遗产防灾减灾视角下的土遗址防洪——三关口明长城环境整治工程设计分析

刘临安（北京建筑大学建筑与城市规划学院 北京 100044）

彭 亮（北京建筑大学建筑与城市规划学院 北京 100044）

一、遗产防灾减灾与环境整治的关系

世界遗产的防灾与减灾（Reducing Disasters Risks at World Heritage Properties）对于世界遗产的保护具有重要的意义。在传统的遗产保护概念中，比较重视遗产的日常性维护、基本病害的处理等。但除此之外，在面对突发灾害时，遗产往往呈现出较高的易损性，需要迅速组织有效的手段进行应对。而遗产防灾减灾理念的提出，旨在降低遗产灾害的风险，在事前提出预警，并以相关手段进行干预，防患于未然。

2006年第30届世界遗产大会在立陶宛召开，会议明确了遗产防灾减灾的战略，指出遗产的防灾减灾要从全球布局，形成从局部地区到国家、机构组织的多层次的整体认识，建立起遗产防灾减灾文化，对现存遗产抵御灾害的能力进行监测与评估，努力减少潜在性的致灾因素。国际上对于遗产防灾减灾的工作对象，通常定义为两类：一是突发性的自然灾害对遗产的破坏——洪水、暴雨飓风、地震等；二是人为导致的灾害——武装冲突、战争对文化遗产的破坏等。在我国，防灾减灾的重点对象是自然灾害。

很多文化遗产矗立千百年，其所依附的自然环境已经发生了巨大改变，遗产环境逐渐变得越来越不利于遗产本体的保护：植被的改变使得遗产所处的微气候产生了变化，例如风速、温度、湿度等；另一方面降雨、洪水等也逐渐改变着遗产周边的地形地貌，由地表径流作用形成了深浅不一的沟壑，这些沟壑经过多年的发育，逐渐侵蚀着遗产所依附的地形。通过环境整治，可以疏导遗产周边的水流，修补遗产所处地貌，改善遗产微环境。

我国目前拥有较为完善的灾害预报机制，但仍是以灾后应对为主，预防性保护不足[1]。遗产的环境整治也符合预防性保护的理念，通过环境整治可以达到消除遗产周边潜在性致损因素的目的，使得灾害来临时能够避免或缓解对遗产本体的影响。

二、土遗址环境整治与防洪

在我国文化遗产的各种类型中，土遗址作为建筑材料是比较特殊的一类，其防灾减灾尤其值得重视。

按照文物保护对象分类，土遗址主要包括文物保护单位中的古遗址、古墓葬等以土为主要建造材料的部分遗址。土遗址大多建成年代久远，规模也相对较大，具有较高的历史价值。我国现存的文化遗产中，（地表）土遗址主要分布在西北地区，而其所处的自然环境往往不利于土遗址的保护。

土遗址建筑在初次建造的过程中常见就近取土，经过处理后夯实作为建筑材料。西北地区土遗址的周边环境多以浅草覆盖的沙土地面为主，缺乏林木，植物根系对土地的固化作用也比较弱，在雨水的长期作用下，遗址周边的表层土结构容易发生侵蚀作用，进而发育成冲沟，在突发洪水时，由于瞬时水量暴增，水流迅速侵蚀沟岸，形成流量巨大的洪水汇水沟，有的更伴有泥石流，对土遗址基底的稳定性造成巨大威胁。

据国家文物局2012年发布，中国长城的总长度为21，196千米，分布于15个省区市。其中位于西北地区，陕西、山西、内蒙古、宁夏、甘肃、新疆等地的长城，相当多段落是使用夯土建造。这些遗址已经存在了千百年，其所在地的保存环境随着岁月流逝也在逐渐劣化。

长城土遗址就本体而言，除人为破坏外，主要的病害包括表面风化、基础掏蚀、墙体开裂、坍塌等。且长城作为线性分布的遗址，不仅立于山脊也穿过沟壑，在低处的遗址，易沿城墙走向形成冲沟，并在局部区域内的最低点汇水冲击成为泄洪道，冲破长城的阻拦向更低处倾泻，形成持续性对保存环境的破坏，进而进一步威胁到土遗址本体。所以长城土遗址的病害要主要为结构稳定性病害，这也是长城土遗址保护的重要特点。

