敦煌莫高窟窟頂風(fēng)沙環(huán)境綜合治理回顧與展望

內(nèi)容摘要：本文依據(jù)長期連續(xù)野外的風(fēng)沙觀測，對窟頂?shù)娘L(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律、沙丘動(dòng)力學(xué)以及風(fēng)沙防護(hù)效應(yīng)等方面取得的進(jìn)展進(jìn)行了較為全面的闡述，同時(shí)提出了對綜合防護(hù)體系建立后的流場變化、輸沙率及粉塵輸送規(guī)律、戈壁風(fēng)沙流、防護(hù)前緣地形變化等進(jìn)行長期監(jiān)測的重要性和必要性，通過風(fēng)沙物理學(xué)過程探討其綜合防護(hù)機(jī)制。

關(guān)鍵詞：敦煌莫高窟；風(fēng)沙環(huán)境；綜合治理；研究進(jìn)展；回顧與展望

中圖分類號(hào)：K854.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-4106(2007)05-0098-05

莫高窟位于甘肅省河西走廊最西端的歷史文化名城敦煌市，地處我國八大沙漠之一的庫姆塔格沙漠東南緣和鳴沙山東麓，風(fēng)沙災(zāi)害一直是困擾莫高窟完整保存的主要環(huán)境問題之一。風(fēng)沙對莫高窟的危害可以追溯到五代時(shí)期，有清沙功德碑為證。新中國成立以來，才真正有組織、有計(jì)劃地開展莫高窟的風(fēng)沙防治工作。20世紀(jì)50年代，中央政府高度重視敦煌文物的保護(hù)工作，周恩來總理曾就敦煌文物的保護(hù)親自作過重要批示。后來，文化部會(huì)同中國科學(xué)院等單位，組成專家組對敦煌文物保護(hù)的現(xiàn)狀和存在問題進(jìn)行現(xiàn)場考察后，明確指出崖體穩(wěn)定性、強(qiáng)烈的崖面風(fēng)蝕及風(fēng)沙危害是敦煌文物保護(hù)面臨的主要問題。全面深入開展該區(qū)風(fēng)沙活動(dòng)規(guī)律及其綜合防護(hù)體系前期試驗(yàn)研究，對解決莫高窟的風(fēng)沙危害具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。莫高窟風(fēng)沙危害的治理，不僅要以風(fēng)沙物理學(xué)、風(fēng)沙工程學(xué)的基礎(chǔ)理論做指導(dǎo)，還要符合《國際古跡保護(hù)與修復(fù)憲章》與《中國文物古跡保護(hù)準(zhǔn)則》對文物保護(hù)的特殊要求，做到文物保護(hù)與防沙工程措施合理設(shè)置的有機(jī)結(jié)合。本項(xiàng)研究不僅可以為敦煌莫高窟地區(qū)建立長效的綜合防護(hù)體系提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，而且對我國西北風(fēng)沙地區(qū)的文物古跡及重要經(jīng)濟(jì)設(shè)施的保護(hù)起到示范作用。

一 風(fēng)沙方面的研究進(jìn)展

回顧總結(jié)莫高窟風(fēng)沙危害的治理與研究，按照不同時(shí)期的主要特點(diǎn)，可將其歸結(jié)為三個(gè)時(shí)期：(1)以清除積沙為主的文物搶救階段。時(shí)間上可劃分到20世紀(jì)70年代以前。這一階段的主要特點(diǎn)是清除窟內(nèi)和窟區(qū)積沙，同時(shí)編制了以工程措施為主的防沙規(guī)劃，在窟頂崖面及窟區(qū)等設(shè)置了以阻為主的零星試驗(yàn)工程。(2)野外觀測積累階段。時(shí)間上從20世紀(jì)80年代末至90年代末。在窟頂安裝了全自動(dòng)氣象站，開始對莫高窟區(qū)域環(huán)境特別是風(fēng)沙資料進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測。1990年，敦煌研究院與中國科學(xué)院蘭州沙漠研究所合作，在美國蓋蒂基金會(huì)的支持和蓋蒂保護(hù)所的直接參與下，在戈壁區(qū)設(shè)置了“A”字形尼綸網(wǎng)柵欄防沙措施，有效地控制了偏西風(fēng)向洞窟搬運(yùn)沙量的95％左右，洞前棧道夜間積沙比設(shè)置柵欄前減少60％。(3)實(shí)驗(yàn)研究階段。從20世紀(jì)末期開始至今，對莫高窟風(fēng)沙危害有了新的認(rèn)識(shí)。針對前期出現(xiàn)的戈壁區(qū)嚴(yán)重積沙、植物固沙規(guī)模過小的實(shí)際，開始探索進(jìn)一步擴(kuò)大植物固沙范圍，開展草方格沙障固沙試驗(yàn)研究。

