云冈石窟凝结水监测研究
日期：2011-03-02 访问量：6363 文章来源：Admin
项目主要完成单位：云冈石窟研究院 中国地质大学（北京）
项目主要完成人：曹继忠 万力 曹文炳 曹亦键 甘向明 宁波 张润平
国内外许多研究证明，水是引起石质文物风化的最重要的因素之一。而影响云冈石窟雕刻风化的水的形式主要有四种，一是雨季时洞窟顶部或北壁的渗水，二是毛细水，三是雨水对外壁面雕刻的直接冲刷，四是凝结水。前三者都有比较多的研究，但关于凝结水的研究一直没有突破。事实上，关于凝结水对石质文物的影响问题十九世纪末英国就有学者提及，但在文化遗产保护领域却一直没有得到应有的重视。
为了解石雕表面凝结水的情况，云冈石窟研究院曾在上世纪90年代初与山西省第三综合勘察院有关技术人员合作，选用试纸、玻璃、塑料布、岩样四种材料在云冈石窟第5窟内进行凝结水试验研究。其中试纸和岩样两组试验得到一些粗略的实验数据，结果表明雨季时云冈石窟第5窟内砂岩表面每天的凝结水可达28千克。这种方法尽管非常简单，也存在很大的误差，但即便有误差，也足以说明云冈石窟洞窟内砂岩表面凝结水量是相当大的,应该引起足够的重视。
国内外文物保护工作者之所以对凝结水的形成机制和防治认知甚少，原因是没有系统的洞窟内部环境监测设备和合适的测量装置来准确测定岩石表面凝结水量，因而阻碍了人们对凝结水对岩石风化作用的认识。2002年开始的国家文物局“十五”期间重点工程之一──云冈石窟防水保护工程是一项石窟水患综合治理的重大工程，工程专家组明确提出洞窟内部凝结水的治理也应该纳入工程之中。为此，云冈石窟研究院与中国地质大学（北京）合作，共同开展了洞窟凝结水形成机理、形成规律和防治对策研究。
一、 洞窟环境监测系统的建立
为了解洞窟中的凝结水形成规律，在SHJ-1室内环境监测系统基础上建立了洞窟环境监测系统。该系统可以对洞窟内部空气相对湿度、风速、气温、岩石表面及内部温度4个控制凝结水形成的主要因子进行连续观测。选择有代表性的洞窟第5窟（有窟檐）和第9窟（无窟檐）中安装洞窟环境监测系统，在每个窟中不同深度、不同高度安装8组采集器，全面了解洞窟内部凝结水形成的条件和规律，为治理凝结水提供科学依据。以2005年7月至2006年7月一个水文年的观测资料为例，可以发现洞窟内凝结水形成环境的规律。云冈石窟洞窟内部形成凝结水的季节主要集中在7、8、9月，特别是在雨季洞窟内部相对湿度达到70%时是凝结水形成的临界值；位于洞窟深处的岩壁温度低，露点温度高于岩壁温度时，满足水汽凝结条件，便会在岩壁上形成凝结水。
二、我国第一台石窟凝结水水量测量装置的研制
石窟岩壁表面凝结水水量测量装置的研制是本课题要解决的重点，也是难点。课题组采用密闭气流循环干燥原理，研制出我国第一台石窟凝结水定量测量装置，并准确测定了岩石表面的凝结水量。该装置不仅能在室内条件下模拟出空气在岩石表面凝结的过程和准确地测出凝结水量，而且能用于洞窟石壁的实地测量。
1.凝结水水量测量装置原理与主要结构（室内试验）
凝结水水量测量装置采用在密闭条件下，让气流通过不同的循环路径，分别对岩石表面的凝结过程及产生的凝结量进行研究和测量。采用的主要仪器有: 密封罩、数字相对湿度仪（附带测温功能）、数字温度计、空气流量计、空气循环泵、加湿瓶和干燥瓶，用管路和阀门将其连接，构成一个完整的密闭测量系统,附带一个用于凝结试验的冷却箱。
