敦煌莫高窟降雨分布及入渗特征研究

刘洪丽，王旭东，张明泉，郭青林，张正模，王彦武

(1. 敦煌研究院保护研究所，甘肃敦煌　736200； 2. 兰州大学土木工程与力学学院，甘肃兰州　730000；3. 兰州大学资源环境学院，甘肃兰州　730000)



敦煌莫高窟降雨分布及入渗特征研究

刘洪丽1，2，王旭东1，2，张明泉3，郭青林1，张正模1，王彦武1

(1. 敦煌研究院保护研究所，甘肃敦煌736200； 2. 兰州大学土木工程与力学学院，甘肃兰州730000；3. 兰州大学资源环境学院，甘肃兰州730000)

摘要：敦煌莫高窟文物具有唯一性和脆弱性，干燥环境是壁画和塑像长久保存的保障，降雨是病害发生诱因。为了弄清降雨对文物的损害机制，本研究通过气象监测数据分析和野外人工降雨模拟试验，分析莫高窟降雨分布特征和窟顶戈壁降雨入渗和产流规律，为开展洞窟内壁画病害发育机理分析和实施莫高窟洪水风险预控提供理论依据。25年气象监测数据分析表明，莫高窟区域多年平均降水量39mm，集中在5～8月，降雨类型主要为微雨和小雨，频现大于76%，大雨及暴雨均为突发性强降雨，频现仅为1.5%，常常伴随区域洪水的发生。降雨模拟试验结果表明，当平均降雨强度0.75mm/min，降雨历时160min时，入渗湿润锋迁移至深度80cm左右即趋于平衡。但是，高密度电阻率探测表明洞窟地层2～3m处，水分饱和度可达60%左右，极易带动可溶盐向壁画地仗层富集，致使病害发生发展。经计算，窟顶戈壁径流系数0.016，产流能力非常低。区域洪水主要来源于莫高窟周边戈壁及野马山地带降雨汇流。

关键词：莫高窟；降雨；入渗；产流；电阻率

0　引　言

敦煌莫高窟位于甘肃省敦煌市鸣沙山东麓，前临宕泉河，东向三危山。现存洞窟750个，壁画45000m2，彩塑2415尊，是中国也是世界上现存规模最为宏大、保存最为完好的佛教艺术宝库。1987年，经UNESCO审议通过，列入《世界遗产名录》。

一千多年来，莫高窟文物可较好地保存至今，不仅和自身的材质、营造技法息息相关，而且与周边赋存环境密不可分。尽管莫高窟所在区域降水稀少、蒸发强烈，但是一旦暴雨发生，入渗水分将会携带可溶盐沿崖体裂隙和岩土体孔隙运移至壁画地仗层，诱发病害发生发展[1]；超渗水分则汇成地表径流，对崖壁造成冲蚀，甚至伴随着区域性洪水的发生[2]，威胁洞窟内文物安全。为了弄清降雨对文物的损害机制，本研究通过25年气象监测数据分析和野外人工降雨模拟试验，分析莫高窟降雨分布特征和窟顶戈壁降雨入渗和产流规律，为开展洞窟内壁画病害发育机理分析和实施莫高窟洪水风险预控提供理论依据。

1　敦煌莫高窟降水分布特征

为了确保野外模拟试验中降雨参数选取的合理性和科学性，选取莫高窟窟顶气象站1990-2014年降雨监测数据作为基础资料，分析莫高窟区域降雨分布特征。

25年气象监测结果表明，莫高窟所在区域年均温度11.42℃，相对湿度26.37%，风速4.25m/s，潜在蒸发量4347.9mm，平均降雨量39mm，95%以上降雨历时<12h，属于典型的大陆性沙漠气候。参照中国气象局12小时降水量等级划分标准(GB/T28592-2012)，界定降雨量≥0.1mm的降雨为有效降雨，将降雨量划分为五个级别，见表1。有效降水日及大雨、暴雨年际分布特征分别见图1、图2。

