內(nèi)容摘要：本文依據(jù)長(zhǎng)期連續(xù)野外的風(fēng)沙觀測(cè)，對(duì)窟頂?shù)娘L(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律、沙丘動(dòng)力學(xué)以及風(fēng)沙防護(hù)效應(yīng)等方面取得的進(jìn)展進(jìn)行了較為全面的闡述，同時(shí)提出了對(duì)綜合防護(hù)體系建立后的流場(chǎng)變化、輸沙率及粉塵輸送規(guī)律、戈壁風(fēng)沙流、防護(hù)前緣地形變化等進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的重要性和必要性，通過風(fēng)沙物理學(xué)過程探討其綜合防護(hù)機(jī)制。

關(guān)鍵詞：敦煌莫高窟；風(fēng)沙環(huán)境；綜合治理；研究進(jìn)展；回顧與展望

中圖分類號(hào)：K854.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-4106(2007)05-0098-05

莫高窟位于甘肅省河西走廊最西端的歷史文化名城敦煌市，地處我國(guó)八大沙漠之一的庫姆塔格沙漠東南緣和鳴沙山東麓，風(fēng)沙災(zāi)害一直是困擾莫高窟完整保存的主要環(huán)境問題之一。風(fēng)沙對(duì)莫高窟的危害可以追溯到五代時(shí)期，有清沙功德碑為證。新中國(guó)成立以來，才真正有組織、有計(jì)劃地開展莫高窟的風(fēng)沙防治工作。20世紀(jì)50年代，中央政府高度重視敦煌文物的保護(hù)工作，周恩來總理曾就敦煌文物的保護(hù)親自作過重要批示。后來，文化部會(huì)同中國(guó)科學(xué)院等單位，組成專家組對(duì)敦煌文物保護(hù)的現(xiàn)狀和存在問題進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)考察后，明確指出崖體穩(wěn)定性、強(qiáng)烈的崖面風(fēng)蝕及風(fēng)沙危害是敦煌文物保護(hù)面臨的主要問題。全面深入開展該區(qū)風(fēng)沙活動(dòng)規(guī)律及其綜合防護(hù)體系前期試驗(yàn)研究，對(duì)解決莫高窟的風(fēng)沙危害具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。莫高窟風(fēng)沙危害的治理，不僅要以風(fēng)沙物理學(xué)、風(fēng)沙工程學(xué)的基礎(chǔ)理論做指導(dǎo)，還要符合《國(guó)際古跡保護(hù)與修復(fù)憲章》與《中國(guó)文物古跡保護(hù)準(zhǔn)則》對(duì)文物保護(hù)的特殊要求，做到文物保護(hù)與防沙工程措施合理設(shè)置的有機(jī)結(jié)合。本項(xiàng)研究不僅可以為敦煌莫高窟地區(qū)建立長(zhǎng)效的綜合防護(hù)體系提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，而且對(duì)我國(guó)西北風(fēng)沙地區(qū)的文物古跡及重要經(jīng)濟(jì)設(shè)施的保護(hù)起到示范作用。

一 風(fēng)沙方面的研究進(jìn)展

回顧總結(jié)莫高窟風(fēng)沙危害的治理與研究，按照不同時(shí)期的主要特點(diǎn)，可將其歸結(jié)為三個(gè)時(shí)期：(1)以清除積沙為主的文物搶救階段。時(shí)間上可劃分到20世紀(jì)70年代以前。這一階段的主要特點(diǎn)是清除窟內(nèi)和窟區(qū)積沙，同時(shí)編制了以工程措施為主的防沙規(guī)劃，在窟頂崖面及窟區(qū)等設(shè)置了以阻為主的零星試驗(yàn)工程。(2)野外觀測(cè)積累階段。時(shí)間上從20世紀(jì)80年代末至90年代末。在窟頂安裝了全自動(dòng)氣象站，開始對(duì)莫高窟區(qū)域環(huán)境特別是風(fēng)沙資料進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測(cè)。1990年，敦煌研究院與中國(guó)科學(xué)院蘭州沙漠研究所合作，在美國(guó)蓋蒂基金會(huì)的支持和蓋蒂保護(hù)所的直接參與下，在戈壁區(qū)設(shè)置了“A”字形尼綸網(wǎng)柵欄防沙措施，有效地控制了偏西風(fēng)向洞窟搬運(yùn)沙量的95％左右，洞前棧道夜間積沙比設(shè)置柵欄前減少60％。(3)實(shí)驗(yàn)研究階段。從20世紀(jì)末期開始至今，對(duì)莫高窟風(fēng)沙危害有了新的認(rèn)識(shí)。針對(duì)前期出現(xiàn)的戈壁區(qū)嚴(yán)重積沙、植物固沙規(guī)模過小的實(shí)際，開始探索進(jìn)一步擴(kuò)大植物固沙范圍，開展草方格沙障固沙試驗(yàn)研究。

