敦煌莫高窟顶尼龙网栅栏防护效应研究

野外监测和风洞模拟实验结果表明,孔隙度为20%~25%的尼龙网栅栏,其保护范围达23.5H~29.5H,栅栏前后的积沙范围主要集中在2H(栏前)~3H(栏后)。砂砾质戈壁区尼龙网栅栏直接阻止了偏西风向洞窟搬运沙量的80%以上,但其侧导能力微弱,外围栅栏对来自主风向的外侧积沙的侧导率平均达到35%;对其内侧的侧导作用,在偏东风时为57.51%,偏西风时平均为15.89%,反映了防护效益的季节变化特征。在网后1H处,20cm、50cm、100cm和150cm高处的风速分别降到网前3H的48.6%、38.6%、40.7%和66%。在NW风作用下,网后10m、2m的输沙量分别是网前10m、2m的1/29和1/43,并受栅栏设置等因素的影响。流沙区尼龙网栅栏的防沙效益亦表现出在三组不同风向上的差异。栅栏的阻沙效益与沙源供给关系密切,沙源充足时以风积为主,相反,则出现较强的风蚀作用。3~5月间,对比分析前方沙源充足(1992年)、基本控制(2002年)和较好控制(2003年)3种情况,窟前栈道不同部位洞前积沙分别减少39.4%~83.3%、75.4%~95.2%和94.0%~98.7%。尼龙网栅栏是比其他材料更优的一种防沙材料,不仅价格便宜,施工简单,而且在沙障被埋后容易移动重设,在阻止沙丘前移和防止过境风沙流具有优势。目前在网栅周围形成的局部积沙,在综合防护体系逐渐建立,前方沙源截留的前提下,利用窟顶输沙能力的季节变化特别是偏东方的反向搬运功能,局部积沙可以得到较好的输导。同时建议维护调整现有砂砾质戈壁区尼龙网栅栏防护体系。     

敦煌莫高窟风沙危害综合防护体系设计研究

风沙危害是敦煌莫高窟保护面临的主要环境问题之一,建立一个完整的防护体系是解决这一问题的有效途径。在对20世纪80年代以来建立的防沙治沙试验工程防护效应分析研究的基础上,对敦煌莫高窟风沙危害综合防护体系设计进行了讨论。根据因地制宜,因害设防;以固为主,固、阻、输、导相结合;以工程和生物措施为主,兼顾化学固沙;高新技术与常规治理技术相结合;重点治理,分阶段实施与长远目标相结合的设计原则,认为根据不同地貌特征及地表组成物质,依次建立鸣沙山前缘流动沙丘和平坦沙地阻固区、窟顶戈壁防护区、洞体崖面固结区、石窟对面流动沙丘固定区、窟区防护林带建设区及天然植被封育保护区,可使危害莫高窟的风沙灾害得到有效控制,并达到莫高窟作为世界文化遗产和全国重点文物保护单位对环境质量的要求。     

敦煌莫高窟窟前林带防护效应的风洞实验

洞窟环境包括窟内的温度、湿度、光照、气流等环境因素的适宜程度,对保护洞窟内的壁画和彩塑是十分重要的。洞窟环境不仅因洞窟所处的位置、大小、型制、有无窟门及窟门形式等而异,而且与窟外整个大环境密切相关。不同风况对洞窟内的气流交换起着重要的作用,也是造成石窟壁画彩塑风沙尘粒沉积、崖面风蚀的主要原因。通过风洞模拟实验,从窟前流场、洞窟环流、崖角形状及其受力等几个方面研究了窟前林带的防护效应和崖角防风蚀机理。结果表明：从控制洞窟水汽因素来讲,窟前以通风结构林带最佳,疏透结构林带次之,紧密结构林带欠佳。控制窟前林带灌溉强度,建立多次、少量的窟前林带灌溉制度,同时,在偏东风条件下尽量减少对窟前林带的灌溉,是控制林带生长和底层洞窟侧渗的重要一环。考虑到促进洞窟自然通风的需求,采用一定疏透度的窟门和采取必要的强迫通风,能够较大改善洞窟的自然通风和环境适宜状况。     

敦煌莫高窟岩体风蚀机理及其防护对策的研究

利用风洞模拟实验研究莫高窟岩体的风蚀机理，结果表明，挟沙风风蚀速率明显大于净风。沙岩（层）结构、构造脆弱是产生岩体风蚀差异的主要原因。其中“沙楔”作用加速了风蚀烈度。采用１０％的ＳＳ和１０％的ＰＳ材料加固岩体是防止岩体风蚀的一条重要途径。     

