基于紅外熱成像技術的石窟壁面凝結水形成規(guī)律研究

馬 策 ，蔣小偉 ，閆宏彬 ，周鵬宇 ，任建光 ，樊 堯 ，范 瀟 ，萬 力

（1.中國地質(zhì)大學（北京）水資源與環(huán)境學院, 北京 100083；2.云岡研究院, 山西 大同 037034）

巖石風化是自然界的普遍現(xiàn)象[1-4]。含水巖石在干濕交替、凍融循環(huán)、酸性氣體溶蝕、生物生長等物理、化學和生物作用下發(fā)生風化破壞[5-10]，進而增大孔隙度和滲透系數(shù)[11-13]。凝結水是加速石質(zhì)文物風化的一種常見水分來源[14-16]，不僅存在于石質(zhì)文物壁面，還存在石質(zhì)文物淺表層的孔隙中[17-19]。由于巖石內(nèi)部凝結水具有不易直接觀測的特點，限制了研究人員對凝結水形成規(guī)律的認識。曹文炳等[20]研發(fā)了測量凝結水量的實驗裝置，通過隔離石窟部分壁面并抽取壁面上的水分，從而確定觀測時段內(nèi)凝結水總量。該裝置被認為是目前定量確定凝結水量最準確的方式[21]，在多個石窟得到了應用[20,22]。然而，該裝置布置復雜，不方便獲得凝結水量隨時間的變化，較難用于分析石窟壁面凝結水的形成規(guī)律。

紅外熱成像作為一種適合于大面積觀察的無損檢測方法，已經(jīng)被一些研究者應用于定性分析石質(zhì)文物水分分布及來源[23-25]。Lerma 等[26]利用紅外熱成像技術探測了比利時Arenberg城堡前門的水分分布，方云等[27]利用紅外熱成像技術探測了龍門石窟奉先寺崖壁滲水情況，吳育華等[28]利用紅外熱成像技術觀測廣西花山巖畫滲水情況，蘇美亮等[29]使用紅外熱成像技術觀測了冬季和春季凝結水在大足石刻千手觀音像的分布規(guī)律。由于凝結水的形成與降雨事件前后的大氣濕度變化密切相關，開展降雨事件前后的溫度連續(xù)監(jiān)測是揭示凝結水形成規(guī)律的關鍵。

本文以云岡石窟19窟為例，針對2020年8月1次典型降雨事件，采用紅外熱成像技術開展了降雨前后連續(xù)100 h的壁面溫度動態(tài)監(jiān)測，由于紅外熱成像不能直接拍攝到壁面上的凝結水，無法了解凝結水在壁面形成后向巖壁內(nèi)部滲透的情況，本研究同時利用微波水分儀進行了降雨前后連續(xù)56 h的淺表層巖石含水率動態(tài)監(jiān)測。通過對比壁溫與露點溫度的差異以及分析淺表層巖石含水率變化規(guī)律，識別了石窟壁面凝結水的形成規(guī)律。

1 研究區(qū)位置與研究方法

1.1 研究區(qū)位置

云岡石窟是我國規(guī)模最大的古代石窟群之一，2001年被聯(lián)合國教科文組織列為世界遺產(chǎn)。云岡石窟位于山西省大同市，地處大陸性半干旱氣候區(qū)，降雨集中于夏季7—9月，因此夏季也是云岡石窟水害多發(fā)時節(jié)。云岡石窟第19窟為著名的“曇曜五窟”之一，其西北角低處可見小范圍的苔蘚，見圖1（a）。該窟不存在積水，且地下水水位低于地面10多米，可以排除毛細上升作用對苔蘚生長需水分的貢獻，初步判斷苔蘚生長所需水分來源為凝結水。因此，本文選擇第19窟北壁西側開展紅外熱成像監(jiān)測和淺表層巖石含水率監(jiān)測。

圖1 （a）19窟西北角底部的苔蘚分布和（b）19窟北壁西側監(jiān)測點布置Fig.1 Distribution of moss in the bottom of the northwest corner in cave 19 (a) and monitoring points on the west side of the north wall in cave 19 (b)

1.2 監(jiān)測方案

2020年8月23日7—24時，云岡石窟發(fā)生了累計降雨量為16.36 mm的降雨事件。根據(jù)天氣預報，2020年8月20日15時—24日18時利用紅外熱成像儀開展了總時長為100 h的壁溫監(jiān)測；2020年8月22日10時—24日18時利用微波水分儀開展了總時長為56 h的巖石含水率監(jiān)測。日間（7—20時）觀測頻率為每小時1次，夜間（22時至次日6時）觀測頻率為每2 小時 1次。

