甘肃庆阳北石窟寺水环境特征研究

王彦武，韩增阳，郭青林，崔惠萍，段 焘，裴强强

(1.敦煌研究院，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.西部灾害与环境力学教育部重点实验室，甘肃 兰州 730000；4.甘肃省敦煌文物保护研究中心，甘肃 敦煌 736200； 5.甘肃北石窟寺文物保护研究所，甘肃 庆阳 745000)

石窟寺是我国佛教艺术的重要载体，也是我国文化遗产的重要组成部分之一，是研究我国古代各民族政治、经济、文化和艺术的重要实物例证和珍贵史料[1]。然而，石窟寺载体中水分的活动，会造成石窟壁画酥碱[2]、脱落[3]，以及造像残损、风化[4-6]、盐害[7-8]等多种病害，严重威胁这些艺术瑰宝的长久保存。为此，许多学者针对威胁石窟寺保存的雨水[9-11]、裂隙水[12-13]、地下水[14-15]和凝结水[10,16-17]等来源进行了深入地研究，也有学者探讨了石窟寺水汽转换机制[18]、降雨入渗规律[9]、裂隙水运移规律[13]。

北石窟寺位于甘肃省庆阳市西峰区西南方向25 km的覆钟山下，开凿在蒲、茹二河交汇的东岸二级阶地砂岩岩壁上，是甘肃省陇东地区规模最大的石窟群，也是第三批全国重点文物保护单位。石窟自北魏永平二年(公元509年)创建以来，历经西魏、北周、隋、唐和宋代不断营建，现存窟龛294个，其中石雕造像2 172身、壁画90余平方米，还有碑碣8通、阴刻及墨书题记150余方，具有极为重要的历史、艺术、科学、社会及文化价值。然而，在长期的内外营力作用下，北石窟寺发育着裂隙、风化、水害、壁画颜料层起甲、洞窟烟熏等病害[19-21]。尤其是北石窟寺崖面雨水冲刷、崖体根部雨水溅蚀、窟内渗水、毛细水等水害极大地威胁着其保存(见图1)。

基于此，本文选取了北石窟寺窟区降水量及窟前泉/井水位、流量为监测对象，通过泉/井水位和流量反映地下水环境特征，通过水质检测评价北石窟寺地下水质量，并分析探讨了降雨补给滞后性及水位季节变化规律。以期提升对北石窟寺窟区内降水、地下水等水环境特征的认识，进而为北石窟寺水害的治理提供依据。

图1 北石窟寺遭受的水害威胁Fig.1 Water damage of Beishiku Temple

1 研究区域概况

1.1 北石窟寺区域地质

北石窟寺载体由上覆100 m左右的黄土和下伏约30 m的直立砂岩基座组成，受雨水侵蚀的影响黄土山体发育有大量的冲沟，形成了典型的沟壑地貌。区内直立崖壁为白垩纪砂岩，产状平缓近似水平，北石窟寺的佛龛洞窟均开凿于该套地层上。

北石窟崖体发育了6组规模较大的构造裂隙，由南至北分别出露于C267窟东北角、C270～C271窟之间、C19～C21窟之间、C101～C102窟之间、C214～C215窟之间、C257～C258窟之间，这些裂隙倾向NW340°～350°之间，倾角分布在76°～90°之间，近东西向垂直的方式延伸至东部覆钟山中(见图2)。

1.2 北石窟寺气候特征

根据北石窟寺区内气象站的气象记录， 北石窟寺的年均气温为10.5℃， 最低气温为-17.4℃，最高气温为36.7℃， 年均相对湿度为68.8%，年均降水量598.9 mm，风向受北石窟寺微地貌的影响主要为南北方向，以南风为主。

1.3 北石窟水文地质条件

北石窟寺区内地下水类型主要为河谷潜水、黄土潜水和基岩裂隙水。上覆黄土厚约100 m，潜水主要接受大气降水补给；石窟正西侧的蒲河河谷与窟院地面高差约15 m，受降雨和上游水利拦河坝等的影响，河流常年流量较小，具有较为明显的季节性变化，河谷主要接受大气降水和地表水补给；基岩裂隙水主要通过崖体东西向的裂隙接受上覆黄土中渗水的补给，渗流经过窟区向蒲河排泄[14]。

