环境因子对敦煌莫高窟洞窟水分蒸发的影响

环境因子对敦煌莫高窟洞窟水分蒸发的影响
李红寿;汪万福;詹鸿涛;邱飞
【摘要】环境因子对洞窟水分蒸发有重要影响.在敦煌莫高窟72窟蒸发水分的收集过程中,通过对窟内温度和湿度的控制,分析窟内温湿度对水分蒸发的影响及作用机理,并根据围岩水分蒸发机理,探讨影响水分蒸发的外部环境因子.结果表明,洞窟2.0℃的温度变化即可对水分蒸发产生显著影响,短期内蒸发量可增大1倍以上.温度高、蒸发量大,可导致窟内相对湿度增加,因此目前全球性的气温升高对洞窟文物将产生不利影响.敦煌地区降雨量的增加增大了空气潮湿过程激活壁画盐分的可能.莫高窟所处的地理位置、地热、地形结构、围岩孔隙度和洞窟结构本身对围岩水分蒸发有重要影响.本文从环境因素揭示了莫高窟壁画能够保存至今的关键原因,为今后洞窟文物的更好保护提供了新思路.
【期刊名称】《干旱气象》
【年(卷),期】2014(032)006
【总页数】8页(P940-946,971)
【关键词】莫高窟;环境因子;蒸发;影响
【作者】李红寿;汪万福;詹鸿涛;邱飞
【作者单位】敦煌研究院保护所,甘肃敦煌736200;古代壁画保护国家文物局重点科研基地,甘肃敦煌736200;敦煌研究院保护所,甘肃敦煌736200;古代壁画保护国家文物局重点科研基地,甘肃敦煌736200;敦煌研究院保护所,甘肃敦煌736200;敦煌研究院保护所,甘肃敦煌736200
【正文语种】中文
【中图分类】P463.2
引言
举世闻名的敦煌莫高窟现存壁画45 000 m2，彩塑2 000余身，被誉为“墙壁上的博物馆”。

因其规模宏大，保存完整，内容丰富，1987年被联合国教科文组织列入世界文化遗产名录，成为人类的共同文化遗产。

莫高窟能保存至今主要得益于当地干燥的气候，但同时洞窟中的壁画、彩塑等文物历经千年岁月，不可避免地存在衰老与劣变。

温度、湿度、光照、风蚀等环境因子是导致壁画病害的重要根源［1］，其中水分是引发洞窟文物病害最活跃的因子［2］。

在水分作用下，有机质骨架的霉变糟朽可造成壁画彩塑的松散变形，其盐分活动还可造成壁画酥碱、疱疹、起痂、粉化、空鼓等多种严重病害［3］;在潮湿环境下，洞窟微生物甚至直接以有机颜料为营养，在壁画表面繁殖，造成严重的霉变污染［4］。

长期以来，众多学者对洞窟水分来源进行了不懈的探索，但众说纷纭，归纳起来主要有4种可能:(1)窟顶降水入渗［2，5］;(2)窟前林带灌溉水分侧渗［6］;(3)来源于大气及窟前林带蒸散的水汽［2］;(4)来自于地下潜水的蒸发与凝聚［7］。

2005年以来，笔者从莫高窟外围的戈壁土壤水分入手研究了莫高窟环境水分［7］。

通过野外模拟降水试验［8］、降水回收试验［9］和隔绝试验［10］，排除了戈壁土壤水分来自降水的可能，并通过拱棚法收集的土壤蒸发水分发现，地下潜水是戈壁土壤水分的重要来源［11］。

2009年利用改进后的拱棚—空调凝结试验，初步测定了窟顶戈壁的潜水蒸发量为0.0219 mm/d［12］，这为洞窟水分来源的探索提供了新思路，初步推断洞窟内存在潜水蒸发。

郭青林等［6，13］也通过洞窟围岩盐分—水分分布推断，洞窟内存在来自围岩的蒸发水分。

为了进一步获取确凿证据，2010年笔者参考拱棚封闭系统的研究思路，选择下层代表性洞窟，在封闭的条件下，利用人工冷凝收集洞窟蒸发水分。

结果表明，洞窟内的确存在来自潜水的围岩蒸发水分［14］。

窟顶戈壁潜水蒸发研究表明，温度、空气湿度、地热等环境因子对潜水蒸发有重要影响［11－12，15］，其中太阳辐
射引起的温度变化的影响最大，也最敏感。

那么，在规避了太阳辐射影响的情况下，环境温湿对洞窟水分蒸发的影响尚不明确。

另外在全球变暖背景下，西北地区50 a来气温明显上升［16］，平均气温以0.32℃/10 a的幅度升高，敦煌地区56 a
来气温上升了1.9℃［17］，降水量也呈显著增加趋势［16－17］。

