中國絲綢之路夯土長(zhǎng)城監(jiān)測(cè)預(yù)警研究
———以嘉峪關(guān)關(guān)城為例

陳 穎， 張曉東，柳君君，侯凌靜，牛海鵬，高 商

(1.嘉峪關(guān)文化遺產(chǎn)監(jiān)測(cè)中心，甘肅 嘉峪關(guān) 735100；2.嘉峪關(guān)長(zhǎng)城博物館，甘肅 嘉峪關(guān) 735100；3.嘉峪關(guān)絲路(長(zhǎng)城)文化研究院，甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

目前國內(nèi)外預(yù)警研究主要集中在生態(tài)環(huán)境、自然資源、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等領(lǐng)域[1-5].到1994年，聯(lián)合國教科文組織才將文化遺產(chǎn)領(lǐng)域的預(yù)警列入《保護(hù)世界文化和自然遺產(chǎn)公約》，這是首次將預(yù)警列為世界遺產(chǎn)委員會(huì)的職責(zé)之一.中國在2004年著手構(gòu)建“中國世界文化遺產(chǎn)管理動(dòng)態(tài)信息系統(tǒng)和預(yù)警系統(tǒng)”，以建立世界文化遺產(chǎn)管理動(dòng)態(tài)信息預(yù)測(cè)、預(yù)警模型，防護(hù)應(yīng)急減災(zāi)機(jī)制，以及預(yù)防為主的保護(hù)模式為目標(biāo)，由國家、省、遺產(chǎn)地三級(jí)管理動(dòng)態(tài)信息和預(yù)警系統(tǒng)組成[6].

為了保護(hù)這些歷史文化資源，需要建立科學(xué)合理、有針對(duì)性的預(yù)警系統(tǒng)，在破壞之前做出預(yù)報(bào)，為合理保護(hù)和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支撐.同國外比，中國國內(nèi)文化遺產(chǎn)保護(hù)預(yù)警方面的研究工作起步較晚，尤其鮮見關(guān)于夯土長(zhǎng)城保護(hù)預(yù)警的研究.但是近年來，隨著國家對(duì)文化遺產(chǎn)保護(hù)工作的重視，有一部分研究人員在歷史文化名城、生態(tài)環(huán)境、古建木結(jié)構(gòu)、古典園林、壁畫及石質(zhì)文物等領(lǐng)域做了一些預(yù)警研究，如趙勇等[6]構(gòu)建了歷史文化村鎮(zhèn)保護(hù)預(yù)警系統(tǒng)，并以歷史文化名鎮(zhèn)周莊為例，運(yùn)用層次分析法和時(shí)間序列曲線預(yù)測(cè)進(jìn)行了實(shí)例預(yù)警；閆慧春等[7]以藏式古建筑為例,討論了古建木結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)警機(jī)制的結(jié)構(gòu)層次及設(shè)計(jì)方法,按照統(tǒng)計(jì)特征確定三級(jí)預(yù)警的限值,并給出應(yīng)對(duì)措施等；楊俊等[8]結(jié)合我國城市古典園林遺產(chǎn)資源的特點(diǎn)，在保護(hù)理論和實(shí)踐方法上，尤其在目標(biāo)框架、指標(biāo)體系和技術(shù)方法等方面做了深入研究和完善；王旭東[9]基于文化遺產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)管理理論，指出構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警體系的必要性，進(jìn)而論述了莫高窟風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)體系的框架和構(gòu)建內(nèi)容；游巍斌等[10]以武夷山風(fēng)景名勝區(qū)為研究對(duì)象，構(gòu)建“壓力-狀態(tài)-調(diào)控”遺產(chǎn)地生態(tài)安全預(yù)警框架模型并篩選預(yù)警指標(biāo)，引入可拓學(xué)中的物元模型理論對(duì)景區(qū)生態(tài)安全進(jìn)行預(yù)警；魏勝林等[11]根據(jù)拙政園古樹名木樹體生長(zhǎng)的現(xiàn)狀與癥狀, 針對(duì)性地提出古樹名木監(jiān)測(cè)預(yù)警保護(hù)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)的保護(hù)措施；李宏松[12]論述了石質(zhì)文物巖石材料劣化評(píng)價(jià)體系及監(jiān)測(cè)預(yù)警研究的主要內(nèi)容和技術(shù)路線；張健[13]應(yīng)用GPS與高精度變形監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了不同規(guī)模野外文物保護(hù)區(qū)和古墓群有效的滑坡監(jiān)測(cè)與預(yù)警防范等.