表1　降雨量级别划分标准

图1　分级降水日年际分布Fig.1　The inter-annual distribution of grading rainfall days

图2　大雨及暴雨年际分布及降雨历时Fig.2　The distribution and duration of heavy rainfall and storm

从图1可以看出，莫高窟所在区域25年间有效降水日共为382天，降雨类型主要为微雨，频现76.2%，其次是中雨，频现13.6%，大雨和暴雨出现频率最低，仅为1%和0.5%。从大雨及暴雨(图2)降雨历时来看，均为突发性强降雨，其中，2次暴雨集中出现在2011年的4月和6月，日降雨量均大于38mm，洪水漫过窟前河道，对洞窟内文物保存构成了极大的威胁。

2　莫高窟窟顶戈壁降雨模拟试验

2.1试验设计

2.1.1试验区概况试验区位于莫高窟窟顶，距崖壁约1.1km，地理坐标北纬40理坐标北，东经94经坐标北，面积4m×1m，地貌类型为戈壁，地势平坦，无植被覆盖。经钻孔和探井分析[3，4]，洞窟地层2m以上部分含水率<1%，20m以上部分最大含水率24.0%，150m以上没有自由水，主要以水汽的形式存在。

2.1.2试验条件试验设备采用美国农业部(USDA)和美国土壤侵蚀研究所共同研发的振荡式Norton降雨模拟器，采用储水筒供水，喷射装置距地面2.5m，有效降雨面积：1.5降雨面积：降雨强度调节范围为10～100mm/h，运行性能接近自然降雨。

为了降低风沙对试验的影响，降雨模拟器迎风向采用篷布遮挡；为了降低水分侧渗影响，采用铁板对地下10cm以上进行隔挡，试验区末端设置出水孔。试验布设如图3所示。

图3　人工降雨模拟试验布设图Fig.3　The layout of artificial rainfall simulation experiment

2.2测定参数及计算方法

2.2.1测定参数

1) 降雨量(Q/mm)：采用人工雨量筒测定。

2) 产流体积(V/L)：采用集水桶收集表面径流，量筒进行测定。

3) 时间(t/min)：采用秒表分别记录降雨开始、结束时间和产流时间。

4) 含水率(%)：采用TDR测定降雨后湿润区不同高度含水率。

5) 电阻率(Ω)：采用高密度电法仪测定并反演降雨后地层视电阻率分布。

2.2.2参数计算方法

式中，I为平均降雨强度；Q为降雨量，mm；t为降雨时间，min。

式中，R为产流强度，L/min；V为产流体积，L；t为产流时间，min。

式中，Cr为径流系数，小数或百分数；S为试验区汇流面积m2。

3　试验结果

试验过程中，通过测定降雨入渗湿润锋的迁移变化和湿润层的含水率，阐明液态水气入渗特征；通过测定降雨后地层电阻率的分布及变化，根据地层电阻率和水分饱和度的关系，分析气态水汽的迁移特征，阐明水气入渗与壁画病害发生之间的关联。根据窟顶戈壁产流开始时所对应的降雨量确定产流阈值，采用径流系数表征窟顶戈壁的产流能力，分析区域洪水的汇流来源。

莫高窟崖体地层具有各向异质性[5]，降雨入渗遵循非饱和渗透理论。为了更接近自然降雨特点，试验过程中降雨强度设定采用从小到大逐渐递增的方式。降雨量界定条件为大于历年最大有效日降雨量，分析突发性强降雨条件下，窟顶戈壁降雨入渗及产流特征，挖掘洞窟病害发展关联性。

模拟试验时间选在2014年4月22日，并非当地强烈蒸发季节，为了简化分析的复杂性，忽略蒸发对水分运动的影响。

3.1降雨工况

试验过程中，用秒表分别记录降雨强度变换起始时间，并用人工雨量筒每5min测定一次降雨量，三次取平均值作为降雨强度计算基础数据。降雨工况见表2。

表2　降雨工况

3.2水分入渗特征分析

为了分析窟顶戈壁产流前水分入渗特征，从降雨开始至产流时刻，每隔10min测定一次湿润锋迁移深度。为了弄清产流后水分的入渗特征，试验结束后分别测定一次湿润锋迁移深度和湿润区含水率分布。

