突發(fā)性強(qiáng)降雨對莫高窟洞窟微環(huán)境影響分析

內(nèi)容摘要：為了降低莫高窟壁畫由于賦存環(huán)境改變而引發(fā)病害深度惡化的風(fēng)險(xiǎn)，本文選取2011年8月-2012年8月間的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析在突發(fā)性強(qiáng)降雨條件下，崖體同層、大小與形制相似的開放洞窟和不開放洞窟微環(huán)境的變化規(guī)律及差異性。研究表明，強(qiáng)降雨對窟內(nèi)溫度影響較小，但相對濕度出現(xiàn)了較大波動(dòng)，具有時(shí)間滯后性。開放洞窟和不開放洞窟相比，相對濕度波動(dòng)頻率更明顯，滯后時(shí)間均為10小時(shí)，要持續(xù)7小時(shí)才可達(dá)到另一種相對穩(wěn)定的狀態(tài)。本研究結(jié)果有助于洞窟管理者及調(diào)度人員合理安排洞窟排查時(shí)間及游客參觀時(shí)間，并為決策者制訂及時(shí)有效的防范措施提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)降雨；溫度；相對濕度；旅游開放；莫高窟

中圖分類號：K854.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1000-4106（2013）01-0120-05

一 前言

敦煌莫高窟位于敦煌市東南的鳴沙山東麓斷崖上，北距敦煌市25km，地理坐標(biāo)為北緯40°02′14.2″，東經(jīng)94°48′14.7″。現(xiàn)存洞窟735個(gè)，壁畫總面積45000平方米，彩塑2290余身，文物建筑33處，是中國現(xiàn)存規(guī)模最大的石窟寺遺址，也是世界上歷史延續(xù)最悠久、保存最完整的佛教藝術(shù)寶庫，1987年被列為世界文化遺產(chǎn)。莫高窟文物在極端干旱的賦存環(huán)境中保存了1000多年，但是由于處在自然環(huán)境中，氣候變化對文物是一個(gè)無形的潛在破壞因素[1]。敦煌莫高窟壁畫相繼出現(xiàn)了一系列病害，主要有起甲、酥堿、空鼓、壁畫大面積脫落、霉變等[2]，而病害的產(chǎn)生與窟內(nèi)微環(huán)境氣候的變化有密切聯(lián)系[3]。據(jù)室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究，當(dāng)達(dá)到一定相對濕度條件時(shí)，鹽分就可能被激活，向表面運(yùn)移和富集，誘發(fā)壁畫病害的產(chǎn)生[4]。為了降低文物病害進(jìn)一步惡化的風(fēng)險(xiǎn)，研究區(qū)域氣候變化，尤其是突發(fā)性氣候變化對洞窟微環(huán)境的影響意義重大。在極端干旱的環(huán)境中，強(qiáng)降雨是主要的突發(fā)事件之一，對文物本體及載體的危害極大，本文通過分析突發(fā)性強(qiáng)降雨對洞窟微環(huán)境的影響，不但可為壁畫病害機(jī)理研究提供基礎(chǔ)資料，也可為洞窟開放、游客參觀的管理提供理論支撐。

二 突發(fā)性強(qiáng)降雨對莫高窟的危害

敦煌莫高窟所在區(qū)域?qū)儆跇O為干旱的戈壁沙漠地帶，空氣干燥，降雨稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈[5]，這種氣候條件對于石窟文物的長期保存是比較有利的。如果區(qū)域內(nèi)發(fā)生相對集中的降水和突發(fā)性暴雨所引起的洪水，將會(huì)嚴(yán)重影響窟內(nèi)文物安全。敦煌莫高窟2011年6月15日至16日歷經(jīng)了百年罕見的持續(xù)強(qiáng)降雨，降雨量達(dá)到40mm。截至2012年8月的一年期間，莫高窟所在區(qū)域又出現(xiàn)了多次集中強(qiáng)降雨，不但歷時(shí)短，而且雨量大。突發(fā)性強(qiáng)降雨對莫高窟文物的危害主要包括以下幾方面：

1. 崖體緩坡沖溝

在強(qiáng)降雨侵蝕下，崖頂坡面砂礫石層表部經(jīng)過浸泡后變得疏松，崖頂形成徑流隨地勢沿坡面流下，崖面出現(xiàn)多條沖溝。

2. 洞窟滲水

強(qiáng)降雨造成崖體表面砂礫巖富水，雨水滲入崖體巖層，處于飽和狀態(tài)的巖體在徑流水的壓力作用下，雨水沿著崖體薄弱層面入滲，部分洞窟出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，墻面或地面受到了污染。

