论文部分内容阅读
敦煌莫高窟是我国乃至世界佛教艺术的瑰宝，1961年被国务院公布为第一批全国重点文物保护单位，1987年被联合国教科文组织世界遗产委员会列入“世界文化遗产名录”。由于莫高窟地处库姆塔格沙漠的边缘、鸣沙山的东麓，在当地西北、西南及东北风的长期作用下，洞窟面临着风沙危害的严重威胁。风沙对石窟文物的危害已成为敦煌文物保护的主要问题之一。
为此，本文在前人研究工作的基础上，采用GPS全球定位系统、近景数字摄影测量、风洞模拟实验及数值模拟等相结合的技术手段，对敦煌莫高窟顶不同地表类型的风沙流结构、鸣沙山及其边缘沙丘运动、沙源供给等进行了系统监测与研究，确定了风沙危害的重点区域，依此建立了以机械、生物及化学措施为一体的综合防护试验研究体系，采用阶梯式积沙仪、十路风速风向自动采集仪等对其防护效应进行了大量野外监测与风洞模拟实验验证，并对综合防护体系的综合防护效应进行了研究，得到如下主要结论：
(1)通过对莫高窟顶全自动气象站1990～2004年风况资料的分析，结合窟顶不同地貌单元及地表物质组成状况，表明造成莫高窟风沙危害的主要风向为偏西、偏南和偏东三组风向，分别占起沙风(≥5m·s-1)总频率的21.97﹪、50.29﹪和12.67﹪。
(2)采用全方位积沙仪定点观测结果表明，窟项年总输沙通量为1.62t·m-1·a-1，其中，偏西风为0.74t·m-1·a-1，占总输沙通量的45.75﹪；偏南风为0.66t·m-1·a-1，占40.88﹪；偏东风为0.22t·m-1·a-1，占13.35﹪。
(3)采用航卫片判读、GPS全球定位系统及近景数字摄影测量等技术，结合对典型沙丘运动的实地监测，表明鸣沙山基本稳定，前移埋压洞窟的可能性不大，前缘中小沙丘和平坦沙地是造成莫高窟风沙危害的主要沙源，同时也为戈壁风沙流提供了大量沙源。监测结果表明，流沙区、戈壁区对构成莫高窟风沙危害的沙源贡献率分别占82.43﹪和17.57﹪。可见，危害莫高窟的沙物质主要来自鸣沙山及前缘低矮沙丘、平坦沙地。风沙危害综合治理的重点区域是：①鸣沙山前缘的流动沙丘及平坦沙地；②沙砾质戈壁区；③窟顶崖面。
(4)针对莫高窟风沙危害的沙源地及其不同地表状况风沙流结构特征，打破危害石窟的原有风沙均衡场，构建一个对石窟不产生风沙危害的风沙均衡场是解决莫高窟沙害的主要途径。为此，在鸣沙山前缘中小沙丘迎风坡2/3处设置高立式阻沙栅栏，并通过不断抬高重设栅栏，使沙丘增高并形成人工沙堤，随着人工沙堤的不断长高使沙丘日趋稳定，从而有效的阻止前沿积沙；对中小沙丘及平坦沙地采用麦草方格沙障与生物措施进行固定，稳定地表，切断主要沙源；在沙砾质戈壁区采取砾石铺压，阻止就地起沙，而戈壁区尼纶网栅栏可使进入砾质戈壁区风沙流携带的有限沙尘进一步沉降；采用大规格方格沙障对石窟对面三危山下的流动沙丘进行固定；通过对窟顶崖面化学加固与建立窟前防护林网防止崖面进一步风蚀，从而使进入窟区的积沙大为减少，以满足文物保护单位对生态环境质量的要求。综上所述，利用本区多风向和不同沙源供给的特征，因势利导，根据鸣沙山、平坦沙地、沙(砾)质戈壁、窟顶崖面等不同地带的下垫面条件，通过不同防护措施的优化组合，建立一个由机械、生物和化学措施相结合的多层次、多功能的综合防护体系，构建对洞窟危害最小、日趋稳定的风沙均衡场，才能从根本上解决莫高窟的风沙危害问题。综合防护体系的建成，预计进入窟区的流沙将由目前的1000m3·a-1左右降至100m3·a-1左右，大气中TSP浓度有所降低，生态环境质量明显改善。以固为主，固、阻、输、导相结合是莫高窟风沙防治的基本原则。
(5)通过对生物固沙与机械固沙措施效益的数值模拟与实地观测，生物措施优于机械措施。林带建立后，地表风蚀起沙的临界摩擦速度是林带建立前的4.1倍，顺风向沙粒通量和垂直尘粒通量均减小为0，林带后缘的输沙率是林带前缘的1/38；设置草方格沙障后，地表风蚀起沙的临界摩擦速度为设置前的L9倍，顺风向沙粒通量和垂直尘粒通量分别减少约3/5和7/8，地表粗糙度比沙丘表面增加约300多倍。说明灌木林带完全抑制了地表风蚀起沙，而草方格沙障的固沙效果亦十分显著。机械措施中，草方格沙障又优于其它机械沙障措施。在相似的地表及风力作用下，麦草方格沙障的地表粗糙度、摩阻速度及输沙率分别是棉花秸方格沙障的54倍、15倍和1/4。
(6)通过风洞模拟实验与野外观测结果表明，窟顶戈壁砾石覆盖度在50﹪以上时可有效防治风蚀作用。当戈壁表面蚀积活动达到动态平衡时，砾石覆盖度随风速的增大呈对数关系增长，其所需时间随风速的增大而呈指数关系递减。
(7)通过室内对不同类型、不同浓度及其配比的化学固沙材料分析测试，结合现场试验，筛选出高模数硅酸钾(简称PS)具有良好的耐老化性和抗冻融性，对环境无污染，适合于对莫高窟崖面及其浮沙进行加固。风洞实验结果表明，用10﹪PS溶液加固后的莫高窟北区原始岩样，在20m·s-1挟沙风的作用下，其吹蚀模数几乎为0。PS和新型高分子SH、LC固沙材料，可使固结层土壤水分和土壤温度有所增加，改善了土壤热量状况，有利于植物生长。
综上所述，本文借助GPS全球定位系统及数值模拟等技术手段，通过对近15年风况资料的分析及结合大量的野外观测，在以下几个方面有所突破：①明确了造成莫高窟风沙危害的主害风及其所占比例；②确定了莫高窟风沙危害的主要沙源及其不同地表类型的贡献率；③对不同防护措施的防护效应进行了比较研究，并通过风洞和数值模拟进行了验证。