基于环境监测的南京上坊孙吴墓环境风险评估

周 鹏,周晓晗,夏畅畅,谢华荣,李永辉

(1． 南京市江宁区文化遗产保护中心,江苏南京 211100; 2． 东南大学建筑学院,江苏南京 210096)

0 引 言

墓葬壁画是我国文化遗产中重要的分支。古墓葬等半地下砖石遗址,在挖掘过程中,由于温度、含水量等环境因素发生波动,墓室砖壁画较易出现表面泛盐、霉菌及苔藓生长、粉化剥落、片状起翘等病害问题。

环境监测是分析、建立建筑遗址病害与依存环境关联的重要基础,也是预防性保护的必要前提和实施依据。Graue等[1]通过研究石灰岩的岩石学特征,利用环境监测等方法揭示了材料特性、气候等与底比斯古埃及Neferhotep(TT49)墓的岩石结构损坏和盐害等劣化间相关性;Benavente等[2]针对西班牙波斯特米乌斯墓的盐害问题,对墓室内的温度、相对湿度,以及墓室岩石表面温度等进行了为期两年的监测;Bracci等[3]针对意大利伊特鲁里亚地下墓穴的壁画脱色、盐析等问题,对墓室不同部位进行了温湿度微环境监测,并提出主要的保护程序应涉及微气候环境的监测和控制。

陕西省考古研究院杨忙忙[4]针对唐惠陵壁画保护,对挖掘过程中记录的温湿度数据进行分析,归纳出了壁画保护和分离的最佳温湿度条件;西汉南越王博物馆的崔亚平[5]对南越王墓室实施了为期三年的温湿度、照度及紫外线监测;敦煌研究院保护研究所的武发思等[6]针对北齐徐显秀墓壁画的真菌病害,通过墓室环境监测分析,提出了影响壁画霉变的关键环境因子。但现阶段在国内已有的文献成果中,缺乏对监测数据和遗址现存病害的关联分析,亦或只针对某单一病害进行研究,尚不能够建立环境因素与建筑遗址病害特征之间的详细关联。

南京上坊孙吴墓,又称上坊东吴大墓,位于南京市江宁区上坊镇,是中国迄今发现的规模最大、结构最复杂、出土瓷器最多的孙吴墓葬。上坊孙吴墓于2005年完成了发掘和铲探,2007年发掘排水沟并建设了保护大棚。孙吴墓远离市区,周围环境开敞,保护大棚直接受到日晒雨淋的影响。受周边环境影响,墓室本体存在盐析、霉菌生长、苔藓生长、粉化剥落、片状起翘、残缺、渗水等病害情况。本研究通过对孙吴墓进行病害勘察与微气候环境监测,比对分析了其保护大棚内与墓室内外的温度、相对湿度变化规律并进行了风险等级评估,旨在明确温湿度变化对墓葬文物保存环境造成的具体影响,为对其实施微气候环境控制的保护性方案设计提供理论依据。

1 监测方案与环境

1．1 研究对象

上坊孙吴墓由封土、墓坑、砖构墓室、斜坡墓道、排水沟等组成。有石门一道,前后墓室顶部穹窿均为四隅券进式结构,上部有覆顶石,后墓室覆顶石坍塌,呈开敞状态,砖表面有铭文等信息,属于全国重点文物保护单位[7]。

本研究旨在通过为期一年的现场观测,对于孙吴墓不同位置(包含保护大棚外部,保护大棚内部墓室外部,墓室内部的前后墓室及甬道)进行温湿度数据的收集与分析,并结合不同位置的病害现象,探讨孙吴墓不同位置病害分布的情况及相关的环境影响因子。

1．2 监测方案

为明确孙吴墓周边微环境变化,本研究于2015年7月至2016年7月期间对南京上坊孙吴墓周边室内外环境进行了监测。监测方案示意如图1所示,主要包含三部分内容:室外环境气象参数(包含温度、湿度、太阳辐射、风速、风向等);保护大棚内环境参数(包含温度和湿度);墓室内的环境参数(包含温度和湿度)。此外,对遗址周边土体的状态也进行了相应的监测工作。

图1 监测方案示意Fig.1 Schematic diagrams of the monitoring scheme

监测过程使用到的仪器如下:小型自动环境气象站(HOBO,U30-NRC)、小型温湿度记录仪(TANDD,RTR-53A:温度范围为-40 ℃～80 ℃;测量精度1 ℃)。其中小型环境气象站可对风向、风速、降水、太阳辐射、土壤水分、温度、相对湿度等多种环境参数进行实时监测。