图2 北石窟寺构造裂隙分布图Fig.2 Distribution map of structural fissures in Beishiku Temple

1.4 北石窟寺泉/井分布

窟院内现存水井5口，分别为位于窟区内的龙泉、神泉、鱼泉、祈雨泉等古井和位于办公区的现代生活用水井(见图 3)。鱼泉与龙泉为露天浅泉，其他泉眼均为竖直泉眼。

图3 北石窟寺泉/井分布图Fig.3 The distribution of spring/well in Beishiku Temple

5口井中龙泉、神泉和生活用水井均由基岩裂隙水直接渗流补给，鱼泉除接受基岩水直接补给外还接受了东北角处接受基岩裂隙水的暗井间接补给，而祈雨泉主要由窟前南北向降排水盲沟汇集的基岩裂隙水补给；鱼泉和祈雨泉均与窟前排水系统相连以溢流方式将泉水排向蒲河，生活用水井每天抽水1～3次供窟区内生活使用，龙泉和神泉无人为干预。此外，龙泉和鱼泉由于露天原因在每年12月中旬至次年3月初结冰。泉/井基本信息和投影剖面图如表1、图4所示。

2 研究方法

2.1 泉/井水位及气象监测

为探明区域内气象特征与泉/井水位的关系，首先，利用位于北石窟寺山顶平台的全自动气象站对北石窟寺区内降水量进行监测。同时，采用LevelSCOUT水位温度传感器对龙泉、神泉和生活用水井的水位进行实时监测，并通过BaroSCOUT大气压力传感器对大气压力进行补偿。其中，水位传感器测得的压力为传感器所处位置的水压与气压的总和。因此，泉/井水位的计算如式(1)所示。

(1)

p=pt-pa

(2)

其中：h为水面距离窟院地面的高度，m；p为水压，kPa；pt为传感器测得总压力，kPa；pa为大气压力，kPa；g为重力加速度，N/kg；ρ为水密度，kg/m3；Δh为井底与龙泉-祈雨泉连线中点之间的垂直距离，m。

2.2 泉/井流量监测

分别利用祈雨泉在北石窟停车场预留的接水口、鱼泉在山门北侧管道中的溢流井进水口、鱼泉东北侧暗井出水口，通过人工接水称重的方式，每周二上午10点对鱼泉、鱼泉东北角龙头、祈雨泉的排泄量进行监测。以量杯接取容量相近的水进行称重，通过接水时间测算当天的流量，泉/井流量的计算如式(3)所示。

(3)

其中：Q为流量，m3/d；mt为总重，g；ml为量具重量，g；ρ为密度，g/cm3；t为接水时间，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

图4 北石窟寺泉/井投影剖面图Fig.4 Projection profile of the springs and well at Beishiku Temple

2.3 水质检测

为分析泉/井水体的水质特征，使用离子色谱仪、电感耦合等离子体发射光谱仪、滴定法等对5处泉/井水样进行了离子检测，并对水样的溶解性总固体、总碱度、总硬度、CO2侵蚀性及pH值进行测试。

3 结果分析

3.1 窟区降水特征

根据国家气象科学数据中心公布的中国地面气象观测资料，庆阳市西峰区降水主要集中在7、8、9月份，降水量占全年的57.1%，即降雨主要集中在夏季，全年降雨分布极不均匀(见图 5)。

北石窟寺山顶气象站安装于2019年，此前北石窟寺降水量主要依靠北石窟寺文物保护研究所工作人员人工测量记录。根据气象站2020年气象数据，区内年降水量为563.4 mm，与西峰区历史年均降水量较为相似。但也表现出了分布极为不均的特点，8月份降水量高达245.8 mm，6—8月降水量占全年降水量72.4%。这种不均匀性和自2015年以来的人工观测数据相似， 尤其是2019年8月份降水量为189.4 mm， 6—8月降水量占全年降水量56.2%； 2018年7月降水量为247.18 mm， 6—8月降水量占全年降水量67.3%。