从长城土遗址的保护手段来看，主要分为本体的保护加固与保存环境的整治。

在本体保护方面，针对基础掏蚀常采用的手段主要是夯补加固，即在掏蚀区采用木板支模，再用夯土进行补夯，最终达到补夯土层在力学上支撑被掏蚀长城墙体的目的。夯土材料的选取，以就近黄土状粉土为主，根据长城本体的原构筑材料不同，可以加入相应的土石成分以保证材料接近原真性，同时还可以加入具有相近外观特性的改性材料，以提高其抵抗自然风蚀雨浸的能力。在夯补的过程中要对土层进行分层，尽量与墙体原土层分层保持一致。在所有的补夯工作完成后，在基础向外找坡以保证雨水的排出，减少其对墙体基础的浸渗。除此之外，土坯砌筑填充掏蚀区域也是常用的加固方式，与夯补可在局部相互补充。

墙体开裂常见的修复手段是通过注浆来填充。对于开裂较大的墙体，应首先使用与墙体土质相同的土块对缝隙进行填充，而后再沿裂缝由深至浅设置横向木条（也称栣木）进行锚固，而后再进行灌浆。对于较小的裂缝，则可直接进行灌浆。

墙体的坍塌对于暴露在野外的长城土遗址是最严重的病害。如果城墙已经整段坍塌，形成了较长的断裂，从真实性原则出发，不建议对大段坍塌的长城进行复原。如果城墙存在局部坍塌，则针对其相应的失稳模式进行处理。其失稳模式大致分为拉裂式坍塌、倾倒式坍塌与滑移式坍塌[2]。拉裂式坍塌是指墙体底部被掏蚀后，其掏蚀区顶部的夯土层以整层断裂坍落的方式垮塌，修复方式主要是在掏蚀区重新使用夯土进行补夯，夯土分层与原墙体保持一致，并在夯筑的同时采用垂直支护加固；倾倒式坍塌是指墙体由于掏蚀，其整体结构重心偏移墙体中轴，墙体下部在水平方向应力作用下产生的裂隙将墙体的承重面割裂，最终导致墙体向重心一侧直接倾倒；滑移式坍塌与倾倒式坍塌的不同在于，其掏蚀凹进区域并未严重地影响墙体的结构重心，但掏蚀区上方的墙体由于由裂隙或冲沟的竖向影响，使墙体可能发生整体滑落。针对后两种坍塌形式，主要采用结构支护后夯筑支顶的方式进行修复，并配合对开裂部分进行灌浆等。

长城土遗址保护中较具代表性的实例是甘肃嘉峪关长城遗址保护。自1985年起，嘉峪关长城文物保护工程开始大规模持续推进，2012年新一轮的大规模保护修复中，使用了新的改性料礓石夯筑方法[3]，在不同的修复部位采用不同质量配比的改性料礓石，在获得良好强度和耐久性的基础上，兼顾了观感。各项实验参数也表明修复后的长城遗址对自然侵蚀的抵抗力显著加强。

除了本体加固外，有些长城土遗址所处环境的劣化已经威胁到遗址的结构稳定性，必须对其进行有针对性的整治设计，宁夏三关口长城的整治工程是当中较有代表性的，其工程的难度与复杂程度也充分体现出土遗址保护中，本体保护加固与环境整治之间的有机联系。

三、三关口明长城的历史与价值

三关口明长城位于宁夏回族自治区银川市闽宁镇，是宁夏境内现存1507千米长城中城墙保存最为完整的一段。宁蒙两自治区以长城为地理标志线，长城遗址东侧为宁夏银川——贺兰山洪积扇堆积而成的荒原；西侧为内蒙古阿拉善左旗，越过贺兰山脉即为腾格里大沙漠（图1）。