1 嘉峪關(guān)關(guān)城概況

嘉峪關(guān)關(guān)城始建于明洪武五年(1372年)，嘉靖十八年(公元1539年)加固關(guān)城并修筑附近長(zhǎng)城，至萬歷元年(公元1573年)修建完成完整的關(guān)隘.其位于河西走廊中部最狹窄處的嘉峪塬上，是地處古絲綢之路和長(zhǎng)城腳下的重鎮(zhèn).1961年3月4日,被國務(wù)院公布為第一批全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位,1987年被世界教科文組織列入“世界文化遺產(chǎn)地名錄”.由于嘉峪關(guān)特定的地理環(huán)境條件，關(guān)城歷經(jīng)數(shù)百年的風(fēng)吹、雨淋、日曬等自然和人為因素，存在不同類型的病害：主要受常年風(fēng)吹及建筑本身的結(jié)構(gòu)原因，出現(xiàn)了墻體傾斜開裂；有些墻體受雨蝕作用，墻體表面風(fēng)化，夯土剝落等；加之地下潮氣上升，底部積雪等，引起土壤鹽分運(yùn)移，導(dǎo)致墻體底部返潮泛堿、磚體碎裂脫落、掏蝕等現(xiàn)象.

2 嘉峪關(guān)關(guān)城夯土長(zhǎng)城監(jiān)測(cè)預(yù)警的研究現(xiàn)狀

自嘉峪關(guān)關(guān)城建成以來，隨著自然環(huán)境氣候影響和人類活動(dòng)破壞，夯土墻體已存在多種病害，這些病害的存在和發(fā)展會(huì)嚴(yán)重地威脅著遺產(chǎn)安全.2013年由國家文物局立項(xiàng)批準(zhǔn)實(shí)施的嘉峪關(guān)世界文化遺產(chǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)工程正式啟動(dòng)，其目的在于高起點(diǎn)、高標(biāo)準(zhǔn)地建立適合于嘉峪關(guān)長(zhǎng)城及境內(nèi)土遺址的監(jiān)測(cè)預(yù)警體系，促進(jìn)文化遺產(chǎn)的預(yù)防性保護(hù)，這標(biāo)志著夯土長(zhǎng)城由此進(jìn)入了科學(xué)保護(hù)時(shí)期.嘉峪關(guān)世界文化遺產(chǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)工程將實(shí)現(xiàn)對(duì)嘉峪關(guān)境內(nèi)土遺址的“一中心四站”監(jiān)測(cè)運(yùn)行模式，其重點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容之一是建成嘉峪關(guān)世界文化遺產(chǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警管理平臺(tái)，即依靠科技創(chuàng)新，完成土遺址和古建筑的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在線采集、遠(yuǎn)程共享、分析管理及預(yù)警提醒等功能，實(shí)現(xiàn)文化遺產(chǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警的專業(yè)化、精細(xì)化和智能化.

2.1 監(jiān)測(cè)預(yù)警體系

以關(guān)城監(jiān)測(cè)站為中心，布設(shè)外圍監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，全方位覆蓋嘉峪關(guān)境內(nèi)的文保單位，開展文物的監(jiān)測(cè)預(yù)警工作.通過監(jiān)測(cè)設(shè)備上傳實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、便攜式監(jiān)測(cè)設(shè)備錄入數(shù)據(jù)至監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)，基于收集到的歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行時(shí)間和空間的統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)文物保存現(xiàn)狀的變化趨勢(shì)，做出現(xiàn)狀評(píng)估和采取預(yù)防措施，提高對(duì)遺產(chǎn)保護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和防控能力，實(shí)現(xiàn)遺產(chǎn)的預(yù)防性保護(hù).

監(jiān)測(cè)預(yù)警體系包括網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)、信息傳輸及安全設(shè)計(jì)和預(yù)警監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)設(shè)計(jì)，其中信息傳輸及安全設(shè)計(jì)包含網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)建設(shè)、信息安全建設(shè)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)建設(shè)等，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需要建設(shè)大容量存儲(chǔ)系統(tǒng)，永久保存和更新監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并定期和定時(shí)段的保存動(dòng)態(tài)及視頻數(shù)據(jù)，為決策分析時(shí)調(diào)用查看；監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)是建立多尺度空間數(shù)據(jù)庫，將有精確坐標(biāo)定位的空間數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)與框架，承載嘉峪關(guān)各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和現(xiàn)狀數(shù)據(jù).平臺(tái)在數(shù)據(jù)處理方面，通過前端采集設(shè)備和傳輸中介，對(duì)輸入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)歸類、存儲(chǔ)、分發(fā)、套用模型進(jìn)行對(duì)比、關(guān)聯(lián)等分析處理，并運(yùn)用地理信息系統(tǒng)空間可視化分析、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理技術(shù)等方法提升監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可視化程度，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算模型分析結(jié)果以圖形、圖像形式清晰呈現(xiàn)，甚至可以模擬出虛擬動(dòng)態(tài)的三維遺產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng).

