基于水文災(zāi)害風險評估的建筑遺產(chǎn)預(yù)防性保護措施研究

文／董婉茹 北京工業(yè)大學城建學部 碩 士

引言

自然災(zāi)害破壞力大，難以預(yù)防，對建筑遺產(chǎn)造成了極大的威脅。作為自然災(zāi)害之一，水文災(zāi)害發(fā)生頻繁，災(zāi)害后形成的潮濕環(huán)境還是建筑遺產(chǎn)發(fā)生日常劣化的主要因素[1]，對建筑遺產(chǎn)危害極大。據(jù)《中國世界文化遺產(chǎn)2020 年度總報告》[2]統(tǒng)計，2020 年建筑遺產(chǎn)遭受自然災(zāi)害20 次，其中18 次是以暴雨、臺風/大風、洪水為主的氣象水文災(zāi)害；根據(jù)病害調(diào)查記錄，文物建筑所遭受的病害類型以表層風化、裂縫、植物類病害為主，都是典型的潮濕環(huán)境引發(fā)的病害。歷年來，因水文災(zāi)害致建筑遺產(chǎn)受損的案例不計其數(shù)，2012 年7 月21 日北京因暴雨導(dǎo)致約160 處不可移動文物受損；2020 年，南方洪澇災(zāi)害導(dǎo)致130 余處不可移動文物受到損失，其中多處國家級重點文物保護單位在洪災(zāi)中被沖毀；河南2021年“7·20”暴雨致使400 余處文博單位受損；2021 年10 月，山西省約1763 處不可移動文物因連續(xù)降雨造成損害，其中被列為世界文化遺產(chǎn)的平遙古城出現(xiàn)墻體坍塌。可見，水文災(zāi)害給建筑遺產(chǎn)保護帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

我國建筑遺產(chǎn)預(yù)防性保護主要從遺產(chǎn)監(jiān)測、病害分析、災(zāi)害風險評估和預(yù)防、管理體系等方面進行研究。從建筑災(zāi)害風險角度來說，病害分析方面的研究很多，但從水文災(zāi)害造成日常劣化的角度分析的較少。在文物保護領(lǐng)域，馮楠[1]通過分析潮濕地區(qū)露天環(huán)境下磚石文物的風化現(xiàn)狀及病害機理，提出了相應(yīng)的保護措施。近年來，關(guān)于洪澇災(zāi)害的研究逐漸增加，并且呈現(xiàn)出多學科、跨專業(yè)的特點。張又天綜合研究了歷史建筑密集區(qū)常見災(zāi)害，其中涉及了洪澇災(zāi)害對歷史建筑的影響及防災(zāi)策略[3]；曾雅婕、傅紅等[4]以成都文化遺產(chǎn)為例，根據(jù)PSR 模型建立指標體系，分析洪災(zāi)風險等級；北京建筑大學的袁馮[5]從地理氣象層面分析北京市暴雨時空分布特點，對北京各區(qū)洪澇災(zāi)害風險進行等級劃分；張耀文、李海君[6]等從城市防災(zāi)角度建立了區(qū)域洪澇災(zāi)害風險評價指標體系并進行了驗證。

總體來說，對于災(zāi)害風險的研究或從城市或從社區(qū)綜合系統(tǒng)的角度出發(fā)，或從某單一災(zāi)害來分析建筑本體的防災(zāi)保護，對綜合風險方面的研究較少。而關(guān)于綜合風險的研究，大多著眼于評估方法和指標體系的建立，忽略了相應(yīng)的保護措施。水文災(zāi)害風險不僅包括暴雨、洪澇等直接災(zāi)害風險，還有山體滑坡、泥石流等次生災(zāi)害風險以及潮濕環(huán)境造成的日常劣化風險。文章綜合分析水文災(zāi)害風險，從建筑遺產(chǎn)本體的角度建立指標體系評估風險，并依照評估結(jié)果采取相應(yīng)的遺產(chǎn)預(yù)防性保護措施。