凝结水水量测量装置由制冷系统和凝结系统两部分组成。其中制冷系统包括制冷箱、制冷铜管、冰水水箱与水泵。凝结系统由凝结箱、凝结岩石板、风泵、循环空气加湿器、气体流量计、数字相对湿度计、温度计、导管共同组成了的一个封闭循环回路，使整个试验过程不受外界干扰。
2.凝结水测定方法
上述装置既可进行凝结水产生过程的试验研究，又可测量凝结水量。在室内研制过程中，采用不透水的辉绿玢岩石板来测试装置性能。首先，关闭A3和B1、B2阀门，开启A1和A2、B3阀门，启动气流测量系统和冷却系统。采集相对湿度、空气流量、温度（进气温度、岩样表面温度、密封测量箱内的温度）等初始数据。让循环气流通过加湿瓶，增加气流中的相对湿度，直到岩样表面出现凝结水为止，并测出加湿瓶中水的消耗量。然后，关闭冷却系统和空气循环泵，用天平称出一定量的干燥剂放入干燥瓶中，并关闭阀门A1和A2、B3，开启A3和B1、B2阀门，重新启动空气循环泵，让气流通过干燥瓶，使石板上的凝结水蒸发，当相对湿度计1、2的数值相同后，便可认为石板上的凝结水完全蒸发，即可结束试验。取出干燥瓶中的干燥剂，称其重量，该重量与初始重量之差便是凝结水量。将该量与加气瓶中水量消耗量比较，可得知试验装置的测试精度。采用以上方法，反复多次进行室内试验，结果表明试验装置的试验误差为2~5％。
3.试验装置的室内试验
在成功研制出模拟凝结水产生过程和凝结水水量测量装置之后，为了检验装置的可靠性、测定不同凝结时间和不同粗糙度岩石表面对凝结水量的影响，课题组选取不同粗糙度【粗糙度相当于巴顿（Barton）1977年制定的“标准粗糙程度剖面及JRC值表”中的3级、5级和7级】的辉绿玢岩石板作为凝结试验板开展了一系列的室内试验。
试验结果表明：新研制的凝结水测量装置用于测定不同粗糙度岩石表面的凝结水量是可靠的。不同粗糙度的辉绿玢岩石板表面凝结水量随时间增加而增大；在凝结前期凝结速率较低，随后的一段时间，凝结速率则明显增大。在凝结后期，随着凝结量的增多，凝结水珠变大，凝结速度明显增大。当岩石板上形成大面积凝结水时，水面的比表面积将达到最小，而凝结速度也将达到最大，凝结水量不断增加。但辉绿玢岩石板表面总凝结水量与粗糙度大小刚好相反，即光滑表面的总凝结水量大于粗糙表面凝结水量。
三、使用新研制的凝结水水量测量装置在云冈石窟进行的现场试验研究
根据洞窟环境监测结果，云冈石窟区在夏季空气湿度大，洞内外温差大，洞窟岩壁易形成凝结水。2004年8月和2005年7月至8月，课题组人员先后两次使用新研制的凝结水水量测量装置，在云冈石窟第3窟东耳洞内的平硐进行了岩壁凝结水水量现场试验。2010年8月，再次分别在云冈石窟第5窟和第9窟诵经道进行了岩壁凝结水水量现场试验。
岩壁凝结水水量现场试验结果表明，现场测得的凝结水量为137~308克/平方米，单位面积的平均凝结速率为9.92~15.03克/平方米·小时，其数量和凝结速率都相当可观。结合环境监测资料分析可知，凝结水主要出现在洞内靠山体的岩壁表面和内部温度较低处，也就是说，在相对湿度较大的条件下，岩壁与气温温差较大处，容易形成凝结水；凝结水量随洞内空气中相对湿度增加而增大，尤其是在雨天相对湿度较大的条件下，平均凝结速率较大。试验期间，露点温度总体高于岩壁表面和内部温度，凝结水形成作用明显。