實(shí)踐表明，沒有翔實(shí)數(shù)據(jù)和可靠理論支撐的風(fēng)沙防護(hù)體系，勢必會(huì)出現(xiàn)這樣或那樣的問題，有些措施甚至將沙帶到距離窟區(qū)更近的地方堆積下來，形成新的隱患。例如50年代在窟頂崖面修筑擋沙墻、開挖輸沙溝、扎設(shè)防沙柵欄等，由于種種原因，防沙的效果不佳，甚至一些工程措施由于位置設(shè)置不當(dāng)造成新的隱患，后來被迫拆除。因此，弄清窟頂風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律，是建立長期有效的防護(hù)體系必需的基礎(chǔ)工作。經(jīng)過多年的長期連續(xù)野外的風(fēng)沙觀測，我們對窟頂?shù)娘L(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律、沙丘動(dòng)力學(xué)以及風(fēng)沙工程等方面有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，并且取得了一些研究進(jìn)展，主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

1、輸沙勢計(jì)算與風(fēng)沙流輸沙勢

輸沙勢計(jì)算與風(fēng)沙流輸沙勢是衡量區(qū)域風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度極其重要的指標(biāo)，也是目前風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算中應(yīng)用最為廣泛的方法。通過1990-2002年的風(fēng)資料對莫高窟頂RDP/DP計(jì)算，結(jié)果表明，年潛在輸沙勢為266VU，屬于中等風(fēng)能環(huán)境。合成輸沙勢為83VU，合成輸沙方向(RDD)為34，RDP/DP值為0.31，屬復(fù)合風(fēng)況(圖1)。研究發(fā)現(xiàn)莫高窟不僅多風(fēng)、風(fēng)大，而且大風(fēng)多集中在春夏兩季，從發(fā)生頻次來看，以春、夏、秋季風(fēng)沙活動(dòng)較為頻繁。

一些學(xué)者曾通過統(tǒng)計(jì)分析風(fēng)資料，或是利用數(shù)值模擬等對莫高窟窟頂戈壁風(fēng)蝕起沙量進(jìn)行過分析研究。2002年，我們通過在窟頂流沙區(qū)與戈壁區(qū)分別設(shè)置高為40cm的全方位積沙儀進(jìn)行了為期一年的風(fēng)沙流觀測，結(jié)果表明，莫高窟頂總輸沙通量為1.62 t/(m·s)，其中偏西風(fēng)為0.74t/(m·s)，偏南風(fēng)為0.66t/(m·s)，偏東風(fēng)為0.22t/(m·s)。流沙區(qū)的貢獻(xiàn)率達(dá)82.4％，而戈壁區(qū)則為17.6％。需要說明的是觀測值比Du et al的理論值小，主要是由于地表實(shí)際風(fēng)蝕起沙率不僅受地表礫石覆蓋、植被蓋度、沙地土壤水分含量等因素的影響，而且受地形、地貌及地表粒級級配等條件的限制。

2、風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征

氣流中所搬運(yùn)的沙子在搬運(yùn)層內(nèi)隨高度的分布，稱為風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)。風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)決定風(fēng)沙輸移強(qiáng)度和防沙工程措施的選取。屈建軍等在對莫高窟窟頂戈壁進(jìn)行大量觀測后發(fā)現(xiàn)，礫質(zhì)戈壁的輸沙量在高度上不服從梯度分布，最高值出現(xiàn)在距地表2-8cm的高度，而不是通常的地表0-1cm。戈壁風(fēng)沙流與沙質(zhì)地表風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)顯著不同，圖2為同場風(fēng)作用下，根據(jù)相同時(shí)段積沙量做出的戈壁與流沙地表風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)。戈壁風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)在2-6cm處呈現(xiàn)最大值，而沙質(zhì)地表輸沙量隨高度呈指數(shù)規(guī)律遞減。這一結(jié)果與前人在其他地區(qū)或?qū)嶒?yàn)研究結(jié)果一致。

