中國絲綢之路夯土長城監測預警研究
———以嘉峪關關城為例

陳 穎， 張曉東，柳君君，侯凌靜，牛海鵬，高 商

(1.嘉峪關文化遺產監測中心，甘肅 嘉峪關 735100；2.嘉峪關長城博物館，甘肅 嘉峪關 735100；3.嘉峪關絲路(長城)文化研究院，甘肅 嘉峪關 735100)

目前國內外預警研究主要集中在生態環境、自然資源、經濟發展等領域[1-5].到1994年，聯合國教科文組織才將文化遺產領域的預警列入《保護世界文化和自然遺產公約》，這是首次將預警列為世界遺產委員會的職責之一.中國在2004年著手構建“中國世界文化遺產管理動態信息系統和預警系統”，以建立世界文化遺產管理動態信息預測、預警模型，防護應急減災機制，以及預防為主的保護模式為目標，由國家、省、遺產地三級管理動態信息和預警系統組成[6].

為了保護這些歷史文化資源，需要建立科學合理、有針對性的預警系統，在破壞之前做出預報，為合理保護和動態監測提供技術支撐.同國外比，中國國內文化遺產保護預警方面的研究工作起步較晚，尤其鮮見關于夯土長城保護預警的研究.但是近年來，隨著國家對文化遺產保護工作的重視，有一部分研究人員在歷史文化名城、生態環境、古建木結構、古典園林、壁畫及石質文物等領域做了一些預警研究，如趙勇等[6]構建了歷史文化村鎮保護預警系統，并以歷史文化名鎮周莊為例，運用層次分析法和時間序列曲線預測進行了實例預警；閆慧春等[7]以藏式古建筑為例,討論了古建木結構監測系統預警機制的結構層次及設計方法,按照統計特征確定三級預警的限值,并給出應對措施等；楊俊等[8]結合我國城市古典園林遺產資源的特點，在保護理論和實踐方法上，尤其在目標框架、指標體系和技術方法等方面做了深入研究和完善；王旭東[9]基于文化遺產風險管理理論，指出構建風險監測預警體系的必要性，進而論述了莫高窟風險監測體系的框架和構建內容；游巍斌等[10]以武夷山風景名勝區為研究對象，構建“壓力-狀態-調控”遺產地生態安全預警框架模型并篩選預警指標，引入可拓學中的物元模型理論對景區生態安全進行預警；魏勝林等[11]根據拙政園古樹名木樹體生長的現狀與癥狀, 針對性地提出古樹名木監測預警保護等級標準及相應的保護措施；李宏松[12]論述了石質文物巖石材料劣化評價體系及監測預警研究的主要內容和技術路線；張健[13]應用GPS與高精度變形監測預警系統，實現了不同規模野外文物保護區和古墓群有效的滑坡監測與預警防范等.

1 嘉峪關關城概況

嘉峪關關城始建于明洪武五年(1372年)，嘉靖十八年(公元1539年)加固關城并修筑附近長城，至萬歷元年(公元1573年)修建完成完整的關隘.其位于河西走廊中部最狹窄處的嘉峪塬上，是地處古絲綢之路和長城腳下的重鎮.1961年3月4日,被國務院公布為第一批全國重點文物保護單位,1987年被世界教科文組織列入“世界文化遺產地名錄”.由于嘉峪關特定的地理環境條件，關城歷經數百年的風吹、雨淋、日曬等自然和人為因素，存在不同類型的病害：主要受常年風吹及建筑本身的結構原因，出現了墻體傾斜開裂；有些墻體受雨蝕作用，墻體表面風化，夯土剝落等；加之地下潮氣上升，底部積雪等，引起土壤鹽分運移，導致墻體底部返潮泛堿、磚體碎裂脫落、掏蝕等現象.

2 嘉峪關關城夯土長城監測預警的研究現狀

自嘉峪關關城建成以來，隨著自然環境氣候影響和人類活動破壞，夯土墻體已存在多種病害，這些病害的存在和發展會嚴重地威脅著遺產安全.2013年由國家文物局立項批準實施的嘉峪關世界文化遺產監測預警系統工程正式啟動，其目的在于高起點、高標準地建立適合于嘉峪關長城及境內土遺址的監測預警體系，促進文化遺產的預防性保護，這標志著夯土長城由此進入了科學保護時期.嘉峪關世界文化遺產監測預警系統工程將實現對嘉峪關境內土遺址的“一中心四站”監測運行模式，其重點建設內容之一是建成嘉峪關世界文化遺產監測預警管理平臺，即依靠科技創新，完成土遺址和古建筑的監測數據在線采集、遠程共享、分析管理及預警提醒等功能，實現文化遺產監測預警的專業化、精細化和智能化.

