炳靈寺石窟環(huán)境與169窟溫濕度特征對(duì)比分析

劉宗昌+孫淑梅

[摘要]本文通過(guò)對(duì)炳靈寺石窟環(huán)境及169窟2011年2月到2012年1月溫濕度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析得出結(jié)論，炳靈寺石窟溫濕度變化有獨(dú)特地域及季節(jié)特點(diǎn)：年平均最高溫度出現(xiàn)在8月份，平均最低溫度在1月，窟內(nèi)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(nèi)外熱量交換的臨界點(diǎn)。相對(duì)濕度變化受季節(jié)降雨影響明顯，全年平均相對(duì)濕度較大，窟外高于60%的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)5個(gè)月，窟內(nèi)為3個(gè)月，其中9月達(dá)到最高，4月最低，5、7月相對(duì)濕度變化最大，12月最小。洞窟圍巖對(duì)濕度有明顯的調(diào)節(jié)作用，169窟窟內(nèi)全年相對(duì)濕度較差，比窟外低11%，相對(duì)濕度變化規(guī)律，類(lèi)似箱體震動(dòng)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(guān)鍵詞]炳靈寺石窟；環(huán)境分析；溫濕度檢測(cè)

[中圖分類(lèi)號(hào)] K879.26 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1005-3115（2017）20-0065-04

一、引言

石窟寺微環(huán)境特點(diǎn)是研究石窟及窟內(nèi)壁畫(huà)、造像病害成因的重要切入點(diǎn)之一，也是洞窟及窟內(nèi)文物長(zhǎng)久有利保存必須進(jìn)行控制的重要因素，許多學(xué)者對(duì)于敦煌莫高窟、云岡石窟等國(guó)內(nèi)外石窟微環(huán)境的研究已經(jīng)進(jìn)行了長(zhǎng)久深入的工作，對(duì)微環(huán)境因子變化與石窟寺內(nèi)文物病害的關(guān)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(guān)重要的作用，一定程度上左右了洞窟病害的發(fā)生發(fā)展，特別是窟內(nèi)鹽分的運(yùn)移帶來(lái)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(jù)氣象監(jiān)測(cè)顯示，地理氣象環(huán)境相對(duì)于莫高窟降雨量更大，年平均在350毫米，蒸發(fā)量1600毫米左右，氣候環(huán)境更為潮濕，所以洞窟溫濕度的變化對(duì)文物的破壞更加嚴(yán)重。上世紀(jì)80年代，李最雄先生對(duì)炳靈寺石窟進(jìn)行了洞窟風(fēng)化研究工作，主要通過(guò)石窟巖石的物理、力學(xué)性質(zhì)以及礦物種類(lèi)、巖石構(gòu)造等方面研究石窟寺風(fēng)化機(jī)理，并對(duì)炳靈寺石窟環(huán)境因素進(jìn)行了初步分析；王亨通先生同時(shí)期對(duì)炳靈寺石窟個(gè)別洞窟進(jìn)行溫濕度監(jiān)測(cè)分析，首次從氣象環(huán)境方面分析了炳靈寺石窟風(fēng)化的主要方式，也開(kāi)啟了炳靈寺石窟氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)工作。 2010年，炳靈寺石窟建成全自動(dòng)洞窟微環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)炳靈寺石窟窟區(qū)及個(gè)別洞窟有了科學(xué)完整的氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，這給炳靈寺石窟的保護(hù)和研究提供了詳實(shí)的依據(jù)。

二、研究概況

169窟為炳靈寺石窟最為久遠(yuǎn)也是最有價(jià)值的洞窟之一，開(kāi)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(jīng)1600多年保存至今的西秦壁畫(huà)、泥塑色彩艷麗，形態(tài)完整，相比下層洞窟病害較少，這與其所處位置及窟內(nèi)環(huán)境密不可分。通過(guò)在窟內(nèi)設(shè)立微環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分析其環(huán)境變化特征，為炳靈寺石窟其他洞窟的病害機(jī)理研究提供對(duì)比實(shí)例。本文選擇2011年2月至2012年1月12個(gè)月的溫濕度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與窟外全自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)作對(duì)比，對(duì)169窟溫濕度的變化特征做初步分析。