当降雨历时102min，降雨量为48.14mm时，试验区局部范围出现积水，湿润锋迁移深度约7.2cm；当降雨历时137min，降雨量为85.4mm时，试验区开始产生地表径流；当降雨历时160min，降雨量为121.05mm时，降雨模拟试验停止，湿润锋迁移深度约55cm；试验结束19h后，湿润锋迁移逐渐趋于稳定，深度约80cm。

从图4可知，降雨条件下，莫高窟窟顶戈壁水分运动过程可以分为三个阶段：受控入渗阶段(OA)、积水入渗阶段(AB)和延续入渗阶段(BC～相对平衡)。

图4　湿润锋迁移深度随降雨量变化Fig.4　The variation of rainfall wetting front migration depth with time

降雨初期，受降雨强度和地表结皮的影响，水分湿润锋迁移速率较为缓慢，降雨入渗具有滞后性[6]。随着降雨强度的增大，窟顶戈壁表面形成了相对饱和层，试验区局部出现积水，水分在入渗的同时逐渐汇集形成地表径流，水分运动形式为入渗及产流并存。湿润锋迁移速率较之前逐渐增大，据此推断，窟顶戈壁表层下部沙砾层入渗能力大于结皮表层。

当模拟试验停止，采用TDR自上而下每隔10cm测定一次湿润区含水率，分别为12.7%、13.9%、17.2%、5.9% 、42.8% 、74.1%(图5)。在较高水力梯度的影响下，湿润锋继续向下迁移并逐渐趋于稳定，水分运动形式主要为水汽入渗。

图5　湿润区含水率分布Fig.5　The distributions of water contents in moisture area

为了弄清降雨条件下，窟顶地层深部水汽的迁移变化，采用高密度电阻率法测定地层电阻率分布，根据电阻率的变化规律间接反映水汽的迁移特征[7]。本次测线平行崖壁，测定电极一次性布设，间距0.5m，采用最小二乘法进行反演解析。

图6　电阻率随降雨水汽入渗变化Fig.6　The variation of resistivity with rainfall moisture in filtration

根据电阻率和水分饱和度关系室内测定试验[3]可知，当电阻率为10，当电阻率为饱时，水分饱和度为40%～80%。以50%左右电阻率(水分饱和度约为60%)为基准，降雨结束后5min、3h、4h、19h，电阻率最小值分别出现在深度约2.3m、2.7m、3m、3.3m处(图8)。可见，降雨结束后，除了湿润锋的持续向下移动外，水汽也在继续向深层迁移，莫高窟窟顶地层2～3m范围，水分饱和度可达到60%左右。

从模拟降雨试验区电阻率分布特征可以看出，莫高窟地层电阻率具有明显的分层性，水平方向渗透速率大于垂直方向。由于自然条件下降雨，水分运动方式主要为垂直入渗，据此推断，真实突发性降雨条件下，入渗水汽将会迁移到地层更深处，为可溶盐向洞窟壁画层迁移提供了媒介，从而引发病害发生发展。

3.3降雨产流特征分析

径流系数(Cr)是径流量占总降雨量的比例，用来说明降水量中有多少水变成了径流，可以用来描述窟顶戈壁的产流能力。

实验过程中，从产流开始，每隔2min测定一次产流体积。当降雨历时137min，平均降雨强度为0.62mm/min时，窟顶戈壁开始产流，试验停止，产流量共为7.652L(图6)，经计算，径流系数为0.016(图7)。可见，强降雨条件下，窟顶戈壁产流能力远远小于入渗能力，水分的运动方向主要为地层入渗，窟前河道洪水主要来源于周边地带的降雨汇流。

图7　降雨产流随时间变化Fig.7　The variation of runoff with time

图8　产流强度及径流系数随时间变化Fig.8　The variation of runoff intensity and coefficient with time

