炳靈寺石窟環境與169窟溫濕度特征對比分析

劉宗昌+孫淑梅

[摘要]本文通過對炳靈寺石窟環境及169窟2011年2月到2012年1月溫濕度監測數據對比分析得出結論，炳靈寺石窟溫濕度變化有獨特地域及季節特點：年平均最高溫度出現在8月份，平均最低溫度在1月，窟內外溫差變化春夏季較大，秋冬季較小，3月末與9月初是窟內外熱量交換的臨界點。相對濕度變化受季節降雨影響明顯，全年平均相對濕度較大，窟外高于60%的時間長達5個月，窟內為3個月，其中9月達到最高，4月最低，5、7月相對濕度變化最大，12月最小。洞窟圍巖對濕度有明顯的調節作用，169窟窟內全年相對濕度較差，比窟外低11%，相對濕度變化規律，類似箱體震動模式，春夏季低濕度趨于窟外最高濕度較快，秋冬季則高濕度趨于窟外最低濕度較快。

[關鍵詞]炳靈寺石窟；環境分析；溫濕度檢測

[中圖分類號] K879.26 [文獻標識碼]A [文章編號]1005-3115（2017）20-0065-04

一、引言

石窟寺微環境特點是研究石窟及窟內壁畫、造像病害成因的重要切入點之一，也是洞窟及窟內文物長久有利保存必須進行控制的重要因素，許多學者對于敦煌莫高窟、云岡石窟等國內外石窟微環境的研究已經進行了長久深入的工作，對微環境因子變化與石窟寺內文物病害的關系都有了較為豐碩的研究成果，而溫濕度變化在這些影響因素中有著至關重要的作用，一定程度上左右了洞窟病害的發生發展，特別是窟內鹽分的運移帶來的破壞。炳靈寺石窟位于甘肅省中部，永靖縣城西南約52公里黃河北岸的小積石山中，據氣象監測顯示，地理氣象環境相對于莫高窟降雨量更大，年平均在350毫米，蒸發量1600毫米左右，氣候環境更為潮濕，所以洞窟溫濕度的變化對文物的破壞更加嚴重。上世紀80年代，李最雄先生對炳靈寺石窟進行了洞窟風化研究工作，主要通過石窟巖石的物理、力學性質以及礦物種類、巖石構造等方面研究石窟寺風化機理，并對炳靈寺石窟環境因素進行了初步分析；王亨通先生同時期對炳靈寺石窟個別洞窟進行溫濕度監測分析，首次從氣象環境方面分析了炳靈寺石窟風化的主要方式，也開啟了炳靈寺石窟氣象環境監測工作。 2010年，炳靈寺石窟建成全自動洞窟微環境監測系統，對炳靈寺石窟窟區及個別洞窟有了科學完整的氣象監測數據，這給炳靈寺石窟的保護和研究提供了詳實的依據。

二、研究概況

169窟為炳靈寺石窟最為久遠也是最有價值的洞窟之一，開鑿在離地面30米左右高的天然溶洞中，寬27米、深9米、高15米，為半露天式大型洞窟（圖1），窟中歷經1600多年保存至今的西秦壁畫、泥塑色彩艷麗，形態完整，相比下層洞窟病害較少，這與其所處位置及窟內環境密不可分。通過在窟內設立微環境監測系統，分析其環境變化特征，為炳靈寺石窟其他洞窟的病害機理研究提供對比實例。本文選擇2011年2月至2012年1月12個月的溫濕度監測數據與窟外全自動氣象監測站的數據作對比，對169窟溫濕度的變化特征做初步分析。

全自動氣象監測站設立在洞窟崖壁前50米左右的小山丘上，其海拔高度與169窟相近，所用儀器為美國OnsetHOBO小氣象站數據記錄器，可采集溫度、濕度、光照、壓強、風速、風向、降雨量等環境因子，我們設定采集頻率為15分鐘一次。洞窟內所用溫濕度采集為HOBO外部溫濕度數據記錄器，頻率也為15分鐘一次。窟內記錄器采集地點選在北壁千佛壁所在支撐墻上（圖2）。