全自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)站設(shè)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(guó)OnsetHOBO小氣象站數(shù)據(jù)記錄器，可采集溫度、濕度、光照、壓強(qiáng)、風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量等環(huán)境因子，我們?cè)O(shè)定采集頻率為15分鐘一次。洞窟內(nèi)所用溫濕度采集為HOBO外部溫濕度數(shù)據(jù)記錄器，頻率也為15分鐘一次?？邇?nèi)記錄器采集地點(diǎn)選在北壁千佛壁所在支撐墻上（圖2）。

三、結(jié)果與分析

對(duì)于監(jiān)測(cè)結(jié)果，為反應(yīng)溫度及相對(duì)濕度的差異變化，對(duì)每個(gè)月的平均極值和月平均值進(jìn)行對(duì)比分析，并計(jì)算出月平均日較差值，直觀的對(duì)比溫濕度的變化，分析微環(huán)境變化特征。

（一） 溫度

1.平均溫度分析

據(jù)溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)所示（圖3），整體來(lái)看169窟內(nèi)溫度與窟外氣象站監(jiān)測(cè)溫度有著相同的季節(jié)變化規(guī)律，溫度從2月份逐步呈階梯式上升直至8月達(dá)到最高，從8月至來(lái)年的1月溫度呈線(xiàn)性方式下降，1月份達(dá)到最低溫度。整個(gè)夏季的6、7、8月份是炳靈寺石窟溫度最高的三個(gè)月，169窟內(nèi)平均溫度與窟外幾近相同，平均溫度20.7℃，而隨著季節(jié)轉(zhuǎn)涼，窟外的溫度下降速率及幅度明顯比窟內(nèi)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(guān)，需要進(jìn)一步研究分析。

2.極值溫度對(duì)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(nèi)有著明顯的變化，高溫更高，低溫更低。將同月份窟外與窟內(nèi)極值溫度做絕對(duì)差值分析，如圖顯示窟內(nèi)外高低溫差值變化正好相反（圖5），在氣溫回暖季節(jié)，高溫是洞窟內(nèi)溫度變化的主導(dǎo)因子，相反在氣溫逐步降低的季節(jié)低溫成為主要變化因子。高低溫差變化曲線(xiàn)在3月末9月初出現(xiàn)兩條交點(diǎn)，這兩點(diǎn)正好是窟內(nèi)外熱量交換的臨界點(diǎn)，表示此時(shí)間段內(nèi)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(lái)年2月洞窟向外界釋放熱量。

3.月平均日較差值分析

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

通過(guò)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(guī)律以及與季節(jié)密切的關(guān)聯(lián)性，整體來(lái)看169窟雖然為大型半露天式開(kāi)放洞窟，但是對(duì)溫度的轉(zhuǎn)換仍然有很明顯的緩沖作用，其中洞窟圍巖的調(diào)節(jié)作用應(yīng)該至關(guān)重要。endprint

（二）相對(duì)濕度

炳靈寺石窟位于劉家峽水庫(kù)上游庫(kù)尾，窟區(qū)內(nèi)濕度變化不單受降雨影響，每年12月左右至來(lái)年5月水庫(kù)蓄水帶來(lái)的濕度變化也較為嚴(yán)重，據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)1953～1968年平均降水量為29毫米，1968年建成水庫(kù)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(zhǎng)石石英砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，169窟內(nèi)巖石膠結(jié)質(zhì)中蒙脫石含量為38%，孔隙率14.94%，吸水率3.59%，在高濕環(huán)境下巖石物理力學(xué)性能發(fā)生改變，加之溫度等的作用下濕度反復(fù)變化導(dǎo)致巖石風(fēng)化，對(duì)洞窟及窟內(nèi)文物造成破壞。所以對(duì)濕度及其變化規(guī)律的監(jiān)測(cè)研究就尤為重要。

1.平均相對(duì)濕度

對(duì)169窟及窟外相對(duì)濕度的監(jiān)測(cè)對(duì)比可看出（圖7），相對(duì)濕度變化窟內(nèi)外基本保持相同趨勢(shì)，整體受季節(jié)溫度變化及降雨量的影響較為明顯（圖8）。

