游客量對炳靈寺第128窟微環(huán)境影響初步研究

劉宗昌，孫淑梅，王玲秀，武發(fā)思，張正模

[1． 甘肅炳靈寺文物保護研究所，甘肅臨夏 731600； 2． 國家古代壁畫與土遺址保護工程技術研究中心(敦煌研究院)，甘肅酒泉 736200； 3． 敦煌研究院敦煌石窟監(jiān)測中心，甘肅酒泉 736200]

0 引 言

石窟文物的保存與洞窟微環(huán)境密切相關。隨著旅游開放，游客量的增加對石窟環(huán)境的影響越來越顯著，成為石窟保護工作中面臨的巨大挑戰(zhàn)，研究游客對洞窟微環(huán)境的影響對于石窟文物保護管理具有重要意義。20世紀90年代，唐玉民等[1-2]調(diào)查研究莫高窟小氣候特征[1]，并關注了游客參觀對洞窟溫濕度、CO2等的影響[2]；張擁軍等[3-4]也開展了敦煌莫高窟窟內(nèi)溫度和相對濕度的觀測與分析[3]，并對觀眾對洞窟環(huán)境影響進行了實驗分析[4]。21世紀以后，隨著環(huán)境監(jiān)測設備的提升，石窟環(huán)境的研究趨于定量化和精細化。張國彬等[5-6]研究了莫高窟開放洞窟溫濕度的變化量及特征[5]，以及洞窟內(nèi)外的空氣交換率與單位時間內(nèi)參觀的游客人數(shù)關系[6]；張二科等[7]則將游客對石窟環(huán)境的影響擴展至游客數(shù)量對空氣質(zhì)量的定量分析研究；陳海玲等[8]利用10年的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對比分析了莫高窟開放洞窟和關閉洞窟微環(huán)境差異。國內(nèi)其他石窟也逐步開展了游客與石窟環(huán)境研究，方云等[9-10]實測了龍門石窟游客數(shù)量與CO2質(zhì)量分數(shù)的關系[9]，并模擬CO2以溶解水為中介對龍門石窟碳酸鹽巖體文物的損蝕試驗研究[10]；黃志義等[11]實測了龍門石窟游客數(shù)量與CO2濃度的相關性；浙江大學與敦煌研究院合作，自2008年起，基于洞窟CO2、溫濕度等微環(huán)境與游客活動的常年監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過計算機技術模擬洞窟環(huán)境變化模型，最終建立莫高窟景區(qū)內(nèi)游客參觀路線管理調(diào)度系統(tǒng)，使洞窟微環(huán)境得以由被動調(diào)控轉向主動預防，降低旅游開放給莫高窟洞窟所帶來的微環(huán)境風險[12-15]。這些研究工作推動了石窟寺在旅游開放中科學有效的保護和管理。

炳靈寺石窟的環(huán)境研究工作開展相對較少，王亨通調(diào)查分析了第92、126、128等窟內(nèi)溫差變化對石窟的影響[16]，論述了炳靈寺石窟保護中面臨的一些環(huán)境問題，其中初次提及游客對炳靈寺石窟的影響[17]；劉宗昌等[18]對比分析了炳靈寺石窟區(qū)域環(huán)境與169窟溫濕度特征。關于游客對炳靈寺石窟環(huán)境影響方面的研究較少開展，由于近年游客量的增加，受參觀活動的影響，洞窟微環(huán)境變化是否影響文物的保存，是否影響游客參觀體驗，需進行分析評估。

1 研究背景

炳靈寺石窟位于甘肅省永靖縣，開鑿于劉家峽水庫庫尾，黃河北岸溝谷之中，經(jīng)公元4～19世紀歷朝代的持續(xù)營建，現(xiàn)存窟龕216個、壁畫約1 000 m2、造像800多尊，以及佛塔、題記等內(nèi)容豐富的文化遺存，是絲綢之路起始段河西走廊與中原地區(qū)交接地帶最早的石窟寺遺址，因保存有中國現(xiàn)存石窟寺最早的紀年題記而成為早期石窟斷代的標尺。1961年成為全國第一批重點文物保護單位，2014年6月被列為“絲綢之路：長安-天山廊道的路網(wǎng)”世界文化遺產(chǎn)名錄，具有十分重要的歷史、藝術、宗教、社會及文化價值，并且以其獨特的依山傍水的丹霞地貌環(huán)境吸引了越來越多的游客參觀。

