游客量对炳灵寺第128窟微环境影响初步研究

刘宗昌，孙淑梅，王玲秀，武发思，张正模

[1． 甘肃炳灵寺文物保护研究所，甘肃临夏 731600； 2． 国家古代壁画与土遗址保护工程技术研究中心(敦煌研究院)，甘肃酒泉 736200； 3． 敦煌研究院敦煌石窟监测中心，甘肃酒泉 736200]

0 引 言

石窟文物的保存与洞窟微环境密切相关。随着旅游开放，游客量的增加对石窟环境的影响越来越显著，成为石窟保护工作中面临的巨大挑战，研究游客对洞窟微环境的影响对于石窟文物保护管理具有重要意义。20世纪90年代，唐玉民等[1-2]调查研究莫高窟小气候特征[1]，并关注了游客参观对洞窟温湿度、CO2等的影响[2]；张拥军等[3-4]也开展了敦煌莫高窟窟内温度和相对湿度的观测与分析[3]，并对观众对洞窟环境影响进行了实验分析[4]。21世纪以后，随着环境监测设备的提升，石窟环境的研究趋于定量化和精细化。张国彬等[5-6]研究了莫高窟开放洞窟温湿度的变化量及特征[5]，以及洞窟内外的空气交换率与单位时间内参观的游客人数关系[6]；张二科等[7]则将游客对石窟环境的影响扩展至游客数量对空气质量的定量分析研究；陈海玲等[8]利用10年的监测数据，对比分析了莫高窟开放洞窟和关闭洞窟微环境差异。国内其他石窟也逐步开展了游客与石窟环境研究，方云等[9-10]实测了龙门石窟游客数量与CO2质量分数的关系[9]，并模拟CO2以溶解水为中介对龙门石窟碳酸盐岩体文物的损蚀试验研究[10]；黄志义等[11]实测了龙门石窟游客数量与CO2浓度的相关性；浙江大学与敦煌研究院合作，自2008年起，基于洞窟CO2、温湿度等微环境与游客活动的常年监测数据，通过计算机技术模拟洞窟环境变化模型，最终建立莫高窟景区内游客参观路线管理调度系统，使洞窟微环境得以由被动调控转向主动预防，降低旅游开放给莫高窟洞窟所带来的微环境风险[12-15]。这些研究工作推动了石窟寺在旅游开放中科学有效的保护和管理。

炳灵寺石窟的环境研究工作开展相对较少，王亨通调查分析了第92、126、128等窟内温差变化对石窟的影响[16]，论述了炳灵寺石窟保护中面临的一些环境问题，其中初次提及游客对炳灵寺石窟的影响[17]；刘宗昌等[18]对比分析了炳灵寺石窟区域环境与169窟温湿度特征。关于游客对炳灵寺石窟环境影响方面的研究较少开展，由于近年游客量的增加，受参观活动的影响，洞窟微环境变化是否影响文物的保存，是否影响游客参观体验，需进行分析评估。

1 研究背景

炳灵寺石窟位于甘肃省永靖县，开凿于刘家峡水库库尾，黄河北岸沟谷之中，经公元4～19世纪历朝代的持续营建，现存窟龛216个、壁画约1 000 m2、造像800多尊，以及佛塔、题记等内容丰富的文化遗存，是丝绸之路起始段河西走廊与中原地区交接地带最早的石窟寺遗址，因保存有中国现存石窟寺最早的纪年题记而成为早期石窟断代的标尺。1961年成为全国第一批重点文物保护单位，2014年6月被列为“丝绸之路：长安-天山廊道的路网”世界文化遗产名录，具有十分重要的历史、艺术、宗教、社会及文化价值，并且以其独特的依山傍水的丹霞地貌环境吸引了越来越多的游客参观。

炳灵寺石窟主要包含上寺、洞沟、下寺三个区域，下寺区有窟龛195个为最集中区域，也是主要旅游开放区，但由于石窟多为小型窟龛，开放参观以外部参观为主，其中第126、128、132窟为少数几座可进入参观洞窟。此三座洞窟同时开凿于北魏延昌年间(公元513年)，位于石窟底层，比邻而建，为炳灵寺石窟北魏时期代表洞窟。其大小形制相仿，都为平面方形，穹窿顶，圆拱形窟门窟型，其中第128窟位于中间，高3.45 m、宽3.82 m、深2.86 m，拱形门高1.50 m、宽1.25 m、厚0.46 m(图1)。三个洞窟内石雕佛菩萨等艺术造像，以北魏时期流行的大乘佛教信仰题材创作，重点展现了法华三昧禅观、三世佛观、七佛观、涅槃观等禅观对象，造像精美，技法纯熟；壁画均经明代重绘，表现了后弘期藏传佛教的宗教艺术，具有十分重要的价值。

