炳灵寺石窟环境与169窟温湿度特征对比分析

刘宗昌+孙淑梅

[摘要]本文通过对炳灵寺石窟环境及169窟2011年2月到2012年1月温湿度监测数据对比分析得出结论，炳灵寺石窟温湿度变化有独特地域及季节特点：年平均最高温度出现在8月份，平均最低温度在1月，窟内外温差变化春夏季较大，秋冬季较小，3月末与9月初是窟内外热量交换的临界点。相对湿度变化受季节降雨影响明显，全年平均相对湿度较大，窟外高于60%的时间长达5个月，窟内为3个月，其中9月达到最高，4月最低，5、7月相对湿度变化最大，12月最小。洞窟围岩对湿度有明显的调节作用，169窟窟内全年相对湿度较差，比窟外低11%，相对湿度变化规律，类似箱体震动模式，春夏季低湿度趋于窟外最高湿度较快，秋冬季则高湿度趋于窟外最低湿度较快。

[关键词]炳灵寺石窟；环境分析；温湿度检测

[中图分类号] K879.26 [文献标识码]A [文章编号]1005-3115（2017）20-0065-04

一、引言

石窟寺微环境特点是研究石窟及窟内壁画、造像病害成因的重要切入点之一，也是洞窟及窟内文物长久有利保存必须进行控制的重要因素，许多学者对于敦煌莫高窟、云冈石窟等国内外石窟微环境的研究已经进行了长久深入的工作，对微环境因子变化与石窟寺内文物病害的关系都有了较为丰硕的研究成果，而温湿度变化在这些影响因素中有着至关重要的作用，一定程度上左右了洞窟病害的发生发展，特别是窟内盐分的运移带来的破坏。炳灵寺石窟位于甘肃省中部，永靖县城西南约52公里黄河北岸的小积石山中，据气象监测显示，地理气象环境相对于莫高窟降雨量更大，年平均在350毫米，蒸发量1600毫米左右，气候环境更为潮湿，所以洞窟温湿度的变化对文物的破坏更加严重。上世纪80年代，李最雄先生对炳灵寺石窟进行了洞窟风化研究工作，主要通过石窟岩石的物理、力学性质以及矿物种类、岩石构造等方面研究石窟寺风化机理，并对炳灵寺石窟环境因素进行了初步分析；王亨通先生同时期对炳灵寺石窟个别洞窟进行温湿度监测分析，首次从气象环境方面分析了炳灵寺石窟风化的主要方式，也开启了炳灵寺石窟气象环境监测工作。 2010年，炳灵寺石窟建成全自动洞窟微环境监测系统，对炳灵寺石窟窟区及个别洞窟有了科学完整的气象监测数据，这给炳灵寺石窟的保护和研究提供了详实的依据。

二、研究概况

169窟为炳灵寺石窟最为久远也是最有价值的洞窟之一，开凿在离地面30米左右高的天然溶洞中，宽27米、深9米、高15米，为半露天式大型洞窟（图1），窟中历经1600多年保存至今的西秦壁画、泥塑色彩艳丽，形态完整，相比下层洞窟病害较少，这与其所处位置及窟内环境密不可分。通过在窟内设立微环境监测系统，分析其环境变化特征，为炳灵寺石窟其他洞窟的病害机理研究提供对比实例。本文选择2011年2月至2012年1月12个月的温湿度监测数据与窟外全自动气象监测站的数据作对比，对169窟温湿度的变化特征做初步分析。

全自动气象监测站设立在洞窟崖壁前50米左右的小山丘上，其海拔高度与169窟相近，所用仪器为美国OnsetHOBO小气象站数据记录器，可采集温度、湿度、光照、压强、风速、风向、降雨量等环境因子，我们设定采集频率为15分钟一次。洞窟内所用温湿度采集为HOBO外部温湿度数据记录器，频率也为15分钟一次。窟内记录器采集地点选在北壁千佛壁所在支撑墙上（圖2）。

