甘肅慶陽北石窟寺水環(huán)境特征研究

王彥武，韓增陽，郭青林，崔惠萍，段 燾，裴強(qiáng)強(qiáng)

(1.敦煌研究院，甘肅 敦煌 736200；2.蘭州大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000； 3.西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000；4.甘肅省敦煌文物保護(hù)研究中心，甘肅 敦煌 736200； 5.甘肅北石窟寺文物保護(hù)研究所，甘肅 慶陽 745000)

石窟寺是我國佛教藝術(shù)的重要載體，也是我國文化遺產(chǎn)的重要組成部分之一，是研究我國古代各民族政治、經(jīng)濟(jì)、文化和藝術(shù)的重要實(shí)物例證和珍貴史料[1]。然而，石窟寺載體中水分的活動(dòng)，會(huì)造成石窟壁畫酥堿[2]、脫落[3]，以及造像殘損、風(fēng)化[4-6]、鹽害[7-8]等多種病害，嚴(yán)重威脅這些藝術(shù)瑰寶的長(zhǎng)久保存。為此，許多學(xué)者針對(duì)威脅石窟寺保存的雨水[9-11]、裂隙水[12-13]、地下水[14-15]和凝結(jié)水[10,16-17]等來源進(jìn)行了深入地研究，也有學(xué)者探討了石窟寺水汽轉(zhuǎn)換機(jī)制[18]、降雨入滲規(guī)律[9]、裂隙水運(yùn)移規(guī)律[13]。

北石窟寺位于甘肅省慶陽市西峰區(qū)西南方向25 km的覆鐘山下，開鑿在蒲、茹二河交匯的東岸二級(jí)階地砂巖巖壁上，是甘肅省隴東地區(qū)規(guī)模最大的石窟群，也是第三批全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位。石窟自北魏永平二年(公元509年)創(chuàng)建以來，歷經(jīng)西魏、北周、隋、唐和宋代不斷營建，現(xiàn)存窟龕294個(gè)，其中石雕造像2 172身、壁畫90余平方米，還有碑碣8通、陰刻及墨書題記150余方，具有極為重要的歷史、藝術(shù)、科學(xué)、社會(huì)及文化價(jià)值。然而，在長(zhǎng)期的內(nèi)外營力作用下，北石窟寺發(fā)育著裂隙、風(fēng)化、水害、壁畫顏料層起甲、洞窟煙熏等病害[19-21]。尤其是北石窟寺崖面雨水沖刷、崖體根部雨水濺蝕、窟內(nèi)滲水、毛細(xì)水等水害極大地威脅著其保存(見圖1)。

基于此，本文選取了北石窟寺窟區(qū)降水量及窟前泉/井水位、流量為監(jiān)測(cè)對(duì)象，通過泉/井水位和流量反映地下水環(huán)境特征，通過水質(zhì)檢測(cè)評(píng)價(jià)北石窟寺地下水質(zhì)量，并分析探討了降雨補(bǔ)給滯后性及水位季節(jié)變化規(guī)律。以期提升對(duì)北石窟寺窟區(qū)內(nèi)降水、地下水等水環(huán)境特征的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而為北石窟寺水害的治理提供依據(jù)。

圖1 北石窟寺遭受的水害威脅Fig.1 Water damage of Beishiku Temple

1 研究區(qū)域概況

1.1 北石窟寺區(qū)域地質(zhì)

北石窟寺載體由上覆100 m左右的黃土和下伏約30 m的直立砂巖基座組成，受雨水侵蝕的影響黃土山體發(fā)育有大量的沖溝，形成了典型的溝壑地貌。區(qū)內(nèi)直立崖壁為白堊紀(jì)砂巖，產(chǎn)狀平緩近似水平，北石窟寺的佛龕洞窟均開鑿于該套地層上。

北石窟崖體發(fā)育了6組規(guī)模較大的構(gòu)造裂隙，由南至北分別出露于C267窟東北角、C270～C271窟之間、C19～C21窟之間、C101～C102窟之間、C214～C215窟之間、C257～C258窟之間，這些裂隙傾向NW340°～350°之間，傾角分布在76°～90°之間，近東西向垂直的方式延伸至東部覆鐘山中(見圖2)。

