监测数据在嘉峪关关城保护中的分析应用

陈颖

摘 要：自2014年嘉峪关世界文化遗产监测预警管理平台基本建成投入使用以来，利用实时监测设备和便携式监测仪器得到了大量关于文物赋存环境及本体病害的基础数据。通过充分利用这些获取的监测数据，分析文物本体病害发育情况以及相关因素对文物本体病害的作用关系，总结文物保存现状的变化趋势，为今后开展更加精准的监测工作提供技术支持和决策依据，更好地实现文物预防性保护。

关键词：风速风向;墙体水分含量;积沙监测;远距离裂缝观测

为实现文物的预防性保护，促进文物保护技术的科学化、智能化、精细化，2013年嘉峪关市启动了由国家文物局立项批准实施的嘉峪关世界文化遗产监测预警系统工程，其目的在于高起点、高标准地建立适合嘉峪关关城及境内夯土遗址的监测预警体系，进行长期监测，并形成专业的夯土长城监测的技术标准和规范体系，促进文化遗产的预防性保护。

1 现状

嘉峪关世界文化遗产监测系统工程一期主要布设了電缆信号线和各类实时采集仪器，完成了关城监测站监测专用机房的建设、监测预警管理信息平台的开发和部署等，2014年10月基本完工，该平台即投入运行使用。监测预警管理平台是实现实时监测设备数据采集上传、便携式监测设备采集录入和监测数据查询、统计、分析、预警等为核心的数据库建设，主要建成档案、监测、分析、指标、系统设置、公众参与和GIS地图7大模块共计34个功能子系统。实时监测设备有裂缝计、压力计、水平测斜仪、多点位移计积沙仪和全自动气象站等，便携式设备主要有墙体水分仪、远距离裂缝观测仪、盐分计、三维扫描仪、全站仪、非金属超声探伤仪和单反相机等，涉及自然环境、墙体裂缝、倾斜、沉降及墙体内水分等监测指标。截至2021年，该平台已工作近7年，运行良好，积累了大量文物监测基础数据。

2 监测数据

监测系统工程一期主要是针对关城内的文物开展监测，进行监测的内容有土遗址的墙体裂缝、倾斜、应力、酥碱等及木建筑的稳定性;监测对象主要是烽火台、内城、甬道、西罗城、东西瓮城和戏台、文昌阁、箭楼、光化楼、柔远楼和嘉峪关楼;监测设备有实时监测仪器（裂缝计、应力计、多点位移计、固定测斜仪、水平测斜仪、悬挂测斜仪、温湿度传感器、风速传感器、阶梯式积沙仪）和便携式监测仪器（水分计、盐分计、远距离裂缝观测仪、单反相机）。

经过近7年的监测工作，得到墙体水分、裂缝宽度、倾斜角度、应力强度等数据。本文以2020年全年监测到的赋存环境及本体病害裂缝、倾斜等数据进行说明分析。

2.1 风速风向

从柔远楼二楼的风速与倾斜统计图（图1）来看，只有柔远楼西南角倾斜变化率较为明显，风速均值变化趋势波动明显，波动幅度最大的为东北柱体风速，这与西南角倾斜波动幅度大相一致;且西南角倾斜的变化趋势和东北柱体风速呈现正相关，风速均值增大时，西南角倾斜度数增加，风速均值减小出现大范围波动时，倾斜角度也缓慢减少。由于这两个仪器的分布位置是对角线方向（图2），说明风速变化会引起其倾斜，这与近些年发现柔远楼已发生倾斜结果相一致。

2.2 墙体水分

监测墙体水分主要是对墙体渗水严重的点位进行数据采集，具体的监测点位在关城东闸门城台（图3）和门洞、光华楼马道、柔远楼马道、嘉峪关楼城台和门洞，监测周期为半个月，采用的是JT-C50墙面地面水分仪，针对不同的病害区域，科学规划监测点位，确保获取的数据具有代表性、科学性。将仪器的三个感应探头与墙面充分接触，读取数据（图4）。

根据2020年关城东闸门城台东南面七个监测点的监测数据（图5），得出4号、5号和7号三个点位的水分含量全年变化较稳定，1号、3号和6号三个点位的水分含量全年变化较大，1号、2号、3号和6号点位相对其他点位墙体水分含量相对较高，7月各点位水分含量相对全年较高，这是因为2020年7月降水相对较多，从而引起7月墙体水分含量偏高。墙体水分含量的变化容易引起墙体内部的水盐运移变化，进而会产生墙体酥碱、风化溃烂等病害。病害一般发生在墙体下部，根部有的大面积溃烂，既影响古建筑的墙体结构也不美观①，特别是水分含量较高、变化频繁的监测点位，严重的会导致墙体坍塌，因此做好墙体水分监测及其变化规律分析对加强墙体稳定性保护有重要意义。