風(fēng)沙流的水平分布主要與風(fēng)速、風(fēng)向和下墊面的性質(zhì)有關(guān)。戈壁風(fēng)沙流與沙質(zhì)地表風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)變化的上述顯著差異，主要原因是戈壁組成物質(zhì)粗，顆粒大，地面堅(jiān)實(shí)，風(fēng)沙流中的沉降沙粒與礫石床面碰撞過程中的能量損失很小，沙粒彈跳高度大。因而，戈壁風(fēng)沙流的高度較大，沙量隨高度增加而減少的遞減率就緩慢。戈壁風(fēng)沙流高度大，沙粒彈跳高，分散在較高的空間，充分利用不同高度氣流的能量，使戈壁風(fēng)沙流常處于非飽和搬運(yùn)狀態(tài)，風(fēng)蝕作用強(qiáng)烈。

首先，由于戈壁地表粗糙度平均為0.118cm，較流沙地表的0.005增加了一個(gè)數(shù)量級，因而戈壁地表沙粒起動(dòng)風(fēng)速也較之增大，其結(jié)果表現(xiàn)在同一風(fēng)速下，自流沙至礫石戈壁輸沙量逐漸降低。其次，自鳴沙山至崖頂?shù)腤WN和WS風(fēng)，在風(fēng)速小于11.0m/s時(shí)，以就地起沙為主，當(dāng)風(fēng)速大于11.0m/s時(shí)，出現(xiàn)沙物質(zhì)的長距離搬運(yùn)。再次，EEN形成的風(fēng)沙流不僅將洞窟崖面的積沙反向搬運(yùn)至鳴沙山附近，而且對鳴沙山沙物質(zhì)同樣具有反方向搬運(yùn)能力。表明了窟區(qū)沙源主要來自鳴沙山沙丘沙和部分來自戈壁地區(qū)的二次起沙，即所謂的“就地起沙”。

3、沙丘運(yùn)動(dòng)實(shí)地監(jiān)測

通過對鳴沙山高程變化縱斷面圖上進(jìn)行加密測量，可以看出，沙山前緣小沙丘SW向NE方向的年移動(dòng)速度為1.08—-0.77m，年平均速度為0.34m。向窟區(qū)方向年移動(dòng)速度為0.84—-0.60m，年平均速度為0.26m。沙山移動(dòng)理論計(jì)算和遙感監(jiān)測均表明，沙山和小沙丘的移動(dòng)方向?yàn)镾W→NE，移動(dòng)速度都極小，屬慢速——穩(wěn)定型。但是沙山移動(dòng)的理論計(jì)算值略高于遙感監(jiān)測值，其原因在于沙丘移動(dòng)速度除了與風(fēng)速大小和沙丘本身高度有關(guān)外，還與沙丘水分含量、植被狀況、下伏地貌條件的差異等多種因素有關(guān)。

采用地面立體攝影測量技術(shù)對金字塔沙丘的短期監(jiān)測結(jié)果表明，沙丘具有垂直增長特征，沙丘形態(tài)變化主要發(fā)生在丘體3/4高度以上的部位，沙丘運(yùn)動(dòng)主要通過沙丘臂的橫(縱)向擺動(dòng)來適應(yīng)季節(jié)性的風(fēng)向變化，而沙丘的整體橫向移動(dòng)不明顯。但從長期監(jiān)測結(jié)果來看，金字塔沙丘仍具有整體橫向運(yùn)動(dòng)的特征，并且高度有降低的趨勢。局地環(huán)流(偏南風(fēng))對金字塔沙丘的橫向移動(dòng)影響較大，局地環(huán)流作用下的均衡坡面狀況對沙丘的運(yùn)動(dòng)起著重要的作用。1997年在沙丘運(yùn)動(dòng)監(jiān)測初期，曾對沙丘進(jìn)行了控制測量，布置了20個(gè)控制點(diǎn)。經(jīng)過8年時(shí)間，在沙脊線及面上布設(shè)的控制樁已完全被沙埋或風(fēng)蝕，僅個(gè)別點(diǎn)又被風(fēng)蝕出露地表。而沙丘基部的控制點(diǎn)完好，從現(xiàn)存的控制樁可清楚看出沙丘8年的移動(dòng)規(guī)律。NE和W面基底的變化不大，NE面主要呈堆積狀態(tài)，w面的變化主要發(fā)生在沙丘的3/4以上的高度部位。SE面的基底風(fēng)蝕現(xiàn)象比較明顯，風(fēng)蝕深度達(dá)45cm，年平均風(fēng)蝕深度5.5cm。但隨沙丘高度的增加，風(fēng)蝕作用有所減弱，年平均風(fēng)蝕4.6cm。SW副臂移動(dòng)明顯，向南移動(dòng)4.4m，年平均移動(dòng)55cm。主臂有向偏東方向移動(dòng)趨勢。

