中国丝绸之路夯土长城监测预警研究———以嘉峪关关城为例

陈 颖， 张晓东，柳君君，侯凌静，牛海鹏，高 商

(1.嘉峪关文化遗产监测中心，甘肃 嘉峪关 735100；2.嘉峪关长城博物馆，甘肃 嘉峪关 735100；3.嘉峪关丝路(长城)文化研究院，甘肃 嘉峪关 735100)

目前国内外预警研究主要集中在生态环境、自然资源、经济发展等领域[1-5].到1994年，联合国教科文组织才将文化遗产领域的预警列入《保护世界文化和自然遗产公约》，这是首次将预警列为世界遗产委员会的职责之一.中国在2004年着手构建“中国世界文化遗产管理动态信息系统和预警系统”，以建立世界文化遗产管理动态信息预测、预警模型，防护应急减灾机制，以及预防为主的保护模式为目标，由国家、省、遗产地三级管理动态信息和预警系统组成[6].

为了保护这些历史文化资源，需要建立科学合理、有针对性的预警系统，在破坏之前做出预报，为合理保护和动态监测提供技术支撑.同国外比，中国国内文化遗产保护预警方面的研究工作起步较晚，尤其鲜见关于夯土长城保护预警的研究.但是近年来，随着国家对文化遗产保护工作的重视，有一部分研究人员在历史文化名城、生态环境、古建木结构、古典园林、壁画及石质文物等领域做了一些预警研究，如赵勇等[6]构建了历史文化村镇保护预警系统，并以历史文化名镇周庄为例，运用层次分析法和时间序列曲线预测进行了实例预警；闫慧春等[7]以藏式古建筑为例,讨论了古建木结构监测系统预警机制的结构层次及设计方法,按照统计特征确定三级预警的限值,并给出应对措施等；杨俊等[8]结合我国城市古典园林遗产资源的特点，在保护理论和实践方法上，尤其在目标框架、指标体系和技术方法等方面做了深入研究和完善；王旭东[9]基于文化遗产风险管理理论，指出构建风险监测预警体系的必要性，进而论述了莫高窟风险监测体系的框架和构建内容；游巍斌等[10]以武夷山风景名胜区为研究对象，构建“压力-状态-调控”遗产地生态安全预警框架模型并筛选预警指标，引入可拓学中的物元模型理论对景区生态安全进行预警；魏胜林等[11]根据拙政园古树名木树体生长的现状与症状, 针对性地提出古树名木监测预警保护等级标准及相应的保护措施；李宏松[12]论述了石质文物岩石材料劣化评价体系及监测预警研究的主要内容和技术路线；张健[13]应用GPS与高精度变形监测预警系统，实现了不同规模野外文物保护区和古墓群有效的滑坡监测与预警防范等.

1 嘉峪关关城概况

嘉峪关关城始建于明洪武五年(1372年)，嘉靖十八年(公元1539年)加固关城并修筑附近长城，至万历元年(公元1573年)修建完成完整的关隘.其位于河西走廊中部最狭窄处的嘉峪塬上，是地处古丝绸之路和长城脚下的重镇.1961年3月4日,被国务院公布为第一批全国重点文物保护单位,1987年被世界教科文组织列入“世界文化遗产地名录”.由于嘉峪关特定的地理环境条件，关城历经数百年的风吹、雨淋、日晒等自然和人为因素，存在不同类型的病害：主要受常年风吹及建筑本身的结构原因，出现了墙体倾斜开裂；有些墙体受雨蚀作用，墙体表面风化，夯土剥落等；加之地下潮气上升，底部积雪等，引起土壤盐分运移，导致墙体底部返潮泛碱、砖体碎裂脱落、掏蚀等现象.

2 嘉峪关关城夯土长城监测预警的研究现状

自嘉峪关关城建成以来，随着自然环境气候影响和人类活动破坏，夯土墙体已存在多种病害，这些病害的存在和发展会严重地威胁着遗产安全.2013年由国家文物局立项批准实施的嘉峪关世界文化遗产监测预警系统工程正式启动，其目的在于高起点、高标准地建立适合于嘉峪关长城及境内土遗址的监测预警体系，促进文化遗产的预防性保护，这标志着夯土长城由此进入了科学保护时期.嘉峪关世界文化遗产监测预警系统工程将实现对嘉峪关境内土遗址的“一中心四站”监测运行模式，其重点建设内容之一是建成嘉峪关世界文化遗产监测预警管理平台，即依靠科技创新，完成土遗址和古建筑的监测数据在线采集、远程共享、分析管理及预警提醒等功能，实现文化遗产监测预警的专业化、精细化和智能化.

2.1 监测预警体系

以关城监测站为中心，布设外围监测站点，全方位覆盖嘉峪关境内的文保单位，开展文物的监测预警工作.通过监测设备上传实时数据、便携式监测设备录入数据至监测预警平台，基于收集到的历史监测数据，进行时间和空间的统计分析，总结文物保存现状的变化趋势，做出现状评估和采取预防措施，提高对遗产保护的风险预警和防控能力，实现遗产的预防性保护.

监测预警体系包括网络基础设施设计、信息传输及安全设计和预警监测管理平台设计，其中信息传输及安全设计包含网络传输平台建设、信息安全建设和数据存储建设等，数据存储需要建设大容量存储系统，永久保存和更新监测数据，并定期和定时段的保存动态及视频数据，为决策分析时调用查看；监测预警平台是建立多尺度空间数据库，将有精确坐标定位的空间数据作为基础与框架，承载嘉峪关各类监测数据和现状数据.平台在数据处理方面，通过前端采集设备和传输中介，对输入系统的数据进行自动归类、存储、分发、套用模型进行对比、关联等分析处理，并运用地理信息系统空间可视化分析、计算机图形学、图像处理技术等方法提升监测数据的可视化程度，实现监测数据和计算模型分析结果以图形、图像形式清晰呈现，甚至可以模拟出虚拟动态的三维遗产现场.

