基于水文灾害风险评估的建筑遗产预防性保护措施研究

文／董婉茹 北京工业大学城建学部 硕 士

引言

自然灾害破坏力大，难以预防，对建筑遗产造成了极大的威胁。作为自然灾害之一，水文灾害发生频繁，灾害后形成的潮湿环境还是建筑遗产发生日常劣化的主要因素[1]，对建筑遗产危害极大。据《中国世界文化遗产2020 年度总报告》[2]统计，2020 年建筑遗产遭受自然灾害20 次，其中18 次是以暴雨、台风/大风、洪水为主的气象水文灾害；根据病害调查记录，文物建筑所遭受的病害类型以表层风化、裂缝、植物类病害为主，都是典型的潮湿环境引发的病害。历年来，因水文灾害致建筑遗产受损的案例不计其数，2012 年7 月21 日北京因暴雨导致约160 处不可移动文物受损；2020 年，南方洪涝灾害导致130 余处不可移动文物受到损失，其中多处国家级重点文物保护单位在洪灾中被冲毁；河南2021年“7·20”暴雨致使400 余处文博单位受损；2021 年10 月，山西省约1763 处不可移动文物因连续降雨造成损害，其中被列为世界文化遗产的平遥古城出现墙体坍塌。可见，水文灾害给建筑遗产保护带来了巨大的挑战。

我国建筑遗产预防性保护主要从遗产监测、病害分析、灾害风险评估和预防、管理体系等方面进行研究。从建筑灾害风险角度来说，病害分析方面的研究很多，但从水文灾害造成日常劣化的角度分析的较少。在文物保护领域，冯楠[1]通过分析潮湿地区露天环境下砖石文物的风化现状及病害机理，提出了相应的保护措施。近年来，关于洪涝灾害的研究逐渐增加，并且呈现出多学科、跨专业的特点。张又天综合研究了历史建筑密集区常见灾害，其中涉及了洪涝灾害对历史建筑的影响及防灾策略[3]；曾雅婕、傅红等[4]以成都文化遗产为例，根据PSR 模型建立指标体系，分析洪灾风险等级；北京建筑大学的袁冯[5]从地理气象层面分析北京市暴雨时空分布特点，对北京各区洪涝灾害风险进行等级划分；张耀文、李海君[6]等从城市防灾角度建立了区域洪涝灾害风险评价指标体系并进行了验证。

总体来说，对于灾害风险的研究或从城市或从社区综合系统的角度出发，或从某单一灾害来分析建筑本体的防灾保护，对综合风险方面的研究较少。而关于综合风险的研究，大多着眼于评估方法和指标体系的建立，忽略了相应的保护措施。水文灾害风险不仅包括暴雨、洪涝等直接灾害风险，还有山体滑坡、泥石流等次生灾害风险以及潮湿环境造成的日常劣化风险。文章综合分析水文灾害风险，从建筑遗产本体的角度建立指标体系评估风险，并依照评估结果采取相应的遗产预防性保护措施。

1 建筑遗产水文灾害的风险评估

1.1 评估方法

灾害风险评估目前应用范围最广的方法为基于指标体系的风险评估方法，既可以对某一灾害进行评价，也可对多种灾害进行综合分析评估[7]。本文将对水文灾害建立指标体系，采用层次分析法进行定量化评价，将灾害风险问题分解成若干层元素，参考专家评价建立指标体系，通过风险分级对建筑遗产提供客观可靠的风险评估，从而为建筑遗产的预防性保护提供参考。

1.2 评价因子选取

遵循风险管理理论，综合学者的研究，本次评估将致灾因子、孕灾环境、承灾体和抗灾力四个方面作为水文灾害风险目标下的准则层来建立评估模型。

1.2.1 致灾因子

水文灾害的致灾因子主要有暴雨、洪水、涝灾、风暴潮、海啸等自然灾害。其中，暴雨、洪水、涝灾具有普遍性，是本文主要研究的水文灾害，而这些灾害本质上都是由极端降水导致的。降水的危险性可以由其降水量以及降水强度来评价，而降水强度超过暴雨级别便容易导致洪涝灾害。因此，该结构模型致灾因子的评价指标定为降水量和暴雨日数。

