秦兵马俑和汉阳陵遗址保存环境之比较

李 华，胡塔峰，杜维莎

(1． 陶质彩绘文物保护国家文物局重点科研基地(秦始皇帝陵博物院)，陕西西安 710600；2． 中国科学院地球环境研究所，黄土与第四纪地质国家重点实验室，陕西西安 710075)

0 引 言

遗址博物馆是覆盖建造在遗址之上，用以对遗址发掘、保护、展示、教育和研究为主要目的的博物馆[1]。遗址博物馆是我国文化遗产保护最重要的组成部分。在第一至六批2 352处全国重点文物保护单位中，遗址类型的博物馆有100余座[2]。近年来国家逐步加大大型遗址的保护、开发和利用，遗址博物馆建设呈现迅速崛起之势。

遗址博物馆按其建筑结构与周围环境的关系可分为开放式和封闭式两种。秦始皇兵马俑博物馆一号坑和汉阳陵帝陵外葬坑(图1)分别属于两种建筑的典型代表，两个展厅都是我国不同经济发展时期最先进的遗址展厅建筑形式：秦俑恢弘，展厅必须大跨度才不影响展示他们的气势，汉俑精细，地下博物馆玻璃围护的结构使观众近距离感受其魅力。

秦兵马俑博物馆一号俑坑属于典型的开放式遗址博物馆建筑，于1979年10月对外开放。汉阳陵博物馆帝陵外藏坑遗址保护展示厅，是在帝陵封土81座外藏坑中东面10个外藏坑的原址上建成的全封闭式遗址展厅，于2006年4月建成开放，较秦俑博物馆一号坑开馆晚26年。

因遗址具有不可移动性，不可避免会受到周边自然地理环境和人为污染的影响。在遗址保护性建筑空间中，必然会出现“古代遗址文物本体”与“现代外部环境”的物质和能量交换，引发遗址文物病害。

本研究旨在通过对两种博物馆建筑形式、文物病害和大气环境等问题的对比来讨论各自的利弊，探寻遗址博物馆合适的建筑展示模式和合理的环境控制方式来做到遗址文物最佳保护的目的。

1 实验与分析

1．1 实验

分别于夏季2013年8月6日至8月19日，冬季2013年11月27日至12月10日。在秦俑博物馆一号坑内文物修复区(图1)设置室内采样点，所有采样及监测装置放置于距地面1 m的监测平台上。室外采样点位于博物馆办公区二层楼的平台上，距1号坑150 m，距地面约10 m布置采样点。利用MiniVol便携式气溶胶采样器(Airmetrics，美国)以5 L·min-1的流量收集PM2.5样品至47 mm石英滤膜(Whatman，美国)上，每个样品持续采集18～24 h，采样前石英滤膜于780 ℃加热3 h以去除残留碳。使用Q-Trak7575便携式室内空气质量监测仪(TSI，美国)记录室内、外的温度(T)、相对湿度(RH)。并使用TSI9545-A风速仪(TSI，美国)对一号坑主门、侧门及前后廊道的风速进行检测，来计算一号坑的自然通风量和换气率。

1．2 样品分析

PM2.5的质量浓度采用重量法分析，借助灵敏度为±1 μg的微电子分析天平(Sartorius Microbalance，ME5-F型，德国)称量采样前后的滤膜，称重前，采样滤膜均在恒温(20±5 ℃)和恒湿(35±5%RH)箱内保存24 h。PM2.5样品中的有机碳(OC)和元素碳(EC)浓度分析，使用热-光碳分析仪(Atmoslytic公司，DRI Model 2001型，美国)测定，采用IMPROVE A分析协议中规定的热光反射法(TOR)获得样品中OC和EC的质量浓度。

2 文物保存环境对比

2．1 博物馆地理位置及周边环境

秦兵马俑博物馆和汉阳陵博物馆均位于陕西省西安市郊。秦兵马俑博物馆位于西安市东郊临潼区，距西安市约40 km。汉阳陵博物馆位于西安市北郊渭河北岸五陵塬的二阶台地上，距西安市区中心20 km。秦兵马俑博物馆西北有陇海铁路、西临高速、西潼高速以及兵马俑专用高速公路等，西南是西安市东郊工业区，有灞河热电厂、缝纫机厂、纺织工业。汉阳陵博物馆旁边有机场公路，西铜高速，西南2 km处为大唐渭河发电厂。两者皆为典型的城市郊区环境，直线距离42.5 km，地处暖温带半湿润半干旱大陆性气候，年内温湿度变化显著，周边均有明显污染源，所处环境较为类似。