莫高窟窟顶戈壁防护带阻截和输导功能研究

多风信条件下, 沙砾质戈壁与鸣沙山进行着往复式的能量交换及物质运动。部分沙物质在砾石的保护下, 形成阻沙。部分沙物质在跃移沙粒的激化下形成戈壁风沙流并对洞窟产生危害。戈壁风沙流是造成沙砾质戈壁从稳定向不稳定状态演化的主要动力因素; 而上风向沙源的供给状况又是决定砾石床面阻沙和导沙的主要因素。基于此, 戈壁防护带应首先控制来自鸣沙山的沙源, 采取以阻断或减少外来沙源, 通过固定和覆盖沙砾质戈壁地表以及增加下垫面粗糙度等, 来造成一种既利于沙子堆积的条件, 又能促进形成天然戈壁输沙场, 从而为偏东风反向搬运创造一个适宜场。因此, 如何因势利导, 使窟顶流场与风沙地貌达到一种动力平衡, 是莫高窟综合防护体系成功与否的关键之一。这与以往单风向或双风向条件下所探讨的防护体系效应有着本质的区别。     

戈壁砾石防护效应的风洞实验与野外观测结果--以敦煌莫高窟顶戈壁的风蚀防护为例

为了解决威胁敦煌莫高窟安全的风蚀问题,将风洞实验与野外观测结合起来研究砾石覆盖对风蚀的抑制效应,发现①砾石的形状和高度在增加地表粗糙度、抑制风蚀危害中起着非常重要的作用。②风蚀作用停止后的稳定床而有其特定的粒径配置和砾石覆盖度。根据实验和野外观测的结果,对莫高窟顶戈壁地区的砾石床面进行分析并制定了具体的防护措施。本研究适合我国广大西北干旱区的风蚀防护。     

敦煌莫高窟古代生土建筑物风蚀机理与防护对策的研究*

利用低温冻融实验和风洞模拟实验研究古代生土建筑的风蚀机理,结果表明:挟沙风风蚀速率明显大于净风的风蚀速率,其风蚀率是净风的130倍,冻融是风蚀速率增大的一个重要因素,偏西风的降水和风蚀是造成莫高窟古代生土建筑风蚀毁坏的方要原因.实验表明,采取5%LS和10%PS防护材料是防止风蚀的一条重要途径.     

敦煌莫高窟风沙危害综合防护体系探讨

通过对敦煌莫高窟防沙历史的综合总结和分析,认为莫高窟作为我国乃至世界古代灿烂文化艺术的瑰宝,是甘肃对外交流的主要窗口之一,也是我国重要的旅游地之一。单纯的消极人工清沙已远远不能适应现代社会对生态环境质量的需要和旅游业作为该地区经济发展基本点的要求。那么,创造一个良好的旅游生态环境及文物保护工作环境,不仅有利于整个窟区生态环境的改善,且其示范效应将带动本地区乃至整个河西地区的荒漠化治理。根据风沙环境特征,提出了莫高窟防护体系建立的主导思想是:以防治西北、西南主害风为主,根据鸣沙山、砂(砾)质戈壁、窟顶崖面等不同地带的具体风沙运动规律,采取以固为主,固、阻、输、导相结合的防护原则,以切断或削弱鸣沙山沙源和固定流沙,并消除沙砾质戈壁面的就地起沙为目的,建立一个由工程、生物、化学措施组成的多层次、多功能的综合防护体系,从根本上消除风沙活动对莫高窟的危害。同时对莫高窟综合防护体系建设的总体布局及防护宽度、砾石铺压的基本原理作了一个初步的探讨。     

敦煌莫高窟的“A”字形尼龙防沙网

莫高窟俗称千佛洞,坐落于甘肃省敦煌市东南25公里处的呜沙山东麓断崖上。莫高窟以精美的壁画和塑像闻名于世,被誉为“世界艺术画廊”、“墙壁上的博物馆”。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。是世界上现存规模最大、内容最丰富的佛教艺术圣地。     

敦煌莫高窟大气可吸入颗粒物的化学元素特征

利用电感耦合等离子体质谱仪测定了敦煌莫高窟洞窟内外大气可吸入颗粒物中27种元素的质量浓度。结果表明:典型地壳元素Na、Mg、Al、K、Ca、Fe占测定元素总质量浓度的96%以上。通过洞窟内外PM2.5与PM10-2.5中元素质量浓度对比发现,Li、Na、Mg、K、Ca、Co、Ni、Zn、Sr、Cs、Ba、U等元素主要存在于PM10-2.5中。沙尘天气时,洞窟外环境中的Co、Ga、As、Cs、Ba元素质量浓度降低,表明沙尘过程对这些元素有稀释作用。富集因子分析显示,洞窟内外可吸入颗粒物中B、Na、Ca、Mn、Cu、Zn、As、Sr、Tl、Pb、Bi、U的EF值均大于10,表明人类活动产生的污染物对以上元素的富集起主要作用。富含Ca、Mn、Cu、Zn、As、Pb等元素的矿物颜料在洞窟壁画制作中被大量使用,其对区域环境大气可吸入颗粒物微量元素的富集也有一定的贡献作用。游客数量与洞窟内外元素Bi浓度存在较显著的线性关系,表明环境中的Bi元素浓度变化受游客活动影响。本研究首次对莫高窟大气可吸入颗粒物中元素含量进行了监测和分析,研究成果为石窟文物及其赋存环境中可吸入颗粒物污染的治理及控制提供了科学...     