2.3 积沙监测

风沙灾害一直是困扰长城完整保存的主要环境问题之一。根据风沙对长城文物本体危害方式和不同地理条件风沙流运动规律的原则，科学安装了阶梯式积沙仪（图6）。积沙仪主要监测积沙状况和输沙量。阶梯式积沙仪的应用灵活度很高，既可以即测即撤用于短时间的风沙流量监测，也可以长期固定在一个代表性监测点进行一年或多年的风沙量监测对比，配套设备为精密电子天平。目前，全部阶梯式积沙仪都用于长期监测，积沙采集周期为每季度1次。4台积沙仪均处于正常工作状态，使用期间未发生仪器故障或数据失真。

依据2020年四个风沙监测点每个季度积沙仪数据分析图（图7），我们得出嘉峪关境内四个特征点位置的积沙仪积沙数据采集情况：①长城第一墩（南）的积沙数据相较于其他三个点偏多;②第三季度积沙量为全年最多，也符合第三季度平均风速为全年最高的数据统计规律;③第一、第四季度积沙采集数据普遍低于第二、第三季度，前三季度积沙量逐渐增加，第四季度呈下降趋势，符合当地气候变化情况。

夯土墙体材料具有吸放湿作用，然而夯土墙怕水，不耐雨水侵蚀，在风驱雨作用下易受到较大的损害。①嘉峪关地处河西走廊最西端，基本属于荒漠地区，全年风沙较大，沙尘在强风的作用下，吹蚀和磨蚀着露天夯土墙体，会使其表面风化、风沙蚀以及倒塌，因此做好积沙监测有助于预判夯土墙体保存现状。由上述分析可以看出，长城第一墩（南）处的积沙量较多，且每年第三季度积沙量偏高，在今后的工作中要重点关注该时间段和监测点位的墙体变化，做出风险评估，必要时研究采取相应保护措施。

2.4 远距离裂缝观测

远距离裂缝观测仪主要是用于定点监测并记录在高空以及不易接触结构位置上的重点裂缝变化情况，采用光学镜头对远处裂缝进行成像（图8），利用处理软件对裂缝图像进行处理，获取裂缝的实际宽度等，具有测试精度高、稳定性好的特点。应用到关城监测中是对城台顶部的表面裂缝进行远距离监测（图9）。

利用远距离裂缝观测仪监测柔远楼南面城台裂缝，由图10可知，裂缝01裂缝宽度明显高于其他两个监测点位，且变化波动相对较大，特别是每年5—11月，这是因为该时间段为景区旅游旺季，每天经过柔远楼和登上城楼旅游观光的游客较多，产生的应力和摩擦等增多，这是引起裂缝宽度变化的重要因素;裂缝02和裂缝03的裂缝宽度较小，全年变化不大;纵向观察可以发现裂缝宽度随着高度增加而减小，这是因为一是建筑物本身承重所造成的，二是裂缝越靠下，受到游客的人为影响越多。从三条曲线的趋势线来看，裂缝01的宽度在逐渐增大，裂缝02和03变化相对稳定，没有发生较明显的变化，因此今后的监测工作需要加大对裂缝01的监测，根据分析结果及时上报相关单位，尽早采取保护措施，做到预防性保护。

3 结语

综上，本文分别选取了风速风向、墙体水分、积沙和远距离裂缝观测四种监测方法，采用实时风速传感器、便携式水分计、阶梯式积沙仪和远距离裂缝观测仪开展全年监测工作，科学筛选甄别数据，根据监测数据做出相关分析图，分析对应病害发育情况、发展趋势以及与相关因素之间的关系。经过科学分析，为政府相关部门提供科学决策依据，尽早采取相关保护措施，实现预防性保护。文物监测工作的起点是规范做好日常监测，但是最终的目的还是科学地分析研究监测数据，使这些数据发挥出它们的科研价值，能为后续开展监测工作起到指导作用，使监测工作更加精准、高效和便捷。持续加强对监测数据的科学分析与研究，是我们每位专业技术工作者工作的重中之重，因此不断加强专业知识的学习与升华，才能更好服务文物保护工作。