監測數據在嘉峪關關城保護中的分析應用

陳穎

摘 要：自2014年嘉峪關世界文化遺產監測預警管理平臺基本建成投入使用以來，利用實時監測設備和便攜式監測儀器得到了大量關于文物賦存環境及本體病害的基礎數據。通過充分利用這些獲取的監測數據，分析文物本體病害發育情況以及相關因素對文物本體病害的作用關系，總結文物保存現狀的變化趨勢，為今后開展更加精準的監測工作提供技術支持和決策依據，更好地實現文物預防性保護。

關鍵詞：風速風向;墻體水分含量;積沙監測;遠距離裂縫觀測

為實現文物的預防性保護，促進文物保護技術的科學化、智能化、精細化，2013年嘉峪關市啟動了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，其目的在于高起點、高標準地建立適合嘉峪關關城及境內夯土遺址的監測預警體系，進行長期監測，并形成專業的夯土長城監測的技術標準和規范體系，促進文化遺產的預防性保護。

1 現狀

嘉峪關世界文化遺產監測系統工程一期主要布設了電纜信號線和各類實時采集儀器，完成了關城監測站監測專用機房的建設、監測預警管理信息平臺的開發和部署等，2014年10月基本完工，該平臺即投入運行使用。監測預警管理平臺是實現實時監測設備數據采集上傳、便攜式監測設備采集錄入和監測數據查詢、統計、分析、預警等為核心的數據庫建設，主要建成檔案、監測、分析、指標、系統設置、公眾參與和GIS地圖7大模塊共計34個功能子系統。實時監測設備有裂縫計、壓力計、水平測斜儀、多點位移計積沙儀和全自動氣象站等，便攜式設備主要有墻體水分儀、遠距離裂縫觀測儀、鹽分計、三維掃描儀、全站儀、非金屬超聲探傷儀和單反相機等，涉及自然環境、墻體裂縫、傾斜、沉降及墻體內水分等監測指標。截至2021年，該平臺已工作近7年，運行良好，積累了大量文物監測基礎數據。

2 監測數據

監測系統工程一期主要是針對關城內的文物開展監測，進行監測的內容有土遺址的墻體裂縫、傾斜、應力、酥堿等及木建筑的穩定性;監測對象主要是烽火臺、內城、甬道、西羅城、東西甕城和戲臺、文昌閣、箭樓、光化樓、柔遠樓和嘉峪關樓;監測設備有實時監測儀器（裂縫計、應力計、多點位移計、固定測斜儀、水平測斜儀、懸掛測斜儀、溫濕度傳感器、風速傳感器、階梯式積沙儀）和便攜式監測儀器（水分計、鹽分計、遠距離裂縫觀測儀、單反相機）。

經過近7年的監測工作，得到墻體水分、裂縫寬度、傾斜角度、應力強度等數據。本文以2020年全年監測到的賦存環境及本體病害裂縫、傾斜等數據進行說明分析。

2.1 風速風向

從柔遠樓二樓的風速與傾斜統計圖（圖1）來看，只有柔遠樓西南角傾斜變化率較為明顯，風速均值變化趨勢波動明顯，波動幅度最大的為東北柱體風速，這與西南角傾斜波動幅度大相一致;且西南角傾斜的變化趨勢和東北柱體風速呈現正相關，風速均值增大時，西南角傾斜度數增加，風速均值減小出現大范圍波動時，傾斜角度也緩慢減少。由于這兩個儀器的分布位置是對角線方向（圖2），說明風速變化會引起其傾斜，這與近些年發現柔遠樓已發生傾斜結果相一致。

2.2 墻體水分

監測墻體水分主要是對墻體滲水嚴重的點位進行數據采集，具體的監測點位在關城東閘門城臺（圖3）和門洞、光華樓馬道、柔遠樓馬道、嘉峪關樓城臺和門洞，監測周期為半個月，采用的是JT-C50墻面地面水分儀，針對不同的病害區域，科學規劃監測點位，確保獲取的數據具有代表性、科學性。將儀器的三個感應探頭與墻面充分接觸，讀取數據（圖4）。

根據2020年關城東閘門城臺東南面七個監測點的監測數據（圖5），得出4號、5號和7號三個點位的水分含量全年變化較穩定，1號、3號和6號三個點位的水分含量全年變化較大，1號、2號、3號和6號點位相對其他點位墻體水分含量相對較高，7月各點位水分含量相對全年較高，這是因為2020年7月降水相對較多，從而引起7月墻體水分含量偏高。墻體水分含量的變化容易引起墻體內部的水鹽運移變化，進而會產生墻體酥堿、風化潰爛等病害。病害一般發生在墻體下部，根部有的大面積潰爛，既影響古建筑的墻體結構也不美觀①，特別是水分含量較高、變化頻繁的監測點位，嚴重的會導致墻體坍塌，因此做好墻體水分監測及其變化規律分析對加強墻體穩定性保護有重要意義。

