莫高窟的固沙——莫高窟崖顶的工程防沙治沙实验

　　莫高窟从创建至今，已有1600多年的历史，此间由于各种自然环境因素以及人为的影响，使精美的壁画彩塑受到不同程度的损坏，其中风沙是最严重的危害因素之一。
　　根据监测，莫高窟前每年积沙约3000m3。这样大量的积沙，不仅严重磨损污染壁画，也对窟区的环境造成污染，大量积沙对旅游者的参观行走带来许多困难。为此每年要花费相当大的一笔财力、人力进行清沙。同时，风沙流强烈吹蚀或剥蚀，致使洞体遭受“薄顶”之灾，直接危及到壁画的保存条件和环境；严重积沙又造成对窟顶的巨大压力，同时增大窟顶的透水性，导致窟顶岩体的积水，过多积水很可能是造成壁画发霉和酥碱的重要原因。
　　解放后对莫高窟的防沙治沙从未间断，先后进行了如下的防沙工程：
　　1.防沙墙
　　20世纪50年代，为防止风沙进入窟区，在洞窟顶崖面中下部修筑了一条长约1000m的土坯墙(图9-1)，旨在把大量流沙聚积起来，然后利用输沙口或人工清沙的办法将积沙集中清除。在防沙墙建立的初始阶段效果比较显著，流沙被堵截，窟区积沙明显减少，但后因沙的不断沉积，整个崖体坡面积沙增厚，窟顶压力增大，输沙口很快堵塞，墙体受积沙挤压向外倾斜，加之墙体本身严重风蚀、酥碱、进而倒塌，危及游人及洞窟安全。在80年代初，被迫强行拆除。
　　2.输沙沟
　　防沙墙被拆除后，又在窟顶距崖面约100m处开挖长1000m、宽1m的防沙沟，试图将流沙堵截在沟中，但因窟顶风沙流十分强烈，防沙沟很快被填平失效，并因挖沟时破坏了砂砾质地表保护层，使地下的砂物质暴露于地表面，形成新的沙源，造成更大的潜在危险。1992年又在崖顶南端开挖长65m、宽4m、深2m的输沙沟，目的是将风沙流携带沙物质运行到此地时，由于地面急剧下降，使气流受阻，附面层分离，形成涡漩。涡漩的出现减小了近地表层风速，削弱了气流搬运沙粒的能量，使沙粒大量堆积，不到2年时间输沙沟被填平，5年时间输沙沟附近积沙超过3m。
　　3.崖顶部防沙栅栏
　　60年代初，在崖顶靠崖面处，设置了局部的高立式树枝栅栏(图9-2)，结果把沙物质聚集在崖面附近，同样造成窟顶压力增大，一旦栅栏失效，大量沙物质直入窟区，带来新的隐患。
　　4.沙山前沿麦草方格沙障与高立式栅栏
　　60年代初，曾在沙山前沿设置了部分麦草方格沙障和高立式芦苇栅栏，栅栏设在麦草方格沙障后方，麦草方格沙障处于无任何保护的流沙之中，没过几年就被流沙所埋没。
　　5.砾石压沙
　　在进行麦草方格、立式栅栏等机械沙障进行防沙试验时，还在沙山前沿平沙地上进行了砾石压沙试验，但因试验从西向东采用砾石压沙—麦草方格沙障—高立式栅栏的布局，砾石压沙置于防护措施的最前沿，直接暴露于流沙中，无任何(栅栏)防护，碎石很快被沙埋没而失效。
　　以上开展的防沙治沙工程规模小，同时，由于人们对风沙危害的严重性认识不足，对防沙治沙的重要性没有引起足够的重视，也因防沙方法不得当和防沙经费等原因，试验未能继续进行，反而一些防沙工程造成了一定的风沙危害。例如，在崖顶紧靠崖面处，设置局部阻沙栅栏，结果把沙物质都聚集于崖顶或崖面附近，反而造成新沙源和潜在的隐患。又如在崖顶开挖防沙沟时，导致砂砾地下层沙物质伏于地表，并为气流所搬运而重新汇集于崖面。同时由于来自偏西风的作用，防沙沟很快为积沙所填平，增强了原有的风沙危害程度。究其原因主要还是对该地区特有的风沙运动规律了解不够，对其危害性认识不清。所以，多年来一直是采取消极的人工清沙的办法对付洞窟前的积沙，而真正的风沙危害并未得到有效的防治。1987年，莫高窟被联合国教科文组织的世界遗产委员会列入“世界文化遗产名单”之后，莫高窟的风沙危害防治研究，受到主管部门和各级领导的重视和支持。
