莫高窟洞窟自然通风测试研究

王江丽 闫增峰 王旭东 张正模 尚瑞华 许江涛 高文强

内容摘要：为了研究莫高窟洞窟内微气流的运动规律，2014年9月对第131窟、第138窟及第172窟的窟内温湿度及气流速度进行了测试。测试结果显示：洞窟内气流速度分布范围为0.15-0.3m/s，与温差呈正比，与距门的距离呈反比;夜间，洞窟内气流分布具有特殊性。本研究初步验证了洞窟内气流符合热压通风原理，并提出了洞窟内通风有可能还受莫高窟周边自然环境影响的猜想。

关键词：敦煌莫高窟;自然通风;现场测试

中图分类号：P854.3  文献标识码：A  文章编号：1000-4106（2015）04-0121-06

Test Research on the Natural Ventilation of

the Mogao Grottoes

WANG Jiangli1，2  YAN Zengfeng1 WANG Xudong3，4 ZHANG Zhengmo3

SHANG Ruihua1 XU Jiangtao1 GAO Wenqiang3

（1. Xi？蒺an University of Architecture and Technology， Xi？蒺an， Shaanxi 710055;

2. Henan University of Science and Technology， Luoyang， Henan 471003;

3. Conservation Institute， Dunhuang Academy， Dunhuang， Gansu 736200;

4. School of Civil Engineering & Mechanics， Lanzhou University， Lanzhou， Gansu 730000）

Abstract： In order to study the laws of the micro airflow in the caves of the Mogao Grottoes， the temperature and humidity of the air and the airflow velocity in caves 131， 138， and 17 were tested in September 2014. The results show that the principal velocity range is between 0.15m/s and 0.3m/s， which are in direct proportion to the temperature difference and in inverse proportion to the depth. There is further a special airflow distribution inside the cave at night. The research preliminarily verifies that the law of micro airflow in the Mogao Grottoes conforms with the model of natural ventilation by buoyancy and helps with a conjecture that the micro airflow in caves may also be affected by the natural surroundings of the site.

Keywords： DunhuangMogao Grottoes; natural ventilation; in situ test

0  引  言

莫高窟位于鸣沙山东麓，东南邻三危山，北边隔14km的戈壁滩与敦煌绿洲相望。鸣沙山与三危山东西相邻，地质情况却截然相反。东南侧三危山地质以石为主。鸣沙山西麓地质以流沙为主，沙质较细，随风流动，山无定形，著名的月牙泉景区即位于鸣沙山西麓;鸣沙山东麓地质以砂砾岩为主，崖体较为坚实，但又较三危山地质松软，便于开凿。莫高窟位于鸣沙山东麓的西壁上，南北延伸一千多米，窟前有防沙林带。

1  研究现状

洞窟内温湿度环境及气体流动状况直接影响壁画、雕塑等文物的保存，对壁画保护至关重要。现在壁画出现的各种病害[1]，归根结底都是由于洞窟内温湿度变化所引起的[2]。研究表明，洞窟内空气相对湿度的临界值为62%，超过该值越多，超过该值的时间越久，都会增加壁面吸放湿程度，从而增加潜在危害的风险[3]。国内外学者对洞窟内温湿度及其影响因素作了大量研究。现在普遍认为影响洞窟内温湿度的两个主要因素是：1.岩体内

有水[4-7]，通过岩体向洞窟内散湿;2.大气降水通过窟门向洞窟内传递湿量，尤其是敦煌出现的强降雨天气[8，9]，降雨对洞窟内温湿度的影响更明显。

洞窟内外的热湿传递途径可通过热传导、湿扩散实现，也可通过窟内外空气交换实现。热量传导及质量扩散普遍存在于自然界中，在宏观世界可以忽略不计。

张国彬等人对莫高窟10个典型洞窟的窟内外空气交换率进行了测试，测得被测洞窟的空气交换率，并推断窟内外温差是引起窟内外空气交换的主要原因[10]。

除了洞窟内外空气交换率以外，在内外空气交换时洞窟内微气流的运动规律更能从原理上诠释引起洞窟换气的机理，从而对洞窟形制、门的封闭形式提出指导性的建议。目前国内外对气流状态的定量研究较少，因此本文拟从微气流运动规律的角度进行研究。

