夯土長(zhǎng)城病害調(diào)查與監(jiān)測(cè)方法探討

許德臣　張曉東　柳君君　張翔　徐曉君　陳穎　馬慶珍

[摘要]通過(guò)對(duì)嘉峪關(guān)境內(nèi)夯土長(zhǎng)城現(xiàn)存狀況進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)城及獨(dú)立墩臺(tái)存在基礎(chǔ)掏蝕、風(fēng)化酥堿、局部坍塌、雨水沖蝕、凍融循環(huán)等病害，其本身的構(gòu)筑方式加上降雨等的共同作用是引發(fā)病害的主要原因。針對(duì)目前存在的病害，結(jié)合日常監(jiān)測(cè)情況，探討切實(shí)可行的夯土長(zhǎng)城監(jiān)測(cè)方式方法。

[關(guān)鍵詞]病害調(diào)查；夯土長(zhǎng)城；監(jiān)測(cè)方法

[中圖分類號(hào)]G264 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1005-3115（2016）8-0072-02

根據(jù)長(zhǎng)城工作者多年的實(shí)地調(diào)查和查閱歷史文獻(xiàn)，新疆、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西、河北、北京、天津、遼寧、吉林、黑龍江、河南、山東、湖北、湖南16個(gè)省、市、自治區(qū)都有長(zhǎng)城遺跡。各省、自治區(qū)保存長(zhǎng)城的時(shí)代、多少、完整程度不同。其中以內(nèi)蒙古自治區(qū)境內(nèi)的長(zhǎng)城長(zhǎng)度最長(zhǎng)，據(jù)初步調(diào)奄約有15000公里。由于北方特殊的環(huán)境使秦長(zhǎng)城、漢長(zhǎng)城和明長(zhǎng)城保存遺跡最多。秦長(zhǎng)城西起甘肅臨洮，經(jīng)內(nèi)蒙古狼山縣、陰山山脈、山西大同和內(nèi)蒙古赤峰，直到吉林省一線，遺跡斷續(xù)可見；西漢長(zhǎng)城的城障、列城、烽燧，西起新疆維吾爾自治區(qū)，沿燕山山脈，越內(nèi)蒙古自治區(qū)迤邐而東，直達(dá)黑龍江的西面，全長(zhǎng)近10000公里，是我國(guó)古代所修筑的最長(zhǎng)的長(zhǎng)城，其遺址在今天我國(guó)的新疆、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古等地可見；明長(zhǎng)城西起嘉峪關(guān)，東至山海關(guān)，至今大部分保存完好。甘肅是全國(guó)保存不同歷史時(shí)期長(zhǎng)城遺跡最多的省份之一，擁有戰(zhàn)國(guó)秦、漢、明等各時(shí)期的長(zhǎng)城遺址，索有“長(zhǎng)城天然博物館”之稱。

無(wú)論是保存現(xiàn)狀還是建造規(guī)模，嘉峪關(guān)明長(zhǎng)城都居于甘肅首位。宋元以前有關(guān)無(wú)城。明初，宋國(guó)公馮勝略定河西，截敦煌以西悉棄之，以此關(guān)為限，遂為西北極邊，筑以土城，周圍二百二十丈，高二丈余，闊厚丈余。址倚岡坡，不能鑿池。嘉峪關(guān)塬南有祁連，北有黑山，南北相距僅30余里，為河西走廊狹窄之處，自漢以來(lái)?yè)?jù)西域前沿，扼絲路咽喉，為兵家必爭(zhēng)之地，塬下九眼泉，泉水終年不竭，人馬可飲，遂于其上建造關(guān)隘，名曰“嘉峪關(guān)”。嘉峪關(guān)地處中國(guó)西北內(nèi)陸，屬于溫帶大陸性荒漠氣候，春冬季寒冷且多風(fēng)沙，夏秋季干旱少雨且日照強(qiáng)烈，這在某種程度上有利于土遺址的保存。隨著時(shí)光流逝，嘉峪關(guān)境內(nèi)明長(zhǎng)城出現(xiàn)了相應(yīng)的病害，如基礎(chǔ)掏蝕、風(fēng)化酥堿、局部坍塌、雨水沖蝕、凍融循環(huán)等。