炳靈寺石窟主要包含上寺、洞溝、下寺三個區(qū)域，下寺區(qū)有窟龕195個為最集中區(qū)域，也是主要旅游開放區(qū)，但由于石窟多為小型窟龕，開放參觀以外部參觀為主，其中第126、128、132窟為少數(shù)幾座可進入?yún)⒂^洞窟。此三座洞窟同時開鑿于北魏延昌年間(公元513年)，位于石窟底層，比鄰而建，為炳靈寺石窟北魏時期代表洞窟。其大小形制相仿，都為平面方形，穹窿頂，圓拱形窟門窟型，其中第128窟位于中間，高3.45 m、寬3.82 m、深2.86 m，拱形門高1.50 m、寬1.25 m、厚0.46 m(圖1)。三個洞窟內(nèi)石雕佛菩薩等藝術造像，以北魏時期流行的大乘佛教信仰題材創(chuàng)作，重點展現(xiàn)了法華三昧禪觀、三世佛觀、七佛觀、涅槃觀等禪觀對象，造像精美，技法純熟；壁畫均經(jīng)明代重繪，表現(xiàn)了后弘期藏傳佛教的宗教藝術，具有十分重要的價值。

圖1 第128窟平剖面圖(酈偉堂、孫毅華1993年制圖)[19]Fig.1 Ichnography and section plan of Cave 128 (by Li Weitang， Sun Yihua in 1993)

隨著炳靈寺石窟游客量的增加，進入?yún)⒂^洞窟游客也越來越多，炳靈寺第126、128、132三座北魏洞窟，是游客參觀的主要洞窟，參觀活動是否影響洞窟內(nèi)溫度、濕度及二氧化碳濃度，這是決定文物保存及游客參觀體驗的關鍵因素。所以此次分析研究第128窟游客量與洞窟微環(huán)境關系，旨在為炳靈寺石窟同類型洞窟的游客承載量研究提供支撐，并為旅游開放的科學管理提供依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)采集

研究選擇2019年監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，期間部分天數(shù)因設備故障導致數(shù)據(jù)丟失，但整體不影響此次研究結果。炳靈寺石窟監(jiān)測預警系統(tǒng)對洞窟微環(huán)境的監(jiān)測，采用杭州億腦數(shù)字科技有限公司W(wǎng)EMS-Ⅳ系列環(huán)境監(jiān)測設備，采集頻率為5 min/次，數(shù)據(jù)自動上傳至后臺服務器存儲，參數(shù)如表1。為不影響游客參觀，第128窟設備架設在窟內(nèi)西北角離地面50 cm高度處。游客參觀時間及人數(shù)等相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于售票記錄以及洞窟值班記錄。

表1 環(huán)境監(jiān)測設備參數(shù)Table 1 Parameters of environmental monitoring equipment

3 二氧化碳變化結果及分析討論

3．1 二氧化碳濃度年度變化規(guī)律

2019年128窟全年參觀游客911人，CO2濃度年平均值為486.6×10-6。制作第128窟日游客量與CO2濃度趨勢圖(圖2)。從圖2看出，第128窟內(nèi)CO2濃度基準值全年在一定范圍內(nèi)波動，增益值與游客參觀量相對應，表明游客參觀活動導致洞窟內(nèi)CO2濃度迅速增加，隨著參觀活動的結束，CO2濃度重新回歸至基準值。

圖2 第128窟游客量與CO2濃度Fig.2 Tourist volume and CO2 concentration of Cave 128

3．2 游客量與窟內(nèi)二氧化碳濃度關系

第128等窟日常為關閉狀態(tài)，游客參觀時打開窟門，參觀結束關閉窟門，為文物安全考慮每次進入游客人數(shù)限制為5～6人；大于6人的團隊分次參觀，期間沒有時間間隔，每次參觀時長基本為8 min左右。統(tǒng)計一批進入洞窟游客量大于4人時對應洞窟二氧化碳濃度變化，2019年共39組數(shù)據(jù)。對每批游客參觀時，洞窟內(nèi)二氧化碳濃度峰值、達到峰值對應時間(t增)與游客量，從峰值衰減至基準值對應時間(t衰)與CO2濃度增量(ΔCO2)制作相關的散點圖。

