基于毛細(xì)水運(yùn)移的平遙古城墻監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)初探

□　王立志　黃繼忠　任建光　梁喜平

基于毛細(xì)水運(yùn)移的平遙古城墻監(jiān)測(cè)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(cè)預(yù)警系統(tǒng)的必要性及我國現(xiàn)階段文物保護(hù)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，結(jié)合平遙古城墻實(shí)際情況，對(duì)基于毛細(xì)水運(yùn)移的平遙古城墻監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行了探索性研究。提出了超前預(yù)警指標(biāo)、險(xiǎn)情應(yīng)急性補(bǔ)救預(yù)警指標(biāo)、輔助分析預(yù)警指標(biāo)三個(gè)層面的指標(biāo)體系，探討了監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)預(yù)警值的確定方法，確立了監(jiān)測(cè)預(yù)警原則，指出了尚需研究解決的難點(diǎn)問題。建立基于毛細(xì)水運(yùn)移的平遙古城墻監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)是將平遙古城墻保護(hù)工作變被動(dòng)為主動(dòng)，逐漸實(shí)現(xiàn)從搶救性保護(hù)向預(yù)防性保護(hù)轉(zhuǎn)變的重要途徑。

平遙古城墻毛細(xì)水運(yùn)移監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

一、建立平遙古城墻監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的必要性

在平遙古城墻風(fēng)化保護(hù)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(fēng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)是歷史發(fā)展的必然趨勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)文物保護(hù)事業(yè)發(fā)展目標(biāo)的必經(jīng)之路。長期以來我國古城墻保護(hù)工作的主要原則都是“搶救第一”，然而搶救性保護(hù)的速度往往滯后于文化遺產(chǎn)的破壞速度，隨著城市化進(jìn)程加快，文物破壞的速度也可能進(jìn)一步加快，甚至在某些破壞嚴(yán)重的情況下，搶救性保護(hù)已經(jīng)很難奏效，只能采取翻修或重建等被動(dòng)措施。將文物保護(hù)工作變被動(dòng)為主動(dòng)，逐漸實(shí)現(xiàn)從搶救性保護(hù)階段向預(yù)防性保護(hù)（Preventive Conservation）階段跨越是必然趨勢(shì)，因此急需展開古城墻風(fēng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警研究，對(duì)古城墻實(shí)施預(yù)防性保護(hù)，只有主動(dòng)消除和防止影響平遙古城墻保護(hù)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(fēng)化，使平遙古城墻的全部文物信息和突出歷史價(jià)值得到真實(shí)、完整的保存和延續(xù)。

二、我國文物保護(hù)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)研究進(jìn)展

近幾年在我國涉及文物保護(hù)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)方面的研究得到了一定程度關(guān)注，實(shí)施成功的案例也逐漸增多。王旭東對(duì)基于風(fēng)險(xiǎn)管理理論的莫高窟監(jiān)測(cè)預(yù)警體系構(gòu)建與預(yù)防性保護(hù)進(jìn)行了探索研究，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，強(qiáng)調(diào)了在風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警體系指引下，開展風(fēng)險(xiǎn)防范與控制技術(shù)研究，是減緩或降低各類風(fēng)險(xiǎn)對(duì)遺址帶來的危害，實(shí)現(xiàn)預(yù)防性保護(hù)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(diǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)的基礎(chǔ)上，建設(shè)西安世界遺產(chǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)。

嘉峪關(guān)世界文化遺產(chǎn)監(jiān)測(cè)中心依托嘉峪關(guān)萬里長城文化遺產(chǎn)資源優(yōu)勢(shì)，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(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范體系為目標(biāo)，爭(zhēng)取將嘉峪關(guān)世界文化遺產(chǎn)監(jiān)測(cè)中心建成國家級(jí)的世界文化遺產(chǎn)監(jiān)測(cè)基地（分中心）——中國西部夯土長城監(jiān)測(cè)中心。