2.1 監測預警體系

以關城監測站為中心，布設外圍監測站點，全方位覆蓋嘉峪關境內的文保單位，開展文物的監測預警工作.通過監測設備上傳實時數據、便攜式監測設備錄入數據至監測預警平臺，基于收集到的歷史監測數據，進行時間和空間的統計分析，總結文物保存現狀的變化趨勢，做出現狀評估和采取預防措施，提高對遺產保護的風險預警和防控能力，實現遺產的預防性保護.

監測預警體系包括網絡基礎設施設計、信息傳輸及安全設計和預警監測管理平臺設計，其中信息傳輸及安全設計包含網絡傳輸平臺建設、信息安全建設和數據存儲建設等，數據存儲需要建設大容量存儲系統，永久保存和更新監測數據，并定期和定時段的保存動態及視頻數據，為決策分析時調用查看；監測預警平臺是建立多尺度空間數據庫，將有精確坐標定位的空間數據作為基礎與框架，承載嘉峪關各類監測數據和現狀數據.平臺在數據處理方面，通過前端采集設備和傳輸中介，對輸入系統的數據進行自動歸類、存儲、分發、套用模型進行對比、關聯等分析處理，并運用地理信息系統空間可視化分析、計算機圖形學、圖像處理技術等方法提升監測數據的可視化程度，實現監測數據和計算模型分析結果以圖形、圖像形式清晰呈現，甚至可以模擬出虛擬動態的三維遺產現場.

監測系統采用微軟.net技術開發，B/S結構，使用ORACLE數據庫，基于四層的體系架構搭建嘉峪關文化遺產監測預警信息系統.構建遺產監測要素分類、監測規范、預警標準、遺產評估、跨部門協同工作規范五大規范體系，建立遺產信息、遺產GIS、監測預警、決策支持和公共信息五大基礎數據庫，實現了檔案存儲檢索，監測數據查詢及分析，監測指標設置，遺產要素、監測點位的GIS標注定位，預警處理、物聯傳感數據展示，公眾參與遺產監測與保護等主要功能，如圖1所示.

2.2 監測預警指標體系

預警指標體系的建立是將監測預警工作具體化、規范化、標準化的關鍵，可以確保監測工作能全面客觀反映夯土城墻的保存現狀，綜合評估夯土城墻的保護效果，最大可能避免夯土城墻的風化破壞，為夯土城墻的科學管理和保護提供可靠依據[14]. 國內相關文化遺產監測體系的研究較少見，對文化遺產的保護多以文字形式定性描述，定量化的研究很缺乏，使得預警研究工作不能直觀表現，缺乏科學有效的數據支持.

嘉峪關世界文化遺產監測預警管理平臺作為專門的預警管理平臺，制定科學有效的監測預警指標體系對系統的順利運行起到了關鍵作用.通過綜合分析，確定關城夯土墻體監測預警系統的指標體系.嘉峪關獨特的氣候環境，對夯土材質的遺址穩定性有顯著的影響，通過對城墻密切相關的自然氣候環境及人類活動情況等環境要素進行監測，對城墻病害成因分析及合理預測有非常重要的作用.該方面的監測預警指標包括降水量、風速、風向、溫濕度等氣候要素.考慮到夯土墻體建筑選材的特殊性，墻體裂縫、位移、傾斜、巖土應力等已經發生的物理形變也作為主要監測指標，以便進一步分析和預測病變趨勢.墻體受潮疏松泛堿，結合可溶鹽、毛細水運移、墻體溫度等可能誘發此類病害的因素也作為指標，見圖2，旨在達到綜合分析評判.

2.3 制定監測預警值

科學合理的監測指標預警值是監測預警系統擁有高靈敏性和準確性的前提，達到預警值一般是各種病害險情發生的征兆.當監測值達到預警值時，預警系統自動報警，此時對于墻體來說處于警戒狀態，通過比較監測值是否超過允許的指標范圍，可以判斷墻體是否存在風險隱患，是否采取相應的預防性保護措施.預警值的確定是一個難度較大的技術問題，預警值取太大，起不到超前預警的作用，錯過預防性保護的最佳時期，相反預警值取太小則會增加監測預警的成本費用，造成人力物力的不必要浪費[14]. 針對關城夯土墻體裂縫、 風化酥堿等病害明顯的墻體內部，依照以下規則來確定這一指標的預警值：同一監測點觀察裂縫的發展趨勢，當裂縫值達到最大值時，如果城墻尚未發生明顯開裂現象，且裂縫變化速率保持不變，隨著時間推移城墻開始發生明顯開裂現象，可將這個值作為預警值；當傾斜角度達到最大值，城墻尚未發生明顯位移，且傾斜變化速率保持不變，隨著時間推移城墻開始發生明顯位移，可將這個值作為預警值；同一監測點城墻開始發生風化酥堿病害時，墻體鹽分含量、毛細水容積含水量及其運移高度也可作為預警值；結合各類指標進行綜合監測預警，發生險情后，根據監測預警級別，發揮應急管理作用，及時采取補救措施，如圖3、圖4所示.