2  现场测试

2.1 测试对象

选择莫高窟第131窟、第138窟、第172窟进行窟内微环境的测试。3个洞窟均位于莫高窟南区第二层，从南至北依次为第131窟、第138窟、第172窟。3个洞窟形制基本相似，均由部分前室、甬道及主室构成。从洞窟尺寸上分，第131窟为小型洞窟，主室尺寸约为3m×3.2m;第172窟为中型洞窟，主室尺寸约为4.8m×5m;第138窟为中型偏大洞窟，主室尺寸约为15.6m×12.6m。洞窟坐西向东，即窟门位于洞窟东壁，佛龛位于洞窟内西壁。

2.2 门的形式

莫高窟洞窟现有两种形制的门，一种为早期的木门、窗（见图1），门的密闭性差，窗多为镂空格窗[11]，利于窟内外气体交换;一种为现代的铝合金门（见图2），密封性好，上下有常开通风换气的百叶窗，出于防砂功能，百叶窗后侧设有防沙网，这种门窗构造使换气阻力较大。第131、172窟均为现代铝合金门，第138窟为传统木门窗。

2.3 测试仪器

测试于2014年9月13日至2014年9月24日进行，在洞窟内安设9—11个温度块，6—8个风速传感器，测试自窟门向洞窟西壁各测点的温湿度及气流速度;洞窟外布一个风速传感器，测量正对窟门方向的气流。

2014年9月13日17：51至15日9：03，对第131窟进行了空气温湿度、气流速度的测试。测试结果显示：洞窟中各个测点气流都比较微弱，2号测点在整个测试时段内偶尔能测到0.15m/s的气流速度，证明窟内外有气体交换，但交换量不大;4号测点仅在白天能测到微弱气流，其余测点基本测不到气流速度。测点分布及测试结果见图3—5。

2014年9月17日17：29 至18日17：48，对第172窟进行了空气温湿度、气流速度的测试。测试结果显示：1、2、3号测点均在日间测到气流，夜间未测到气流，且三个测点的变化趋势相似;4号测点未测到气流，6号测点持续测到气流，但气流较弱;8号测点仅在夜间测到明显气流，且气流较强。测点分布及测试结果见图6—8（测点记录时间为每5秒记录一个数据，由于测点过密，图示不清晰;对数据进行处理：每4分钟随机选取一个数据，便于图示，同时仍然反映时间间隔为5秒的气流速度的变化趋势）。

2014年9月23日11：33至24日14：58，对第138窟进行了空气温湿度、气流速度的测试。测试结果显示：门下百叶窗的2号测点处气流速度最大，甬道3、4号测点处气流速度依次减小，总体来说这三处风速的变化趋势相似;主室中8号测点仅在凌晨测到有风，变化趋势与2、3、4号测点相似，持续时间短;主室内5、6、7号测点基本未测到风速。测点分布及测试结果见图9—12。

总结测试结果如表1所示。

洞窟入口处、前室、甬道及主室的气流有以下规律：

1）窟内外温度基本为大气温度日间高于窟内空气温度，夜间低于窟内空气温度。洞窟内的气体流动速度基本与窟内外温差呈正比，即温差越大，气流速度越大。

2）窟内气流速度在0.15—0.3m/s范围间。

3）窟内气流速度与距窟门的距离呈反比，与空间截面积呈反比。即甬道较窟门通风百叶窗处的气流速度小，持续时间短;甬道较前室、主室气流速度显著。

4）夜间气流分布具有特殊性：第172窟在夜间没有测到气流;第138窟窟内外最大温差夜间为4℃，日间为11℃，但夜间的气体流动更显著。

在第172窟的测试中，窟外设置了测试垂直于窟门方向的气流的测点（5号风速传感器）。图13反映了5号风速传感器的测试结果。分析5号探头及其与窟内探头的测试情况，对比图8和图13，发现窟内无气流的时间与5号探头气流较强的时间吻合。

由图13可知，在0：00—9：00这段时间内，窟外垂直于窟门方向有较为强烈的气流，约为0.6m/s;其余时间窟外垂直于窟门方向的气流较微弱，约为0.2m/s。垂直于窟门的气流在夜间较白天显著，且在夜间总体呈抛物线形状。分析该气流有可能是以下两种：