1.2 北石窟寺氣候特征

根據(jù)北石窟寺區(qū)內(nèi)氣象站的氣象記錄， 北石窟寺的年均氣溫為10.5℃， 最低氣溫為-17.4℃，最高氣溫為36.7℃， 年均相對(duì)濕度為68.8%，年均降水量598.9 mm，風(fēng)向受北石窟寺微地貌的影響主要為南北方向，以南風(fēng)為主。

1.3 北石窟水文地質(zhì)條件

北石窟寺區(qū)內(nèi)地下水類型主要為河谷潛水、黃土潛水和基巖裂隙水。上覆黃土厚約100 m，潛水主要接受大氣降水補(bǔ)給；石窟正西側(cè)的蒲河河谷與窟院地面高差約15 m，受降雨和上游水利攔河壩等的影響，河流常年流量較小，具有較為明顯的季節(jié)性變化，河谷主要接受大氣降水和地表水補(bǔ)給；基巖裂隙水主要通過崖體東西向的裂隙接受上覆黃土中滲水的補(bǔ)給，滲流經(jīng)過窟區(qū)向蒲河排泄[14]。

圖2 北石窟寺構(gòu)造裂隙分布圖Fig.2 Distribution map of structural fissures in Beishiku Temple

1.4 北石窟寺泉/井分布

窟院內(nèi)現(xiàn)存水井5口，分別為位于窟區(qū)內(nèi)的龍泉、神泉、魚泉、祈雨泉等古井和位于辦公區(qū)的現(xiàn)代生活用水井(見圖 3)。魚泉與龍泉為露天淺泉，其他泉眼均為豎直泉眼。

圖3 北石窟寺泉/井分布圖Fig.3 The distribution of spring/well in Beishiku Temple

5口井中龍泉、神泉和生活用水井均由基巖裂隙水直接滲流補(bǔ)給，魚泉除接受基巖水直接補(bǔ)給外還接受了東北角處接受基巖裂隙水的暗井間接補(bǔ)給，而祈雨泉主要由窟前南北向降排水盲溝匯集的基巖裂隙水補(bǔ)給；魚泉和祈雨泉均與窟前排水系統(tǒng)相連以溢流方式將泉水排向蒲河，生活用水井每天抽水1～3次供窟區(qū)內(nèi)生活使用，龍泉和神泉無人為干預(yù)。此外，龍泉和魚泉由于露天原因在每年12月中旬至次年3月初結(jié)冰。泉/井基本信息和投影剖面圖如表1、圖4所示。

2 研究方法

2.1 泉/井水位及氣象監(jiān)測(cè)

為探明區(qū)域內(nèi)氣象特征與泉/井水位的關(guān)系，首先，利用位于北石窟寺山頂平臺(tái)的全自動(dòng)氣象站對(duì)北石窟寺區(qū)內(nèi)降水量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。同時(shí)，采用LevelSCOUT水位溫度傳感器對(duì)龍泉、神泉和生活用水井的水位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過BaroSCOUT大氣壓力傳感器對(duì)大氣壓力進(jìn)行補(bǔ)償。其中，水位傳感器測(cè)得的壓力為傳感器所處位置的水壓與氣壓的總和。因此，泉/井水位的計(jì)算如式(1)所示。

(1)

p=pt-pa

(2)

其中：h為水面距離窟院地面的高度，m；p為水壓，kPa；pt為傳感器測(cè)得總壓力，kPa；pa為大氣壓力，kPa；g為重力加速度，N/kg；ρ為水密度，kg/m3；Δh為井底與龍泉-祈雨泉連線中點(diǎn)之間的垂直距離，m。

2.2 泉/井流量監(jiān)測(cè)

分別利用祈雨泉在北石窟停車場(chǎng)預(yù)留的接水口、魚泉在山門北側(cè)管道中的溢流井進(jìn)水口、魚泉東北側(cè)暗井出水口，通過人工接水稱重的方式，每周二上午10點(diǎn)對(duì)魚泉、魚泉東北角龍頭、祈雨泉的排泄量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。以量杯接取容量相近的水進(jìn)行稱重，通過接水時(shí)間測(cè)算當(dāng)天的流量，泉/井流量的計(jì)算如式(3)所示。