　　1989年，敦煌研究院、中国科学院兰州沙漠研究所以及美国盖蒂保护研究所合作，在莫高窟开展了规模较大的尼纶网栅栏的工程治沙、化学固沙和生物固沙试验的综合防沙治沙工程，取得了明显的固沙、治沙效果(图9-3、图9-4、图9-5)。
　　一、莫高窟崖顶的工程防沙治沙实验
　　莫高窟位于敦煌绿洲东南，距敦煌县城25km，东邻三危山，西接鸣沙山，南为山间河谷，北面是开阔的砂砾质戈壁。莫高窟窟前阶地比敦煌市高出200m，比三危山低250～350m，为两山之间向北扩展的谷地。
　　洞窟开凿于大泉河出山口的西岸陡壁上，地层为一套山前冲洪积的第四纪酒泉组砾石层，泥质与钙质胶结，地质年代较新，本身的胶结不好，极易风化。该地区地处中国西北内陆腹地，河西走廊的最西端，常年受到蒙古高压的影响(图9-6)，具有气候极端干旱，降水量少，温度变化大与风沙活动频繁的特点。根据1962～1965年莫高窟崖顶气象站资料(一日三次，夜间不观测)和1990年1月～1990年12月自动气象站的连续记录，统计结果表明：该地区年平均气温为10.3℃，与敦煌市气象站相比，莫高窟气象站比敦煌市气象站高出244m，然而年平均气温却比敦煌市高出1.3℃，这也充分反映了莫高窟地区的沙漠和戈壁下垫面性质，及其对气候特征的影响。其中敦煌灌区的绿洲效应也是一个不可忽视的环境因素。历年绝对最高气温为40.6°(1965年7月27日)，绝对最低温度为-31℃(1965年12月23日)。年平均降水量为23.2mm，多年蒸发量为3479mm，蒸发量是降水量的150倍。干燥指数为32，平均相对湿度为32%。
　　莫高窟是一个多风地区，年平均风速为3.5m/s；而且是一个多向风地区，南风出现频率最高，占31.0%，如果把偏南风，即东南偏南和西南偏南风相加，合计为47.9%(图9-7)，不过风速并不是最大，以南风为例，小于起沙风者(2m高度，风速为5.0m/s)，仅占39.3%，大于8m/s者，也只有1.5%，而大于5.0m/s和小于8.0m/s者却占59.2%。风洞实验结果表明，这个风速范围，所具有搬运沙的能力是有限的，作用于流沙表面，也只能使沙粒开始移动到沙面沙纹的形成；对于砂砾质戈壁，其作用就更小。其次是偏西风，即把所有的偏西风(SW，WSW，W，WNW，NW)都加到一起，总频率为28.1%，而输沙能力却占31.9%。对于偏西风来说，小于起沙风者占70.8%，大于5.0m/s和小于8.0m/s的风速出现频率平均5.8%，其输沙能力却占71.1%。也就是说，该地区偏南风多而风力较弱，偏西风少而风力较强，并且具有突发性的特点，与大型天气过程的关系极为密切。由此可见，偏西风应该是造成洞前积沙危害的主要原因。至于偏东风，频率只占14.8%，其输沙能力约占27.5%，其危害性主要是对洞窟崖面的强烈风蚀与剥蚀。当然，对崖顶沙物质的东移亦具有不可低估的抑制作用，并且具有明显的反向搬运能力。
　　这种平均流场特征的形成，既有大尺度的地形作用，如青藏高原、祁连山或天山的动力或热力作用，又有小尺度的地形(如三危山、鸣沙山)和沙漠、戈壁下垫面的影响。具体地说，西风强是受主体环流西风带和大型天气过程所控制；南风多而弱是属于地方性的局地环流，或者说是来自祁连山的山风。从南风的季节变化和日变化来看，也具有明显的规律性。该地区夜间多南风，冬季各月(10月至2月)几乎全部是南风。山风本身就是一种弱风，当经过长距离的戈壁运行，来到莫高窟之前又受到三危山、鸣沙山的阻碍，致使风力变得更弱，不过风向还是相对稳定的。
　　如此特殊的流场塑造了鸣沙山的独特的风沙地貌形态，相对稳定的复合型沙丘群体，并具有明显的季节变化特征。在主风侧坡面的中上部覆盖有粗沙。