三、結果與分析

對于監測結果，為反應溫度及相對濕度的差異變化，對每個月的平均極值和月平均值進行對比分析，并計算出月平均日較差值，直觀的對比溫濕度的變化，分析微環境變化特征。

（一） 溫度

1.平均溫度分析

據溫度監測數據所示（圖3），整體來看169窟內溫度與窟外氣象站監測溫度有著相同的季節變化規律，溫度從2月份逐步呈階梯式上升直至8月達到最高，從8月至來年的1月溫度呈線性方式下降，1月份達到最低溫度。整個夏季的6、7、8月份是炳靈寺石窟溫度最高的三個月，169窟內平均溫度與窟外幾近相同，平均溫度20.7℃，而隨著季節轉涼，窟外的溫度下降速率及幅度明顯比窟內較大，但是從2月至6月的氣溫上升速率卻基本相同。這可能與石窟所在巖體的巖石特性有關，需要進一步研究分析。

2.極值溫度對比分析

169窟與窟外平均極值溫度變化差異（圖4），窟外的極值溫度較窟內有著明顯的變化，高溫更高，低溫更低。將同月份窟外與窟內極值溫度做絕對差值分析，如圖顯示窟內外高低溫差值變化正好相反（圖5），在氣溫回暖季節，高溫是洞窟內溫度變化的主導因子，相反在氣溫逐步降低的季節低溫成為主要變化因子。高低溫差變化曲線在3月末9月初出現兩條交點，這兩點正好是窟內外熱量交換的臨界點，表示此時間段內洞窟與外界熱量交換保持平衡，3月至8月洞窟從外界吸收熱量，9月至來年2月洞窟向外界釋放熱量。

3.月平均日較差值分析

通過一年時間段內169窟與氣象站月平均日較差值數據（圖6），整體來看窟外的溫度變化比窟內劇烈，并且變化幅度與季節有著鮮明的聯系，春夏季節窟內外溫度的變化都較大，秋冬季節溫度變化幅度縮小。從窟內外溫度變化差異來看，洞窟外溫度變化最大的是4月和8月，月平均較差達到12.6℃，窟內則是5月和8月溫差最大為7℃左右，說明在溫度從春季到夏季轉暖過程中，洞窟圍巖的物理特性決定了洞窟內溫度的升高是個逐步的過程，有著一個月的滯后期；溫度變化最小時窟外在9月，窟內在12月。在8～9月氣溫快速下降的過程中，窟內外溫差變化都達到最低或接近最低值，說明這個階段圍巖緩慢釋放熱量維持了洞窟內溫度的平衡，這與極值溫度對比分析的結論相同。

通過以上分析可看出炳靈寺石窟及169窟溫度的變化有其自身規律以及與季節密切的關聯性，整體來看169窟雖然為大型半露天式開放洞窟，但是對溫度的轉換仍然有很明顯的緩沖作用，其中洞窟圍巖的調節作用應該至關重要。endprint

（二）相對濕度

炳靈寺石窟位于劉家峽水庫上游庫尾，窟區內濕度變化不單受降雨影響，每年12月左右至來年5月水庫蓄水帶來的濕度變化也較為嚴重，據監測數據1953～1968年平均降水量為29毫米，1968年建成水庫后，炳靈寺石窟年均降雨量增加21%。炳靈寺石窟巖石為巖屑長石石英砂巖，泥質膠結，169窟內巖石膠結質中蒙脫石含量為38%，孔隙率14.94%，吸水率3.59%，在高濕環境下巖石物理力學性能發生改變，加之溫度等的作用下濕度反復變化導致巖石風化，對洞窟及窟內文物造成破壞。所以對濕度及其變化規律的監測研究就尤為重要。

1.平均相對濕度

對169窟及窟外相對濕度的監測對比可看出（圖7），相對濕度變化窟內外基本保持相同趨勢，整體受季節溫度變化及降雨量的影響較為明顯（圖8）。

因為空氣相對濕度的變化與降雨量成正比，與氣溫成反比，所以隨著降雨量的增加相對濕度從4月份最低開始逐步升高至9月達到最高值，上升方式與溫度相似都為階梯式快速攀升，9月至來年1月隨著降雨量減少而溫度也逐漸降低相對濕度緩慢平穩下降，2、3月溫度繼續升高相對濕度則快速下降至最低。

從窟內外相對濕度差異來看，4～10月169窟內平均相對濕度都高于窟外，11～3月份相對濕度則比窟外小，這是洞窟圍巖對水汽的調節作用影響的，這一階段可能是圍巖以水汽的方式向外界釋放能量，從而影響了窟內的相對濕度。

