西北大学学报(自然科学版)
2021年6月，第51卷第3期,Jun.,2021,Vol.51,No.3
Journal of Northwest University(Natural Science Edition)
-文化遗产保护-
王彦武1>2>3>4，韩增阳5，郭青林1>2>3>4，崔惠萍5，段焘5，裴强强I
（1.敦煌研究院，甘肃敦煌736200&2.兰州大学土木工程与力学学院，甘肃兰州730000；
3.西部灾害与环境力学教育部重点实验室，甘肃兰州730000；桥梁应力检测
4.甘肃省敦煌文物保护研究中心，甘肃敦煌736200；
5.甘肃北石窟寺文物保护研究所，甘肃庆阳745000）
摘要：以庆阳北石窟寺为研究对象，基于对窟区降水量、窟前泉/井水位及流量监测，结合 地下水水质检测，系统分析了北石窟寺区内水环境的特征。研究结果表明，北石窟寺窟区
降水量主要集中于夏季，全年降水量呈现明显的不均匀性；降雨导致夏季水位波动频繁，
但经崖体裂隙的径流运移过程，导致补给存在明显的滞后性；低温降低了岩土体的渗透能 力，是引起冬季泉/井高水位的主要原因；北石窟水体易溶盐总含量为0.05%-0.06%，
腐蚀性较低，但雨水冲刷和地下水毛细上升均对其风化产生促进作用。研究结果科学评
价了北石窟寺水环境特征，进而为北石窟寺的水害治理提供理论依据#
关键词
：庆阳北石窟寺；降水量；水位特征；流量特征；毛细水
中图分类号：P64/K85
DOI：10.kg xdxbzr.2021-03-004开放科学（资源服务）标识码（OSID）:
Research on the characteristics of water environment in Beishiku Temple,Qingyang City,Ganse Province
WANG Yanwu1,2,3,4,HAN乙611.丫811.5,GUO Qinglin1,2,3,4,
CUI Huipin.5,DUAN Tao5,PEI Qiangqiang1^4
(1.Dunhuan.Academy,Dunhuan.736200,China；
2.Collexe of Civil Engineering and Mechanics,Lanzhou University,Lanzhou730000,China；
3.Key Laboratory of Mechanics on Disaster and Environment in Western
China,Ministry d Education,Lanzhou730000,China；
4.Research Center for Conservation of Cultural Relics of Dunhuan.,Dunhuan.736200,China；
5.Cultural Relic Protection Research Institute for Beishiku Temple,Qin.an.,745000,China)
Abstrach:The Beishiku Tempie is selected as the reseerch objeci.Based on the monitorin.of precipitation in the cove ard and the wdter levd and flow of sprin.s/welis io froni of the cove,combined with the detection and testin.of solubie salts,the characteristics of water environment in Beishiku Tempie are systematicoliy analyzed.The resecrch results show that the rainfali in the Beishiku Tempie is mainiy concentrated in summee, and the annuai rainfeli presents obvious unevennrs.Rainfali couses frequent tuctuation of sprin./weli watee
收稿日期：2021-03-10
基金项目：国家重点研发计划项目（2019YFC1520604）；甘肃省科技重大专项计划项目（18ZD2FA001）；甘肃省文物保护科学和技术研究项目（201604）
通信作者：王彦武，男，甘肃甘谷人，馆员，从事石窟寺及土遗址保护加固研究,E-maii:wan.yanwu@dha.ao cn$oah
第3期王彦武等：甘肃庆阳北石窟寺水环境特征研究・361・
levet t summs.Howeveo#the migration process of runoff through the fissures of the c XV causes a significant laa in recharae.Low temperature reduces the permeability of rock and soi I#which is the mHg resson for the high watvr tabee of springs/weHs in wints.The toth content of solublv stt iv the watvr body of the North Grotto is0.05%〜0.06%,which is not cofosive#but the rain erosion and groundwatvr capmara tse both promote its weathering.The resesrch results scientificaHy eveluated the010X6tsties of the watvr environment of Beishiku Temple,and then provieed a theOTeticel basis for the treatment of water hazards in Beishiku Temple.