1 建筑遺產(chǎn)水文災(zāi)害的風險評估

1.1 評估方法

災(zāi)害風險評估目前應(yīng)用范圍最廣的方法為基于指標體系的風險評估方法，既可以對某一災(zāi)害進行評價，也可對多種災(zāi)害進行綜合分析評估[7]。本文將對水文災(zāi)害建立指標體系，采用層次分析法進行定量化評價，將災(zāi)害風險問題分解成若干層元素，參考專家評價建立指標體系，通過風險分級對建筑遺產(chǎn)提供客觀可靠的風險評估，從而為建筑遺產(chǎn)的預(yù)防性保護提供參考。

1.2 評價因子選取

遵循風險管理理論，綜合學者的研究，本次評估將致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體和抗災(zāi)力四個方面作為水文災(zāi)害風險目標下的準則層來建立評估模型。

1.2.1 致災(zāi)因子

水文災(zāi)害的致災(zāi)因子主要有暴雨、洪水、澇災(zāi)、風暴潮、海嘯等自然災(zāi)害。其中，暴雨、洪水、澇災(zāi)具有普遍性，是本文主要研究的水文災(zāi)害，而這些災(zāi)害本質(zhì)上都是由極端降水導(dǎo)致的。降水的危險性可以由其降水量以及降水強度來評價，而降水強度超過暴雨級別便容易導(dǎo)致洪澇災(zāi)害。因此，該結(jié)構(gòu)模型致災(zāi)因子的評價指標定為降水量和暴雨日數(shù)。

1.2.2 孕災(zāi)環(huán)境

水文災(zāi)害中的孕災(zāi)環(huán)境可以分為地形、水系和植被三個方面。地形因素由地勢高低和周圍山體情況來評價，地勢的高低決定了建筑遺產(chǎn)周圍是否容易積水，而山體滑坡是暴雨中極易引發(fā)的次生災(zāi)害。水系指標考慮地下水位變幅和河網(wǎng)密度，地下水位變幅與降水情況有關(guān)，同時也影響建筑地基是否會發(fā)生受潮滲水現(xiàn)象；而區(qū)域內(nèi)遭受洪澇的難易程度與河網(wǎng)密度有關(guān)[8]。在植物因素中，建筑周圍植物覆蓋度會影響降水之后的潮濕度，而潮濕環(huán)境會增加建筑遺產(chǎn)的劣化現(xiàn)象；建筑遺產(chǎn)周圍通常會有古樹名木，若在暴雨中倒塌，不僅樹木本身受損，而且容易危及建筑，造成極大的損害，是建筑遺產(chǎn)的潛在威脅。

1.2.3 承災(zāi)體

在本次評估中，致災(zāi)因子作用的對象是遺產(chǎn)建筑，也就是說，目標建筑本體就是承災(zāi)體。承災(zāi)體的脆弱性主要以建筑外墻材料損壞度和主體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性為評價標準，而建筑遺產(chǎn)保護是以遺產(chǎn)價值為基礎(chǔ)的，因此把遺產(chǎn)價值也納入承災(zāi)體的評價標準。

1.2.4 抗災(zāi)力

抗災(zāi)力是指人類社會對災(zāi)害的防御能力，對應(yīng)于本次水文災(zāi)害便是防洪除澇能力，主要通過防洪基礎(chǔ)設(shè)施、災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警情況來評價。

1.3 遞階層次結(jié)構(gòu)模型建立

根據(jù)上述分析，水文災(zāi)害風險評估的遞階層次結(jié)構(gòu)模型以水文災(zāi)害風險為目標層，致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體、抗災(zāi)力為準則層，再往下分設(shè)子準則層和評價因子層，具體模型如圖1。

圖1 水文災(zāi)害風險評估遞階層次結(jié)構(gòu)模型（圖片來源：作者自繪）

1.4 評價因子層權(quán)重確定

權(quán)重確定需要自上而下依次進行，先對目標層水文災(zāi)害風險下的準則層進行重要性排序，再依次對下層評價因素進行權(quán)重計算，計算結(jié)果如表1 所示。

表1 水文災(zāi)害風險權(quán)重表（表格來源：作者自繪）

1.5 評價因子判定標準

本次評價指標分為定性指標和定量指標，定量指標包括年均降水量、暴雨日數(shù)、地勢高低、河網(wǎng)密度、地下水位變幅、植物覆蓋度六個指標，定性指標包括山體滑坡、大型樹木、外墻面損壞度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、遺產(chǎn)價值、防洪基礎(chǔ)設(shè)施和監(jiān)測預(yù)警情況七個指標。