因?yàn)榭諝庀鄬?duì)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(duì)濕度從4月份最低開(kāi)始逐步升高至9月達(dá)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(lái)年1月隨著降雨量減少而溫度也逐漸降低相對(duì)濕度緩慢平穩(wěn)下降，2、3月溫度繼續(xù)升高相對(duì)濕度則快速下降至最低。

從窟內(nèi)外相對(duì)濕度差異來(lái)看，4～10月169窟內(nèi)平均相對(duì)濕度都高于窟外，11～3月份相對(duì)濕度則比窟外小，這是洞窟圍巖對(duì)水汽的調(diào)節(jié)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(nèi)的相對(duì)濕度。

從相對(duì)濕度數(shù)值來(lái)看，169窟內(nèi)全年平均相對(duì)濕度在60%以上的為7、9、10三個(gè)月，其中9月高達(dá)72.6%，窟外高于60%的為7和9～12月五個(gè)月。由于洞窟內(nèi)相對(duì)濕度不斷增大，洞窟圍巖濕度若超過(guò)62%，則會(huì)引起巖石中所含鹽分的大量潮解，這對(duì)石窟內(nèi)壁畫(huà)、造像以及洞窟安全都會(huì)帶來(lái)極大威脅。所以高濕度的環(huán)境以及濕度的劇烈變化是炳靈寺石窟長(zhǎng)久保存必須控制的關(guān)鍵因素。

2.平均極值相對(duì)濕度對(duì)比分析

對(duì)比169窟與窟外平均極值相對(duì)濕度，整體走勢(shì)與平均相對(duì)濕度基本相同（圖9），169窟內(nèi)平均最高濕度全年比窟外低，而平均最低濕度比窟外高。說(shuō)明了在4～10月的溫度回升至最高溫過(guò)程中，伴隨著降雨量的增加，洞窟內(nèi)相對(duì)濕度產(chǎn)生高低變化，其低值區(qū)域是維持在一個(gè)較高相對(duì)濕度的水平，這部分濕度在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)所占比重較大，是影響窟內(nèi)相對(duì)濕度的主要因素，整體拉大了窟內(nèi)的平均相對(duì)濕度，反映在平均相對(duì)濕度圖上則是高于窟外；而11～3月份洞窟內(nèi)平均相對(duì)濕度較窟外低，平均最低相對(duì)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(nèi)較高相對(duì)濕度所占比重較大為主導(dǎo)因素，其整體比窟外相對(duì)濕度小所以降低了洞窟內(nèi)平均相對(duì)濕度。

將每月平均極值相對(duì)濕度高低值分別作絕對(duì)差值分析（圖10），相對(duì)濕度差值曲線(xiàn)反映了隨著季節(jié)變化，窟內(nèi)外較高濕度區(qū)域的差值先降低然后升高，較低濕度區(qū)域的差值先升高后降低的變化規(guī)律。在窟內(nèi)外濕度的交換過(guò)程中，窟外環(huán)境相對(duì)濕度是在上下兩個(gè)值范圍內(nèi)變化的箱體，窟內(nèi)環(huán)境在箱體之中不停向窟外環(huán)境趨近以達(dá)到平衡，當(dāng)外界環(huán)境主要趨勢(shì)發(fā)生變化，窟內(nèi)此作用因子則為主導(dǎo)變化因素。即隨著外界環(huán)境濕度增大，洞窟內(nèi)相對(duì)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(huán)境濕度減小過(guò)程中，洞窟內(nèi)整體濕度則向窟外最小濕度趨近，這就解釋了窟內(nèi)外高低溫差值變化趨勢(shì)的不同。

3.月平均相對(duì)濕度日較差值

月平均日較差值反應(yīng)了一年中每月相對(duì)濕度的平均變化幅度（圖11），169窟與窟外變化趨勢(shì)相同，隨著季節(jié)變化春夏季相對(duì)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(dá)到45%，窟內(nèi)達(dá)到34%，可以說(shuō)變化較為劇烈；12月最小，窟外為24.5%，窟內(nèi)為15.6%。整體來(lái)看全年的相對(duì)濕度變化都較大，窟外環(huán)境的變化幅度平均比窟內(nèi)高11%，說(shuō)明了洞窟內(nèi)對(duì)相對(duì)濕度變化有著明顯的緩沖和調(diào)節(jié)作用，一定程度上有利于文物的安全保存。

