基于红外热成像技术的石窟壁面凝结水形成规律研究

马 策 ，蒋小伟 ，闫宏彬 ，周鹏宇 ，任建光 ，樊 尧 ，范 潇 ，万 力

（1.中国地质大学（北京）水资源与环境学院, 北京 100083；2.云冈研究院, 山西 大同 037034）

岩石风化是自然界的普遍现象[1-4]。含水岩石在干湿交替、冻融循环、酸性气体溶蚀、生物生长等物理、化学和生物作用下发生风化破坏[5-10]，进而增大孔隙度和渗透系数[11-13]。凝结水是加速石质文物风化的一种常见水分来源[14-16]，不仅存在于石质文物壁面，还存在石质文物浅表层的孔隙中[17-19]。由于岩石内部凝结水具有不易直接观测的特点，限制了研究人员对凝结水形成规律的认识。曹文炳等[20]研发了测量凝结水量的实验装置，通过隔离石窟部分壁面并抽取壁面上的水分，从而确定观测时段内凝结水总量。该装置被认为是目前定量确定凝结水量最准确的方式[21]，在多个石窟得到了应用[20,22]。然而，该装置布置复杂，不方便获得凝结水量随时间的变化，较难用于分析石窟壁面凝结水的形成规律。

红外热成像作为一种适合于大面积观察的无损检测方法，已经被一些研究者应用于定性分析石质文物水分分布及来源[23-25]。Lerma 等[26]利用红外热成像技术探测了比利时Arenberg城堡前门的水分分布，方云等[27]利用红外热成像技术探测了龙门石窟奉先寺崖壁渗水情况，吴育华等[28]利用红外热成像技术观测广西花山岩画渗水情况，苏美亮等[29]使用红外热成像技术观测了冬季和春季凝结水在大足石刻千手观音像的分布规律。由于凝结水的形成与降雨事件前后的大气湿度变化密切相关，开展降雨事件前后的温度连续监测是揭示凝结水形成规律的关键。

本文以云冈石窟19窟为例，针对2020年8月1次典型降雨事件，采用红外热成像技术开展了降雨前后连续100 h的壁面温度动态监测，由于红外热成像不能直接拍摄到壁面上的凝结水，无法了解凝结水在壁面形成后向岩壁内部渗透的情况，本研究同时利用微波水分仪进行了降雨前后连续56 h的浅表层岩石含水率动态监测。通过对比壁温与露点温度的差异以及分析浅表层岩石含水率变化规律，识别了石窟壁面凝结水的形成规律。

1 研究区位置与研究方法

1.1 研究区位置

云冈石窟是我国规模最大的古代石窟群之一，2001年被联合国教科文组织列为世界遗产。云冈石窟位于山西省大同市，地处大陆性半干旱气候区，降雨集中于夏季7—9月，因此夏季也是云冈石窟水害多发时节。云冈石窟第19窟为著名的“昙曜五窟”之一，其西北角低处可见小范围的苔藓，见图1（a）。该窟不存在积水，且地下水水位低于地面10多米，可以排除毛细上升作用对苔藓生长需水分的贡献，初步判断苔藓生长所需水分来源为凝结水。因此，本文选择第19窟北壁西侧开展红外热成像监测和浅表层岩石含水率监测。

图1 （a）19窟西北角底部的苔藓分布和（b）19窟北壁西侧监测点布置Fig.1 Distribution of moss in the bottom of the northwest corner in cave 19 (a) and monitoring points on the west side of the north wall in cave 19 (b)

1.2 监测方案

2020年8月23日7—24时，云冈石窟发生了累计降雨量为16.36 mm的降雨事件。根据天气预报，2020年8月20日15时—24日18时利用红外热成像仪开展了总时长为100 h的壁温监测；2020年8月22日10时—24日18时利用微波水分仪开展了总时长为56 h的岩石含水率监测。日间（7—20时）观测频率为每小时1次，夜间（22时至次日6时）观测频率为每2 小时 1次。