從統(tǒng)計看，洞窟內(nèi)CO2濃度的增長所需時長(t增)隨著游客量的增加呈現(xiàn)緩慢增長趨勢，但并不與CO2濃度的增長趨勢一致(圖3)，并且當參觀人數(shù)較多，CO2濃度達到最大值所用時長，提前于所有游客參觀所用時長；如42人分8次參觀，至所有人參觀完成所用時長為64 min，而洞窟CO2濃度在50 min時達到最大，說明游客的增多使在參觀過程中長時間開放洞窟，分次參觀人員的出入，反而加快了窟內(nèi)CO2與外界空氣的交換。

圖3 游客量與洞窟CO2濃度散點圖Fig.3 Scatter diagram of tourist volume and CO2 concentration

洞窟內(nèi)CO2濃度在達到峰值后逐步衰減，在游客參觀過程中就已經(jīng)發(fā)生，雖然擬合衰減時長呈現(xiàn)緩增長趨勢，但是數(shù)據(jù)較為分散(圖4)。從具體數(shù)值看部分較低CO2濃度衰減時長比高濃度CO2衰減時長還長，這說明洞窟內(nèi)CO2濃度的衰減不與值的高低相關；如2019年9月9日，CO2濃度從816×10-6衰減至442×10-6用時200 min，10月18日CO2濃度從989×10-6衰減至489×10-6用時60 min。前期研究表明窟內(nèi)外溫差影響洞窟內(nèi)CO2濃度變化，所以對39組數(shù)據(jù)中CO2濃度從峰值衰減至基準值時段內(nèi)，洞窟內(nèi)外溫度平均值較差絕對值(ΔT)與CO2濃度衰減時長(t衰)進行相關性分析(圖5)。從圖看出，數(shù)據(jù)整體趨勢為隨著窟內(nèi)外溫差的增大，洞窟CO2濃度衰減時長越短，但數(shù)據(jù)點較為分散，說明溫度只是影響CO2濃度衰減的因素之一。

圖4 ΔCO2與t衰散點圖Fig.4 Scatter diagram of ΔCO2 and t衰

圖5 t衰與ΔT散點圖Fig.5 Scatter diagram of t衰 and ΔT

3．3 討論

第128窟內(nèi)CO2濃度與游客量之間呈現(xiàn)出一定的相關性，與游客參觀模式及洞窟形制大小等自身特征有關，窟外環(huán)境尤其溫差影響了CO2濃度變化趨勢。從洞窟游客承載量角度出發(fā)，莫高窟為保持洞窟內(nèi)空氣清新，保證游客參觀質(zhì)量，洞窟內(nèi)CO2濃度上限設定為1 500×10-6[20]，參照此值通過擬合公式計算第128窟內(nèi)游客承載量為86人左右，那么按照目前參觀模式，所有游客分次參觀完洞窟共需120 min，這一數(shù)值遠超在日常接待中第128窟前游客聚集的壓力。

2015年4月1日國家旅游局發(fā)布施行《景區(qū)最大承載量核定導則LBT 034—2014》，其中文物古跡類景區(qū)人均空間承載示例指標：洞窟內(nèi)人均占有面積0.5～1.0 m2/人。以此核算，按照游客與文物安全距離0.5m計算，128窟有效可承載面積約為5.8 m2，可一次性容納5～11人。所以如果擴大目前每次參觀人數(shù)，并保持窟內(nèi)CO2濃度在1 500×10-6范圍下，快速消化窟前游客量可一定程度緩解大游客量參觀的聚集壓力。2020年3月30日，組織9人進入128參觀8 min，窟內(nèi)CO2濃度從337×10-6增加至959×10-6，遠低于1 500×10-6的上限，所以可增加目前每次游客參觀人數(shù)至10人左右，并實時監(jiān)測洞窟CO2濃度，伴隨著多批游客出入帶來窟內(nèi)外空氣交換的加速，參觀結束打開窟門進行通風等措施，可增大128窟的日游客承載量。

4 溫濕度變化結果及分析討論

4．1 溫濕度年變化趨勢

制作第128窟內(nèi)與窟外氣象站溫度及相對濕度2019年實時數(shù)據(jù)(部分數(shù)據(jù)缺失)趨勢圖(圖6)。

圖6 第128窟與窟外溫濕度年趨勢圖Fig.6 Annual trend chart of temperature and humidity inside and outside Cave 128

