孙 博 ,张虎元 ,张 鹏 ,申喜旺 ,杨天宇
(1.兰州大学土木工程与力学学院,甘肃 兰州 730000;2.中铁西北科学研究院有限公司,甘肃 兰州 730000;3.乐山大佛风景名胜区管理委员会,四川 乐山 614000)
乐山大佛(又名凌云大佛)位于四川省乐山市,位于岷江、青衣江、大渡河三江汇流处.佛像开凿于唐玄宗开元初年(公元713 年),唐德宗贞元19 年(公元803 年)完工,历时90 年,是唐代摩岩造像中的艺术精品之一,是世界上最大的石刻弥勒佛坐像.1996 年12 月,峨嵋山-乐山大佛被联合国教科文组织批准为“世界文化与自然遗产”,列入《世界自然与文化遗产名录》.
古人在大佛头部、颈部及胸部后侧开挖3 条排水廊道,在一定程度上截断了山体渗水对头部的影响.近代以来,乐山大佛的修复与保护工作一直未断,但并未涉及水害问题[1].大佛胸部是地下水渗出的地段,该段岩层长期处于湿润状态,是佛像本体砂岩溶蚀,生物病害,佛体表面修复材料空鼓及开裂的主要原因之一.
方云等[2-3]认为水在石质文物化学风化过程中具有主导作用,化学风化使岩石成分、结构、构造均产生明显变化,造成石质文物病害.严绍军等[4]将龙门石窟水文地质条件与典型石窟病害调查结果相结合,分析了石窟渗水来源和渗水病害形成机制,并提出了“外堵内疏”的治理措施.俞剑清等[5]在浙江省内38 处石质文物调查评估工作中发现,渗水病害为浙江地区前三大病害.水害问题一直以来是乐山大佛保护工作中的一个难点,秦中等[6]对乐山大佛砂岩风化速率及侵蚀机理进行了研究,发现生物侵害和水蚀侵害是促成石刻风化毁损的2 个主要方面.此次研究对乐山大佛胸部渗水及大气降水进行了系统监测,分析了大佛渗水来源及其特征,并结合水化学与岩石微观组成对“大佛砂岩”风化机理进行了研究.
此次研究在2019 年平水期(4 月)、丰水期(7 月)及枯水期(12 月)对大佛胸部渗水进行了监测,并在同年7 月28 日—30 日对渗水(左侧与右侧)和大气降水进行监测采样(图1).利用佛身内部设计的排水管道将胸部渗水量引至佛脚下用量筒收集,利用雨量计收集大气降水,采样期间共收集到雨水样品25 个,大佛渗水样品103 个(左侧47 个,右侧56 个).
图1 乐山大佛胸部渗水点位Fig.1 Seepage points of Leshan Giant Buddha′s chest
4 月份大佛胸部左侧渗水量变化范围为20~185 mL/h,平均值为83 mL/h;右侧渗水量变化范围为5~46 mL/h,平均值为25 mL/h.绘制4 月6 日—10 日渗水量随时间变化曲线(图2(a)),4 月份处于平水期,大气降水量较低,渗水量主要受蒸发作用影响,白天07:00—17:00 大佛表面蒸发量大,渗水量减小;夜间19:00—翌日07:00 大佛表面蒸发量减小,渗水量随之增大.此外,渗水量在大气降水量较低的条件下仍能保持稳定的规律性变化,表明平水期地下水为渗水的主要补给来源.
图2 大佛胸部渗水量Fig.2 Seepage water in the chest of giant Buddha
7 月份大佛胸部左侧渗水量变化范围为0~3 361 mL/h,平均值为26 mL/h;右侧渗水量变化范围为0~4 800 mL/h,平均值为57 mL/h.7 月份蒸发作用强烈,晴朗天气条件下渗水量基本为0.由于大佛表面蒸发量大,浅表层地下水受影响强烈,7 月份渗水量并未出现每日规律性变化(图2(b)).7 月份处于丰水期,大气降水集中且降水量大,在降水条件下,渗水量陡增,有些时段甚至接近5 000 mL/h.
12 月份大佛胸部左侧渗水量变化范围为0~83 mL/h,平均值为2 mL/h;右侧渗水量变化范围为0~42 mL/h,平均值为2 mL/h.12 月处于枯水期,相较于4 月和7 月渗水量很小.蒸发作用对渗水量有一定影响,12 月每日渗水量呈现一定的规律性变化,20:00 渗水量最小,12:00 渗水量最大,每日渗水量最大值和最小值差值保持在10 mL/h 以内(图2(c)).