三、结果与分析

对于监测结果，为反应温度及相对湿度的差异变化，对每个月的平均极值和月平均值进行对比分析，并计算出月平均日较差值，直观的对比温湿度的变化，分析微环境变化特征。

（一） 温度

1.平均温度分析

据温度监测数据所示（图3），整体来看169窟内温度与窟外气象站监测温度有着相同的季节变化规律，温度从2月份逐步呈阶梯式上升直至8月达到最高，从8月至来年的1月温度呈线性方式下降，1月份达到最低温度。整个夏季的6、7、8月份是炳灵寺石窟温度最高的三个月，169窟内平均温度与窟外几近相同，平均温度20.7℃，而随着季节转凉，窟外的温度下降速率及幅度明显比窟内较大，但是从2月至6月的气温上升速率却基本相同。这可能与石窟所在岩体的岩石特性有关，需要进一步研究分析。

2.极值温度对比分析

169窟与窟外平均极值温度变化差异（图4），窟外的极值温度较窟内有着明显的变化，高温更高，低温更低。将同月份窟外与窟内极值温度做绝对差值分析，如图显示窟内外高低温差值变化正好相反（图5），在气温回暖季节，高温是洞窟内温度变化的主导因子，相反在气温逐步降低的季节低温成为主要变化因子。高低温差变化曲线在3月末9月初出现两条交点，这两点正好是窟内外热量交换的临界点，表示此时间段内洞窟与外界热量交换保持平衡，3月至8月洞窟从外界吸收热量，9月至来年2月洞窟向外界释放热量。

3.月平均日较差值分析

通过一年时间段内169窟与气象站月平均日较差值数据（图6），整体来看窟外的温度变化比窟内剧烈，并且变化幅度与季节有着鲜明的联系，春夏季节窟内外温度的变化都较大，秋冬季节温度变化幅度缩小。从窟内外温度变化差异来看，洞窟外温度变化最大的是4月和8月，月平均较差达到12.6℃，窟内则是5月和8月温差最大为7℃左右，说明在温度从春季到夏季转暖过程中，洞窟围岩的物理特性决定了洞窟内温度的升高是个逐步的过程，有着一个月的滞后期；温度变化最小时窟外在9月，窟内在12月。在8～9月气温快速下降的过程中，窟内外温差变化都达到最低或接近最低值，说明这个阶段围岩缓慢释放热量维持了洞窟内温度的平衡，这与极值温度对比分析的结论相同。

通过以上分析可看出炳灵寺石窟及169窟温度的变化有其自身规律以及与季节密切的关联性，整体来看169窟虽然为大型半露天式开放洞窟，但是对温度的转换仍然有很明显的缓冲作用，其中洞窟围岩的调节作用应该至关重要。endprint

（二）相对湿度

炳灵寺石窟位于刘家峡水库上游库尾，窟区内湿度变化不单受降雨影响，每年12月左右至来年5月水库蓄水带来的湿度变化也较为严重，据监测数据1953～1968年平均降水量为29毫米，1968年建成水库后，炳灵寺石窟年均降雨量增加21%。炳灵寺石窟岩石为岩屑长石石英砂岩，泥质胶结，169窟内岩石胶结质中蒙脱石含量为38%，孔隙率14.94%，吸水率3.59%，在高湿环境下岩石物理力学性能发生改变，加之温度等的作用下湿度反复变化导致岩石风化，对洞窟及窟内文物造成破坏。所以对湿度及其变化规律的监测研究就尤为重要。

1.平均相对湿度

对169窟及窟外相对湿度的监测对比可看出（图7），相对湿度变化窟内外基本保持相同趋势，整体受季节温度变化及降雨量的影响较为明显（图8）。

因为空气相对湿度的变化与降雨量成正比，与气温成反比，所以随着降雨量的增加相对湿度从4月份最低开始逐步升高至9月达到最高值，上升方式与温度相似都为阶梯式快速攀升，9月至来年1月随着降雨量减少而温度也逐渐降低相对湿度缓慢平稳下降，2、3月温度继续升高相对湿度则快速下降至最低。

从窟内外相对湿度差异来看，4～10月169窟内平均相对湿度都高于窟外，11～3月份相对湿度则比窟外小，这是洞窟围岩对水汽的调节作用影响的，这一阶段可能是围岩以水汽的方式向外界释放能量，从而影响了窟内的相对湿度。