温度、降水
量及环境湿度的升高对洞窟水分蒸发的影响趋势和影响程度尚不清楚。

为此，本文在收集洞窟围岩蒸发水分的过程中，利用温湿度调控系统对洞窟微环境的控制，分析洞窟内温湿度对水分蒸发的影响，结合外部环境因子对窟内温湿度的影响，探寻影响洞窟水分蒸发的相关因子，初步分析全球气候变暖和降水增加对洞窟水分蒸发的影响，为更好地保护洞窟文物提供参考。

1 研究区域与方法
莫高窟位于敦煌盆地南缘的大泉河谷。

河谷为南北走向，洞窟开凿于河谷西岸的胶结砾砂岩崖面上。

该砾砂岩属第四纪酒泉组(Q3)，围岩含水率为1.5%［2，13］，由吸湿吸附水分、薄膜水分、结晶水分等结合水分组成。

长期的潜水蒸发使该区戈壁及洞窟围岩富含盐分，其中50%左右为芒硝。

土层10 cm左右含盐量可达9.2%［12］，洞窟围岩0～40 cm 的平均含盐量可达2.43%，甚至更高，远高于深层
围岩的0.5%［2，6］。

该区气候极其干燥，相对湿度 31%(2005年)，潜在蒸发
量4 347.9 mm。

太阳辐射强度可高达1.1 kW/m2，日照百分率73%，年平均温度11.23 ℃(2001 ～2004 年)，风速4.1 m/s(2005 年)［18］。

72窟位于莫高窟南区中部下层，距窟顶戈壁的垂直高度为40 m，覆斗形拱顶，
主室长、宽都为6.6 m，高6.0 m。

它开凿于五代时期(公元907～960)，该窟属
中小型洞窟，具有一定的代表性，见图1。

洞窟前室已毁，在1960年代加固时，重建了1个小前室，1980年代在其东壁安装有铝合金门，门面40%为纱窗，以保持洞内通风。

72窟的环境监测主要依赖于主室内安装的冷凝除湿—温湿度控制系统。

该系统主
要由1台2 kW的除湿机(DH－890C)与1台5 kW空调(KFR－120LW
12568LAL－HN5)组成。

用塑料膜分别在72窟甬道的内外侧密封洞窟(图1)。

一
方面，利用人工冷凝系统收集围岩的蒸发水分，通过排水管将冷凝水导出主室之外，采用称重法每日08:30测定凝结水的数量(其凝结量也就是洞窟围岩蒸发量或输出量);另一方面，通过温湿度控制系统所设定的温湿度，进行温湿度调控，并在主室、前室中心2.0 m高度安装HOBO温湿度监测仪，设定每10 min监测1次。

具体为:
图1 72窟平刨图(上)与冷凝除湿—温湿度控制系统示意图(下)Fig.1 Plane －profile map of the 72 Cave(the top)and sketch of temperature and humidity control system cleared by condensation(the bottom)
(1)通过2010年与2011年同期(5月16日至6月19日)不同温度(分别为11℃和15℃)及2010年前、后期不同温度(最高温度分别设定在16℃和18℃)的调控和凝结水分的收集，分析温度对洞窟水分蒸发的影响。

(2)通过窟外部环境的气象监测资料(莫高窟气象站，40°02'14″N，94°47'38″E，
海拔 1 350 m，位于72窟前)，探讨莫高窟地理位置、洞窟结构、外部天气、小
地形地貌、洞窟位置、光照、窟前林带蒸散、风速等环境因子对围岩水分蒸发的影响。

2 结果与分析
2.1 洞窟温湿度对围岩水分蒸发的影响
2010年5月16日封闭洞窟后，利用空调系统将窟内热量(净排热功率为5 kW)排
出窟外，保持温度稳定，有效抑制了洞窟围岩的自然季节性温度上升。

根据岩土结合水分的特性，当温度升高时，部分结合水分分解，形成蒸发［19］，蒸发量与
温度呈正相关［20］。

温度的稳定使窟内水汽含量较低，冷凝系统收集不到任何
凝结水分，无水分输出。

图2为封窟后2010年5月16日至6月19日洞窟内的
温湿度。

可以看出，虽然设备开启时洞窟内的温湿度存在小幅度波动(±1℃、
±2%)，但窟内的湿度整体保持稳定，有效抑制了洞窟围岩水分的蒸发，此期间窟内的温度、相对湿度分别为11.05℃、34.37%。