實(shí)踐表明，沒有翔實(shí)數(shù)據(jù)和可靠理論支撐的風(fēng)沙防護(hù)體系，勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)這樣或那樣的問題，有些措施甚至將沙帶到距離窟區(qū)更近的地方堆積下來，形成新的隱患。例如50年代在窟頂崖面修筑擋沙墻、開挖輸沙溝、扎設(shè)防沙柵欄等，由于種種原因，防沙的效果不佳，甚至一些工程措施由于位置設(shè)置不當(dāng)造成新的隱患，后來被迫拆除。因此，弄清窟頂風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律，是建立長(zhǎng)期有效的防護(hù)體系必需的基礎(chǔ)工作。經(jīng)過多年的長(zhǎng)期連續(xù)野外的風(fēng)沙觀測(cè)，我們對(duì)窟頂?shù)娘L(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律、沙丘動(dòng)力學(xué)以及風(fēng)沙工程等方面有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，并且取得了一些研究進(jìn)展，主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

1、輸沙勢(shì)計(jì)算與風(fēng)沙流輸沙勢(shì)

輸沙勢(shì)計(jì)算與風(fēng)沙流輸沙勢(shì)是衡量區(qū)域風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度極其重要的指標(biāo)，也是目前風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算中應(yīng)用最為廣泛的方法。通過1990-2002年的風(fēng)資料對(duì)莫高窟頂RDP/DP計(jì)算，結(jié)果表明，年潛在輸沙勢(shì)為266VU，屬于中等風(fēng)能環(huán)境。合成輸沙勢(shì)為83VU，合成輸沙方向(RDD)為34，RDP/DP值為0.31，屬復(fù)合風(fēng)況(圖1)。研究發(fā)現(xiàn)莫高窟不僅多風(fēng)、風(fēng)大，而且大風(fēng)多集中在春夏兩季，從發(fā)生頻次來看，以春、夏、秋季風(fēng)沙活動(dòng)較為頻繁。

一些學(xué)者曾通過統(tǒng)計(jì)分析風(fēng)資料，或是利用數(shù)值模擬等對(duì)莫高窟窟頂戈壁風(fēng)蝕起沙量進(jìn)行過分析研究。2002年，我們通過在窟頂流沙區(qū)與戈壁區(qū)分別設(shè)置高為40cm的全方位積沙儀進(jìn)行了為期一年的風(fēng)沙流觀測(cè)，結(jié)果表明，莫高窟頂總輸沙通量為1.62 t/(m·s)，其中偏西風(fēng)為0.74t/(m·s)，偏南風(fēng)為0.66t/(m·s)，偏東風(fēng)為0.22t/(m·s)。流沙區(qū)的貢獻(xiàn)率達(dá)82.4％，而戈壁區(qū)則為17.6％。需要說明的是觀測(cè)值比Du et al的理論值小，主要是由于地表實(shí)際風(fēng)蝕起沙率不僅受地表礫石覆蓋、植被蓋度、沙地土壤水分含量等因素的影響，而且受地形、地貌及地表粒級(jí)級(jí)配等條件的限制。

2、風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征

氣流中所搬運(yùn)的沙子在搬運(yùn)層內(nèi)隨高度的分布，稱為風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)。風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)決定風(fēng)沙輸移強(qiáng)度和防沙工程措施的選取。屈建軍等在對(duì)莫高窟窟頂戈壁進(jìn)行大量觀測(cè)后發(fā)現(xiàn)，礫質(zhì)戈壁的輸沙量在高度上不服從梯度分布，最高值出現(xiàn)在距地表2-8cm的高度，而不是通常的地表0-1cm。戈壁風(fēng)沙流與沙質(zhì)地表風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)顯著不同，圖2為同場(chǎng)風(fēng)作用下，根據(jù)相同時(shí)段積沙量做出的戈壁與流沙地表風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)。戈壁風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)在2-6cm處呈現(xiàn)最大值，而沙質(zhì)地表輸沙量隨高度呈指數(shù)規(guī)律遞減。這一結(jié)果與前人在其他地區(qū)或?qū)嶒?yàn)研究結(jié)果一致。

