基于水文災害風險評估的建筑遺產預防性保護措施研究

文／董婉茹 北京工業大學城建學部 碩 士

引言

自然災害破壞力大，難以預防，對建筑遺產造成了極大的威脅。作為自然災害之一，水文災害發生頻繁，災害后形成的潮濕環境還是建筑遺產發生日常劣化的主要因素[1]，對建筑遺產危害極大。據《中國世界文化遺產2020 年度總報告》[2]統計，2020 年建筑遺產遭受自然災害20 次，其中18 次是以暴雨、臺風/大風、洪水為主的氣象水文災害；根據病害調查記錄，文物建筑所遭受的病害類型以表層風化、裂縫、植物類病害為主，都是典型的潮濕環境引發的病害。歷年來，因水文災害致建筑遺產受損的案例不計其數，2012 年7 月21 日北京因暴雨導致約160 處不可移動文物受損；2020 年，南方洪澇災害導致130 余處不可移動文物受到損失，其中多處國家級重點文物保護單位在洪災中被沖毀；河南2021年“7·20”暴雨致使400 余處文博單位受損；2021 年10 月，山西省約1763 處不可移動文物因連續降雨造成損害，其中被列為世界文化遺產的平遙古城出現墻體坍塌。可見，水文災害給建筑遺產保護帶來了巨大的挑戰。

我國建筑遺產預防性保護主要從遺產監測、病害分析、災害風險評估和預防、管理體系等方面進行研究。從建筑災害風險角度來說，病害分析方面的研究很多，但從水文災害造成日常劣化的角度分析的較少。在文物保護領域，馮楠[1]通過分析潮濕地區露天環境下磚石文物的風化現狀及病害機理，提出了相應的保護措施。近年來，關于洪澇災害的研究逐漸增加，并且呈現出多學科、跨專業的特點。張又天綜合研究了歷史建筑密集區常見災害，其中涉及了洪澇災害對歷史建筑的影響及防災策略[3]；曾雅婕、傅紅等[4]以成都文化遺產為例，根據PSR 模型建立指標體系，分析洪災風險等級；北京建筑大學的袁馮[5]從地理氣象層面分析北京市暴雨時空分布特點，對北京各區洪澇災害風險進行等級劃分；張耀文、李海君[6]等從城市防災角度建立了區域洪澇災害風險評價指標體系并進行了驗證。

總體來說，對于災害風險的研究或從城市或從社區綜合系統的角度出發，或從某單一災害來分析建筑本體的防災保護，對綜合風險方面的研究較少。而關于綜合風險的研究，大多著眼于評估方法和指標體系的建立，忽略了相應的保護措施。水文災害風險不僅包括暴雨、洪澇等直接災害風險，還有山體滑坡、泥石流等次生災害風險以及潮濕環境造成的日常劣化風險。文章綜合分析水文災害風險，從建筑遺產本體的角度建立指標體系評估風險，并依照評估結果采取相應的遺產預防性保護措施。

1 建筑遺產水文災害的風險評估

1.1 評估方法

災害風險評估目前應用范圍最廣的方法為基于指標體系的風險評估方法，既可以對某一災害進行評價，也可對多種災害進行綜合分析評估[7]。本文將對水文災害建立指標體系，采用層次分析法進行定量化評價，將災害風險問題分解成若干層元素，參考專家評價建立指標體系，通過風險分級對建筑遺產提供客觀可靠的風險評估，從而為建筑遺產的預防性保護提供參考。

1.2 評價因子選取

遵循風險管理理論，綜合學者的研究，本次評估將致災因子、孕災環境、承災體和抗災力四個方面作為水文災害風險目標下的準則層來建立評估模型。

1.2.1 致災因子

水文災害的致災因子主要有暴雨、洪水、澇災、風暴潮、海嘯等自然災害。其中，暴雨、洪水、澇災具有普遍性，是本文主要研究的水文災害，而這些災害本質上都是由極端降水導致的。降水的危險性可以由其降水量以及降水強度來評價，而降水強度超過暴雨級別便容易導致洪澇災害。因此，該結構模型致災因子的評價指標定為降水量和暴雨日數。