3. 泥沙淤積，道路沖毀

由于強(qiáng)降雨徑流量比較大，曾造成窟區(qū)泥沙淤積，敦煌市區(qū)通往莫高窟的敦千路（S314線）約4公里路基被沖毀，Z110線、S302線沖毀嚴(yán)重。

4. 洞窟微環(huán)境擾動(dòng)

強(qiáng)降雨改變了文物保存的區(qū)域干燥性環(huán)境，洞窟內(nèi)微環(huán)境受到外界突變環(huán)境的影響，出現(xiàn)較大的波動(dòng)，極易激活洞窟載體中鹽分的遷移，導(dǎo)致壁畫及塑像病害的深度惡化，這是突發(fā)性強(qiáng)降雨潛在的最大危害。

三 強(qiáng)降雨對洞窟微環(huán)境影響分析

為了將突發(fā)性強(qiáng)降雨對莫高窟文物的潛在危害最小化，本文選取2011年8月至2012年8月一年間的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過對比開放洞窟和不開放洞窟的溫度和相對濕度的變化規(guī)律與差異，分析強(qiáng)降雨對洞窟微環(huán)境的影響，為保護(hù)決策者制訂防范措施以及確定合理的參觀時(shí)間提供理論依據(jù)。

3.1 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)及監(jiān)測因子

莫高窟窟區(qū)設(shè)有環(huán)境氣象站，監(jiān)測因子主要包括降雨量、區(qū)域溫度、區(qū)域相對濕度、風(fēng)速等。

洞窟內(nèi)布設(shè)有環(huán)境監(jiān)測HOBO探頭，監(jiān)測因子主要是洞窟內(nèi)溫度、相對濕度和CO2，通過無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，可以在監(jiān)控室顯示屏上實(shí)時(shí)呈現(xiàn)。

3.2 強(qiáng)降雨變化特征分析

從窟區(qū)氣象站監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，2011年8月至2012年8月，敦煌莫高窟總降雨量為32.23mm，降雨次數(shù)為12次，大部分降雨持續(xù)時(shí)間在8小時(shí)之內(nèi)（見圖1）。全年中7月份降雨量最多，總量達(dá)18.37mm，尤其是7月15日，集中降雨量達(dá)8.07mm，從凌晨2： 30開始到早上8： 30結(jié)束，持續(xù)6小時(shí)，7月23號和24號兩天連續(xù)降雨，降雨量分別為3.55mm和4.25mm，持續(xù)時(shí)間分別為2小時(shí)與7小時(shí)（見圖2）。

由降雨量分布圖可見，2011年8月至2012年8月，降雨主要集中在夏季6、7、8月，春、秋、冬三季降雨量少。與往年相比，降雨次數(shù)增多，主要為短時(shí)間的強(qiáng)降雨。

3.3 洞窟微環(huán)境變化特征分析

為了有效分析強(qiáng)降雨對洞窟微環(huán)境的影響，本文分別選擇第29窟和第85窟進(jìn)行環(huán)境變化特征分析，因?yàn)檫@兩個(gè)洞窟都屬于底層洞窟，而且大小相似。除此之外，第29窟為常年開放洞窟，而第85窟為不開放洞窟，對這兩個(gè)洞窟微環(huán)境特征的比對分析，可以闡明強(qiáng)降雨后旅游開放對洞窟微環(huán)境的影響程度，也可作為游客參觀調(diào)度人員合理安排參觀路線的理論依據(jù)。

2012年，強(qiáng)降雨主要集中在7月，所以本文以此月洞窟微環(huán)境特征來闡明莫高窟同層相似開放洞窟降雨后微環(huán)境隨外界大環(huán)境的變化規(guī)律及影響程度，以當(dāng)月最大降雨量日（7月15日）和次日（7月16日）洞窟微環(huán)境特征來表明細(xì)微變化。

3.3.1 開放洞窟微環(huán)境特征分析

7月份，頻繁的降雨使窟外大環(huán)境溫度、相對濕度起伏相互交替，窟區(qū)大環(huán)境最高溫度36.3℃，最低溫度14.1℃，平均溫度26.1℃，最高相對濕度94.8%，最低相對濕度14%，平均相對濕度38.1%。

