敦煌莫高窟顶灌木林带防护效应研究

风洞模拟实验和野外观测结果表明,平均林带高H=1 5m,疏透度β=50%的两条灌木林带周围的气流场分为7个能量区。在贴地层,有林带前的拐角绕流阻滞减速区,林带中的灌丛阻挡湍流衰减区,林带后的回流涡旋减速及速度恢复区,林带远方的气流附体加速区。在林带上部,有林带间的阻滞减速区和林带后的涡旋减速区,在林带顶后部有集流加速区。风沙流在阻滞、涡旋回流减速区沉积,而在加速区则会产生风蚀,在林带顶上下层气流交换加强。在低速时林带阻沙能力较强,当风速为10m·s-1时,有林带的输沙量可减少一个量级,即阻滞90%的风沙流;在中高风速时(风速为15m·s-1及以上),林带对风沙流的阻滞作用明显减弱,只阻滞20%。     

尼龙网栅栏防沙效应的风洞模拟实验

通过尼龙网栅栏防风沙效应的风洞模拟实验,发现采用尼龙网制成的栅栏,其作用兼有疏透和通风两种形式,是一种比木质栅栏更优良的新材料,其最佳孔隙度为40%~45%,保护区达30H以上。其积沙效率在中速时超过70%,在特大风时也超过50%。同时,尼龙网栅栏具有一定的导沙性能,其临界角约为45°。如果超过45°,导沙效率将降低。     

莫高窟崖顶防沙工程的效益分析

４年防沙实践证明：莫高窟崖顶防沙试验的工程设计构思是正确的，设计依据科学可靠，防护效益显著。对保护石窟和壁画已经起到重要的作用．其具体防护作用是：１）直接控制偏西风向洞窟搬运沙量的９５％左右；２）洞前夜间积沙减少了８０％以上；３）外围栅栏对来自主风向的外侧积沙的侧导率平均为３５％；对内侧积沙的侧导率，在偏东风作用下可达５７．５１％，在偏西风作用下平均为１５．８９％．上述防沙作用均具有明显的季节变化。     

敦煌莫高窟风沙危害综合防护体系设计研究

风沙危害是敦煌莫高窟保护面临的主要环境问题之一,建立一个完整的防护体系是解决这一问题的有效途径。在对20世纪80年代以来建立的防沙治沙试验工程防护效应分析研究的基础上,对敦煌莫高窟风沙危害综合防护体系设计进行了讨论。根据因地制宜,因害设防;以固为主,固、阻、输、导相结合;以工程和生物措施为主,兼顾化学固沙;高新技术与常规治理技术相结合;重点治理,分阶段实施与长远目标相结合的设计原则,认为根据不同地貌特征及地表组成物质,依次建立鸣沙山前缘流动沙丘和平坦沙地阻固区、窟顶戈壁防护区、洞体崖面固结区、石窟对面流动沙丘固定区、窟区防护林带建设区及天然植被封育保护区,可使危害莫高窟的风沙灾害得到有效控制,并达到莫高窟作为世界文化遗产和全国重点文物保护单位对环境质量的要求。     

敦煌莫高窟窟前林带防护效应的风洞实验

洞窟环境包括窟内的温度、湿度、光照、气流等环境因素的适宜程度,对保护洞窟内的壁画和彩塑是十分重要的。洞窟环境不仅因洞窟所处的位置、大小、型制、有无窟门及窟门形式等而异,而且与窟外整个大环境密切相关。不同风况对洞窟内的气流交换起着重要的作用,也是造成石窟壁画彩塑风沙尘粒沉积、崖面风蚀的主要原因。通过风洞模拟实验,从窟前流场、洞窟环流、崖角形状及其受力等几个方面研究了窟前林带的防护效应和崖角防风蚀机理。结果表明：从控制洞窟水汽因素来讲,窟前以通风结构林带最佳,疏透结构林带次之,紧密结构林带欠佳。控制窟前林带灌溉强度,建立多次、少量的窟前林带灌溉制度,同时,在偏东风条件下尽量减少对窟前林带的灌溉,是控制林带生长和底层洞窟侧渗的重要一环。考虑到促进洞窟自然通风的需求,采用一定疏透度的窟门和采取必要的强迫通风,能够较大改善洞窟的自然通风和环境适宜状况。     

敦煌莫高窟岩体风蚀机理及其防护对策的研究

利用风洞模拟实验研究莫高窟岩体的风蚀机理，结果表明，挟沙风风蚀速率明显大于净风。沙岩（层）结构、构造脆弱是产生岩体风蚀差异的主要原因。其中“沙楔”作用加速了风蚀烈度。采用１０％的ＳＳ和１０％的ＰＳ材料加固岩体是防止岩体风蚀的一条重要途径。     