以上文物保護(hù)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)例表明我國文物保護(hù)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(duì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)分析可以得出，除對(duì)遺產(chǎn)周邊環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)外，對(duì)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(jìn)行監(jiān)測(cè)，均是對(duì)文物實(shí)際發(fā)生的物理形變進(jìn)行監(jiān)測(cè)。只要文物本體發(fā)生物理形變，不管程度如何，事實(shí)上已經(jīng)發(fā)生了病害險(xiǎn)情，這與真正意義上的預(yù)防性保護(hù)還有一定的距離。

三、基于毛細(xì)水運(yùn)移的平遙古城墻監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

（一）監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)指標(biāo)體系

對(duì)平遙古城墻進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警不僅是所在地政府應(yīng)盡的責(zé)任和義務(wù)，更是對(duì)古城墻進(jìn)行保護(hù)管理行之有效的手段。完善的監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)必須包含科學(xué)的指標(biāo)設(shè)置、數(shù)據(jù)收集和技術(shù)分析，其中科學(xué)的指標(biāo)設(shè)置是監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)和保障。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古城墻的保存現(xiàn)狀，綜合評(píng)估古城墻的保護(hù)效果，最大可能避免古城墻的風(fēng)化破壞，為古城墻的科學(xué)管理和保護(hù)提供可靠依據(jù)［2］。

除周邊氣候環(huán)境指標(biāo)外，平遙古城墻位移、裂隙、空鼓、傾斜等物理形變均是監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的指標(biāo)，但是這些物理變形一旦發(fā)生，實(shí)質(zhì)上古城墻已經(jīng)發(fā)生了險(xiǎn)情，此時(shí)預(yù)警后采取措施還屬于搶救性保護(hù)，要對(duì)平遙古城墻進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的預(yù)防性保護(hù)，還需要對(duì)誘發(fā)風(fēng)化的因素進(jìn)行監(jiān)測(cè)從而超前預(yù)判險(xiǎn)情。根據(jù)平遙古城墻風(fēng)化主要影響因素的分析，可以作為預(yù)防性保護(hù)預(yù)警監(jiān)測(cè)指標(biāo)有毛細(xì)水、可溶鹽、溫度及微生物等，而毛細(xì)水作為可溶鹽運(yùn)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(fēng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中首要考慮的指標(biāo)。通過綜合分析。平遙古城墻監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)確定三個(gè)層面的指標(biāo)體系：

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

2.第二層面為險(xiǎn)情應(yīng)急性補(bǔ)救預(yù)警指標(biāo)。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(cè)指標(biāo)，以便及時(shí)采取補(bǔ)救修復(fù)措施，防止古城墻發(fā)生進(jìn)一步風(fēng)化病害。

3.第三層面為輔助分析預(yù)警指標(biāo)。平遙古城墻的保護(hù)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，它不僅包括文物本體保護(hù)，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(duì)與平遙古城墻密切相關(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)古城墻風(fēng)化險(xiǎn)情綜合成因分析及合理預(yù)測(cè)有非常重要的輔助性作用。該層次的監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)包括降雨量、風(fēng)速、風(fēng)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(cè)指標(biāo)預(yù)警值確定方法

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。所謂預(yù)警值，就是對(duì)監(jiān)測(cè)的指標(biāo)預(yù)先確定一個(gè)量值，當(dāng)監(jiān)測(cè)值達(dá)到該量值時(shí)，預(yù)警系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，此時(shí)對(duì)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(cè)值是否超過允許的指標(biāo)范圍，可以判斷古城墻是處于安全狀態(tài)還是有出現(xiàn)風(fēng)化險(xiǎn)情的隱患，從而決定是否需要采取相應(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)。根據(jù)平遙古城墻毛細(xì)水運(yùn)移的一般規(guī)律，依照以下規(guī)則來確定毛細(xì)水這一主要指標(biāo)的預(yù)警值：

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

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

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

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

5.單位時(shí)間所允許的變化量，反映監(jiān)測(cè)指標(biāo)的變化速率，如果毛細(xì)水的容積含水量并不是非常大，或者毛細(xì)水上升高度不是很高，還未達(dá)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(xiǎn)情的預(yù)兆，也會(huì)促發(fā)預(yù)警。所以可將促發(fā)古城墻風(fēng)化時(shí)的毛細(xì)水體積含水量增加速率和毛細(xì)水上升速度作為預(yù)警值。

