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氣候變化對(duì)遺址的影響與應(yīng)對(duì)策略探討
——以新疆地區(qū)為例

2022-09-02 05:18張治國(guó)呂鳳琳王曉欣嚴(yán)紹軍相建凱
自然與文化遺產(chǎn)研究 2022年4期
關(guān)鍵詞:新疆地區(qū)降水量風(fēng)速

張治國(guó),呂鳳琳,王 濤,王曉欣,嚴(yán)紹軍,相建凱

(1.國(guó)家文物局考古研究中心,北京 100013;2.中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所,北京 100029;3.陜西省文物保護(hù)研究院,陜西 西安 710075)

隨著全球變暖的持續(xù)發(fā)展,氣候變化逐漸加劇,極端氣候事件發(fā)生的趨勢(shì)和頻率加快,已成為全人類(lèi)的共同挑戰(zhàn),同時(shí)對(duì)珍貴的文化遺產(chǎn)造成了嚴(yán)重威脅。

2019年聯(lián)合國(guó)教科文組織(UNESCO)在雅典舉辦的研討會(huì)上明確提出:氣候變化可能會(huì)對(duì)全球珍貴的文物和文化遺址造成“不可逆的損害”,并呼吁聯(lián)合國(guó)保護(hù)全球主要的文化遺址并采取相應(yīng)的對(duì)策,這項(xiàng)議題被納入當(dāng)年在紐約舉行的聯(lián)合國(guó)氣候行動(dòng)峰會(huì)。盡管環(huán)境的破壞和惡化一向?qū)ξ奈锉Wo(hù)工作構(gòu)成挑戰(zhàn),但目前這些威脅有加速的傾向,氣候變化和極端天氣事件可能會(huì)對(duì)文物和遺址構(gòu)成毀滅性的影響。

2021年第44屆世界遺產(chǎn)大會(huì)《福州宣言》強(qiáng)烈呼吁大家銘記并見(jiàn)證氣候變化導(dǎo)致的極端天氣、自然災(zāi)害和其他負(fù)面影響日益頻繁,已經(jīng)進(jìn)一步加劇了自然遺產(chǎn)保護(hù)面臨的長(zhǎng)期挑戰(zhàn)。

2021年7月的河南特大暴雨,24 h降雨量超過(guò)200 mm,超過(guò)了歷史極值,造成了嚴(yán)重的災(zāi)難。截至7月26日,河南全省共有400余處文博單位不同程度遭受暴雨災(zāi)害影響,這場(chǎng)突發(fā)性強(qiáng)降雨給河南的文物保護(hù)工作帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)[1]。同年10月,山西連續(xù)多日遭遇強(qiáng)降雨侵襲,許多地區(qū)甚至創(chuàng)下了10月上旬累計(jì)降雨量紀(jì)錄,多地遭受了嚴(yán)重雨澇災(zāi)害。在汛情中,山西共有1 783處文物點(diǎn)不同程度受損,有的文物建筑屋頂漏雨、墻體開(kāi)裂、地基坍塌[2]。

中國(guó)氣候變化藍(lán)皮書(shū)(2021年)指出:中國(guó)是全球氣候變化的敏感區(qū)和影響顯著區(qū),升溫速率明顯高于同期全球平均水平。1951—2020年,中國(guó)地表年平均氣溫呈顯著上升趨勢(shì),升溫速率為0.26℃/10 a。近20年是20世紀(jì)初以來(lái)中國(guó)的最暖時(shí)期,1901年以來(lái)的10個(gè)最暖年份中,除1998年外,其余9個(gè)均出現(xiàn)在21世紀(jì)。高溫、強(qiáng)降雨等極端事件增多增強(qiáng),中國(guó)氣候風(fēng)險(xiǎn)水平趨于上升。1961—2020年,中國(guó)極端強(qiáng)降雨事件呈增多趨勢(shì),極端低溫事件減少,極端高溫事件自20世紀(jì)90年代中期以來(lái)明顯增多;20世紀(jì)90年代后期以來(lái),登陸中國(guó)的臺(tái)風(fēng)平均強(qiáng)度波動(dòng)增強(qiáng)。1991—2020年,中國(guó)氣候風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)平均值為6.8,較1961—1990年平均值4.3增加了58%。全球氣候變暖加劇了氣候系統(tǒng)的不穩(wěn)定,是造成極端天氣氣候事件頻發(fā)、強(qiáng)度增強(qiáng)的根本原因。大量研究證實(shí),隨著氣候變暖,大氣層在飽和前可容納更多水汽,極端強(qiáng)降水發(fā)生的可能性增大[3]。

