基于毛细水运移的平遥古城墙监测预警系统初探

□　王立志　黄继忠　任建光　梁喜平

基于毛细水运移的平遥古城墙监测预警系统初探

□王立志黄继忠任建光梁喜平

在分析建立平遥古城墙监测预警系统的必要性及我国现阶段文物保护监测预警系统研究进展的基础上，结合平遥古城墙实际情况，对基于毛细水运移的平遥古城墙监测预警系统进行了探索性研究。提出了超前预警指标、险情应急性补救预警指标、辅助分析预警指标三个层面的指标体系，探讨了监测预警指标预警值的确定方法，确立了监测预警原则，指出了尚需研究解决的难点问题。建立基于毛细水运移的平遥古城墙监测预警系统是将平遥古城墙保护工作变被动为主动，逐渐实现从抢救性保护向预防性保护转变的重要途径。

平遥古城墙毛细水运移监测预警系统

一、建立平遥古城墙监测预警系统的必要性

在平遥古城墙风化保护中，建立以“互联网+”等现代信息技术为支撑的古城墙风化监测预警系统是历史发展的必然趋势，是实现文物保护事业发展目标的必经之路。长期以来我国古城墙保护工作的主要原则都是“抢救第一”，然而抢救性保护的速度往往滞后于文化遗产的破坏速度，随着城市化进程加快，文物破坏的速度也可能进一步加快，甚至在某些破坏严重的情况下，抢救性保护已经很难奏效，只能采取翻修或重建等被动措施。将文物保护工作变被动为主动，逐渐实现从抢救性保护阶段向预防性保护（Preventive Conservation）阶段跨越是必然趋势，因此急需展开古城墙风化监测预警研究，对古城墙实施预防性保护，只有主动消除和防止影响平遥古城墙保护的各种不利因素，才能最大限度地延长其寿命，减少古城墙风化，使平遥古城墙的全部文物信息和突出历史价值得到真实、完整的保存和延续。

二、我国文物保护监测预警系统研究进展

近几年在我国涉及文物保护监测预警系统方面的研究得到了一定程度关注，实施成功的案例也逐渐增多。王旭东对基于风险管理理论的莫高窟监测预警体系构建与预防性保护进行了探索研究，论述了莫高窟风险监测体系的框架和构建内容，强调了在风险监测预警体系指引下，开展风险防范与控制技术研究，是减缓或降低各类风险对遗址带来的危害，实现预防性保护的必由之路［1］。

西安市在世界遗产“丝绸之路：长安-天山廊道的路网”西安地区的唐长安城大明宫遗址、汉长安城未央宫遗址、兴教寺塔、大雁塔、小雁塔各遗产点监测预警平台的基础上，建设西安世界遗产监测预警平台。

嘉峪关世界文化遗产监测中心依托嘉峪关万里长城文化遗产资源优势，以建立嘉峪关长城乃至中国西部地区夯土长城监测技术标准和规范体系为目标，争取将嘉峪关世界文化遗产监测中心建成国家级的世界文化遗产监测基地（分中心）——中国西部夯土长城监测中心。

以上文物保护监测预警系统的实例表明我国文物保护事业也在“互联网+”等现代信息技术支持下不断寻求创新和突破。但是通过对监测预警系统的监测指标分析可以得出，除对遗产周边环境进行监测外，对木结构、古建筑、城墙等文物本体的裂隙、位移、倾斜值等进行监测，均是对文物实际发生的物理形变进行监测。只要文物本体发生物理形变，不管程度如何，事实上已经发生了病害险情，这与真正意义上的预防性保护还有一定的距离。

三、基于毛细水运移的平遥古城墙监测预警系统

（一）监测预警系统指标体系

对平遥古城墙进行监测预警不仅是所在地政府应尽的责任和义务，更是对古城墙进行保护管理行之有效的手段。完善的监测预警系统必须包含科学的指标设置、数据收集和技术分析，其中科学的指标设置是监测预警系统的基础和保障。指标体系的建立是将监测预警工作具体化、规范化、标准化的关键，可以确保监测工作能全面客观反映古城墙的保存现状，综合评估古城墙的保护效果，最大可能避免古城墙的风化破坏，为古城墙的科学管理和保护提供可靠依据［2］。

除周边气候环境指标外，平遥古城墙位移、裂隙、空鼓、倾斜等物理形变均是监测预警系统应当重点监测的指标，但是这些物理变形一旦发生，实质上古城墙已经发生了险情，此时预警后采取措施还属于抢救性保护，要对平遥古城墙进行实质性的预防性保护，还需要对诱发风化的因素进行监测从而超前预判险情。根据平遥古城墙风化主要影响因素的分析，可以作为预防性保护预警监测指标有毛细水、可溶盐、温度及微生物等，而毛细水作为可溶盐运移的载体、温度变化和微生物生长的重要影响因素，是古城墙风化监测预警系统中首要考虑的指标。通过综合分析。平遥古城墙监测预警系统确定三个层面的指标体系：

1.第一层面为超前预警指标。以毛细水运移情况为基本指标，结合可溶盐、墙体温度、微生物等可能诱发古城墙风化的因素等指标，该层面的指标体系的建立可以在古城墙发生风化险情之前就进行预警分析判断，以便提前采取预防性保护措施。

2.第二层面为险情应急性补救预警指标。将古城墙墙体裂缝、位移、倾斜等已经发生的物理形变作为主要的监测指标，以便及时采取补救修复措施，防止古城墙发生进一步风化病害。