4　讨论及结论

4.1讨论

从降雨结束后5min，3h，4h和19h地层电阻率变化可知，随着水汽持续入渗，基准电阻率(最小电阻率)逐渐下移。但是，测试区域下部地层电阻率却在19h后出现了逐渐增大的变化趋势。考究其原因，可能主要是由蒸发所引起的，因为降雨后4h～19h期间，刚好是当日20点至次日11点的晚间阶段，外界温度较白天比较低，蒸发比较弱，在水力梯度的影响下，深层水汽继续下移。但上午11点之后，外界大气环境温度开始升高，在温差的作用下，地层深处水汽逐渐上移蒸发。可见，常年降雨的周期性变化，将会引起地层水汽“下移-上移-再下移-再上移”周而复始的变化，与洞窟内壁画病害的发生是由于可溶盐的反复“溶解-结晶-再溶解-再结晶[8，9]”机理如出一辙。

由于大气蒸发会改变水分的运动去向，因此，下一步研究将在考虑蒸发影响的条件下，建立水汽运移模型，结合野外和室内模拟试验，深入分析降雨引发的洞窟地层水盐迁移运转机制，为实施洞窟文物病害防治提供理论依据。

4.2结论

1) 25年气象监测数据分析表明：莫高窟区域多年平均降水量39mm，集中在5～8月，降雨类型主要为微雨和小雨，频现大于76%，大雨及暴雨均为突发性强降雨，频现仅为1.5%，但常常伴随区域洪水的发生。

2) 人工降雨模拟试验表明：①降雨初期，当累积降雨量为5mm时，入渗湿润锋迁移深度仅2cm左右。可见，自然条件下，对于微雨和小雨，在窟顶戈壁地表结皮和强烈蒸发的影响下，水分运动去向主要为蒸发。②当平均降雨强度0.75mm/min，降雨历时160min时，湿润锋入渗深度约80cm即保持相对平衡，但是，高密度电阻率测试表明，窟顶地层2～3m范围内的水分饱和度可达到60%左右。经计算，窟顶戈壁径流系数为0.016，产流能力非常低，对于自然条件下的突发性强降雨，水分运动去向主要为入渗，入渗过程中极易携带地层中可溶盐向洞窟所在层面迁移转化，诱发洞窟内壁画病害的发生发展。③莫高窟窟顶戈壁产流对应的降雨阈值为85.4mm，远远大于25年来真实洪水发生时对应的实测降雨量，由此可知，单凭莫高窟小范围降雨不足以引发区域性洪水，洪水主要来源于周边戈壁地带和山脉区的降雨汇流。

参考文献：

[1] 王旭东，郭青林，李最雄，等.敦煌莫高窟洞窟围岩渗透特性研究[J].岩土力学，2010，31(10)：3139-3144.

WANG Xu-dong，GUO Qing-lin，LI Zui-xiong，etal. Research on permeability of surrounding rock at Dunhuang Mogao Grottoes [J]. Rock Soil Mech，2010，31(10)：3139-3144.

[2] 张正模，刘洪丽，郭青林，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.

ZHANG Zheng-mo，LIU Hong-li，GUO Qing-lin，etal. Analysis of the impact of sudden heavy rainfall on the micro-environment of the caves of Mogao [J].Dunhuang Res，2013，(1)：120-124.

[3] 郭青林，王旭东，李最雄，等. 高密度电阻率法在敦煌莫高窟水汽调查中的初步应用[J]. 敦煌研究，2008，(6):79-82.

GUO Qing-lin，WANG Xu-dong， LI Zui-xiong，etal. Elementary application of the high density resistivity method in investigation of moisture at Mogao Grottoes [J].Dunhuang Res，2008，(6):79-82.

[4] 杨善龙，王旭东，郭青林，等.敦煌莫高窟崖体中水分分布初步分析[J]. 水文地质工程地质, 2009，(5)：94-97.

YANG Shan-long，WANG Xu-dong，GUO Qing-lin，etal. Preliminary analysis of moisture distribution in cliff rocks of the Mogao Grottoes in Dunhuang [J].Hydrogeol Eng Geol，2009，(5)：94-97.

[5] 王旭东，张明泉，张虎元，等. 敦煌莫高窟洞窟围岩的工程特性[J]. 岩石力学与工程学报，2000，19(6): 756-761.

WANG Xu-dong， ZHANG Ming-quan， ZHANG Hu-yuan，etal. Engineering properties of surrounding rocks of Mogao Grottoes at Dunhuang [J].Chin J Rock Mech Eng，2000，19(6): 756-761.