二 風(fēng)沙防治的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究進(jìn)展

1、荒漠灌木林帶

灌木林帶的建立，改變了近地表風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)，使其周圍的氣流場重新分布。窄行多帶的灌木林帶的疊加作用使其阻固流沙的作用更加明顯。由于灌溉、施肥、灌叢根系、土壤微生物及灌木林帶對沙塵阻滯等的共同作用，使沙地表層和淺層細(xì)沙和微沙含量增加，有機(jī)質(zhì)含量在植物根系分布范圍內(nèi)成倍增加，而受植物種的影響，全N、全P含量變化不大。在0-60cm的沙層含鹽量普遍有所增加，而60cm以下的沙層鹽分含量反而下降，說明在頻繁的滴灌條件下，沙地淺層不但沒有積鹽過程，而且還把風(fēng)成沙中的部分鹽分淋洗到60cm深度以下。灌木林對區(qū)域小氣候的改善效應(yīng)明顯。灌木林帶內(nèi)與流沙區(qū)氣溫和相對濕度的日變化趨勢基本一致，日平均氣溫流沙區(qū)比灌木帶內(nèi)高，而平均相對濕度灌木林帶內(nèi)比流沙區(qū)高，表現(xiàn)出與喬木林帶基本一致的變化趨勢，這種變化隨灌木林帶郁閉度的不斷增加和持續(xù)的灌溉作用愈加明顯。淺層土壤(0-20cm)溫度晝夜變程與地面有同樣的規(guī)律，以垂直方向向下傳遞，但變幅較地表為小，并從上往下遞減，到20cm深時(shí)變化更小。

總體來看，灌木林帶的防風(fēng)固沙作用明顯，對區(qū)域環(huán)境的影響明顯，而且耗水少，比較適應(yīng)貧瘠的土壤水分和養(yǎng)分條件，在極端干旱荒漠地區(qū)的風(fēng)沙防治及植被恢復(fù)重建中具有極其重要的作用，可在我國西部生態(tài)環(huán)境建設(shè)中推廣應(yīng)用。

2、礫石鋪壓

緊密排列的蝕積床面的礫石覆蓋度在風(fēng)沙流的作用下變化很小或者沒有變化。只有緊密排列卵石床面在風(fēng)速達(dá)到11m/s時(shí)出現(xiàn)風(fēng)蝕現(xiàn)象。當(dāng)上風(fēng)向沙源缺乏時(shí)，60％覆蓋度的床面，在12m/s風(fēng)速下連續(xù)作用45分鐘，床面以阻截上風(fēng)向挾帶來沙物質(zhì)為主，且堆積速率逐漸減小。當(dāng)氣流作用1小時(shí)后，床面出現(xiàn)輕微的風(fēng)蝕。這表明礫石床面由阻沙逐漸向?qū)侈D(zhuǎn)變。沙物質(zhì)輸送強(qiáng)度是隨風(fēng)速的增加逐漸增強(qiáng)。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到18m/s時(shí)，覆蓋度在15％左右礫石床面經(jīng)風(fēng)力作用，10分鐘內(nèi)可使床面沙物質(zhì)風(fēng)蝕殆盡。隨著礫石覆蓋度的減少，床面由阻沙功能向?qū)彻δ茏儞Q的臨界風(fēng)速也逐步降低，15％覆蓋度的礫石的臨界風(fēng)速可降至10m/s左右。由此可見，沙源的供給狀況是決定礫石阻沙和導(dǎo)沙的重要因素之一。不論礫石大小、其形狀如何，當(dāng)戈壁表面蝕積活動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，礫石覆蓋度隨風(fēng)速呈對數(shù)關(guān)系增長，其所需時(shí)間隨風(fēng)速的增大而呈指數(shù)關(guān)系遞減(圖4，5)。即當(dāng)?shù)仫L(fēng)速越大，需要維持戈壁表面平衡狀態(tài)的蓋度就越大，達(dá)到這種平衡蓋度狀態(tài)所需要的時(shí)間就越短。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，莫高窟崖頂戈壁礫石覆蓋度在50％以上時(shí)才能有效防治風(fēng)蝕作用的產(chǎn)生。