图1 三关口长城全貌（西-东摄）（作者自摄）

三关口旧称赤木口。明代银川属于边塞重镇，为了抵御鞑靼军队越过贺兰山踏入宁夏平原而大修城防。据《嘉靖宁夏新志》载：“指挥吕仲良督军夫四千往役，游击将军傅君，统千军以防之”[4]。三关口以贺兰山北山口为起始，由南向北，自东而西，排列了三座城关，地势险要，易守难攻，史上被称为三道关。

明嘉靖年间，长城由佥事齐之鸾开始主持修建，总长共计80余千米，北起三关口，占据制高点以利观测，向南沿鞑靼铁骑难以逾越的贺兰山脚修建，在山谷处设置关卡，最南至大坝堡。后长城因沙暴被埋，在巡抚杨守礼主持下，进行了重修。杨守礼也因此留下诗作一首，名为《赤木口》[5]，诗中云：“昔年荒落无人迹，此日从容有客来。为道边城堪保障，不妨尊酒共徘徊。夕阳挝鼓明金戟，寒雾冲风拂草来。寄语长安诸俊彦，平胡还待济时才。”在修筑长城时，因周边土地多为沙砾土，杨守礼命人在沿线找到几处适合筑墙的土壤，并往返20余千米取水将土壤与沙砾相拌，最终得以筑成坚固的三关口城墙。

三关口明长城遗址作为全国重点文物保护单位明长城的重要组成部分，是研究明长城和明代边疆军事防御体系的重要研究实例，也是中华民族融合、团结与发展的历史产物，反映了明代西北地区的政治、军事、文化诸方面的社会发展特征。在建造上，因地制宜，方式多样，城墙有的部分在峭壁上筑墙形成居高临下的悬崖，有采用干垒干砌的技术，有的利用黄土夯筑，复杂程度堪称奇迹。

四、三关口明长城的地理气候与水文特征

1.地理与气候条件

三关口明长城位于贺兰山东麓南段山前洪积扇上。贺兰山总体山势较缓，呈现出西高东低、南高北低的态势，山区海拔在1620～1970米，多为干燥剥蚀山地，土层薄，林木极少。气候上属于干旱与半干旱气候，春旱多风，升温快，蒸发量大；夏季炎热，雨量集中；秋季短暂，降温快；冬季干冷少雪[6]；年平均气温9.83℃，1月平均气温-7.2℃，7月平均气温24.16℃。多年平均相对湿度58.0%，全年平均风速2.4米/秒。春季多发沙尘暴，土壤风蚀较重。

根据多年平均降水量等值线图，三关口明长城区域多年平均降水量约为170毫米，降水量分配非常不均，主要集中在5—9月，占全年总降水量的82%，降水强度大，暴雨经常发生在7—8月（见表1）。根据榆树沟雨量站资料，最大年降水量达到377毫米，最小年降水量为82毫米。三关口区域径流特点是年内分配不均，与降水量呈正相关，主要集中在在6—9月，径流的年际变化较大，区域内多年平均径流量逐月分配见表2。

表1 三关口区域多年平均降水量月分配

表2 三关口区域多年平均径流量逐月分配

区域内的输沙模数相对较小，主要以汛期洪水挟带泥沙为主。输沙量也与降水量、区域径流量呈正相关，6—8月的输沙量占全年输沙总量的98%左右。

2.区域内洪水特性

三关口区域内洪水具有明显的季节性与区域性，时间主要集中在6—9月，主要诱因为暴雨，类型以地形雨为主。洪峰流量大于100立方米/秒，洪水九成以上发生在7—8月[7]。由于单次暴雨强度大，降水量集中，洪水的峰值一般呈现单峰的形态且峰值较高、持续时间较短，但破坏力巨大。由此形成的洪水产流为超渗产流，因地表长期干旱，对降水吸收不易饱和，降雨强度短时间内暴增时，地表径流极易汇集成洪水，加之山沟土层较薄，暴雨时土壤易饱和，渗入明显减少，径流量增加很快，极易汇流形成洪峰。