風(fēng)沙流的水平分布主要與風(fēng)速、風(fēng)向和下墊面的性質(zhì)有關(guān)。戈壁風(fēng)沙流與沙質(zhì)地表風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)變化的上述顯著差異，主要原因是戈壁組成物質(zhì)粗，顆粒大，地面堅(jiān)實(shí)，風(fēng)沙流中的沉降沙粒與礫石床面碰撞過程中的能量損失很小，沙粒彈跳高度大。因而，戈壁風(fēng)沙流的高度較大，沙量隨高度增加而減少的遞減率就緩慢。戈壁風(fēng)沙流高度大，沙粒彈跳高，分散在較高的空間，充分利用不同高度氣流的能量，使戈壁風(fēng)沙流常處于非飽和搬運(yùn)狀態(tài)，風(fēng)蝕作用強(qiáng)烈。

首先，由于戈壁地表粗糙度平均為0.118cm，較流沙地表的0.005增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)，因而戈壁地表沙粒起動(dòng)風(fēng)速也較之增大，其結(jié)果表現(xiàn)在同一風(fēng)速下，自流沙至礫石戈壁輸沙量逐漸降低。其次，自鳴沙山至崖頂?shù)腤WN和WS風(fēng)，在風(fēng)速小于11.0m/s時(shí)，以就地起沙為主，當(dāng)風(fēng)速大于11.0m/s時(shí)，出現(xiàn)沙物質(zhì)的長(zhǎng)距離搬運(yùn)。再次，EEN形成的風(fēng)沙流不僅將洞窟崖面的積沙反向搬運(yùn)至鳴沙山附近，而且對(duì)鳴沙山沙物質(zhì)同樣具有反方向搬運(yùn)能力。表明了窟區(qū)沙源主要來自鳴沙山沙丘沙和部分來自戈壁地區(qū)的二次起沙，即所謂的“就地起沙”。

3、沙丘運(yùn)動(dòng)實(shí)地監(jiān)測(cè)

通過對(duì)鳴沙山高程變化縱斷面圖上進(jìn)行加密測(cè)量，可以看出，沙山前緣小沙丘SW向NE方向的年移動(dòng)速度為1.08—-0.77m，年平均速度為0.34m。向窟區(qū)方向年移動(dòng)速度為0.84—-0.60m，年平均速度為0.26m。沙山移動(dòng)理論計(jì)算和遙感監(jiān)測(cè)均表明，沙山和小沙丘的移動(dòng)方向?yàn)镾W→NE，移動(dòng)速度都極小，屬慢速——穩(wěn)定型。但是沙山移動(dòng)的理論計(jì)算值略高于遙感監(jiān)測(cè)值，其原因在于沙丘移動(dòng)速度除了與風(fēng)速大小和沙丘本身高度有關(guān)外，還與沙丘水分含量、植被狀況、下伏地貌條件的差異等多種因素有關(guān)。

采用地面立體攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)金字塔沙丘的短期監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，沙丘具有垂直增長(zhǎng)特征，沙丘形態(tài)變化主要發(fā)生在丘體3/4高度以上的部位，沙丘運(yùn)動(dòng)主要通過沙丘臂的橫(縱)向擺動(dòng)來適應(yīng)季節(jié)性的風(fēng)向變化，而沙丘的整體橫向移動(dòng)不明顯。但從長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)結(jié)果來看，金字塔沙丘仍具有整體橫向運(yùn)動(dòng)的特征，并且高度有降低的趨勢(shì)。局地環(huán)流(偏南風(fēng))對(duì)金字塔沙丘的橫向移動(dòng)影響較大，局地環(huán)流作用下的均衡坡面狀況對(duì)沙丘的運(yùn)動(dòng)起著重要的作用。1997年在沙丘運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)初期，曾對(duì)沙丘進(jìn)行了控制測(cè)量，布置了20個(gè)控制點(diǎn)。經(jīng)過8年時(shí)間，在沙脊線及面上布設(shè)的控制樁已完全被沙埋或風(fēng)蝕，僅個(gè)別點(diǎn)又被風(fēng)蝕出露地表。而沙丘基部的控制點(diǎn)完好，從現(xiàn)存的控制樁可清楚看出沙丘8年的移動(dòng)規(guī)律。NE和W面基底的變化不大，NE面主要呈堆積狀態(tài)，w面的變化主要發(fā)生在沙丘的3/4以上的高度部位。SE面的基底風(fēng)蝕現(xiàn)象比較明顯，風(fēng)蝕深度達(dá)45cm，年平均風(fēng)蝕深度5.5cm。但隨沙丘高度的增加，風(fēng)蝕作用有所減弱，年平均風(fēng)蝕4.6cm。SW副臂移動(dòng)明顯，向南移動(dòng)4.4m，年平均移動(dòng)55cm。主臂有向偏東方向移動(dòng)趨勢(shì)。