(3)

其中：Q為流量，m3/d；mt為總重，g；ml為量具重量，g；ρ為密度，g/cm3；t為接水時(shí)間，s。

表1 北石窟寺泉/井基本信息表Tab. 1 The basic information of spring/well in Beishiku Temple

圖4 北石窟寺泉/井投影剖面圖Fig.4 Projection profile of the springs and well at Beishiku Temple

2.3 水質(zhì)檢測(cè)

為分析泉/井水體的水質(zhì)特征，使用離子色譜儀、電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀、滴定法等對(duì)5處泉/井水樣進(jìn)行了離子檢測(cè)，并對(duì)水樣的溶解性總固體、總堿度、總硬度、CO2侵蝕性及pH值進(jìn)行測(cè)試。

3 結(jié)果分析

3.1 窟區(qū)降水特征

根據(jù)國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心公布的中國地面氣象觀測(cè)資料，慶陽市西峰區(qū)降水主要集中在7、8、9月份，降水量占全年的57.1%，即降雨主要集中在夏季，全年降雨分布極不均勻(見圖 5)。

北石窟寺山頂氣象站安裝于2019年，此前北石窟寺降水量主要依靠北石窟寺文物保護(hù)研究所工作人員人工測(cè)量記錄。根據(jù)氣象站2020年氣象數(shù)據(jù)，區(qū)內(nèi)年降水量為563.4 mm，與西峰區(qū)歷史年均降水量較為相似。但也表現(xiàn)出了分布極為不均的特點(diǎn)，8月份降水量高達(dá)245.8 mm，6—8月降水量占全年降水量72.4%。這種不均勻性和自2015年以來的人工觀測(cè)數(shù)據(jù)相似， 尤其是2019年8月份降水量為189.4 mm， 6—8月降水量占全年降水量56.2%； 2018年7月降水量為247.18 mm， 6—8月降水量占全年降水量67.3%。

圖5 西峰區(qū)2001—2020年月均降水量及2020年北石窟寺月降水量圖Fig.5 Monthly average precipitation from 2001 to 2020 in Xifeng District of Qingyang City and monthly precipitation at Beishiku Temple in 2020

3.2 泉/井水位特征

對(duì)比北石窟寺窟區(qū)2020年降水量與神泉、生活用水井水位關(guān)系(見圖 6)。2處泉/井水位低于北石窟寺窟院的高度同為3.3 m左右，從1月至12月具有相似的變化趨勢(shì)，即1—6月水位下降、6—8月中旬水位上升、8月中旬至10月水位下降、10—12月水位上升，7—9月水位波動(dòng)較大。整體呈現(xiàn)出了夏冬季水位高，而春秋季水位低的特征。神泉全年水位變化幅度為150 mm，生活用水井水位變化幅度為300 mm，生活用水井水位全年比神泉水位高約150 mm，僅3—6月水位基本持平。而龍泉低于窟院的高度約0.7 m，非結(jié)冰期水位變化幅度約150 mm，3—5月份處于低水位狀態(tài)，其他時(shí)間段處于高水位狀態(tài)(見圖 7)。

根據(jù)北石窟寺日降水量與3處泉水位關(guān)系可以確定，降雨過程與生活用水井、神泉水位的上升具有明顯的關(guān)聯(lián)性，降水量促進(jìn)水位的上升，是導(dǎo)致夏季水位波動(dòng)式變化的主要原因。此外，降水量對(duì)龍泉水位的促進(jìn)作用雖然存在，但對(duì)應(yīng)性明顯小于神泉。

注：生活用水井的水位取每天的最高水位計(jì)作當(dāng)天水位。圖6 神泉、生活用水井水位與降水量關(guān)系圖Fig.6 Relationship between precipitation and water table of Shen Spring and domestical well

圖7 龍泉水位與降水量關(guān)系圖Fig.7 Relationship between water table of Long Spring and precipitation

