敦煌莫高窟洞窟内水分来源及其驱动机理研究

Water is a key factor in causing cultural relics deterioration at Mogao Grottoes. Water-salt coupling leads to such deteriorations as disruption, flake, detachment and mildew. But it is uncertain to find cave water sources and dynamical foundation of moisture transport, which brings enormous difficulty for us to control diseases of wall paintings. Arch shed-Condensation test manifests phreatic water evaporation exists in the Gobi Desert on top of Grotto cliff body and the environment has a main influence on phreatic water evaporation. Where in solar radiation is the major factor to result in water evaporation. To caves there without any solar radiation, no evidence of water evaporation has been found. This project applied Condensation, a relatively mature method among the research of cliff top water to typical caves. This method made use of condensing to collect evaporate water from closed caves and identified cave water sources and driving force by evaporation quantity, evaporation characteristics and water isotope characteristics. Meanwhile the process of collecting moisture in the cave was a way to regulate temperature and humidity, in the process using desiccant air conditioning system to control micro-climate and analyzing changes of humidity and temperature in the cave and the influence of outside weather to moisture evaporation inside, and then finding water activity mechanism to provide the scientific basis of initiative preventing mural deteriorations and new thoughts and methods to prolong the lifetime of cultural relics of Mogao Grottoes at the same time.

水分是引起莫高窟文物病害的关键因子，水-盐耦合导致了酥碱、起甲、空鼓、霉变等众多病害的发生，但洞窟内水分来源与引发水分运移的动力基础尚不明确，水分来源与活动规律的不确定性给壁画病害的防治带来了很大困难。拱棚-凝结实验表明窟顶戈壁存在潜水蒸发，环境对潜水蒸发有重要影响，其中太阳辐射是引起潜水蒸发的主要动力基础。对于完全规避了太阳辐射的洞窟来说，是否存在潜水蒸发尚无确切的证据。本项目将窟顶戈壁水分研究中较为成熟的凝结法应用到典型洞窟中，利用冷凝收集封闭洞窟内的蒸发水分，通过蒸发数量、蒸发特征及水分同位素特性确定洞窟水分来源与驱动基础。同时，洞窟内收集水分过程也是对洞窟温湿度进行调控的过程，应用除湿空调设备对洞窟微环境的控制，分析洞窟内的温湿度变化及窟外天气过程对洞窟水分蒸发的影响，揭示洞窟水分活动机理，为壁画病害的主动预防提供科学依据，为莫高窟文物的保存及保护提供新的思路与方法。

举世闻名的敦煌莫高窟是重要的人类文化遗产。长期以来，洞窟壁画存在酥碱、起甲、空鼓、霉变等严重的水-盐耦合病害。但洞窟水分来源、数量、蒸发特征与动力基础尚不明确。本项目利用空调冷凝法收集封闭洞窟内的蒸发水分，通过5 a的监测发现，洞窟在4～12月洞窟存在1.2 g/m2d的蒸发量，1～3月无蒸发存在，蒸发呈正弦变化特征；由于规避了太阳辐射，日尺度上蒸发呈线性特征，夜间也存在蒸发。洞窟水分蒸发量、蒸发特征和活动机理的确定为洞窟文物保护提供了科学依据。.相应地，6 a的戈壁拱棚-空调冷凝监测表明，戈壁年潜水蒸发量为4.52 mm。在3～11月蒸发期的平均为蒸发量为18.30 g/m2d，。流沙区仅为其蒸发量的15.0%。在11月至次年3月无蒸发。变温层土壤日/年温度的交替变化为潜水向上的连续运转提供了动力基础，在大量水汽向下运转的同时，少量水汽向上扩散蒸发，使潜水蒸发的日/年波动正弦特征。水分蒸发遵循耗散结构原理。5 mm和10 mm降水模拟回收表明极干旱区降水可完全蒸发，戈壁蒸发水分来自潜水。在降水脉动影响下，潜水蒸发可增大28.9%。降水湿膨胀可形成戈壁干旱沙楔，其显著的水-盐分异结构对极干旱生态系统具有重要意义。专利“干旱区荒漠化土地生态恢复的方法”成功将潜水来源应用到荒漠化生态恢复之中，效果显著。. 进一步水同位素监测表明，洞窟/戈壁蒸发水分来自地下潜水，验证了之前的分析。莫高窟潜水并非来自于当地降水。深厚包气带土壤在潜水水汽向上运移过程中选择了δ值相对较高的潜水水分。戈壁/洞窟蒸发水分存在清晰的来源通道：野马山降水→党河水→党河潜水→莫高窟地下潜水/大泉河水→洞窟围岩水分/戈壁土壤水分→洞窟/戈壁蒸发水分。. 洞窟温度变化可对水分蒸发产生显著影响。在洞窟开放条件下，壁画存在43 g/m2d的水分交流。目前全球性的气温升高对洞窟文物将产生不利影响。潮湿天气对洞窟湿度影响较大。洞窟封闭可消除外界气候及其温湿度日波动的影响。但长期的封闭会使空气相对湿度明显增高，激活盐分，不利于壁画的保护；而在封闭洞窟内安装冷凝除湿-温湿度控制系统可有效地控制洞窟内的温湿度，这为洞窟类文物的保存提供了新的模式。