图1 第128窟平剖面图(郦伟堂、孙毅华1993年制图)[19]Fig.1 Ichnography and section plan of Cave 128 (by Li Weitang， Sun Yihua in 1993)

随着炳灵寺石窟游客量的增加，进入参观洞窟游客也越来越多，炳灵寺第126、128、132三座北魏洞窟，是游客参观的主要洞窟，参观活动是否影响洞窟内温度、湿度及二氧化碳浓度，这是决定文物保存及游客参观体验的关键因素。所以此次分析研究第128窟游客量与洞窟微环境关系，旨在为炳灵寺石窟同类型洞窟的游客承载量研究提供支撑，并为旅游开放的科学管理提供依据。

2 数据采集

研究选择2019年监测数据进行分析，期间部分天数因设备故障导致数据丢失，但整体不影响此次研究结果。炳灵寺石窟监测预警系统对洞窟微环境的监测，采用杭州亿脑数字科技有限公司WEMS-Ⅳ系列环境监测设备，采集频率为5 min/次，数据自动上传至后台服务器存储，参数如表1。为不影响游客参观，第128窟设备架设在窟内西北角离地面50 cm高度处。游客参观时间及人数等相关统计数据来源于售票记录以及洞窟值班记录。

表1 环境监测设备参数Table 1 Parameters of environmental monitoring equipment

3 二氧化碳变化结果及分析讨论

3．1 二氧化碳浓度年度变化规律

2019年128窟全年参观游客911人，CO2浓度年平均值为486.6×10-6。制作第128窟日游客量与CO2浓度趋势图(图2)。从图2看出，第128窟内CO2浓度基准值全年在一定范围内波动，增益值与游客参观量相对应，表明游客参观活动导致洞窟内CO2浓度迅速增加，随着参观活动的结束，CO2浓度重新回归至基准值。

图2 第128窟游客量与CO2浓度Fig.2 Tourist volume and CO2 concentration of Cave 128

3．2 游客量与窟内二氧化碳浓度关系

第128等窟日常为关闭状态，游客参观时打开窟门，参观结束关闭窟门，为文物安全考虑每次进入游客人数限制为5～6人；大于6人的团队分次参观，期间没有时间间隔，每次参观时长基本为8 min左右。统计一批进入洞窟游客量大于4人时对应洞窟二氧化碳浓度变化，2019年共39组数据。对每批游客参观时，洞窟内二氧化碳浓度峰值、达到峰值对应时间(t增)与游客量，从峰值衰减至基准值对应时间(t衰)与CO2浓度增量(ΔCO2)制作相关的散点图。

从统计看，洞窟内CO2浓度的增长所需时长(t增)随着游客量的增加呈现缓慢增长趋势，但并不与CO2浓度的增长趋势一致(图3)，并且当参观人数较多，CO2浓度达到最大值所用时长，提前于所有游客参观所用时长；如42人分8次参观，至所有人参观完成所用时长为64 min，而洞窟CO2浓度在50 min时达到最大，说明游客的增多使在参观过程中长时间开放洞窟，分次参观人员的出入，反而加快了窟内CO2与外界空气的交换。

图3 游客量与洞窟CO2浓度散点图Fig.3 Scatter diagram of tourist volume and CO2 concentration

洞窟内CO2浓度在达到峰值后逐步衰减，在游客参观过程中就已经发生，虽然拟合衰减时长呈现缓增长趋势，但是数据较为分散(图4)。从具体数值看部分较低CO2浓度衰减时长比高浓度CO2衰减时长还长，这说明洞窟内CO2浓度的衰减不与值的高低相关；如2019年9月9日，CO2浓度从816×10-6衰减至442×10-6用时200 min，10月18日CO2浓度从989×10-6衰减至489×10-6用时60 min。前期研究表明窟内外温差影响洞窟内CO2浓度变化，所以对39组数据中CO2浓度从峰值衰减至基准值时段内，洞窟内外温度平均值较差绝对值(ΔT)与CO2浓度衰减时长(t衰)进行相关性分析(图5)。从图看出，数据整体趋势为随着窟内外温差的增大，洞窟CO2浓度衰减时长越短，但数据点较为分散，说明温度只是影响CO2浓度衰减的因素之一。