从相对湿度数值来看，169窟内全年平均相对湿度在60%以上的为7、9、10三个月，其中9月高达72.6%，窟外高于60%的为7和9～12月五个月。由于洞窟内相对湿度不断增大，洞窟围岩湿度若超过62%，则会引起岩石中所含盐分的大量潮解，这对石窟内壁画、造像以及洞窟安全都会带来极大威胁。所以高湿度的环境以及湿度的剧烈变化是炳灵寺石窟长久保存必须控制的关键因素。

2.平均极值相对湿度对比分析

对比169窟与窟外平均极值相对湿度，整体走势与平均相对湿度基本相同（图9），169窟内平均最高湿度全年比窟外低，而平均最低湿度比窟外高。说明了在4～10月的温度回升至最高温过程中，伴随着降雨量的增加，洞窟内相对湿度产生高低变化，其低值区域是维持在一个较高相对湿度的水平，这部分湿度在这个时间段内所占比重较大，是影响窟内相对湿度的主要因素，整体拉大了窟内的平均相对湿度，反映在平均相对湿度图上则是高于窟外；而11～3月份洞窟内平均相对湿度较窟外低，平均最低相对湿度则是高于窟外的，是由于随着温度及降雨量的下降，窟内较高相对湿度所占比重较大为主导因素，其整体比窟外相对湿度小所以降低了洞窟内平均相对湿度。

将每月平均极值相对湿度高低值分别作绝对差值分析（图10），相对湿度差值曲线反映了随着季节变化，窟内外较高湿度区域的差值先降低然后升高，较低湿度区域的差值先升高后降低的变化规律。在窟内外湿度的交换过程中，窟外環境相对湿度是在上下两个值范围内变化的箱体，窟内环境在箱体之中不停向窟外环境趋近以达到平衡，当外界环境主要趋势发生变化，窟内此作用因子则为主导变化因素。即随着外界环境湿度增大，洞窟内相对湿度快速与窟外趋于平衡，整体湿度向窟外最大湿度趋近；而外界环境湿度减小过程中，洞窟内整体湿度则向窟外最小湿度趋近，这就解释了窟内外高低温差值变化趋势的不同。

3.月平均相对湿度日较差值

月平均日较差值反应了一年中每月相对湿度的平均变化幅度（图11），169窟与窟外变化趋势相同，随着季节变化春夏季相对湿度变化逐步增大，秋冬季则逐步减小，5月和7月变化幅度最大，窟外达到45%，窟内达到34%，可以说变化较为剧烈；12月最小，窟外为24.5%，窟内为15.6%。整体来看全年的相对湿度变化都较大，窟外环境的变化幅度平均比窟内高11%，说明了洞窟内对相对湿度变化有着明显的缓冲和调节作用，一定程度上有利于文物的安全保存。

四、结论

通过对炳灵寺石窟169窟及窟外气象站2011年2月至2012年1月温湿度监测数据初步分析表明：其一，炳灵寺石窟温度变化有独特地域及季节特点，年最高温度出现在8月份，最低温度在1月。6、7、8三个月平均温度相近且维持在较高水平，极值温度与日较差温度也加高，反映出了温度高，高温时间长，温差大的特点。并且窟内外温差变化春夏季较大，秋冬季较小。其二，169窟围岩与外界环境热量相互交换作用，延缓了窟内温度的变化幅度及时间，窟内温差春夏季节6℃左右，秋冬季4℃左右，分别比窟外低6℃和4℃左右。3月末与9月初是窟内外热量交换的临界点。其三，相对湿度变化受季节降雨影响明显，全年平均相对湿度较大，窟外高于60%的时间长达5个月，窟内为3个月，平均相对湿度9月达到最高，4月最低。5、7月相对湿度变化最大，12月最小，169窟内分别达到34%及15.6%。其四，169窟内相对湿度变化规律类似箱体震动模式，即春夏季外界环境湿度逐渐增大过程中，低湿度趋于窟外最高湿度较快，秋冬季则高湿度趋于窟外最低湿度较快。其五，洞窟围岩对湿度有明显的调节作用，全年窟内相对湿度较差比窟外低11%。

由于此次所选监测数据为一年时长做对比分析，并且缺乏刘家峡水库对石窟内环境相对湿度影响的具体数据，对炳灵寺石窟整体环境及169窟内温湿度的变化规律分析不够全面，需要进一步更科学详细的研究工作。

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