环境监测与壁画保护——观众对洞窟环境影响的实验

 
　　通过石窟档案和现场调查，发现莫高窟自20世纪70年代洞窟开放至今的30多年中，部分洞窟内壁画彩塑的病害有明显发展的趋势，这不仅与各自然环境因素有关，也与大量观众进入洞窟，造成小环境严重劣化有关。为此敦煌研究院与美国盖蒂保护研究所合作，与1991年在莫高窟进行了一项观众对洞窟环境影响的实验。
　　(一)实验方法
　　1.实验条件
　　实验选在莫高窟崖体下层的中型开放洞窟，即第323窟(初唐)中进行。323窟包括前室、甬道和主室。洞窟主室的长、宽、高分别为5.40m、5.30m和5.04m。主室的空间体积约143.1m(3)(以下所用洞窟体积时，均指主室)，窟顶为覆斗型，西壁(正面)为一佛龛。甬道深为1.9m，其横截面约为3.5㎡。图7-12为第323窟平面图。
　　实验在1991年5月2日下午进行。由40名学生在窟内滞留37min(在图7-13～图7-19中，t=10min时为观众进入的时间，t=47min时为观众离开的时间)。为模拟平时参观时的情况，滞留期间洞窟的铝合金门保持敞开，观众离开洞窟后，关闭窟门。
　　2.探头的标度及分布
　　实验采用了最现代化的微环境监测技术，可以同时测量空气的温度、湿度、墙表温度、二氧化碳的浓度、观众人数及进出时间等。
　　温度探头为美国OMEGA GENINERING公司生产的粘附性探头；湿度探头为美国VAALA公司生产的HMP35AC型探头；二氧化碳探头为美国HOFFMAN ENGINERIN公司生产的2007DHE型。
　　湿度探头先用氯化锂蒸汽压11.3％和碳酸钾的饱和蒸汽压43.1％进行标度，二氧化碳探头用0ppm和2000ppm的二氧化碳标准气体进行标度。三组湿度探头RH1、RH2、RH3和二氧化碳探头CO2。标度后的值(y)与测量值(x)的关系为：
　　yRH1=0.96x+0.81
　　yRH2=0.92x+1.04
　　yRH3=1.15x-324.68
　　三组空气温、湿度探头分别安装在佛龛内塑像附近(AT1、yRH1)，距地面高度为1.57m，距塑像距离0.10m；窟内右侧玻璃屏风上(AT2、RH2)高度为2.10m，距北壁壁画0.38m；甬道内出口处(AT3、RH3)高度为2.25m，距东壁壁画0.46m。四个墙温探头中的三个(WT1、WT2、WT3)分别安装在与三组空气温湿度探头对应的壁画表面上，另一个WT4安装在窟门外表面，高度为2.33m。二氧化碳探头安装在窟内右前角处，高度为1.40m，距窟内西、北两壁分别为0.85m。观众计数器探头(Entry Cont)安装在甬道内两侧(见图7-12)。
　　3.测量间隔与数据读取
　　数据测定每分钟自动记录一次，并储存在置于洞窟内的数据存储器(DATALOG)内，然后在实验室内用微机接收(通过无线电发送)所测数据，并在微机上用Lotus 1-2-3软件进行数据的处理、分析。
　　(二)结果与讨论
　　1.观众滞留期间数值升值阶段的分析
　　表7-13、表7-14给出了实验所测的部分数据。
　　表中初始值，为观众进入洞窟前一分钟的数值，而最终值则是观众离开洞窟时的数值。但最终值与期间的最大值略有区别。由表中看出，40名观众滞留37min，洞窟内的空气温度上升了4℃多，空气的相对湿度上升了近10％，二氧化碳升高了2000ppm多，比本底值高了7.5倍。
　　(1)温度的变化
　　图7-13给出了空气温度AT1、AT2及AT3的变化曲线，图7-14为墙温WT1、WT2、WT3及WT4的变化曲线。