2．2 建筑形式对比

秦兵马俑一号坑总面积达14 260 m2，以拱形玻璃钢架结构保护大厅；大厅顶部中间有180 m长的采光带，遗址与游客通道之间用1 m高的铁栏杆隔挡，南北两侧各有三个侧门，东面一个正门，开馆期间七个门全部开启。汉阳陵帝陵外藏坑保护展示厅为一个整体封闭空间，建筑面积近8 000 m2，使用U形玻璃横跨在俑坑之上，将文物和游客分隔在两个不同的环境中。整个玻璃展示厅有一个约2.5 m2的玻璃门，备工作人员日常清洁检修，顶部覆土植草。

相比较汉阳陵外藏坑，一号坑遗址建筑面积较大，保护大厅除做到避雨和一定程度的遮阳外，遗址和外界环境几乎处于完全联通的状态，游客和遗址文物完全置于同一个空间，建筑年代相对比较久远。

2．3 自然通风量比较

所以，

式中，F为开口面积，m2；v为空气流过开口的速度，m/s；流量系数μ及风压差系数K按照门窗流量系数表和长方形建筑风压系数[8]要求取值(表1)。测得兵马俑一号坑的自然通风量如表2。一号坑总自然通风量L介于14.38～47.13 m3/s之间，算得换气次数，ACH指数在0.15～0.48 h-1范围之内。而2009年采用示踪气体衰减法测定汉阳陵帝陵外葬坑玻璃围护内、外空气交换的ACH指数为0.04 h-1[9]。换算为系统通风量L=0.22 m3/s。

两者通风率比较发现兵马俑一号坑为汉阳陵帝陵外葬坑的3.7～11.9倍，通风量一号坑为帝陵外葬坑的65.36～214.23倍。显示秦兵马俑一号坑大气与室外环境大气交换频繁，大气环境质量受室外环境影响明显。而帝陵外葬坑采用这种整体封闭的展示模式使得文物保存环境较为密闭独立，受室外环境干扰较小。

表1 门窗流量系数[8]长方形建筑风压系数表

表2 兵马俑一号坑自然通风量

2．4 温湿度对比

1) 温湿度变化趋势对比。温湿度是促进文物发生化学和生物腐蚀的重要因子，温湿度波动是文物产生物理风化的主要原因。

将汉阳陵外葬坑[10]和秦兵马俑一号坑冬夏季温湿度观测结果[11]进行比较显示(图2)，汉阳陵遗址厅内的温湿度在同一季节内基本保持恒定，同一季节温湿度只有细微的变化，季节之间存在一定幅度的波动。保持在冬季温度13.5～14.8 ℃，相对湿度73.3%～76.5%，夏季温度24.5～25.9 ℃，相对湿度73.0%～82.2%。汉阳陵外葬坑遗址区内与游客通道的温度和相对湿度差异明显，相对湿度比遗址区低20%～55%，游客通道的温湿度波动相对较大。已有研究表明，遗址区与室外的温湿度差异较遗址区与游客通道更为显著[11]。表明玻璃围护的存在对维持遗址区内微环境的季节内稳定有一定作用，对保持环境温湿度的相对恒定有较为明显的作用。可见展示区顶部覆土植草，玻璃分隔模式有效缓冲了外界大气环境温度的骤变。

而对秦兵马俑一号坑和馆外温度及湿度对比(图2)可以看出，一号坑保持在冬季温度2.8～13.6 ℃，相对湿度20.0%～57.6%，夏季温度23.2～37.5 ℃，相对湿度43.0%～78.5%。表现出明显的日间波动和剧烈的季节波动，冬夏季温度波动达23.4 ℃，湿度波动达43.5%。一号坑和馆外温度近乎呈现同步变化，而湿度也有随室外变化而变化的趋势，一号坑保护大厅对俑坑温湿度的恒定作用不显著。

对比汉阳陵和兵马俑两种遗址保存环境发现秦兵马俑一号坑环境温度夏季高于帝陵外葬坑，冬季低于帝陵外葬坑，相对湿度远低于帝陵外葬坑。温湿度的波动较帝陵外葬坑剧烈。且由于其开馆较早，并且为开放模式，致使其开馆后在较短的时期内湿度迅速下降[12]。可见封闭的帝陵外葬坑环境对文物保存空间的温湿度恒定起到良好的作用。