2.3 積沙監測

風沙災害一直是困擾長城完整保存的主要環境問題之一。根據風沙對長城文物本體危害方式和不同地理條件風沙流運動規律的原則，科學安裝了階梯式積沙儀（圖6）。積沙儀主要監測積沙狀況和輸沙量。階梯式積沙儀的應用靈活度很高，既可以即測即撤用于短時間的風沙流量監測，也可以長期固定在一個代表性監測點進行一年或多年的風沙量監測對比，配套設備為精密電子天平。目前，全部階梯式積沙儀都用于長期監測，積沙采集周期為每季度1次。4臺積沙儀均處于正常工作狀態，使用期間未發生儀器故障或數據失真。

依據2020年四個風沙監測點每個季度積沙儀數據分析圖（圖7），我們得出嘉峪關境內四個特征點位置的積沙儀積沙數據采集情況：①長城第一墩（南）的積沙數據相較于其他三個點偏多;②第三季度積沙量為全年最多，也符合第三季度平均風速為全年最高的數據統計規律;③第一、第四季度積沙采集數據普遍低于第二、第三季度，前三季度積沙量逐漸增加，第四季度呈下降趨勢，符合當地氣候變化情況。

夯土墻體材料具有吸放濕作用，然而夯土墻怕水，不耐雨水侵蝕，在風驅雨作用下易受到較大的損害。①嘉峪關地處河西走廊最西端，基本屬于荒漠地區，全年風沙較大，沙塵在強風的作用下，吹蝕和磨蝕著露天夯土墻體，會使其表面風化、風沙蝕以及倒塌，因此做好積沙監測有助于預判夯土墻體保存現狀。由上述分析可以看出，長城第一墩（南）處的積沙量較多，且每年第三季度積沙量偏高，在今后的工作中要重點關注該時間段和監測點位的墻體變化，做出風險評估，必要時研究采取相應保護措施。

2.4 遠距離裂縫觀測

遠距離裂縫觀測儀主要是用于定點監測并記錄在高空以及不易接觸結構位置上的重點裂縫變化情況，采用光學鏡頭對遠處裂縫進行成像（圖8），利用處理軟件對裂縫圖像進行處理，獲取裂縫的實際寬度等，具有測試精度高、穩定性好的特點。應用到關城監測中是對城臺頂部的表面裂縫進行遠距離監測（圖9）。

利用遠距離裂縫觀測儀監測柔遠樓南面城臺裂縫，由圖10可知，裂縫01裂縫寬度明顯高于其他兩個監測點位，且變化波動相對較大，特別是每年5—11月，這是因為該時間段為景區旅游旺季，每天經過柔遠樓和登上城樓旅游觀光的游客較多，產生的應力和摩擦等增多，這是引起裂縫寬度變化的重要因素;裂縫02和裂縫03的裂縫寬度較小，全年變化不大;縱向觀察可以發現裂縫寬度隨著高度增加而減小，這是因為一是建筑物本身承重所造成的，二是裂縫越靠下，受到游客的人為影響越多。從三條曲線的趨勢線來看，裂縫01的寬度在逐漸增大，裂縫02和03變化相對穩定，沒有發生較明顯的變化，因此今后的監測工作需要加大對裂縫01的監測，根據分析結果及時上報相關單位，盡早采取保護措施，做到預防性保護。

3 結語

綜上，本文分別選取了風速風向、墻體水分、積沙和遠距離裂縫觀測四種監測方法，采用實時風速傳感器、便攜式水分計、階梯式積沙儀和遠距離裂縫觀測儀開展全年監測工作，科學篩選甄別數據，根據監測數據做出相關分析圖，分析對應病害發育情況、發展趨勢以及與相關因素之間的關系。經過科學分析，為政府相關部門提供科學決策依據，盡早采取相關保護措施，實現預防性保護。文物監測工作的起點是規范做好日常監測，但是最終的目的還是科學地分析研究監測數據，使這些數據發揮出它們的科研價值，能為后續開展監測工作起到指導作用，使監測工作更加精準、高效和便捷。持續加強對監測數據的科學分析與研究，是我們每位專業技術工作者工作的重中之重，因此不斷加強專業知識的學習與升華，才能更好服務文物保護工作。