從相對濕度數值來看，169窟內全年平均相對濕度在60%以上的為7、9、10三個月，其中9月高達72.6%，窟外高于60%的為7和9～12月五個月。由于洞窟內相對濕度不斷增大，洞窟圍巖濕度若超過62%，則會引起巖石中所含鹽分的大量潮解，這對石窟內壁畫、造像以及洞窟安全都會帶來極大威脅。所以高濕度的環境以及濕度的劇烈變化是炳靈寺石窟長久保存必須控制的關鍵因素。

2.平均極值相對濕度對比分析

對比169窟與窟外平均極值相對濕度，整體走勢與平均相對濕度基本相同（圖9），169窟內平均最高濕度全年比窟外低，而平均最低濕度比窟外高。說明了在4～10月的溫度回升至最高溫過程中，伴隨著降雨量的增加，洞窟內相對濕度產生高低變化，其低值區域是維持在一個較高相對濕度的水平，這部分濕度在這個時間段內所占比重較大，是影響窟內相對濕度的主要因素，整體拉大了窟內的平均相對濕度，反映在平均相對濕度圖上則是高于窟外；而11～3月份洞窟內平均相對濕度較窟外低，平均最低相對濕度則是高于窟外的，是由于隨著溫度及降雨量的下降，窟內較高相對濕度所占比重較大為主導因素，其整體比窟外相對濕度小所以降低了洞窟內平均相對濕度。

將每月平均極值相對濕度高低值分別作絕對差值分析（圖10），相對濕度差值曲線反映了隨著季節變化，窟內外較高濕度區域的差值先降低然后升高，較低濕度區域的差值先升高后降低的變化規律。在窟內外濕度的交換過程中，窟外環境相對濕度是在上下兩個值范圍內變化的箱體，窟內環境在箱體之中不停向窟外環境趨近以達到平衡，當外界環境主要趨勢發生變化，窟內此作用因子則為主導變化因素。即隨著外界環境濕度增大，洞窟內相對濕度快速與窟外趨于平衡，整體濕度向窟外最大濕度趨近；而外界環境濕度減小過程中，洞窟內整體濕度則向窟外最小濕度趨近，這就解釋了窟內外高低溫差值變化趨勢的不同。

3.月平均相對濕度日較差值

月平均日較差值反應了一年中每月相對濕度的平均變化幅度（圖11），169窟與窟外變化趨勢相同，隨著季節變化春夏季相對濕度變化逐步增大，秋冬季則逐步減小，5月和7月變化幅度最大，窟外達到45%，窟內達到34%，可以說變化較為劇烈；12月最小，窟外為24.5%，窟內為15.6%。整體來看全年的相對濕度變化都較大，窟外環境的變化幅度平均比窟內高11%，說明了洞窟內對相對濕度變化有著明顯的緩沖和調節作用，一定程度上有利于文物的安全保存。

四、結論

通過對炳靈寺石窟169窟及窟外氣象站2011年2月至2012年1月溫濕度監測數據初步分析表明：其一，炳靈寺石窟溫度變化有獨特地域及季節特點，年最高溫度出現在8月份，最低溫度在1月。6、7、8三個月平均溫度相近且維持在較高水平，極值溫度與日較差溫度也加高，反映出了溫度高，高溫時間長，溫差大的特點。并且窟內外溫差變化春夏季較大，秋冬季較小。其二，169窟圍巖與外界環境熱量相互交換作用，延緩了窟內溫度的變化幅度及時間，窟內溫差春夏季節6℃左右，秋冬季4℃左右，分別比窟外低6℃和4℃左右。3月末與9月初是窟內外熱量交換的臨界點。其三，相對濕度變化受季節降雨影響明顯，全年平均相對濕度較大，窟外高于60%的時間長達5個月，窟內為3個月，平均相對濕度9月達到最高，4月最低。5、7月相對濕度變化最大，12月最小，169窟內分別達到34%及15.6%。其四，169窟內相對濕度變化規律類似箱體震動模式，即春夏季外界環境濕度逐漸增大過程中，低濕度趨于窟外最高濕度較快，秋冬季則高濕度趨于窟外最低濕度較快。其五，洞窟圍巖對濕度有明顯的調節作用，全年窟內相對濕度較差比窟外低11%。

由于此次所選監測數據為一年時長做對比分析，并且缺乏劉家峽水庫對石窟內環境相對濕度影響的具體數據，對炳靈寺石窟整體環境及169窟內溫濕度的變化規律分析不夠全面，需要進一步更科學詳細的研究工作。

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