本文研究使用FLIR T1050SC高清高性能手持式紅外熱成像儀，分辨率為1 024×768。本次監(jiān)測的目標壁面范圍寬約2 m、高約4 m，見圖1（b）。微波水分儀利用電介質(zhì)法測量巖石含水率。本文研究采用德國生產(chǎn)的HF SENSOR MOIST 350B，具有多個可用于監(jiān)測距離壁面不同深度含水率的探頭。本次監(jiān)測使用探頭的探測深度分別約為3，7，11 cm。為了對比不同位置處的含水率差異，本文選取自上而下m1、m2和m3三個監(jiān)測位置，距離地面高度分別為200，120，20 cm，見圖1（b）。

1.3 露點溫度計算

空氣溫度、濕度是控制凝結水形成的重要氣象條件。大氣溫度、相對濕度以及降雨量數(shù)據(jù)來自云岡石窟的氣象站。19窟未開展空氣溫度、濕度監(jiān)測，由于16窟與19窟結構相似，因此用第16窟的空氣溫度、濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)確定洞窟內(nèi)空氣的露點溫度。

露點溫度由水汽壓決定。水汽壓和露點溫度的計算公式[30]為：

式中：uv,sat——空氣溫度T對應的飽和水汽壓/kPa；

uv——空氣溫度T對應的實際水汽壓/kPa；

RH——相對濕度；

Td——露點溫度/K。

2 結果和討論

2.1 基于熱紅外成像的壁面溫度空間分布規(guī)律

本次研究利用熱紅外成像技術共獲得了80幅壁面溫度分布圖，圖2給出了降雨前后8個典型時刻的壁溫分布圖像?？梢钥闯觯还苁墙涤昵斑€是降雨后，壁面低處的溫度普遍低于壁面高處，佛龕凹陷處的溫度也明顯偏低，這是由于夏季山體內(nèi)部溫度較低，低處、凹陷處受山體內(nèi)部溫度的控制更顯著。r1至r4四個位置距地面高度分別為200，100，40，20 cm，從低處到高處，溫度逐漸增大，位于壁面最高處的r1溫度最高，見圖3（a）。r5位于佛龕凹陷處，盡管高度與r2一致，但溫度與低處的r3接近。

圖2 （a1-h1）8個典型時刻溫度分布和（a2-h2）對應時刻的具備凝結水形成條件的分布范圍Fig.2 Distributions of temperature (a1-h1) and zone with possible condensation water (a2-h2) at eight typical times

在降雨前，4個位置處的溫度晝夜變化規(guī)律也基本一致，但是8月23日的降雨事件明顯改變了正常的晝夜變化規(guī)律。降雨前，氣溫和壁溫的晝夜尺度動態(tài)均可以用余弦函數(shù)擬合，見圖3（b）。壁溫的動態(tài)明顯滯后于氣溫，氣溫16時最高，6時最低，壁面溫度每天17-18時最高，7-8時最低，壁溫的波動幅度也明顯小于氣溫的波動幅度，氣溫最高約為21 °C，但r4處白天最高溫僅約為16 °C。8月22日22時起，盡管降雨尚未發(fā)生，但氣溫已經(jīng)偏離降雨前日波動，保持在偏高的溫度，導致壁面溫度偏高。8月23日15時，受氣溫顯著下降控制，壁溫也發(fā)生同步下降。降雨結束6 h后，即8月24日6時，氣溫和壁溫均恢復降雨前的日動態(tài)規(guī)律。

圖3 （a）壁面典型位置的溫度對比和r4處壁溫和（b）氣溫的實測數(shù)據(jù)與雨前溫度趨勢擬合Fig.3 Comparison of temperature at typical wall positions (a)and air temperature comparing with temperature pattern before rain at r4 (b)

2.2 凝結水形成與降雨事件的對應關系

通過對比壁溫和露點溫度，可以識別具備凝結水形成條件的范圍，見圖2。從8月22日15時—23日15時，24 h之內(nèi)具備凝結水形成條件的范圍逐漸增大；8月23日16時氣溫驟降后，24 h內(nèi)僅有部分區(qū)域在部分時刻具備凝結水形成條件?？梢?，8月23日16時的氣溫驟降是控制凝結水分布范圍的重要事件。