由于云冈石窟中的砂岩表面凹凸不平，孔隙较多，岩石表面温度较低时，岩石内部温度比表面还要低0.3~1.8℃，使得水汽凝结不仅发生在岩石表面，而且还深入到岩石内部，导致凝结深度和面积大为增加，造成凝结水量较大。所以，凝结水所引起的风化作用更广、更深，对石雕更具破坏性。这一发现突破了凝结水仅在石雕表面形成的认识。
四、首次在云冈石窟进行的洞窟岩壁渗水量测量试验
大气降雨后，石窟顶部雨水透过第四纪覆盖层之后，通过砂岩孔隙和裂隙进行渗透，一部分入渗水沿较宽的裂隙进入洞窟中，以滴水方式从窟顶或石窟北壁裂隙中排出。另一部分则通过砂岩孔隙渗透。所以，使用新研制的凝结水水量测量装置在洞窟现场所测的“凝结水水量”中，必然会包含一部分来自山体砂岩孔隙中的水量。为了在测定的“凝结水水量”中扣除来自岩壁砂岩内部的水量，课题组设计了两种试验测定了岩壁的渗水量。
1.小范围的岩壁渗水量测量
在天气晴好凝结水很少的情况下，采用凝结水水量测量装置，在云冈石窟进行了洞窟岩壁渗水量测量试验。试验之前先启动干燥循环测量系统充分去除岩壁凝结水，然后测得的水量，便是岩壁渗水量。
试验于2005年8月5日至8月9日进行，历时92小时。试验期间，天气以晴为主，洞窟内岩壁转干，无明显凝结。测量结果表明：单位面积岩壁渗水速率为0.269~0.462克/平方米·小时，且随时间呈波动变化。说明来自山体岩壁的渗水速率较小，仅为凝结水的凝结速率的3％左右。所以，采用凝结水水量测量装置在现场测得的凝结水量中岩壁渗水量仅占很小的份额。
2.洞窟封闭试验
由于凝结水水量测量装置测量面积仅为1000平方厘米，面积较小。为了取得更有代表性的数据，故采用大洞封闭试验来测定岩壁砂岩的渗水量。该方法实质上是将第3窟东耳洞内平硐进行全封闭，代替凝结水水量测量装置中的密封罩，仍采用密闭循环气流干燥法测定来自山体内部的岩壁渗水量。
试验于2005年11月15日至18日进行。从测量结果可看出，初冬季节，洞内气温略高于洞外气温，气候干燥，蒸发速率较高。此时，岩壁内岩石孔隙中的水大多处于非饱和状态，孔隙水多以毛细水或孔角毛细水的形式出现，以蒸发的形式向外排泄，量较小。因此，所测得的岩壁水汽通量只有0.80~1.61克/平方米，速率仅有0.05~0.2 克/平方米·小时。
该试验测得的岩壁渗水量与同年8月5日进行的试验相比要小很多，表明气候对砂岩中的水分分布有较大影响。同时，洞窟封闭试验结果再次说明，采用凝结水水量测量装置测得的凝结水量中岩壁渗水仅占极小的份额，进而说明了新研制的凝结水水量测量装置在石窟内部岩壁所测的凝结水是较为准确的。
五、凝结水治理试验
洞窟内部环境监测结果表明，在控制凝结水形成的4个因子中，相对湿度随天气变化快，是凝结水形成最为重要的因子。只要降低相对湿度，便能有效地控制水汽在岩壁上凝结，减轻由此而引起的石雕风化。为此，2005年7月29日至8月7日，课题研究人员在第5窟诵经道内，采用除湿机降低相对湿度的方法进行了防治凝结水现场试验。
试验前，诵经道内相对湿度为85~95%，露点温度高于岩壁温度，水汽出现凝结，岩壁潮湿，有水珠。启动除湿机后，各监测点的相对湿度降低到65~76%，露点温度相应下降4℃左右，低于岩石表面温度，凝结现象消失，整个诵经道内变得干燥了许多。而此时与第5窟紧邻的第6窟，由于没有安装除湿机，后室的岩壁上凝结水明显，与第5窟形成很大的反差。试验期间，关闭除湿机后，各个监测点的相对湿度逐渐增大，露点温度相应增高。重新启动除湿机后，相对湿度再次降低，露点温度也随之降低。试验证明，采用除湿机降低相对湿度是防治凝结水形成的一种简单而有效的方法。