二 風(fēng)沙防治的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究進(jìn)展

1、荒漠灌木林帶

灌木林帶的建立，改變了近地表風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)，使其周圍的氣流場(chǎng)重新分布。窄行多帶的灌木林帶的疊加作用使其阻固流沙的作用更加明顯。由于灌溉、施肥、灌叢根系、土壤微生物及灌木林帶對(duì)沙塵阻滯等的共同作用，使沙地表層和淺層細(xì)沙和微沙含量增加，有機(jī)質(zhì)含量在植物根系分布范圍內(nèi)成倍增加，而受植物種的影響，全N、全P含量變化不大。在0-60cm的沙層含鹽量普遍有所增加，而60cm以下的沙層鹽分含量反而下降，說明在頻繁的滴灌條件下，沙地淺層不但沒有積鹽過程，而且還把風(fēng)成沙中的部分鹽分淋洗到60cm深度以下。灌木林對(duì)區(qū)域小氣候的改善效應(yīng)明顯。灌木林帶內(nèi)與流沙區(qū)氣溫和相對(duì)濕度的日變化趨勢(shì)基本一致，日平均氣溫流沙區(qū)比灌木帶內(nèi)高，而平均相對(duì)濕度灌木林帶內(nèi)比流沙區(qū)高，表現(xiàn)出與喬木林帶基本一致的變化趨勢(shì)，這種變化隨灌木林帶郁閉度的不斷增加和持續(xù)的灌溉作用愈加明顯。淺層土壤(0-20cm)溫度晝夜變程與地面有同樣的規(guī)律，以垂直方向向下傳遞，但變幅較地表為小，并從上往下遞減，到20cm深時(shí)變化更小。

總體來看，灌木林帶的防風(fēng)固沙作用明顯，對(duì)區(qū)域環(huán)境的影響明顯，而且耗水少，比較適應(yīng)貧瘠的土壤水分和養(yǎng)分條件，在極端干旱荒漠地區(qū)的風(fēng)沙防治及植被恢復(fù)重建中具有極其重要的作用，可在我國(guó)西部生態(tài)環(huán)境建設(shè)中推廣應(yīng)用。

2、礫石鋪壓

緊密排列的蝕積床面的礫石覆蓋度在風(fēng)沙流的作用下變化很小或者沒有變化。只有緊密排列卵石床面在風(fēng)速達(dá)到11m/s時(shí)出現(xiàn)風(fēng)蝕現(xiàn)象。當(dāng)上風(fēng)向沙源缺乏時(shí)，60％覆蓋度的床面，在12m/s風(fēng)速下連續(xù)作用45分鐘，床面以阻截上風(fēng)向挾帶來沙物質(zhì)為主，且堆積速率逐漸減小。當(dāng)氣流作用1小時(shí)后，床面出現(xiàn)輕微的風(fēng)蝕。這表明礫石床面由阻沙逐漸向?qū)侈D(zhuǎn)變。沙物質(zhì)輸送強(qiáng)度是隨風(fēng)速的增加逐漸增強(qiáng)。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到18m/s時(shí)，覆蓋度在15％左右礫石床面經(jīng)風(fēng)力作用，10分鐘內(nèi)可使床面沙物質(zhì)風(fēng)蝕殆盡。隨著礫石覆蓋度的減少，床面由阻沙功能向?qū)彻δ茏儞Q的臨界風(fēng)速也逐步降低，15％覆蓋度的礫石的臨界風(fēng)速可降至10m/s左右。由此可見，沙源的供給狀況是決定礫石阻沙和導(dǎo)沙的重要因素之一。不論礫石大小、其形狀如何，當(dāng)戈壁表面蝕積活動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，礫石覆蓋度隨風(fēng)速呈對(duì)數(shù)關(guān)系增長(zhǎng)，其所需時(shí)間隨風(fēng)速的增大而呈指數(shù)關(guān)系遞減(圖4，5)。即當(dāng)?shù)仫L(fēng)速越大，需要維持戈壁表面平衡狀態(tài)的蓋度就越大，達(dá)到這種平衡蓋度狀態(tài)所需要的時(shí)間就越短。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，莫高窟崖頂戈壁礫石覆蓋度在50％以上時(shí)才能有效防治風(fēng)蝕作用的產(chǎn)生。