一、長(zhǎng)城構(gòu)造特點(diǎn)及使用材料

嘉峪關(guān)境內(nèi)明長(zhǎng)城基本由夯土版筑而成，以黃土為主，部分遺址土中夾雜有沙土、漂石、芨芨草、紅柳、圓木等，夯層厚度10-26厘米，以15-20厘米為主，均呈下寬上窄構(gòu)造，刨面成梯形。部分墩臺(tái)采用長(zhǎng)35-39厘米、寬20-27厘米、厚7厘米的土坯砌筑，土坯表面采用草泥抹面加以保護(hù)。

二、夯土長(zhǎng)城及獨(dú)立墩臺(tái)現(xiàn)存狀況

嘉峪關(guān)境內(nèi)長(zhǎng)城主要為黃土夾沙夯筑，分為西長(zhǎng)城和東北長(zhǎng)城。西長(zhǎng)城明墻段地處討賴河峽谷至關(guān)城南段，四周開闊，處于強(qiáng)風(fēng)沙環(huán)境中，目前比較嚴(yán)重的病害現(xiàn)象主要為：基礎(chǔ)掏蝕、風(fēng)化剝落等病害。西長(zhǎng)城暗壁段由于受黑山的屏護(hù)，風(fēng)沙蝕程度較輕，保存相對(duì)較好。東北長(zhǎng)城由懸壁長(zhǎng)城至野麻灣，長(zhǎng)城四周環(huán)有農(nóng)田，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民在20世紀(jì)六七十年代興修水利時(shí)有所破壞，形成缺口，保存情況相對(duì)較差，農(nóng)田附近部分長(zhǎng)城已基本消失。境內(nèi)和境外墩臺(tái)、敵臺(tái)同樣也出現(xiàn)了很多病害，如局部坍塌、雨水沖刷、風(fēng)化酥堿等病害。

三、夯土長(zhǎng)城監(jiān)測(cè)方法初步探討

（一）水分鹽分監(jiān)測(cè)

嘉峪關(guān)常年干旱少雨，城墻在夯筑過(guò)程中未充分考慮防滲排水功能的設(shè)置，近年來(lái)嘉峪關(guān)降雨逐漸增多，突發(fā)性降雨頻率和強(qiáng)度不斷增大，致使城墻內(nèi)部含水量不斷增大，加之嘉峪關(guān)強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用，致使土壤的毛吸作用增強(qiáng)。鹽分運(yùn)移和水分運(yùn)移是密切相關(guān)的，水分運(yùn)移是鹽分運(yùn)移的載體，在土壤水的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，鹽分隨水發(fā)生運(yùn)移，其中土壤自由水的對(duì)流運(yùn)動(dòng)在鹽分運(yùn)移中起主要作用。在水分運(yùn)移過(guò)程中帶動(dòng)可溶鹽的運(yùn)移，使可溶鹽在城墻表面不斷富集，破壞了土壤結(jié)構(gòu)，加速了遺址破壞進(jìn)程。為了準(zhǔn)確研究水分運(yùn)移同可溶鹽運(yùn)移的關(guān)系及其對(duì)城墻的破壞機(jī)理，采用墻面水分儀和土壤鹽分計(jì)對(duì)城墻進(jìn)行水分和鹽分監(jiān)測(cè)，在監(jiān)測(cè)過(guò)程中根據(jù)實(shí)際病害發(fā)育狀況確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)位及分布，在每次進(jìn)行水分監(jiān)測(cè)時(shí)同時(shí)進(jìn)行鹽分采樣實(shí)驗(yàn)分析，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳監(jiān)測(cè)預(yù)警管理平臺(tái)，通過(guò)關(guān)聯(lián)分析功能子系統(tǒng)分析，找出水分同鹽分運(yùn)移之間的線性關(guān)系，基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)研究分析其對(duì)城墻風(fēng)化酥堿的影響及破壞機(jī)理。

（二）環(huán)境監(jiān)測(cè)