降雨后，第29窟通常會(huì)正常開放，受外界大環(huán)境影響，窟內(nèi)微環(huán)境溫度、相對濕度產(chǎn)生了頻繁波動(dòng)，極易引發(fā)病害的深度活躍。窟內(nèi)最高溫度21.6℃，最低溫度16.3℃，平均溫度17.3℃，比窟外大環(huán)境平均溫度低8.8℃，隨著窟外大環(huán)境溫度的變化趨勢而變化。窟內(nèi)相對濕度最高為81.1%，最低為50.9%，相對濕度平均為60.2%，比窟外大環(huán)境平均相對濕度高22.1%，隨著窟外大環(huán)境相對濕度的變化趨勢而變化（見圖3（a））。

當(dāng)月最大降雨量當(dāng)日至次日第29窟微環(huán)境隨窟外大環(huán)境變化規(guī)律見圖3（b）。由圖可見，降雨后，雖然窟內(nèi)溫度隨著窟外溫度的降低而降低，相對濕度隨著窟外相對濕度的升高而升高，但具有時(shí)間滯后性。由監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，降雨時(shí)，窟外溫度最大降幅6.9℃，窟內(nèi)溫度最大降幅0.5℃，降雨后，窟外溫度升高，窟內(nèi)溫度也隨之略微升高。降雨后，窟外相對濕度最高升幅47%，窟內(nèi)相對濕度最高升幅10.7%，比窟外相對濕度升幅比例低36.3%。

3.3.2 不開放洞窟微環(huán)境特征分析

7月份，第85窟窟內(nèi)最高溫度16.2℃，最低溫度13.2℃，平均溫度13.8℃，比窟外大環(huán)境平均溫度低12.3℃。窟內(nèi)相對濕度最高為67.4%，最低為51.4%，平均相對濕度為55.9%，比窟外大環(huán)境平均相對濕度高17.8%。第85窟為降雨后不開放洞窟，盡管外界大環(huán)境受降雨影響，溫濕度起伏波動(dòng)頻繁，但窟內(nèi)溫度幾乎處于一個(gè)相對平穩(wěn)的狀態(tài)，而相對濕度卻在降雨后出現(xiàn)了較大波動(dòng)（見圖4（a））。由監(jiān)測數(shù)據(jù)和圖4（b）可知，第85窟相對濕度在7月16日12時(shí)升至最大值，最高漲幅10.6%，比窟外相對濕度升幅比例低36.4%，變化比例和第29窟幾乎相同，僅相差0.1%。

3.3.3 開放洞窟和不開放洞窟微環(huán)境特征差異性分析

（1）窟內(nèi)溫度、相對濕度變化差異性分析

第29窟為開放洞窟，窟內(nèi)溫度隨著外界大環(huán)境溫度的變化處于一個(gè)相對平穩(wěn)的起伏狀態(tài)，而相對濕度受窟外降雨和相對濕度的影響比較明顯，起伏幅度較大；第85窟為不開放洞窟，窟內(nèi)溫度較為均衡，相對濕度受窟外降雨影響較大，波動(dòng)較為明顯，總體呈略微上升趨勢（見圖5（a））。

在游客參觀，窟門開關(guān)的影響下，第29窟相對濕度在白天（大約上午9：00-下午8：00）波動(dòng)較大，夜晚（大約晚9：00-凌晨8：00）相對平穩(wěn)；盡管第85窟為不開放洞窟，但受人為干擾（游客擅闖、洞窟排查等）影響，窟內(nèi)相對濕度在降雨后出現(xiàn)了明顯的突變（見圖5（b））。

由以上分析可知，在窟內(nèi)溫度較為平衡的狀態(tài)下，窟內(nèi)相對濕度的變化主要受窟外絕對濕度的影響，開放洞窟和不開放洞窟相比，相對濕度波動(dòng)頻率與幅度較大，可見窟外大環(huán)境對開放洞窟的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對不開放洞窟的影響。

（2）降雨后窟內(nèi)微環(huán)境變化時(shí)間滯后性分析

降雨后，第29窟和第85窟相對濕度均出現(xiàn)一個(gè)起伏狀態(tài)，與窟區(qū)相對濕度升高的時(shí)間相比，均具有時(shí)間滯后性。由于窟內(nèi)溫度受窟外溫度影響較小，窟內(nèi)相對濕度的波動(dòng)主要受窟外降雨所引起絕對濕度變化的影響，因此重點(diǎn)分析窟內(nèi)絕對濕度同窟外絕對濕度的變化規(guī)律，進(jìn)一步確定窟內(nèi)微環(huán)境變化的滯后時(shí)間。