本文研究使用FLIR T1050SC高清高性能手持式红外热成像仪，分辨率为1 024×768。本次监测的目标壁面范围宽约2 m、高约4 m，见图1（b）。微波水分仪利用电介质法测量岩石含水率。本文研究采用德国生产的HF SENSOR MOIST 350B，具有多个可用于监测距离壁面不同深度含水率的探头。本次监测使用探头的探测深度分别约为3，7，11 cm。为了对比不同位置处的含水率差异，本文选取自上而下m1、m2和m3三个监测位置，距离地面高度分别为200，120，20 cm，见图1（b）。

1.3 露点温度计算

空气温度、湿度是控制凝结水形成的重要气象条件。大气温度、相对湿度以及降雨量数据来自云冈石窟的气象站。19窟未开展空气温度、湿度监测，由于16窟与19窟结构相似，因此用第16窟的空气温度、湿度监测数据确定洞窟内空气的露点温度。

露点温度由水汽压决定。水汽压和露点温度的计算公式[30]为：

式中：uv,sat——空气温度T对应的饱和水汽压/kPa；

uv——空气温度T对应的实际水汽压/kPa；

RH——相对湿度；

Td——露点温度/K。

2 结果和讨论

2.1 基于热红外成像的壁面温度空间分布规律

本次研究利用热红外成像技术共获得了80幅壁面温度分布图，图2给出了降雨前后8个典型时刻的壁温分布图像。可以看出，不管是降雨前还是降雨后，壁面低处的温度普遍低于壁面高处，佛龛凹陷处的温度也明显偏低，这是由于夏季山体内部温度较低，低处、凹陷处受山体内部温度的控制更显著。r1至r4四个位置距地面高度分别为200，100，40，20 cm，从低处到高处，温度逐渐增大，位于壁面最高处的r1温度最高，见图3（a）。r5位于佛龛凹陷处，尽管高度与r2一致，但温度与低处的r3接近。

图2 （a1-h1）8个典型时刻温度分布和（a2-h2）对应时刻的具备凝结水形成条件的分布范围Fig.2 Distributions of temperature (a1-h1) and zone with possible condensation water (a2-h2) at eight typical times

在降雨前，4个位置处的温度昼夜变化规律也基本一致，但是8月23日的降雨事件明显改变了正常的昼夜变化规律。降雨前，气温和壁温的昼夜尺度动态均可以用余弦函数拟合，见图3（b）。壁温的动态明显滞后于气温，气温16时最高，6时最低，壁面温度每天17-18时最高，7-8时最低，壁温的波动幅度也明显小于气温的波动幅度，气温最高约为21 °C，但r4处白天最高温仅约为16 °C。8月22日22时起，尽管降雨尚未发生，但气温已经偏离降雨前日波动，保持在偏高的温度，导致壁面温度偏高。8月23日15时，受气温显著下降控制，壁温也发生同步下降。降雨结束6 h后，即8月24日6时，气温和壁温均恢复降雨前的日动态规律。

图3 （a）壁面典型位置的温度对比和r4处壁温和（b）气温的实测数据与雨前温度趋势拟合Fig.3 Comparison of temperature at typical wall positions (a)and air temperature comparing with temperature pattern before rain at r4 (b)

2.2 凝结水形成与降雨事件的对应关系

通过对比壁温和露点温度，可以识别具备凝结水形成条件的范围，见图2。从8月22日15时—23日15时，24 h之内具备凝结水形成条件的范围逐渐增大；8月23日16时气温骤降后，24 h内仅有部分区域在部分时刻具备凝结水形成条件。可见，8月23日16时的气温骤降是控制凝结水分布范围的重要事件。