為應(yīng)對(duì)氣候變化對(duì)我國(guó)考古遺址的影響,國(guó)家文物局考古研究中心組織開(kāi)展了基礎(chǔ)課題研究。2021年以新疆地區(qū)為例,聯(lián)合新疆維吾爾自治區(qū)文物考古研究所、中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所和陜西省文物保護(hù)研究院等單位,對(duì)新疆天山沿線庫(kù)爾勒市、輪臺(tái)縣、庫(kù)車(chē)市、拜城縣等地受氣候變化影響較大的考古遺址和石窟寺遺址進(jìn)行實(shí)地調(diào)研。調(diào)研的10處遺址包括2處考古發(fā)掘遺址,2處土遺址和6處石窟寺遺址(圖1)。本次調(diào)研工作著重調(diào)查了近年來(lái)氣候變化對(duì)這些遺址的破壞性影響,分析了氣候變化背景下遺址病害的發(fā)展趨勢(shì),對(duì)不可移動(dòng)文物應(yīng)對(duì)氣候變化的策略進(jìn)行了初步探討。

圖1 新疆調(diào)研遺址位置示意圖(來(lái)源:作者自繪,底圖來(lái)自Google earth)

作為過(guò)去東西方文明交匯的重要通道和當(dāng)今綠色絲綢之路建設(shè)的核心區(qū)域,新疆是對(duì)全球氣候響應(yīng)最為敏感的地區(qū)之一,也是生態(tài)和水資源極為脆弱的地區(qū)。由于過(guò)去氣候干燥、少雨的自然環(huán)境,新疆地區(qū)大量珍貴文化遺址在歷經(jīng)了千百年風(fēng)雨后仍屹立在廣袤的戈壁灘上。但是隨著近年來(lái)全球變暖幅度增加,氣候變化導(dǎo)致西北干旱區(qū)氣候水文系統(tǒng)的不穩(wěn)定性加劇,極端事件的頻率和強(qiáng)度呈明顯增加趨勢(shì)。這些遺址多為巖土類(lèi)材料,尤其是脆弱的土遺址材料,多為夯土、垛泥、土坯、生土、板筑泥,極易沖蝕、開(kāi)裂和崩解,暴雨、山洪等自然因素對(duì)土遺址的沖刷破壞非常嚴(yán)重,伴隨風(fēng)蝕、風(fēng)化、雨蝕、地下水和可溶鹽的物理化學(xué)過(guò)程,許多土遺址大面積坍塌受損,面目全非,正在以驚人的速度變成一堆堆沙土消失在西北戈壁上[4]。

1 新疆地區(qū)近60年氣候變化特征

新疆位于我國(guó)西北地區(qū),地處歐亞大陸腹地,由于其遠(yuǎn)離海洋,且周緣有高山阻隔,導(dǎo)致水汽不易到達(dá),因此新疆表現(xiàn)為明顯的溫帶大陸性氣候。新疆大部分地區(qū)處于干旱區(qū),干旱區(qū)降水稀少、土壤貧瘠、生態(tài)脆弱,對(duì)氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)響應(yīng)極為敏感[5]。干旱區(qū)水系統(tǒng)脆弱,水資源可再生性低,在氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的共同影響下,山區(qū)降水形式、冰川積雪的積累/消融過(guò)程等變化,導(dǎo)致干旱區(qū)水文、水資源異變,進(jìn)一步降低了水循環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,突出表現(xiàn)為徑流的年內(nèi)分配改變、水資源組分變化以及水文波動(dòng)性增強(qiáng)[6]。如,中國(guó)西北干旱區(qū)極端水文事件的發(fā)生頻率由20世紀(jì)80年代以前的40次/10 a,增加到80年代后期以來(lái)的78次/10 a[7]。全球氣候變化在加劇干旱區(qū)水文波動(dòng)和地表水資源不確定性的同時(shí),還使得永久性地表水體面積萎縮。但新疆是中國(guó)西北干旱區(qū)內(nèi)唯一一個(gè)永久性地表水體面積呈增加變化的省區(qū),這主要得益于溫度升高導(dǎo)致的冰川融水徑流增加和人工生態(tài)輸水[8]。

本文采用1961—2020年CN05.1格點(diǎn)化觀測(cè)數(shù)據(jù)集的日最高溫度、日最低溫度、降水、平均風(fēng)速的逐日資料,對(duì)新疆地區(qū)的氣候變化主要指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比研究。該數(shù)據(jù)集是根據(jù)2 416個(gè)中國(guó)地面氣象臺(tái)站的觀測(cè)資料,通過(guò)“距平逼近”插值方法建立的一套0.25°×0.25°水平分辨率的格點(diǎn)化數(shù)據(jù)集。這套數(shù)據(jù)集剔除了與氣候態(tài)或周邊站點(diǎn)值差別過(guò)大的數(shù)據(jù),提高了數(shù)據(jù)質(zhì)量。

