王順仁,李紅壽,鞏一璞,詹鴻濤,王小偉,李菲

[1. 敦煌研究院敦煌石窟監(jiān)測中心,甘肅酒泉 736200; 2. 國家古代壁畫與土遺址保護(hù)工程技術(shù)研究中心(敦煌研究院),甘肅酒泉 736200;3. 甘肅莫高窟文化遺產(chǎn)保護(hù)設(shè)計咨詢有限公司,甘肅酒泉 736200; 4. 甘肅省敦煌文物保護(hù)研究中心(敦煌研究院),甘肅酒泉 736200]

0 引 言

敦煌莫高窟是著名的世界文化遺產(chǎn),至今仍保存有洞窟735個,其中保存有精美壁畫的洞窟492個,壁畫面積45 000 m2,彩塑2 415身,是世界上規(guī)模最大,保存最完整的佛教藝術(shù)寶庫,具有極高的歷史、藝術(shù)及科學(xué)價值[1]。受自身泥質(zhì)材質(zhì)和自然環(huán)境因素的影響,歷經(jīng)千年的壁畫產(chǎn)生了酥堿、皰疹、起甲、空鼓、褪色等多種病害。為了更好地保護(hù)洞窟壁畫,減緩壁畫劣化過程,保存其完整性,學(xué)者專家針對莫高窟的壁畫病害的形成機(jī)理和治理進(jìn)行了研究。郭宏研究發(fā)現(xiàn),地仗中鹽分頻繁的溶解-結(jié)晶是造成酥堿病害主要根源[2-3]。靳治良研究證實鹽的結(jié)晶是壁畫病害產(chǎn)生的主要原因[4]。陳港泉通過莫高窟壁畫中可溶鹽分的構(gòu)成[5-6]、分布規(guī)律[7-9]和危害機(jī)制的研究表明,水分能將大量的可溶鹽帶入壁畫地仗層,水分蒸發(fā)引起鹽分結(jié)晶,可導(dǎo)致病害的形成。

眾多學(xué)者研究表明,莫高窟壁畫病害的產(chǎn)生,水分是關(guān)鍵因子[10-14]。在壁畫劣化過程中,水分是主要參與因子和最活躍的關(guān)鍵元素。水分的蒸發(fā)會引起洞窟圍巖及地仗層中鹽分遷移和積累。與此同時,圍巖體和地仗層中的易溶鹽在水和水汽的參與下會發(fā)生溶解,結(jié)晶過程破壞壁畫使其產(chǎn)生病害。郭青林對莫高窟洞窟水鹽來源進(jìn)行了深入研究[15];楊善龍對洞窟圍巖水鹽分布進(jìn)了調(diào)查研究[16-17];周啟友基于電阻率成像法對莫高窟墻體內(nèi)水鹽運(yùn)移過程進(jìn)行了分析[18];李紅壽等通過莫高窟外圍的戈壁拱棚和空調(diào)冷凝實驗[19]證明在潛水埋深超過200 m的戈壁區(qū)存在潛水蒸發(fā);并應(yīng)用封閉凝結(jié)的方法對72窟、B132窟水分蒸發(fā)和來源進(jìn)行了研究[20-21],專門應(yīng)用氫氧穩(wěn)定同位素示蹤原理[22]證明莫高窟戈壁土壤和洞窟水分來自地下潛水,洞窟存在圍巖水分向洞窟內(nèi)的水分運(yùn)移與蒸發(fā);同時,最新研究發(fā)現(xiàn)地氣活動對戈壁潛水蒸發(fā)的形成有至關(guān)重要的作用[33]。地氣是指土壤內(nèi)的空氣[33],在本研究中指包括洞窟空間在內(nèi)的圍巖內(nèi)的空氣。

