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敦煌莫高窟是我国乃至世界古代灿烂文化艺术的瑰宝,由于地处西北干旱荒漠地带,所以风沙危害一直是莫高窟保护面临的主要威胁之一。本文依据前人的研究,着重从机械防沙、植物防沙、化学防沙和防风固沙效应等角度简略介绍敦煌莫高窟风沙危害防治保护工作的主要科研成就以及科研成果在实际工作中的运用和效果,以此突出敦煌莫高窟保护工作的重要性。
莫高窟常年遭受风沙侵蚀、堆积,气候干燥,属于典型的沙漠气候带,其原始地貌由于人为干扰和旅游开发改观:窟前为阻缓围岩的风蚀建立的防护林缓冲带和崖顶铺压的人造戈壁,取代原先的粗砾质戈壁,构成莫高窟独特的人工自然景观。近地不同下垫面影响到风沙环境不同的局部区域,不同下垫面构成的局域风沙环境的不同气象要素可反映出莫高窟环境的具体变迁,为今后人们研究不同下垫面造成的小气候影响和效果提供定量的物理参数。
由莫高窟窟顶野外风速廓线试验依据合适的经过调整的风速廓线方程拟合1m×1m麦草方格的不同高度的风速廓线,得知麦草方格使得流沙原始地表上零风速高度变为7.274cm,粗糙度增大为1.050cm。此外结合鸣沙山原始地表野外风洞实验可进一步得出麦草方格使得流沙地表粗糙度由原先的0.003cm变成1.050cm,增加约350倍。而且发现,不同高度的风速与粗糙度的关系符合经过一定修改的增长曲线模型。综合以上研究可进一步推导出麦草方格的漩涡影响公式。
灌木林带植物防沙效益长期监测是一项比较重要的工作。对莫高窟顶灌木林带采用插扦法长时间监测四处不同的积沙断面,以蚀积量特征作为标准定性判断效益好坏,可以发现:莫高窟顶灌木林带年平均蚀积量一直处于风积状态,有增长加快的趋势。结合风沙堆积位置,花棒与红柳沿主风向相邻配置防沙效益最好,混交林带次之。花棒、柠条防沙效益最佳时期为6月、5月和11月,红柳可能为4月。花棒单一纯林带最适合用来做防沙物种首选。研究区段灌木林带以每年29.9万吨的速度积沙,而多年、逐年平均积沙变化间接证明莫高窟风沙综合防护体系已起到一定作用。
砾石压沙的防护机制的解决是一个比较复杂棘手的问题。我们通过对比莫高窟项原始戈壁与经砾石压沙形成的人造戈壁的静压起动风速、不同高度的风速、吹蚀时间、粗糙度、含沙量、盖度和野外积沙等特征的变化,解释砾石压沙的防护机制,最终证实砾石压沙的有效性和通用性。我们得出的结论有:流沙表面、原始戈壁、人造戈壁的粗糙度和静压起动风速依次增大。夏季是原始戈壁上就地起沙风和挟沙风发生次数最多的季节。就地起沙是原始戈壁风沙流发生的主要原因。小砾石、中砾石、大砾石的粗糙度随盖度的增加均呈现出“四峰”的形状。随着砾石粒径和盖度的增加,含沙量随离地面高度的分布会不规则。人造戈壁上小砾石积沙效果随盖度的增加而增加,大砾石的积沙效果随盖度的增加反而降低。原始戈壁的积沙率的反常是导致莫高窟风沙严重的一个重要原因。砾石压沙除能防止就地起沙,积沙功能也非常重要。
1990年在莫高窟顶设置的A字形尼龙网栅栏一直以来是抵抗风沙的有效手之一。A字形结构疏导和沉积来自偏西风(主害风)的沙粒,但在一定程度上也阻碍了偏东风的向鸣沙山方向的反向输导和搬运作用。尼龙网戈壁一侧有较高的风速,易形成掏蚀坑,沙源丰富的情况下一般会形成“双峰”结构。如果尼龙网处于地表性质不同的戈壁的交界处,在不同季节下风沙蚀积形状类似,然而,两侧性质相似的话,不同季节的蚀积形状变得不规则。沿着尼龙网南侧和北侧易形成具有一长坡脚的蚀积曲线。由于空气流场的被扰乱,监测断面会形成“单峰”的形状。尽管尼龙网的设计寿命已经超过预期寿命(10年),我们的观测显示出它在风沙防护中仍发挥一定的作用,不应该被拆除。