夯土長城病害調查與監測方法探討

許德臣　張曉東　柳君君　張翔　徐曉君　陳穎　馬慶珍

[摘要]通過對嘉峪關境內夯土長城現存狀況進行調查，發現長城及獨立墩臺存在基礎掏蝕、風化酥堿、局部坍塌、雨水沖蝕、凍融循環等病害，其本身的構筑方式加上降雨等的共同作用是引發病害的主要原因。針對目前存在的病害，結合日常監測情況，探討切實可行的夯土長城監測方式方法。

[關鍵詞]病害調查；夯土長城；監測方法

[中圖分類號]G264 [文獻標識碼]A [文章編號]1005-3115（2016）8-0072-02

根據長城工作者多年的實地調查和查閱歷史文獻，新疆、甘肅、寧夏、內蒙古、陜西、山西、河北、北京、天津、遼寧、吉林、黑龍江、河南、山東、湖北、湖南16個省、市、自治區都有長城遺跡。各省、自治區保存長城的時代、多少、完整程度不同。其中以內蒙古自治區境內的長城長度最長，據初步調奄約有15000公里。由于北方特殊的環境使秦長城、漢長城和明長城保存遺跡最多。秦長城西起甘肅臨洮，經內蒙古狼山縣、陰山山脈、山西大同和內蒙古赤峰，直到吉林省一線，遺跡斷續可見；西漢長城的城障、列城、烽燧，西起新疆維吾爾自治區，沿燕山山脈，越內蒙古自治區迤邐而東，直達黑龍江的西面，全長近10000公里，是我國古代所修筑的最長的長城，其遺址在今天我國的新疆、甘肅、寧夏、內蒙古等地可見；明長城西起嘉峪關，東至山海關，至今大部分保存完好。甘肅是全國保存不同歷史時期長城遺跡最多的省份之一，擁有戰國秦、漢、明等各時期的長城遺址，索有“長城天然博物館”之稱。

無論是保存現狀還是建造規模，嘉峪關明長城都居于甘肅首位。宋元以前有關無城。明初，宋國公馮勝略定河西，截敦煌以西悉棄之，以此關為限，遂為西北極邊，筑以土城，周圍二百二十丈，高二丈余，闊厚丈余。址倚岡坡，不能鑿池。嘉峪關塬南有祁連，北有黑山，南北相距僅30余里，為河西走廊狹窄之處，自漢以來據西域前沿，扼絲路咽喉，為兵家必爭之地，塬下九眼泉，泉水終年不竭，人馬可飲，遂于其上建造關隘，名曰“嘉峪關”。嘉峪關地處中國西北內陸，屬于溫帶大陸性荒漠氣候，春冬季寒冷且多風沙，夏秋季干旱少雨且日照強烈，這在某種程度上有利于土遺址的保存。隨著時光流逝，嘉峪關境內明長城出現了相應的病害，如基礎掏蝕、風化酥堿、局部坍塌、雨水沖蝕、凍融循環等。

一、長城構造特點及使用材料

嘉峪關境內明長城基本由夯土版筑而成，以黃土為主，部分遺址土中夾雜有沙土、漂石、芨芨草、紅柳、圓木等，夯層厚度10-26厘米，以15-20厘米為主，均呈下寬上窄構造，刨面成梯形。部分墩臺采用長35-39厘米、寬20-27厘米、厚7厘米的土坯砌筑，土坯表面采用草泥抹面加以保護。

二、夯土長城及獨立墩臺現存狀況

嘉峪關境內長城主要為黃土夾沙夯筑，分為西長城和東北長城。西長城明墻段地處討賴河峽谷至關城南段，四周開闊，處于強風沙環境中，目前比較嚴重的病害現象主要為：基礎掏蝕、風化剝落等病害。西長城暗壁段由于受黑山的屏護，風沙蝕程度較輕，保存相對較好。東北長城由懸壁長城至野麻灣，長城四周環有農田，當地農民在20世紀六七十年代興修水利時有所破壞，形成缺口，保存情況相對較差，農田附近部分長城已基本消失。境內和境外墩臺、敵臺同樣也出現了很多病害，如局部坍塌、雨水沖刷、風化酥堿等病害。