六、课题实施效果与创新点
1.课题实施效果
利用在SHJ-1室内环境监测系统基础上建立的洞窟环境监测系统，对云冈石窟洞窟内部相对湿度、风速、气温、岩石表面及内部温度4个控制凝结水形成的主要因子进行了连续观测。观测结果说明，洞窟内4个控制凝结水形成的主要因子时空变化较大。在雨季洞窟相对湿度较高，是凝结水形成的主要时期；位于洞窟深处的岩壁温度相对较低，露点温度高于岩壁温度时，满足水汽凝结条件，便会在岩壁上形成凝结水。
利用密闭循环气流干燥原理，研制出的我国第一台石窟凝结水水量测量装置，在准确测量云冈石窟洞窟内部岩壁上的凝结水量的过程中取得满意的效果。同时首次在云冈石窟进行的岩壁渗水量测量试验表明：云冈粗砂岩单位面积渗水速率较小，为0.269~0.462克/平方米·小时，仅占凝结水的凝结速率的3％左右。说明石窟凝结水水量测量装置所测的数据接近实际凝结水量。
降低相对湿度，使露点温度降低至岩壁温度以下，就能破坏凝结水形成条件，达到防治凝结水的目的。采用除湿机，可以达到降低相对湿度和露点温度的目的，能有效防止凝结水形成，适合用于石窟凝结水的防治。
2.创新点
该课题在以下6个方面取得理论或技术上的突破或创新：
（1）利用密闭循环气流干燥原理，研制出我国第一台石窟凝结水水量测量装置，并准确测量了云冈石窟洞窟内部岩壁上的凝结水量。
（2）建立了洞窟环境监测系统，并首次对云冈石窟洞窟内部相对湿度、风速、气温、岩石表面及内部温度4个控制凝结水形成的主要因子进行连续观测，揭示了云冈石窟洞窟内部凝结水形成的规律。
（3）首次在云冈石窟进行了洞窟岩壁渗水量测量试验。试验表明：云冈石窟粗砂岩单位面积渗水速率较小，为0.269~0.462克/平方米·小时，仅占凝结水的凝结速率的3％左右。说明石窟凝结水水量测量装置所测的数据接近实际凝结水量。
（4）通过监测研究，发现凝结水不但可以在砂岩表面形成，而且可以通过与外界相通的孔隙网络在一定深度的岩石内部形成。所以，凝结水所引起的风化作用更广、更深，对石雕更具破坏性。这一发现突破了凝结水仅在石雕表面形成的认识。
（5）试验证明，采用除湿机降低洞窟内部相对湿度和露点温度是简单、有效防止凝结水形成的方法，为治理洞窟凝结水摸索出了可行的方法。
（6）通过试验，发现了云冈石窟洞窟内部形成凝结水的临界条件，即在夏季相对湿度达到70％以上才具有产生凝结的条件。意味着在雨季只要将洞窟内部的相对湿度降低到70％以下，便可有效地防止凝结水形成，达到防治凝结水的目的。
七、研究成果的应用和推广
该项研究的技术成果成功应用于云冈石窟凝结水研究中，解决了多年来困扰文物保护工作者的云冈石窟洞窟内凝结水形成规律和定量测定的技术问题，找到了防治石窟内部凝结水的一种简单而有效的办法，为云冈石窟全面治理凝结水乃至云冈石窟的防水保护提供了科学的依据和可行的方法。
研制出的我国第一台石窟凝结水水量测量装置和一整套石窟内部凝结水形成规律的研究方法已经在世界文化遗产龙门石窟、大足石刻大悲阁千手观音造像的凝结水研究中得到成功的推广应用。
该项研究成果不仅能够用于石窟寺凝结水的研究和治理，同时也可应用于墓葬内部、地下文物库房内部等封闭或半封闭环境中的凝结水研究和治理中。