1.2.2 孕灾环境

水文灾害中的孕灾环境可以分为地形、水系和植被三个方面。地形因素由地势高低和周围山体情况来评价，地势的高低决定了建筑遗产周围是否容易积水，而山体滑坡是暴雨中极易引发的次生灾害。水系指标考虑地下水位变幅和河网密度，地下水位变幅与降水情况有关，同时也影响建筑地基是否会发生受潮渗水现象；而区域内遭受洪涝的难易程度与河网密度有关[8]。在植物因素中，建筑周围植物覆盖度会影响降水之后的潮湿度，而潮湿环境会增加建筑遗产的劣化现象；建筑遗产周围通常会有古树名木，若在暴雨中倒塌，不仅树木本身受损，而且容易危及建筑，造成极大的损害，是建筑遗产的潜在威胁。

1.2.3 承灾体

在本次评估中，致灾因子作用的对象是遗产建筑，也就是说，目标建筑本体就是承灾体。承灾体的脆弱性主要以建筑外墙材料损坏度和主体结构稳定性为评价标准，而建筑遗产保护是以遗产价值为基础的，因此把遗产价值也纳入承灾体的评价标准。

1.2.4 抗灾力

抗灾力是指人类社会对灾害的防御能力，对应于本次水文灾害便是防洪除涝能力，主要通过防洪基础设施、灾害监测预警情况来评价。

1.3 递阶层次结构模型建立

根据上述分析，水文灾害风险评估的递阶层次结构模型以水文灾害风险为目标层，致灾因子、孕灾环境、承灾体、抗灾力为准则层，再往下分设子准则层和评价因子层，具体模型如图1。

图1 水文灾害风险评估递阶层次结构模型（图片来源：作者自绘）

1.4 评价因子层权重确定

权重确定需要自上而下依次进行，先对目标层水文灾害风险下的准则层进行重要性排序，再依次对下层评价因素进行权重计算，计算结果如表1 所示。

表1 水文灾害风险权重表（表格来源：作者自绘）

1.5 评价因子判定标准

本次评价指标分为定性指标和定量指标，定量指标包括年均降水量、暴雨日数、地势高低、河网密度、地下水位变幅、植物覆盖度六个指标，定性指标包括山体滑坡、大型树木、外墙面损坏度、结构稳定性、遗产价值、防洪基础设施和监测预警情况七个指标。

致灾因子的两个指标均为定量指标，标准主要参考城市水务局公布的城市降水情况，统计区域内年均降水量和年均暴雨日数，计算分析致灾因子的危险性。

孕灾环境的地形指标中，通过测量周围地势差来评价地势高低指标，根据周围山体结构松散程度、抗剪强度和抗风化能力等来判定是否有山体滑坡的可能性；水系标准为定量指标，河网密度通过河流总长度/流域面积来计算，地下水位变幅参考城市水务局公布的地下水信息；植物标准中大型树木通过树干直径、树木高度、树龄、名木价值来评价损失程度，植物覆盖度则通过植物覆盖面积/建筑遗产保护面积来计算。

承灾体中主体结构稳定性和外立面材料损坏度参照《近现代历史建筑结构安全性评估导则》（WW/T0048-2014）[9]来评估，文物价值则参考文物局公布的遗产保护级别，综合评估建筑遗产价值。

抗灾力中，防洪基础设施包括防洪堤、截洪沟、排涝泵站、区块排涝主干管、城区防洪排涝调度中心等，通过设施建设是否完善来评价该指标。监测预警情况根据洪水预警、预报情况来评价。

评价因子具体判定指标以及标准化如表2所示。

表2 评价因子判定指标及标准化（表格来源：作者自绘）

2 实例应用——圣弥厄尔教堂

2.1 建筑概况

圣弥厄尔教堂位于北京市东交民巷，是北京市区内少有的没有经过彻底毁坏和重建的天主教堂。在中华人民共和国成立以后，由于政策限制，教堂被台基厂小学使用，直到1986 年才重新归教会管理。教堂规模较小，建筑主体仿哥特式风格，砖木结构，灰砖清水墙。