1）窟前林带与崖体温差引起的林原风。

2）气象站数据表明窟前以南风、北风为主，平行于窟门，使窟前形成负压，抽吸窟内空气向窟外流动，形成自西向东的气流。

但气象风速具有很强的不定性，测点分布应该是随意的，因此原因2）的可能性不大。

日间，受太阳辐射，崖体与窟前林带的温差形成由林带吹向崖体的气流;夜间长波辐射形成由崖体吹向林带的气流。林原风同样与温度相关，在日出、日落时刻崖体与林带的温差小时林园风弱，在凌晨与正午温差大时林原风强，因此林园风的可能性较大。

林原风的存在有可能是引起夜间洞窟内气流产生特殊性的原因。

第138窟为早期木门（图1），气密性差。林原风的渗透深度更深，位于主室的8号测点在夜间也监测到短暂的气流，且气流速度分布与窟外5号测点的测试结果相似（图12）。

4  结论与展望

4.1 结论

本文在对热压通风及林原风理论分析的基础上，分别对第131、138、172窟进行了现场实测，并得出以下结论：

1）洞窟内外空气交换是受热压、洞窟周边环境的综合作用的结果。

2）日间，门上通风口及甬道内的气流速度分布范围为0.15—0.3m/s，与窟内外温差呈正比，基本符合热压通风的规律。

3）日间，窟内气流速度与测点深度呈反比，与空间截面积呈反比;主室内始终未测到气流。

4）夜间，洞窟内气流分布具有特殊性;在木门窗的第138窟主室测到受窟外环境影响的气流。

4.2 展望

洞窟夜间气流的特殊现象与窟外垂直于窟门的0.6m/s的气流是否有直接关系仍待考证。学者利用恒含量示踪气体技术测量风压和热压分别独立的两间房子的空气渗透，发现在低风速（1.5m/s）下主压力仅仅与热压相关[12];并且针对多种不同的窗子研究了热压和风压对流动的影响，从现场测得的换气量数据中，得到通过开着的窗子的有效风速的表达式[12]，同样也证明0.6m/s的风速对窟内气流影响很小，可以忽略不计。

但是实测结果显示，夜间在第172窟通风确实被削弱，而在第138窟通风则得到加强。需进一步研究揭示夜间洞窟内外空气交换的原因，完善洞窟自然通风物理模型，为减小降雨对洞窟微环境影响的保护措施打下理论基础。

参考文献：

[1]王进玉.敦煌莫高窟洞窟现状调查与病害分类[J].敦煌研究，2005（6）：113-117.

[2]陈港泉，苏伯民，等.莫高窟第85窟壁画地仗酥碱模拟试验[J].敦煌研究，2005（4）：62-66.

[3]Systematic Methodology for Sustainable Visitation at the Mogao Grottoes，China[R].敦煌研究院内部研究报告.

[4]郭青林.敦煌莫高窟壁画病害水盐来源研究[D].兰州：兰州大学，2009.

[5]杨善龙.敦煌莫高窟崖体中水、盐分布现状初步研究[D].兰州：兰州大学，2009.

[6]张艳杰.敦煌莫高窟第87窟现状调查和主要病害成因研究[D].兰州：兰州大学，2011.

[7]陈港泉.引起莫高窟第351窟壁画疱疹病害发生的水分来源分析及疱疹病害初步模拟试验[J].敦煌研究，2010（6）：54-58.

[8]张正模，刘红丽，等.突发性强降雨对莫高窟洞窟微环境影响分析[J].敦煌研究，2013（1）：120-124.

[9]王江丽，闫增峰.强降雨天气下的莫高窟洞窟环境调控方案初步研究[J].建筑与文化，2014（3）：58-62.

[10]张国彬，汪万福，等.敦煌莫高窟典型洞窟空气交换速率的对比分析[J].敦煌研究，2009（6）：100-104.

[11]李哲伟.莫高窟洞窟前室对窟内热湿环境调控机理研究[D].西安：西安建筑科技大学，2014.

[12]Hazim B Awbi.建筑通风[M].李先庭，赵彬，邵晓亮，等，北京：机械工业出版社，2011：96.