其中，当空调停止运转排热时(2010年6月3～17日)，封闭状态下洞窟围岩整体仍受外界气温升高的影响，窟内温度逐渐升高，导致窟内的相对湿度也随之缓慢的上升。

此时围岩蓄存的吸湿吸附水分、薄膜水分、结晶水分在温度上升过程中得到分解，形成岩体内的水汽蒸发，使窟内绝对湿度明显持续上升(图3)。

图2 2010年5月16日至6月19日72窟封闭及排热状态下的温湿度变化Fig.2 The changes of temperature and humidity in 72 Cave under sealing and heat releasing conditions from May 16 to June 19，2010
图3 2010年6月4～16日封闭状态下72窟温湿度的变化Fig.3 Changes of temperature and humidity in the sealed 72 Cave from 4 to 16 June 2010 2011年同期，窟内的温度、相对湿度分别为15.08 ℃，34.38%(图4a)。

与2010 年相比，2011 年的温度偏高了4.03℃，在该温度下共收集到围岩蒸发水分
20.926 kg(图4b)。

这表明洞窟内较高的温度更有利于水分蒸发。

需要指出的是，2011年同期收集的蒸发水分在此之前经过了较长时间的封闭。

更早的冬季封闭表明，窟内湿度随温度的下降而下降，水汽含量最低为1.9 g/m3，说明此时窟内水分处于减少(被围岩吸收)的状态。

另外从图4a中还发现，3月底当窟内温度升高时，窟内的相对湿度也升高，这与
窟顶戈壁土壤内的空气湿度一样，随温度升高而升高，体现了围岩结合水分分解蒸
发的特性。

升温过程中洞窟的封闭导致围岩内蓄存了一定数量的蒸发水汽，至5
月12日窟内相对湿度达到了除湿机的可凝结湿度，除湿机自动开启，此时洞窟内产生2 kW的热流量，使得洞窟升温较快，有助于水分的蒸发，造成前期凝结水的输出量较大。

与此同时，洞窟内的湿度迅速降低，随后的水分输出量明显减少。

6月3日随着温度上升到16℃时，空调自动开启，此时窟内有3 kW的净热流量输出。

因此对以热能为主的能量活动的把握是研究洞窟水分活动的关键。

2010年6月20日之后，当窟内湿度较高时，冷凝除湿—温湿度控制系统自动开启，并开始收集蒸发水分，凝结水的数量及相应的窟内温湿度状况如图5。

图4 2011年3～6月中旬72窟的温湿度(a)及输出水分(b)Fig.4 The change of temperature，humidity(a)and output water(b)in 72 Cave from March to middle June 2011
图5 2010年6月下旬至12月上旬72窟内输出水分(a)及温湿状况(b)Fig.5 The changes of output water(a)，temperature and humidity(b)in 72 Cave from late June to early December 2010
由于前期窟内的热量输出，围岩温度相对较低，储存于围岩内的结合水随温度的升高开始分解和向外蒸发，蒸发的水分相对平稳。

随着洞窟浅层围岩温度的升高和水分含量的减少，7月6日之前，输出水分出现了明显下降;但随着洞窟群崖体整体
温度的升高，深层围岩的蒸发量增大，蒸发水分又变得较为平稳。

试验期间，遇到多次意外停电(8月11日、8月29日、9月11日、9月26日)。

在停电当日无法收集水分，若按照正常蒸发量计算，且相应的蒸发水分全部滞留于洞窟内，可使其相对湿度增加20%左右，然而洞窟内的相对湿度并没有明显上升，这说明绝大多数水分仍蓄存于围岩内，造成次日的凝结量有较大幅度的提高，这从另一方面也印证了围岩良好的蓄水(汽)性能。

戈壁土壤潜水蒸发试验也表明这一现象的存在［12］。

由于围岩的孔隙度较大，与外界形成了一定联通，因此，洞窟封闭后仍有部分水分通过主室南侧围岩流失到湿度较低的外界。

因此，反过来，外界天气过程对洞窟水分蒸发也会产生一定的影响。

当外界水汽湿度较高时，可影响到窟内水分凝结量。

2010年7月10日至8月3日期间的平均蒸发量为444 g/d，较8月4日至9月3日的平均蒸发量(404 g/d)多40 g/d。

此期间洞窟围岩总体处于升温过程中，后期的温度较高，蒸发量应较前期的大［15，21］，但由于前期外部环境的水汽含量(9.50 g/m3，为一次潮湿天气过程)较后期(5.75 g/m3)高 3.75 g/m3，最终导致前期的蒸发量大，相应的凝结量也就较高。