五、三关口明长城遗址的环境现状

2015年，相关部门对三关口长城进行了大规模勘察与保护方案设计。现场调研显示，长城土遗址存在墙体裂缝、坍塌、基础掏蚀、墙体缺失、雨水冲沟、表面酥碱、植被破环、坍塌流失等病害。针对这些病害，项目团队提出保护方案并逐步实施了本体加固、修复工程，本体修复效果良好，也再现了三关口长城作为银川古代城防“四险”之一的雄姿。但由于三关口长城土遗址所处位置特殊，受到季节性暴雨及山洪灾害的巨大影响，遗址本体的保存环境逐渐被山洪侵蚀，遗址周边冲沟发育迅速，仅对遗址进行本体加固已经无法满足保护需求，必须通过相关的水文研究和环境整治，才能进一步巩固现有的遗址本体保护的成果，满足长城保护的要求。

三关口明长城遗址长期遭受洪水侵袭，历经数百年山洪切割，已经成为一段段长短不等的墙垣，横亘在贺兰山麓的荒野之中。从由北到南的空间分布来看，目前受到洪水影响最深的分别为以下几个标段：

1.三关口南段处（G0313-G0314）

此段长城遗址地势较低，山洪汇集在长城遗址的底部部位，然后顺着底部流向泄洪槽，致使长城遗址基底已经处于泄洪槽之中，长期的水流冲蚀将墙体截出大小不等的数个豁口，目测宽度在10米至20米不等。逐次的山洪也一步步拓宽了泄洪槽，深切了槽底，严重侵蚀了城墙底部，遗址本体也出现严重的倾斜，岌岌可危（图2）。

图2 三关口南段豁口现状（作者自摄）

2.磨石沟前段（G0324-G0327）

此段长城遗址也是一个大尺度的豁口，遗址底部的迎水坡面上是一个S形的泄洪槽，长度约30米，宽度约15米，在遗址底部前方形成一个约90°的转弯。冲泄下来的山洪在S形的泄洪槽中形成了旋流，带动山洪夹杂着石片、石渣、石屑进行转动，受到长城遗址底部的阻挡以后，带有势能的石片对于遗址基础的切削力度很大，加速了侵蚀破坏作用。受到影响的遗址长度在20米左右，现场可见大量边角尖锐的石片、石渣、石屑沉积在泄洪槽中（图3）。

图3 磨石沟前段长城病害情况（作者自摄）

3.磨石沟三段（G0393-G0396）

此段长城遗址中约100米长的本体完全处于泄洪槽当中（图4），受影响较大的部分长约60米，宽5～8米不等。每当雨季来临，山洪流经泄洪槽时都会对长城遗址的底部产生冲蚀性破坏。2018年“7.23特大暴雨”的一个月后，仍然可以清楚看到长城遗址底部的水渍高达60厘米，痕迹明显（图5）。目前，此段长城遗址底部受到山洪及石渣、石屑的冲击切割，已经出现严重的冲蚀切入破坏，冲蚀深度普遍达20厘米以上，个别地方的深度达50厘米之多，这种冲蚀破坏对长城遗址的整体稳定性形成巨大威胁，现场考察发现此段长城遗址已经出现两处重力坍塌（图6）。甚至出现一处1.6米见方的破坏性洞穿（图7）。

图4 磨石沟三段泄洪槽中的遗址（作者自摄）

图5 高达60厘米的水渍痕迹（作者自摄）

图6 遗址底部受到浸泡后的坍塌（作者自摄）

图7 遗址上的洞穿（作者自摄）

六、重点地段环境整治设计分析

（一）长城豁口的精准数据获取

三关口明长城遗址处于贺兰山脚，环境多变，地形复杂，传统测绘方式难以开展，如何精确地获取地形数据，成为做好环境整治工作的第一步。在此次设计中，通过倾斜摄影航测，建立起三维的GIS模型，以模型数据作为基础，开展设计工作。