Key words:Beishiku Temple；precipitation；water levet charactevstics;tow charactevstics;groundwater aapoeaay
石窟寺是我国佛教艺术的重要载体，也是我
国文化遗产的重要组成部分之一，是研究我国古
代各民族政治、经济、文化和艺术的重要实物例证
和珍贵史料［1］$然而，石窟寺载体中水分的活
动，会造成石窟壁画酥碱⑵、脱落⑶，以及造像残
损、风化盐害(70)等多种病害，严重威胁这些
艺术瑰宝的长久保存。为此，许多学者针对威胁
石窟寺保存的雨水(901)、裂隙水少呵、地下水(1405)
和凝结水(10,1607)等来源进行了深入地研究，也有
学者探讨了石窟寺水汽转换机制［18］、降雨入渗规
绞车滚筒律⑼、裂隙水运移规律［13］$
北石窟寺位于甘肃省庆阳市西峰区西南方向25km的覆钟山下，开凿在蒲、茹二河交汇的东岸二级阶地
砂岩岩壁上，是甘肃省陇东地区规模最大的石窟，也是第三批全国重点文物保护单位。石窟自北魏永平二年(公元509年)创建以来，历经西魏、北周、隋、唐和宋代不断营建，现存窟龛294个，其中石雕造像2172身、壁画90余平方米，还有碑碣8通、阴刻及墨书题记150余方，具有极为重要的历史、艺术、科学、社会及文化价值。然而，在长期的内外营力作用下，北石窟寺发育着裂隙、风化、水害、壁画颜料层起甲、洞窟烟熏等病害(1901)$尤其是北石窟寺崖面雨水冲刷、崖体根部雨水溅蚀、窟内渗水、毛细水等水害极大地威胁着其保存(见图1)$
基于此，本文选取了北石窟寺窟区降水量及窟前泉/井水位、流量为监测对象，通过泉/井水位和流量反映地下水环境特征，通过水质检测评价北石窟寺地下水质量，并分析探讨了降雨补给滞后性及水位季节变化规律。以期提升对北石窟寺窟区内降水、地下水等水环境特征的认识，进而为北石窟寺水害的治理提供依据$
图1北石窟寺遭受的水害威胁
Fio.1Watw damage of Beishiku Temple
1研究区域概况
1.1北石窟寺区域地质
北石窟寺载体由上覆100m左右的黄土和下伏约30m的直立砂岩基座组成，受雨水侵蚀的影响黄土山体发育有大量的冲沟，形成了典型的沟壑地貌。区内直立崖壁为白垩纪砂岩，产状平缓近似水平，北石窟寺的佛龛洞窟均开凿于该套地层上。
北石窟崖体发育了6组规模较大的构造裂隙，由南至北分别出露于C267窟东北角、C270〜C271窟之间、C19〜C21窟之间、C101〜C102窟之间、C214~C215窟之间、C257~C258窟之间，这些裂隙倾向NW340°〜350。之间，倾角分布在76。~90。之间，近东西向垂直的方式延伸至东部覆钟山中(见图2)。
1-2北石窟寺气候特征
根据北石窟寺区内气象站的气象记录，北石窟寺的年均气温为10.5e，最低气温为-17.4e，最高气温为36.7e，年均相对湿度为
-362 -西北大学学报(自然科学版)第 51 卷
68.8%，年均降水量598.9 mm ，风向受北石窟寺 微地貌的影响主要为南北方向，以南风为主。
1 -3北石窟水文地质条件
河谷与窟院地面高差约15 m ，受降雨和上游水利
拦河坝等的影响，河流常年流量较小，具有较为明 显的季节性变化，河谷主要接受大气降水和地表
北石窟寺区内地下水类型主要为河谷潜水、 水补给；基岩裂隙水主要通过崖体东西向的裂隙接受上覆黄土中渗水的补给，渗流经过窟区向蒲 河排泄[14] $
黄土潜水和基岩裂隙水。上覆黄土厚约100 m ,
潜水主要接受大气降水补给；石窟正西侧的蒲河N
4
j l i l
图2北石窟寺构造裂隙分布图
Distribution map of structural fissures in Beishiku Temple
Fig.2