莫高窟壁畫病害現(xiàn)狀調(diào)查表明,下層洞窟病害最為嚴(yán)重,其次是上層洞窟,中間洞窟相對保存較好[3,15,26]。了解不同高度/層位的洞窟水分來源、蒸發(fā)狀況,確定水分與洞窟病害的關(guān)系對壁畫保護(hù)非常關(guān)鍵。72窟洞窟蒸發(fā)水分收集與監(jiān)測表明,窟內(nèi)存在來自深層的潛水蒸發(fā)。在規(guī)避太陽輻射后,日尺度上窟內(nèi)水分蒸發(fā)呈線性特征[20]。莫高窟72窟位于南區(qū)下層,洞窟為覆斗狀中型洞窟。本次專門選擇莫高窟北區(qū)崖面中部的B113禪窟為實驗洞窟,且在形狀、位置、空間結(jié)構(gòu)上與72窟有明顯的區(qū)別。若進(jìn)一步對洞窟內(nèi)圍巖水在年尺度和日尺度上蒸發(fā)特征及蒸發(fā)數(shù)量進(jìn)行研究掌握其規(guī)律,對全面了解莫高窟洞窟水分來源與活動規(guī)律有重要意義,并將為莫高窟及其他石窟群壁畫水-鹽病害預(yù)防性保護(hù)提供科學(xué)基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)域與洞窟概況

敦煌莫高窟位于河西走廊最西端,位于中國西北內(nèi)陸干旱的戈壁沙漠區(qū)(40°02′14″N,94°47′38″E)。受到蒙古高壓的影響,氣候干旱,降水量少,是典型的沙漠氣候特征。年平均溫度11 ℃,年平均相對濕度(RH)32.2%[23]。年降水量42.2 mm,太陽輻射強(qiáng)度可高達(dá)1.1 kW/m2,年日照時數(shù)3 257.9 h[24],海拔1 320～1 380 m。

莫高窟開鑿于大泉河河谷西岸,崖壁呈南北走向,長約1 680 m。崖體高度一般為30～45 m。洞窟分布在第四紀(jì)酒泉礫巖組成的崖體中。酒泉砂礫巖中大于2.0 mm的礫石組分約50%～60%,2.0～0.1 mm的砂粒組分約12%～30%,小于0.1 mm的粉粒約占10%～15%。砂礫石的空隙度為25%～30%[30]。礫石的分選性較差,磨圓度為次棱角狀,膠結(jié)物以鈣質(zhì)、泥質(zhì)為主[27]。該區(qū)潛水埋深超過200 m,潛水的長期蒸發(fā)使洞窟圍巖0～40 cm富含鹽分[16]。

莫高窟南區(qū)為禮佛區(qū),幾乎所有洞窟都有壁畫彩塑。北區(qū)洞窟多為僧人生活洞窟、禪窟和瘞窟[25],除個別洞窟內(nèi)含有壁畫,其他無壁畫。北區(qū)B113窟位于崖面中上層,窟口無門?？邇?nèi)無地仗層、壁畫和彩塑,是一個6室禪窟,呈對稱分布(圖1)。洞窟距地面約7.0 m。石窟所在的崖面呈臺階形狀。由于下層洞窟較小,深度較淺,B113窟坐落于實體巖石之上。