由圖6可見，與窟外相對濕度增長時(shí)間相比，第29窟和第85窟相對濕度增幅狀態(tài)均滯后約10個(gè)小時(shí)，大約需持續(xù)7小時(shí)才可以達(dá)到另一個(gè)相對穩(wěn)定的狀態(tài)，與窟內(nèi)相對濕度變化呈現(xiàn)的時(shí)間滯后性幾乎一致。受人為干擾影響，降雨后開放洞窟的絕對濕度隨著白天夜晚的交替出現(xiàn)規(guī)律性波動(dòng)，不開放洞窟的絕對濕度在異常人為擾動(dòng)時(shí)出現(xiàn)異常突變，與相對濕度變化規(guī)律一致。

四 結(jié)論及建議

突發(fā)性強(qiáng)降雨對莫高窟文物的危害極大，不但可以引發(fā)崖面沖溝，甚至造成部分洞窟出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，直接影響文物本體的安全，且潛在的最大危害是強(qiáng)降雨改變了文物原有區(qū)域的干燥性賦存環(huán)境，使洞窟微環(huán)境溫度、濕度出現(xiàn)較大的波動(dòng)，容易激活鹽分的遷移，導(dǎo)致壁畫及塑像病害的深度惡化。

對監(jiān)測數(shù)據(jù)的研究分析表明，2011年8月至2012年8月全年降雨次數(shù)與往年相比明顯增多，主要集中在7月，均為短時(shí)間的強(qiáng)降雨。窟外區(qū)域大環(huán)境的相對濕度在強(qiáng)降雨的影響下，短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了較大的起伏。窟內(nèi)微環(huán)境溫度受降雨的影響較小，基本上處于較平穩(wěn)的狀態(tài)，但相對濕度受窟內(nèi)、窟區(qū)絕對濕度的影響較大，波動(dòng)較明顯。

由于開放洞窟時(shí)常處于開放、關(guān)閉的不同狀態(tài)，容易與外界環(huán)境產(chǎn)生空氣交換，因此開放洞窟微環(huán)境更容易受到外界環(huán)境的影響，降雨前后，溫度、相對濕度的波動(dòng)頻率與頻幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于不開放洞窟。莫高窟底層大小、形制相似的開放洞窟和不開放洞窟相比，開放洞窟的窟內(nèi)溫度、相對濕度受外界環(huán)境溫度的影響較為明顯，隨著外界環(huán)境溫度、相對濕度的變化趨勢而變化，而不開放洞窟內(nèi)溫度受外界環(huán)境溫度影響較小，幾乎處于非常平穩(wěn)的狀態(tài)，但相對濕度受外界環(huán)境的影響較大，降雨后，呈現(xiàn)出平滑的升幅趨勢。

降雨后，開放洞窟和不開放洞窟的窟內(nèi)相對濕度均會(huì)出現(xiàn)一個(gè)起伏狀態(tài)，兩者最高升幅大小較為接近，但升幅狀態(tài)均具有時(shí)間滯后性，約滯后10小時(shí)，大約需要持續(xù)7小時(shí)才可以達(dá)到一個(gè)相對穩(wěn)定的狀態(tài)。因此，建議洞窟管理者在每次降雨開始后的17小時(shí)內(nèi)盡量關(guān)閉開放洞窟的窟門，并盡量避免排查不開放洞窟，以降低洞窟內(nèi)外水氣交換率，減緩窟內(nèi)壁畫病害深度惡化的風(fēng)險(xiǎn)，游客調(diào)度人員也應(yīng)關(guān)注洞窟微環(huán)境實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)中的相對濕度變化趨勢圖，及時(shí)協(xié)調(diào)游客參觀時(shí)間及路線。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳新民.保護(hù)文物必須保護(hù)環(huán)境[J]，南方文物，1996（4）：122-123.

[2]張明泉，張虎元，曾正中，等. 莫高窟壁畫酥堿病害產(chǎn)生機(jī)理[J]. 蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1995 （1）： 96-101.

[3]唐玉民，孫儒澗.敦煌壁畫病害的環(huán)境因素及防治對策的研究[C]//敦煌研究院.敦煌研究文集·石窟保護(hù)篇（上）.蘭州：甘肅民族出版社，1993：76-92.

[4]陳港泉，蘇伯民，趙林毅，等. 莫高窟第85窟壁畫地仗酥堿模擬試驗(yàn)[J]. 敦煌研究，2005（4）：62-66.

[5]馮濤.敦煌莫高窟供水與水資源合理利用研究[D].蘭州：蘭州大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.