平水期与枯水期大佛胸部渗水主要补给来源为地下水;丰水期由于大佛表面蒸发量大,对浅表层地下水影响较大,渗水出现在降水条件下,补给来源主要为大气降水,岩体干湿交替作用严重.平水期和枯水期由于蒸发作用的影响,渗水量每日呈现规律性变化.
2019 年7 月份对大佛胸部渗水及降水进行了系统采样,第1 次降水开始于7 月27 日08:50,15:20大佛胸部左侧开始渗水,渗水滞后于降水5.5 h,右侧口未出现渗水现象.第2 次降水开始于7 月28 日20:40,大佛胸部左右两侧21:00 开始出现渗水现象.绘制第2 次降水期间的降水强度与渗水量随时间变化曲线如下(图3),降水强度曲线与大佛胸口渗水量曲线走势基本保持一致,大佛左侧渗水量峰值滞后于降水强度峰值48 min,右侧渗水量主峰值滞后于降水强度峰值73 min.
图3 渗水量与降水强度随时间变化曲线Fig.3 Variation curves of seepage water and rainfall intensity with time
大佛胸部渗水在小雨和暴雨条件下的滞后效应显示:左侧基岩导水性强,降水在入渗地表后经基岩裂隙向外排出较快;右侧渗水量大于左侧渗水量,这可能由于大佛右侧降水汇水面积较大,降水对地下水的补给量大.在2 次降水条件下,右侧渗水量除主峰外还存在2 个明显次级峰:二峰与三峰,且二峰与三峰滞后于降水峰值较大,表明大佛右侧岩体内部构造复杂,右侧渗水接受3 个不同来源的降水入渗补给,且其中2 处渗水通道较长.
pH 能够影响物质元素的迁移与溶解沉淀,是决定水体中化学元素迁移与转化的重要水环境因素之一.监测期间降水pH 变化范围为7.47~8.97,平均值为8.13,为中性及弱碱性.收集2001 年—2017 年乐山市大气降水pH 资料[7-8](图4,2009 年—2017 参考乐山市生态环境局)发现,随着近年来国家环境治理的不断深入,乐山大佛地区降水相较于早些年的酸雨(pH<5.60)已经逐步转变为中性及弱碱性.
图4 乐山大佛降水历年pH 变化Fig.4 PH changes of Leshan Giant Buddha precipitation over the years
监测期间降水pH 变化范围为7.47~8.97,pH值较高.降水pH 偏高主要通常有2 种原因:一是致酸离子(和)的匮乏,二是碱性物质的输入中和了酸性物质[9].乐山市花湖湾空气质量监测站数据显示,7 月乐山市大气中SO2和NO2处于全年最低值,降水中致酸离子匮乏(图5).另外小麦水稻等农业活动产生的NH3等碱性物质的释放给降水提供了可能的碱性物质源[10].夏季农业活动强,大面积施用氮肥使得铵态氮以NH3的形式释放到大气中,使得降水中增加,pH 升高.此次监测期间大佛左侧渗水pH 平均值为7.70、右侧渗水pH 平均值为7.72.相较于胸部渗水,大气降水pH 较高.大佛左侧渗水与右侧渗水pH 无明显差异.降水期间,左、右侧部初期渗水pH 接近7.00,随着降水的深入及时间的推进,渗水pH 呈增大趋势,接近降水pH,并最终在降水开始22 h 后pH稳定在8.00 左右直至渗水结束(图6).
图5 2019 年大气中SO2 和NO2 含量Fig.5 SO2 and NO2 in the atmosphere in 2019
图6 pH 随时间变化Fig.6 PH changes with time
电导率(EC)是水体中离子浓度含量的指标,在一定程度上反映了水循环的长度和水流在循环中的停留时间[11].此次监测降水的EC 平均值为20 μS/cm,左侧渗水EC 平均值为1 178 μS/cm,右侧渗水EC平均值为763 μS/cm.大佛胸部渗水EC 值比降水大40 倍~60 倍,胸部渗水在基岩中停留时间较长,渗水中含有大量溶解质组分.左侧渗水EC 值要大于右侧渗水EC 值,表明大佛左侧渗水中含有较多溶解质组分,对大佛左侧基岩风化破坏作用较强.