监测系统采用微软.net技术开发，B/S结构，使用ORACLE数据库，基于四层的体系架构搭建嘉峪关文化遗产监测预警信息系统.构建遗产监测要素分类、监测规范、预警标准、遗产评估、跨部门协同工作规范五大规范体系，建立遗产信息、遗产GIS、监测预警、决策支持和公共信息五大基础数据库，实现了档案存储检索，监测数据查询及分析，监测指标设置，遗产要素、监测点位的GIS标注定位，预警处理、物联传感数据展示，公众参与遗产监测与保护等主要功能，如图1所示.

2.2 监测预警指标体系

预警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夯土城墙的保存现状，综合评估夯土城墙的保护效果，最大可能避免夯土城墙的风化破坏，为夯土城墙的科学管理和保护提供可靠依据[14]. 国内相关文化遗产监测体系的研究较少见，对文化遗产的保护多以文字形式定性描述，定量化的研究很缺乏，使得预警研究工作不能直观表现，缺乏科学有效的数据支持.

嘉峪关世界文化遗产监测预警管理平台作为专门的预警管理平台，制定科学有效的监测预警指标体系对系统的顺利运行起到了关键作用.通过综合分析，确定关城夯土墙体监测预警系统的指标体系.嘉峪关独特的气候环境，对夯土材质的遗址稳定性有显著的影响，通过对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，对城墙病害成因分析及合理预测有非常重要的作用.该方面的监测预警指标包括降水量、风速、风向、温湿度等气候要素.考虑到夯土墙体建筑选材的特殊性，墙体裂缝、位移、倾斜、岩土应力等已经发生的物理形变也作为主要监测指标，以便进一步分析和预测病变趋势.墙体受潮疏松泛碱，结合可溶盐、毛细水运移、墙体温度等可能诱发此类病害的因素也作为指标，见图2，旨在达到综合分析评判.

2.3 制定监测预警值

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.当监测值达到预警值时，预警系统自动报警，此时对于墙体来说处于警戒状态，通过比较监测值是否超过允许的指标范围，可以判断墙体是否存在风险隐患，是否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[14]. 针对关城夯土墙体裂缝、 风化酥碱等病害明显的墙体内部，依照以下规则来确定这一指标的预警值：同一监测点观察裂缝的发展趋势，当裂缝值达到最大值时，如果城墙尚未发生明显开裂现象，且裂缝变化速率保持不变，随着时间推移城墙开始发生明显开裂现象，可将这个值作为预警值；当倾斜角度达到最大值，城墙尚未发生明显位移，且倾斜变化速率保持不变，随着时间推移城墙开始发生明显位移，可将这个值作为预警值；同一监测点城墙开始发生风化酥碱病害时，墙体盐分含量、毛细水容积含水量及其运移高度也可作为预警值；结合各类指标进行综合监测预警，发生险情后，根据监测预警级别，发挥应急管理作用，及时采取补救措施，如图3、图4所示.

图1 嘉峪关世界文化遗产监测预警体系架构图Fig.1 Architecture diagram of Jiayuguan world culture inheritance monitoring and precaution system

图2 外城北墙监测数据Fig.2 Real-time monitoring data of the south wall of Waicheng

图3 监测预警管理预警查看Fig.3 Management of monitoring and precaution system

图4 外城北墙监测预警Fig.4 Checking the warning information

由于研究确定科学的预警值需要通过详实的监测数据和长期经验积累等，该系统各类指标的监测预警值现正在摸索研究中，目前只是借鉴全国类似遗址类型、以往监测经验以及模拟实验等，粗略地预估预警值，但还存在不精准的现象，因此具体的研究工作还需进一步探讨论证，方可确定出适合夯土墙体精确的预警值.

3 结束语

嘉峪关关城监测预警保护是一项系统工程，它包括文物本体的保护，还要兼顾遗址周围人文环境、自然环境等的保护.所以我们必须运用先进的保护理念，采用先进的保护手段，开展综合的科学保护研究，才能使它得到有效的保护.监测预警体系建设只是预防性保护的重要措施之一，虽然系统模块划分清晰、功能完整，但还存在一些不足，要想实现全面合理的保护预警，还需从以下几方面努力.

(1)不断完善指标体系.文物病害的出现是由诸多因素经过一定时间累积影响表现出来的，发生病害的位置不是一成不变的，可能会随着时间的推移引起延伸.指标运用的科学性体现在可根据监测管理的实际需求对监测指标不断进行调整，监测预警系统的监测指标不是固化的，将随实际管理需要不断调整，这是指标价值的动态管理[15].

(2)提高监测数据的利用率.研究、分析、运用监测数据，对遗产的保护管理工作扎实高效开展有重要意义.目前对夯土长城的保护工作多是基于初级的监测手段，日常工作注重监测却对监测数据的分析不够，监测数据对保护和管理文化遗产的作用发挥的还不显著.应根据采集到的数据，应用科学的数据分析模型，进行多维关联性分析，有效地提取数据间的隐含信息，更好的实现文物的科学监测预警.

(3)科学制定预警值.

在监测预警体系中，实现预警预报是最终的目的之一，没有确切的预警值，监测预警体系很难充分发挥作用[9].研究确定科学的预警值需要通过有效的监测数据、长期的历史积累、科学的理论依据和合理的科学论证，这仍然是今后监测工作的研究重点，还需要同业内专家学者、科研机构指导下，共同完成.

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