3.3 泉/井流量特征

經(jīng)對(duì)祈雨泉、魚泉及魚泉東北側(cè)龍頭處的流量監(jiān)測(cè)及計(jì)算，祈雨泉流量最大，魚泉流量次之，魚泉龍頭流量最小，其中祈雨泉平均流量為4.6 m3/d，魚泉平均流量為1.9 m3/d，魚泉龍頭平均流量為0.9 m3/d。除魚泉龍頭的流量在0.6～1.1 m3/d之間小范圍波動(dòng)外，魚泉和祈雨泉的年際流量在1—5月和9—12月較為穩(wěn)定，而6—8月流量波動(dòng)較大，呈增高的趨勢(shì)(見圖 8)。

北石窟寺6—8月雨季的到來是流量波動(dòng)的主要原因，祈雨泉和魚泉接受了直接和間接的降雨補(bǔ)給導(dǎo)致流量增大。與此同時(shí)，祈雨泉的補(bǔ)給源還包括了北石窟寺窟前來自排水盲溝匯集的崖體滲水。排水盲溝匯水?dāng)嗝婵傞L(zhǎng)度約85 m，魚泉接收匯水?dāng)嗝鏋?1 m左右，而魚泉龍頭的匯水?dāng)嗝鎯H為1 m左右。匯水?dāng)嗝娴牟灰皇橇髁坎町惖闹饕蛑弧?/p>

圖8 祈雨泉、魚泉、魚泉龍頭流量與降水量關(guān)系圖Fig.8 Relationship between rainfall and seepage quantity of Qiyu Spring, Yu Spring, and Yu Spring

3.4 水質(zhì)特征

表2 北石窟寺泉水檢測(cè)結(jié)果表Tab.2 The test result of spring water in Beishiku Temple

北石窟寺泉/井水的溶解性總固體為520～579 mg/L，總堿度為248～292 mg/L，總硬度為157～203 mg/L，pH值為8.08～8.38。此外，侵蝕性CO2僅有井蓋的神泉和生活用水井檢出1.2 mg/L和3.6 mg/L的含量。

4 討論

4.1 降雨補(bǔ)給滯后效應(yīng)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，北石窟寺泉水位與降雨過程具有明顯的關(guān)聯(lián)性。因此，選擇2020年7月18日和8月23日兩次典型降雨過程，分析降雨與神泉水位變化之間的關(guān)系(見圖 9)。兩次降雨均具有前后5日內(nèi)無降雨過程且降水量大于20 mm/d的特點(diǎn)。7月18日18∶51雨強(qiáng)峰值后，水位于19日7∶00達(dá)到了最高；而8月23日11∶56雨強(qiáng)峰值后，水位于24日1∶00達(dá)到了最高，降雨過程與泉水位上升存在著明顯的滯后效應(yīng)。

圖9 兩次典型降雨過程與神泉水位變化關(guān)系圖Fig.9 Relationship between two typical precipitation processes and the water level change of Shen Spring

滯后效應(yīng)與北石窟寺窟區(qū)地下水的補(bǔ)給方式有著密不可分的關(guān)系[22-23]。由于泉眼位于窟前平臺(tái)，與東側(cè)覆鐘山存在100余米的高差，與西側(cè)蒲河存在15米的高差，降雨徑流通道主要為北石窟崖體東西走向發(fā)育的裂隙。因此，滯后效應(yīng)主要產(chǎn)生于降雨補(bǔ)給基巖及水分沿基巖裂隙向窟區(qū)運(yùn)移的時(shí)間差。

4.2 水位季節(jié)性規(guī)律顯著

北石窟寺生活用水井和神泉水位除了與降雨有關(guān)外，還呈現(xiàn)出了明顯的季節(jié)性變化規(guī)律，主要體現(xiàn)為冬季水位偏高，這一現(xiàn)象與水溫展現(xiàn)了較為明顯的負(fù)相關(guān)(見圖10)。張培森[24]、趙靜[25]、朱厚影[26]等人的研究表明，巖土體的滲透性隨著溫度的升高呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。

圖10 神泉水位與水溫關(guān)系圖Fig.10 Relationship between water level and temperature of Shen Spring