1．3 室外气象参数

图2显示了监测期间,南京上坊孙吴墓室外太阳辐射、降雨量、风速以及周边土壤的含水量变化范围。结果显示在监测期间,南京上坊孙吴墓周边室外环境的太阳总辐射率在0 W/m2～1 097 W/m2之间波动;年总降雨量为529 mm,最高时降雨量一小时约为21 mm;室外环境的风速最低为1.43 m/s,最高可达7.81 m/s;墓室周边土壤(地下20 cm处)的体积含水量在0.247m3/m3～0.483 m3/m3之间波动,平均0.374 m3/m3。

图2 南京上坊孙吴墓室外太阳辐射、风速、降雨量以及周边土壤的含水量Fig.2 Outdoor solar radiation, wind speed, rainfall and water content of the surrounding soil at the Shangfang Eastern Wu Tomb

2 环境监测结果

2．1 保护大棚内外温湿度波动规律

如表1所示,监测期间孙吴墓保护大棚外平均温度为17.1 ℃,波动为-10.2～41.6 ℃;大棚内平均温度为18 ℃,波动为-6.5～44.1 ℃。从图3可以看出,大棚内温度整体比室外偏高,大棚内夏季最高温高于周边室外环境温度5.5 ℃,冬季最低温高于室外环境温度3.7℃。

图3 保护大棚室内外空气温度Fig.3 Indoor and outdoor air temperature in the shelter

表1 大棚内外年间温湿度特征Table 1 Characterization of temperature and humidity inside and outside the shelter

相对湿度的监测结果如图4所示,大棚内的相对湿度波动小于室外,表现为大棚内冬季相对湿度高,夏季相对湿度低。从具体数值来看,室外相对湿度的年波动范围为20%～100%,平均值为74%,而大棚内相对湿度波动范围在33%～99%,平均值同样约为74%。保护大棚室内年平均相对湿度与室外相近,但冬季最低相对湿度较室外高13%。同时,图4显示了室外相对湿度在年周期下有着较大的波动范围,且相对湿度达到90%以上的频次较高。大棚内相对湿度波动振幅较室外小,相对湿度在多数时间都低于90%。

图4 保护大棚室内外空气相对湿度Fig.4 Indoor and outdoor air relative humidity in the shelter

综上,上坊孙吴墓设置的临时保护大棚可遮挡雨水,减少室内通风,起到一定的保温作用,降低了大棚内气温的年波动幅度,尤其是提高了冬季的温度,有利于减少遗产发生冻融的风险,但最低温度仍处于0 ℃以下,另外,在保护大棚影响下,夏季棚内的气温升高。同时,大棚的影响下相对湿度年波动幅度变小,提高了冬季的最低相对湿度;从全年来看,有效减少了相对湿度超过90%的时间。

2．2 墓室内外空气温湿度波动规律

对甬道、前、后墓室与大棚内温湿度具体数据分析结果如表2所示,在室内平均温度方面,后墓室中心点处温度最高,为18.35 ℃。湿度方面,前墓室中心平均湿度值达到了87.9%,高于其他监测点位。图5、图6为使用小提琴图表示的前后墓室、甬道内和保护大棚内温度和相对湿度的年间监测结果,左侧柱形代表了在监测时段内,该温度和相对湿度出现的次数,而右侧的曲线则反映了分布状况。分析结果表明,相比于大棚内的空气温度,墓室内的空气温度更为稳定,分布范围较窄。根据小提琴图的端点值,甬道中心的温度年波动为-3.9～27.2 ℃;前墓室中心温度年波动为0～29 ℃,后墓室中心温度年波动为-3.4～32 ℃。甬道中心最低温较前墓室低3.9 ℃,较后墓室低0.5 ℃;最高温则与前墓室最高温相近,较后墓室低4.8 ℃;整个墓室中后墓室的温度波动最大,前墓室的波动最小。这也与后墓室的顶部开敞影响相关联。

图5 墓室内甬道、前室、后室中心温度分布Fig.5 Temperature distribution of the channel, front and rear burial chambers

图6 各区域的中心空气相对湿度分布Fig.6 Relative humidity distribution of air in the center of each region

表2 甬道、前、后墓室与大棚内年间温湿度特征Table 2 Characterization of temperature and humidity of the channel, front and rear burial chambers and the large shelter

与温度相似,墓室内的相对湿度的波动小于大棚内空气的相对湿度。甬道和墓室内的空气相对湿度的波动范围基本处于55%～99%之间,平均相对湿度为88%,波动范围以及波动方式也较为接近,但后墓室的波动范围明显大于前墓室和甬道,最低值接近40%,仅仅为前墓室最低值的一半左右。

综上,上坊孙吴墓在一年的监测周期内墓室内各区域温度分布状况类似,相对湿度偏高,主要分布范围在80%以上,而由于其后墓室顶部的开口状态,后墓室的温度波动略大于前室和甬道,而相对湿度则明显大于墓室内其他区域。