洞窟內(nèi)外溫度及相對濕度整體具有明顯季節(jié)變化趨勢，窟外溫度及相對濕度變化較窟內(nèi)大，具體統(tǒng)計見表2。

表2 第128窟與窟外溫濕度統(tǒng)計Table 2 Statistics of temperature and humidity inside and outside Cave 128

*數(shù)據(jù)來源于《炳靈寺石窟128、132、134窟等12個洞窟搶險保護修復方案》圖7 可溶鹽不同離子百分含量Fig.7 Percentage of different ions of soluble salts

4．2 游客量與洞窟溫濕度關系

游客參觀對洞窟溫濕度的影響分析，統(tǒng)計一批次進入洞窟參觀人數(shù)大于4人對應溫濕度變化數(shù)據(jù)，2019年共38組數(shù)據(jù)。

4．2．1溫度 洞窟在不開放的情況下，窟內(nèi)溫度隨著窟外環(huán)境溫度的增高和降低而波動，游客參觀打破了窟內(nèi)外溫度同一趨勢的平衡，在參觀時段內(nèi)，影響窟內(nèi)溫度變化的因素主要是窟外環(huán)境溫度以及游客自身熱量，當窟外環(huán)境溫度較高時游客參觀導致窟內(nèi)溫度增高，窟外溫度低于窟內(nèi)溫度時，游客自身熱量與窟外低溫相抵消，洞窟內(nèi)溫度的增量就決定于游客量的多少，所以用游客量表征窟內(nèi)溫度在游客參觀中的復雜變化具有可行性。將溫度增量設為ΔT，從基準值增長至極值用時設為t增，從極值衰減至基準值設為t衰，制作溫度變化趨勢圖(圖8)。

圖8 游客數(shù)量與洞窟溫度散點圖Fig.8 Scatter diagram of tourist volume and temperature

從圖8看出，洞窟內(nèi)溫度增長所用時長、溫度增量與游客量呈一定程度正相關。其中溫度增量所用時長數(shù)據(jù)離散度不高，說明窟內(nèi)溫度變化較為緩和；溫度增量離散度較高，說明洞窟內(nèi)溫度變化是較為復雜的過程，游客量增多主要引起窟內(nèi)溫度增高，但窟內(nèi)外溫度的差異還具有一定影響；例如在統(tǒng)計38組數(shù)據(jù)中，游客參觀活動主要使洞窟內(nèi)溫度增長，但9月16日、5月27日，參觀人數(shù)分別為6人及7人時，窟內(nèi)溫度增量為負，當日氣象條件為小雨和陰，游客進入洞窟攜帶較冷空氣，并且參觀中窟門打開使窟內(nèi)外空氣交換頻繁，致使游客活動的溫度增量小于窟外環(huán)境影響。從窟內(nèi)溫度衰減趨勢(圖9)看，隨著溫度增量越大，衰減所用時長越長。

圖9 溫度增量與t衰散點圖Fig.9 Scatter diagram of ΔT and t衰

4．2．2相對濕度 設定因游客參觀引起洞窟內(nèi)相對濕度增量為ΔRH，達到極值時長為t增，從極值衰減至基準值時長為t衰，制作洞窟相對濕度變化趨勢圖(圖10)。

從圖10中看出，隨著游客量的增加，洞窟內(nèi)相對濕度達到極值所用時長整體數(shù)據(jù)分布離散度很高，相對濕度增量與衰減時長也沒有明顯分布規(guī)律(圖11)，說明游客量的增長不與洞窟內(nèi)相對濕度大小直接相關，相對濕度的衰減時長也不與其數(shù)值大小相關，也說明了洞窟內(nèi)相對濕度變化是較為復雜的，這可能與影響相對濕度的因素較多有關。

圖11 ΔRH與t衰散點圖Fig.11 Scatter diagram of ΔRH and t衰

決定相對濕度的根本因素是空間內(nèi)絕對濕度含量和溫度，其特性是絕對濕度與相對濕度為正相關，溫度與相對濕度為負相關。因游客參觀活動影響洞窟內(nèi)絕對濕度的因素有窟外環(huán)境濕度、游客呼吸產(chǎn)生水汽，影響窟內(nèi)溫度因素有窟外環(huán)境溫度、游客自身散熱，此外在參觀過程中洞窟內(nèi)外空氣流通也影響相對濕度變化速率，所以洞窟內(nèi)相對濕度變化受參觀瞬時時段內(nèi)，外界降雨、溫度、風速以及游客個體差異等多種因素影響。相對濕度的值決定于其中起主導作用的因素，在這些影響因素中單一因素與相對濕度關系都是較為簡單的，但實際研究中很難做到以其中任何一個因素為單一變量，脫離其他影響因素研究洞窟內(nèi)相對濕度變化，所以通過研究主要變化因子，用統(tǒng)計學方法分析實際已產(chǎn)生數(shù)據(jù)，尋找存在的規(guī)律更能反應真實情況從而指導現(xiàn)實調(diào)控措施。

