敦煌莫高窟窟頂風沙環境綜合治理回顧與展望

內容摘要：本文依據長期連續野外的風沙觀測，對窟頂的風沙運動規律、沙丘動力學以及風沙防護效應等方面取得的進展進行了較為全面的闡述，同時提出了對綜合防護體系建立后的流場變化、輸沙率及粉塵輸送規律、戈壁風沙流、防護前緣地形變化等進行長期監測的重要性和必要性，通過風沙物理學過程探討其綜合防護機制。

關鍵詞：敦煌莫高窟；風沙環境；綜合治理；研究進展；回顧與展望

中圖分類號：K854.3 文獻標識碼：A 文章編號：1000-4106(2007)05-0098-05

莫高窟位于甘肅省河西走廊最西端的歷史文化名城敦煌市，地處我國八大沙漠之一的庫姆塔格沙漠東南緣和鳴沙山東麓，風沙災害一直是困擾莫高窟完整保存的主要環境問題之一。風沙對莫高窟的危害可以追溯到五代時期，有清沙功德碑為證。新中國成立以來，才真正有組織、有計劃地開展莫高窟的風沙防治工作。20世紀50年代，中央政府高度重視敦煌文物的保護工作，周恩來總理曾就敦煌文物的保護親自作過重要批示。后來，文化部會同中國科學院等單位，組成專家組對敦煌文物保護的現狀和存在問題進行現場考察后，明確指出崖體穩定性、強烈的崖面風蝕及風沙危害是敦煌文物保護面臨的主要問題。全面深入開展該區風沙活動規律及其綜合防護體系前期試驗研究，對解決莫高窟的風沙危害具有重要的現實意義。莫高窟風沙危害的治理，不僅要以風沙物理學、風沙工程學的基礎理論做指導，還要符合《國際古跡保護與修復憲章》與《中國文物古跡保護準則》對文物保護的特殊要求，做到文物保護與防沙工程措施合理設置的有機結合。本項研究不僅可以為敦煌莫高窟地區建立長效的綜合防護體系提供堅實的理論基礎，而且對我國西北風沙地區的文物古跡及重要經濟設施的保護起到示范作用。

一 風沙方面的研究進展

回顧總結莫高窟風沙危害的治理與研究，按照不同時期的主要特點，可將其歸結為三個時期：(1)以清除積沙為主的文物搶救階段。時間上可劃分到20世紀70年代以前。這一階段的主要特點是清除窟內和窟區積沙，同時編制了以工程措施為主的防沙規劃，在窟頂崖面及窟區等設置了以阻為主的零星試驗工程。(2)野外觀測積累階段。時間上從20世紀80年代末至90年代末。在窟頂安裝了全自動氣象站，開始對莫高窟區域環境特別是風沙資料進行系統監測。1990年，敦煌研究院與中國科學院蘭州沙漠研究所合作，在美國蓋蒂基金會的支持和蓋蒂保護所的直接參與下，在戈壁區設置了“A”字形尼綸網柵欄防沙措施，有效地控制了偏西風向洞窟搬運沙量的95％左右，洞前棧道夜間積沙比設置柵欄前減少60％。(3)實驗研究階段。從20世紀末期開始至今，對莫高窟風沙危害有了新的認識。針對前期出現的戈壁區嚴重積沙、植物固沙規模過小的實際，開始探索進一步擴大植物固沙范圍，開展草方格沙障固沙試驗研究。

實踐表明，沒有翔實數據和可靠理論支撐的風沙防護體系，勢必會出現這樣或那樣的問題，有些措施甚至將沙帶到距離窟區更近的地方堆積下來，形成新的隱患。例如50年代在窟頂崖面修筑擋沙墻、開挖輸沙溝、扎設防沙柵欄等，由于種種原因，防沙的效果不佳，甚至一些工程措施由于位置設置不當造成新的隱患，后來被迫拆除。因此，弄清窟頂風沙運動規律，是建立長期有效的防護體系必需的基礎工作。經過多年的長期連續野外的風沙觀測，我們對窟頂的風沙運動規律、沙丘動力學以及風沙工程等方面有了更進一步的認識，并且取得了一些研究進展，主要體現在以下三個方面。