（本项目得到国家十一五科技支撑计划项目2009BAK53B02石窟水分来源综合探查技术研究的资助）（曹凤娇）
项目主要完成人：曹继忠 万力 曹文炳 曹亦键 甘向明 宁波 张润平
国内外许多研究证明，水是引起石质文物风化的最重要的因素之一。而影响云冈石窟雕刻风化的水的形式主要有四种，一是雨季时洞窟顶部或北壁的渗水，二是毛细水，三是雨水对外壁面雕刻的直接冲刷，四是凝结水。前三者都有比较多的研究，但关于凝结水的研究一直没有突破。事实上，关于凝结水对石质文物的影响问题十九世纪末英国就有学者提及，但在文化遗产保护领域却一直没有得到应有的重视。
为了解石雕表面凝结水的情况，云冈石窟研究院曾在上世纪90年代初与山西省第三综合勘察院有关技术人员合作，选用试纸、玻璃、塑料布、岩样四种材料在云冈石窟第5窟内进行凝结水试验研究。其中试纸和岩样两组试验得到一些粗略的实验数据，结果表明雨季时云冈石窟第5窟内砂岩表面每天的凝结水可达28千克。这种方法尽管非常简单，也存在很大的误差，但即便有误差，也足以说明云冈石窟洞窟内砂岩表面凝结水量是相当大的,应该引起足够的重视。
国内外文物保护工作者之所以对凝结水的形成机制和防治认知甚少，原因是没有系统的洞窟内部环境监测设备和合适的测量装置来准确测定岩石表面凝结水量，因而阻碍了人们对凝结水对岩石风化作用的认识。2002年开始的国家文物局“十五”期间重点工程之一──云冈石窟防水保护工程是一项石窟水患综合治理的重大工程，工程专家组明确提出洞窟内部凝结水的治理也应该纳入工程之中。为此，云冈石窟研究院与中国地质大学（北京）合作，共同开展了洞窟凝结水形成机理、形成规律和防治对策研究。
一、 洞窟环境监测系统的建立
为了解洞窟中的凝结水形成规律，在SHJ-1室内环境监测系统基础上建立了洞窟环境监测系统。该系统可以对洞窟内部空气相对湿度、风速、气温、岩石表面及内部温度4个控制凝结水形成的主要因子进行连续观测。选择有代表性的洞窟第5窟（有窟檐）和第9窟（无窟檐）中安装洞窟环境监测系统，在每个窟中不同深度、不同高度安装8组采集器，全面了解洞窟内部凝结水形成的条件和规律，为治理凝结水提供科学依据。以2005年7月至2006年7月一个水文年的观测资料为例，可以发现洞窟内凝结水形成环境的规律。云冈石窟洞窟内部形成凝结水的季节主要集中在7、8、9月，特别是在雨季洞窟内部相对湿度达到70%时是凝结水形成的临界值；位于洞窟深处的岩壁温度低，露点温度高于岩壁温度时，满足水汽凝结条件，便会在岩壁上形成凝结水。
二、我国第一台石窟凝结水水量测量装置的研制
石窟岩壁表面凝结水水量测量装置的研制是本课题要解决的重点，也是难点。课题组采用密闭气流循环干燥原理，研制出我国第一台石窟凝结水定量测量装置，并准确测定了岩石表面的凝结水量。该装置不仅能在室内条件下模拟出空气在岩石表面凝结的过程和准确地测出凝结水量，而且能用于洞窟石壁的实地测量。
1.凝结水水量测量装置原理与主要结构（室内试验）
凝结水水量测量装置采用在密闭条件下，让气流通过不同的循环路径，分别对岩石表面的凝结过程及产生的凝结量进行研究和测量。采用的主要仪器有: 密封罩、数字相对湿度仪（附带测温功能）、数字温度计、空气流量计、空气循环泵、加湿瓶和干燥瓶，用管路和阀门将其连接，构成一个完整的密闭测量系统,附带一个用于凝结试验的冷却箱。