致災(zāi)因子的兩個指標均為定量指標，標準主要參考城市水務(wù)局公布的城市降水情況，統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)年均降水量和年均暴雨日數(shù)，計算分析致災(zāi)因子的危險性。

孕災(zāi)環(huán)境的地形指標中，通過測量周圍地勢差來評價地勢高低指標，根據(jù)周圍山體結(jié)構(gòu)松散程度、抗剪強度和抗風化能力等來判定是否有山體滑坡的可能性；水系標準為定量指標，河網(wǎng)密度通過河流總長度/流域面積來計算，地下水位變幅參考城市水務(wù)局公布的地下水信息；植物標準中大型樹木通過樹干直徑、樹木高度、樹齡、名木價值來評價損失程度，植物覆蓋度則通過植物覆蓋面積/建筑遺產(chǎn)保護面積來計算。

承災(zāi)體中主體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和外立面材料損壞度參照《近現(xiàn)代歷史建筑結(jié)構(gòu)安全性評估導(dǎo)則》（WW/T0048-2014）[9]來評估，文物價值則參考文物局公布的遺產(chǎn)保護級別，綜合評估建筑遺產(chǎn)價值。

抗災(zāi)力中，防洪基礎(chǔ)設(shè)施包括防洪堤、截洪溝、排澇泵站、區(qū)塊排澇主干管、城區(qū)防洪排澇調(diào)度中心等，通過設(shè)施建設(shè)是否完善來評價該指標。監(jiān)測預(yù)警情況根據(jù)洪水預(yù)警、預(yù)報情況來評價。

評價因子具體判定指標以及標準化如表2所示。

表2 評價因子判定指標及標準化（表格來源：作者自繪）

2 實例應(yīng)用——圣彌厄爾教堂

2.1 建筑概況

圣彌厄爾教堂位于北京市東交民巷，是北京市區(qū)內(nèi)少有的沒有經(jīng)過徹底毀壞和重建的天主教堂。在中華人民共和國成立以后，由于政策限制，教堂被臺基廠小學使用，直到1986 年才重新歸教會管理。教堂規(guī)模較小，建筑主體仿哥特式風格，磚木結(jié)構(gòu)，灰磚清水墻。

2.2 調(diào)研情況及災(zāi)害評估

（1）致災(zāi)因子情況。降水量參考北京市水務(wù)局統(tǒng)計年均降水量為585 毫米，而暴雨日數(shù)來源于參考文獻[5]根據(jù)北京市氣象站點統(tǒng)計的1961—2018 年降水數(shù)據(jù)。

（2）孕災(zāi)環(huán)境情況。教堂處于市中心，周圍沒有山體，也沒有河流水系。建筑本體位于0.75米的平臺之上，場地較周圍道路也有所抬高；教堂入口有兩棵古樹，但倒塌風險較小，整個場地植物面積較少。根據(jù)北京市水務(wù)局觀測，教堂地下水位變幅為0.39 米。

（3）承災(zāi)體情況。教堂于2001 年被列入全國重點文物保護單位名單。2003 年完成一次全面整修，進行了抗震加固、更換構(gòu)建、修復(fù)破損設(shè)施以及增加消防和避雷系統(tǒng)等項目。經(jīng)過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)建筑主體結(jié)構(gòu)無明顯劣化現(xiàn)象，但外墻面有植物生長、微生物侵蝕、磚石風化、開裂剝落等現(xiàn)象，且由于西側(cè)緊挨餐飲后廚，油煙排放對教堂西立面產(chǎn)生一定影響。

（4）抗災(zāi)力情況。教堂內(nèi)防洪基礎(chǔ)設(shè)施較為完善，區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測預(yù)警設(shè)施也比較完備。