2) 温湿度波动幅度对比。图3给出了汉阳陵外葬坑和秦兵马俑一号坑馆内夏冬两季的温度和相对湿度的日较差图。采样期间汉阳陵外葬坑冬夏季室内的温湿度基本恒定不变，遗址厅内夏季的温度日较差平均为0.4 ℃，湿度日较差几乎为0，冬季遗址厅内日较差平均为0.5 ℃，湿度日较差平均为2.8%。可见汉阳陵外葬坑展厅的恒温恒湿效果较好，受到室外气温和人为活动的影响较小。均小于文物保存普遍要求的温湿度波动下限值温度2 ℃和湿度3%[13]。秦兵马俑一号坑夏季温度日较差月均值5.4 ℃左右，湿度日较差为9.2%，冬季坑内温度日较差为3.5 ℃，湿度日较差为8.0%。显示较为开放的一号坑展示环境导致温度的大幅波动。秦兵马俑一号坑温度日较差冬季为汉阳陵外葬坑的11倍，夏季13.5倍；湿度日较差冬季为汉阳陵外葬坑的2.9倍，夏季远大于3倍以上。监测结果显示秦俑一号坑的温度和相对湿度波动远大于封闭的帝陵外葬坑，表明开放的环境受室外环境温湿度变化影响明显。

3) 与博物馆环境标准的比较。表3给出了现有的一些博物馆和室内环境温湿度标准(或推荐值)。可见，兵马俑博物馆一号坑这种相对开放环境的温湿度变化与波动都存在高于标准和推荐值以及相关博物馆的观测值的情形，而全封闭的汉阳陵外葬坑环境对温湿度的恒定调控起到很好的作用。在没有人工调控措施的情况下，接近国际博物馆环境控制要求，甚至优于某些室内空气质量标准。

表3 博物馆温湿度环境标准(推荐值)

2．5 污染物的浓度水平

1) 秦俑一号坑与汉阳陵帝陵外葬坑PM2.5浓度水平。PM2.5是一种重要的大气颗粒物污染物，会对文物造成物理污损和化学腐蚀破坏。

图4给出了汉阳陵帝陵外葬坑[19]与兵马俑冬夏季室内外大气中细粒子PM2.5质量浓度及室内外I/O比的时间变化序列。

夏季兵马俑一号坑PM2.5质量浓度日均值变化范围为：31.0～100.0 μg/m3，平均值65.7±17.0 μg/m3，遗址区与馆外的I/O比值为0.82～1.45，俑坑略低于室外；冬季兵马俑一号坑PM2.5质量浓度日均值变化范围为：38.6～207.2 μg/m3，均值98.6±58.5 μg/m3，遗址区与馆外的I/O比值为0.88～1.59。汉阳陵遗址区夏季PM2.5质量浓度日均值变化范围为：11.5～26.3 μg/m3，平均值18.4±4.6 μg/m3，遗址区与游客通道的I/O比值为 0.40～0.82，遗址区浓度低于游客通道，变化趋势较为一致。汉阳陵遗址区冬季PM2.5质量浓度变化范围为：15.3～89.8 μg/m3，均值28.0±18.9 μg/m3，遗址区与游客通道的I/O比值为0.32～1.54。仅有一天，I/O比值大于1，为冬季监测期的第二天(2013.12.26)，这与重度污染事件期间颗粒物的室外渗入速率和玻璃护围内外沉降速率差异有关。夏季汉阳陵外葬坑室内外质量浓度的I/O比值的平均值夏季为0.13±0.59，冬季为0.62±0.32。之前的研究表明，遗址区与馆外的I/O比值冬夏季平均为0.33[20]，明显小于1，遗址区浓度远低于馆外，显示遗址区颗粒物明显的室外源。冬夏季兵马俑1号坑PM2.5质量浓度的I/O比值平均值分别为，冬季1.07±0.16，夏季1.04±0.19，均略大于1，较之前的研究结果0.80[21]更大，表明兵马俑博物馆开放的建筑模式使室内颗粒物的浓度主要受室外渗入控制，并且随着建筑的逐渐老旧，渗入影响愈加强烈，而且兵马俑1号坑，游客和遗址几乎处在同一个区域，还受游客活动影响，而汉阳陵属于地下建筑，且有全封闭玻璃围护阻隔游客区和遗址区，I/O比值的差异反映了建筑形式对于颗粒态污染物质量浓度的影响。而室内外PM2.5的变化趋势两种环境下均趋于一致，表明两种环境下室内颗粒物在一定程度上均受室外渗入的影响，而兵马俑一号坑和室外PM2.5的时间变化序列同步性更好，I/O比值更接近与1。