2.2.1 降温前凝结期

降温前凝结期8月22日15时（对应降雨前16 h）—23日15时，共持续24 h。8月22日15时，r4处壁温开始低于露点温度，具备水汽凝结条件，而在此之前，该处壁温普遍高于露点温度。从8月22日15时—23日7时，虽然尚未开始下雨，大气中的水汽浓度已经在不断升高。随着水汽含量增大，露点温度逐渐升高，露点温度先大于低处壁温，后逐渐超过更高处的壁温，凝结范围逐渐向高处扩展，见图2。因此，尽管这个阶段的壁温比前几日偏高，但水汽浓度增大引起露点温度显著升高，从而使得壁面具备凝结水形成条件的范围不断扩大。

8月23日7时降雨开始后，洞窟内水汽浓度的增大速度明显大于降雨发生前，露点温度也以更快速度增加（图4），因此凝结水形成范围快速增大，见图2（c2）。在8月23日15时降雨量达到最大时，水汽浓度也达到最高点，对应露点温度的最高点，此时的露点温度高于整个壁面的温度，因此整个监测壁面都具备凝结水形成条件，见图2。该阶段的空气湿度由降雨直接控制，持续降雨使洞窟内绝对湿度增大，从而使露点温度升高，有利于凝结发生，此阶段具备凝结水形成条件的范围最大，是最主要的凝结阶段。

图4 壁温和露点对比以及凝结时期划分图Fig.4 Comparison of wall temperature with dew point and condensation period division

因此，降雨前及降雨期间空气湿度增大是凝结水形成的根本控制因素。

2.2.2 降温后凝结期

8月23日16时，气温骤降，水汽在空气中迅速凝结，露点温度随之迅速下降并低于壁面温度，壁面不具备凝结水形成条件，见图2。由于降雨还在继续发生，洞窟中的水汽浓度逐渐回升，露点温度随之上升。在壁温和水汽浓度的共同控制下，又出现2次小规模的凝结期，累计凝结时间为14 h。

第一次为8月23日18时至次日4时，露点温度回升至20 cm处的壁温，具备凝结水形成条件，见图2。随后夜间气温下降，导致露点温度下降，壁面不发生凝结，见图2。8月24日8—12时，随着大气绝对湿度升高，壁面低处小范围内再次具备凝结条件，见图2。12时以后，受太阳辐射控制，大气湿度减小，不再具备凝结水形成条件。

2.3 岩石含水率对降雨事件的响应

红外热成像技术可以用于直观分析壁面出现凝结水的范围。然而，本次监测期间，肉眼没有直接观察到壁面存在凝结水。微波水分仪获得的岩壁浅表层含水率数据表明，8月22日21时开始，m1、m2和m3处的表层普遍出现含水率升高现象（图5），基本支持了红外热成像方法揭示的凝结水形成规律。但是，微波水分的抬升时间明显比壁面开始具备凝结水形成条件的时间偏晚，成因还有待分析。

图5 利用微波水分仪获得的壁面浅表层含水率随时间变化规律Fig.5 Temporal variations of water content inside the wall face obtained with a microwave moisture meter

距地面不同高度的监测表明，20 cm处监测点对降雨事件的响应显著大于高处，这也符合基于热红外成像获得的低处更容易具备凝结水形成条件的认识。不同深度的含水率响应存在明显差异，岩壁浅部（3 cm）对凝结的响应明显，而深部（11 cm）含水率较为稳定，可能指示凝结水形成于壁面浅表层并向内部渗透的现象。这种特征与山体渗水、毛细上升等来源的水分传递过程完全不同。

3 结论

本研究利用红外热成像技术和微波水分测量技术，结合露点温度计算，成功识别了一次完整的降雨事件过程中凝结水的形成和消失过程，得到如下结论：

（1）降雨前和降雨期间的大气绝对湿度增大，洞窟内空气露点温度上升，从而壁面发生凝结。该阶段是凝结水形成最显著阶段，在石质文物凝结水防治过程中应予以重视。

（2）降雨期间天然条件引起的气温骤降使壁面不再具备凝结水形成条件，表明降低空气温度可以阻止壁面凝结水的形成，该现象对石质文物凝结水治理具有重要的启示。