高度時，古城墻開始發(fā)生風化險情，開始發(fā)生風化險情的毛細水上升高度就可作為預(yù)警值。

4.當毛細水上升到最大高度，如果古城墻依然未發(fā)生風化險情，毛細水保持最大高度不發(fā)生變化，隨著時間變化城墻開始發(fā)生病害險情，可將毛細水保持最大上升高度后到開始發(fā)生險情時的時間長度作為預(yù)警值。

5.單位時間所允許的變化量，反映監(jiān)測指標的變化速率，如果毛細水的容積含水量并不是非常大，或者毛細水上升高度不是很高，還未達到預(yù)警值，但是變化速率很快，明顯快于正常的速度，則往往也是病害險情的預(yù)兆，也會促發(fā)預(yù)警。所以可將促發(fā)古城墻風化時的毛細水體積含水量增加速率和毛細水上升速度作為預(yù)警值。

（三）監(jiān)測預(yù)警原則

根據(jù)《中國世界文化遺產(chǎn)監(jiān)測巡視管理辦法》和《世界文化遺產(chǎn)監(jiān)測規(guī)程》等相關(guān)文件，結(jié)合平遙古城墻自身情況及所處環(huán)境特點，監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)遵循如下幾個原則：

1.全面覆蓋，關(guān)鍵區(qū)域關(guān)鍵位置重點監(jiān)測的原則

張中儉研究認為由于太陽輻射的差異，不同朝向平遙古城墻基外側(cè)砂巖的風化速度不同［3］。不同建筑材料的使用導(dǎo)致古城墻毛細水上升高度及上升速率不同，同一地理位置城墻不同高度毛細水增加速率不同，從而影響不同區(qū)域和位置古城墻的風化速度。對于整個平遙古城墻來說，有的區(qū)域和位置毛細水上升較快，風化隱患較大，或者曾經(jīng)發(fā)生過病害險情。需要對這些關(guān)鍵區(qū)域和關(guān)鍵位置進行重點監(jiān)測，投入更多監(jiān)測儀器和手段，增加監(jiān)測頻率。關(guān)鍵區(qū)域關(guān)鍵位置重點監(jiān)測的原則可以使監(jiān)測過程中資源高效利用，避免不必要的浪費，例如毛細水運移模擬得出的毛細水上升最大高度以下位置就需要重點監(jiān)測。

2.預(yù)防為主，防治結(jié)合的原則

在監(jiān)測預(yù)警指標確定時，要堅持預(yù)防性保護為主的原則，將毛細水運移等誘發(fā)古城墻風化的因素作為重點監(jiān)測指標，在險情出現(xiàn)之前能做到超前預(yù)警，及時采取預(yù)防性保護措施，在此基礎(chǔ)上結(jié)合發(fā)生實質(zhì)物理形變的位移、開裂、傾斜等指標進行綜合監(jiān)測預(yù)警，發(fā)生險情后及時采取補救措施。

3.可靠性原則

為了保證監(jiān)測結(jié)果的可靠性和預(yù)警信息的準確性，首先必須有先進的監(jiān)測設(shè)備和科學(xué)的監(jiān)測手段作為保障；其次，必須保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院桶踩?；同時，在監(jiān)測期間應(yīng)保證監(jiān)測點的安全性，不受到人為或自然破壞。

四、需要解決的問題

通過定性及定量分析毛細水運移與古城墻風化的內(nèi)在關(guān)系，建立以毛細水運移為主要指標的平遙古城墻監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，利用毛細水這一指標進行超前預(yù)警，是實現(xiàn)古城墻預(yù)防性保護的重要途徑。同時，長期對毛細水等要素以及裂縫、位移、傾斜等風化狀態(tài)進行同步監(jiān)測，為以毛細水運移為主的相關(guān)要素與古城墻風化之間關(guān)系的進一步研究提供豐富可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，也為毛細水上升控制措施的效果分析提供最真實依據(jù)。需要特別指出的是，毛細水運移與古城墻風化的定量關(guān)系目前依然是古城墻風化保護的難點問題，而且環(huán)境條件的多樣化導(dǎo)致了該問題的復(fù)雜性，究竟毛細水含量達到什么量值或毛細水上升什么高度古城墻才會開始發(fā)生風化，需要文物保護相關(guān)科研工作者通過更多的努力來解決這一難題。

（本項目為山西省科技攻關(guān)項目）

[1]王旭東《基于風險管理理論的莫高窟監(jiān)測預(yù)警體系構(gòu)建與預(yù)防性保護探索》，《敦煌研究》2015年第1期。

[2]楊曉維《大運河(寧波段)遺產(chǎn)監(jiān)測指標體系探索》，《中國文化遺產(chǎn)》2015年第6期。

[3]張中儉、楊志法、卞丙磊等《平遙古城墻基外側(cè)砂巖的風化速度研究》，《巖土工程學(xué)報》2010年第10期1628~1632頁。

（作者工作單位：王立志，中國地質(zhì)大學(xué)水環(huán)學(xué)院；黃繼忠，山西省文物局；任建光，云岡石窟研究院；梁喜平，平遙古城墻管理處）