1.北石窟寺泉/井分布
窟院内现存水井5 口，分别为位于窟区内的
龙泉、神泉、鱼泉、祈雨泉等古井和位于办公区的
现代生活用水井(见图3)$鱼泉与龙泉为露天浅
泉，其他泉眼均为竖直泉眼。
图3北石窟寺泉/井分布图
Fig. 3 The distribution of spring/well in Beishiku Temple
5 口井中龙泉、神泉和生活用水井均由基岩
裂隙水直接渗流补给，鱼泉除接受基岩水直接补
给外还接受了东北角处接受基岩裂隙水的暗井间
接补给，而祈雨泉主要由窟前南北向降排水盲沟
汇集的基岩裂隙水补给；鱼泉和祈雨泉均与窟前 排水系统相连以溢流方式将泉水排向蒲河，生活
用水井每天抽水1 ~3次供窟区内生活使用，龙泉
和神泉无人为干预。此外，龙泉和鱼泉由于露天 原因在每年12月中旬至次年3月初结冰。泉/井
基本信息和投影剖面图如表1、图4所示。
2研究方法
2.1泉/井水位及气象监测
为探明区域内气象特征与泉/井水位的关系,
首先，利用位于北石窟寺山顶平台的全自动气象 站对北石窟寺区内降水量进行监测。同时，采用
LevelSCOUT 水位温度传感器对龙泉、神泉和生活
用水井的水位进行实时监测，并通过BaroSCOUT
抽水控制器大气压力传感器对大气压力进行补偿。其中，水
位传感器测得的压力为传感器所处位置的水压与 气压的总和。因此，泉/井水位的计算如式(1)所 示。
h = —' - -— = —' - 0. 1(
(1 )
g*P
P =P t ---
(2)
其中:h 为水面距离窟院地面的高度,m ;p 为水压, kPa ；p 为传感器测得总压力,kPa ；p 为大气压力, kPa ;)为重力加速度,N/kg ；p 为水密度,kg/m 3 ；
—h 为井底与龙泉-祈雨泉连线中点之间的垂直
距离，m 。
2.2 泉/井流量监测
分别利用祈雨泉在北石窟停车场预留的接水
口、鱼泉在山门北侧管道中的溢流井进水口、鱼泉
东北侧暗井出水口，通过人工接水称重的方式，每
周二上午10点对鱼泉、鱼泉东北角龙头、祈雨泉
的排泄量进行监测。以量杯接取容量相近的水进
行称重，通过接水时间测算当天的流量，泉/
井流
第3期王彦武等：甘肃庆阳北石窟寺水环境特征研究-363-
量的计算如式(3)所示。其中：/为流量,m3/d；0为总重,g；0为量具重n_36*(0&0).(3"量，/;P为密度,./cm3;t为接水时间，s。
表1北石窟寺泉/井基本信息表
Tab.1The basic information of sprin./weli in BeishSu Temple
名称直径/m井深m高差/m补给源补给方式排泄方式
龙泉 3.00 1.20 1.10基岩裂隙水直接补给自然排泄
神泉0.55 1.70 4.20基岩裂隙水直接补给自然排泄
祈雨泉 1.00 4.20 4.30基岩裂隙水降排水盲沟溢流排泄
鱼泉25.00x10.00 2.00 4.50基岩裂隙水、降水混合溢流排泄生活用水0.568.20 6.10基岩裂隙水直接补给
抽水排泄注：高差指各井底与龙泉-祈雨泉连线中点之间的垂直距离，鱼泉中25m为椭圆形的长轴长。
N
祈雨泉生活用水井
办公用房
图4北石窟寺泉/井投影剖面图
Fig.4Projection profile of the sprin.s and weli at BeishSu Temple
xfiXzy/龙泉
2.3水质检测
为分析泉/井水体的水质特征，使用离子谱仪、电感耦合等离子体发射光谱仪、滴定法等对5处泉/井水样进行了离子检测，并对水样的溶解性总固体、总碱度、总硬度、CO2侵蚀性及pH值进行测试。
3结果分析
自由落体运动实验
3.1窟区降水特征