三、夯土長城監測方法初步探討

（一）水分鹽分監測

嘉峪關常年干旱少雨，城墻在夯筑過程中未充分考慮防滲排水功能的設置，近年來嘉峪關降雨逐漸增多，突發性降雨頻率和強度不斷增大，致使城墻內部含水量不斷增大，加之嘉峪關強烈的蒸發作用，致使土壤的毛吸作用增強。鹽分運移和水分運移是密切相關的，水分運移是鹽分運移的載體，在土壤水的運動過程中，鹽分隨水發生運移，其中土壤自由水的對流運動在鹽分運移中起主要作用。在水分運移過程中帶動可溶鹽的運移，使可溶鹽在城墻表面不斷富集，破壞了土壤結構，加速了遺址破壞進程。為了準確研究水分運移同可溶鹽運移的關系及其對城墻的破壞機理，采用墻面水分儀和土壤鹽分計對城墻進行水分和鹽分監測，在監測過程中根據實際病害發育狀況確定監測點位及分布，在每次進行水分監測時同時進行鹽分采樣實驗分析，將監測數據上傳監測預警管理平臺，通過關聯分析功能子系統分析，找出水分同鹽分運移之間的線性關系，基于監測數據研究分析其對城墻風化酥堿的影響及破壞機理。

（二）環境監測

嘉峪關地處中國西北內陸，屬于溫帶大陸性荒漠氣候，獨特復雜的氣候環境加之近年的環境污染，在某種程度上加快了土遺址的破壞速度。為了精確掌握遺址所處的真實環境，理清環境和遺址破壞之間的關系，有必要開展遺址地空氣溫濕度、氣壓、全輻射、降雨量、蒸發量、噪音、風速風向、大氣污染等的監測。將監測數據匯總分析各要素的變化規律，通過SSA等深度大數據處理手段探討遺址區氣候年度、季節、晝夜的變化特征。

（三）沖蝕監測

降雨對遺址的直接作用而產生的破壞主要為侵蝕破壞，發生在降雨過程中。因強降雨在遺址表面形成徑流而產生水力侵蝕或加劇重力侵蝕，不斷破壞遺址土體結構，形成溝狀或面狀的侵蝕。實質是遺址土日被降雨或徑流侵蝕和搬運而不斷流失，致使遺址形貌改變、形體減小。按破壞表現形式的不同，侵蝕破壞主要分為沖溝侵蝕和片流面蝕。嘉峪關雖常年干旱少雨，全年平均降水量為87.5毫米，但降雨相對集中且瞬時降雨量大，截止2015年9月8日8時，嘉峪關降水量已經達到106.8毫米，比往年全年平均降水量還高22%。夏季降雨對遺址的破壞最為嚴重，可在版筑接縫或易形成匯流的部位采用沖蝕探針開展沖蝕監測。定期讀取監測數據并上傳監測預警管理平臺，同降雨量進行關聯分析，準確得出降雨對夯土長城的破壞程度。

（四）風沙監測

嘉峪關地處祁連山和黑山之間，常年多風少雨且風力強勁，風沙對城墻的破壞較為嚴重，局部只剩城墻殘基且已被浮沙淹沒，風沙量監測顯得很有必要。在風蝕相對嚴重且具有代表性的部位，根據風向及流沙堆積情況開展風沙量監測。采用階梯式積沙儀定期對不同高度風沙量進行監測，同風速風向進行關聯分析，研究風速變化對沙石搬運量的影響和對城墻的破壞力度。

（五）土壤溫濕度監測

凍融循環是指土體溫度介于結冰點上下波動時所產生的凍結和融化的循環過程。凍融循環作用可以實現土體結構性的改變，反復凍融可以破壞土體的原生結構和土顆粒之間的膠結，亦可以使土體顆粒重新排列。嘉峪關四季溫差較大，凍融是加速嘉峪關境內夯土長城消失不可忽視的重要因素，為準確了解凍融循環對長城的破壞程度及機理，有必要開展土壤溫濕度監測，分不同深度不同環境進行夯土長城溫濕度監測，以便研究溫濕度變化對夯土長城的破壞機理。

四、結語

近年來，隨著氣候變化，遺址的破壞呈加速發展，病害不斷增多加重，為延緩病害發育趨勢，有必要開展遺址地周圍環境監測。在日常監測過程中可能會碰到新的問題、新的困難，需要探索不斷完善監測理念及監測方法，才能充分發揮遺產監測的真正效能。