　　根据现场调查研究，发现该地区的沙物质主要来源，仍属于“就地”起沙，在不同频率和不同强度的多向风的作用下，沙物质的搬运过程具有往复摆动的特点。
　　(一)莫高窟地区的风沙活动规律
　　1.风沙流的性质
　　从宏观上看，该地区的风沙流应属于不饱和的戈壁风沙流，即沙粒的强度跃移导致风沙流的搬运高度较高，上下层输沙量分布较为均一，在一般情况下，有利于搬运而不利于堆积。可是，在该地区由于不同频率和不同强度的多向风的作用，而使得风沙流的性质变得更加多样化或复杂化。例如，在一棵植株的不同方位，可以同时并存三种不同粒级、不同形态的积沙体(图9-8)，而且积沙体只有形态的变化与消失的过程，却无体积的继续增大，沙波纹与沙丘都不例外。充分表明，沙源与气流的搬运的能力不仅有限，而且受到变化的多向风的严格制约。在图9-8中，可以明显地看到，在强西风的作用下，于植株的背风侧形成粗粒沙波纹，沙源来自砂砾地表。不仅积沙范围大，而且沙波纹的高度与宽度都比较大；南风形成的沙波纹，无论是积沙范围，或是沙波纹的高度和宽度均小得多，沙粒很细，沙源来自流动沙丘；东风在植株后形成的积沙体，在尺度上或在粒度组成方面，均弱于西风强于南风，积沙动态具有明显的季节变化特征，其变化过程与平均流场的演变规律完全一致。与60年代相比，该地区的偏东风有减少和变弱的趋势，这很可能因绿化后茂密林木的防风效应所致。
　　2.风沙活动方式与活动强度
　　为了进一步了解该地区的风沙活动规律，更有效地防治风沙危害，根据下垫面性质和多向风的特点，我们选定了三个观测断面，对崖顶和崖面风沙流的空间分布以及沙丘移动特征和洞前积沙，进行了两年多的综合观测研究，观测断面走向与所测定的风向一致。
　　观测项目与内容：0～20cm高层内的输沙量或输沙率；0.2m和1.5m两个高度的平均风速，每个断面设置5个测点，同时进行对比观测。
　　同时在洞前不同地段设置5个积沙盒，用于测定每天18：00～8：00洞前夜间积沙，因白天人为干扰太大。
　　另外选定一个小沙丘，每场大风之后用等高线法测定沙丘形态变化和移动速度，并测定一些沙丘脊线的摆动量。
　　观测结果：
　　1)西风或西北风时，由流沙至崖顶的风沙流分布特征：由表9-1可见，随着平均风速的增大，输沙率也随之迅速增大，输沙率与有效起沙风速之间具有下列关系，即q=8.95×10(-1次方)(V-Vt)(1.9次方)，引自凌裕泉(《输沙量(率)水平分布的非均一性——风洞实验研究》一文手稿(1992))，式中，Vt为沙粒起动风速，对于主体粒径为0.250～0.125mm的沙丘沙而言，Vt=5.0m/s(2m高度)，对于沙粒较粗的砂砾质戈壁来说，由于地表粗糙度平均为0.115cm，与流沙相比(流沙表面粗糙平均为0.005cm)增大了一个数量级，沙粒起动风速无疑将随之增大。根据理论分析，沙粒起动风带与沙粒粒径的平方根成正比，即。对于同一风速来说，戈壁输沙率将小于流沙。不过在砂砾质戈壁上覆盖了相当数量的沙丘沙，主要是南风长期搬运的结果，起沙风速又接近于流沙表面。为了便于最大可能输沙量的计算，我们仍取5.0m/s作为该地区的平均起沙风速。在表9-1中，当平均风速为6.0m/s左右时，断面各测点的输沙率相差不多。当平均风速增至8.0～9.0m/s时，输沙率明显增大，并有No.3测点出现较大的输沙率(相对砂砾质戈壁而言)。这是因为偏西风自流沙搬运的沙物质，大约经过500～700m的砂砾地表后在低洼地(No.3测点)，形成部分积沙(其中尚有一定数量的南风积沙)，然后沙流进入高差约为5m的砾质平台，再运行200m左右到达崖顶或崖面附近，由于地形曲率的急剧变化，而产生气流的附面层分离，并在分离区形成积沙。这些崖顶或崖面积沙只有超过沙粒的天然休止角之后，或在较强的东风风蚀的情况下，才会下滑造成洞前积沙(图9-9)，积沙粗细差别较大。洞前积沙的年变化可有两个峰值，主峰出现于4～6月，此间东、西风占优势；次主峰出现8～10月间。从断面输沙率的分布情况来看，各地段的输沙量，主要是“就地”起沙，只有风速大于11.0m/s之后，才出现输沙量的长距离输送(见表9-1)。