2 研究方法

實驗在莫高窟B113中室安裝了冷凝除濕機(jī)(川島ZD-8138C,除濕機(jī)最低可除濕濕度為30%)和1臺5 kW空調(diào)(KFR-120LW 12568LAL-HN5),并用厚度為0.12 mm的聚氯乙烯塑料膜和瓷白膠雙層封閉洞窟。當(dāng)窟內(nèi)濕度達(dá)到除濕機(jī)設(shè)定的工作值時(RH>30%)冷凝自動開啟,冷凝水通過排水管導(dǎo)出洞窟,用密封的水桶袋承接,收集圍巖蒸發(fā)水分。空調(diào)在試驗期間為了驗證溫度對洞窟蒸發(fā)水分凝結(jié)的影響,2014～2015年設(shè)定工作溫度為16 ℃,2020在8月設(shè)定為18 ℃。窟內(nèi)溫度超過預(yù)設(shè)值則自動開啟。洞窟內(nèi)蒸發(fā)水的冷凝收集從2014開始。2014～2016年由人工每天(9∶30)一次稱重,記錄統(tǒng)計蒸發(fā)量。在2020年時,窟門外安裝了智能定時記錄電子桌秤(型號為昆山巨天WN-Q20S-DS,精度0.1 g),每1 min一次對洞窟蒸發(fā)規(guī)律進(jìn)行全天候監(jiān)測。通過電子稱自動稱重,不間斷實時測量和記錄凝結(jié)水分的數(shù)量,即凝結(jié)量等于蒸發(fā)量。通過B113窟在2014、2015、2016、2020、2021年5年的洞窟蒸發(fā)量和洞窟溫濕度變化監(jiān)測,對其年蒸發(fā)和日蒸發(fā)規(guī)律進(jìn)行分析。

初步推斷圍巖水分的蒸發(fā)主要集中在后室西壁[9,15-16,18]。因此在B113窟后室西壁中部位置直徑10 cm深200 cm的鉆孔中,深度20、50、100、150、200 cm和中室室內(nèi)、窟外安裝了S-TMB-M002溫濕度傳感器(美國產(chǎn),工作溫度為-40～75 ℃范圍,在0～50 ℃時,精度±0.21 ℃,分辨率0.02 ℃;在10%～90%RH時,精度±2.5%,分辨率0.1%)和大氣壓變送儀(型號HD9408T,意大利產(chǎn),工作溫度-30～60 ℃,測量范圍600～1 100 hPa,精度20 ℃時,±0.4 hPa)。鉆孔內(nèi)用泡沫材料填充,洞口用澄板土密封。由于洞窟圍巖水分蒸發(fā)主要受溫度影響,為了監(jiān)測洞窟空間結(jié)構(gòu)上由里到外溫度的梯度變化,在窟外崖體圍巖表面(A)、中室東壁圍巖50 cm深處(B)、中室(C)、中室西壁(D);后室(E)、后室西壁(F)鉆直徑2 cm深10 cm孔洞安裝HOBO(U23-002A)溫濕度傳感器(美國產(chǎn),工作溫度為-40～75 ℃范圍。在0～50 ℃時,精度±0.21℃;在10%～90%RH時,分辨率為±2.5%;在25 ℃時,分辨率±0.02 ℃),并用瓷白膠封閉孔洞。通過溫濕度的變化情況分析蒸發(fā)形成機(jī)理。

3 結(jié)果與分析

3.1 洞窟水分年蒸發(fā)特征與形成機(jī)理

3.1.1洞窟水分年蒸發(fā)特征 經(jīng)過5年對B113窟洞窟水分蒸發(fā)量的監(jiān)測,共收集了180 066.6 g。匯總5年洞窟水分蒸發(fā)量的日均值得到B113窟水分年蒸發(fā)量為61 186.3 g,日蒸發(fā)量為229.2 g,如圖2所示,洞窟內(nèi)水分蒸發(fā)趨勢大致呈正弦波動變化。從4月開始,洞窟內(nèi)就可收集到蒸發(fā)水分,6月洞窟水分日蒸發(fā)量突增,日蒸發(fā)量達(dá)到了340.1 g,隨后恢復(fù)穩(wěn)定。7、8月洞窟水分日蒸發(fā)相對穩(wěn)定,水分蒸發(fā)總量占全年中最大,日蒸發(fā)量為336.1 g。9月開始隨著氣溫的下降至11月底,窟內(nèi)水分蒸發(fā)量呈下降趨勢,一直到12月底,洞窟內(nèi)水分蒸發(fā)停止。