1.1 降水、極端降水變化

1.1.1 年平均降水量變化

過(guò)去60年(1961—2020年),新疆年平均降水量為153.7 mm,并具有明顯的區(qū)域差異,北疆年平均降水量大于南疆,如天山北部年平均降水量最大,超過(guò)500 mm;而南疆塔克拉瑪干沙漠區(qū)域年平均降水量為20 mm左右。然而,在全球變暖背景下,新疆地區(qū)氣候發(fā)生了顯著變化。近10年(2011—2020年相比于1961—1990年,參照時(shí)期下同),新疆不同區(qū)域年平均降水變化為-80.1~183.9 mm,區(qū)域平均降水增加12.2 mm,其中新疆東部、準(zhǔn)噶爾盆地和塔里木盆地年降水量明顯增加(圖2);增幅最大區(qū)域位于天山北部,超過(guò)100 mm。近5年(2016—2020年),新疆不同區(qū)域年平均降水變化為-97~222.4 mm,區(qū)域平均降水增加13.6 mm,較近10年降水增幅更大。

圖2 相比于1961—1990年,2011—2020年和2016—2020年新疆年平均降水量變化的空間分布(來(lái)源:CN05.1格點(diǎn)化觀測(cè)數(shù)據(jù)集)

1.1.2 降水強(qiáng)度變化

降水強(qiáng)度是指在單位時(shí)間內(nèi)的降水量。降水強(qiáng)度是描述暴雨特征的重要指標(biāo),也是決定暴雨徑流的重要因素。過(guò)去60年,新疆地區(qū)降水強(qiáng)度為1.7~4.8 mm/d,區(qū)域平均降水強(qiáng)度為2.7 mm/d,準(zhǔn)噶爾盆地降水強(qiáng)度較大,超過(guò)4 mm/d。近5~10年,北疆降水強(qiáng)度整體增強(qiáng),而在南疆地區(qū)降水強(qiáng)度變化具有明顯的區(qū)域差異,天山北側(cè)沿巴州至庫(kù)車(chē)一線降水強(qiáng)度也呈現(xiàn)增加趨勢(shì)(圖3)。

圖3 相比于1961—1990年,2011—2020年和2016—2020年新疆降水強(qiáng)度相對(duì)變化的空間分布(來(lái)源:CN05.1格點(diǎn)化觀測(cè)數(shù)據(jù)集)

1.1.3 極端降水變化

在極端降水方面,新疆地區(qū)日最大降水量(Rx1day)和強(qiáng)降水量(R95p)的空間分布與年平均降水量相似。

1961—2020年平均的日最大降水量(Rx1day)為3.5~23.8 mm,區(qū)域平均值為9.8 mm。近10年,新疆地區(qū)日最大降水量變化范圍為-2.8~8.4 mm,在北疆大部分地區(qū)和南疆的東西兩側(cè)有所增大,而在南疆中部地區(qū)減小;近5年,日最大降水量變化范圍為-4.6~12.8 mm,變化幅度更加明顯(圖4)。

圖4 相比于1961—1990年,2011—2020年和2016—2020年新疆日最大降水量變化的空間分布(來(lái)源:CN05.1格點(diǎn)化觀測(cè)數(shù)據(jù)集)

強(qiáng)降水量(R95p)統(tǒng)計(jì)顯示,過(guò)去60年新疆強(qiáng)降水量范圍為19.1~205.9 mm,區(qū)域平均值為72.7 mm。北疆,尤其是天山地區(qū)強(qiáng)降水量較大,南疆區(qū)域強(qiáng)降水量較小,為20~60 mm。相比于1961—1990年,除了南疆東部,近10年和近5年強(qiáng)降水量整體增強(qiáng)(圖5)。其中,近10年強(qiáng)降水量變化為-16.8~87.7 mm,區(qū)域平均增加17.8 mm;近5年新疆強(qiáng)降水量變化為-21.1~102.9 mm,區(qū)域平均增加20.3 mm。

圖5 相比于1961—1990年,2011—2020年和2016—2020年新疆強(qiáng)降水量變化的空間分布(來(lái)源:CN05.1格點(diǎn)化觀測(cè)數(shù)據(jù)集)

1.2 氣溫日較差

氣溫日較差是1天中氣溫最高值與最低值之差(DTR)。過(guò)去60年,新疆氣溫日較差為9.6~17.2℃,北疆較小,南疆較大,區(qū)域平均值為13.6℃。在全球變暖背景下,日最低溫度增幅高于日最高溫度,因此新疆地區(qū)近10年和近5年氣溫日較差整體減小。其中,近10年變化范圍為-1.4~0.3℃,區(qū)域平均減小0.8℃;近5年新疆氣溫日較差變化-1.7~0.6℃,區(qū)域平均減小0.8℃(圖6)。

圖6 相比于1961—1990年,2011—2020年和2016—2020年新疆氣溫日較差變化的空間分布(來(lái)源:CN05.1格點(diǎn)化觀測(cè)數(shù)據(jù)集)