3.第三层面为辅助分析预警指标。平遥古城墙的保护是一项系统工程，它不仅包括文物本体保护，还需注重遗址周围人文环境和自然环境的影响。通过对与平遥古城墙密切相关的自然气候环境及人类活动情况等环境要素进行监测，对古城墙风化险情综合成因分析及合理预测有非常重要的辅助性作用。该层次的监测预警指标包括降雨量、风速、风向、紫外线等气候要素，以及人类人为破坏等人文环境要素。

（二）监测指标预警值确定方法

科学合理的监测指标预警值是监测预警系统拥有高灵敏性和准确性的前提，达到预警值一般是各种病害险情发生的征兆。所谓预警值，就是对监测的指标预先确定一个量值，当监测值达到该量值时，预警系统自动报警，此时对于古城墙来说处于警戒状态，需要引起密切关注，通过比较监测值是否超过允许的指标范围，可以判断古城墙是处于安全状态还是有出现风化险情的隐患，从而决定是否需要采取相应的预防性保护措施。

预警值的确定是一个难度较大的技术问题，预警值取太大，起不到超前预警的作用，错过预防性保护的最佳时期，相反预警值取太小则会增加监测预警的成本费用，造成人力物力的不必要浪费。根据平遥古城墙毛细水运移的一般规律，依照以下规则来确定毛细水这一主要指标的预警值：

1.在同一位置、同一高度古城墙开始发生风化病害的临界时刻的毛细水容积含水量值。

2.在同一位置、同一高度毛细水容积含水量达到最大值后，如果古城墙仍未发生风化病害，毛细水含量保持不变持续一段时间，随着时间推移古城墙开始发生风化病害，可将这个保持毛细水含量不变所持续的最大时间长度作为预警值。

3.古城墙中毛细水不断上升到某一高度时，古城墙开始发生风化险情，开始发生风化险情的毛细水上升高度就可作为预警值。

4.当毛细水上升到最大高度，如果古城墙依然未发生风化险情，毛细水保持最大高度不发生变化，随着时间变化城墙开始发生病害险情，可将毛细水保持最大上升高度后到开始发生险情时的时间长度作为预警值。

5.单位时间所允许的变化量，反映监测指标的变化速率，如果毛细水的容积含水量并不是非常大，或者毛细水上升高度不是很高，还未达到预警值，但是变化速率很快，明显快于正常的速度，则往往也是病害险情的预兆，也会促发预警。所以可将促发古城墙风化时的毛细水体积含水量增加速率和毛细水上升速度作为预警值。

（三）监测预警原则

根据《中国世界文化遗产监测巡视管理办法》和《世界文化遗产监测规程》等相关文件，结合平遥古城墙自身情况及所处环境特点，监测预警系统应遵循如下几个原则：

1.全面覆盖，关键区域关键位置重点监测的原则

张中俭研究认为由于太阳辐射的差异，不同朝向平遥古城墙基外侧砂岩的风化速度不同［3］。不同建筑材料的使用导致古城墙毛细水上升高度及上升速率不同，同一地理位置城墙不同高度毛细水增加速率不同，从而影响不同区域和位置古城墙的风化速度。对于整个平遥古城墙来说，有的区域和位置毛细水上升较快，风化隐患较大，或者曾经发生过病害险情。需要对这些关键区域和关键位置进行重点监测，投入更多监测仪器和手段，增加监测频率。关键区域关键位置重点监测的原则可以使监测过程中资源高效利用，避免不必要的浪费，例如毛细水运移模拟得出的毛细水上升最大高度以下位置就需要重点监测。

2.预防为主，防治结合的原则

在监测预警指标确定时，要坚持预防性保护为主的原则，将毛细水运移等诱发古城墙风化的因素作为重点监测指标，在险情出现之前能做到超前预警，及时采取预防性保护措施，在此基础上结合发生实质物理形变的位移、开裂、倾斜等指标进行综合监测预警，发生险情后及时采取补救措施。

3.可靠性原则

为了保证监测结果的可靠性和预警信息的准确性，首先必须有先进的监测设备和科学的监测手段作为保障；其次，必须保证数据传输的可靠性和安全性；同时，在监测期间应保证监测点的安全性，不受到人为或自然破坏。

四、需要解决的问题

通过定性及定量分析毛细水运移与古城墙风化的内在关系，建立以毛细水运移为主要指标的平遥古城墙监测预警系统，利用毛细水这一指标进行超前预警，是实现古城墙预防性保护的重要途径。同时，长期对毛细水等要素以及裂缝、位移、倾斜等风化状态进行同步监测，为以毛细水运移为主的相关要素与古城墙风化之间关系的进一步研究提供丰富可靠的基础数据支撑，也为毛细水上升控制措施的效果分析提供最真实依据。需要特别指出的是，毛细水运移与古城墙风化的定量关系目前依然是古城墙风化保护的难点问题，而且环境条件的多样化导致了该问题的复杂性，究竟毛细水含量达到什么量值或毛细水上升什么高度古城墙才会开始发生风化，需要文物保护相关科研工作者通过更多的努力来解决这一难题。

（本项目为山西省科技攻关项目）

[1]王旭东《基于风险管理理论的莫高窟监测预警体系构建与预防性保护探索》，《敦煌研究》2015年第1期。

[2]杨晓维《大运河(宁波段)遗产监测指标体系探索》，《中国文化遗产》2015年第6期。

[3]张中俭、杨志法、卞丙磊等《平遥古城墙基外侧砂岩的风化速度研究》，《岩土工程学报》2010年第10期1628~1632页。

（作者工作单位：王立志，中国地质大学水环学院；黄继忠，山西省文物局；任建光，云冈石窟研究院；梁喜平，平遥古城墙管理处）