1、輸沙勢計算與風沙流輸沙勢

輸沙勢計算與風沙流輸沙勢是衡量區域風沙活動強度極其重要的指標，也是目前風沙活動強度計算中應用最為廣泛的方法。通過1990-2002年的風資料對莫高窟頂RDP/DP計算，結果表明，年潛在輸沙勢為266VU，屬于中等風能環境。合成輸沙勢為83VU，合成輸沙方向(RDD)為34，RDP/DP值為0.31，屬復合風況(圖1)。研究發現莫高窟不僅多風、風大，而且大風多集中在春夏兩季，從發生頻次來看，以春、夏、秋季風沙活動較為頻繁。

一些學者曾通過統計分析風資料，或是利用數值模擬等對莫高窟窟頂戈壁風蝕起沙量進行過分析研究。2002年，我們通過在窟頂流沙區與戈壁區分別設置高為40cm的全方位積沙儀進行了為期一年的風沙流觀測，結果表明，莫高窟頂總輸沙通量為1.62 t/(m·s)，其中偏西風為0.74t/(m·s)，偏南風為0.66t/(m·s)，偏東風為0.22t/(m·s)。流沙區的貢獻率達82.4％，而戈壁區則為17.6％。需要說明的是觀測值比Du et al的理論值小，主要是由于地表實際風蝕起沙率不僅受地表礫石覆蓋、植被蓋度、沙地土壤水分含量等因素的影響，而且受地形、地貌及地表粒級級配等條件的限制。

2、風沙流結構特征

氣流中所搬運的沙子在搬運層內隨高度的分布，稱為風沙流結構。風沙流結構決定風沙輸移強度和防沙工程措施的選取。屈建軍等在對莫高窟窟頂戈壁進行大量觀測后發現，礫質戈壁的輸沙量在高度上不服從梯度分布，最高值出現在距地表2-8cm的高度，而不是通常的地表0-1cm。戈壁風沙流與沙質地表風沙流結構顯著不同，圖2為同場風作用下，根據相同時段積沙量做出的戈壁與流沙地表風沙流結構。戈壁風沙流結構在2-6cm處呈現最大值，而沙質地表輸沙量隨高度呈指數規律遞減。這一結果與前人在其他地區或實驗研究結果一致。

風沙流的水平分布主要與風速、風向和下墊面的性質有關。戈壁風沙流與沙質地表風沙流結構變化的上述顯著差異，主要原因是戈壁組成物質粗，顆粒大，地面堅實，風沙流中的沉降沙粒與礫石床面碰撞過程中的能量損失很小，沙粒彈跳高度大。因而，戈壁風沙流的高度較大，沙量隨高度增加而減少的遞減率就緩慢。戈壁風沙流高度大，沙粒彈跳高，分散在較高的空間，充分利用不同高度氣流的能量，使戈壁風沙流常處于非飽和搬運狀態，風蝕作用強烈。

首先，由于戈壁地表粗糙度平均為0.118cm，較流沙地表的0.005增加了一個數量級，因而戈壁地表沙粒起動風速也較之增大，其結果表現在同一風速下，自流沙至礫石戈壁輸沙量逐漸降低。其次，自鳴沙山至崖頂的WWN和WS風，在風速小于11.0m/s時，以就地起沙為主，當風速大于11.0m/s時，出現沙物質的長距離搬運。再次，EEN形成的風沙流不僅將洞窟崖面的積沙反向搬運至鳴沙山附近，而且對鳴沙山沙物質同樣具有反方向搬運能力。表明了窟區沙源主要來自鳴沙山沙丘沙和部分來自戈壁地區的二次起沙，即所謂的“就地起沙”。