1.3 平均風(fēng)速變化

平均風(fēng)速是指在一定時(shí)段內(nèi)數(shù)次觀測(cè)的風(fēng)速的平均值。過(guò)去60年,新疆平均風(fēng)速為4.6~12.7 m/s,區(qū)域平均值為7.5 m/s。大值區(qū)出現(xiàn)在新疆北部和南部局部區(qū)域,平均風(fēng)速超過(guò)10 m/s;南疆西部平均風(fēng)速為4~6 m/s,南疆東部平均風(fēng)速為6~8 m/s。近10年和近5年新疆平均風(fēng)速整體減弱。近10年風(fēng)速變化范圍為-5.1~1.7 m/s,區(qū)域平均減小2.2 m/s;近5年新疆平均風(fēng)速變化為-5.7~1.2 m/s,區(qū)域平均減小2.4 m/s,風(fēng)速減弱幅度進(jìn)一步加大(圖7)。

圖7 相比于1961—1990年,2011—2020年和2016—2020年新疆平均風(fēng)速變化的空間分布(來(lái)源:CN05.1格點(diǎn)化觀測(cè)數(shù)據(jù)集)

在全球變暖背景下,新疆地區(qū)氣候發(fā)生了顯著變化。近10年來(lái)的氣候變化更為顯著,年平均降水量、強(qiáng)降水量、日最大降水量等方面表現(xiàn)顯著。從地區(qū)上看,新疆東部、準(zhǔn)噶爾盆地和塔里木盆地年降水量明顯增加,增幅最大區(qū)域位于天山北部。近5年平均降水量和強(qiáng)降水量較近10年增幅更大。除了南疆東部,近10年和近5年強(qiáng)降水量整體增強(qiáng)。在極端降水方面,日最大降水量變化幅度更加明顯。氣溫日較差整體減小,平均風(fēng)速整體減弱。

2 氣候變化對(duì)遺址的影響

基于我國(guó)地面氣象臺(tái)站的逐日數(shù)據(jù)與再分析數(shù)據(jù),進(jìn)一步分析了遺址周邊的庫(kù)爾勒、輪臺(tái)、庫(kù)車(chē)和拜城氣象臺(tái)站的日最高溫度、日最低溫度、降水和平均風(fēng)速,研究了氣候變化對(duì)遺址保存狀況的影響。

2.1 庫(kù)爾勒地區(qū)

過(guò)去60年,庫(kù)爾勒地區(qū)年降水量和強(qiáng)降水量均呈現(xiàn)整體增加趨勢(shì),氣溫日較差和平均風(fēng)速整體呈微弱減小趨勢(shì)。近10年,庫(kù)爾勒地區(qū)降水,尤其是極端降水呈現(xiàn)出明顯增加的特征;平均氣溫日較差整體變化不大,但變化更為劇烈;平均風(fēng)速略微增強(qiáng),但低于多年平均風(fēng)速??梢钥闯觯弘S著近年來(lái)氣候變化,降水指標(biāo)對(duì)庫(kù)爾勒地區(qū)的遺址影響較大(圖8)。

圖8 1961—2020年庫(kù)爾勒附近遺址區(qū)年降水量、降水強(qiáng)度、日最大降水量、強(qiáng)降水量、氣溫日較差、平均風(fēng)速距平(相比1961—1990年)的時(shí)間序列變化特征(來(lái)源:氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)與CN05.1格點(diǎn)化觀測(cè)數(shù)據(jù)集)

位于庫(kù)爾勒地區(qū)的玉孜干古城遺址,高臺(tái)臺(tái)體外緣墻體采用土坯磚砌筑而成,成分以粉土為主,未經(jīng)過(guò)夯制,易損性高,特別是抗干濕循環(huán)能力很低,不易保存。高臺(tái)墻體內(nèi)的考古發(fā)掘坑深約5 m,壁、墻為后期人類(lèi)活動(dòng)和天然堆積形成的砂石料,混雜粉土、煤渣等,黏聚力差,透水性好,遇水極易坍塌。隨著近年來(lái)氣候變化,庫(kù)爾勒地區(qū)年降水量和強(qiáng)降水量整體增加,表面流沖刷遺址。雨水入滲、浸泡、脫水后形成裂隙,反復(fù)作用,形成貫穿裂隙,為墻體局部坍塌提供了結(jié)構(gòu)面。從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查看,城墻發(fā)育多條卸荷裂隙,部分位置因?yàn)橛晁疀_刷更為明顯。裂隙將城墻切割,整體性降低。裂隙進(jìn)一步發(fā)育,可能形成潛在的整體坍塌體。近年來(lái),庫(kù)爾勒地區(qū)氣溫日較差變化更為劇烈,降雨、降雪后的凍融也對(duì)玉孜干古城遺址起著破壞作用(圖9)。

圖9 玉孜干古城城垣的表面流嚴(yán)重影響本體保存(來(lái)源:作者自攝)

2.2 輪臺(tái)地區(qū)

1961—2020年,輪臺(tái)年平均降水量和強(qiáng)降水量均呈增加趨勢(shì),降水量的增加主要由強(qiáng)降水量增加導(dǎo)致。近10年,輪臺(tái)年降水量、降水強(qiáng)度、日最大降水量和強(qiáng)降水量均有微弱減小。氣溫日較差在1961—2010年間呈減小趨勢(shì),近10年有所增大。過(guò)去60年輪臺(tái)地區(qū)平均風(fēng)速呈增大趨勢(shì),近10年平均風(fēng)速增大加劇,平均增大1.0 m/s(圖10)。

