王彥武，韓增陽，郭青林，崔惠萍，段 燾，裴強強

(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)教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；4.甘肅省敦煌文物保護研究中心，甘肅 敦煌 736200； 5.甘肅北石窟寺文物保護研究所，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、文化和藝術(shù)的重要實物例證和珍貴史料[1]。然而，石窟寺載體中水分的活動，會造成石窟壁畫酥堿[2]、脫落[3]，以及造像殘損、風(fēng)化[4-6]、鹽害[7-8]等多種病害，嚴重威脅這些藝術(shù)瑰寶的長久保存。為此，許多學(xué)者針對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]等來源進行了深入地研究，也有學(xué)者探討了石窟寺水汽轉(zhuǎn)換機制[18]、降雨入滲規(guī)律[9]、裂隙水運移規(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文物保護單位。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，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)、社會及文化價值。然而，在長期的內(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)測對象，通過泉/井水位和流量反映地下水環(huán)境特征，通過水質(zhì)檢測評價北石窟寺地下水質(zhì)量，并分析探討了降雨補給滯后性及水位季節(jié)變化規(guī)律。以期提升對北石窟寺窟區(qū)內(nèi)降水、地下水等水環(huán)境特征的認識，進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給，魚泉除接受基巖水直接補給外還接受了東北角處接受基巖裂隙水的暗井間接補給，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

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的全自動氣象站對北石窟寺區(qū)內(nèi)降水量進行監(jiān)測。同時，采用LevelSCOUT水位溫度傳感器對龍泉、神泉和生活用水井的水位進行實時監(jiān)測，并通過BaroSCOUT大氣壓力傳感器對大氣壓力進行補償。其中，水位傳感器測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-祈雨泉連線中點之間的垂直距離，m。

2.2 泉/井流量監(jiān)測

分別利用祈雨泉在北石窟停車場預(yù)留的接水口、魚泉在山門北側(cè)管道中的溢流井進水口、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點對魚泉、魚泉東北角龍頭、祈雨泉的排泄量進行監(jiān)測。以量杯接取容量相近的水進行稱重，通過接水時間測算當(dāng)天的流量，泉/井流量的計算如式(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

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5處泉/井水樣進行了離子檢測，并對水樣的溶解性總固體、總堿度、總硬度、CO2侵蝕性及pH值進行測試。

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研究所工作人員人工測量記錄。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，8月份降水量高達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，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，降水量促進水位的上升，是導(dǎo)致夏季水位波動式變化的主要原因。此外，降水量對龍泉水位的促進作用雖然存在，但對應(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)對祈雨泉、魚泉及魚泉東北側(cè)龍頭處的流量監(jiān)測及計算，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月流量波動較大，呈增高的趨勢(見圖 8)。

北石窟寺6—8月雨季的到來是流量波動的主要原因，祈雨泉和魚泉接受了直接和間接的降雨補給導(dǎo)致流量增大。與此同時，祈雨泉的補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 降雨補給滯后效應(yīng)

根據(jù)試驗結(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。7月18日18∶51雨強峰值后，水位于19日7∶00達到了最高；而8月23日11∶56雨強峰值后，水位于24日1∶00達到了最高，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，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)生于降雨補給基巖及水分沿基巖裂隙向窟區(qū)運移的時間差。

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。

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/井的主要補給源為覆鐘山基巖裂隙水，但山體黃土覆蓋層達100 m以上，溫度對其滲透性的影響較小。因此，泉/井的補給量并沒有因為冬季溫度低而發(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。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)出波動上升的趨勢。

4.3 水環(huán)境對石窟風(fēng)化的促進

根據(jù)基于熱紅外成像(FLIR T660)的降雨過程中雨水對崖面沖刷范圍的調(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上升造成的威脅(見圖 12)。

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

根據(jù)2019年8月15日的現(xiàn)場測量，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)晶情況可知毛細上升高度為2.95 m；265窟地面明顯嚴重潮濕，且窟內(nèi)南壁附近的砂漿抹面立柱毛細上升高度為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)化明顯比上部嚴重，可見北石窟寺砂巖造像風(fēng)化與地下水毛細上升有著密不可分的關(guān)系。

5 結(jié)論

本文基于對慶陽北石窟寺的降水監(jiān)測、泉/井水位及流量監(jiān)測，并結(jié)合水質(zhì)檢測，對北石窟寺以降水和地下水為代表的水環(huán)境特征進行了分析及討論，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，但地下水的毛細上升和雨水沖刷等均對砂巖崖體及造像的保存造成威脅。

致謝：在現(xiàn)場調(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)勘查院中心實驗室在水質(zhì)檢測方面的協(xié)助和支持，在此一并表示最真摯的謝意。