莫高窟第85窟壁画修复*范例——环境监测及质量评价

　　(一)环境监测
　　85窟的环境监测采用了美国Getty保护所提供的全自动气象监测系统。主要由以下几部分构成：中央控制器CR10、数据存储器SM714、无线电通讯系统，此系统可连接温度、相对湿度、墙温、CO2等多种探测器，工作模式从数据监测、存储到传输都为电脑控制，有较高的自动化水平。
　　85窟的环境监测分阶段进行，开始于1994年4月，先进行常规性监测，在洞窟中布设两个探头，即洞窟中央布设一个温湿度探头，在主室的北壁布设一个墙温探头(图11-6)。
　　1998年4月对85窟环境监测探头进行了调整，除了中央的温湿度探头，增加了主室西北角、西南角和窟门三个温湿度探头，变动了主室北壁上的墙温探头的位置，并另增添两个墙温探头，分别布设在主室西北角、西南角和窟门上，与壁面和窟门门框上的三个温湿度探头相对应(见图11-7)。
　　为了探查洞窟围岩水分活动对壁画病害的影响，1998年5月增加了洞窟岩体水运移的监测工作。特在洞窟中不同部位地下和岩壁10㎝处安设13个温湿度探头，位置如示意图11-7和图11-8所示。
　　(二)监测结果分析
　　通过对85窟两个阶段近4年的连续环境监测，获得了大量的数据资料并使用数据处理软件对其进行必要的统计、制图处理，结合现有的环境监测资料，对85窟环境特点及气象规律做分析研究。
　　1.1995～1999年85窟环境监测数据的分析
　　汇总和分析1995年全年、1996年全年、1997年全年和1998～1999年5月的85窟环境监测数据，用MS Excel绘制图表，所绘制的图包括按年度月平均、最大、最小逐点绘制的洞窟温度(图11-9～图11-11)、相对湿度(图11-12～图11-14)和墙温变化图(图11-15～图11-17)，并做出了年度统计表。此外还绘制了1995～1999年5个年度的降水量柱型图(图11-18)。
　　2.洞窟环境数据年度变化的走势
　　从绘制的图表可以看出：
　　(1)窟内气温变化和壁面的温度变化很一致，两曲线十分相似。
　　(2)年内洞窟中的温度以1～2月间为最低，3月份后逐渐走高，到8月份达到最高，9月份开始温度开始下降。年中增温变化较之降温的变化相对平缓，时长多近一个月。
　　(3)窟内气温年平均在10.95～12℃间，墙面温度年平均为10.42～11.95℃，较窟内气温低0.5℃左右。气温的年较差均为15℃左右，相对而言窟中壁面温度的年较差要小一点。
　　(4)夏季窟内气温相对墙面温度高1℃左右，到了冬季墙面温度反而高出气温约0.5℃。
　　(5)从年中统计的标准差中可以看出，窟中温度在夏季7、8、9月最炎热，三个月波动较小，冬季1、2月最冷的时候次之，在春、秋季及临近的月份中波动较大。
　　(6)窟中的相对湿度变化是冬季相对湿度最低，随后逐渐增加，到7、8月达到最高，9月以后又复降低，其变化同莫高窟降水的年度变化是相一致的。湿度最高达85.2％，而最低值小于10％，变幅很大。年平均相对湿度在27.1％～30.2％间，其中春、冬季在20％～30％左右，秋季可以达到43.7％以上，而在夏季则在31％左右。
　　(7)用月平均气温、墙温和相对湿度数据，依1500m的假设海拔高度，计算出窟内空气的水汽含量和壁面空气水汽含量(见表11-2、表11-3，图11-19、图11-20)。从表11-1中可以看出，夏季窟内的水汽含量较高，同壁面水汽相比，可相差0.4～0.8g／m(3)，冬季有一定的翻转，但相差不大，1995～1997三年平均曲线靠的很紧，春、秋季窟内的水汽分压要比同期壁面上的水气分压略高。
　　3.洞窟环境因素的年间变化和季节变化