[6] 吕贻忠，杨佩国.荒漠结皮对土壤水分状况的影响[J].干旱区资源与环境，2004，18(2): 76-79.

LYU Yi-zhong，YANG Pei-guo. The effects of desert crust on the character of soil water [J].J Arid Land Res Envir，2004，18(2): 76-79.

[7] 查甫生，刘松玉，杜延军，等.基于电阻率的非饱和土基质吸力预测[J].岩土力学，2010，31(3): 1003-1008.

ZHA Fu-sheng，LIU Song-yu，DU Yan-jun，etal. Prediction of matric suction of unsaturated soil based on electrical resistivity[J]. Rock Soil Mech，2010，31(3): 1003-1008.

[8] 李佳珉，陶利英，张秉坚，等.石窟壁画可溶盐破坏过程的实验室模拟研究[J]. 文物保护与考古科学，2014，26(2)：37-45.

LI Jia-min，TAO Li-ying，ZHANG Bing-jian，etal. Laboratory simulation of the process of soluble salt damage to ancient grotto murals[J].Sci Conserv Archaeol，2014，26(2)：37-45.

[9] 靳治良，陈港泉，夏寅，等.硫酸盐与氯化物对壁画的破坏性对比研究——硫酸钠超强的穿透、迁移及结晶破坏力证据[J]. 文物保护与考古科学，2015，27(1)：29-38.

JIN Zhi-liang，CHEN Gang-quan，XIA Yin，etal. Comparative study of salt damage caused by sulfates and chlorides tomural paintings—evidence of superpenetration，migration andcrystallization destruction resulting from sodium sulfate[J].Sci Conserv Archaeol，2015，27(1)：29-38.

(责任编辑谢燕)

收稿日期：2015-07-13；修回日期：2015-10-17

基金项目：国家科技支撑计划资助(2013BAK01B01，2014BAK16B02，2013BAK01B04)

作者简介：刘洪丽(1980—)，女，馆员，博士，2008年毕业于兰州大学，主要从事文物环境保护研究，E-mail: hli_liu@126.com 通讯作者：王旭东，E-mail: wxd23@hotmail.com

文章编号：1005-1538(2016)02-0032-06

中图分类号：K878

文献标识码：A

Research on the characteristics of rainfall distribution and infiltration in Dunhuang Mogao Grottoes

LIU Hong-li1，2，WANG Xu-dong1，2，ZHANG Ming-quan3，GUO Qing-lin1，ZHANG Zheng-mo1，WANG Yan-wu1

(1. The conservation and research institute of Dunhuang academy，Dunhuang 736200，China；2.SchoolofcivilengineeringandmechanicsofLanzhouuniversity，Lanzhou730000，China；3.CollegeofEarthandEnvironmentalScienceofLanzhouUniversity，Lanzhou730000，China)

Abstract:The murals and statues of the Mogao Grottoes are unique and fragile. The dry environment is one of the key factors guaranteeing the preservation of the site over a long time. Rainfall can cause a lot of damage. Based on 25 years of meteorological monitoring data， it is found that the average annual precipitation at the Mogao Grottoes is 39 mm， most being atmospheric rainfall. The precipitation was not evenly distributed, May to August were the periods that received the most rain.For the most part, there were slight and small amounts of rain, counting for 76% of the total rainfall. The heavy rains and storms accounted only 1.5% of the total, but they resulted in regional floods. A rainfall simulation experiment was done. The experiments show that when the average rainfall intensity is 0.75 mm/min and lasts for 160 minutes， the rainfall wetting front reaches a depth of 80 cm and then maintained and equilibrium. However, at adepth of 2m to 3m， the level of water saturation can increase to about 60%. This high saturation can drive the soluble salts enrich on the base layer of murals， causing damages to the wall paintings. The Gobi runoff coefficient in the roof of Mogao grottoes is 0.016; It is inferred that the runoff capacity is very low. There would not be a regional flood if only the Mogao Grottoes area had a storm. Flooding is mainly caused by a confluence of rainfall in the Gobi area around Mogao Grottoes and in the Yema mountain region.

Key words:Mogao Grottoes； Rainfall； Infiltration； Runoff； Resistivity