3 分析与讨论

3．1 保护大棚作用及墓室内总体病害分析

2007年至今,南京上坊孙吴墓遗址于本体上部搭建了临时保护大棚。保护大棚的搭建直接避免了风吹雨淋造成的本体破坏,同时阻隔了部分太阳辐射的影响并保持室内湿润的环境。大棚的室内环境取代了原本的露天室外环境,成为了影响墓室病害变化的主要因素。

根据监测结果,冬季孙吴墓室外温度在0 ℃以下的天数为35天,存在冻融风险,严重不利于砖材的长久保存。在建立保护大棚后,保护大棚室内最低气温较室外高3.66 ℃,起到了一定的保温效果,一定程度上可缓解墓室发生冻融破坏风险。同时,保护大棚内的平均温度高于遗址周边室外环境平均温度0.9 ℃,夏季最高温度高于室外温度5.5 ℃。即保护大棚在夏季未能起到隔热作用,加剧了墓室内部温度的升高幅度,增大了墓室内部的干燥、蒸发及盐析现象发生的可能。

孙吴墓周边室外环境年温度波动幅度为51.8 ℃,空气相对湿度处于20%～100%;保护大棚内的年温度波动幅度为50.6 ℃,空气相对湿度处于33%～99%。可以看出,在大棚的作用下,墓室外温湿度的波动范围有所降低,在冬季起到了一定保温作用,但夏季大棚内最高温度比室外高4.58 ℃,因通风减少,内部蒸发增强,形成了高湿的环境,一定程度上又加剧了由于温度波动引起的墓室本体材料胀缩与水分迁移。

3．2 墓室内病害分布与环境影响的关联性分析

通过现场调研得知,前甬道近地面0.4～0.6 m处的泛盐现象明显。同时甬道处砖材出现了较多表面起翘剥落的病害现象。这是由于入口地面处连接室内地面到室外排水道的地下排水沟入口,在雨天或室外水渠水面高度高于室内地坪时,易产生雨水倒灌;另外室内水在此处汇集,导致入口近地面处长时间处于高湿环境中。甬道处渗水的汇集带来了可溶性盐,可溶性盐水沿甬道墙体上升。由监测结果可知,墓室内温湿度相比于大棚内温湿度更为稳定。所以受到入口处室内外换气和温湿度波动的影响,可溶性盐水中的水分会在距甬道地面约0.4 m处砖墙表面蒸发,使盐分结晶在砖材内部或者表面,破坏砖材孔隙结构。

经过现场实际调研,图7展示了前后墓室有关病害的分布特征。由于不同墓室具有各自的室内外环境综合作用机理,导致前后墓室在霉菌与微生物的病害呈现出一定程度的差异。在前墓室中几乎无光线进入,砖材表面有一定的霉菌、泛盐现象,如图7a、7c所示。微生物的腐蚀作用下砖材表面铭刻纹路存在明显的模糊或消失,霉菌发生部位主要集中在墓室壁面内部,靠近地面的下部比较密集。由于受到前甬道排水口的影响,地面可见明显渗水的水线。推测与下部壁面渗水导致的砖材含水量升高相关。从表2可看出,前墓室中心平均温度实际略高于甬道中心处的平均温度。前墓室整体处于高湿环境,且温度波动较小的环境内,适宜霉菌的生长。而前墓室地面不如甬道口那般潮湿,沿墓室砖墙上升的可溶盐水在更接近地面的位置发生蒸发,故盐析现象会更接近于地面。

后墓室底部在夏季雨水充沛的季节,极易发生渗水积水现象;后墓室墙面材料在高湿条件下,表面泛盐、苔藓、藻类繁殖尤其严重。如图7b、7d所示,后墓室的典型病害较前墓室表现得更为严重;受上部开口的影响,阳光的入射加剧了北侧角部光合型微生物的生长活动,太阳辐射和墓室内空气与大棚内气体交换则使蒸发作用更明显,因此加剧了粉化开裂现象。结合监测所得的环境特征,后墓室中心温度湿度年波动较大,温度年波动范围在36.8 ℃,湿度波动在65%,在这种较为剧烈的温湿度波动环境中,后墓室砖材的热量进出与水分进出量都大于前墓室,砖材本身在温度和水分应力作用导致的胀缩下,更易发生裂隙、粉化、剥落等劣化现象。

图7 上坊孙吴墓前后墓室盐析与微生物生长现场调研结果Fig.7 On-site survey results of salt precipitation and microbial growth in the front and rear burial chambers of the Shangfang Eastern Wu Tomb