圖10 1961—2020年輪臺(tái)附近遺址區(qū)年降水量、降水強(qiáng)度、日最大降水量、強(qiáng)降水量、氣溫日較差、平均風(fēng)速距平(相比1961—1990年)的時(shí)間序列變化特征(來(lái)源:氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)與CN05.1格點(diǎn)化觀測(cè)數(shù)據(jù)集)

位于輪臺(tái)地區(qū)的奎玉克協(xié)海爾古城遺址保存較好,中央高臺(tái)早期部分砌筑材料為泥團(tuán),砌筑比較密實(shí);后期部分是用土坯磚砌筑,穩(wěn)定性差,遇水易解體破壞。該遺址的主要病害包括表面剝落、本體開(kāi)裂與結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。雨水形成的表面流,是目前最為直接的水害問(wèn)題,造成遺址表面出現(xiàn)比較明顯的片狀剝落和小型沖溝,裂隙發(fā)育也為后期水體滲入提供了通道(圖11)。此外,遺址位于迪那爾河下游河流擺動(dòng)范圍內(nèi),地下水位埋深淺,雨季容易形成地表積水和內(nèi)澇。遺址開(kāi)挖后地勢(shì)低洼,遺址坑底出現(xiàn)返潮現(xiàn)象,遺址坑壁鹽害、坍塌病害等可能逐步出現(xiàn)。目前該遺址處于發(fā)掘期,顯著的本體破壞問(wèn)題不是太突出,隨時(shí)間推移,該遺址的保護(hù)難度會(huì)較大。

圖11 奎玉克協(xié)海爾古城坑壁表面流和貫穿性卸荷裂隙(來(lái)源:作者自攝)

2.3 庫(kù)車(chē)地區(qū)

近60年,庫(kù)車(chē)的年降水量、降水頻次和強(qiáng)降水量呈增加趨勢(shì),氣溫日較差呈現(xiàn)平穩(wěn)的增大趨勢(shì),平均風(fēng)速整體呈減小趨勢(shì)。近10年來(lái),庫(kù)車(chē)的年降水量、強(qiáng)降水量和氣溫日較差進(jìn)一步增大,平均風(fēng)速相對(duì)變化較?。▓D12)。

圖12 1961—2020年庫(kù)車(chē)附近遺址區(qū)年降水量、降水強(qiáng)度、日最大降水量、強(qiáng)降水量、氣溫日較差、平均風(fēng)速距平(相比1961—1990年)的時(shí)間序列變化特征(來(lái)源:氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)與CN05.1格點(diǎn)化觀測(cè)數(shù)據(jù)集)

庫(kù)車(chē)地區(qū)分布著大量珍貴的不可移動(dòng)文化遺產(chǎn),這些遺址均不同程度地受到近年來(lái)氣候變化的影響。此次調(diào)研的蘇巴什佛寺、克孜爾尕哈烽燧遺址、瑪扎伯哈石窟、森木塞姆石窟、克孜爾尕哈千佛寺、庫(kù)木吐喇千佛寺等石窟寺遺址病害特征較為突出。

蘇巴什佛寺遺址病害非常嚴(yán)重,主要包括地基病害、墻體病害、鹽害、生物病害等。降水、風(fēng)蝕是遺址破壞主要自然營(yíng)力,凍融及內(nèi)生地震也有一定作用(圖13)??俗螤栨毓殪葸z址主要病害包括表面片狀剝落風(fēng)化病害、結(jié)構(gòu)開(kāi)裂、圓木腐朽、局部坍塌等(圖14)。誘發(fā)上述病害形成主要原因?yàn)榻邓?、凍融和風(fēng)蝕?,斣咧饕『ΠńY(jié)構(gòu)失穩(wěn)、地仗層脫落、洞窟兩壁掏蝕、本體風(fēng)化等,病害形成主要原因?yàn)榻邓?、凍融和風(fēng)蝕。洞窟頂基本處于凍融循環(huán)深度,自然風(fēng)化營(yíng)力作用明顯,該石窟群出現(xiàn)多處頂板及側(cè)壁坍塌破壞現(xiàn)象。森木塞姆石窟主要病害包括洪水沖毀、坍塌失穩(wěn)、滲水、洞窟內(nèi)地仗和壁畫(huà)病害等。受洪水破壞,地表遺跡破壞嚴(yán)重;大部分洞窟有坍塌現(xiàn)象,有的洞窟常年受雨水、坡面流的作用,坍塌嚴(yán)重??俗螤栨毓Х鹚轮饕『檠卤诒砻媪鳎捎诮徍訙?,在極端情況下,洪水可能會(huì)對(duì)石窟崖壁造成沖刷作用,威脅洞窟安全。庫(kù)木吐喇千佛寺主要病害包括危巖體與坍塌、洪水及滲水病害。由于石窟區(qū)特定的氣候條件及地形地貌條件,洞窟前的渭干河,在雨水較集中的夏季多形成洪水。洪水形成流水沖刷、掏蝕石窟所在的岸坡坡腳,使巖體下部失去支撐,引發(fā)崖體變形、傾倒、錯(cuò)落與崩塌,對(duì)石窟造成毀滅性破壞。降水直接沖刷石窟外表面,對(duì)外露洞窟文物造成沖刷侵蝕,破壞巖體的穩(wěn)定性。此外,降雨面流隨著窟門(mén)頂端裂縫滲入窟內(nèi)和窟頂匯水區(qū)域滲入窟內(nèi),形成滲水病害。滲水病害導(dǎo)致裂隙面不斷變寬,且在窟內(nèi)形成潮濕環(huán)境,加劇窟內(nèi)壁面巖體風(fēng)化,壁面壁畫(huà)破壞。

