云冈石窟顶部土层水盐分布特征研究

2020-08-24孙文静黄继忠任建光

文物保护与考古科学 2020年3期

刘成，孙文静，，黄继忠，任建光

（1.上海大学土木工程系，上海 200444；2.上海大学文化遗产保护基础科学研究院，上海 200444；3.云冈石窟研究院，山西大同 037007）

0 引言

据统计，作为世界文化遗产之一的云冈石窟在历史上有大小佛像约十万尊，现仅存五万一千余尊。盐分对石窟的破坏是造成这种状况的主要原因，学者们对此做了相关的调查和研究。

张赞勋等[1]发现造成石刻风化的可溶盐主要为硫酸盐和碳酸盐。李黎等[2]用浙江龙游石窟石材进行反复浸泡-干燥循环试验，证明了SO2-4和Cl-能够加速砂岩风化。LEHMANN[3]于1971年提出了盐分的积累会对石质文物造成破坏。田秋林等[4]提出盐分的积累与土中水分的迁移密切相关：盐分在水的作用下，由覆盖土层迁移至石质文物内部。郭芳[5]的研究表明，云冈石窟岩体内部的硫酸盐是通过雨水进入岩土体内部的，进而导致岩体的破坏。JIANG等[6]的研究表明，石窟中的盐源于土壤覆盖层，在水的作用下，盐分经过砂岩风化带，最终在石窟中富集。黄继忠[7]的研究表明，石雕表层可形成结晶水的盐类在干燥环境下失去结晶水，在梯度作用下，表层盐分不断增加，当石雕表面的空隙和微裂隙中盐分积累至一定量时，盐分在低温或高湿时又吸水膨胀产生压力，加速了矿物颗粒间连结的破坏和裂隙的扩张，从而促使石雕表层的剥落。王金华[8]以及张兵峰[9]研究了重庆大足石刻的可溶盐破坏机理：风化作用生成的石膏、芒硝等可溶性盐聚集在岩石孔隙中，潮湿时吸水结晶膨胀，失水时收缩。膨胀收缩反复作用，破坏效应积累，导致岩石结构遭到破坏。

由此可见，石质文物的破坏离不开水和盐的共同作用，为防治石窟文物表面的盐害，非常有必要研究石窟顶部土层的水盐分布特征，从而更有针对性地开展石窟顶部的防渗工作。

在水盐分布特征方面，杨善龙等[10]研究了榆林窟崖体砾岩中水盐分布特征，许健等[11]阐释了水盐分布规律及黄土边坡盐蚀剥落病害的机理，李小倩等[12]研究了潜水埋深对土体水盐分布的影响。但是目前，将土体渗透性、植被覆盖率以及地势等因素与土体水盐分布特征研究相结合还较少。因此，本研究针对上述因素开展了对云冈石窟顶部土层水盐分布特征的研究，为云冈石窟顶部土层增强防渗提供重要的数据支撑和理论依据。

1 取样情况

1.1 取样位置和取样方法

云冈石窟顶部土体为第四纪覆盖层，其中：第3窟顶土体属中更新统，主要成分为亚黏土，厚度约1～3 m；第5窟和第18窟顶土体属上更新统，主要成分为轻亚黏土，厚度约0.5～1.5 m；第42窟顶土体属全更新统，主要成分为亚黏土，厚度约0.4～1 m[13]。第3窟、第5窟、第18窟和第42窟包含了所有类型第四纪覆盖层。此外，第18窟属昙曜五窟之一，是云冈的第一期石窟；第5窟为云冈第二期石窟；第3窟为云冈石窟空间最大的洞窟，其洞窟开凿于北魏，但雕像为唐代所雕凿，位于昙曜五窟以东；第42窟为云冈第三期石窟，位于昙曜五窟以西[14]。所有取土位置均靠近土壤含水率监测装置，故取第3窟、第5窟、第18窟和第42窟顶作为取样部位，取土位置分布如图1所示，具体位置和取土深度详见表1。本次试验采用人工取土方式进行取样，取土类别分为环刀样和碎散土。

图1 取土位置标识Fig.1 Map of soil sampling locations

表1 取土位置与取土深度Table 1 Soil sampling locations and depths

1.2 取样位置地势分析

利用百度地图绘制取样位置周边等高线图，并计算得到取样点坡度值，如图2所示。图中橙色标记点为取样位置，取样位置坡度值在图左上角，粗实线表示山谷，虚线表示山脊，箭头方向为地势降低方向。从图2中可以看出，所有取样位置的坡度都在15°以内，相对比较小，各取样位置处坡度从小到大排序依次为第3窟、第5窟、第42窟和第18窟。蒙宽宏等[15]提出随着坡度增大，土壤稳渗率下降，达到稳渗所需时间逐渐增长。因此，坡度越大，雨水的入渗量越小，土体内部含水率降低，随水下渗到土体内部的盐分间接减少。