圖1 嘉峪關世界文化遺產監測預警體系架構圖Fig.1 Architecture diagram of Jiayuguan world culture inheritance monitoring and precaution system

圖2 外城北墻監測數據Fig.2 Real-time monitoring data of the south wall of Waicheng

圖3 監測預警管理預警查看Fig.3 Management of monitoring and precaution system

圖4 外城北墻監測預警Fig.4 Checking the warning information

由于研究確定科學的預警值需要通過詳實的監測數據和長期經驗積累等，該系統各類指標的監測預警值現正在摸索研究中，目前只是借鑒全國類似遺址類型、以往監測經驗以及模擬實驗等，粗略地預估預警值，但還存在不精準的現象，因此具體的研究工作還需進一步探討論證，方可確定出適合夯土墻體精確的預警值.

3 結束語

嘉峪關關城監測預警保護是一項系統工程，它包括文物本體的保護，還要兼顧遺址周圍人文環境、自然環境等的保護.所以我們必須運用先進的保護理念，采用先進的保護手段，開展綜合的科學保護研究，才能使它得到有效的保護.監測預警體系建設只是預防性保護的重要措施之一，雖然系統模塊劃分清晰、功能完整，但還存在一些不足，要想實現全面合理的保護預警，還需從以下幾方面努力.

(1)不斷完善指標體系.文物病害的出現是由諸多因素經過一定時間累積影響表現出來的，發生病害的位置不是一成不變的，可能會隨著時間的推移引起延伸.指標運用的科學性體現在可根據監測管理的實際需求對監測指標不斷進行調整，監測預警系統的監測指標不是固化的，將隨實際管理需要不斷調整，這是指標價值的動態管理[15].

(2)提高監測數據的利用率.研究、分析、運用監測數據，對遺產的保護管理工作扎實高效開展有重要意義.目前對夯土長城的保護工作多是基于初級的監測手段，日常工作注重監測卻對監測數據的分析不夠，監測數據對保護和管理文化遺產的作用發揮的還不顯著.應根據采集到的數據，應用科學的數據分析模型，進行多維關聯性分析，有效地提取數據間的隱含信息，更好的實現文物的科學監測預警.

(3)科學制定預警值.

在監測預警體系中，實現預警預報是最終的目的之一，沒有確切的預警值，監測預警體系很難充分發揮作用[9].研究確定科學的預警值需要通過有效的監測數據、長期的歷史積累、科學的理論依據和合理的科學論證，這仍然是今后監測工作的研究重點，還需要同業內專家學者、科研機構指導下，共同完成.

[1]顧海兵,陳璋.中國工農業經濟預警[M].北京:中國計劃出版社,1992:3-15.

[2]彭補拙,魏金俤,張燕.城市邊緣區耕地預警系統的研究——以溫州市為例[J].經濟地理,2001,21(6):714-718.

[3]黃曲劍,蔣仲安,鄧云峰，等.從SARS爆發看中國城市應急預警機制[J].城市規劃,2003,27(7):68-71.

[4]余勇軍,陸玉麒.南京市可持續發展預警系統初探[J].經濟地理,2001,21(5):527-531.

[5]劉振波,倪紹祥,趙軍.綠洲生態預警信息系統初步設計[J].干旱區地理,2004,27(1):19-23.

[6]趙勇,劉澤華,張捷.歷史文化村鎮保護預警及方法研究——以周莊歷史文化名鎮為例[J].建筑學報,2008(12):24-28.

[7]閆會春,楊娜.古建木結構健康監測系統預警機制探討[J].武漢理工大學學報,2010,32(9):266-270.

[8]楊俊,陳荻,張青萍.中國城市古典園林遺產保護預警研究初探[J].歷史遺產保護,2015,22(4):91-97.

[9]王旭東.基于風險管理理論的莫高窟監測預警體系構建與預防性保護探索[J].敦煌研究,2015(1):104-110.

[10]游巍斌,何東進,覃德華，等.世界雙遺產地生態安全預警體系構建及應用——以武夷山風景名勝區為例[J].應用生態學報,2014,25(5):1 455-1 467.

[11]魏勝林,茅曉偉,肖湘東，等.拙政園古樹名木監測預警標準與保護措施研究[J].安徽農業科學,2010,38(16):8 569-8 572.

[12]李宏松.石質文物巖石材料劣化評價體系及監測預警理論研究——工程地質學新的研究方向[J].工程地質學報,2014,22:284-287.

[13]張健,李應軍.高精度變形監測預警系統在明顯陵遺址保護中的應用研究[J].文物保護與考古科學,2015,27(1):21-28.

[14]王立志,黃繼忠,任建光，等.基于毛細水運移的平遙古城墻監測預警系統初探[J].文物世界,2016(3):15-17.

[15]張蕓.大運河(揚州段)監測預警系統監測指標的科學性分析[J].中國管理信息化,2014,17(7):73-74.