　　由图7-13中可以看出，观众进入洞窟后空气温度迅速增加，这不仅是由于观众释放出热量，而且还因为洞窟外热空气(外界空气温度为19.6℃，比洞窟内高出约5℃)的进入共同导致的。特别是AT3由于处在甬道口上方，其变化更为明显。相反的从图7-14可以看出AT1、WT1由于处于空气交换的“死角”，变化就缓慢得多。
　　(2)相对湿度的变化
　　图7-15是对应RH1、RH2、RH3的相对湿度变化曲线，曲线RH3在t=10min，即观众进入洞窟时，有一个脉冲式的升降，这是因为观众依次进入洞窟从探头RH3下方经过时，呼出的水汽使相对湿度升高。待观众进入洞窟内，并集中站在窟中间及佛龛前之后，RH3又由于外界干燥空气所致有所下降，随后即与RH1、RH2一样，随滞留时间的延长而升高。直至观众离开洞窟，即t=47min之后，RH1、RH2和RH3又开始下降。
　　观众给洞窟带来的空气含水量的增加，我们可作如下近似计算。
　　观众滞留期间呼出的水汽量近似计算：
　　根据吸入肺中的每升氧气平均提供5kcal(cal为非法定单位，1cal=4.1868J)热量，所以需氧量(L/h·人)近似为新陈代谢率M(kcal／h)的1／5，但氧气的净吸入量仅占吸入空气的4.7％。
　　所以为提供需要氧气而所需的空气量V为：
　　V=4.25M(L/h·人) ①
　　对观众的新陈代谢率M，应在静坐与行走(4㎞／h)之间，即90～100和210～270(kcal／h)之间，取平均值得到167.5(kcal／h)。按排出空气中含水汽量45g／m(3)，得出每人每小时排出水汽为32g。40人37min排出水汽为794g。
　　窟内水汽绝对增加量的近似计算：
　　因为相对湿度(f)是空气中的水汽压(e)与同温下的饱和水汽压(E)的百分比即
　　f=e／E×100%
　　所以 e=Ef ②
　　并根据理想气态方程：
　　PV=(m/μ)RT ③
　　式中：P——气体压强；
　　V——体积；
　　m——气体质量；
　　μ——摩尔质量；
　　R——普适气体常数；
　　T——热力学温度。
　　则水汽的绝对增加量△m为：
　　△m=m2-m1=μV／R(E2f2／T2-E1f1／T1) ④
　　将对应值(均以AT2、RH2计算)代入②、③式，并查出对应饱和水汽压分别为9.8㎜Hg和13.0㎜Hg，(如不考虑海拔高度的影响)得到：
　　△m=524
　　进而可算出每人每小时给洞窟带来水汽的增加量为21.2g，而以上得出每人每小时呼出水汽量为32g，可以计算出留在洞窟中水汽量的百分比为67％。
　　即观众离开洞窟后，观众呼出的水汽将有67％留在洞窟内。
　　(3)二氧化碳的变化
　　图7-16是二氧化碳的变化曲线。由图可看出，观众进入洞窟后，在滞留期间，二氧化碳浓度很快递增，由原来的388.8ppm增至2925.3ppm。
　　观众滞留期间呼出CO2可近似表示为⑤
　　V=O.17M ⑤
　　式中：V——CO2体积(L)；
　　M——新陈代谢率(kcal／h)。
　　取M为167.5kcal／h，得出V=28.1L。
　　40名观众37min呼出二氧化碳为693.1L。
　　窟内二氧化碳绝对增加量VCO2的近似计算：
　　VCO2=V(X2-X1) ⑥
　　式中：X1、X2——初始及终止时洞窟内CO2的浓度；
　　V——洞窟体积。
　　代入数值后得到：
　　VCO2=362.7
　　即每人每小时呼的二氧化碳约为14.7L留在洞窟内。则留在洞窟中的CO2百分比为52.3％。就是说观众离开洞窟后呼出的CO2将有52.3％留在洞窟内。