（三）監(jiān)測(cè)預(yù)警原則

根據(jù)《中國世界文化遺產(chǎn)監(jiān)測(cè)巡視管理辦法》和《世界文化遺產(chǎn)監(jiān)測(cè)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(diǎn)，監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)遵循如下幾個(gè)原則：

1.全面覆蓋，關(guān)鍵區(qū)域關(guān)鍵位置重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的原則

張中儉研究認(rèn)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(fēng)化速度不同［3］。不同建筑材料的使用導(dǎo)致古城墻毛細(xì)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(xì)水增加速率不同，從而影響不同區(qū)域和位置古城墻的風(fēng)化速度。對(duì)于整個(gè)平遙古城墻來說，有的區(qū)域和位置毛細(xì)水上升較快，風(fēng)化隱患較大，或者曾經(jīng)發(fā)生過病害險(xiǎn)情。需要對(duì)這些關(guān)鍵區(qū)域和關(guān)鍵位置進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，投入更多監(jiān)測(cè)儀器和手段，增加監(jiān)測(cè)頻率。關(guān)鍵區(qū)域關(guān)鍵位置重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的原則可以使監(jiān)測(cè)過程中資源高效利用，避免不必要的浪費(fèi)，例如毛細(xì)水運(yùn)移模擬得出的毛細(xì)水上升最大高度以下位置就需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

2.預(yù)防為主，防治結(jié)合的原則

在監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)確定時(shí)，要堅(jiān)持預(yù)防性保護(hù)為主的原則，將毛細(xì)水運(yùn)移等誘發(fā)古城墻風(fēng)化的因素作為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，在險(xiǎn)情出現(xiàn)之前能做到超前預(yù)警，及時(shí)采取預(yù)防性保護(hù)措施，在此基礎(chǔ)上結(jié)合發(fā)生實(shí)質(zhì)物理形變的位移、開裂、傾斜等指標(biāo)進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警，發(fā)生險(xiǎn)情后及時(shí)采取補(bǔ)救措施。

3.可靠性原則

為了保證監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性和預(yù)警信息的準(zhǔn)確性，首先必須有先進(jìn)的監(jiān)測(cè)設(shè)備和科學(xué)的監(jiān)測(cè)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(shí)，在監(jiān)測(cè)期間應(yīng)保證監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(xì)水運(yùn)移與古城墻風(fēng)化的內(nèi)在關(guān)系，建立以毛細(xì)水運(yùn)移為主要指標(biāo)的平遙古城墻監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，利用毛細(xì)水這一指標(biāo)進(jìn)行超前預(yù)警，是實(shí)現(xiàn)古城墻預(yù)防性保護(hù)的重要途徑。同時(shí)，長期對(duì)毛細(xì)水等要素以及裂縫、位移、傾斜等風(fēng)化狀態(tài)進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)，為以毛細(xì)水運(yùn)移為主的相關(guān)要素與古城墻風(fēng)化之間關(guān)系的進(jìn)一步研究提供豐富可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，也為毛細(xì)水上升控制措施的效果分析提供最真實(shí)依據(jù)。需要特別指出的是，毛細(xì)水運(yùn)移與古城墻風(fēng)化的定量關(guān)系目前依然是古城墻風(fēng)化保護(hù)的難點(diǎn)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(xì)水含量達(dá)到什么量值或毛細(xì)水上升什么高度古城墻才會(huì)開始發(fā)生風(fēng)化，需要文物保護(hù)相關(guān)科研工作者通過更多的努力來解決這一難題。

（本項(xiàng)目為山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目）

[1]王旭東《基于風(fēng)險(xiǎn)管理理論的莫高窟監(jiān)測(cè)預(yù)警體系構(gòu)建與預(yù)防性保護(hù)探索》，《敦煌研究》2015年第1期。

[2]楊曉維《大運(yùn)河(寧波段)遺產(chǎn)監(jiān)測(cè)指標(biāo)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(fēng)化速度研究》，《巖土工程學(xué)報(bào)》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）