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場觀測結(jié)果表明，莫高窟崖頂靠近崖面附近是穩(wěn)定的，不易產(chǎn)生風(fēng)蝕，而越靠近沙山風(fēng)蝕活動(dòng)作用越明顯，說明其床面是不穩(wěn)定的，主要是在偏西風(fēng)和偏南風(fēng)作用下。來自鳴沙山沙源的不斷堆積。只要無外來沙源的補(bǔ)充，在長期風(fēng)蝕作用下，整個(gè)窟頂戈壁應(yīng)當(dāng)已經(jīng)形成穩(wěn)定平衡的礫石覆蓋面?，F(xiàn)時(shí)窟頂戈壁，特別是所謂的“就地起沙”實(shí)際上是來自鳴沙山風(fēng)沙堆積的二次起沙。

3、綜合防護(hù)效應(yīng)

由于綜合防沙治沙試驗(yàn)工程的陸續(xù)展開，防沙效果明顯增強(qiáng)。以設(shè)置在莫高窟第152窟和第404窟窟前棧道積沙為例，對每年風(fēng)季3-5月的積沙監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行比較，觀測到柵欄建立一年后的1991年?？咔胺e沙分別減少39.4％，63.8％；1992年則分別減少69.6％，83.3％；2001年分別減少89.4％，97.1％；2002年分別減少75.4％，95.2％；

與建立工程前的1990年同期相比，2003年3-5月間進(jìn)入莫高窟窟區(qū)南端第152窟、第208窟、第256窟、第404窟、第454窟窟前棧道的積沙量分別減少了94.0％、61.3％、85.3％、98.7％、96.4％(圖6)。

三 研究展望

在我國防沙治沙工程實(shí)踐中，往往由于前期研究工作不到位而形成的沙丘前移和積沙等問題長期困擾著風(fēng)沙工程學(xué)的發(fā)展，建立新的均衡風(fēng)沙場是莫高窟風(fēng)沙危害綜合防護(hù)體系的根本之所在。因此，要結(jié)合工程建設(shè)進(jìn)度，對綜合防護(hù)體系建立后的流場變化、輸沙率及粉塵輸送規(guī)律、戈壁風(fēng)沙流、防護(hù)前緣地形變化等進(jìn)行長期連續(xù)的監(jiān)測，通過風(fēng)沙物理學(xué)過程探討其綜合防護(hù)機(jī)制，為防護(hù)體系防護(hù)寬度的確定提供科學(xué)依據(jù)。為此，應(yīng)繼續(xù)做好以下幾方面的研究工作。

1、開展綜合防護(hù)體系防護(hù)效應(yīng)的系統(tǒng)觀測與分析研究，不斷完善防護(hù)體系，真正發(fā)揮其整體功能和長效性。

2、對不同類型床面的蝕、積過程進(jìn)行系統(tǒng)研究，建立永久的監(jiān)測控制網(wǎng)。在不同風(fēng)速(風(fēng)向)、沙源供給等因素影響下，對床面縱向剖面進(jìn)行風(fēng)沙流和蝕積過程的同步觀測，摸清風(fēng)沙流固體流量、能量結(jié)構(gòu)特征。

3、繼續(xù)進(jìn)行防護(hù)措施設(shè)置前后防護(hù)效應(yīng)的對比研究，特別是構(gòu)建不同床面風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)及風(fēng)蝕模型尤為重要，也是構(gòu)建科學(xué)長效防沙治沙工程的基礎(chǔ)。

4、加強(qiáng)選擇耐老化、壽命長、無污染的新型固沙材料的研究。

5、敦煌莫高窟的風(fēng)沙防治與一般地區(qū)的防沙治沙工程有著本質(zhì)的區(qū)別，因此，要進(jìn)一步提高對敦煌莫高窟防沙工作重要性的認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)組織領(lǐng)導(dǎo)，重視基礎(chǔ)研究，增加科技和經(jīng)費(fèi)投入，把這一人類文化遺產(chǎn)永遠(yuǎn)傳給后人。

責(zé)任編輯：蕭 陽