　　输沙量随高度分布特征，防沙措施的设置与风沙流的搬运高度关系极为密切。在一般情况下，流沙表面风沙流搬运高度均小于1m，95%以上的输沙量集中于20cm高层之内，其中的80%～90%沙量又是在0～10cm高层内通过的。也就是说，只要能够降低地表风速，或控制风沙流的运动条件，就可以稳定流沙表面。同时在固沙带的上风向采取阻沙措施，即可形成“以固为主，固阻结合”的防护体系。
　　在砾质戈壁上，由于地形比较开阔，风速较大，同时砾质地表增强了跃移沙粒的反弹跳的作用，风沙流的搬运高度可超过1m，1m以上的输沙值可达3%～4%，0～20cm高层内的输沙量平均小于80%，砾质戈壁本身无沙源，过境风沙流处于极不饱和状态。在一般情况下，并不容易形成积沙危害，对于可能形成风沙危害的地段，通常是采取因势利导的防护措施，即输导沙措施。
　　对于砂砾质戈壁来说，其本身就具有一定的沙源，而且砾石细小，对于跃移砂粒不具备较强的反弹作用。相对砾质戈壁而言，砂砾地自身就能形成一种浓度较高的风沙流。因此，砂砾地的风沙流就同时兼备流沙表面和砾质戈壁两种风沙流的特性。实测结果表明，当1.5m高度平均风速为10.4m/s，0～20cm高层内输沙率可超过93.32%，已近于流沙表面，不过高于1m处输沙量约为1%，在210～230cm处，只有0.19%。而0～20cm高层内的输沙量上下分布还是比较均一的，风沙流的性质尚属低浓度不饱和的输沙强度。
　　2)西南风时，由流沙至崖顶的风沙流特征：由表9-2可见，自鸣沙山至崖顶，风沙流强度远小于西北风，尽管鸣沙山的沙源充足，但平均流场性质决定了南风和西南风对沙物质的搬运能力是有限的和缓慢的。另外，鸣沙山本身对西南风起到一种屏障的作用。因此，输沙率有自鸣沙山向崖顶逐渐减弱的变化趋势。
　　3)偏东风的风沙流强度变化：从表9-3的风沙流强度看，在偏东风的作用下，风沙流强度有明显地增大，就是说偏东风对于长期积于崖顶和崖面的积沙，具有一定的反向搬运能力，表9-3就反映了这种搬运过程。该地区的沙物质就地往复搬运，给防沙治沙措施的设置造成很大的困难。
　　(二)尼纶网防沙栅栏
　　1.尼纶网栅栏设计原则
　　通过对该区特有风沙活动规律的分析，为防沙方案的设计提供了极有价值的科学依据。根据本区的风沙流活动特点，我们设计并实施了“A字型”结构的防沙体系(图9-10)，“A字型”顶点指向西风。两个斜边与主害风有较大的交角，与对应WN-ES、WS-EN东北风交角较小或近于平行，它既可以在主风向上截断鸣沙山的沙源，又能在次风向上使栅栏具有导沙功能，而一改栅栏仅作为阻沙作用的单一功能。“A字型”的两个平行横向栅栏主要用于阻拦戈壁就地起沙作用，从而达到全面根治沙害，确保洞窟安全的目的。
　　2.尼纶网栅栏材料性能和结构
　　国外普遍将尼纶网用于轮牧的“草库伦”建设，它具有耐老化、易移动、施工简便等特点。莫高窟顶自然条件严酷，生物治沙措施又难以实施，因此，采用尼纶网栅栏防治风沙具有实用安全等效果，同时，又是对新材料的开发，丰富了栅栏防沙材料的领域，并使栅栏作为阻沙、导沙的一个尝试，因此，采用尼纶网栅栏不仅在莫高窟地区，而且在其他自然条件严酷的风沙地区，都具有广阔的应用前景。
　　(三)防沙效果监测
　　1.监测