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用微軟.net技術(shù)開發(fā)，B/S結(jié)構(gòu)，使用ORACLE數(shù)據(jù)庫，基于四層的體系架構(gòu)搭建嘉峪關(guān)文化遺產(chǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警信息系統(tǒng).構(gòu)建遺產(chǎn)監(jiān)測(cè)要素分類、監(jiān)測(cè)規(guī)范、預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)、遺產(chǎn)評(píng)估、跨部門協(xié)同工作規(guī)范五大規(guī)范體系，建立遺產(chǎn)信息、遺產(chǎn)GIS、監(jiān)測(cè)預(yù)警、決策支持和公共信息五大基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了檔案存儲(chǔ)檢索，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢及分析，監(jiān)測(cè)指標(biāo)設(shè)置，遺產(chǎn)要素、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的GIS標(biāo)注定位，預(yù)警處理、物聯(lián)傳感數(shù)據(jù)展示，公眾參與遺產(chǎn)監(jiān)測(cè)與保護(hù)等主要功能，如圖1所示.

2.2 監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)體系

預(yù)警指標(biāo)體系的建立是將監(jiān)測(cè)預(yù)警工作具體化、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的關(guān)鍵，可以確保監(jiān)測(cè)工作能全面客觀反映夯土城墻的保存現(xiàn)狀，綜合評(píng)估夯土城墻的保護(hù)效果，最大可能避免夯土城墻的風(fēng)化破壞，為夯土城墻的科學(xué)管理和保護(hù)提供可靠依據(jù)[14]. 國內(nèi)相關(guān)文化遺產(chǎn)監(jiān)測(cè)體系的研究較少見，對(duì)文化遺產(chǎn)的保護(hù)多以文字形式定性描述，定量化的研究很缺乏，使得預(yù)警研究工作不能直觀表現(xiàn)，缺乏科學(xué)有效的數(shù)據(jù)支持.

嘉峪關(guān)世界文化遺產(chǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警管理平臺(tái)作為專門的預(yù)警管理平臺(tái)，制定科學(xué)有效的監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)體系對(duì)系統(tǒng)的順利運(yùn)行起到了關(guān)鍵作用.通過綜合分析，確定關(guān)城夯土墻體監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的指標(biāo)體系.嘉峪關(guān)獨(dú)特的氣候環(huán)境，對(duì)夯土材質(zhì)的遺址穩(wěn)定性有顯著的影響，通過對(duì)城墻密切相關(guān)的自然氣候環(huán)境及人類活動(dòng)情況等環(huán)境要素進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)城墻病害成因分析及合理預(yù)測(cè)有非常重要的作用.該方面的監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)包括降水量、風(fēng)速、風(fēng)向、溫濕度等氣候要素.考慮到夯土墻體建筑選材的特殊性，墻體裂縫、位移、傾斜、巖土應(yīng)力等已經(jīng)發(fā)生的物理形變也作為主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)，以便進(jìn)一步分析和預(yù)測(cè)病變趨勢(shì).墻體受潮疏松泛堿，結(jié)合可溶鹽、毛細(xì)水運(yùn)移、墻體溫度等可能誘發(fā)此類病害的因素也作為指標(biāo)，見圖2，旨在達(dá)到綜合分析評(píng)判.

2.3 制定監(jiān)測(cè)預(yù)警值

科學(xué)合理的監(jiān)測(cè)指標(biāo)預(yù)警值是監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)擁有高靈敏性和準(zhǔn)確性的前提，達(dá)到預(yù)警值一般是各種病害險(xiǎn)情發(fā)生的征兆.當(dāng)監(jiān)測(cè)值達(dá)到預(yù)警值時(shí)，預(yù)警系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，此時(shí)對(duì)于墻體來說處于警戒狀態(tài)，通過比較監(jiān)測(cè)值是否超過允許的指標(biāo)范圍，可以判斷墻體是否存在風(fēng)險(xiǎn)隱患，是否采取相應(yīng)的預(yù)防性保護(hù)措施.預(yù)警值的確定是一個(gè)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(cuò)過預(yù)防性保護(hù)的最佳時(shí)期，相反預(yù)警值取太小則會(huì)增加監(jiān)測(cè)預(yù)警的成本費(fèi)用，造成人力物力的不必要浪費(fèi)[14]. 針對(duì)關(guān)城夯土墻體裂縫、 風(fēng)化酥堿等病害明顯的墻體內(nèi)部，依照以下規(guī)則來確定這一指標(biāo)的預(yù)警值：同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀察裂縫的發(fā)展趨勢(shì)，當(dāng)裂縫值達(dá)到最大值時(shí)，如果城墻尚未發(fā)生明顯開裂現(xiàn)象，且裂縫變化速率保持不變，隨著時(shí)間推移城墻開始發(fā)生明顯開裂現(xiàn)象，可將這個(gè)值作為預(yù)警值；當(dāng)傾斜角度達(dá)到最大值，城墻尚未發(fā)生明顯位移，且傾斜變化速率保持不變，隨著時(shí)間推移城墻開始發(fā)生明顯位移，可將這個(gè)值作為預(yù)警值；同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)城墻開始發(fā)生風(fēng)化酥堿病害時(shí)，墻體鹽分含量、毛細(xì)水容積含水量及其運(yùn)移高度也可作為預(yù)警值；結(jié)合各類指標(biāo)進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警，發(fā)生險(xiǎn)情后，根據(jù)監(jiān)測(cè)預(yù)警級(jí)別，發(fā)揮應(yīng)急管理作用，及時(shí)采取補(bǔ)救措施，如圖3、圖4所示.