具體評估情況如表3。

表3 圣彌厄爾教堂水文災(zāi)害評估表（表格來源：作者自繪）

2.3 評估結(jié)果分析

根據(jù)評估，北京市圣彌厄爾教堂水文災(zāi)害風險較小。在各個指標中，除降水和遺產(chǎn)價值兩項無法改變因素外，數(shù)值較高的為地下水位、樹木和外墻面損壞度三個指標。因此，在接下來的保護中，應(yīng)注重地下水位和建筑基礎(chǔ)的監(jiān)測，避免基礎(chǔ)受潮；對入口的兩棵古樹也要做好支撐措施。對于外墻面的劣化，首先要注意移除生長的植物；其次應(yīng)及時修復(fù)腐蝕、風化、開裂剝落等現(xiàn)象，并且對西側(cè)餐飲店的油煙排放管道進行改造，避免油煙對西立面的影響。

3 預(yù)防性保護措施

3.1 降低致災(zāi)因子的危險性

本文中致災(zāi)因子的危險性主要是由極端降水造成的。研究表明[10]，極端降水的發(fā)生頻率與全球氣候變暖有關(guān)。全球溫度的升高會影響強降水的空間分布，增大洪澇災(zāi)害發(fā)生的頻率。因此，降低致災(zāi)因子的危險性就要積極治理氣候變暖，需要社會各界乃至全球人民的共同努力。

3.2 加強孕災(zāi)環(huán)境的穩(wěn)定性

不同建筑遺產(chǎn)的孕災(zāi)環(huán)境有所不同，需根據(jù)具體情況采取相應(yīng)的措施。位于山體滑坡易發(fā)區(qū)的建筑遺產(chǎn)，要提前做好相應(yīng)措施，例如改變滑坡體外形、設(shè)置抗滑樁等加固山體工程，以及修建截水溝、排水溝等攔截水流措施。對于處于洼地容易積水的建筑遺產(chǎn)，要做好排水設(shè)施。建筑遺產(chǎn)周圍的古樹名木要安排專業(yè)人員進行保護，若古樹距離建筑較近或生長重心偏離，要及時做好支撐措施。

3.3 改善承災(zāi)體的脆弱性

遺產(chǎn)本體的風險主要為日常劣化導(dǎo)致的，在評估過程中發(fā)現(xiàn)劣化現(xiàn)象，及時做好修復(fù)加固工作，避免劣化加劇。除此之外，做好日常維護也極為重要。例如對建筑遺產(chǎn)和周邊環(huán)境定期進行監(jiān)測，及時排除潛在風險；控制好室內(nèi)空間的溫度和濕度，及時通風，避免因干濕度的急劇變化而產(chǎn)生霉變現(xiàn)象；外墻面可以進行憎水保護，避免水汽滲透，侵蝕墻體[11]。

3.4 提升抗災(zāi)能力

抗災(zāi)能力的提升需要政府、管理方、相關(guān)部門以及社會公眾的共同參與。政府應(yīng)加大財政投入，引進先進設(shè)備，聘請專業(yè)人才；完善相應(yīng)法規(guī)體系，加大執(zhí)法的力度，保障遺產(chǎn)的災(zāi)害管理。管理方要完善防洪基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，在汛期等降水頻發(fā)時期來臨之前做好預(yù)防保護工作；相關(guān)部門應(yīng)加強對降水、洪澇以及山體滑坡等災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警工作。此外，還應(yīng)鼓勵公眾積極參與，加強其對建筑遺產(chǎn)的保護意識。

結(jié)語

對災(zāi)害進行相應(yīng)的風險評估是建筑遺產(chǎn)保護的重要工作。以年均降水量、暴雨日數(shù)、山體滑坡、地勢高低、河網(wǎng)密度、地下水位變幅、植物覆蓋度、大型樹木情況、建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、遺產(chǎn)價值、防洪基礎(chǔ)設(shè)施和監(jiān)測預(yù)警情況作為評價因子，對水文災(zāi)害建立指標體系，可對水文災(zāi)害進行量化評價估。通過北京圣彌厄爾教堂評估分析，發(fā)現(xiàn)該指標體系可行性較高且符合客觀實際。

根據(jù)評估發(fā)現(xiàn)，可以通過降低致災(zāi)因子的危險性、加強孕災(zāi)環(huán)境的穩(wěn)定性、改善承災(zāi)體的脆弱性和提升抗災(zāi)能力四個方面來對建筑遺產(chǎn)水文災(zāi)害進行預(yù)防性保護。