敦煌莫高窟風沙危害與防治研究_19374.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、敦煌莫高窟是我國乃至世界佛教藝術的瑰寶,1961年被國務院公布為第一批全國重點文物保護單位,1987年被聯(lián)合國教科文組織世界遺產(chǎn)委員會列入“世界文化遺產(chǎn)名錄”。由于莫高窟地處庫姆塔格沙漠的邊緣、鳴沙山的東麓,在當?shù)匚鞅?、西南及東北風的長期作用下,洞窟面臨著風沙危害的嚴重威脅。風沙對石窟文物的危害已成為敦煌文物保護的主要問題之一。 為此,本文在前人研究工作的基礎上,采用GPS全球定位系統(tǒng)、近景數(shù)字攝影測量、風洞模擬實驗及數(shù)值模擬等

2、相結合的技術手段,對敦煌莫高窟頂不同地表類型的風沙流結構、鳴沙山及其邊緣沙丘運動、沙源供給等進行了系統(tǒng)監(jiān)測與研究,確定了風沙危害的重點區(qū)域,依此建立了以機械、生物及化學措施為一體的綜合防護試驗研究體系,采用階梯式積沙儀、十路風速風向自動采集儀等對其防護效應進行了大量野外監(jiān)測與風洞模擬實驗驗證,并對綜合防護體系的綜合防護效應進行了研究,得到如下主要結論: (1)通過對莫高窟頂全自動氣象站1990~2004年風況資料的分析,結合窟頂

3、不同地貌單元及地表物質組成狀況,表明造成莫高窟風沙危害的主要風向為偏西、偏南和偏東三組風向,分別占起沙風(≥5m·s-1)總頻率的21.97﹪、50.29﹪和12.67﹪。 (2)采用全方位積沙儀定點觀測結果表明,窟項年總輸沙通量為1.62t·m-1·a-1,其中,偏西風為0.74t·m-1·a-1,占總輸沙通量的45.75﹪;偏南風為0.66t·m-1·a-1,占40.88﹪;偏東風為0.22t·m-1·a-1,占13.35﹪

4、。 (3)采用航衛(wèi)片判讀、GPS全球定位系統(tǒng)及近景數(shù)字攝影測量等技術,結合對典型沙丘運動的實地監(jiān)測,表明鳴沙山基本穩(wěn)定,前移埋壓洞窟的可能性不大,前緣中小沙丘和平坦沙地是造成莫高窟風沙危害的主要沙源,同時也為戈壁風沙流提供了大量沙源。監(jiān)測結果表明,流沙區(qū)、戈壁區(qū)對構成莫高窟風沙危害的沙源貢獻率分別占82.43﹪和17.57﹪??梢?,危害莫高窟的沙物質主要來自鳴沙山及前緣低矮沙丘、平坦沙地。風沙危害綜合治理的重點區(qū)域是:①鳴沙山前

5、緣的流動沙丘及平坦沙地;②沙礫質戈壁區(qū);③窟頂崖面。 (4)針對莫高窟風沙危害的沙源地及其不同地表狀況風沙流結構特征,打破危害石窟的原有風沙均衡場,構建一個對石窟不產(chǎn)生風沙危害的風沙均衡場是解決莫高窟沙害的主要途徑。為此,在鳴沙山前緣中小沙丘迎風坡2/3處設置高立式阻沙柵欄,并通過不斷抬高重設柵欄,使沙丘增高并形成人工沙堤,隨著人工沙堤的不斷長高使沙丘日趨穩(wěn)定,從而有效的阻止前沿積沙;對中小沙丘及平坦沙地采用麥草方格沙障與生物措

6、施進行固定,穩(wěn)定地表,切斷主要沙源;在沙礫質戈壁區(qū)采取礫石鋪壓,阻止就地起沙,而戈壁區(qū)尼綸網(wǎng)柵欄可使進入礫質戈壁區(qū)風沙流攜帶的有限沙塵進一步沉降;采用大規(guī)格方格沙障對石窟對面三危山下的流動沙丘進行固定;通過對窟頂崖面化學加固與建立窟前防護林網(wǎng)防止崖面進一步風蝕,從而使進入窟區(qū)的積沙大為減少,以滿足文物保護單位對生態(tài)環(huán)境質量的要求。綜上所述,利用本區(qū)多風向和不同沙源供給的特征,因勢利導,根據(jù)鳴沙山、平坦沙地、沙(礫)質戈壁、窟頂崖面等不同

7、地帶的下墊面條件,通過不同防護措施的優(yōu)化組合,建立一個由機械、生物和化學措施相結合的多層次、多功能的綜合防護體系,構建對洞窟危害最小、日趨穩(wěn)定的風沙均衡場,才能從根本上解決莫高窟的風沙危害問題。綜合防護體系的建成,預計進入窟區(qū)的流沙將由目前的1000m3·a-1左右降至100m3·a-1左右,大氣中TSP濃度有所降低,生態(tài)環(huán)境質量明顯改善。以固為主,固、阻、輸、導相結合是莫高窟風沙防治的基本原則。 (5)通過對生物固沙與機械固沙

8、措施效益的數(shù)值模擬與實地觀測,生物措施優(yōu)于機械措施。林帶建立后,地表風蝕起沙的臨界摩擦速度是林帶建立前的4.1倍,順風向沙粒通量和垂直塵粒通量均減小為0,林帶后緣的輸沙率是林帶前緣的1/38;設置草方格沙障后,地表風蝕起沙的臨界摩擦速度為設置前的L9倍,順風向沙粒通量和垂直塵粒通量分別減少約3/5和7/8,地表粗糙度比沙丘表面增加約300多倍。說明灌木林帶完全抑制了地表風蝕起沙,而草方格沙障的固沙效果亦十分顯著。機械措施中,草方格沙障又

9、優(yōu)于其它機械沙障措施。在相似的地表及風力作用下,麥草方格沙障的地表粗糙度、摩阻速度及輸沙率分別是棉花秸方格沙障的54倍、15倍和1/4。 (6)通過風洞模擬實驗與野外觀測結果表明,窟頂戈壁礫石覆蓋度在50﹪以上時可有效防治風蝕作用。當戈壁表面蝕積活動達到動態(tài)平衡時,礫石覆蓋度隨風速的增大呈對數(shù)關系增長,其所需時間隨風速的增大而呈指數(shù)關系遞減。 (7)通過室內對不同類型、不同濃度及其配比的化學固沙材料分析測試,結合現(xiàn)場試驗

10、,篩選出高模數(shù)硅酸鉀(簡稱PS)具有良好的耐老化性和抗凍融性,對環(huán)境無污染,適合于對莫高窟崖面及其浮沙進行加固。風洞實驗結果表明,用10﹪PS溶液加固后的莫高窟北區(qū)原始巖樣,在20m·s-1挾沙風的作用下,其吹蝕模數(shù)幾乎為0。PS和新型高分子SH、LC固沙材料,可使固結層土壤水分和土壤溫度有所增加,改善了土壤熱量狀況,有利于植物生長。 綜上所述,本文借助GPS全球定位系統(tǒng)及數(shù)值模擬等技術手段,通過對近15年風況資料的分析及結合大

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