受開啟時間、停電和設(shè)備故障等影響,每年的監(jiān)測并不完全,各年份的蒸發(fā)量和相應(yīng)的日蒸發(fā)量如表1所示。對比同期8月蒸發(fā)量發(fā)現(xiàn),空調(diào)設(shè)制在16 ℃時,與無空調(diào)開啟溫度較高時相比,蒸發(fā)量降低了2 097 g。說明空調(diào)降溫對潛水蒸發(fā)有一定的抑制作用。在空調(diào)設(shè)制在18 ℃時,洞窟水分的蒸發(fā)量明顯要高于16 ℃時的數(shù)量,增大了3 040 g。但與無空調(diào)開啟溫度較高時相比,蒸發(fā)量反而略有增大(增加943 g)。監(jiān)測表明,18 ℃控溫只對圍巖淺層(20 cm)處有影響,對深層圍巖溫度幾乎無影響,深層水汽可通過擴(kuò)散和地氣活動穿過20 cm溫度穩(wěn)定層,仍形成較強(qiáng)蒸發(fā)。如2020年8月份,人為開啟空調(diào)將溫度設(shè)制在18 ℃,但窟內(nèi)平均溫度仍在20.28 ℃(2016、2020、2021年洞窟同期溫度見表1),較7月和9月平均值,窟內(nèi)溫度低了7.37 ℃,圍巖20 cm低了2.09 ℃,50 cm低了0.91 ℃。但20 cm處RH升高了1.29%,50、100、150、200 cm的RH幾乎不受影響。關(guān)閉空調(diào)后,圍巖溫度和AH又整體上升,圍巖20 cm處的RH下降1.22%;蒸發(fā)量較同期空調(diào)未開啟時增大了30.4 g/d。當(dāng)然,蒸發(fā)量還受年際溫度差異和同期地氣波動程度的影響有關(guān),空調(diào)對蒸發(fā)的影響程度還有待進(jìn)一步研究。

表1 B113窟水分年蒸發(fā)/凝結(jié)量Table 1 Annual evaporation amount in Cave B113

3.1.2洞窟水分年蒸發(fā)形成機(jī)理 在B113窟封閉的條件下,通過對洞窟內(nèi)外及后室西壁圍巖不同深度處5年的監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)其年變化趨勢基本一致。相較于其他幾年的數(shù)據(jù),2016年的溫濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)相對較完整(未開啟空調(diào)),其溫度、RH、絕對濕度(AH)、氣壓變化分別如圖3(a、b、c、d)所示。根據(jù)該代表性數(shù)據(jù)的季節(jié)變化(月份)對形成機(jī)理進(jìn)行分析。

圖3 2016年B113窟圍巖內(nèi)溫度(a)、RH(b)、 AH(c)、氣壓(d)的變化Fig.3 Changes of temperature (a), RH (b), AH (c), air pressure (d) in Cave B113 in 2016

從2月開始,受窟外氣溫升高的影響,洞窟內(nèi)的溫度、RH和AH增大。說明隨著洞窟圍巖溫度的升高,圍巖內(nèi)結(jié)合水分(吸濕吸附水分、結(jié)晶水分和膜狀水)開始分解,使得洞窟RH和AH增高。此時圍巖20 cm以內(nèi)的溫度受溫度遲滯影響仍在下降,圍巖不同深度的RH、AH也都在降低。

3月,隨著窟外氣溫的持續(xù)升高,洞窟中室和后室西壁圍巖20 cm處的溫度升高(圖3a),圍巖20 cm和50 cm的RH、AH升高;RH飽和的100、150、200 cm處溫度還處于降低階段?？邇?nèi)AH增大,說明隨著窟內(nèi)溫度的升高,圍巖內(nèi)結(jié)合水分由淺及深分解蒸發(fā),洞窟內(nèi)AH持續(xù)升高。到4月變化更為明顯,此時窟內(nèi)溫度達(dá)到了15 ℃,圍巖不同深度的溫度發(fā)生逆轉(zhuǎn),淺層溫度高于深層溫度。與3月相比窟內(nèi)溫度升高了2.49 ℃,20、50、100 cm的圍巖溫度隨著窟內(nèi)溫度的升高上升1～2 ℃,AH升高0.3～1 g/m3。而150、200 cm的圍巖AH降低到了極低值。此時洞窟內(nèi)能收集到水分,說明在窟內(nèi)溫度升高和熱能傳導(dǎo)作用下,圍巖內(nèi)結(jié)合水持續(xù)分解,蒸發(fā)水分進(jìn)入洞窟,達(dá)到了除濕機(jī)開啟的濕度30%。