可见，当外界湿度较高时，在一定程度上降低了整个崖面与外界空气的水汽梯度，使围岩从崖面流失的水分减少，从而增大了进入洞窟的水汽数量。

2010年9月2日开始，将窟内空调温度由16℃改调为18℃，至9月8日一周内的水分凝结量显著增加，平均为696 g/d(图5b)。

虽然温度只增加了2℃，但水分凝结量较前一周的334 g/d增加了362 g/d，增加了108%，这主要是浅层围岩水分受短期内温度升高所致，表明围岩水分蒸发对温度非常敏感。

因此，未来全球变暖的气候背景将增大洞窟水分的蒸发量，较大的洞窟围岩水分蒸发势必将深层围岩中的盐分带出，滞留于水汽不饱和的浅层(0～1.25 m)内［2，8］，将对壁画形成潜在的危害。

此外还发现，2010年空调改调为18℃期间(9月3日至10月2日)洞窟内的平均蒸发量为422 g/d，高于16℃期间(7月3日至9月2日)的平均蒸发量376 g/d;2011年空调温度稳定在18℃下，全年蒸发量最高的8月为480 g/d，高于2010年同期16℃下的蒸发量373 g/d，这些均说明围岩水分蒸发对窟内环境温度的敏感性和人工调控的有效性。

10月以后随着围岩整体温度的下降，水分的蒸发量整体也减少，但温度较高的蒸发层位较深，围岩内可被凝结的蓄存水分较多，一旦湿度达到除湿机启动湿度(31%)，那么一次输出的水量仍较大。

12月中旬后随着温度的下降，窟内湿度也
随之下降，再无水分蒸发，此时浅层围岩随着温度下降开始吸湿吸附源自深层的水分，自身已不再蒸发释放水分。

但围岩内与窟内湿度仍存在湿度梯度，应存在少量水汽流出，这些流失的水分并未蓄存于洞窟空间，而是通过主室围岩的孔隙流向了湿度更低的窟外。

2010年从72窟一共收集到的水分47.806 kg，与2011年同期凝结量(55.533 kg)相比偏少，这主要是因温度调控较低所致。

2011年空调温度设定在18℃，2010年大部分时间为16℃。

空调降温有效地降低了水分蒸发，因此开放洞窟蒸
发量应大于人工调控洞窟的蒸发量。

窟内的温度年波动幅度在7～18℃，从洞窟水分的蒸发量与洞窟内温湿度的关联看，温度变化决定着水分蒸发的数量。

在围岩升温过程中结合水分分解，有一定数量的水分被蒸发，温度越高蒸发量越大。

由于夏季洞窟封闭和温度控制(16℃左右，未封闭时可达19℃)有效消弭了年蒸发峰值，使洞窟蒸发的年正弦曲线表现不明显。

在整体围岩季节降温过程中，洞窟内的围岩从湿度较高深部吸收水分，形成从地下潜水→毛细管带→相对湿度饱和包气带→不饱和包气带的连续运转［11］。

因此，洞窟围岩蒸发水分源自潜水。

当然深层潜水能够连续运转，地热的作用也非常关键，宏观上它是潜水蒸发形成的基础动力。

该区存在一定的地热资源，每百米的温度梯度较大，达4 ℃［11］。

2.2 外部环境因子对围岩蒸发影响的分析与探讨
根据敦煌、莫高窟窟顶、戈壁及窟前气象站的气象资料对比发现，莫高窟处于盆地逆温层内，日较差(11.3 ℃)较敦煌(16 ℃)小4.7 ℃［1，18，22］;而 72 洞窟主
室内即使在开放状态下，温度几乎无日波动变化(图6a)。