圖13 蘇巴什佛寺西寺塔受表面流與風(fēng)蝕影響(來(lái)源:作者自攝)

圖14 克孜爾尕哈烽燧遺址墻體拐角坍塌(來(lái)源:作者自攝)

2.4 拜城地區(qū)

近60年,拜城年降水量呈增加趨勢(shì),增加速率大于庫(kù)爾勒、輪臺(tái)和庫(kù)車(chē)等地區(qū)。降水強(qiáng)度呈微弱增加趨勢(shì)。日最大降水量整體也呈增加趨勢(shì),1990年以后日最大降水量年際變化明顯增加,多年出現(xiàn)極端強(qiáng)降 水;21世 紀(jì)2006年、2010年、2012年、2019年 等年份也出現(xiàn)較大的極端強(qiáng)降水,尤其是近20年,強(qiáng)降水量較大且年際變化也較大,年平均氣溫日較差呈減小趨勢(shì),平均風(fēng)速呈整體減弱趨勢(shì)(圖15)。

圖15 1961—2020年拜城地區(qū)遺址區(qū)年降水量、降水強(qiáng)度、日最大降水量、強(qiáng)降水量、氣溫日較差、平均風(fēng)速距平(相比1961—1990年)的時(shí)間序列變化特征(來(lái)源:氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)與CN05.1格點(diǎn)化觀測(cè)數(shù)據(jù)集)

近年來(lái)這些氣候變化與極端水文事件頻發(fā),對(duì)拜城地區(qū)的石窟寺遺址造成了較大影響。以克孜爾石窟為例,近年來(lái)拜城強(qiáng)降水量較大,對(duì)低強(qiáng)度砂巖質(zhì)地的克孜爾石窟群造成嚴(yán)重的威脅。受地表水體滲流影響及裂隙切割影響,頂部巖體有出現(xiàn)整體失穩(wěn)的可能。除了滲水對(duì)洞窟影響嚴(yán)重之外,石窟還受到表面流的影響。此外,雖然拜城年平均氣溫日較差呈減小趨勢(shì),但由于克孜爾石窟受地下水影響嚴(yán)重,地下水滲入巖體裂縫,凍融作用的影響仍然十分明顯,反復(fù)凍融膨脹擠壓裂縫,加速巖體裂縫發(fā)育,導(dǎo)致巖體成塊狀崩塌(圖16),2011年春季石窟就曾發(fā)生較大面積的崩塌。

圖16 克孜爾石窟崖壁危巖體發(fā)育與坡腳風(fēng)化(來(lái)源:作者自攝)

2.5 氣候變化對(duì)3類(lèi)大遺址的影響

針對(duì)本次調(diào)研遺址所在的庫(kù)爾勒、輪臺(tái)、庫(kù)車(chē)和拜城地區(qū),庫(kù)車(chē)、拜城地區(qū)的年降水量和強(qiáng)降水量在1961—2020年增加趨勢(shì)尤為明顯;近10年,上述2個(gè)地區(qū)的平均增幅也更大,庫(kù)爾勒地區(qū)次之,而輪臺(tái)地區(qū)低于多年平均值。對(duì)于降水強(qiáng)度,4個(gè)地區(qū)在1961—2020年均呈較弱的增大趨勢(shì);近10年,庫(kù)爾勒地區(qū)的平均增幅最大,其次為拜城和庫(kù)車(chē),與降水量和強(qiáng)降水量一致,輪臺(tái)地區(qū)降水強(qiáng)度也低于多年平均值。庫(kù)爾勒、輪臺(tái)和拜城地區(qū)的氣溫日較差均呈減小趨勢(shì),僅庫(kù)車(chē)呈增加趨勢(shì)。對(duì)于平均風(fēng)速而言,庫(kù)爾勒、庫(kù)車(chē)和拜城地區(qū)均有所減小,且近10年平均風(fēng)速低于多年平均值,僅輪臺(tái)地區(qū)近10年平均風(fēng)速大幅度高于多年平均值。