总溶解性固体(TDS)是溶解在水中离子浓度大小的量度,可以一定程度反映研究区岩性、土壤、植被、风化侵蚀速率和人为活动等信息.降水TDS 平均值为19.5 mg/L,左侧渗水TDS 平均值为594.1 mg/L,右侧渗水TDS 平均值为387.7 mg/L.降水TDS 较低,胸部渗水TDS 比降水大20 倍~30 倍,表明降水拥有较强的溶解能力,降水在下渗-流动-排泄过程中对基岩存在明显的侵蚀溶解作用,与EC 值一致,左侧TDS 高于右侧.
降水监测期间大佛胸部渗水EC 与TDS 随时间变化特征基本一致,表现为前期与后期小,中期较大.根据EC 与TDS 变化可将大佛胸部渗水分为前期、中期与后期(图7、8).由图7、8 可知:前期渗水含有少量溶解物质,可能为滞留于靠近大佛渗水口的前几次降水优先渗出,左侧前期渗水中EC 与TDS 先增大后减小,这可能与左侧储水构造有关;中期渗水为大佛内部基岩裂隙中储存的前次降水,因为在大佛内部储存时间久、流动路径长,溶解有大量可溶性基岩成分,在本次降水的推动下渗出;后期降水含有少量可溶性物质,意味着本次降水混合着前次降水到达出渗口,EC 与TDS 开始呈现下降趋势.
图7 渗水EC 值随时间变化Fig.7 EC value of seepage water changes with time
图8 渗水TDS 随时间变化Fig.8 TDS of seepage water changes with time
大佛胸部渗水阳离子以Ca2+为主,其当量占阳离子当量总和的70%,各阳离子当量浓度大小依次为Ca2+>Na+>Mg2+>K+;阴离子以与为主,其当量占阳离子当量总和的59%与22%,各阴离子当量浓度大小依次为>>Cl->.绘制各离子浓度随时间变化曲线(图9),各离子(除Cl-)浓度随时间变化趋势与TDS 及EC基本一致,左侧前期渗水过程中,Na+、K+与CI-存在明显的一个的峰值,这可能与左侧特殊的储水构造有关.
图9 渗水中各离子浓度随时间变化Fig.9 Concentration of ions in seepage water changes with time
根据阿列金分类,前期和后期渗水主要为碳酸盐类-钙组-Ⅱ型,中期渗水主要为硫酸盐类-钙组-Ⅲ型.Ⅱ型水矿化度中等或较低,与水和沉积岩的作用有关;Ⅲ型水一般具有较高的矿化度,水中离子交换作用使水的成分明显变化,通常是水中的Na+交换出土壤和沉积岩中的Ca2+和Mg2+.
乐山大佛景区基本无人为污染物对渗水水化学组成产生影响,大佛渗水化学组成主要为大气降水输入与岩石溶解输入.Cl-是大气降水中的主要组分,较为保守、不易被吸附、很难发生沉淀,在岩石中含量也很低且不参与生物地球化学循环[12],选择Cl-为参照元素进行分析大气降水对水体化学组成的影响,以大气降水中Cl-与其他元素的比值和水体中大气降水输入Cl-对照得出其他大气降水输入元素浓度,如式(1).
式中:[Cl-]atm为大气降水输入到水体的Cl-浓度;(Cl-)ref为大气降水中Cl-的平均浓度;P为多年平均降水量,参考中国气象局,mm;E为多年平均蒸发量,参考高蔺云等[13],mm.
表1 为渗水离子贡献情况,由分析可知:大佛渗水中离子来源主要为岩石风化(总体超过90%);大气降水对和有一定影响,对其他离子影响很小(<10%).
表1 渗水离子贡献Tab.1 Contributions to seepage ions
“大佛砂岩”为白垩系下统夹关组(K2j)的下部层位,此次研究对大佛左侧崖壁对应胸部渗水段岩层进行了取样分析(图10),按高度间隔1 m 取样,每个采样点分不同深度(深度B为0~2 cm,C为2~4 cm,D为4~6 cm).