GIS模型搭建的第一步是划定航测的范围，范围涵盖这次设计的所有标段。选取参照点后设置相关参数，无人机依据航线自动完成了拍摄任务。采集的数据包括多角度的影像信息及其相关的坐标pos信息。通过Context Capture软件进行数据的二次处理，进行pos数据整合、空间三角测量计算、三维重建计算、数据集群处理、模型精修等步骤进行自动三维模型构建，生成长城豁口的精准三维模型（图8、9），模型精度可以达到厘米级别。而后将导出的模型文件通过Geomagic Studio软件进行工作位置的平面、立面、剖面的截取与导出（图10），形成能够供Autocad软件绘图使用的、带有比例等数据信息的jpeg现状影像图，在Autocad软件中进行现状影像图与cad现状图的转制，并在cad现状图的基础上进行设计。

图8 磨石沟前段激光扫描地形图

图9 三关口南段激光扫描地形图

图10 磨石沟前段三维扫描立面图（作者自绘）

（二）整治方案的确定

三关口长城遗址的保护主要是防治山洪，防治山洪的指导思想应当是“因地制形，因流疏导”。基本方法概括起来有以下三种：第一，在可能的部位局部改变地形，让泄洪槽尽量远离长城遗址底部，减少雨洪冲击。第二，强化长城遗址底部的石砌防洪护坡和夯土护肩的做法，加强防洪护坡和夯土护肩抗击山洪的能力。第三，使用石渣混凝土加强泄洪沟道的底部强度，防治山洪带来的切削作用。三关口长城遗址环境在整治过程中不宜大量采用截洪沟渠和涵管来防洪泄洪，因为贺兰山山洪实际上是石渣石屑形成的泥石流，流速快，冲力大，沉积快，截洪沟渠难以抵挡，排洪涵管容易淤塞。

（三）设计分析

明长城三关口段环境整治工程的实施原则是：严格遵守《文物保护法》中“不改变文物原状的原则”以及《长城保护维修工作指导意见》中“严格控制各类干预措施的实施范围和工程量，妥善保护长城遗存的真实性、完整性和沧桑古朴的历史风貌，使长城的突出普遍价值得以延续和传承”。在此基础上，各个段按照其不同的实际情况进行环境整治的设计。本文具体选取三段典型豁口形态进行分析。

1.三关口南段G0313-G0314段

此段长城遗址共分为北中南三部分（图9、12），其中南北两部分在遗址西侧均存在冲刷形成的泄洪槽，拟对这两部分泄洪槽进行填埋，提升其标高。填埋在西侧取土后，形成新开的泄洪槽，使其远离长城遗址底部，避免对长城遗址底部的冲蚀。采用石渣混凝土填补平行于长城遗址底部的老泄洪槽，高度至地表相平。修复墙体两端的毛石防水护坡和泄洪槽两侧边坡，制止泄洪槽的进一步纵向深切。

图11 三关口南段立面设计图（作者自绘）

图12 三关口南段激光三维扫描平面图

视迎水面截面大小不同，沿泄洪槽在遗址本体外1.5米处砌筑上宽2米、高2.5米至3米不等的防水墙。抵抗山洪冲击，减缓山洪对遗址基础的破环。在遗址本体和毛石防水墙之间填入素土，依据各处具体标高，高于毛石防水墙0.85米至1.5米不等，并采用3米竹制锚杆俯角重力贯入，在防水墙与本体之间形成素土缓冲，同时也起到本体底部的加固作用。在防水墙底部向下设置石渣混凝土垫层（宽4.2米、厚1.5米），以承托防水墙基础，隔绝洪水与遗址本体（图11）。

2.磨石沟前段G0324-G0327段

此段最为显著的特征为一个巨大的S型泄洪槽（图8、13），此泄洪槽方向自山体而下垂直于城墙遗址，延伸至墙底部后沿城墙向北流去，城墙遗址完全成为了泄洪槽的导流墙。为了改变这种状况，设计提出以下方案：