南疆地區(qū)總體降水強(qiáng)度較弱,但是近10年來(lái)庫(kù)爾勒地區(qū)降水強(qiáng)度的平均增幅總體增加。而該地區(qū)正在發(fā)掘的玉孜干古城遺址以夯土、土坯等建造形式為主,這種地表土質(zhì)結(jié)構(gòu),極易形成鹽堿含量較高的堅(jiān)實(shí)表層,透水性極差,即使降水強(qiáng)度不大,也容易形成較大的地表徑流,古城墻體呈現(xiàn)出裂隙發(fā)育、墻體鹽堿化、夯土酥解等病害趨勢(shì)。

近年來(lái),庫(kù)車(chē)地區(qū)降水,尤其是極端強(qiáng)降水不斷增強(qiáng),對(duì)周邊土遺址造成了極大的破壞。雨水的沖蝕作用導(dǎo)致蘇巴什佛寺遺址呈現(xiàn)多處立面沖蝕、沖溝發(fā)育、貫穿裂隙、底部掏蝕懸空等病害特征。此外,盡管平均風(fēng)速在近10年的氣象數(shù)據(jù)中并未增強(qiáng),但是新疆地區(qū)本身常年較大的風(fēng)速也對(duì)土遺址也具有較大的影響,尤其對(duì)于突出地面較高的遺址個(gè)體(如克孜爾尕哈烽燧遺址等),風(fēng)蝕作用具有較強(qiáng)的破壞性。

龜茲地區(qū)的石窟寺遺址同樣遭受著降水增多、降水強(qiáng)度增大所帶來(lái)的影響。石窟寺遺址主體頂部被降水引起的強(qiáng)地表徑流沖刷,崩塌現(xiàn)象嚴(yán)重,并形成多處危巖體。除此之外,該地區(qū)石窟寺極易受到集中短時(shí)降水引發(fā)的山洪等次生地質(zhì)災(zāi)害影響。同時(shí),新疆地區(qū)石窟寺賦存地質(zhì)巖層鹽堿含量較高,降水滲透之后,將地層深部鹽堿向地表及石窟遺址內(nèi)部墻表析出,對(duì)石窟寺本體和內(nèi)部壁畫(huà)均造成了顯著的破壞。

3 遺址病害與氣候變化應(yīng)對(duì)策略思考

從正在考古發(fā)掘的遺址調(diào)查情況來(lái)看,存在一些共性問(wèn)題:由于新疆土質(zhì)主要以砂石為主,自穩(wěn)性差、滲透性好,容易受暫時(shí)性降雨、震動(dòng)等誘發(fā)因素影響而出現(xiàn)突然破壞,因此考古工地探方開(kāi)挖深度不宜過(guò)大,否則容易出現(xiàn)貫穿裂隙,造成坍塌風(fēng)險(xiǎn)。為緩解雨雪對(duì)考古遺址發(fā)掘區(qū)域的影響,考古工地常采用土工布對(duì)發(fā)掘區(qū)域進(jìn)行遮蓋,下方采用木框架、鋼絲網(wǎng)形成結(jié)構(gòu)層,或者直接采用沙袋壓邊固定。但由于未經(jīng)過(guò)專業(yè)設(shè)計(jì),保護(hù)設(shè)施簡(jiǎn)單,具有失效可能,如土工布刺穿漏雨、雪壓坍塌、大風(fēng)破壞等;低矮遮護(hù)可能形成悶熱潮濕的本體賦存環(huán)境,導(dǎo)致本體破壞。

對(duì)于土遺址來(lái)說(shuō),新疆地區(qū)土遺址本身強(qiáng)度低,抵御風(fēng)化作用能力差。土遺址的風(fēng)化基本以物理風(fēng)化表現(xiàn)突出,成分本身穩(wěn)定。如何提高土遺址的抗風(fēng)化能力,目前并沒(méi)有太好的材料和本體保護(hù)技術(shù)。從利用上看,由于土遺址存在藝術(shù)價(jià)值不足的特點(diǎn),以及本身游人承載力低,土遺址利用程度低,導(dǎo)致保護(hù)與開(kāi)放力度不夠,很多土遺址處于自然風(fēng)化狀態(tài)。因此,應(yīng)加強(qiáng)新疆地區(qū)土遺址保存現(xiàn)狀調(diào)查工作,特別是烽燧遺址、古城遺址、寺廟遺址等,開(kāi)展遺址建造材料、建造工藝、損毀歷史、地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)、保護(hù)需求調(diào)查,逐步推動(dòng)新疆地區(qū)土遺址的保護(hù)工作發(fā)展。總結(jié)前人新疆地區(qū)土遺址保護(hù)工作經(jīng)驗(yàn),如高昌故城、交河故城等,針對(duì)性開(kāi)展土遺址保護(hù)材料研究、工藝研究。