Overall efficiency of a V-shaped nylon net fence in preventing sand damage to the Mogao Grottoes

A V-shaped nylon net fence installed in 1990 on top of the Mogao Grottoes is shown to be effectively resisting aeolian sand damage to the grottoes. The structure guides and causes deposition of sand from westerly wind (the primary hard wind), but to some extent hinders the inverse function of easterly wind carrying sand away from the grottoes toward Mount Mingsha. The gobi side by the fence experiences higher wind speed, so that on which are easily formed undercutting pits, and the deposited sands on it generally form double-peak structures due to abundant sand sources. If the earth surface characteristics in gobi areas by both sides of the fence are quite varied, the erosion and deposition features of the accumulating sand section are similar in different seasons; however, if the earth surface characteristics are similar, the features become irregular in different seasons. Sand depositions with long slope feet are formed along the south and north sides of V-shaped nylon net fence. Disrupted by strong westerly wind and northwesterly wind, sand accumulations by north of the fence are in form of single peaks. Although the operation duration of the V-shaped nylon net fence has exceeded its design life (10 years), our observations indicate that it is still effective in reducing wind-driven sand damages to the Mogao Grottoes, so it should not be withdrawn.     

莫高窟PM10浓度与气象要素的关系

采用2018年敦煌莫高窟第16窟窟内与窟区PM₁₀浓度及气象数据,分析PM₁₀时空分布特征及其影响因素。结果表明：（1）两处监测点PM₁₀浓度主要分布在50 μg·m^-3以下,受重污染天气影响较小;春、冬、秋、夏季依次降低,窟区PM₁₀浓度在春、冬季高于窟内,夏、秋季反之。（2）PM₁₀浓度3月最高,9月最低,5—9月窟内月均值高于窟区。PM₁₀污染日数窟内5月最多,而窟区3、5月较多。（3）PM₁₀浓度日变化曲线在春季和秋季呈“双峰”型,夏季和冬季呈“单峰”型。（4）在半封闭环境的洞窟内,沙尘暴发生前后,PM₁₀浓度达到极值及恢复至原来水平的时间均滞后于窟区。（5）在不同季节PM₁₀浓度与气温、风速和降水呈负相关。除秋季外,PM₁₀浓度与相对湿度、气压呈正相关。（6）窟区全年主风向为ESE,在冬春两季,此风向PM₁₀浓度最高,PM₁₀主要来自三危山前的戈壁滩、干涸的大泉河河道以及窟前裸露的地表积尘。     

金字塔沙丘粒度变化及表面过程的初步研究

莫高窟顶金字塔沙丘粒径集中分布在2.44～2.94 Φ,属细砂。标准差介于0.24～0.65之间,偏度在0.03～0.31,属于正偏级。峰度在0.78～1.72,介于宽峰态至尖峰态。沙粒粒径级配是风况、地貌与沙物质相互均衡作用的结果。金字塔沙丘存在着沙臂顶部沙最细或最粗两种粒度模式。金字塔沙丘沙丘主臂(WNW—ESE)属于在双向风环境作用下,类似于横向沙丘粒度变化模式,两坡下部以风蚀为主,丘顶附近以堆积过程为主,导致沙臂两坡粒径与分选性由下而上变细与变好。频率高、风速不大的局地气流,可将大量细沙物质搬运到金字塔沙丘主臂,造成丘底到丘顶的粒度变化不大。副臂(SW)受较强NW风力作用,具有横向及纵向沙丘粒度变化模式,整个坡面处于风蚀状态,沙臂顶部风蚀最为强烈,导致从底部到顶部的粒度逐渐由细变粗。     

莫高窟顶戈壁偏东风作用下输沙率变化的观测研究

通过一次沙尘暴天气过程对莫高窟顶不同观测点戈壁风沙流结构和输沙率的时空变化特征进行了系统同步观测。观测表明,偏东风条件下,当风速为10 m·s-1时,水平观测方向上存在一个各点输沙率平衡的阶段,即崖顶戈壁至鸣沙山边缘戈壁各观测点的输沙率相当;当风速大于10 m·s-1时,戈壁地表以风蚀搬运作用为主,出现了戈壁向鸣沙山的长距离风沙搬运;当风速小于10 m·s-1时,戈壁沙物质的长距离搬运作用不明显。不同风况及沙源条件下,风沙流结构和输沙特征会发生显著变化。借鉴Lattau输沙率方程,运用风速和输沙率推算各观测点输沙率的时空变化,计算结果表明,在风速为10 m·s-1左右时,窟顶戈壁带的输送效率约为60%。