　　各年度间温度曲线表现出十分相似的变化，月平均最大值在16～17℃，月平均最小温度在0～5℃间，而且月最大、月平均和月最小的变化保持很好的平行，距离在2～3℃之间。
　　相对湿度年间变化较大，原因是年间的降水变幅比较大，春、夏季月最大、月平均和月最小三曲线间距较大，到秋、冬季三曲线的间距变小。
　　由于洞窟相对较封闭的缘故，洞窟内的环境变化相对而言是比较小的，显著的特点是“冬暖夏凉”，即使在最炎热的8月，最高温度也只有20～21℃，墙面的温度更低，还不到20℃，而在寒冷的1～2月，基本温度在O℃度以上。另外1998年在85窟新增加了温、湿度探头，最高温度和最低温度相差很大是由于在门上安装了一个探头，它与窟外的温度基本一致，所以不论平均、最高还是最低都与1995～1997年有偏差。
　　在不同的季节，窟内温度的波动有所不同，秋季和春季波动较大，而在夏季和冬季波动较小。
　　从相对湿度的变化看，窟内湿度在夏季相对较高，特别在遇到降水时，其相对湿度可高达80％以上，而其余季节变化较小，即使有少量的降水，窟内相对湿度最大增幅也不过50％左右，持续时间也相对较短。
　　4.降水对洞窟环境因素的影响
　　莫高窟年降水很少，平均只有50㎜左右，但年间的变化很大。主要降水集中在7、8、9三个月，有时一两场雨的降水量就占据了全年降水的80％。在冬季有时会有几场大范围的降雪，而在其他月份的降水很少，有时会有十分稀少的降水，但没等地面湿润就结束了，这种降水在气象站得不到记录，但会提高窟区的相对湿度，使洞窟记录的相对湿度有比较大的起伏。
　　降水最直接的影响是提高了洞窟中的湿度。窟中相对湿度每次大的起伏都与降水有关，同时降水还在一定程度上影响了温度的变化，导致温度发生一定程度的下降。
　　把1998年85窟1500m假象高度计算的水汽曲线同1995～1997年85窟监测数据所计算的水汽曲线叠加在一起如图11-21所示。可以看出，其变化的趋势是一样的。窟内空气和壁面水汽变化曲线相当吻合，窟外空气在7月份以前含量低于窟内，7～8月含量接近窟内，8月以后又变小。
　　5.岩体水分监测分析
　　85窟中的壁画病害其中问题较严重的是酥碱起甲的问题，普遍认为壁画酥碱同洞窟壁面岩体中的水分有关，因此搞清楚洞窟岩体中的水分运移规律，对搞清楚发生壁画酥碱的原因，进而采取相应的措施治理壁画的酥碱病害，防止壁画发生此类病害有着深远的意义。
　　综合现象表明，莫高窟岩体的水分来源有：窟前河床下渗水、窟前灌溉水以及降水，但洞窟岩体深处是否真正存在液态水，一直没有定论。由于测定水分有相当的困难，所以寻找比较好的方法研究洞窟岩体中的水分运动规律，在技术上有一定的难度。这次我们布设13个埋入岩体10㎝的温、湿度探头，以追踪存在于岩体中的水汽运动规律，发现岩体存在液态水的可能，为进一步探讨洞窟岩体中的水分规律提供参考。
　　13个探头的布设情况是：前室地面下和西壁上各1个；主室中四个角和西面佛像的背后地面各1个，计5个；主室的东壁上2个，西壁的佛像背后自下至上有4个；西披上有1个。
　　从图11-22 1998～1999年岩体10㎝深度的温、湿度的变化曲线可以看出，岩体中的温度从5月到7月逐渐上升，8～9月达到最高，9月以后又逐渐降低。主室中埋在地面下的几个探头相对而言在图中出现的位置较低，而且彼此间曲线靠得很近，说明这几个探头的变化相当一致。埋在墙上的探头则不同，特别是西壁上的几个探头，布置的位置是自上而下，而在图中的出现也是顶上的位置最高，低下的位置比较低。在前室中的6、7号探头由于比较靠外，在图上的位置比较高，而以前室西壁上的探头的位置最高，由于5～10月总体的温度变化是温度在不断升高的，那么，这种图上的位置变化，实质上是反映了不同位置易受外界环境影响的差异，前室中的探头所受到的影响最大；上部的较下部容易受影响；靠门的比不靠门的容易受影响；而地面下的则较稳定。