3、沙丘運動實地監測

通過對鳴沙山高程變化縱斷面圖上進行加密測量，可以看出，沙山前緣小沙丘SW向NE方向的年移動速度為1.08—-0.77m，年平均速度為0.34m。向窟區方向年移動速度為0.84—-0.60m，年平均速度為0.26m。沙山移動理論計算和遙感監測均表明，沙山和小沙丘的移動方向為SW→NE，移動速度都極小，屬慢速——穩定型。但是沙山移動的理論計算值略高于遙感監測值，其原因在于沙丘移動速度除了與風速大小和沙丘本身高度有關外，還與沙丘水分含量、植被狀況、下伏地貌條件的差異等多種因素有關。

采用地面立體攝影測量技術對金字塔沙丘的短期監測結果表明，沙丘具有垂直增長特征，沙丘形態變化主要發生在丘體3/4高度以上的部位，沙丘運動主要通過沙丘臂的橫(縱)向擺動來適應季節性的風向變化，而沙丘的整體橫向移動不明顯。但從長期監測結果來看，金字塔沙丘仍具有整體橫向運動的特征，并且高度有降低的趨勢。局地環流(偏南風)對金字塔沙丘的橫向移動影響較大，局地環流作用下的均衡坡面狀況對沙丘的運動起著重要的作用。1997年在沙丘運動監測初期，曾對沙丘進行了控制測量，布置了20個控制點。經過8年時間，在沙脊線及面上布設的控制樁已完全被沙埋或風蝕，僅個別點又被風蝕出露地表。而沙丘基部的控制點完好，從現存的控制樁可清楚看出沙丘8年的移動規律。NE和W面基底的變化不大，NE面主要呈堆積狀態，w面的變化主要發生在沙丘的3/4以上的高度部位。SE面的基底風蝕現象比較明顯，風蝕深度達45cm，年平均風蝕深度5.5cm。但隨沙丘高度的增加，風蝕作用有所減弱，年平均風蝕4.6cm。SW副臂移動明顯，向南移動4.4m，年平均移動55cm。主臂有向偏東方向移動趨勢。

二 風沙防治的生態環境效應研究進展

1、荒漠灌木林帶

灌木林帶的建立，改變了近地表風沙流結構，使其周圍的氣流場重新分布。窄行多帶的灌木林帶的疊加作用使其阻固流沙的作用更加明顯。由于灌溉、施肥、灌叢根系、土壤微生物及灌木林帶對沙塵阻滯等的共同作用，使沙地表層和淺層細沙和微沙含量增加，有機質含量在植物根系分布范圍內成倍增加，而受植物種的影響，全N、全P含量變化不大。在0-60cm的沙層含鹽量普遍有所增加，而60cm以下的沙層鹽分含量反而下降，說明在頻繁的滴灌條件下，沙地淺層不但沒有積鹽過程，而且還把風成沙中的部分鹽分淋洗到60cm深度以下。灌木林對區域小氣候的改善效應明顯。灌木林帶內與流沙區氣溫和相對濕度的日變化趨勢基本一致，日平均氣溫流沙區比灌木帶內高，而平均相對濕度灌木林帶內比流沙區高，表現出與喬木林帶基本一致的變化趨勢，這種變化隨灌木林帶郁閉度的不斷增加和持續的灌溉作用愈加明顯。淺層土壤(0-20cm)溫度晝夜變程與地面有同樣的規律，以垂直方向向下傳遞，但變幅較地表為小，并從上往下遞減，到20cm深時變化更小。

總體來看，灌木林帶的防風固沙作用明顯，對區域環境的影響明顯，而且耗水少，比較適應貧瘠的土壤水分和養分條件，在極端干旱荒漠地區的風沙防治及植被恢復重建中具有極其重要的作用，可在我國西部生態環境建設中推廣應用。