图4 ΔCO2与t衰散点图Fig.4 Scatter diagram of ΔCO2 and t衰

图5 t衰与ΔT散点图Fig.5 Scatter diagram of t衰 and ΔT

3．3 讨论

第128窟内CO2浓度与游客量之间呈现出一定的相关性，与游客参观模式及洞窟形制大小等自身特征有关，窟外环境尤其温差影响了CO2浓度变化趋势。从洞窟游客承载量角度出发，莫高窟为保持洞窟内空气清新，保证游客参观质量，洞窟内CO2浓度上限设定为1 500×10-6[20]，参照此值通过拟合公式计算第128窟内游客承载量为86人左右，那么按照目前参观模式，所有游客分次参观完洞窟共需120 min，这一数值远超在日常接待中第128窟前游客聚集的压力。

2015年4月1日国家旅游局发布施行《景区最大承载量核定导则LBT 034—2014》，其中文物古迹类景区人均空间承载示例指标：洞窟内人均占有面积0.5～1.0 m2/人。以此核算，按照游客与文物安全距离0.5m计算，128窟有效可承载面积约为5.8 m2，可一次性容纳5～11人。所以如果扩大目前每次参观人数，并保持窟内CO2浓度在1 500×10-6范围下，快速消化窟前游客量可一定程度缓解大游客量参观的聚集压力。2020年3月30日，组织9人进入128参观8 min，窟内CO2浓度从337×10-6增加至959×10-6，远低于1 500×10-6的上限，所以可增加目前每次游客参观人数至10人左右，并实时监测洞窟CO2浓度，伴随着多批游客出入带来窟内外空气交换的加速，参观结束打开窟门进行通风等措施，可增大128窟的日游客承载量。

4 温湿度变化结果及分析讨论

4．1 温湿度年变化趋势

制作第128窟内与窟外气象站温度及相对湿度2019年实时数据(部分数据缺失)趋势图(图6)。

图6 第128窟与窟外温湿度年趋势图Fig.6 Annual trend chart of temperature and humidity inside and outside Cave 128

洞窟内外温度及相对湿度整体具有明显季节变化趋势，窟外温度及相对湿度变化较窟内大，具体统计见表2。

表2 第128窟与窟外温湿度统计Table 2 Statistics of temperature and humidity inside and outside Cave 128

*数据来源于《炳灵寺石窟128、132、134窟等12个洞窟抢险保护修复方案》图7 可溶盐不同离子百分含量Fig.7 Percentage of different ions of soluble salts

4．2 游客量与洞窟温湿度关系

游客参观对洞窟温湿度的影响分析，统计一批次进入洞窟参观人数大于4人对应温湿度变化数据，2019年共38组数据。

4．2．1温度 洞窟在不开放的情况下，窟内温度随着窟外环境温度的增高和降低而波动，游客参观打破了窟内外温度同一趋势的平衡，在参观时段内，影响窟内温度变化的因素主要是窟外环境温度以及游客自身热量，当窟外环境温度较高时游客参观导致窟内温度增高，窟外温度低于窟内温度时，游客自身热量与窟外低温相抵消，洞窟内温度的增量就决定于游客量的多少，所以用游客量表征窟内温度在游客参观中的复杂变化具有可行性。将温度增量设为ΔT，从基准值增长至极值用时设为t增，从极值衰减至基准值设为t衰，制作温度变化趋势图(图8)。

图8 游客数量与洞窟温度散点图Fig.8 Scatter diagram of tourist volume and temperature

从图8看出，洞窟内温度增长所用时长、温度增量与游客量呈一定程度正相关。其中温度增量所用时长数据离散度不高，说明窟内温度变化较为缓和；温度增量离散度较高，说明洞窟内温度变化是较为复杂的过程，游客量增多主要引起窟内温度增高，但窟内外温度的差异还具有一定影响；例如在统计38组数据中，游客参观活动主要使洞窟内温度增长，但9月16日、5月27日，参观人数分别为6人及7人时，窟内温度增量为负，当日气象条件为小雨和阴，游客进入洞窟携带较冷空气，并且参观中窟门打开使窟内外空气交换频繁，致使游客活动的温度增量小于窟外环境影响。从窟内温度衰减趋势(图9)看，随着温度增量越大，衰减所用时长越长。

图9 温度增量与t衰散点图Fig.9 Scatter diagram of ΔT and t衰

4．2．2相对湿度 设定因游客参观引起洞窟内相对湿度增量为ΔRH，达到极值时长为t增，从极值衰减至基准值时长为t衰，制作洞窟相对湿度变化趋势图(图10)。

从图10中看出，随着游客量的增加，洞窟内相对湿度达到极值所用时长整体数据分布离散度很高，相对湿度增量与衰减时长也没有明显分布规律(图11)，说明游客量的增长不与洞窟内相对湿度大小直接相关，相对湿度的衰减时长也不与其数值大小相关，也说明了洞窟内相对湿度变化是较为复杂的，这可能与影响相对湿度的因素较多有关。

