氣候環(huán)境變化對炳靈寺石窟的影響

炳靈寺地形地貌條件較為特殊，呈現(xiàn)高山幽谷、深溝險壑的地形特征。在流域特征方面，大寺溝流域的主要支溝為上寺溝、直溝和下寺溝。該流域南北長4.6千米，東西寬約3.6千米。就炳靈寺巖體特征而言，砂巖中碎屑顆粒、充填物較多，碎屑顆粒以石英為主，其次為長石。其它巖屑以泥質(zhì)膠結(jié)為主，還有鐵和鈣質(zhì)，粘性小，強度低。炳靈寺現(xiàn)存窟龕216個，造像815尊，壁畫900余平方米，佛塔56座，可移動文物438件。

降雨對炳靈寺影響較大，會對石窟造成直接侵蝕，暴雨從山體流到洞窟里，雨水倒灌導致窟內(nèi)積水。降雨也會造成間接侵蝕，例如巖體滲水；洞窟濕度增大；形成霉菌；風化等。降雨造成的次生災害威脅最大，例如洪水；泥石流和危巖體。除了降雨，沙塵頻率的增多和強度的增大會影響壁畫的整個畫面清晰度。

近年來對炳靈寺進行了日常維護，例如上寺佛塔保護修復；16窟臥佛病害治理；93窟壁畫塑像保護修復；2012年暴雨后受災窟龕造像搶救性修復；2021年第51窟壁畫等保護修復等。也對炳靈寺進行了保護修復項目，包括炳靈寺石窟危巖體加固項目；173龕壁畫塑像保護修繕項目；炳靈寺石窟洞溝、上寺文物修繕保護項目等。除此之外也涉及環(huán)境治理及預防性項目，包括窟龕門窗修繕；窟前清淤；小流域治理（“炳靈寺大寺溝防洪排沙過程”和“炳靈寺石窟災后危巖體搶險加固過程”）；環(huán)境監(jiān)測；洞窟微環(huán)境監(jiān)測等。

在以后的日常維護中，應該實施更快速、有效、溫和的保護手段。與地方政府在保護管理問題上保持協(xié)調(diào)統(tǒng)一，遺產(chǎn)地保護與區(qū)域發(fā)展規(guī)劃相結(jié)合，才能實現(xiàn)區(qū)域環(huán)境的整體治理。

研究概況

石窟寺微環(huán)境特點是研究石窟及窟內(nèi)壁畫、造像病害成因的重要切入點之一，也是洞窟及窟內(nèi)文物長久有利保存必須進行控制的重要因素，而溫濕度變化在這些影響因素中有著至關(guān)重要的作用，一定程度上左右了洞窟病害的發(fā)生發(fā)展，特別是窟內(nèi)鹽分的運移帶來的破壞。炳靈寺石窟位于甘肅省中部，永靖縣城西南約52公里黃河北岸的小積石山中，據(jù)氣象監(jiān)測顯示，地理氣象環(huán)境相對于莫高窟降雨量更大，年平均在350毫米，蒸發(fā)量1600毫米左右，氣候環(huán)境更為潮濕，所以洞窟溫濕度的變化對文物的破壞更加嚴重。

169窟為炳靈寺石窟最為久遠也是最有價值的洞窟之一，開鑿在離地面30米左右高的天然溶洞中，寬27米、深9米、高15米，為半露天式大型洞窟?？咧袣v經(jīng)1600多年保存至今的西秦壁畫、泥塑色彩艷麗，形態(tài)完整，相比下層洞窟病害較少，這與其所處位置及窟內(nèi)環(huán)境密不可分。

為分析區(qū)域環(huán)境變化特征，并給炳靈寺石窟其他洞窟的病害機理研究提供對比實例，研究人員通過在窟內(nèi)設(shè)立微環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行詳細分析。

炳靈寺石窟立面測繪圖及169窟位置 (1967年)

檢測結(jié)果

研究人員根據(jù)2011年2月至2012年1月這12個月的溫濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)與窟外全自動氣象監(jiān)測站的數(shù)據(jù)對比，得出以下結(jié)論：

（一）溫度

1平均溫度分析

據(jù)溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖所示，整體來看169窟內(nèi)溫度與窟外氣象站監(jiān)測溫度有著相同的季節(jié)變化規(guī)律，溫度從2月份逐步呈階梯式上升直至8月達到最高，從8月至1月溫度呈線性方式下降，1月份達到最低溫度。

六七八月炳靈寺石窟溫度最高，169窟內(nèi)平均溫度與窟外幾近相同，平均溫度20.7攝氏度，而隨著季節(jié)轉(zhuǎn)涼，窟外的溫度下降速率及幅度明顯比窟內(nèi)較大，但從2月～6月的氣溫上升速率卻基本相同。

169窯與氣象站平均氣溫對比圖

2極值溫度對比分析

169窟與窟外平均極值溫度變化存在顯著差異（圖3），窟外的極值溫度較窟內(nèi)高溫更高，低溫更低。將同月份窟外與窟內(nèi)極值溫度做絕對差值分析，如圖顯示窟內(nèi)外高低溫差值變化正好相反（圖4），在氣溫回暖季節(jié)，高溫是洞窟內(nèi)溫度變化的主導因子，相反在氣溫逐步降低的季節(jié)低溫成為主要變化因子。高低溫差變化曲線在3月末9月初出現(xiàn)兩條交點，這兩點正好是窟內(nèi)外熱量交換的臨界點，表示此時間段內(nèi)洞窟與外界熱量交換保持平衡，3月～8月洞窟從外界吸收熱量，9月至來年2月洞窟向外界釋放熱量。