受外界自然氣溫升高的影響,窟內(nèi)的溫度仍在持續(xù)升高,5月窟內(nèi)及圍巖不同深度的溫度、RH、AH都在升高,窟內(nèi)溫度的升高促使圍巖的結(jié)合水大范圍分解,窟內(nèi)AH增加(圖3c)。6月從圖2中可看到洞窟出水量劇增,這與圍巖深層冬季蓄存較厚薄膜水分有關(guān)[21]。且圍巖100 cm處的AH增幅要高于其它深度。7～9月圍巖溫濕度最高,水分蒸發(fā)處于較高水平(圖2)。因此,夏季洞窟水分蒸發(fā)量最大。

9月,窟外溫度下降(圖3a),窟內(nèi)溫度、RH和AH降低,水分蒸發(fā)量減小。由于圍巖溫度遲滯效應(yīng)(圖3b、3c),圍巖溫度、RH、AH繼續(xù)升高至全年中最大值。10月至11月,隨著窟外溫度的下降,窟內(nèi)及圍巖溫度、RH、AH,由淺及深下降,水分蒸發(fā)量持續(xù)下降。至12月底到來年2月,淺層圍巖溫度持續(xù)下降和吸濕吸附水分,使洞窟內(nèi)的RH低于除濕機(jī)開啟的閾值,除濕機(jī)收集不到凝結(jié)水分。同時,從圖3中可以看到,除濕機(jī)的開啟和關(guān)停可引起窟內(nèi)及圍巖一定程度的溫濕度波動。1～3月洞窟內(nèi)應(yīng)該也有少量的擴(kuò)散水分蒸發(fā),但濕度未達(dá)到除濕機(jī)工作的條件,未能收集到水。4月溫度較低,窟內(nèi)濕度處于除濕機(jī)工作的臨界值附近,收集的凝結(jié)水不連續(xù)。

總之,圍巖溫度決定著孔內(nèi)和圍巖的RH和AH的高低,存在物理熱力學(xué)相關(guān)機(jī)制,對蒸發(fā)量有決定性影響。

氣壓變化如圖3d所示,窟內(nèi)與圍巖不同深度的氣壓同步波動,整體冬季較高夏季較低。大氣壓波動引起圍巖內(nèi)地氣運(yùn)移,地氣運(yùn)移引起了圍巖內(nèi)20 cm和50 cm的RH(圖3b)、AH(圖3c)的同步波動,但波動方向與大氣壓相反。當(dāng)大氣壓下降時,地氣上升,圍巖內(nèi)潮濕地氣向外運(yùn)移;當(dāng)大氣壓上升時,外部干燥空氣進(jìn)入圍巖,圍巖內(nèi)濕度下降。因此,圍巖內(nèi)濕度與大氣壓同步波動,波動方向相反[33]。根據(jù)蒸發(fā)量(E)計算公式[33]:

E=ΔV×AH

(1)

式中,ΔV為地氣呼出量。因此,地氣流量對蒸發(fā)有決定性的影響。

ΔV=tnΔP/P2

(2)