1.2.2 孕災環境

水文災害中的孕災環境可以分為地形、水系和植被三個方面。地形因素由地勢高低和周圍山體情況來評價，地勢的高低決定了建筑遺產周圍是否容易積水，而山體滑坡是暴雨中極易引發的次生災害。水系指標考慮地下水位變幅和河網密度，地下水位變幅與降水情況有關，同時也影響建筑地基是否會發生受潮滲水現象；而區域內遭受洪澇的難易程度與河網密度有關[8]。在植物因素中，建筑周圍植物覆蓋度會影響降水之后的潮濕度，而潮濕環境會增加建筑遺產的劣化現象；建筑遺產周圍通常會有古樹名木，若在暴雨中倒塌，不僅樹木本身受損，而且容易危及建筑，造成極大的損害，是建筑遺產的潛在威脅。

1.2.3 承災體

在本次評估中，致災因子作用的對象是遺產建筑，也就是說，目標建筑本體就是承災體。承災體的脆弱性主要以建筑外墻材料損壞度和主體結構穩定性為評價標準，而建筑遺產保護是以遺產價值為基礎的，因此把遺產價值也納入承災體的評價標準。

1.2.4 抗災力

抗災力是指人類社會對災害的防御能力，對應于本次水文災害便是防洪除澇能力，主要通過防洪基礎設施、災害監測預警情況來評價。

1.3 遞階層次結構模型建立

根據上述分析，水文災害風險評估的遞階層次結構模型以水文災害風險為目標層，致災因子、孕災環境、承災體、抗災力為準則層，再往下分設子準則層和評價因子層，具體模型如圖1。

圖1 水文災害風險評估遞階層次結構模型（圖片來源：作者自繪）

1.4 評價因子層權重確定

權重確定需要自上而下依次進行，先對目標層水文災害風險下的準則層進行重要性排序，再依次對下層評價因素進行權重計算，計算結果如表1 所示。

表1 水文災害風險權重表（表格來源：作者自繪）

1.5 評價因子判定標準

本次評價指標分為定性指標和定量指標，定量指標包括年均降水量、暴雨日數、地勢高低、河網密度、地下水位變幅、植物覆蓋度六個指標，定性指標包括山體滑坡、大型樹木、外墻面損壞度、結構穩定性、遺產價值、防洪基礎設施和監測預警情況七個指標。

致災因子的兩個指標均為定量指標，標準主要參考城市水務局公布的城市降水情況，統計區域內年均降水量和年均暴雨日數，計算分析致災因子的危險性。

孕災環境的地形指標中，通過測量周圍地勢差來評價地勢高低指標，根據周圍山體結構松散程度、抗剪強度和抗風化能力等來判定是否有山體滑坡的可能性；水系標準為定量指標，河網密度通過河流總長度/流域面積來計算，地下水位變幅參考城市水務局公布的地下水信息；植物標準中大型樹木通過樹干直徑、樹木高度、樹齡、名木價值來評價損失程度，植物覆蓋度則通過植物覆蓋面積/建筑遺產保護面積來計算。

承災體中主體結構穩定性和外立面材料損壞度參照《近現代歷史建筑結構安全性評估導則》（WW/T0048-2014）[9]來評估，文物價值則參考文物局公布的遺產保護級別，綜合評估建筑遺產價值。

抗災力中，防洪基礎設施包括防洪堤、截洪溝、排澇泵站、區塊排澇主干管、城區防洪排澇調度中心等，通過設施建設是否完善來評價該指標。監測預警情況根據洪水預警、預報情況來評價。

評價因子具體判定指標以及標準化如表2所示。

表2 評價因子判定指標及標準化（表格來源：作者自繪）

2 實例應用——圣彌厄爾教堂

2.1 建筑概況

圣彌厄爾教堂位于北京市東交民巷，是北京市區內少有的沒有經過徹底毀壞和重建的天主教堂。在中華人民共和國成立以后，由于政策限制，教堂被臺基廠小學使用，直到1986 年才重新歸教會管理。教堂規模較小，建筑主體仿哥特式風格，磚木結構，灰磚清水墻。