论敦煌莫高窟的若干风沙问题

本文根据莫高窟风沙活动规律和风沙危害方式对以往的防沙工程进行了评述,提出了治沙的必要性和长久性,建议在窟顶沙山前沿应采取以阻沙为先导,以窟柄戈壁输沙及崖体固沙为两翼“六带一体”的防护体系。     

栅栏防护体系空气动力学效应研究进展

栅栏防护体系的空气动力学效应研究是揭示其防护机理的重要基础,也是风沙工程学和风沙物理学应用研究的主要组成部分。根据已有的研究成果,全面综述了近半个多世纪以来有关栅栏防护体系空气动力学机制方面的研究进展,对各个时期的主要成果作以介绍,并对几种代表性防护栅栏最佳疏透度的确定方法及范围分别加以对比分析。分析认为,对栅栏空气动力学效应已取得了相对较深的认识,并且积累了大量的研究经验,对于认识栅栏防护机理具有重要的指导和启发作用。但影响栅栏防护效益的因素是复杂的,众多研究都运用了过多的简化与假设,而且研究者们对于栅栏防护效应的理解不同以及所强调的保护侧重点不同导致评判的标准也各不相同,最终得到的最佳疏透度也有所差异,不能直接运用于实践中。鉴于此,在将来的研究中运用现代测量技术获取可靠的数据资料仍然很重要。     

敦煌莫高窟的“A”字形尼龙防沙网

莫高窟俗称千佛洞,坐落于甘肃省敦煌市东南25公里处的呜沙山东麓断崖上。莫高窟以精美的壁画和塑像闻名于世,被誉为“世界艺术画廊”、“墙壁上的博物馆”。1987年,被联合国教科文组织世界遗产委员会列入世界文化遗产名录。是世界上现存规模最大、内容最丰富的佛教艺术圣地。     

敦煌莫高窟风沙危害综合防护体系探讨

通过对敦煌莫高窟防沙历史的综合总结和分析,认为莫高窟作为我国乃至世界古代灿烂文化艺术的瑰宝,是甘肃对外交流的主要窗口之一,也是我国重要的旅游地之一。单纯的消极人工清沙已远远不能适应现代社会对生态环境质量的需要和旅游业作为该地区经济发展基本点的要求。那么,创造一个良好的旅游生态环境及文物保护工作环境,不仅有利于整个窟区生态环境的改善,且其示范效应将带动本地区乃至整个河西地区的荒漠化治理。根据风沙环境特征,提出了莫高窟防护体系建立的主导思想是:以防治西北、西南主害风为主,根据鸣沙山、砂(砾)质戈壁、窟顶崖面等不同地带的具体风沙运动规律,采取以固为主,固、阻、输、导相结合的防护原则,以切断或削弱鸣沙山沙源和固定流沙,并消除沙砾质戈壁面的就地起沙为目的,建立一个由工程、生物、化学措施组成的多层次、多功能的综合防护体系,从根本上消除风沙活动对莫高窟的危害。同时对莫高窟综合防护体系建设的总体布局及防护宽度、砾石铺压的基本原理作了一个初步的探讨。     

莫高窟窟顶戈壁防护带阻截和输导功能研究

多风信条件下, 沙砾质戈壁与鸣沙山进行着往复式的能量交换及物质运动。部分沙物质在砾石的保护下, 形成阻沙。部分沙物质在跃移沙粒的激化下形成戈壁风沙流并对洞窟产生危害。戈壁风沙流是造成沙砾质戈壁从稳定向不稳定状态演化的主要动力因素; 而上风向沙源的供给状况又是决定砾石床面阻沙和导沙的主要因素。基于此, 戈壁防护带应首先控制来自鸣沙山的沙源, 采取以阻断或减少外来沙源, 通过固定和覆盖沙砾质戈壁地表以及增加下垫面粗糙度等, 来造成一种既利于沙子堆积的条件, 又能促进形成天然戈壁输沙场, 从而为偏东风反向搬运创造一个适宜场。因此, 如何因势利导, 使窟顶流场与风沙地貌达到一种动力平衡, 是莫高窟综合防护体系成功与否的关键之一。这与以往单风向或双风向条件下所探讨的防护体系效应有着本质的区别。     

Overall efficiency of a V-shaped nylon net fence in preventing sand damage to the Mogao Grottoes

A V-shaped nylon net fence installed in 1990 on top of the Mogao Grottoes is shown to be effectively resisting aeolian sand damage to the grottoes. The structure guides and causes deposition of sand from westerly wind (the primary hard wind), but to some extent hinders the inverse function of easterly wind carrying sand away from the grottoes toward Mount Mingsha. The gobi side by the fence experiences higher wind speed, so that on which are easily formed undercutting pits, and the deposited sands on it generally form double-peak structures due to abundant sand sources. If the earth surface characteristics in gobi areas by both sides of the fence are quite varied, the erosion and deposition features of the accumulating sand section are similar in different seasons; however, if the earth surface characteristics are similar, the features become irregular in different seasons. Sand depositions with long slope feet are formed along the south and north sides of V-shaped nylon net fence. Disrupted by strong westerly wind and northwesterly wind, sand accumulations by north of the fence are in form of single peaks. Although the operation duration of the V-shaped nylon net fence has exceeded its design life (10 years), our observations indicate that it is still effective in reducing wind-driven sand damages to the Mogao Grottoes, so it should not be withdrawn.     