式中,n為孔隙度;t為包氣帶厚度;ΔP為體積V1時地氣氣壓與體積V2時地氣氣壓的差;P2為體積V2時地氣氣壓。在這里洞窟圍巖砂礫巖孔隙度取0.25,厚度取200 m。側(cè)向圍巖相當(dāng)于地表的變形,同樣存在地氣活動。根據(jù)公式(2),大氣壓波動幅度、包氣帶厚度和孔隙度與地氣流出量成正比。在莫高窟導(dǎo)致背景下,包氣帶厚度和孔隙度是一定的。因此,該區(qū)大氣壓的波動幅度決定著地氣的流出數(shù)量。從圖3d中看到,全年大氣壓波動幅度和頻率全年基本一致的情況下,地氣的流出數(shù)量大致相同,但因流出地氣的水汽濃度不同,導(dǎo)致了全年蒸發(fā)量的正弦曲線變化。因此,洞窟圍巖溫度決定了圍巖內(nèi)的AH,進(jìn)而主導(dǎo)了年正弦蒸發(fā)特征和蒸發(fā)量。

3.2 洞窟水分日蒸發(fā)特征與形成機(jī)理

3.2.1洞窟水分日蒸發(fā)特征 B113窟位于崖面上層,受外界氣溫和太陽輻射強(qiáng)度的日變化都會引起洞窟外圍巖和窟內(nèi)的溫度變化,從而影響洞窟水分日蒸發(fā)。在封閉情況下,窟內(nèi)(中室)溫度相對穩(wěn)定,年平均日溫度變化為0.1 ℃。B113窟2020年10～12月和2021年5～9月的日水分蒸發(fā)量如圖4所示(4月不連續(xù)、不穩(wěn)定未計入)。

圖4 洞窟水分蒸發(fā)凝水量日變化Fig.4 Diurnal changes in the amount of water evaporation and condensation in the cave

洞窟水分日蒸發(fā)量為229.2 g,水分蒸發(fā)與窟內(nèi)溫度變化趨勢一致。7∶00～12∶00迅速上升,12∶00～23∶00下降,夜間也有持續(xù)水分蒸發(fā),它們是深層圍巖水汽通過濕度梯度擴(kuò)散來實現(xiàn)蒸發(fā)的,蒸發(fā)量大致呈正弦曲線變化規(guī)律。洞窟圍巖和窟內(nèi)溫度日變化如圖5a所示,具體蒸發(fā)形成機(jī)理分析如下。

圖5 B113窟崖體圍巖窟內(nèi)溫度、RH、AH、凝水量日變化(A的數(shù)值按次Y軸變化)Fig.5 Daily variations of temperature, RH, AH, condensation amount in surrounding rock of Cave B113

3.2.2洞窟水分日蒸發(fā)形成機(jī)理 B113窟在封閉的狀態(tài)下,窟內(nèi)的溫度會隨著窟外溫度以及洞窟崖體圍巖太陽熱輻射能量傳導(dǎo)而呈現(xiàn)穩(wěn)定的周期性變化。洞窟內(nèi)水分日蒸發(fā)的能量主要來自于通過崖體圍巖向窟內(nèi)傳導(dǎo)的太陽熱輻射。洞窟處于一個南北走向的西部崖面上,早晨受太陽的直接輻射,午后處于崖面的蔭影之中。太陽的直射高度不同,太陽熱輻射的能量也有差異,從而使窟內(nèi)日溫度發(fā)生變化。

選取2021-6-25至2021-7-1的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計,圖1中監(jiān)測位置的溫度、RH、AH、氣壓及同期凝水量如圖5所示。