2.2 调研情况及灾害评估

（1）致灾因子情况。降水量参考北京市水务局统计年均降水量为585 毫米，而暴雨日数来源于参考文献[5]根据北京市气象站点统计的1961—2018 年降水数据。

（2）孕灾环境情况。教堂处于市中心，周围没有山体，也没有河流水系。建筑本体位于0.75米的平台之上，场地较周围道路也有所抬高；教堂入口有两棵古树，但倒塌风险较小，整个场地植物面积较少。根据北京市水务局观测，教堂地下水位变幅为0.39 米。

（3）承灾体情况。教堂于2001 年被列入全国重点文物保护单位名单。2003 年完成一次全面整修，进行了抗震加固、更换构建、修复破损设施以及增加消防和避雷系统等项目。经过调研，发现建筑主体结构无明显劣化现象，但外墙面有植物生长、微生物侵蚀、砖石风化、开裂剥落等现象，且由于西侧紧挨餐饮后厨，油烟排放对教堂西立面产生一定影响。

（4）抗灾力情况。教堂内防洪基础设施较为完善，区域内的监测预警设施也比较完备。

具体评估情况如表3。

表3 圣弥厄尔教堂水文灾害评估表（表格来源：作者自绘）

2.3 评估结果分析

根据评估，北京市圣弥厄尔教堂水文灾害风险较小。在各个指标中，除降水和遗产价值两项无法改变因素外，数值较高的为地下水位、树木和外墙面损坏度三个指标。因此，在接下来的保护中，应注重地下水位和建筑基础的监测，避免基础受潮；对入口的两棵古树也要做好支撑措施。对于外墙面的劣化，首先要注意移除生长的植物；其次应及时修复腐蚀、风化、开裂剥落等现象，并且对西侧餐饮店的油烟排放管道进行改造，避免油烟对西立面的影响。

3 预防性保护措施

3.1 降低致灾因子的危险性

本文中致灾因子的危险性主要是由极端降水造成的。研究表明[10]，极端降水的发生频率与全球气候变暖有关。全球温度的升高会影响强降水的空间分布，增大洪涝灾害发生的频率。因此，降低致灾因子的危险性就要积极治理气候变暖，需要社会各界乃至全球人民的共同努力。

3.2 加强孕灾环境的稳定性

不同建筑遗产的孕灾环境有所不同，需根据具体情况采取相应的措施。位于山体滑坡易发区的建筑遗产，要提前做好相应措施，例如改变滑坡体外形、设置抗滑桩等加固山体工程，以及修建截水沟、排水沟等拦截水流措施。对于处于洼地容易积水的建筑遗产，要做好排水设施。建筑遗产周围的古树名木要安排专业人员进行保护，若古树距离建筑较近或生长重心偏离，要及时做好支撑措施。

3.3 改善承灾体的脆弱性

遗产本体的风险主要为日常劣化导致的，在评估过程中发现劣化现象，及时做好修复加固工作，避免劣化加剧。除此之外，做好日常维护也极为重要。例如对建筑遗产和周边环境定期进行监测，及时排除潜在风险；控制好室内空间的温度和湿度，及时通风，避免因干湿度的急剧变化而产生霉变现象；外墙面可以进行憎水保护，避免水汽渗透，侵蚀墙体[11]。

3.4 提升抗灾能力

抗灾能力的提升需要政府、管理方、相关部门以及社会公众的共同参与。政府应加大财政投入，引进先进设备，聘请专业人才；完善相应法规体系，加大执法的力度，保障遗产的灾害管理。管理方要完善防洪基础设施建设，在汛期等降水频发时期来临之前做好预防保护工作；相关部门应加强对降水、洪涝以及山体滑坡等灾害的监测预警工作。此外，还应鼓励公众积极参与，加强其对建筑遗产的保护意识。

结语

对灾害进行相应的风险评估是建筑遗产保护的重要工作。以年均降水量、暴雨日数、山体滑坡、地势高低、河网密度、地下水位变幅、植物覆盖度、大型树木情况、建筑结构稳定性、遗产价值、防洪基础设施和监测预警情况作为评价因子，对水文灾害建立指标体系，可对水文灾害进行量化评价估。通过北京圣弥厄尔教堂评估分析，发现该指标体系可行性较高且符合客观实际。

根据评估发现，可以通过降低致灾因子的危险性、加强孕灾环境的稳定性、改善承灾体的脆弱性和提升抗灾能力四个方面来对建筑遗产水文灾害进行预防性保护。