总体来看,上坊孙吴墓的墓室本体存在盐析、霉菌苔藓生长、粉化剥落、片状起翘、残缺、渗水等病害情况。图8为主要病害在墓室平面上的分布示意。墓室内相比墓室外温湿度波动更小,半地下的掩埋环境使得墓室内长时间处于低温高湿环境,有利于减弱墓室内石材因为温度和湿度波动所造成的材料收缩开裂等劣化影响,但墓室内的高湿度环境有利于霉菌等微生物的生长。

图8 上坊孙吴墓前后墓室不同病害分布和面积[8]Fig.8 Distributions and areas of different diseases in the front and rear burial chambers of the Shangfang Eastern Wu Tomb

前墓室由于恢复覆顶石,温度波动明显减小,后墓室上部因呈开口状态温度波动较大,而温度波动产生的应力作用则导致砖表面出现了开裂、粉化等物理破坏;其夏季最高温度较前墓室高4.4 ℃,即使忽略室外阳光对光合微生物生长的显著促进作用,在该温度范围内,更高的温度也同样有利于砖石遗址内常见微生物的繁育,同时还增加了由更强蒸发作用导致的盐结晶风险,后墓室表现出的病害复杂程度多于前墓室,且诸如微生物生长、盐析等病害的面积大于前墓室。此外,开敞的顶部导致后墓室冬季的冻融循环次数明显高于前墓室,同样不利于墓室本体的合理保存。

3．3 基于风险的材料保护分析

上坊孙吴墓主要有砖石材料构成,欧洲的UNI10829[9]和UNI10586[10]标准中,砖石材质文物保护的最佳范围为:温度在15～25 ℃之间,相对湿度在20%～60%,且最大每日波动为10%。此外,Aghemo[11]和D’Agostino[12]等也在研究中提出了最适合砖石材料保存的温湿度范围,认为最适和保存的相对湿度应小于45%,在温度控制上则同意标准中给出的数值。参考现有的相关研究与标准,本研究将温度15～25 ℃,相对湿度20%～45%列为孙吴墓砖材的最佳保存范围,即无风险区。

为评估环境对遗址本体材料保存所造成的风险,本研究根据文献调研结果建立了无风险、中等风险和高风险三个等级的温度和相对湿度范围,与现有环境进行对比,以确定最危险的时期(图9)。如图9a、9c、9e所示,绿色区域代表保存材料的最佳环境条件,包括温度和相对湿度(浅绿色表示法规和文献都有规定,深绿色表示只在其中之一有规定);黄色区域是温度和相对湿度两个因素其中之一超出保护范围的区域(深黄色表示法规和文献中都有规定,浅黄色表示只在其中之一有规定);红色区域是温度和相对湿度两个因素都超出保护范围的区域(深红色表示法规和文献中都有规定,浅红色表示只在其中之一有规定),这一区域代表最危险的情况。

图9 后墓室、前墓室和甬道砖材风险评估和频率Fig.9 Risk assessment and frequency of brick materials in the front and rear burial chambers and channel

综合图7可以看出,前后墓室和甬道的相对湿度基本上全部高于60%,偏离标准所规定的20%～60%的最佳范围。温度在夏季均高于建议值,冬季则均低于建议值,这说明当前保护大棚的隔热和保温性能在特定的季节不能达到要求。后墓室的温湿度分布风险评估结果的总体分布与前墓室和甬道相近甚至在春夏时节略低于前墓室,但结合对病害的现场勘查,虽然前墓室在长期的高湿环境一定程度上也形成了典型的微生物病害,但后墓室却因其受到外部环境频繁波动的影响,表现出了更明显,也更严重的复杂病害特征。本工作主要基于东吴墓的周期性监测数据对遗址的保存现状展开了量化分析,可以看出,对于砖石类遗址,环境的长期波动相比于稳定的高湿条件,可能会导致更高的保存风险。因此,在对砖石类遗址的保存环境进行评估时,应结合环境温湿度的范围与其波动幅度及频率综合进行考虑。此外,在外部环境的持续影响下,遗址本体内部的含水率与温度分布规律也是其保存风险评估的重要内容,基于东吴墓本体保存的二维热湿耦合迁移分析已开展过相关研究[13]。实际的保护工作应根据季节与气候对应的具体环境特征与遗址本体的保存状态来灵活制定针对东吴墓的日常保养维护措施。

4 结 论

依存环境的变化是造成半地下砖石建筑遗产发生病害的重要原因,本研究通过对南京上坊孙吴墓进行病害勘察与环境监测,确定了孙吴墓中的现存的病害类型与分布特征,针对病害发生的环境关联因素开展了基于本体材料保存的风险等级评估,提出在保证遗址赋存环境的温湿度所处合理范围的基础上,需同步重视对其温湿度波动情况的控制,并尽量保证相对稳定的保存环境。本研究的方法和结论既可作为制定孙吴墓下一步保护措施的科学依据,也为同类型半地下砖石建筑遗产保护和评估工作提供了有价值的参考。