图13 磨石沟前段平面图（左）与磨石沟三段—南平面图（右）

短期以修建防水墙为主，沿泄洪槽在遗址本体外1.5米处砌筑宽2米、高2.5米至3米不等的连续防水墙。在遗址本体和毛石防水墙之间填入素土，高于毛石防水墙0.3米至3米，并使用锚杆贯入加固。在毛石防水墙下方垫石渣混凝土，宽2.3米至4.2米、厚1.5米，以巩固防水墙基础（图14）。

图14 磨石沟前段整治方案立面设计图（作者自绘）

中长期拟对S形泄洪槽进行改道，使其远离长城遗址底部。方法一，打通S形泄洪槽经过的小山坳，使其改道远离长城遗址底部，直接对准过水长城豁口，彻底消除威胁，但此方法土方工程量较大。第二，部分改造S形泄洪槽经过的小山坳的前脸，并适度堆高长城遗址底部的迎水坡面标高，将泄洪槽导离遗址本体，形成缓冲地形，工程量相对较小。

3.磨石沟三段G0394段

此段长城遗址位于贺兰山一条主要泄洪道西侧，洪水在雨季顺山而下，在城墙遗址处分流为两股，其中一股沿遗址自北向南流淌，对总长近450米的遗址本体基底造成冲刷掏蚀（图13）。

由于此段长城所处的泄洪槽水量巨大，槽宽达到数十米，很难通过地形改造的方式一劳永逸解决洪水的威胁。且此段长城的本体已经在洪水中受到损坏，防水墙的修建是当务之急。

此段遗址地势相对较低，泄洪槽内的洪水面大而浅，因此防水墙高度相对低，但目前泄洪槽已直接接触到遗址本体，所以拟在遗址本体外1.5米处砌筑宽1米、高2米的毛石防水墙。防水墙与本体之间填入素土并高于防水墙0.6米，彻底稳固住遗址的基础。于毛石防水墙下设置宽2.4米、厚1米的石渣混凝土垫层，进一步巩固防水墙基础（图15）。

图15 磨石沟三段—南段整治方案立面设计图（作者自绘）

（四）设计中的思考

三关口明长城土遗址所处的环境在长城中极具代表性。作为线性遗产，其遗址具有分布广、线路长、遗址多的特点；同时长城作为曾经的边塞军事设施，其所处的位置往往又十分偏远、地理环境复杂，穿插于山脉与荒原，水流顺坡势而下，使其在防洪上具有天然的劣势；遗址所处地区的气候特点使其面临着长期干旱风化与短期暴雨汇集的双重挑战；遗址位于两省区行政区域交界，保护工程需要跨地域协调。这些都是在遗址保护工作中需要着重注意的。

三关口长城土遗址所处的气候环境、地理环境，决定了其土遗址的防洪问题很难得以根治，山洪爆发的时间、山体植被缺失带来的土石流动、洪水的走向等因素都很难通过人工进行干预。因此其保护方式在传统本体加固的基础上，更应注重其保护环境的整治，以加强土遗址本体的抗灾能力。防水墙作为一种成本相对较低、施工也相对简单的保护手段，可以在短时间内迅速构建起土遗址的防洪基础，再配以对遗址区域内排水流线的干预以及对本体的加固，将会搭建起土遗址完整的防洪体系。

七、结语

遗产所处的环境通常意义上被视为遗产的重要组成部分。一方面，这种环境体现了遗产的真实性与完整性，是遗产价值的重要载体；另一方面，环境也是遗产本体存在的物质基础，尤其是当遗产处于复杂多变的地形与气候特征之下时。土遗址由于其建造材料的特殊性，相较木结构与砖石结构的古建筑来说，更容易受到雨水、洪水的影响。三关口明长城遗址作为长城土遗址的代表，其遗产保存环境所面临的问题只是西部众多长城遗址的缩影。从遗产防灾的角度来看，遗产水文资料相对丰富，降雨、洪水的规律也逐渐被人们所认知，在此基础上，对长城土遗址进行环境整治与防洪建设，做到防患于未然，是一种高效的遗产保护方式，如果能够在对长城遗址保存状态普查的基础上推广，将大大改善我国长城土遗址的保护状况。