图2 等高线图及取样点坡度Fig.2 Contour plots and slopes of sampling points

1.3 取样位置植被覆盖率

图3 为取样位置处的植被覆盖率，图左上角注有取样位置和植被覆盖率。对图片进行二值化处理，通过计算即可确定植被覆盖率，相关公式为：

式中，VGC（visual grading characteristics）为视觉分级特征。

图3中第3窟和第42窟顶部植物为野牛草，第5窟顶部植物为狗牙根，第18窟顶部植物为艾。虽然取样部位植物种类不同，但根据吴宏伟[16]的研究，植物的蒸腾作用是造成土体含水率变化的主要因素。而本次取样时间为2018年7月下旬，夏季多雨，取样前该地已多次降雨，植物吸收水分充足，且空气相对潮湿，植物蒸腾作用很小，故可忽略植物蒸腾对土体水分变化的影响。由图3可知，第18窟植被覆盖率最大，第42窟植被覆盖率最小，第5窟与第3窟植被覆盖率介于两者中间。植被会使地表径流雨水流速减小，增加下渗到土体内部的雨水。若下渗的雨水中含有盐分，会间接增加土中盐分含量。

图3 取样位置处的植被覆盖率Fig.3 Vegetation coverage ratios of sampling points

2 试验概况

2.1 试验用土

将取自云冈石窟顶部土层的试验土样风干后过2 mm筛，采用《土工试验方法标准》（GB/T 50123—1999）的比重瓶法、液塑限联合测定法以及击实试验测定土样的基本指标（表2）。

表2 土的基本物理指标Table 2 Basic physical indexes of soil

2.2 孔隙比、饱和渗透系数测定试验

将云冈石窟顶部采集的原状土环刀样称重，记录其质量m，然后去除环刀，环刀体积V为60 cm3，称取环刀质量m0，将其环刀样放入柔性壁渗透仪进行固定水头压的饱和渗透试验，试验采用气压控制水头压，试验仪器见图4。环刀样孔隙比的计算公式为：

式中，e为孔隙比；ρ为土样颗粒密度。

图4 柔性壁渗透仪Fig.4 Flexible-wall permeameter

2.3 盐分测定试验

土体含水率采用烘干法测定，土体可溶盐含量通过离子色谱法（IC）测定。试验所用仪器为ICS-1100离子色谱仪，测量精度可达0.01 mg/L。

含盐量测定试验操作步骤[17]如下：1）采用精度为0.0001 g电子天平称量5 g粒径小于2 mm的烘干土样，将其置于干燥的200 mL锥形瓶中，并注入50 mL去离子水；2）将盛有土样和去离子水的锥形瓶放在振荡器上振荡12 h；3）用注射器将锥形瓶上部上清液抽出，插上滤膜孔径为0.45μm的过滤头，将溶液挤压入离心管中，过滤渗出液需要20 mL；4）将过滤液倒入色谱仪器配套容器中，放入仪器进行检测。

3 结果及分析

3.1 孔隙比与饱和渗透系数

表3为测得的环刀样孔隙比和饱和渗透系数，图5为根据表3数据绘制的孔隙比e与饱和渗透系数k的关系图。由图5可知，不论取样在哪个部位哪个深度，土样的孔隙比与渗透系数在双对数坐标系中基本呈线性关系。因原状土样中含有石块或土样中有较大孔隙，导致部分数据偏离线性关系。不同土样10 cm处的渗透系数由低到高排序为第5窟、第3窟、第18窟、第42窟。第42窟10 cm处土样渗透数据，按插值法计算。董佩等[18]测定云冈石窟顶部第四纪覆盖层土体渗透系数集中在10-4cm/s左右，与本试验结果基本吻合。

图5 土样lg e-lg k关系Fig.5 lg e-lg k relationship of soil samples

3.2 含水率变化规律

表4为云冈石窟顶部不同位置不同深度处土样含水率的测试结果，其中黑体内容为云冈土壤含水率监测装置所测得数据。图6为含水率与深度关系图。对含水率测试结果进行分析，得到不同位置同一深度以及同一位置不同深度土样的含水率变化规律。据此分析土样含水率差异的原因。

表4 含水率测试结果Table 4 Test results of water content

图6 含水率和深度关系图Fig.6 Relationship between water content and depth

3.2.1 不同位置同一深度土样的含水率由图6可见，相同深度处，如10 cm处，土样含水率从低到高为第42窟、第5窟、第3窟、第18窟。不同取土位置顶部土体的植被覆盖率不同。由1.3节可知，土样取土部位植被覆盖率从低到高为第42窟、第5窟、第3窟、第18窟。结合植被覆盖率和不同部位相同深度的土样含水率变化规律可知，植被覆盖率与土样含水率之间的相关性较大，植被覆盖率越大，土样含水率越大。

从图6中还可得知，在1 cm、10 cm和20 cm深度处，第3窟顶部土层含水率均大于第5窟。结合1.2节地势分析结果和1.3节取土位置处植被覆盖率结果可知，两者取土位置植被覆盖率基本相同，但第3窟顶部土层取土位置坡度小于第5窟的，引起雨水下渗量高于后者，从而不同深度的含水率均大于后者。因此，除植被覆盖率外，坡度也会对土体含水率产生一定影响，当植被覆盖率相近时，坡度越大，土体内部含水率越低。第42窟顶部土层取样位置植被覆盖率最小，坡度亦较大，因此，第42窟顶土层不同深度土样的含水率均为最小。