　　相对湿度的曲线明显分为两部分：比较平缓的几条曲线所代表的是埋在地面下的几个探头，相比之下，布设在墙体上的几个探头波动比较大。而在图中位置的变化则与温度曲线的变化刚好相反，埋的位置较高的出现较低，反之亦然，即受外界影响大的较为干燥，相反受外界影响较小的探头部位相对比较湿润。
　　在露点温度的变化图上同样可以看到类似的情况，布设在地面下的探头和布设在墙体上的探头有所不同，其波动比较小。同相对湿度曲线比较，两组曲线靠的更近，说明地面下的几个探头所反映的岩体湿度比较一致，墙体上也是一样的，但相对而言墙体的水分要相对干燥一点，特别是5月和10月这两个端点上。有趣的是在温度图上，5月和10月几条曲线靠的比较近，在7、8、9月份曲线散开，而在露点温度图上，5月和10月两端点，两组明显分开，在7、8月份各曲线却靠在一起。
　　6.探头间的温度、湿度数值变化
　　(1)温度
　　在温度曲线上，埋在地面下的6个探头，除了置于前室中的6号探头，其余5个探头的月平均变化曲线相当一致。自1998年5月～1999年5月6号探头平均温度是10.6℃，最高温度为17.6℃，最低温度为0.2℃；其他几个探头平均温度为10.8～11℃，最高15.5～16.5℃，最低3.7～4.1℃。在墙体中的7个探头的温度变化曲线较为散开，7～9号探头从外到里分布，依次的表现是7号探头曲线的起伏波动最大，然后是8号探头，再次是9号探头；10～13号探头自低到高布置，在曲线图上10号探头处在最下面，11号的曲线较靠上，12和13号探头曲线彼此很靠近，都在11号探头曲线的上面，说明越是靠上，温度就越高，从1998年5月～1999年5月期间的平均数值也说明了这一点，7个探头在1998～1999年的这段时间内测得温度平均为11～13℃，最高15.7～19.2℃，最低1.1～6.8℃。
　　(2)相对湿度
　　相对湿度曲线，埋地面下的6个探头从1998年5月～1999年5月的一年中变化起伏不大，平均57.8％～63.2％，最高64.1％～72.1％，最低48.3％～57.5％，相差12％～20％。置于墙体中的7个探头的相对湿度则不同，在1998年7～8月出现一个明显的峰值，1998年5月～1999年5月期间平均34.4％～39.1％，最高49.8％～66％，最低19.7％～30.5％，相差26％～46％，明显高于地面下的6个探头的相对湿度值。7～9号三个探头自外向里分布，相对湿度曲线图中，7号最靠下，8号居中，9号则最靠上，说明越是靠里，相对湿度越大，处在前室中的7号探头由于最靠门，因此相对湿度最低。10～13号探头自低到高分布，在相对湿度曲线图上，10号探头曲线最靠上，11号探头次之，12和13号探头较靠下，表明10号探头位置的相对湿度较高，位置渐向上，相对湿度减小，而且4条曲线有依次波动变小的趋势。
　　(3)露点温度
　　露点温度的变化基本上反映了与相对湿度变化相似的规律。从变化的数值上可以看出，7号的露点温度是最低的，其次是布设在主室壁面上的几个探头，而以埋在地面下的探头的露点温度比较小。5号探头的露点温度稍微高一点，表明该点水分相对较高。不同位置10㎝深岩体中探头所反映的水分含量变化按1500m假想海拔高度，根据所计算的月平均温度和相对湿度计算出85窟窟内外和岩体中的水汽含量，并绘制图(图11-22)。
　　从图11-22上的曲线可以看出：地面下岩体中的水汽含量比较高，其中5号探头曲线的水汽含量最高。岩壁内的水汽含量在5～8月份与墙面、窟中央和窟外的水汽很靠近，但夏季以后高出墙面、窟中央和窟外的水汽。墙面、窟中央和窟外的水汽含量很接近，略有变化。三条曲线中，窟外水汽含量曲线最靠下，其次是窟中央，墙面的水汽曲线比较靠上，这反映窟内外水汽变化依次由外到内提高。各条曲线在夏季到来时相互靠近，但水汽含量都有增高的趋势。