　　观测布点如图9-10所示：No.2号点为横向栅栏观测断面，每个断面上分别设立网前18m(代表旷野风速)、网前1m、网后1m、网后18m观测点，每个测点又分设3个高度：距地表20cm、70cm、150cm。观测仪器采用DEM-6型轻便式手持风速仪，观测结果见表9-4、图9-11。
　　从表9-4可知，网前、网后风速都有较网前旷野风速降低的趋势。网前、网后1m处，速率降低最大。与网前旷野点相比，网前1m处大约降低了8%～18%；网后1m处，大约降低了40%～50%。风速受尼纶网栅栏作用，即使在网后18m处，也未能恢复到网前旷野点的风速，只有旷野点的70%。相时速度并有随高度的减小而增大趋势。这种情况明显地反映在风速廓线上，以位于栅栏前1m及栅栏后1m两点看，0.7m、1.5m高度上相对速度的廓线比较陡，而在0.2m的相对速度廓线则较缓，主要原因在于栅栏下部留有供反向风作用的输沙通道所致。通常风速随高度的增加而增大，而由于尼纶网栅栏中部具兜风性，而使网后0.7m高度的相对速度大于1.5m高度的相对速度，这种兜风性在栅栏流场的风洞实验中最为明显(图9-12)。
　　由于栅栏下部的输沙通道，有利于栅栏前后积沙处于摆动状态，并远离栅栏，从而增大了栅栏的有效防护宽度，起到防风阻沙的效应。
　　2.防沙效果分析
　　(1)尼纶网栅栏前、后风沙流结构特征
　　通过对阻沙栅栏前后风沙流结构特征对比表明(表9-5)，栅栏前后均有积沙，当风速较小时(小于10m/s)，输沙量以就地起沙为主，所以在栅栏前后1m范围积沙区内，输沙量都较大，而栅栏前18m处，由于下垫面沙源不足，风速又小于10m/s，所以输沙量较小，而当风速大于10m/s时，输沙量成倍地增加，充分显示了沙物质的长距离搬运特点。栅栏后18m处的输沙量小，体现了栅栏的防沙效益，栅栏后10m处、18m处输沙量仅有栅栏前相应距离的0.7%～2.7%，可以说气流所搬运的流沙物质，经过防护体系后基本全部被截在尼纶网栅栏的防护宽度内。
　　(2)栅栏前后积沙
　　栅栏前后积沙观测断面表明(图9-13)，“A字型”斜向和横向栅栏都有积沙，斜面栅栏较横向栅栏积沙严重，说明了鸣沙山沙源危害程度大于戈壁的就地起沙。积沙形态的季节变化，堆积与风蚀交替出现的特征，反映了栅栏底部透风度大从而具有反向搬运的能力。从积沙断面可以看出，网前、后的积沙体最高点都离栅栏有一定的距离，从而起到了延长栅栏的使用年限，反映了尼纶网栅栏的导沙功能。
　　(3)洞窟栈道积沙量的变化
　　防沙栅栏体系于1990年11月底完成，对比洞窟栈道积沙盒沙量的月际变化(图9-14)，可以看出自尼纶网栅栏建成后，洞窟栈道积沙明显减少，与未设栅栏前的月际积沙相比较，大约减少了60%，在崖面没有得到化学固沙之前，窟前积沙量的变化并不能真正反映栅栏的防护效益。因为东风的强烈风蚀，仍可以使崖面的多年积沙下滑，造成洞前积沙，其显著变化是崖顶和崖面的黄色片状覆沙减少或消失，窟前积沙盒样品中粗砾增多。
　　综上所述，在自然条件严酷，生物治沙措施难以实施的莫高窟顶，采用尼纶网作为防沙栅栏的材料，是防沙材料的一个新突破，它不仅耐老化，施工工艺简便，易移动，使用年限长，而且这种“A字型”结构的防沙体系，既能在主风向上阻沙，又能在次风向上导沙，一改过去将栅栏仅作为阻沙的单一功能。同时值得指出的是由于莫高窟主害风——西南风输沙量强烈，所以栅栏前后积沙远远大于其导沙量。要真正地根治莫高窟顶的沙害，还需要采取综合防沙措施，在沙山前沿设立栅栏阻沙带和草方格固沙带，在固沙带后设置采用滴灌技术的沙生植物防护带，戈壁以现在栅栏为体系，在窟沿采用化学治沙，固结窟崖多年积沙。只有采用这种“五带一体”的综合防护体系，窟顶的风沙才可能得到根治。