　　2.观众离开后数值的衰减分析
　　(1)温度衰减
　　图7-14、图7-17是墙表温度、空气温度衰减曲线。
　　从图中可以看出墙体温度和空气温度衰减都非常快。从实验数据得出空气温度的半衰期约为0.25h。这是由于大热容量的墙体吸收小热容量的空气中的热量，很快使空气温度降低。尽管空气内外的交换不能降低内部空气的温度，因为外界空气温度高于洞窟温度约5℃。
　　(2)相对湿度衰减
　　图7-18是空气相对湿度的衰减曲线。
　　从图中可以看出，相对湿度的衰减，如同空气温度的衰减一样，也很快，特别是处于甬道附近的RH3，由于观众走动及关门引起的窟内外空气交换的不稳定性，使其形成振荡式变化。更值得一提的是，如图7-15所示，在观众离开洞窟后，外界干燥空气要同时进入以填充40名观众在窟内所占据的空间，这种短时间的变化不同于正常情况下的空气交换，也因此RH3不像RH1、RH2那样衰减缓慢、连续。从实验数据可以计算出RH1、RH2的半衰期为1h，这是壁画表面、尘埃吸收空气中的水汽及空气交换的共同作用的结果。
　　(3)二氧化碳的衰减
　　从图7-19中可以看出二氧化碳不同于空气温度、相对湿度的衰减，其衰减速率要慢得多。计算得出半衰期为3h，分别是空气相对湿度和温度的4倍和12倍，这是因为墙表面不能直接吸收二氧化碳，而二氧化碳几乎完全依靠内外空气的交换得以衰减回复。其浓度C可表示为：
　　C=Cmax exp(-Qt／V)
　　式中：Cmax——CO2的终止浓度值；
　　Q——通风率(m(3)／h)；
　　V——体积(m(3))；
　　T——时间(h)。
　　可见扩散的二氧化碳浓度与通风率和洞窟体积有关系，而通风率的物理机制则取决于：一是相对窟内外压差的外部风的作用(风压)和窟内外空气的温度梯度(热压)，这是两个变量；二是与甬道的几何形状有关，很明显甬道越浅，横截面越大，通风率Q也越大，这是恒量。此窟甬道横截面与主室的关系，约每平方米对应40m(3)的容积，属中型洞窟。
　　从二氧化碳的半衰期来看，通风率尚小，不能使洞窟很快恢复或保持良好的质量。或者说，3h的半衰期，间隔较短的旅游团的参观，会使二氧化碳叠加升高，使洞窟长时间处于不能恢复其本底水平的“疲劳”状态。
　　(三)结论
　　通过以上分析。可得出以下两个方面的结论。
　　(1)每人每小时呼出水汽的67％，约21g水，呼出二氧化碳的52.3％，约4.7L，在观众离开洞窟时将留在窟内。
　　(2)窟内空气温度、相对湿度和二氧化碳浓度的半衰期分别是0.25h、1h和3h，它们的比例为1：4：12。由于二氧化碳浓度的衰减几乎完全依靠空气交换，其半衰期长的结果表明，内外空气交换条件差，特别是旅游旺季，洞窟将处于长时间不得恢复的“疲劳”状态。莫高窟的壁画颜料是矿物颜料，如果在洞窟内有大量二氧化碳和水汽存在，所产生的酸性气体肯定会引起颜料的变色。另外，窟内湿度增大会引起可溶盐运移富积，导致壁画酥碱病害发生、发展。可以想像如果在一个中等大小的洞窟里，观众接连不断进入，由于洞窟中通风差，这样二氧化碳浓度和水汽就会在洞窟内大幅度叠加上升。这是一个值得注意和进一步研究的问题。洞窟既要保护，又要开放，这就需要对开放洞窟进行控制和科学安排，控制游客进入洞窟的数量和在洞窟滞留的时间。为此敦煌研究院与美国盖蒂保护研究所合作，又开展洞窟游客最大承载量的实验研究。同时进行酸性气体对各种壁画颜料影响的研究，可通过一定措施排出或吸收洞窟内的湿气和二氧化碳，使其达到不影响壁画颜料变色和产生其他病害的程度，确保壁画的安全。