莫高窟顶戈壁偏东风作用下输沙率变化的观测研究

通过一次沙尘暴天气过程对莫高窟顶不同观测点戈壁风沙流结构和输沙率的时空变化特征进行了系统同步观测。观测表明,偏东风条件下,当风速为10 m·s-1时,水平观测方向上存在一个各点输沙率平衡的阶段,即崖顶戈壁至鸣沙山边缘戈壁各观测点的输沙率相当;当风速大于10 m·s-1时,戈壁地表以风蚀搬运作用为主,出现了戈壁向鸣沙山的长距离风沙搬运;当风速小于10 m·s-1时,戈壁沙物质的长距离搬运作用不明显。不同风况及沙源条件下,风沙流结构和输沙特征会发生显著变化。借鉴Lattau输沙率方程,运用风速和输沙率推算各观测点输沙率的时空变化,计算结果表明,在风速为10 m·s-1左右时,窟顶戈壁带的输送效率约为60%。     

不同间距双排尼龙阻沙网防风效应的风洞模拟

为揭示风速和间距对双排尼龙阻沙网防风效应的影响,开展对2H、5H、10H、15H（H为尼龙网高度）间距尼龙阻沙网在6、9、12 m·s^-1风速下的风洞模拟试验,对不同风速、间距下加速率等值线、变化趋势和防风效能进行对比分析。结果表明：①风速和间距对双排尼龙阻沙网加速率极小值出现的相对位置基本无影响,但后排网后极小值小于前排网后,两排尼龙网对风场的影响存在累加效应。②双排尼龙阻沙网防风效应随来流风速增大而明显降低。③2H、5H间距双排尼龙阻沙网防风效应相对较好,5H最优,10H最差该结果与相同间距设置的野外实验相一致。实际应用中尼龙阻沙网的布设应综合考虑风况、布设间距等因素,笔者建议双排尼龙阻沙网布设间距采用5H。     

敦煌莫高窟大气可吸入颗粒物的化学元素特征

利用电感耦合等离子体质谱仪测定了敦煌莫高窟洞窟内外大气可吸入颗粒物中27种元素的质量浓度。结果表明:典型地壳元素Na、Mg、Al、K、Ca、Fe占测定元素总质量浓度的96%以上。通过洞窟内外PM2.5与PM10-2.5中元素质量浓度对比发现,Li、Na、Mg、K、Ca、Co、Ni、Zn、Sr、Cs、Ba、U等元素主要存在于PM10-2.5中。沙尘天气时,洞窟外环境中的Co、Ga、As、Cs、Ba元素质量浓度降低,表明沙尘过程对这些元素有稀释作用。富集因子分析显示,洞窟内外可吸入颗粒物中B、Na、Ca、Mn、Cu、Zn、As、Sr、Tl、Pb、Bi、U的EF值均大于10,表明人类活动产生的污染物对以上元素的富集起主要作用。富含Ca、Mn、Cu、Zn、As、Pb等元素的矿物颜料在洞窟壁画制作中被大量使用,其对区域环境大气可吸入颗粒物微量元素的富集也有一定的贡献作用。游客数量与洞窟内外元素Bi浓度存在较显著的线性关系,表明环境中的Bi元素浓度变化受游客活动影响。本研究首次对莫高窟大气可吸入颗粒物中元素含量进行了监测和分析,研究成果为石窟文物及其赋存环境中可吸入颗粒物污染的治理及控制提供了科学...     

敦煌莫高窟顶几种典型床面蚀积量变化过程的初步观测

通过对莫高窟窟顶自然和人工床面的风蚀、输导及堆积沙量变化的野外监测,初步观测结果表明：在偏西风作用下,自然状况下的戈壁床面阻截了来自鸣沙山40％的沙量,其余60%的沙量进入窟区;而偏东风又可将偏西风、偏南风作用下沉积于窟顶90％的沙量吹回到鸣沙山边缘。床面阻、输性质与沙源供给状况密切相关。沙源丰富时,风沙流以较饱和形式输送,易形成输沙床面性质;沙源匮乏时,风沙流多以不饱和形式输送,形成阻沙-输沙床面性质。砾石直径较大（＞4 cm）的床面主要呈现堆积性质,对偏西的风沙流阻滞功效比较明显,每100 m阻沙率可达45％;偏东风作用下,每100 m阻沙率可达19％; 而砾石直径较小（1 cm）的床面,主要以风沙输沙功能为主,是一个非堆积搬运床面。