　　图11-22展示了1998～1999年份岩体中水汽变化，从图上可以明显看出岩体10㎝深处水汽的变化状况。
　　7.岩体中的温、湿度变化与同期窟内外温、湿度变化的关系
　　比较窟内外以及埋在岩体内的温、湿度探头所监测到的环境变化数值可以看到：
　　(1)从窟外到窟中再到岩体内，温、湿度变化幅度减小。
　　(2)通过所计算的水汽含量数值变化看，5～10月份岩体中的水汽含量高，窟中空气中水汽含量相对小一点，而窟外空气的水汽含量比较低。但以上结果只是从平均数值计算得到的，由于降水，在短时间内外界的湿度可以大大高于窟内湿度，其影响的相对程度到底有多大，有待进一步的研究。
　　(3)5月开始进行窟前灌溉，7月中旬～10月上旬灌溉达到高峰期，从1995年以来得到的监测数值看，窟内这段时间相对湿度增高，但从1998年5～10月洞窟地下岩体10㎝深度相对湿度变化的总趋势看，曲线十分平稳，只在6～9月略有增高，所以窟前灌溉对洞窟环境究竟有多大的影响，有待深入研究。
　　8.洞窟水汽变化同降水和灌溉的关系
　　从前期环境气象监测及相关水文地质调查的结果看，降水是85窟水的主要来源，另外考虑到窟前的灌溉也可能是窟内水的来源之一。因此在后期对这两个水的来源做了专门的监测，并结合窟内环境监测数据进行综合分析。
　　1998年5月～1999年5月莫高窟降水和85窟窟前的灌溉情况见表11-4和图11-23、图11-24。
　　从图上可以看到莫高窟降水以及窟前的灌溉高峰集中在8～10月，同85窟窟内外以及岩体内水汽含量的变化情况对比，水汽含量的年波动变化同降水和窟前的灌溉并非呈现一致的变化，而是和对应的温度变化有相当的关系。在几条曲线中，只有地面下几个探头所表现出的水汽变化同灌溉有一点关系，曲线峰值向后延展，在9～10月仍然保持较高的值。
　　以上监测结果与降水及灌溉时间不相对应，可能与砂砾岩的饱水性有关。
　　9.地下水分运动变化
　　为了监测窟前灌溉水向85窟运移的情况，1999年6月在85窟窟门的前后、甬道和西壁前地下40㎝深处安装了5个温、湿度探头，所监测情况如下：
　　(1)地下温、湿度的变化十分平稳。6～7月温度在缓慢上升中，从14～18号探头(图11-25)，即位置从洞窟最里面到洞窟门外，温度越来越高。相对湿度从14～18号探头也是越来越高，门外的17和18号和门内的16号探头基本在100％，处于水分饱和状态。
　　(2)从监测的情况可以看出，窟前灌溉水在灌溉期间在不断向洞窟扩散，但进入洞窟以后，水分的运动主要以水汽的形式存在，这可以从前室的16、6和7号探头的数据中，以及西壁方向的14、10、11、12和13号探头的监测数据得到证明。
　　(三)结论
　　探头重新调整和增设后，经过一年多时间的连续监测，并归纳1995～1997年的环境监测数据，对85窟的环境以及水分运移状态可以概括结论：
　　(1)在当前环境下，85窟窟内地表层、壁画地仗层及地仗层相连的岩体表层无液态水出现，其水分主要以气态水运移。
　　(2)影响水汽变化的因素有两个，即窟前灌溉水与降水。灌溉水从窟前渗入地下，并不断向洞窟运移，但上升到窟内地表层时，则主要是水汽。降水通过岩体渗入和空气交换产生影响。从岩体水汽变化的情况看，特别是洞窟的壁面受灌溉和降水的影响不大，其水分的变化主要受制于连续的岩体供水系统的作用。
　　从85窟环境监测所了解到洞窟水分状况和壁画病害的分布情况看，西壁的病害是否与历史上洞窟中进水所引起地仗层中盐分富积、或西壁岩体有裂隙水有关，这需要做进一步的探测和调查。