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果表明，莫高窟崖頂靠近崖面附近是穩(wěn)定的，不易產(chǎn)生風(fēng)蝕，而越靠近沙山風(fēng)蝕活動(dòng)作用越明顯，說明其床面是不穩(wěn)定的，主要是在偏西風(fēng)和偏南風(fēng)作用下。來自鳴沙山沙源的不斷堆積。只要無外來沙源的補(bǔ)充，在長(zhǎng)期風(fēng)蝕作用下，整個(gè)窟頂戈壁應(yīng)當(dāng)已經(jīng)形成穩(wěn)定平衡的礫石覆蓋面?，F(xiàn)時(shí)窟頂戈壁，特別是所謂的“就地起沙”實(shí)際上是來自鳴沙山風(fēng)沙堆積的二次起沙。

3、綜合防護(hù)效應(yīng)

由于綜合防沙治沙試驗(yàn)工程的陸續(xù)展開，防沙效果明顯增強(qiáng)。以設(shè)置在莫高窟第152窟和第404窟窟前棧道積沙為例，對(duì)每年風(fēng)季3-5月的積沙監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，觀測(cè)到柵欄建立一年后的1991年?？咔胺e沙分別減少39.4％，63.8％；1992年則分別減少69.6％，83.3％；2001年分別減少89.4％，97.1％；2002年分別減少75.4％，95.2％；

與建立工程前的1990年同期相比，2003年3-5月間進(jìn)入莫高窟窟區(qū)南端第152窟、第208窟、第256窟、第404窟、第454窟窟前棧道的積沙量分別減少了94.0％、61.3％、85.3％、98.7％、96.4％(圖6)。

三 研究展望

在我國(guó)防沙治沙工程實(shí)踐中，往往由于前期研究工作不到位而形成的沙丘前移和積沙等問題長(zhǎng)期困擾著風(fēng)沙工程學(xué)的發(fā)展，建立新的均衡風(fēng)沙場(chǎng)是莫高窟風(fēng)沙危害綜合防護(hù)體系的根本之所在。因此，要結(jié)合工程建設(shè)進(jìn)度，對(duì)綜合防護(hù)體系建立后的流場(chǎng)變化、輸沙率及粉塵輸送規(guī)律、戈壁風(fēng)沙流、防護(hù)前緣地形變化等進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)的監(jiān)測(cè)，通過風(fēng)沙物理學(xué)過程探討其綜合防護(hù)機(jī)制，為防護(hù)體系防護(hù)寬度的確定提供科學(xué)依據(jù)。為此，應(yīng)繼續(xù)做好以下幾方面的研究工作。

1、開展綜合防護(hù)體系防護(hù)效應(yīng)的系統(tǒng)觀測(cè)與分析研究，不斷完善防護(hù)體系，真正發(fā)揮其整體功能和長(zhǎng)效性。

2、對(duì)不同類型床面的蝕、積過程進(jìn)行系統(tǒng)研究，建立永久的監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)。在不同風(fēng)速(風(fēng)向)、沙源供給等因素影響下，對(duì)床面縱向剖面進(jìn)行風(fēng)沙流和蝕積過程的同步觀測(cè)，摸清風(fēng)沙流固體流量、能量結(jié)構(gòu)特征。

3、繼續(xù)進(jìn)行防護(hù)措施設(shè)置前后防護(hù)效應(yīng)的對(duì)比研究，特別是構(gòu)建不同床面風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)及風(fēng)蝕模型尤為重要，也是構(gòu)建科學(xué)長(zhǎng)效防沙治沙工程的基礎(chǔ)。

4、加強(qiáng)選擇耐老化、壽命長(zhǎng)、無污染的新型固沙材料的研究。

5、敦煌莫高窟的風(fēng)沙防治與一般地區(qū)的防沙治沙工程有著本質(zhì)的區(qū)別，因此，要進(jìn)一步提高對(duì)敦煌莫高窟防沙工作重要性的認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)組織領(lǐng)導(dǎo)，重視基礎(chǔ)研究，增加科技和經(jīng)費(fèi)投入，把這一人類文化遺產(chǎn)永遠(yuǎn)傳給后人。

責(zé)任編輯：蕭 陽