根据国家气象科学数据中心公布的中国地面气象观测资料，庆阳市西峰区降水主要集中在7、8、9月份，降水量占全年的57.1%，即降雨主要集中在夏季，全年降雨分布极不均匀(见图5)$北石窟寺山顶气象站安装于2019年，此前北石窟寺降水量主要依靠北石窟寺文物保护研究所工作人员人工测量记录。根据气象站2020年气象数据，区内年降水量为563.4mm，与西峰区历史年均降水量较为相似。但也表现出了分布极为不均的特点，8月份降水量高达245.8mm,6—8月降水量占全年降水量72.4%$这种
不均匀性和自2015年以来的人工观测数据相似，尤其是2019年8月份降水量为189.4m叫6—8月降水量占全年降水量56.2%；2018年7月降水量为247.18mm,6—8月降水量占全年降水量67.3%
图5西峰区2001—2020年月均降水量及2020年北石窟寺月降水量图
Fig.5Monthly average precipitation from2001t。2020in Xifen.District of Qin.an.City and monthly pre
cipitation at Beishiku Temple in2020
3.2泉/井水位特征
对比北石窟寺窟区2020年降水量与神泉、生活用水井水位关系(见图6)$2处泉/井水位低于北石窟寺窟院的高度同为3.3m左右，从1月至12月具有相似的变化趋势，即1—6月水位下降、6—8月中旬水位上升、8月中旬至10月水位下降、10—12月水位上升,7—9月水位波动较大
。
・364・西北大学学报（自然科学版）第51卷
整体呈现出了夏冬季水位高，而春秋季水位低的
特征。神泉全年水位变化幅度为150 mm ，生活用
水井水位变化幅度为300 mm ，生活用水井水位全 年比神泉水位高约150 mm ，仅3 —6月水位基本
持平。而龙泉低于窟院的高度约0.7 m ，非结冰
期水位变化幅度约150 mm ,3 —5月份处于低水
位状态，其他时间段处于高水位状态（见图7） $
根据北石窟寺日降水量与3处泉水位关系可
以确定，降雨过程与生活用水井、神泉水位的上升
具有明显的关联性，降水量促进水位的上升，是导
致夏季水位波动式变化的主要原因。此外，降水
量对龙泉水位的促进作用虽然存在，但对应性明
显小于神泉。
3. 153. 20-
70
3. 403. 253. 303. 353. 453. 50 -
-----1-----H --------7 ■ I _r
1月
2月自锁螺栓
3月
4月 5月
-60
----神泉水位
-生活用水井水位 ■阵帀号
日期
注：生活用水井的水位取每天的最高水位计作当天水位。
图6神泉、生活用水井水位与降水量关系图
Fog.6?Reeatoonshop between paeaopotatoon and wateatabeeotShen Spaongand domestoaaewee
0. 62-图7龙泉水位与降水量关系图
Relationship betueen water table of Long Spring and precipitation
0. 640. 660. 680. 700. 720. 740. 760. 78
0. 80 ——I-1月 2月
—水位
降雨量
Fog.7
3.3泉/井流量特征
经对祈雨泉、鱼泉及鱼泉东北侧龙头处的流
量监测及计算，祈雨泉流量最大，鱼泉流量次之,
鱼泉龙头流量最小，其中祈雨泉平均流量为4. 6 m 3/d ，鱼泉平均流量为1.9 m 3/d ，鱼泉龙头平均
流量为0.9 m 3/d o 除鱼泉龙头的流量在0.6〜1.1 m 3/d 之间小范围波动外，鱼泉和祈雨泉的年
际流量在1—5月和9—12月较为稳定，而6 —8 月流量波动较大，呈增高的趋势（见图8）$
北石窟寺6—8月雨季的到来是流量波动的