凝结水水量测量装置由制冷系统和凝结系统两部分组成。其中制冷系统包括制冷箱、制冷铜管、冰水水箱与水泵。凝结系统由凝结箱、凝结岩石板、风泵、循环空气加湿器、气体流量计、数字相对湿度计、温度计、导管共同组成了的一个封闭循环回路，使整个试验过程不受外界干扰。
2.凝结水测定方法
上述装置既可进行凝结水产生过程的试验研究，又可测量凝结水量。在室内研制过程中，采用不透水的辉绿玢岩石板来测试装置性能。首先，关闭A3和B1、B2阀门，开启A1和A2、B3阀门，启动气流测量系统和冷却系统。采集相对湿度、空气流量、温度（进气温度、岩样表面温度、密封测量箱内的温度）等初始数据。让循环气流通过加湿瓶，增加气流中的相对湿度，直到岩样表面出现凝结水为止，并测出加湿瓶中水的消耗量。然后，关闭冷却系统和空气循环泵，用天平称出一定量的干燥剂放入干燥瓶中，并关闭阀门A1和A2、B3，开启A3和B1、B2阀门，重新启动空气循环泵，让气流通过干燥瓶，使石板上的凝结水蒸发，当相对湿度计1、2的数值相同后，便可认为石板上的凝结水完全蒸发，即可结束试验。取出干燥瓶中的干燥剂，称其重量，该重量与初始重量之差便是凝结水量。将该量与加气瓶中水量消耗量比较，可得知试验装置的测试精度。采用以上方法，反复多次进行室内试验，结果表明试验装置的试验误差为2~5％。
3.试验装置的室内试验
在成功研制出模拟凝结水产生过程和凝结水水量测量装置之后，为了检验装置的可靠性、测定不同凝结时间和不同粗糙度岩石表面对凝结水量的影响，课题组选取不同粗糙度【粗糙度相当于巴顿（Barton）1977年制定的“标准粗糙程度剖面及JRC值表”中的3级、5级和7级】的辉绿玢岩石板作为凝结试验板开展了一系列的室内试验。
试验结果表明：新研制的凝结水测量装置用于测定不同粗糙度岩石表面的凝结水量是可靠的。不同粗糙度的辉绿玢岩石板表面凝结水量随时间增加而增大；在凝结前期凝结速率较低，随后的一段时间，凝结速率则明显增大。在凝结后期，随着凝结量的增多，凝结水珠变大，凝结速度明显增大。当岩石板上形成大面积凝结水时，水面的比表面积将达到最小，而凝结速度也将达到最大，凝结水量不断增加。但辉绿玢岩石板表面总凝结水量与粗糙度大小刚好相反，即光滑表面的总凝结水量大于粗糙表面凝结水量。
三、使用新研制的凝结水水量测量装置在云冈石窟进行的现场试验研究
根据洞窟环境监测结果，云冈石窟区在夏季空气湿度大，洞内外温差大，洞窟岩壁易形成凝结水。2004年8月和2005年7月至8月，课题组人员先后两次使用新研制的凝结水水量测量装置，在云冈石窟第3窟东耳洞内的平硐进行了岩壁凝结水水量现场试验。2010年8月，再次分别在云冈石窟第5窟和第9窟诵经道进行了岩壁凝结水水量现场试验。
岩壁凝结水水量现场试验结果表明，现场测得的凝结水量为137~308克/平方米，单位面积的平均凝结速率为9.92~15.03克/平方米·小时，其数量和凝结速率都相当可观。结合环境监测资料分析可知，凝结水主要出现在洞内靠山体的岩壁表面和内部温度较低处，也就是说，在相对湿度较大的条件下，岩壁与气温温差较大处，容易形成凝结水；凝结水量随洞内空气中相对湿度增加而增大，尤其是在雨天相对湿度较大的条件下，平均凝结速率较大。试验期间，露点温度总体高于岩壁表面和内部温度，凝结水形成作用明显。