在洞窟相對濕度受游客影響的38組數(shù)據(jù)中16組為正值，22組為負值(圖11)，其中正值變化量都小于5%，負值變化量主要在0～10%范圍內(nèi)，最大達到18%，說明游客參觀活動對第128窟內(nèi)相對濕度減小起一定積極作用；如果以正值5%、負值10%為游客影響洞窟內(nèi)相對濕度增量區(qū)間，參考可溶鹽潮解臨界值空氣相對濕度62%，在此值附近相對濕度變化容易引起可溶鹽的反復潮解結晶，那么第128窟內(nèi)相對濕度在57%～72%之間，更容易因游客參觀導致相對濕度在62%上下波動，對應第128窟相對濕度年度趨勢圖(圖6)，為2月20日至3月20日、4月10日至6月4日、8月7日至8月17日、9月14日至10月23日；由于旅游旺季集中在5至10月，所以需注意5月、9月下旬至10月中旬時間段內(nèi)，洞窟內(nèi)相對濕度因游客參觀發(fā)生的變化，加強洞窟微環(huán)境監(jiān)測及游客參觀的管理，及時采取應對措施。

4．3 討論

從第128窟溫度及相對濕度受游客影響的分析結果看，游客量與窟內(nèi)溫度具有直接關聯(lián)，但其變化較為復雜。溫度的變化與可溶鹽結晶析出有相關性[22-23]，但是其變化如何指導洞窟游客承載量，目前沒有相關研究成果確定。

第128窟相對濕度受游客量影響在一定區(qū)間變化，總體游客參觀活動主要使第128窟內(nèi)相對濕度減小，這與其他相關研究結果不同。分析原因是目前128窟特殊的開放模式以及與洞窟形制較小有關；對于洞窟游客承載量的指導意義，需注重旅游旺季5月、9月下旬至10月中旬這段時間洞窟內(nèi)相對濕度變化，做好游客的參觀管理，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及氣候條件，打開或關閉窟門以控制洞窟微環(huán)境劇烈變化[24]。

5 結 論

1) 第128窟內(nèi)CO2濃度與游客量呈正相關。目前以5～6人分批次參觀的模式有利于洞窟環(huán)境控制，游客參觀過程中洞窟內(nèi)CO2濃度達到極值并開始逐步衰減，其衰減受外界環(huán)境影響較大，溫度是影響因素之一，窟內(nèi)外溫差越大，CO2濃度衰減越快。

2) 第128窟內(nèi)溫度及相對濕度趨勢主要隨季節(jié)變化，游客參觀過程中的溫度變化與游客量呈一定程度正相關。由于游客個體差異及其他環(huán)境因素影響，溫度增量差異較大，主要為正值，負值與環(huán)境氣候相關；溫度增量越大，衰減所用時長越長，洞窟內(nèi)外溫差越大，溫度衰減越快。

3) 第128窟2019年全年相對濕度大于62%為170 d左右，主要集中在旅游旺季5～10月。影響窟內(nèi)相對濕度變化因素較多，游客量與相對濕度變化不直接關聯(lián)。根據(jù)此次統(tǒng)計結果，游客量對窟內(nèi)相對濕度影響有正有負，以負為主即對相對濕度降低起積極作用，其中正值變化量小于5%，負值變化量在0～10%范圍內(nèi)；

4) 對于第128窟旅游開放中游客及微環(huán)境的控制管理，通過此次研究可建議擴大128窟每批參觀人數(shù)至10人左右，參觀時間為8 min，洞窟內(nèi)CO2濃度保持在閾值之內(nèi)，從而增加洞窟游客承載量。加強對洞窟環(huán)境的監(jiān)測及預警，注重旅游旺季特別是5月、9月下旬至10月中旬洞窟內(nèi)相對濕度的變化，根據(jù)窟外氣候狀況及窟內(nèi)相對濕度關閉或開放洞窟，做好游客管理是控制洞窟微環(huán)境的有效措施。