圖3 169窟內(nèi)外平均極值溫度對比圖

圖4 169窟內(nèi)外極值溫度差變化曲線

3月平均日較差值分析

通過一年時間段內(nèi)169窟與氣象站每月平均日較差值數(shù)據(jù)（圖5），整體來看窟外的溫度變化比窟內(nèi)劇烈，并且變化幅度與季節(jié)有著鮮明的聯(lián)系，春夏季節(jié)窟內(nèi)外溫度的變化都較大，秋冬季節(jié)溫度變化幅度縮小。從窟內(nèi)外溫度變化差異來看，洞窟外溫度變化最大的是4月和8月，月平均較差達到12.6攝氏度，窟內(nèi)則是5月和8月溫差最大為7攝氏度左右，說明在溫度從春季到夏季轉(zhuǎn)暖過程中，洞窟圍巖的物理特性決定了洞窟內(nèi)溫度的升高是個逐步的過程，有著一個月的滯后期；溫度變化最小時窟外在9月，窟內(nèi)在12月。

圖5 169窟與氣象站月平均日較差溫度對比

（二）相對濕度

炳靈寺石窟位于劉家峽水庫上游庫尾，窟區(qū)內(nèi)濕度變化不單受降雨影響，每年12月左右至來年5月水庫蓄水帶來的濕度變化也較為嚴重，據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，1968年建成水庫后，炳靈寺石窟年均降雨量增加21%。

炳靈寺石窟巖石為巖屑長石石英砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，169窟內(nèi)巖石膠結(jié)質(zhì)中蒙脫石含量為38%，孔隙率14.94%，吸水率3.59%，在高濕環(huán)境下巖石物理力學性能發(fā)生改變，加之溫度等的作用下濕度反復變化導致巖石風化，對洞窟及窟內(nèi)文物造成破壞。

1 平均相對濕度

對169窟及窟外相對濕度的監(jiān)測對比可看出（圖6），相對濕度變化窟內(nèi)外基本保持相同趨勢，整體受季節(jié)溫度變化及降雨量的影響較為明顯。

圖6 169窟與氣象站平均相對濕度對比

對濕度小所以降低了洞窟內(nèi)平均相對濕度。

2 平均極值相對濕度對比分析

對比169窟與窟外平均極值相對濕度，整體走勢與平均相對濕度基本相同（圖7），169窟內(nèi)平均最高濕度全年比窟外低，而平均最低濕度比窟外高。說明了在4月～10月的溫度回升至最高溫過程中，伴隨著降雨量的增加，洞窟內(nèi)相對濕度產(chǎn)生高低變化，其低值區(qū)域是維持在一個較高相對濕度的水平，這部分濕度在這個時間段內(nèi)所占比重較大，是影響窟內(nèi)相對濕度的主要因素，整體拉大了窟內(nèi)的平均相對濕度，反映在平均相對濕度圖上則是高于窟外；而11月～3月份洞窟內(nèi)平均相對濕度較窟外低，平均最低相對濕度則是高于窟外的，是由于隨著溫度及降雨量的下降，窟內(nèi)較高相對濕度所占比重較大為主導因素，其整體比窟外相對濕度小所以降低了洞窟內(nèi)平均相對濕度。

圖7 169窟內(nèi)外極值相對濕度差值曲線

3 月平均相對濕度日較差值

月平均日較差值反映了一年中每月相對濕度的平均變化幅度（圖8），169窟與窟外變化趨勢相同，隨著季節(jié)變化春夏季相對濕度變化逐步增大，秋冬季則逐步減小，5月和7月變化幅度最大，窟外達到45%，窟內(nèi)達到34%，變化較為劇烈；12月最小，窟外為24.5%，窟內(nèi)為15.6%。整體來看全年的相對濕度變化都較大，窟外環(huán)境的變化幅度平均比窟內(nèi)高11%，說明洞窟內(nèi)對相對濕度變化有著明顯的緩沖和調(diào)節(jié)作用，一定程度上有利于文物的安全保存。

圖8 169窟與氣象站月平均日相對較差趨勢圖

研究結(jié)論總結(jié)

通過對炳靈寺石窟169窟及窟外氣象站2011年2月～2012年1月溫濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)初步分析表明：

1) 炳靈寺石窟溫度變化有獨特地域及季節(jié)特點，年最高溫度出現(xiàn)在8月份，最低溫度在1月。六七八月平均溫度相近且維持在較高水平，極值溫度與日較差溫度也加高，反映出了溫度高，高溫時間長，溫差大的特點。并且窟內(nèi)外溫差變化春夏季較大，秋冬季較小。

2) 169窟圍巖與外界環(huán)境熱量相互交換作用，延緩了窟內(nèi)溫度的變化幅度及時間，窟內(nèi)溫差春夏季節(jié)6攝氏度左右，秋冬季4攝氏度左右，分別比窟外低6攝氏度和4攝氏度左右。3月末與9月初是窟內(nèi)外熱量交換的臨界點。

3) 相對濕度變化受季節(jié)降雨影響明顯，全年平均相對濕度較大，窟外高于60%的時間長達5個月，窟內(nèi)為3個月，平均相對濕度9月達到最高，4月最低。5、7月相對濕度變化最大，12月最小，169窟內(nèi)分別達到34%及15.6%。

4) 169窟內(nèi)相對濕度變化規(guī)律類似箱體震動模式，即春夏季外界環(huán)境濕度逐漸增大過程中，低濕度趨于窟外最高濕度較快，秋冬季則高濕度趨于窟外最低濕度較快。

5) 洞窟圍巖對濕度有明顯的調(diào)節(jié)作用，全年窟內(nèi)相對濕度較差比窟外低11%。