從圖5a中可以看到,洞窟東壁圍巖表面在太陽的直接輻射下,圍巖溫度隨著時間的變化存在明顯的規(guī)律性變化。從7∶00～13∶00溫度迅速上升至最大值,隨后開始下降,下降幅度較大。到凌晨6:00逐漸降至最低。洞窟中室東壁厚度約1 m,在其深度50 cm處監(jiān)測發(fā)現(xiàn),中室東壁溫度在7∶00～14∶00一直呈上升趨勢,圍巖熱能傳導(dǎo)是一個緩慢的過程,此時中室東壁主要是受窟內(nèi)溫度的影響而變化。中室室內(nèi)溫度從7∶00～13∶00時呈上升趨勢,變化幅度約0.3 ℃,然后開始下降至凌晨6∶00,與窟外圍巖溫度變化相似,但總體溫度受窟內(nèi)溫度的升高變化呈上升趨勢。中室西壁和后室室內(nèi)溫度與中室東壁同樣受窟內(nèi)溫度的影響呈上升的趨勢。后室西壁的溫度變化(圖5a)和窟外圍巖表面溫度的變化一致。溫度變化對比中,中室室內(nèi)溫度高于其他各壁,從空間結(jié)構(gòu)上對比,從前往后依次降低,溫度變化對洞窟圍巖水分蒸發(fā)有很大影響。

從圖5b、5c中可以看到,隨著東壁圍巖表面溫度的升高,圍巖表面RH降低,AH增大。在其深度50 cm處RH、AH同時增大。中室室內(nèi)、西壁和后室的RH由于除濕機(jī)的工作,變化相對穩(wěn)定,但AH都增大。后室西壁的變化較為明顯,受東壁圍巖表面溫度變化影響,溫度升高,RH、AH降低。溫度降低,RH、AH增大。從圖5中看到,東壁圍巖表面和后室西壁的RH、AH變化存在明顯的規(guī)律性變化。從空間結(jié)構(gòu)上對比,洞窟內(nèi)RH、AH,從前往后整體依次增大,表明西壁向內(nèi)存在水汽向外(除濕機(jī))流動的濕度梯度。

因此,洞窟內(nèi)靠近崖面的圍巖整體溫度和AH隨太陽輻射的增強(qiáng)而升高,隨日輻射的減弱和消失而降低,呈周期性變化。而大氣壓呈較為典型的雙峰型變化,2020年的氣壓日變化如(圖6)。

圖6 B113洞窟內(nèi)大氣壓日變化Fig.6 Changes in daily atmospheric pressure in Cave B113

在大約5∶00～10∶00大氣壓升高時,窟外大氣通過圍巖進(jìn)入窟內(nèi),此時東壁圍巖內(nèi)的高濕水汽帶入窟內(nèi)被除濕機(jī)吸收。10∶00～17∶00大氣壓下降,西壁潮濕地氣流出,導(dǎo)致西室濕度(圖5b、5c)隨地氣波動,造成蒸發(fā)量并沒有隨東壁午后劇烈溫度的下降而迅速減小,而隨地氣流出仍保持較高的蒸發(fā)水平(圖5d)。17∶00～23∶00,中室室內(nèi)和后室西壁的RH與AH變化隨地氣氣壓的升高而降低,即窟內(nèi)干燥空氣在壓力作用下進(jìn)入圍巖,蒸發(fā)量急劇下降;24∶00～6∶00,當(dāng)氣壓降低時,潮濕地氣流出,部分被除濕機(jī)吸收,部分被溫度下降的圍巖(主要是外圍的東壁圍巖)吸收,圍巖吸收的水分用于次日升溫蒸發(fā)。因此,窟內(nèi)存在一個水分內(nèi)循環(huán)。也就是,若無地氣活動影響,僅靠圍巖水汽擴(kuò)散,蒸發(fā)量將完全隨東壁溫度和AH變化;若無日溫度波動影響,蒸發(fā)量將完全隨地氣活動。溫度決定AH,即水汽濃度,大氣壓波動幅度決定地氣呼出的氣體數(shù)量(ΔV),根據(jù)計算公式(1),它們的共同作用決定著蒸發(fā)量。從圖5b、5c中可以看到,由于外部干燥大氣的進(jìn)入,使通常隨溫度上升RH和AH都上升的圍巖出現(xiàn)了RH隨著溫度的升高而降低的現(xiàn)象,從一個側(cè)面說明地氣的影響。

