突發性強降雨對莫高窟洞窟微環境影響分析

內容摘要：為了降低莫高窟壁畫由于賦存環境改變而引發病害深度惡化的風險，本文選取2011年8月-2012年8月間的監測數據，分析在突發性強降雨條件下，崖體同層、大小與形制相似的開放洞窟和不開放洞窟微環境的變化規律及差異性。研究表明，強降雨對窟內溫度影響較小，但相對濕度出現了較大波動，具有時間滯后性。開放洞窟和不開放洞窟相比，相對濕度波動頻率更明顯，滯后時間均為10小時，要持續7小時才可達到另一種相對穩定的狀態。本研究結果有助于洞窟管理者及調度人員合理安排洞窟排查時間及游客參觀時間，并為決策者制訂及時有效的防范措施提供理論依據。

關鍵詞：強降雨；溫度；相對濕度；旅游開放；莫高窟

中圖分類號：K854.3 文獻標識碼：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，地理坐標為北緯40°02′14.2″，東經94°48′14.7″。現存洞窟735個，壁畫總面積45000平方米，彩塑2290余身，文物建筑33處，是中國現存規模最大的石窟寺遺址，也是世界上歷史延續最悠久、保存最完整的佛教藝術寶庫，1987年被列為世界文化遺產。莫高窟文物在極端干旱的賦存環境中保存了1000多年，但是由于處在自然環境中，氣候變化對文物是一個無形的潛在破壞因素[1]。敦煌莫高窟壁畫相繼出現了一系列病害，主要有起甲、酥堿、空鼓、壁畫大面積脫落、霉變等[2]，而病害的產生與窟內微環境氣候的變化有密切聯系[3]。據室內模擬試驗研究，當達到一定相對濕度條件時，鹽分就可能被激活，向表面運移和富集，誘發壁畫病害的產生[4]。為了降低文物病害進一步惡化的風險，研究區域氣候變化，尤其是突發性氣候變化對洞窟微環境的影響意義重大。在極端干旱的環境中，強降雨是主要的突發事件之一，對文物本體及載體的危害極大，本文通過分析突發性強降雨對洞窟微環境的影響，不但可為壁畫病害機理研究提供基礎資料，也可為洞窟開放、游客參觀的管理提供理論支撐。

二 突發性強降雨對莫高窟的危害

敦煌莫高窟所在區域屬于極為干旱的戈壁沙漠地帶，空氣干燥，降雨稀少，蒸發強烈[5]，這種氣候條件對于石窟文物的長期保存是比較有利的。如果區域內發生相對集中的降水和突發性暴雨所引起的洪水，將會嚴重影響窟內文物安全。敦煌莫高窟2011年6月15日至16日歷經了百年罕見的持續強降雨，降雨量達到40mm。截至2012年8月的一年期間，莫高窟所在區域又出現了多次集中強降雨，不但歷時短，而且雨量大。突發性強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

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

2. 洞窟滲水

強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，部分洞窟出現滲水現象，墻面或地面受到了污染。

3. 泥沙淤積，道路沖毀

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

4. 洞窟微環境擾動

強降雨改變了文物保存的區域干燥性環境，洞窟內微環境受到外界突變環境的影響，出現較大的波動，極易激活洞窟載體中鹽分的遷移，導致壁畫及塑像病害的深度惡化，這是突發性強降雨潛在的最大危害。

三 強降雨對洞窟微環境影響分析

為了將突發性強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月一年間的監測數據，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律與差異，分析強降雨對洞窟微環境的影響，為保護決策者制訂防范措施以及確定合理的參觀時間提供理論依據。

3.1 監測點布設及監測因子

莫高窟窟區設有環境氣象站，監測因子主要包括降雨量、區域溫度、區域相對濕度、風速等。

洞窟內布設有環境監測HOBO探頭，監測因子主要是洞窟內溫度、相對濕度和CO2，通過無線數據傳輸系統，可以在監控室顯示屏上實時呈現。

3.2 強降雨變化特征分析

從窟區氣象站監測數據可知，2011年8月至2012年8月，敦煌莫高窟總降雨量為32.23mm，降雨次數為12次，大部分降雨持續時間在8小時之內（見圖1）。全年中7月份降雨量最多，總量達18.37mm，尤其是7月15日，集中降雨量達8.07mm，從凌晨2： 30開始到早上8： 30結束，持續6小時，7月23號和24號兩天連續降雨，降雨量分別為3.55mm和4.25mm，持續時間分別為2小時與7小時（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，降雨次數增多，主要為短時間的強降雨。

