敦煌莫高窟風(fēng)沙危害與防治研究_19374.pdf

1、敦煌莫高窟是我國乃至世界佛教藝術(shù)的瑰寶，1961年被國務(wù)院公布為第一批全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位，1987年被聯(lián)合國教科文組織世界遺產(chǎn)委員會列入“世界文化遺產(chǎn)名錄”。由于莫高窟地處庫姆塔格沙漠的邊緣、鳴沙山的東麓，在當(dāng)?shù)匚鞅?、西南及東北風(fēng)的長期作用下，洞窟面臨著風(fēng)沙危害的嚴(yán)重威脅。風(fēng)沙對石窟文物的危害已成為敦煌文物保護(hù)的主要問題之一。 為此，本文在前人研究工作的基礎(chǔ)上，采用GPS全球定位系統(tǒng)、近景數(shù)字?jǐn)z影測量、風(fēng)洞模擬實驗及數(shù)值模擬等

2、相結(jié)合的技術(shù)手段，對敦煌莫高窟頂不同地表類型的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)、鳴沙山及其邊緣沙丘運(yùn)動、沙源供給等進(jìn)行了系統(tǒng)監(jiān)測與研究，確定了風(fēng)沙危害的重點(diǎn)區(qū)域，依此建立了以機(jī)械、生物及化學(xué)措施為一體的綜合防護(hù)試驗研究體系，采用階梯式積沙儀、十路風(fēng)速風(fēng)向自動采集儀等對其防護(hù)效應(yīng)進(jìn)行了大量野外監(jiān)測與風(fēng)洞模擬實驗驗證，并對綜合防護(hù)體系的綜合防護(hù)效應(yīng)進(jìn)行了研究，得到如下主要結(jié)論： (1)通過對莫高窟頂全自動氣象站1990～2004年風(fēng)況資料的分析，結(jié)合窟頂

3、不同地貌單元及地表物質(zhì)組成狀況，表明造成莫高窟風(fēng)沙危害的主要風(fēng)向為偏西、偏南和偏東三組風(fēng)向，分別占起沙風(fēng)(≥5m·s-1)總頻率的21.97﹪、50.29﹪和12.67﹪。 (2)采用全方位積沙儀定點(diǎn)觀測結(jié)果表明，窟項年總輸沙通量為1.62t·m-1·a-1，其中，偏西風(fēng)為0.74t·m-1·a-1，占總輸沙通量的45.75﹪；偏南風(fēng)為0.66t·m-1·a-1，占40.88﹪；偏東風(fēng)為0.22t·m-1·a-1，占13.35﹪

4、。 (3)采用航衛(wèi)片判讀、GPS全球定位系統(tǒng)及近景數(shù)字?jǐn)z影測量等技術(shù)，結(jié)合對典型沙丘運(yùn)動的實地監(jiān)測，表明鳴沙山基本穩(wěn)定，前移埋壓洞窟的可能性不大，前緣中小沙丘和平坦沙地是造成莫高窟風(fēng)沙危害的主要沙源，同時也為戈壁風(fēng)沙流提供了大量沙源。監(jiān)測結(jié)果表明，流沙區(qū)、戈壁區(qū)對構(gòu)成莫高窟風(fēng)沙危害的沙源貢獻(xiàn)率分別占82.43﹪和17.57﹪?？梢姡：δ呖叩纳澄镔|(zhì)主要來自鳴沙山及前緣低矮沙丘、平坦沙地。風(fēng)沙危害綜合治理的重點(diǎn)區(qū)域是：①鳴沙山前

5、緣的流動沙丘及平坦沙地；②沙礫質(zhì)戈壁區(qū)；③窟頂崖面。 (4)針對莫高窟風(fēng)沙危害的沙源地及其不同地表狀況風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征，打破危害石窟的原有風(fēng)沙均衡場，構(gòu)建一個對石窟不產(chǎn)生風(fēng)沙危害的風(fēng)沙均衡場是解決莫高窟沙害的主要途徑。為此，在鳴沙山前緣中小沙丘迎風(fēng)坡2/3處設(shè)置高立式阻沙柵欄，并通過不斷抬高重設(shè)柵欄，使沙丘增高并形成人工沙堤，隨著人工沙堤的不斷長高使沙丘日趨穩(wěn)定，從而有效的阻止前沿積沙；對中小沙丘及平坦沙地采用麥草方格沙障與生物措