2.2.1 降溫前凝結期

降溫前凝結期8月22日15時（對應降雨前16 h）—23日15時，共持續(xù)24 h。8月22日15時，r4處壁溫開始低于露點溫度，具備水汽凝結條件，而在此之前，該處壁溫普遍高于露點溫度。從8月22日15時—23日7時，雖然尚未開始下雨，大氣中的水汽濃度已經(jīng)在不斷升高。隨著水汽含量增大，露點溫度逐漸升高，露點溫度先大于低處壁溫，后逐漸超過更高處的壁溫，凝結范圍逐漸向高處擴展，見圖2。因此，盡管這個階段的壁溫比前幾日偏高，但水汽濃度增大引起露點溫度顯著升高，從而使得壁面具備凝結水形成條件的范圍不斷擴大。

8月23日7時降雨開始后，洞窟內(nèi)水汽濃度的增大速度明顯大于降雨發(fā)生前，露點溫度也以更快速度增加（圖4），因此凝結水形成范圍快速增大，見圖2（c2）。在8月23日15時降雨量達到最大時，水汽濃度也達到最高點，對應露點溫度的最高點，此時的露點溫度高于整個壁面的溫度，因此整個監(jiān)測壁面都具備凝結水形成條件，見圖2。該階段的空氣濕度由降雨直接控制，持續(xù)降雨使洞窟內(nèi)絕對濕度增大，從而使露點溫度升高，有利于凝結發(fā)生，此階段具備凝結水形成條件的范圍最大，是最主要的凝結階段。

圖4 壁溫和露點對比以及凝結時期劃分圖Fig.4 Comparison of wall temperature with dew point and condensation period division

因此，降雨前及降雨期間空氣濕度增大是凝結水形成的根本控制因素。

2.2.2 降溫后凝結期

8月23日16時，氣溫驟降，水汽在空氣中迅速凝結，露點溫度隨之迅速下降并低于壁面溫度，壁面不具備凝結水形成條件，見圖2。由于降雨還在繼續(xù)發(fā)生，洞窟中的水汽濃度逐漸回升，露點溫度隨之上升。在壁溫和水汽濃度的共同控制下，又出現(xiàn)2次小規(guī)模的凝結期，累計凝結時間為14 h。

第一次為8月23日18時至次日4時，露點溫度回升至20 cm處的壁溫，具備凝結水形成條件，見圖2。隨后夜間氣溫下降，導致露點溫度下降，壁面不發(fā)生凝結，見圖2。8月24日8—12時，隨著大氣絕對濕度升高，壁面低處小范圍內(nèi)再次具備凝結條件，見圖2。12時以后，受太陽輻射控制，大氣濕度減小，不再具備凝結水形成條件。

2.3 巖石含水率對降雨事件的響應

紅外熱成像技術可以用于直觀分析壁面出現(xiàn)凝結水的范圍。然而，本次監(jiān)測期間，肉眼沒有直接觀察到壁面存在凝結水。微波水分儀獲得的巖壁淺表層含水率數(shù)據(jù)表明，8月22日21時開始，m1、m2和m3處的表層普遍出現(xiàn)含水率升高現(xiàn)象（圖5），基本支持了紅外熱成像方法揭示的凝結水形成規(guī)律。但是，微波水分的抬升時間明顯比壁面開始具備凝結水形成條件的時間偏晚，成因還有待分析。

圖5 利用微波水分儀獲得的壁面淺表層含水率隨時間變化規(guī)律Fig.5 Temporal variations of water content inside the wall face obtained with a microwave moisture meter

距地面不同高度的監(jiān)測表明，20 cm處監(jiān)測點對降雨事件的響應顯著大于高處，這也符合基于熱紅外成像獲得的低處更容易具備凝結水形成條件的認識。不同深度的含水率響應存在明顯差異，巖壁淺部（3 cm）對凝結的響應明顯，而深部（11 cm）含水率較為穩(wěn)定，可能指示凝結水形成于壁面淺表層并向內(nèi)部滲透的現(xiàn)象。這種特征與山體滲水、毛細上升等來源的水分傳遞過程完全不同。

3 結論

本研究利用紅外熱成像技術和微波水分測量技術，結合露點溫度計算，成功識別了一次完整的降雨事件過程中凝結水的形成和消失過程，得到如下結論：

（1）降雨前和降雨期間的大氣絕對濕度增大，洞窟內(nèi)空氣露點溫度上升，從而壁面發(fā)生凝結。該階段是凝結水形成最顯著階段，在石質(zhì)文物凝結水防治過程中應予以重視。

（2）降雨期間天然條件引起的氣溫驟降使壁面不再具備凝結水形成條件，表明降低空氣溫度可以阻止壁面凝結水的形成，該現(xiàn)象對石質(zhì)文物凝結水治理具有重要的啟示。