图11 ΔRH与t衰散点图Fig.11 Scatter diagram of ΔRH and t衰

决定相对湿度的根本因素是空间内绝对湿度含量和温度，其特性是绝对湿度与相对湿度为正相关，温度与相对湿度为负相关。因游客参观活动影响洞窟内绝对湿度的因素有窟外环境湿度、游客呼吸产生水汽，影响窟内温度因素有窟外环境温度、游客自身散热，此外在参观过程中洞窟内外空气流通也影响相对湿度变化速率，所以洞窟内相对湿度变化受参观瞬时时段内，外界降雨、温度、风速以及游客个体差异等多种因素影响。相对湿度的值决定于其中起主导作用的因素，在这些影响因素中单一因素与相对湿度关系都是较为简单的，但实际研究中很难做到以其中任何一个因素为单一变量，脱离其他影响因素研究洞窟内相对湿度变化，所以通过研究主要变化因子，用统计学方法分析实际已产生数据，寻找存在的规律更能反应真实情况从而指导现实调控措施。

在洞窟相对湿度受游客影响的38组数据中16组为正值，22组为负值(图11)，其中正值变化量都小于5%，负值变化量主要在0～10%范围内，最大达到18%，说明游客参观活动对第128窟内相对湿度减小起一定积极作用；如果以正值5%、负值10%为游客影响洞窟内相对湿度增量区间，参考可溶盐潮解临界值空气相对湿度62%，在此值附近相对湿度变化容易引起可溶盐的反复潮解结晶，那么第128窟内相对湿度在57%～72%之间，更容易因游客参观导致相对湿度在62%上下波动，对应第128窟相对湿度年度趋势图(图6)，为2月20日至3月20日、4月10日至6月4日、8月7日至8月17日、9月14日至10月23日；由于旅游旺季集中在5至10月，所以需注意5月、9月下旬至10月中旬时间段内，洞窟内相对湿度因游客参观发生的变化，加强洞窟微环境监测及游客参观的管理，及时采取应对措施。

4．3 讨论

从第128窟温度及相对湿度受游客影响的分析结果看，游客量与窟内温度具有直接关联，但其变化较为复杂。温度的变化与可溶盐结晶析出有相关性[22-23]，但是其变化如何指导洞窟游客承载量，目前没有相关研究成果确定。

第128窟相对湿度受游客量影响在一定区间变化，总体游客参观活动主要使第128窟内相对湿度减小，这与其他相关研究结果不同。分析原因是目前128窟特殊的开放模式以及与洞窟形制较小有关；对于洞窟游客承载量的指导意义，需注重旅游旺季5月、9月下旬至10月中旬这段时间洞窟内相对湿度变化，做好游客的参观管理，根据监测数据及气候条件，打开或关闭窟门以控制洞窟微环境剧烈变化[24]。

5 结 论

1) 第128窟内CO2浓度与游客量呈正相关。目前以5～6人分批次参观的模式有利于洞窟环境控制，游客参观过程中洞窟内CO2浓度达到极值并开始逐步衰减，其衰减受外界环境影响较大，温度是影响因素之一，窟内外温差越大，CO2浓度衰减越快。

2) 第128窟内温度及相对湿度趋势主要随季节变化，游客参观过程中的温度变化与游客量呈一定程度正相关。由于游客个体差异及其他环境因素影响，温度增量差异较大，主要为正值，负值与环境气候相关；温度增量越大，衰减所用时长越长，洞窟内外温差越大，温度衰减越快。

3) 第128窟2019年全年相对湿度大于62%为170 d左右，主要集中在旅游旺季5～10月。影响窟内相对湿度变化因素较多，游客量与相对湿度变化不直接关联。根据此次统计结果，游客量对窟内相对湿度影响有正有负，以负为主即对相对湿度降低起积极作用，其中正值变化量小于5%，负值变化量在0～10%范围内；

4) 对于第128窟旅游开放中游客及微环境的控制管理，通过此次研究可建议扩大128窟每批参观人数至10人左右，参观时间为8 min，洞窟内CO2浓度保持在阈值之内，从而增加洞窟游客承载量。加强对洞窟环境的监测及预警，注重旅游旺季特别是5月、9月下旬至10月中旬洞窟内相对湿度的变化，根据窟外气候状况及窟内相对湿度关闭或开放洞窟，做好游客管理是控制洞窟微环境的有效措施。