3.3 洞窟微環境變化特征分析

為了有效分析強降雨對洞窟微環境的影響，本文分別選擇第29窟和第85窟進行環境變化特征分析，因為這兩個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，對這兩個洞窟微環境特征的比對分析，可以闡明強降雨后旅游開放對洞窟微環境的影響程度，也可作為游客參觀調度人員合理安排參觀路線的理論依據。

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

3.3.1 開放洞窟微環境特征分析

7月份，頻繁的降雨使窟外大環境溫度、相對濕度起伏相互交替，窟區大環境最高溫度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窟通常會正常開放，受外界大環境影響，窟內微環境溫度、相對濕度產生了頻繁波動，極易引發病害的深度活躍。窟內最高溫度21.6℃，最低溫度16.3℃，平均溫度17.3℃，比窟外大環境平均溫度低8.8℃，隨著窟外大環境溫度的變化趨勢而變化。窟內相對濕度最高為81.1%，最低為50.9%，相對濕度平均為60.2%，比窟外大環境平均相對濕度高22.1%，隨著窟外大環境相對濕度的變化趨勢而變化（見圖3（a））。

當月最大降雨量當日至次日第29窟微環境隨窟外大環境變化規律見圖3（b）。由圖可見，降雨后，雖然窟內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，但具有時間滯后性。由監測數據可知，降雨時，窟外溫度最大降幅6.9℃，窟內溫度最大降幅0.5℃，降雨后，窟外溫度升高，窟內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 不開放洞窟微環境特征分析

7月份，第85窟窟內最高溫度16.2℃，最低溫度13.2℃，平均溫度13.8℃，比窟外大環境平均溫度低12.3℃。窟內相對濕度最高為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，盡管外界大環境受降雨影響，溫濕度起伏波動頻繁，但窟內溫度幾乎處于一個相對平穩的狀態，而相對濕度卻在降雨后出現了較大波動（見圖4（a））。由監測數據和圖4（b）可知，第85窟相對濕度在7月16日12時升至最大值，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境特征差異性分析

（1）窟內溫度、相對濕度變化差異性分析

第29窟為開放洞窟，窟內溫度隨著外界大環境溫度的變化處于一個相對平穩的起伏狀態，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，窟內溫度較為均衡，相對濕度受窟外降雨影響較大，波動較為明顯，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）波動較大，夜晚（大約晚9：00-凌晨8：00）相對平穩；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，窟內相對濕度在降雨后出現了明顯的突變（見圖5（b））。

由以上分析可知，在窟內溫度較為平衡的狀態下，窟內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，相對濕度波動頻率與幅度較大，可見窟外大環境對開放洞窟的影響遠遠高于對不開放洞窟的影響。

（2）降雨后窟內微環境變化時間滯后性分析

降雨后，第29窟和第85窟相對濕度均出現一個起伏狀態，與窟區相對濕度升高的時間相比，均具有時間滯后性。由于窟內溫度受窟外溫度影響較小，窟內相對濕度的波動主要受窟外降雨所引起絕對濕度變化的影響，因此重點分析窟內絕對濕度同窟外絕對濕度的變化規律，進一步確定窟內微環境變化的滯后時間。

由圖6可見，與窟外相對濕度增長時間相比，第29窟和第85窟相對濕度增幅狀態均滯后約10個小時，大約需持續7小時才可以達到另一個相對穩定的狀態，與窟內相對濕度變化呈現的時間滯后性幾乎一致。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規律性波動，不開放洞窟的絕對濕度在異常人為擾動時出現異常突變，與相對濕度變化規律一致。

四 結論及建議

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

對監測數據的研究分析表明，2011年8月至2012年8月全年降雨次數與往年相比明顯增多，主要集中在7月，均為短時間的強降雨。窟外區域大環境的相對濕度在強降雨的影響下，短時間內出現了較大的起伏。窟內微環境溫度受降雨的影響較小，基本上處于較平穩的狀態，但相對濕度受窟內、窟區絕對濕度的影響較大，波動較明顯。

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

降雨后，開放洞窟和不開放洞窟的窟內相對濕度均會出現一個起伏狀態，兩者最高升幅大小較為接近，但升幅狀態均具有時間滯后性，約滯后10小時，大約需要持續7小時才可以達到一個相對穩定的狀態。因此，建議洞窟管理者在每次降雨開始后的17小時內盡量關閉開放洞窟的窟門，并盡量避免排查不開放洞窟，以降低洞窟內外水氣交換率，減緩窟內壁畫病害深度惡化的風險，游客調度人員也應關注洞窟微環境實時顯示系統中的相對濕度變化趨勢圖，及時協調游客參觀時間及路線。

參考文獻：

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