四、結(jié)論

通過(guò)對(duì)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(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)初步分析表明：其一，炳靈寺石窟溫度變化有獨(dú)特地域及季節(jié)特點(diǎn)，年最高溫度出現(xiàn)在8月份，最低溫度在1月。6、7、8三個(gè)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(shí)間長(zhǎng)，溫差大的特點(diǎn)。并且窟內(nèi)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(huán)境熱量相互交換作用，延緩了窟內(nèi)溫度的變化幅度及時(shí)間，窟內(nèi)溫差春夏季節(jié)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(nèi)外熱量交換的臨界點(diǎn)。其三，相對(duì)濕度變化受季節(jié)降雨影響明顯，全年平均相對(duì)濕度較大，窟外高于60%的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)5個(gè)月，窟內(nèi)為3個(gè)月，平均相對(duì)濕度9月達(dá)到最高，4月最低。5、7月相對(duì)濕度變化最大，12月最小，169窟內(nèi)分別達(dá)到34%及15.6%。其四，169窟內(nèi)相對(duì)濕度變化規(guī)律類(lèi)似箱體震動(dòng)模式，即春夏季外界環(huán)境濕度逐漸增大過(guò)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(duì)濕度有明顯的調(diào)節(jié)作用，全年窟內(nèi)相對(duì)濕度較差比窟外低11%。

由于此次所選監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為一年時(shí)長(zhǎng)做對(duì)比分析，并且缺乏劉家峽水庫(kù)對(duì)石窟內(nèi)環(huán)境相對(duì)濕度影響的具體數(shù)據(jù)，對(duì)炳靈寺石窟整體環(huán)境及169窟內(nèi)溫濕度的變化規(guī)律分析不夠全面，需要進(jìn)一步更科學(xué)詳細(xì)的研究工作。

[參考文獻(xiàn)]

[1]段文杰.敦煌研究文集[M].蘭州：甘肅民族出版社，1993.

[2]閆宏彬，黃繼忠，趙新春等.溫度、濕度的變化對(duì)云岡石窟保存的影響[J].山西大同大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，（3）.

[3]郭青林.敦煌莫高窟壁畫(huà)病害水鹽來(lái)源研究[D].蘭州：蘭州大學(xué).2009.

[4]郭宏，李最雄，宋大康等.敦煌莫高窟壁畫(huà)酥堿病害機(jī)理研究之一[J].敦煌研究，1998，（3）.

[5]靳治良，陳港泉，錢(qián)玲等.莫高窟壁畫(huà)鹽害作用機(jī)理研究Ⅱ[J].敦煌研究，2009，（3）.

[6]蘇伯民，陳港泉.不同含鹽量壁畫(huà)地仗泥層的吸濕和脫濕速度比較[J].敦煌研究，2005，（5）.

[7]王永進(jìn)，于群力，閻敏等.北方地區(qū)寺廟、殿堂壁畫(huà)可容鹽活動(dòng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)室模擬研究[J].文物保護(hù)與考古科學(xué)，2010，（3）.

[8]Miura，S，Nishirua， T， ZHANG， Y J，et al. Microclimate of Cave Temples 53 and 194， Mogao Grottoes[C]//Conservation of Ancient Sites on the Silk Road： Proceedings of an International Conference on the Conservation of Grotto Sites. The Getty Conservation Institute， Los Angeles，1997.

[9]李最雄.絲綢之路古遺址保護(hù)[M].蘭州：科學(xué)出版社，2003.

[10]王亨通.溫差變化對(duì)炳靈寺石窟的影響[J].敦煌學(xué)期刊，1990，（2）.

[11]王亞軍，張艷杰.敦煌莫高窟第87窟溫濕度特征[J]，蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，（1）.

[12]李紅壽，汪萬(wàn)福，詹泓壽等.封閉環(huán)境對(duì)敦煌莫高窟洞窟溫濕度的影響[J].文物保護(hù)與考古科學(xué)，2016，（3）.

[13]Angeli M， Bingas J P， Benavente D，et al. Salt crystallization in pores： quantification estimation of damage[J] .Environ Geol，2007， （52）.endprint