由于北石窟寺泉/井的主要補(bǔ)給源為覆鐘山基巖裂隙水，但山體黃土覆蓋層達(dá)100 m以上，溫度對(duì)其滲透性的影響較小。因此，泉/井的補(bǔ)給量并沒有因?yàn)槎緶囟鹊投l(fā)生明顯變化。而在北石窟寺窟院地表巖土體冬季的溫度明顯低于夏秋兩季情況下，冬季巖土體的滲透性勢(shì)必低于夏秋季，使得泉/井水向河流滲流速度降低，導(dǎo)致冬季水位高于夏秋季。而夏季水位又受到降雨的影響，造成夏季泉/井水位的波動(dòng)。以祈雨泉為例，全年流量整體表現(xiàn)為春、秋、冬季穩(wěn)定的特征，而隨著夏天雨季的到來流量呈現(xiàn)出波動(dòng)上升的趨勢(shì)。

4.3 水環(huán)境對(duì)石窟風(fēng)化的促進(jìn)

根據(jù)基于熱紅外成像(FLIR T660)的降雨過程中雨水對(duì)崖面沖刷范圍的調(diào)查(見圖11)，北石窟寺崖面總面積的59.4%范圍遭受著雨水的沖刷侵蝕。雨水的沖刷、滲流等在氣溫變化作用下，形成了良好的干濕循環(huán)，無疑加速了北石窟寺的崖體及造像的風(fēng)化。

圖11 雨水沖刷范圍及熱紅外成像對(duì)比圖Fig.11 Comparison of rain erosion range and thermal infrared imaging

265窟和262窟均位于北石窟寺北端，其中265窟地面即為龍泉，262窟距265窟約5 m，2個(gè)洞窟均無法被雨水直接沖刷，但窟內(nèi)文物明顯遭受著地下水毛細(xì)上升造成的威脅(見圖 12)。

圖12 地下水毛細(xì)作用與風(fēng)化Fig.12 Groundwater capillary action and weathering

根據(jù)2019年8月15日的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，龍泉水位距離265窟東壁明顯潮濕的位置為2.20 m，結(jié)合造像風(fēng)化及鹽結(jié)晶情況可知毛細(xì)上升高度為2.95 m；265窟地面明顯嚴(yán)重潮濕，且窟內(nèi)南壁附近的砂漿抹面立柱毛細(xì)上升高度為0.9～1.1 m。此外，北石窟寺一層大量洞窟靠近地面區(qū)域風(fēng)化明顯比上部嚴(yán)重，可見北石窟寺砂巖造像風(fēng)化與地下水毛細(xì)上升有著密不可分的關(guān)系。

5 結(jié)論

本文基于對(duì)慶陽北石窟寺的降水監(jiān)測(cè)、泉/井水位及流量監(jiān)測(cè)，并結(jié)合水質(zhì)檢測(cè)，對(duì)北石窟寺以降水和地下水為代表的水環(huán)境特征進(jìn)行了分析及討論，主要得出如下結(jié)論：

1)北石窟寺年降水量分布不均勻，主要集中于6—8月，平均占全年降水量的65.3%。

2)北石窟寺水位呈現(xiàn)出了夏冬季高而春秋季低的特征，神泉和生活用水井的水位約為3.3 m，龍泉水位約為0.7 m，年度水位變化量為15～30 cm。降雨過程與生活用水井和神泉水位夏季水位波動(dòng)的關(guān)聯(lián)性顯著，但是存在明顯的滯后性。

3)北石窟寺祈雨泉平均流量為4.6 m3/d，魚泉平均流量為1.9m3/d，魚泉龍頭平均流量為0.9 m3/d。

4)北石窟寺水體含鹽量較低， 僅0.05%～0.06%，地下水腐蝕性較低，但地下水的毛細(xì)上升和雨水沖刷等均對(duì)砂巖崖體及造像的保存造成威脅。

致謝：在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及論文撰寫過程中，得到了蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院張明泉教授的悉心指導(dǎo)，也得到了甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院中心實(shí)驗(yàn)室在水質(zhì)檢測(cè)方面的協(xié)助和支持，在此一并表示最真摯的謝意。