單獨(dú)對每個月的日蒸發(fā)量進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)其各有差異。受地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)變化影響,不同月份的日太陽的高度角也都不同,從而決定了地面及崖體太陽熱能量的多少,因此窟外溫度變化和洞窟崖體圍巖所承受的太陽熱輻射量的不同,從而引起洞窟水分日蒸發(fā)量略有不同,但總體的變化趨勢相一致。從圖5中可以看到,12月崖面受太陽熱輻射的影響最大,對蒸發(fā)量的影響更為明顯(圖4)。因此,溫度和大氣波動共同導(dǎo)致年/日蒸發(fā)量呈正弦曲線變化。

4 討 論

莫高窟B113窟能收集水,說明洞窟水分蒸發(fā)具有普遍性,水分蒸發(fā)主要在4～12月,1～3月也可能有微弱的蒸發(fā)。72窟與B113窟相比,72窟位于崖體下層,且有前室較強(qiáng)緩沖和保護(hù),窟區(qū)前有樹林,遮陰較強(qiáng),因此72窟日蒸發(fā)呈直線型變化,無晝夜波動。這也表明窟前高大樹木遮陰可有效降低洞窟水分活動量,有益于壁畫保護(hù)。另外,當(dāng)時未發(fā)現(xiàn)和考慮大氣活動的地氣影響。而B113窟位于崖體中層,洞窟較小,太陽熱輻射較強(qiáng),水分蒸發(fā)會隨著太陽熱輻射強(qiáng)度和窟外大氣溫度的變化而變化。因此,洞窟所處的層位、大小對洞窟水分蒸發(fā)有重要影響。

通過5年的實驗數(shù)據(jù)累計,14～15 ℃可能是洞窟內(nèi)水分蒸發(fā)水分可冷凝收集的臨界溫度。洞窟內(nèi)溫度的升高,會增大洞窟內(nèi)水分蒸發(fā),不利于洞窟壁畫的保護(hù)。洞窟內(nèi)穩(wěn)定的環(huán)境是壁畫長久保存的關(guān)鍵,因此要保持溫度穩(wěn)定。同時,如何規(guī)避圍巖地氣的通過量對洞窟壁畫的保護(hù)十分關(guān)鍵,將進(jìn)一步對其開展研究。

5 結(jié) 論

通過對B113窟封閉洞窟約5年的蒸發(fā)水分冷凝收集和洞窟內(nèi)溫度、濕度和氣壓監(jiān)測,揭示了莫高窟崖面中層小型洞窟在年尺度和日尺度上蒸發(fā)水分的數(shù)量、蒸發(fā)規(guī)律和形成機(jī)理:

1) 洞窟圍巖水分年蒸發(fā)量為61 189.9 g,在年尺度上呈正弦曲線變化,當(dāng)溫度升高,洞窟圍巖的水分蒸發(fā)增加。6～8月洞窟的蒸發(fā)量較大。當(dāng)溫度降低,洞窟圍巖蒸發(fā)量減小,從9月開始洞窟蒸發(fā)量開始減小。從12月中旬至次年3月收集不到冷凝水分。

2) 洞窟圍巖水分蒸發(fā)日尺度平均蒸發(fā)量為229.2 g,7∶00～12∶00迅速上升,12∶00～23∶00下降,夜間也有持續(xù)水分蒸發(fā),隨著窟圍巖溫度的變化也大致呈正弦曲線變化。

3) 溫度和大氣壓波動對洞窟水分蒸發(fā)形成機(jī)制具有決定性的影響。溫度決定蒸發(fā)的水汽濃度,大氣壓波動幅度決定地氣呼出的氣體數(shù)量,它們的共同作用使年蒸發(fā)量和日蒸發(fā)量都呈正弦特征變化。圍巖溫度的差異導(dǎo)致洞窟內(nèi)存在水汽小循環(huán)。