图10 岩石采样位置Fig.10 Rock sampling location
岩石XRF (X-Ray Fluorescence)分析结果显示(表2):岩石主要含量为SiO2(>50%),含有一定量的CaO 和Al2O3(>8%),少量MgO、Na2O、K2O 与Fe2O (<4%).考虑到SiO2性质稳定,在空气和水中可以稳定存在,因此,主要分析CaCO3的变化.中上部岩石47、47+ 和48 采样点CaCO3含量较小,CaCO3流失严重,CaCO3随地下水在下部岩层汇集.中上部岩层在深度C(2~4 cm)处CaCO3含量最低,受风化作用影响强烈.大佛胸部覆盖有一层厚约30 cm 的白色结晶物质,其主要含量为CaCO3,大气降水进入地下水流动系统,溶蚀碳酸盐岩,地下水出露后脱气作用导致CaCO3浓度达到饱和浓度从而形成结晶体.生物有机体可以为CaCO3晶体成和堆积提供一个稳定的场所,促进水的脱气作用[14],大佛胸部生物病害发育严重,为CaCO3晶体的形成提供了更加有利的场所.
表2 X 射线荧光Tab.2 X-Ray fluorescence%
岩石SEM (scanning electron microscope)分析显示(图11):基岩表面分布着很多颗粒,断面均呈颗粒状,颗粒大小从几微米到几百微米;整体结构致密,表面较为粗糙,微裂隙不发育,偶见孔洞和溶洞;各层的低倍SEM 照片显示的表面形态相差不大,高倍SEM 照片(5 000 倍)显示,岩样微观结构呈现团粒状或块状、形态不规则、胶结较好、局部比较致密、微裂隙发育明显且不规则、多孔洞.38B 样品颗粒表现存在明显的层状形貌,该形貌具有较大的比表面积,在空气和水存在的情况下更容易发生腐蚀.
图11 扫描电子显微镜Fig.11 Scanning Electron Microscope
岩石风化产物在很大程度上决定了地下水的水化学性质.一般而言,大气或土壤的CO2是碳酸盐岩化学风化最常见的侵蚀介质,而且H2SO4普遍参与了岩石的风化过程[15].HCO3和H2SO4的化学风化过程可简化为
只有H2CO3参与风化时,碳酸盐岩的风化产物主要为Ca2+、Mg2+与,(Ca2++ Mg2+)/的当量比值应该为1.而大佛渗水中(Ca2++ Mg2+)/的当量比值远高于1,说明仅凭离子不足以和Ca2+、Mg2+平衡.大佛渗水中主要阴离子为,其主要来源于大气输入的SO2以及硫化物矿物氧化.图12 为大佛渗水中(Ca2++ Mg2+)/(+)的当量比值,可以清楚地看到:当H2SO4参与反应后,(Ca2++ Mg2+)/当量比值基本为1,说明H2SO4参与了“大佛砂岩”的风化,并起到重要作用.
图12 渗水 (Ca2+ + Mg2+ )/()当量比值Fig.12 (Ca2+ + Mg2+ )/() of water seepage
1) 乐山大佛胸部渗水在平水期与枯水期主要补给来源为地下水;丰水期主要补给来源为大气降水.平水期和枯水期由于蒸发作用的影响,渗水量每日呈现规律性变化.渗水的滞后效应显示左侧基岩裂隙发育,导水性强,右侧渗水接受3 个不同来源的降水入渗补给.
2) 监测期间降水pH 平均值为8.13,为弱碱性.乐山市降水从2009 年起年平均pH>5.60,降水已由酸性转为碱性, 大佛胸部渗水pH 平均值7.70.TDS 与EC 显示降水在下渗-流动-排泄过程中对基岩存在明显的溶解作用.
3) 大佛胸部渗水水化学类型为碳酸盐类-钙组-Ⅱ型与硫酸盐类-钙组-Ⅲ型,阳离子以Ca2+为主,其当量占阳离子当量总和的70%;阴离子以与为主,其当量占阳离子当量总和的59%与22%.岩石风化对大佛渗水中离子贡献超过90%.“大佛砂岩”主要成分为 CaCO3和SiO2,胸部的白色结晶物质主要含量为CaCO3.岩石微观分析表明,大佛胸部岩石存在明显的层状形貌,在空气和水存在的情况下容易发生溶蚀,水化学离子组成分析表明H2CO3与H2SO4共同参与了“大佛砂岩”的风化.