嘉峪關(guān)地處中國(guó)西北內(nèi)陸，屬于溫帶大陸性荒漠氣候，獨(dú)特復(fù)雜的氣候環(huán)境加之近年的環(huán)境污染，在某種程度上加快了土遺址的破壞速度。為了精確掌握遺址所處的真實(shí)環(huán)境，理清環(huán)境和遺址破壞之間的關(guān)系，有必要開展遺址地空氣溫濕度、氣壓、全輻射、降雨量、蒸發(fā)量、噪音、風(fēng)速風(fēng)向、大氣污染等的監(jiān)測(cè)。將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總分析各要素的變化規(guī)律，通過(guò)SSA等深度大數(shù)據(jù)處理手段探討遺址區(qū)氣候年度、季節(jié)、晝夜的變化特征。

（三）沖蝕監(jiān)測(cè)

降雨對(duì)遺址的直接作用而產(chǎn)生的破壞主要為侵蝕破壞，發(fā)生在降雨過(guò)程中。因強(qiáng)降雨在遺址表面形成徑流而產(chǎn)生水力侵蝕或加劇重力侵蝕，不斷破壞遺址土體結(jié)構(gòu)，形成溝狀或面狀的侵蝕。實(shí)質(zhì)是遺址土日被降雨或徑流侵蝕和搬運(yùn)而不斷流失，致使遺址形貌改變、形體減小。按破壞表現(xiàn)形式的不同，侵蝕破壞主要分為沖溝侵蝕和片流面蝕。嘉峪關(guān)雖常年干旱少雨，全年平均降水量為87.5毫米，但降雨相對(duì)集中且瞬時(shí)降雨量大，截止2015年9月8日8時(shí)，嘉峪關(guān)降水量已經(jīng)達(dá)到106.8毫米，比往年全年平均降水量還高22%。夏季降雨對(duì)遺址的破壞最為嚴(yán)重，可在版筑接縫或易形成匯流的部位采用沖蝕探針開展沖蝕監(jiān)測(cè)。定期讀取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并上傳監(jiān)測(cè)預(yù)警管理平臺(tái)，同降雨量進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，準(zhǔn)確得出降雨對(duì)夯土長(zhǎng)城的破壞程度。

（四）風(fēng)沙監(jiān)測(cè)

嘉峪關(guān)地處祁連山和黑山之間，常年多風(fēng)少雨且風(fēng)力強(qiáng)勁，風(fēng)沙對(duì)城墻的破壞較為嚴(yán)重，局部只剩城墻殘基且已被浮沙淹沒，風(fēng)沙量監(jiān)測(cè)顯得很有必要。在風(fēng)蝕相對(duì)嚴(yán)重且具有代表性的部位，根據(jù)風(fēng)向及流沙堆積情況開展風(fēng)沙量監(jiān)測(cè)。采用階梯式積沙儀定期對(duì)不同高度風(fēng)沙量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同風(fēng)速風(fēng)向進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，研究風(fēng)速變化對(duì)沙石搬運(yùn)量的影響和對(duì)城墻的破壞力度。

（五）土壤溫濕度監(jiān)測(cè)

凍融循環(huán)是指土體溫度介于結(jié)冰點(diǎn)上下波動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的凍結(jié)和融化的循環(huán)過(guò)程。凍融循環(huán)作用可以實(shí)現(xiàn)土體結(jié)構(gòu)性的改變，反復(fù)凍融可以破壞土體的原生結(jié)構(gòu)和土顆粒之間的膠結(jié)，亦可以使土體顆粒重新排列。嘉峪關(guān)四季溫差較大，凍融是加速嘉峪關(guān)境內(nèi)夯土長(zhǎng)城消失不可忽視的重要因素，為準(zhǔn)確了解凍融循環(huán)對(duì)長(zhǎng)城的破壞程度及機(jī)理，有必要開展土壤溫濕度監(jiān)測(cè)，分不同深度不同環(huán)境進(jìn)行夯土長(zhǎng)城溫濕度監(jiān)測(cè)，以便研究溫濕度變化對(duì)夯土長(zhǎng)城的破壞機(jī)理。

四、結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，隨著氣候變化，遺址的破壞呈加速發(fā)展，病害不斷增多加重，為延緩病害發(fā)育趨勢(shì)，有必要開展遺址地周圍環(huán)境監(jiān)測(cè)。在日常監(jiān)測(cè)過(guò)程中可能會(huì)碰到新的問(wèn)題、新的困難，需要探索不斷完善監(jiān)測(cè)理念及監(jiān)測(cè)方法，才能充分發(fā)揮遺產(chǎn)監(jiān)測(cè)的真正效能。