圖1 嘉峪關(guān)世界文化遺產(chǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警體系架構(gòu)圖Fig.1 Architecture diagram of Jiayuguan world culture inheritance monitoring and precaution system

圖2 外城北墻監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.2 Real-time monitoring data of the south wall of Waicheng

圖3 監(jiān)測(cè)預(yù)警管理預(yù)警查看Fig.3 Management of monitoring and precaution system

圖4 外城北墻監(jiān)測(cè)預(yù)警Fig.4 Checking the warning information

由于研究確定科學(xué)的預(yù)警值需要通過詳實(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)積累等，該系統(tǒng)各類指標(biāo)的監(jiān)測(cè)預(yù)警值現(xiàn)正在摸索研究中，目前只是借鑒全國類似遺址類型、以往監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)以及模擬實(shí)驗(yàn)等，粗略地預(yù)估預(yù)警值，但還存在不精準(zhǔn)的現(xiàn)象，因此具體的研究工作還需進(jìn)一步探討論證，方可確定出適合夯土墻體精確的預(yù)警值.

3 結(jié)束語

嘉峪關(guān)關(guān)城監(jiān)測(cè)預(yù)警保護(hù)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，它包括文物本體的保護(hù)，還要兼顧遺址周圍人文環(huán)境、自然環(huán)境等的保護(hù).所以我們必須運(yùn)用先進(jìn)的保護(hù)理念，采用先進(jìn)的保護(hù)手段，開展綜合的科學(xué)保護(hù)研究，才能使它得到有效的保護(hù).監(jiān)測(cè)預(yù)警體系建設(shè)只是預(yù)防性保護(hù)的重要措施之一，雖然系統(tǒng)模塊劃分清晰、功能完整，但還存在一些不足，要想實(shí)現(xiàn)全面合理的保護(hù)預(yù)警，還需從以下幾方面努力.

(1)不斷完善指標(biāo)體系.文物病害的出現(xiàn)是由諸多因素經(jīng)過一定時(shí)間累積影響表現(xiàn)出來的，發(fā)生病害的位置不是一成不變的，可能會(huì)隨著時(shí)間的推移引起延伸.指標(biāo)運(yùn)用的科學(xué)性體現(xiàn)在可根據(jù)監(jiān)測(cè)管理的實(shí)際需求對(duì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)不斷進(jìn)行調(diào)整，監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)不是固化的，將隨實(shí)際管理需要不斷調(diào)整，這是指標(biāo)價(jià)值的動(dòng)態(tài)管理[15].

(2)提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的利用率.研究、分析、運(yùn)用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)遺產(chǎn)的保護(hù)管理工作扎實(shí)高效開展有重要意義.目前對(duì)夯土長(zhǎng)城的保護(hù)工作多是基于初級(jí)的監(jiān)測(cè)手段，日常工作注重監(jiān)測(cè)卻對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析不夠，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)保護(hù)和管理文化遺產(chǎn)的作用發(fā)揮的還不顯著.應(yīng)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，應(yīng)用科學(xué)的數(shù)據(jù)分析模型，進(jìn)行多維關(guān)聯(lián)性分析，有效地提取數(shù)據(jù)間的隱含信息，更好的實(shí)現(xiàn)文物的科學(xué)監(jiān)測(cè)預(yù)警.

(3)科學(xué)制定預(yù)警值.

在監(jiān)測(cè)預(yù)警體系中，實(shí)現(xiàn)預(yù)警預(yù)報(bào)是最終的目的之一，沒有確切的預(yù)警值，監(jiān)測(cè)預(yù)警體系很難充分發(fā)揮作用[9].研究確定科學(xué)的預(yù)警值需要通過有效的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、長(zhǎng)期的歷史積累、科學(xué)的理論依據(jù)和合理的科學(xué)論證，這仍然是今后監(jiān)測(cè)工作的研究重點(diǎn)，還需要同業(yè)內(nèi)專家學(xué)者、科研機(jī)構(gòu)指導(dǎo)下，共同完成.

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