夯土長城病害調查與監(jiān)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(xiàn)存狀況進行調查，發(fā)現(xiàn)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(huán)等病害，其本身的構筑方式加上降雨等的共同作用是引發(fā)病害的主要原因。針對目前存在的病害，結合日常監(jiān)測情況，探討切實可行的夯土長城監(jiān)測方式方法。

[關鍵詞]病害調查；夯土長城；監(jiān)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(jù)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(qū)都有長城遺跡。各省、自治區(qū)保存長城的時代、多少、完整程度不同。其中以內蒙古自治區(qū)境內的長城長度最長，據(jù)初步調奄約有15000公里。由于北方特殊的環(huán)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(jīng)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(xù)可見；西漢長城的城障、列城、烽燧，西起新疆維吾爾自治區(qū)，沿燕山山脈，越內蒙古自治區(qū)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(zhàn)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(xiàn)狀還是建造規(guī)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(jù)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(xiàn)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(huán)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(xiàn)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(huán)境中，目前比較嚴重的病害現(xiàn)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(huán)有農(nóng)田，當?shù)剞r(nóng)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(nóng)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(xiàn)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(jiān)測方法初步探討

（一）水分鹽分監(jiān)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(fā)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(fā)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(fā)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(jiān)測，在監(jiān)測過程中根據(jù)實際病害發(fā)育狀況確定監(jiān)測點位及分布，在每次進行水分監(jiān)測時同時進行鹽分采樣實驗分析，將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳監(jiān)測預警管理平臺，通過關聯(lián)分析功能子系統(tǒng)分析，找出水分同鹽分運移之間的線性關系，基于監(jiān)測數(shù)據(jù)研究分析其對城墻風化酥堿的影響及破壞機理。

（二）環(huán)境監(jiān)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(huán)境加之近年的環(huán)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(huán)境，理清環(huán)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(fā)量、噪音、風速風向、大氣污染等的監(jiān)測。將監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總分析各要素的變化規(guī)律，通過SSA等深度大數(shù)據(jù)處理手段探討遺址區(qū)氣候年度、季節(jié)、晝夜的變化特征。

（三）沖蝕監(jiān)測

降雨對遺址的直接作用而產(chǎn)生的破壞主要為侵蝕破壞，發(fā)生在降雨過程中。因強降雨在遺址表面形成徑流而產(chǎn)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(xiàn)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(jīng)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(jiān)測。定期讀取監(jiān)測數(shù)據(jù)并上傳監(jiān)測預警管理平臺，同降雨量進行關聯(lián)分析，準確得出降雨對夯土長城的破壞程度。

（四）風沙監(jiān)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(jiān)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(jù)風向及流沙堆積情況開展風沙量監(jiān)測。采用階梯式積沙儀定期對不同高度風沙量進行監(jiān)測，同風速風向進行關聯(lián)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(jiān)測

凍融循環(huán)是指土體溫度介于結冰點上下波動時所產(chǎn)生的凍結和融化的循環(huán)過程。凍融循環(huán)作用可以實現(xiàn)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(huán)對長城的破壞程度及機理，有必要開展土壤溫濕度監(jiān)測，分不同深度不同環(huán)境進行夯土長城溫濕度監(jiān)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(fā)展，病害不斷增多加重，為延緩病害發(fā)育趨勢，有必要開展遺址地周圍環(huán)境監(jiān)測。在日常監(jiān)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(jiān)測理念及監(jiān)測方法，才能充分發(fā)揮遺產(chǎn)監(jiān)測的真正效能。