然而，在前室处监测到
仍有2℃左右的日波动，空气在向窟内流动过程中温度日波动逐渐减小。

洞窟围岩及前室对进入洞窟的空气热量有较强的均衡能力，从而保持了窟内环境温度的相对稳定。

因此，莫高窟的地理位置和洞窟结构极大地减小了温度的日变化，非常有利
于文物保存。

由图6b可见，窟内平均相对湿度(51.5%)较窟外(41.1%)高10.4%。

其中潮湿天气(5、11 ～13、22～26日为阴天)过程增加了洞窟内的相对湿度，进而影响到洞窟内的水分蒸发。

较高湿度可激活盐分，对壁画造成损害。

因此，敦煌地区降水量的增加，在一定程度上增大了外界环境的湿度，增大了激活壁画盐分的风险，但降低了围岩水分蒸发和盐分累积。

图6 2000年6月开放状态下72窟内空气温(a)、湿(b)度与外界的对比Fig.6 The comparison of air temperature(a)and humidity(b)between inside and outside of the open 72 Cave on June 2000
另外，莫高窟小气候受河谷地形、水系统和林地蒸散的影响，年平均相对湿度较窟顶戈壁高7%左右［22］。

这也同样抑制了洞窟水分蒸发及盐分积累。

同时，受东边林带和西边崖面的遮挡，窟前太阳日辐射时间仅为2 h左右(图7)。

辐射强度较戈壁下降170 W/m2左右，太阳辐射总量仅为平坦戈壁的1/3，完全改变了太阳辐射强度的正弦曲线日变化特征。

3月4日之前，因林带和崖面遮挡太阳，地表温度为折线形变化，波动幅度较小，之后随太阳高度角的增大而增大，逐渐转变成波动幅度较大的平滑曲线。

崖面在太阳直射下温度变化幅度较大，热量的传导必然引起洞窟水分蒸发的日波动和蒸发量的改变。

图7 2000年3月72窟前地表温度与太阳辐射强度变化Fig.7 The change of surface temperature and solar radiation intensity in front of 72 Cave on March 2000
根据太阳辐射对窟顶潜水蒸发影响的研究——强烈的太阳辐射可增大潜水蒸发［11－12］。

在强烈的太阳辐射下，该区戈壁地表温度日较差可达45℃，远大于气温日较差11℃［1］。

因此，底层洞窟围岩的温度日变化主要受气温的影响，温度变化较为缓和;而上层洞窟受太阳辐射的影响较大，温度变化较为剧烈，引起
的水分活动较为强烈。

经调查发现，上层洞窟和靠近崖面的前室壁画老化劣变较为严重，可见洞窟及壁画所处的具体位置很重要。

无疑，太阳辐射强度和照射时间的减少可有效地降低洞窟围岩温度波动幅度和水分蒸发，有利于壁画的保护。

崖壁廊檐结构可有效减少太阳辐射对洞窟温度的影响。

此外，风速是影响水分蒸发的关键因子，风速与蒸发呈正相关。

受地形的影响［22］，窟前年平均风速仅为0.6 m/s，较窟顶戈壁(4.1 m/s)降低 3.5 m/s［1］。

风速的减小可有效抑制洞窟潜水蒸发，在一定程度上可减少洞窟盐分的积累。

综上所述，莫高窟的地理位置、地形地貌和洞窟结构对洞窟内外的小气候环境产生了重要影响，在温湿度方面尤为明显。

保持洞窟温湿度环境稳定是古代壁画保持至今的关键，探寻洞窟文物保存的有利因素和不利因素对进一步改善文物保存环境有重要的指导意义。

但需要指出的是，由于观测时段相对较短、资料有限，所得结论需进一步检验。

3 结论
通过对莫高窟72窟温湿度的调控与凝结水分收集数量的对比，明确了洞窟内温湿度变化对潜水蒸发的影响程度和作用机理:
(1)温度变化对洞窟水分蒸发具有关键作用。

洞窟围岩温度的年变化直接影响到蒸
发速率的大小。

因此，敦煌气温升高将增大洞窟水分的蒸发量，不利于洞窟文物的保护。

(2)莫高窟小环境相对湿度的增高可抑制洞窟水分的蒸发和盐分积累，但单纯封闭
引起湿度过高，不利于文物的保护。

潮湿天气过程可增大激活壁画盐分的风险。

(3)洞窟所处的地理位置、地热、风速、微地形地貌、窟前林带蒸散、洞窟围岩孔
隙度和洞窟结构本身均对洞窟温湿度与蒸发具有重要影响。

(4)在莫高窟，随着空间尺度的减小，环境温湿度变化逐渐减小，窟内环境最为稳定。

洞窟内稳定的环境是文物长久保存的关键，冷凝除湿—温湿度控制系统可有
效地控制洞窟内温湿度环境，封闭和人工控制为洞窟的保护提供了新的模式与思路。

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