由于云冈石窟中的砂岩表面凹凸不平，孔隙较多，岩石表面温度较低时，岩石内部温度比表面还要低0.3~1.8℃，使得水汽凝结不仅发生在岩石表面，而且还深入到岩石内部，导致凝结深度和面积大为增加，造成凝结水量较大。所以，凝结水所引起的风化作用更广、更深，对石雕更具破坏性。这一发现突破了凝结水仅在石雕表面形成的认识。
四、首次在云冈石窟进行的洞窟岩壁渗水量测量试验
大气降雨后，石窟顶部雨水透过第四纪覆盖层之后，通过砂岩孔隙和裂隙进行渗透，一部分入渗水沿较宽的裂隙进入洞窟中，以滴水方式从窟顶或石窟北壁裂隙中排出。另一部分则通过砂岩孔隙渗透。所以，使用新研制的凝结水水量测量装置在洞窟现场所测的“凝结水水量”中，必然会包含一部分来自山体砂岩孔隙中的水量。为了在测定的“凝结水水量”中扣除来自岩壁砂岩内部的水量，课题组设计了两种试验测定了岩壁的渗水量。
1.小范围的岩壁渗水量测量
在天气晴好凝结水很少的情况下，采用凝结水水量测量装置，在云冈石窟进行了洞窟岩壁渗水量测量试验。试验之前先启动干燥循环测量系统充分去除岩壁凝结水，然后测得的水量，便是岩壁渗水量。
试验于2005年8月5日至8月9日进行，历时92小时。试验期间，天气以晴为主，洞窟内岩壁转干，无明显凝结。测量结果表明：单位面积岩壁渗水速率为0.269~0.462克/平方米·小时，且随时间呈波动变化。说明来自山体岩壁的渗水速率较小，仅为凝结水的凝结速率的3％左右。所以，采用凝结水水量测量装置在现场测得的凝结水量中岩壁渗水量仅占很小的份额。
2.洞窟封闭试验
由于凝结水水量测量装置测量面积仅为1000平方厘米，面积较小。为了取得更有代表性的数据，故采用大洞封闭试验来测定岩壁砂岩的渗水量。该方法实质上是将第3窟东耳洞内平硐进行全封闭，代替凝结水水量测量装置中的密封罩，仍采用密闭循环气流干燥法测定来自山体内部的岩壁渗水量。
试验于2005年11月15日至18日进行。从测量结果可看出，初冬季节，洞内气温略高于洞外气温，气候干燥，蒸发速率较高。此时，岩壁内岩石孔隙中的水大多处于非饱和状态，孔隙水多以毛细水或孔角毛细水的形式出现，以蒸发的形式向外排泄，量较小。因此，所测得的岩壁水汽通量只有0.80~1.61克/平方米，速率仅有0.05~0.2 克/平方米·小时。
该试验测得的岩壁渗水量与同年8月5日进行的试验相比要小很多，表明气候对砂岩中的水分分布有较大影响。同时，洞窟封闭试验结果再次说明，采用凝结水水量测量装置测得的凝结水量中岩壁渗水仅占极小的份额，进而说明了新研制的凝结水水量测量装置在石窟内部岩壁所测的凝结水是较为准确的。
五、凝结水治理试验
洞窟内部环境监测结果表明，在控制凝结水形成的4个因子中，相对湿度随天气变化快，是凝结水形成最为重要的因子。只要降低相对湿度，便能有效地控制水汽在岩壁上凝结，减轻由此而引起的石雕风化。为此，2005年7月29日至8月7日，课题研究人员在第5窟诵经道内，采用除湿机降低相对湿度的方法进行了防治凝结水现场试验。
试验前，诵经道内相对湿度为85~95%，露点温度高于岩壁温度，水汽出现凝结，岩壁潮湿，有水珠。启动除湿机后，各监测点的相对湿度降低到65~76%，露点温度相应下降4℃左右，低于岩石表面温度，凝结现象消失，整个诵经道内变得干燥了许多。而此时与第5窟紧邻的第6窟，由于没有安装除湿机，后室的岩壁上凝结水明显，与第5窟形成很大的反差。试验期间，关闭除湿机后，各个监测点的相对湿度逐渐增大，露点温度相应增高。重新启动除湿机后，相对湿度再次降低，露点温度也随之降低。试验证明，采用除湿机降低相对湿度是防治凝结水形成的一种简单而有效的方法。