2.2 調研情況及災害評估

（1）致災因子情況。降水量參考北京市水務局統計年均降水量為585 毫米，而暴雨日數來源于參考文獻[5]根據北京市氣象站點統計的1961—2018 年降水數據。

（2）孕災環境情況。教堂處于市中心，周圍沒有山體，也沒有河流水系。建筑本體位于0.75米的平臺之上，場地較周圍道路也有所抬高；教堂入口有兩棵古樹，但倒塌風險較小，整個場地植物面積較少。根據北京市水務局觀測，教堂地下水位變幅為0.39 米。

（3）承災體情況。教堂于2001 年被列入全國重點文物保護單位名單。2003 年完成一次全面整修，進行了抗震加固、更換構建、修復破損設施以及增加消防和避雷系統等項目。經過調研，發現建筑主體結構無明顯劣化現象，但外墻面有植物生長、微生物侵蝕、磚石風化、開裂剝落等現象，且由于西側緊挨餐飲后廚，油煙排放對教堂西立面產生一定影響。

（4）抗災力情況。教堂內防洪基礎設施較為完善，區域內的監測預警設施也比較完備。

具體評估情況如表3。

表3 圣彌厄爾教堂水文災害評估表（表格來源：作者自繪）

2.3 評估結果分析

根據評估，北京市圣彌厄爾教堂水文災害風險較小。在各個指標中，除降水和遺產價值兩項無法改變因素外，數值較高的為地下水位、樹木和外墻面損壞度三個指標。因此，在接下來的保護中，應注重地下水位和建筑基礎的監測，避免基礎受潮；對入口的兩棵古樹也要做好支撐措施。對于外墻面的劣化，首先要注意移除生長的植物；其次應及時修復腐蝕、風化、開裂剝落等現象，并且對西側餐飲店的油煙排放管道進行改造，避免油煙對西立面的影響。

3 預防性保護措施

3.1 降低致災因子的危險性

本文中致災因子的危險性主要是由極端降水造成的。研究表明[10]，極端降水的發生頻率與全球氣候變暖有關。全球溫度的升高會影響強降水的空間分布，增大洪澇災害發生的頻率。因此，降低致災因子的危險性就要積極治理氣候變暖，需要社會各界乃至全球人民的共同努力。

3.2 加強孕災環境的穩定性

不同建筑遺產的孕災環境有所不同，需根據具體情況采取相應的措施。位于山體滑坡易發區的建筑遺產，要提前做好相應措施，例如改變滑坡體外形、設置抗滑樁等加固山體工程，以及修建截水溝、排水溝等攔截水流措施。對于處于洼地容易積水的建筑遺產，要做好排水設施。建筑遺產周圍的古樹名木要安排專業人員進行保護，若古樹距離建筑較近或生長重心偏離，要及時做好支撐措施。

3.3 改善承災體的脆弱性

遺產本體的風險主要為日常劣化導致的，在評估過程中發現劣化現象，及時做好修復加固工作，避免劣化加劇。除此之外，做好日常維護也極為重要。例如對建筑遺產和周邊環境定期進行監測，及時排除潛在風險；控制好室內空間的溫度和濕度，及時通風，避免因干濕度的急劇變化而產生霉變現象；外墻面可以進行憎水保護，避免水汽滲透，侵蝕墻體[11]。

3.4 提升抗災能力

抗災能力的提升需要政府、管理方、相關部門以及社會公眾的共同參與。政府應加大財政投入，引進先進設備，聘請專業人才；完善相應法規體系，加大執法的力度，保障遺產的災害管理。管理方要完善防洪基礎設施建設，在汛期等降水頻發時期來臨之前做好預防保護工作；相關部門應加強對降水、洪澇以及山體滑坡等災害的監測預警工作。此外，還應鼓勵公眾積極參與，加強其對建筑遺產的保護意識。

結語

對災害進行相應的風險評估是建筑遺產保護的重要工作。以年均降水量、暴雨日數、山體滑坡、地勢高低、河網密度、地下水位變幅、植物覆蓋度、大型樹木情況、建筑結構穩定性、遺產價值、防洪基礎設施和監測預警情況作為評價因子，對水文災害建立指標體系，可對水文災害進行量化評價估。通過北京圣彌厄爾教堂評估分析，發現該指標體系可行性較高且符合客觀實際。

根據評估發現，可以通過降低致災因子的危險性、加強孕災環境的穩定性、改善承災體的脆弱性和提升抗災能力四個方面來對建筑遺產水文災害進行預防性保護。