图5 西峰区2001—2020年月均降水量及2020年北石窟寺月降水量图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

对比北石窟寺窟区2020年降水量与神泉、生活用水井水位关系(见图 6)。2处泉/井水位低于北石窟寺窟院的高度同为3.3 m左右，从1月至12月具有相似的变化趋势，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月水位波动较大。整体呈现出了夏冬季水位高，而春秋季水位低的特征。神泉全年水位变化幅度为150 mm，生活用水井水位变化幅度为300 mm，生活用水井水位全年比神泉水位高约150 mm，仅3—6月水位基本持平。而龙泉低于窟院的高度约0.7 m，非结冰期水位变化幅度约150 mm，3—5月份处于低水位状态，其他时间段处于高水位状态(见图 7)。

根据北石窟寺日降水量与3处泉水位关系可以确定，降雨过程与生活用水井、神泉水位的上升具有明显的关联性，降水量促进水位的上升，是导致夏季水位波动式变化的主要原因。此外，降水量对龙泉水位的促进作用虽然存在，但对应性明显小于神泉。

注：生活用水井的水位取每天的最高水位计作当天水位。图6 神泉、生活用水井水位与降水量关系图Fig.6 Relationship between precipitation and water table of Shen Spring and domestical well

图7 龙泉水位与降水量关系图Fig.7 Relationship between water table of Long Spring and precipitation

3.3 泉/井流量特征

经对祈雨泉、鱼泉及鱼泉东北侧龙头处的流量监测及计算，祈雨泉流量最大，鱼泉流量次之，鱼泉龙头流量最小，其中祈雨泉平均流量为4.6 m3/d，鱼泉平均流量为1.9 m3/d，鱼泉龙头平均流量为0.9 m3/d。除鱼泉龙头的流量在0.6～1.1 m3/d之间小范围波动外，鱼泉和祈雨泉的年际流量在1—5月和9—12月较为稳定，而6—8月流量波动较大，呈增高的趋势(见图 8)。

北石窟寺6—8月雨季的到来是流量波动的主要原因，祈雨泉和鱼泉接受了直接和间接的降雨补给导致流量增大。与此同时，祈雨泉的补给源还包括了北石窟寺窟前来自排水盲沟汇集的崖体渗水。排水盲沟汇水断面总长度约85 m，鱼泉接收汇水断面为21 m左右，而鱼泉龙头的汇水断面仅为1 m左右。汇水断面的不一是流量差异的主要原因之一。

图8 祈雨泉、鱼泉、鱼泉龙头流量与降水量关系图Fig.8 Relationship between rainfall and seepage quantity of Qiyu Spring, Yu Spring, and Yu Spring

3.4 水质特征

表2 北石窟寺泉水检测结果表Tab.2 The test result of spring water in Beishiku Temple

北石窟寺泉/井水的溶解性总固体为520～579 mg/L，总碱度为248～292 mg/L，总硬度为157～203 mg/L，pH值为8.08～8.38。此外，侵蚀性CO2仅有井盖的神泉和生活用水井检出1.2 mg/L和3.6 mg/L的含量。

4 讨论

4.1 降雨补给滞后效应

根据试验结果分析，北石窟寺泉水位与降雨过程具有明显的关联性。因此，选择2020年7月18日和8月23日两次典型降雨过程，分析降雨与神泉水位变化之间的关系(见图 9)。两次降雨均具有前后5日内无降雨过程且降水量大于20 mm/d的特点。7月18日18∶51雨强峰值后，水位于19日7∶00达到了最高；而8月23日11∶56雨强峰值后，水位于24日1∶00达到了最高，降雨过程与泉水位上升存在着明显的滞后效应。

图9 两次典型降雨过程与神泉水位变化关系图Fig.9 Relationship between two typical precipitation processes and the water level change of Shen Spring