3.2.2 同一位置不同深度土样的含水率由图6可知，除第42窟顶1 cm和10 cm土样外，同一部位不同深度的土样含水率，随着取土深度的增大，土样含水率逐渐减小。出现该现象的主要原因在于云冈石窟地处半干旱区域，土体含水率低，降雨量小。降雨后，表层土体会吸收大部分雨水，下层土体吸收水分逐渐减小，植被生长需吸收水分，也会将土中水分吸引到土体上层。而第42窟顶1 cm至10 cm土样含水率异常的原因为：第42窟顶土样植被覆盖率最小，地表水分受蒸发作用影响大，会在较短时间内减少，较深部土样受蒸发作用影响小。其余取土部位植被覆盖率都比较高，土样受蒸发作用的影响较小。因此，土体含水率分布规律较统一，即随深度的增大而减小。

3.3 土样盐分含量结果及分析

土体水分是土体盐分运移的载体，土体孔隙比会影响水分的下渗速率，同样也会影响盐分的浓度和迁移速率，孔隙比与土体的渗透特性相关。因此，需结合各取样点土样的含水率、孔隙比和饱和渗透系数的变化规律分析窟顶土层盐分分布规律。

表5为土样中可溶盐离子浓度测试结果。可以看出，随着取土深度的增加，第18窟和第42窟顶土层中盐分含量基本都在增大，分别在最大取土深度20 cm和24 cm处酸根离子浓度达到最大，主要因为大同地区煤炭业发达，空气污染严重，酸性降雨频率高[19]。所测酸根离子中，硝酸根离子所占比例较大，其原因可归为雷雨天气中雷电释放的巨大电能会将空气中氮元素氧化成硝酸，随雨水进入土壤[20]。

图7为可溶盐离子浓度与深度关系图，可以看出，随着取土深度的增加，第18窟和第42窟顶土样盐分含量基本都在增大。再结合图5可知，第18窟和第42窟顶土样渗透系数大于其他窟顶土样渗透系数。由此可推测，土样渗透系数越大，对应的孔隙比越大，含盐的水分较容易下渗，使得下层土体盐分含量越大。

表5 土样中可溶盐离子浓度Table 5 Concentration of soluble salt ions in soil samples

图7 离子浓度与深度关系图Fig.7 Relationship between ion concentration and depth

由图7还可以观察到，第18窟顶部土层20 cm深处土样盐分浓度大于第42窟顶18 cm深处的盐分浓度。而由图5可知，10 cm深处渗透系数却是前者小于后者。再结合图6可知，第18窟顶土体含水率大于第42窟顶土体含水率大，由此也会使得土体中盐分含量增大。

由表5可以看出，第5窟顶部1 cm处土样离子浓度大于10 cm处的，第3窟顶1 cm和10 cm处土样盐分含量基本相同，与第42窟1 cm至10 cm处土样离子浓度分布特点不同。结合图5和图6进行分析，第3窟和5窟取样点渗透系数较第42窟的小，含水率较第42窟的大。说明具有较小孔隙比的土体，对应的渗透系数较小，阻止了盐分的下渗。渗透性是影响土体盐分含量的主要因素。

3.4 土体水分和盐分含量分布图

根据取样点土样含水率及含盐量规律做各层土在一定范围内（10 m×10 m）的含水率分布图（图8）和含盐量分布图（图9）。各图左上角注释了土层深度，不同色系代表不同水分或盐分含量，所对应的水分和盐分含量分别见图8c和9c。同一色系的深浅程度代表土体水分或盐分含量的高低，颜色越深，代表的水分或盐分含量越高，反之越低。颜色的深浅程度代表的水分或盐分差异均在0.3个单位内。

因为在该范围内土体的植被覆盖率和孔隙比相近，由植被覆盖和孔隙比造成的土层含水率及含盐量变化可忽略不计，再结合3.2.1和3.3节分析可知，土层含水率及含盐量变化主要由地形变化引起。距离山谷越近越容易汇水，土体含水率越高，较多的水分会带来大量盐分，导致土体盐分含量增加。而坡度越大，雨水下渗量越小，且对地面冲刷力较大，因而土体含水率和盐分含量较小。比如：图8b～8d中在山谷处（实线处）水分含量最高，越接近山脊处（虚线处）水分含量越低；图9b～9d中在山谷处盐分含量最高，越接近山脊处盐分含量越低；图8a中山脊线上侧等高线稀疏地形较缓，雨水容易下渗，土体含水率高，山脊线下侧等高线密集地形较陡，雨水较难下渗，土体含水率低；图9a中山脊线上侧地形较缓，雨水容易下渗，从而携带大量盐分下渗，导致土体盐分含量高，山脊线下侧地形较陡，雨水较难下渗，不利于盐分下渗，因此土体盐分含量低。