六、课题实施效果与创新点
1.课题实施效果
利用在SHJ-1室内环境监测系统基础上建立的洞窟环境监测系统，对云冈石窟洞窟内部相对湿度、风速、气温、岩石表面及内部温度4个控制凝结水形成的主要因子进行了连续观测。观测结果说明，洞窟内4个控制凝结水形成的主要因子时空变化较大。在雨季洞窟相对湿度较高，是凝结水形成的主要时期；位于洞窟深处的岩壁温度相对较低，露点温度高于岩壁温度时，满足水汽凝结条件，便会在岩壁上形成凝结水。
利用密闭循环气流干燥原理，研制出的我国第一台石窟凝结水水量测量装置，在准确测量云冈石窟洞窟内部岩壁上的凝结水量的过程中取得满意的效果。同时首次在云冈石窟进行的岩壁渗水量测量试验表明：云冈粗砂岩单位面积渗水速率较小，为0.269~0.462克/平方米·小时，仅占凝结水的凝结速率的3％左右。说明石窟凝结水水量测量装置所测的数据接近实际凝结水量。
降低相对湿度，使露点温度降低至岩壁温度以下，就能破坏凝结水形成条件，达到防治凝结水的目的。采用除湿机，可以达到降低相对湿度和露点温度的目的，能有效防止凝结水形成，适合用于石窟凝结水的防治。
2.创新点
该课题在以下6个方面取得理论或技术上的突破或创新：
（1）利用密闭循环气流干燥原理，研制出我国第一台石窟凝结水水量测量装置，并准确测量了云冈石窟洞窟内部岩壁上的凝结水量。
（2）建立了洞窟环境监测系统，并首次对云冈石窟洞窟内部相对湿度、风速、气温、岩石表面及内部温度4个控制凝结水形成的主要因子进行连续观测，揭示了云冈石窟洞窟内部凝结水形成的规律。
（3）首次在云冈石窟进行了洞窟岩壁渗水量测量试验。试验表明：云冈石窟粗砂岩单位面积渗水速率较小，为0.269~0.462克/平方米·小时，仅占凝结水的凝结速率的3％左右。说明石窟凝结水水量测量装置所测的数据接近实际凝结水量。
（4）通过监测研究，发现凝结水不但可以在砂岩表面形成，而且可以通过与外界相通的孔隙网络在一定深度的岩石内部形成。所以，凝结水所引起的风化作用更广、更深，对石雕更具破坏性。这一发现突破了凝结水仅在石雕表面形成的认识。
（5）试验证明，采用除湿机降低洞窟内部相对湿度和露点温度是简单、有效防止凝结水形成的方法，为治理洞窟凝结水摸索出了可行的方法。
（6）通过试验，发现了云冈石窟洞窟内部形成凝结水的临界条件，即在夏季相对湿度达到70％以上才具有产生凝结的条件。意味着在雨季只要将洞窟内部的相对湿度降低到70％以下，便可有效地防止凝结水形成，达到防治凝结水的目的。
七、研究成果的应用和推广
该项研究的技术成果成功应用于云冈石窟凝结水研究中，解决了多年来困扰文物保护工作者的云冈石窟洞窟内凝结水形成规律和定量测定的技术问题，找到了防治石窟内部凝结水的一种简单而有效的办法，为云冈石窟全面治理凝结水乃至云冈石窟的防水保护提供了科学的依据和可行的方法。
研制出的我国第一台石窟凝结水水量测量装置和一整套石窟内部凝结水形成规律的研究方法已经在世界文化遗产龙门石窟、大足石刻大悲阁千手观音造像的凝结水研究中得到成功的推广应用。
该项研究成果不仅能够用于石窟寺凝结水的研究和治理，同时也可应用于墓葬内部、地下文物库房内部等封闭或半封闭环境中的凝结水研究和治理中。
（本项目得到国家十一五科技支撑计划项目2009BAK53B02石窟水分来源综合探查技术研究的资助）（曹凤娇）