滞后效应与北石窟寺窟区地下水的补给方式有着密不可分的关系[22-23]。由于泉眼位于窟前平台，与东侧覆钟山存在100余米的高差，与西侧蒲河存在15米的高差，降雨径流通道主要为北石窟崖体东西走向发育的裂隙。因此，滞后效应主要产生于降雨补给基岩及水分沿基岩裂隙向窟区运移的时间差。

4.2 水位季节性规律显著

北石窟寺生活用水井和神泉水位除了与降雨有关外，还呈现出了明显的季节性变化规律，主要体现为冬季水位偏高，这一现象与水温展现了较为明显的负相关(见图10)。张培森[24]、赵静[25]、朱厚影[26]等人的研究表明，岩土体的渗透性随着温度的升高呈现出增大的趋势。

图10 神泉水位与水温关系图Fig.10 Relationship between water level and temperature of Shen Spring

由于北石窟寺泉/井的主要补给源为覆钟山基岩裂隙水，但山体黄土覆盖层达100 m以上，温度对其渗透性的影响较小。因此，泉/井的补给量并没有因为冬季温度低而发生明显变化。而在北石窟寺窟院地表岩土体冬季的温度明显低于夏秋两季情况下，冬季岩土体的渗透性势必低于夏秋季，使得泉/井水向河流渗流速度降低，导致冬季水位高于夏秋季。而夏季水位又受到降雨的影响，造成夏季泉/井水位的波动。以祈雨泉为例，全年流量整体表现为春、秋、冬季稳定的特征，而随着夏天雨季的到来流量呈现出波动上升的趋势。

4.3 水环境对石窟风化的促进

根据基于热红外成像(FLIR T660)的降雨过程中雨水对崖面冲刷范围的调查(见图11)，北石窟寺崖面总面积的59.4%范围遭受着雨水的冲刷侵蚀。雨水的冲刷、渗流等在气温变化作用下，形成了良好的干湿循环，无疑加速了北石窟寺的崖体及造像的风化。

图11 雨水冲刷范围及热红外成像对比图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窟地面即为龙泉，262窟距265窟约5 m，2个洞窟均无法被雨水直接冲刷，但窟内文物明显遭受着地下水毛细上升造成的威胁(见图 12)。

图12 地下水毛细作用与风化Fig.12 Groundwater capillary action and weathering

根据2019年8月15日的现场测量，龙泉水位距离265窟东壁明显潮湿的位置为2.20 m，结合造像风化及盐结晶情况可知毛细上升高度为2.95 m；265窟地面明显严重潮湿，且窟内南壁附近的砂浆抹面立柱毛细上升高度为0.9～1.1 m。此外，北石窟寺一层大量洞窟靠近地面区域风化明显比上部严重，可见北石窟寺砂岩造像风化与地下水毛细上升有着密不可分的关系。

5 结论

本文基于对庆阳北石窟寺的降水监测、泉/井水位及流量监测，并结合水质检测，对北石窟寺以降水和地下水为代表的水环境特征进行了分析及讨论，主要得出如下结论：

1)北石窟寺年降水量分布不均匀，主要集中于6—8月，平均占全年降水量的65.3%。

2)北石窟寺水位呈现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约为3.3 m，龙泉水位约为0.7 m，年度水位变化量为15～30 cm。降雨过程与生活用水井和神泉水位夏季水位波动的关联性显著，但是存在明显的滞后性。

3)北石窟寺祈雨泉平均流量为4.6 m3/d，鱼泉平均流量为1.9m3/d，鱼泉龙头平均流量为0.9 m3/d。

4)北石窟寺水体含盐量较低， 仅0.05%～0.06%，地下水腐蚀性较低，但地下水的毛细上升和雨水冲刷等均对砂岩崖体及造像的保存造成威胁。

致谢：在现场调查及论文撰写过程中，得到了兰州大学资源环境学院张明泉教授的悉心指导，也得到了甘肃省地质矿产勘查开发局第三地质矿产勘查院中心实验室在水质检测方面的协助和支持，在此一并表示最真挚的谢意。