2) 与其他环境标准及博物馆环境比较。表3为汉阳陵、兵马俑馆与欧美一些博物馆的监测结果及USEPA2007和ASHRAE 62-2001标准的比较。可以看出，兵马俑一号坑坑内的颗粒污染物较欧美博物馆均高，尤其是冬季，高出50%以上，夏季较国家空气质量二级标准低，冬季较国家空气质量二级标准高，冬夏季均高于ASHRAE标准，远高于USEPA标准。而汉阳陵外葬坑遗址厅内的颗粒物污染较为轻微，与国外的博物馆水平相当。远低于国家空气质量标准及ASHRAE标准。表明汉阳陵这种馆藏形式对于阻挡室外颗粒物向室内的渗透作用显著。

表4 各个博物馆室内PM2.5质量日均浓度与大气环境标准及其它博物馆研究的比较

3) 秦俑一号坑与汉阳陵帝陵外葬坑污染气体浓度水平。对比2006～2007年测得的秦俑一号坑及汉阳陵外葬坑室内外污染气体SO2及NOX的浓度水平及室内外浓度比率(I/O)(表5)发现，两处冬夏季室外大气中两种污染气体的浓度水平均相当，汉阳陵略高于兵马俑，约为秦俑SO2的1.5～2.6倍，约为秦俑NOX的1.6～2.4倍；而室内两处的浓度差距甚远，夏季汉阳陵SO2浓度不及秦俑的1/5，冬季约为秦俑的1/9，夏季汉阳陵NOX浓度约为秦俑的1/100，冬季约为秦俑的1/9。冬夏季汉阳陵室内SO2的浓度均处于3～5 μg·m-3，NOX浓度更低，为0.2和1.41 μg·m-3低于国际文物组织制定的二氧化硫和NOX浓度标准(10 μg·m-3)，而秦俑室内浓度均高于上述标准(10 μg·m-3)。两处室内外的污染气体的浓度比率相差较大，冬夏季汉阳陵室内外的I/O比介于0.01～0.12，兵马俑室内外的I/O比介于0.74～1.18，汉阳陵室内外的I/O比远小于秦俑的，秦俑约为汉阳陵的6～118倍。可见汉阳陵玻璃护围的建筑模式有效地阻隔了污染气体从室外的渗入。很大程度上预防了室外污染气体对文物的侵蚀破坏。而NH3的室内外浓度比，汉阳陵为1.43和1.65，秦俑为0.86和1.09，汉阳陵大于秦俑，由于NH3一般为人为源，由室内工作人员或游客产生，表明汉阳陵这种玻璃护围模式在阻挡室外气体污染物入侵的同时，也阻碍了室内污染气体的散逸，所以这种封闭的展示模式尤其要预防室内污染的发生。

表5 秦俑一号坑及汉阳陵外葬坑中污染气体浓度水平

3 结 论

秦始皇兵马俑博物馆、汉阳陵博物馆，为不同历史时期展陈建筑的典范，各有特色。秦俑恢弘，大跨度的展厅和开放式的展陈让人瞬间领略秦帝国的强大；汉俑精细，地下博物馆展示使观众近距离感受其内涵。在建设初期对遗址文物的保护起到一定的作用，但由于建筑年代不同，通风条件和建筑形式差异显著。汉阳陵外葬坑全封闭的建筑在温湿度恒定，阻挡室外颗粒污染物和气态污染物方面也存在明显的优势，显著降低了游客和外界环境对遗址文物的干扰、影响和破坏程度。但却出现玻璃内部结露，文物大面积返碱等问题，并且不能完全隔绝室外环境温湿度和污染物的影响。依旧不能很好地解决文物良好保存的目的。总体来讲，在这种大气污染较重，四季分明，气候变化较为剧烈的西北地区，相对而言封闭式的展示模式更加有利于维持遗址及文物保存环境的温湿度稳定和洁净。

即便全封闭的汉阳陵外葬坑保护模式依然不能完全阻止室内外空气交换，遗址区温湿度依然存在较大的季节间波动，温度冬夏季季节均值之差：11.9 ℃，相对湿度季节均值之差：5.7%。同秦俑一样，也面临微环境条件波动和室外空气污染物渗入的威胁。同时还要预防室内污染的发生。

由于遗址环境是一个复杂的多项体系，是一种动态体系，每一处遗址文物具体所处的环境各不相同，本身的遗址规模，埋藏文物类型等特征也不尽相同，所以要求综合各种因素结合遗址各自的特点设计一种介于开放和封闭模式之间的建筑形式，通过增加多重缓冲体系，从而既能保持文物保存环境的温湿度的相对稳定和洁净，又能缓解全封闭玻璃护围内部结露，文物大面积返碱等问题，来应对遗址文物的预防性保护需求，最大程度地延长遗址文物的寿命。