2、礫石鋪壓

緊密排列的蝕積床面的礫石覆蓋度在風沙流的作用下變化很小或者沒有變化。只有緊密排列卵石床面在風速達到11m/s時出現風蝕現象。當上風向沙源缺乏時，60％覆蓋度的床面，在12m/s風速下連續作用45分鐘，床面以阻截上風向挾帶來沙物質為主，且堆積速率逐漸減小。當氣流作用1小時后，床面出現輕微的風蝕。這表明礫石床面由阻沙逐漸向導沙轉變。沙物質輸送強度是隨風速的增加逐漸增強。當風速達到18m/s時，覆蓋度在15％左右礫石床面經風力作用，10分鐘內可使床面沙物質風蝕殆盡。隨著礫石覆蓋度的減少，床面由阻沙功能向導沙功能變換的臨界風速也逐步降低，15％覆蓋度的礫石的臨界風速可降至10m/s左右。由此可見，沙源的供給狀況是決定礫石阻沙和導沙的重要因素之一。不論礫石大小、其形狀如何，當戈壁表面蝕積活動達到動態平衡時，礫石覆蓋度隨風速呈對數關系增長，其所需時間隨風速的增大而呈指數關系遞減(圖4，5)。即當地風速越大，需要維持戈壁表面平衡狀態的蓋度就越大，達到這種平衡蓋度狀態所需要的時間就越短。實驗結果表明，莫高窟崖頂戈壁礫石覆蓋度在50％以上時才能有效防治風蝕作用的產生。

風洞實驗和現場觀測結果表明，莫高窟崖頂靠近崖面附近是穩定的，不易產生風蝕，而越靠近沙山風蝕活動作用越明顯，說明其床面是不穩定的，主要是在偏西風和偏南風作用下。來自鳴沙山沙源的不斷堆積。只要無外來沙源的補充，在長期風蝕作用下，整個窟頂戈壁應當已經形成穩定平衡的礫石覆蓋面。現時窟頂戈壁，特別是所謂的“就地起沙”實際上是來自鳴沙山風沙堆積的二次起沙。

3、綜合防護效應

由于綜合防沙治沙試驗工程的陸續展開，防沙效果明顯增強。以設置在莫高窟第152窟和第404窟窟前棧道積沙為例，對每年風季3-5月的積沙監測結果進行比較，觀測到柵欄建立一年后的1991年。窟前積沙分別減少39.4％，63.8％；1992年則分別減少69.6％，83.3％；2001年分別減少89.4％，97.1％；2002年分別減少75.4％，95.2％；

與建立工程前的1990年同期相比，2003年3-5月間進入莫高窟窟區南端第152窟、第208窟、第256窟、第404窟、第454窟窟前棧道的積沙量分別減少了94.0％、61.3％、85.3％、98.7％、96.4％(圖6)。

三 研究展望

在我國防沙治沙工程實踐中，往往由于前期研究工作不到位而形成的沙丘前移和積沙等問題長期困擾著風沙工程學的發展，建立新的均衡風沙場是莫高窟風沙危害綜合防護體系的根本之所在。因此，要結合工程建設進度，對綜合防護體系建立后的流場變化、輸沙率及粉塵輸送規律、戈壁風沙流、防護前緣地形變化等進行長期連續的監測，通過風沙物理學過程探討其綜合防護機制，為防護體系防護寬度的確定提供科學依據。為此，應繼續做好以下幾方面的研究工作。

1、開展綜合防護體系防護效應的系統觀測與分析研究，不斷完善防護體系，真正發揮其整體功能和長效性。

2、對不同類型床面的蝕、積過程進行系統研究，建立永久的監測控制網。在不同風速(風向)、沙源供給等因素影響下，對床面縱向剖面進行風沙流和蝕積過程的同步觀測，摸清風沙流固體流量、能量結構特征。

3、繼續進行防護措施設置前后防護效應的對比研究，特別是構建不同床面風沙流結構及風蝕模型尤為重要，也是構建科學長效防沙治沙工程的基礎。

4、加強選擇耐老化、壽命長、無污染的新型固沙材料的研究。

5、敦煌莫高窟的風沙防治與一般地區的防沙治沙工程有著本質的區別，因此，要進一步提高對敦煌莫高窟防沙工作重要性的認識，加強組織領導，重視基礎研究，增加科技和經費投入，把這一人類文化遺產永遠傳給后人。

責任編輯：蕭 陽