6、施進(jìn)行固定，穩(wěn)定地表，切斷主要沙源；在沙礫質(zhì)戈壁區(qū)采取礫石鋪壓，阻止就地起沙，而戈壁區(qū)尼綸網(wǎng)柵欄可使進(jìn)入礫質(zhì)戈壁區(qū)風(fēng)沙流攜帶的有限沙塵進(jìn)一步沉降；采用大規(guī)格方格沙障對石窟對面三危山下的流動沙丘進(jìn)行固定；通過對窟頂崖面化學(xué)加固與建立窟前防護(hù)林網(wǎng)防止崖面進(jìn)一步風(fēng)蝕，從而使進(jìn)入窟區(qū)的積沙大為減少，以滿足文物保護(hù)單位對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的要求。綜上所述，利用本區(qū)多風(fēng)向和不同沙源供給的特征，因勢利導(dǎo)，根據(jù)鳴沙山、平坦沙地、沙(礫)質(zhì)戈壁、窟頂崖面等不同

7、地帶的下墊面條件，通過不同防護(hù)措施的優(yōu)化組合，建立一個由機(jī)械、生物和化學(xué)措施相結(jié)合的多層次、多功能的綜合防護(hù)體系，構(gòu)建對洞窟危害最小、日趨穩(wěn)定的風(fēng)沙均衡場，才能從根本上解決莫高窟的風(fēng)沙危害問題。綜合防護(hù)體系的建成，預(yù)計進(jìn)入窟區(qū)的流沙將由目前的1000m3·a-1左右降至100m3·a-1左右，大氣中TSP濃度有所降低，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量明顯改善。以固為主，固、阻、輸、導(dǎo)相結(jié)合是莫高窟風(fēng)沙防治的基本原則。 (5)通過對生物固沙與機(jī)械固沙

8、措施效益的數(shù)值模擬與實地觀測，生物措施優(yōu)于機(jī)械措施。林帶建立后，地表風(fēng)蝕起沙的臨界摩擦速度是林帶建立前的4.1倍，順風(fēng)向沙粒通量和垂直塵粒通量均減小為0，林帶后緣的輸沙率是林帶前緣的1/38；設(shè)置草方格沙障后，地表風(fēng)蝕起沙的臨界摩擦速度為設(shè)置前的L9倍，順風(fēng)向沙粒通量和垂直塵粒通量分別減少約3/5和7/8，地表粗糙度比沙丘表面增加約300多倍。說明灌木林帶完全抑制了地表風(fēng)蝕起沙，而草方格沙障的固沙效果亦十分顯著。機(jī)械措施中，草方格沙障又

9、優(yōu)于其它機(jī)械沙障措施。在相似的地表及風(fēng)力作用下，麥草方格沙障的地表粗糙度、摩阻速度及輸沙率分別是棉花秸方格沙障的54倍、15倍和1/4。 (6)通過風(fēng)洞模擬實驗與野外觀測結(jié)果表明，窟頂戈壁礫石覆蓋度在50﹪以上時可有效防治風(fēng)蝕作用。當(dāng)戈壁表面蝕積活動達(dá)到動態(tài)平衡時，礫石覆蓋度隨風(fēng)速的增大呈對數(shù)關(guān)系增長，其所需時間隨風(fēng)速的增大而呈指數(shù)關(guān)系遞減。 (7)通過室內(nèi)對不同類型、不同濃度及其配比的化學(xué)固沙材料分析測試，結(jié)合現(xiàn)場試驗

10、，篩選出高模數(shù)硅酸鉀(簡稱PS)具有良好的耐老化性和抗凍融性，對環(huán)境無污染，適合于對莫高窟崖面及其浮沙進(jìn)行加固。風(fēng)洞實驗結(jié)果表明，用10﹪PS溶液加固后的莫高窟北區(qū)原始巖樣，在20m·s-1挾沙風(fēng)的作用下，其吹蝕模數(shù)幾乎為0。PS和新型高分子SH、LC固沙材料，可使固結(jié)層土壤水分和土壤溫度有所增加，改善了土壤熱量狀況，有利于植物生長。 綜上所述，本文借助GPS全球定位系統(tǒng)及數(shù)值模擬等技術(shù)手段，通過對近15年風(fēng)況資料的分析及結(jié)合大