對(duì)于石窟寺來(lái)說(shuō),此次主要調(diào)研了新疆龜茲地區(qū)石窟群,該區(qū)域的地層普遍為第三系至第四系地層。從地質(zhì)上看,成巖作用輕微,基本為松散體,自身穩(wěn)定性、抗風(fēng)化能力極差,這是其先天不足之處。另外,龜茲地區(qū)本體主要以壁畫(huà)形式賦存,泥質(zhì)地仗層在干濕循環(huán)、基巖滲水、鹽害作用下,極易破壞。坍塌破壞是該區(qū)域石窟群普遍面臨的問(wèn)題。雖然龜茲地區(qū)為新疆相對(duì)干旱區(qū)域,但是石窟寺開(kāi)鑿一般選擇臨谷、臨河修建。受氣候變化影響,目前這些石窟點(diǎn)均有遭受洪水沖毀的風(fēng)險(xiǎn)。人類(lèi)活動(dòng)對(duì)這些石窟群的保護(hù)也造成一定風(fēng)險(xiǎn)。如東方紅水庫(kù)、克孜爾水庫(kù)的影響和潛在風(fēng)險(xiǎn),排污企業(yè)對(duì)石窟壁畫(huà)的破壞等。另外,一些不合理的保護(hù)工程,也對(duì)石窟群造成一定影響,如早期不合理的修復(fù),水泥、有機(jī)修復(fù)材料等的使用。基于龜茲地區(qū)石窟群存在的問(wèn)題,應(yīng)逐步開(kāi)展地質(zhì)條件研究,弱膠結(jié)砂巖、礫巖、泥巖風(fēng)化破壞機(jī)理研究以及長(zhǎng)期穩(wěn)定性研究。在此基礎(chǔ)上,開(kāi)展保護(hù)材料、保護(hù)工藝研究。因勢(shì)利導(dǎo),開(kāi)展洪水治理工作,讓洪災(zāi)可預(yù)警、水害可控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)新疆地區(qū)氣候發(fā)生了顯著變化,除了南疆東部,近10年尤其是近5年的氣候變化更為顯著,平均降水量和強(qiáng)降水量明顯增加,極端降水更加頻繁。容易形成表面流和滲水,進(jìn)而引發(fā)地表徑流、沖溝、裂隙發(fā)育、鹽堿化、夯土酥解、崩解坍塌等一系列嚴(yán)重威脅巖土類(lèi)考古遺址安全的病害,影響遺址的長(zhǎng)期穩(wěn)定保存和展示利用。

在全球變暖背景下,新疆日最低溫度增幅高于日最高溫度,因此近10年和近5年新疆平均氣溫日較差整體減小。但是局部地區(qū)氣溫日較差變化仍然劇烈,降雨、降雪后的凍融仍是巖土考古遺址不可忽視的病害成因。凍融作用會(huì)加劇考古遺址的卸荷裂隙發(fā)育,為后期水體入滲提供了通道,形成潛在的滑動(dòng)體,甚至引起嚴(yán)重的坍塌。

近10年新疆地區(qū)平均風(fēng)速整體減弱,且近5年風(fēng)速減弱幅度進(jìn)一步加大。但是新疆地區(qū)本身常年較大的風(fēng)速仍對(duì)土遺址具有較大的影響,尤其對(duì)于較為突出的烽燧和城墻等遺址,風(fēng)蝕作用仍然具有較強(qiáng)的破壞性。

從此次調(diào)研可以看出,所調(diào)研的10處新疆地區(qū)巖土類(lèi)考古遺址,受近年來(lái)氣候變化和局部地區(qū)微環(huán)境的影響,病害類(lèi)型和特征各異,病害較為突出。此外,土遺址保護(hù)存在重視程度低、保護(hù)難度大、保護(hù)研究不足甚至保護(hù)性破壞多等問(wèn)題;龜茲地區(qū)石窟群存在洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)大、坍塌風(fēng)險(xiǎn)高、壁畫(huà)易損性高、保護(hù)工程長(zhǎng)期有效性待評(píng)估等問(wèn)題。

為應(yīng)對(duì)近年來(lái)氣候變化,解決新疆地區(qū)考古遺址保護(hù)中長(zhǎng)期存在的問(wèn)題,筆者提出以下6點(diǎn)建議:①提高對(duì)巖土類(lèi)考古遺址的重視程度,提升考古遺址的保護(hù)管理認(rèn)知與水平;②加強(qiáng)遺址地氣候變化趨勢(shì)研究與重要考古遺址微環(huán)境監(jiān)測(cè),建立脆弱遺址氣候變化風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與應(yīng)對(duì)機(jī)制;③評(píng)估重要脆弱遺址歷史保護(hù)工作,開(kāi)展高風(fēng)險(xiǎn)遺址保存現(xiàn)狀調(diào)查與數(shù)字化信息留存;④加強(qiáng)巖土遺址與石窟壁畫(huà)制作材料與工藝、保護(hù)材料與工藝及長(zhǎng)期有效性研究;⑤加強(qiáng)遺址降雨、洪水、地下水與滲水防治研究;⑥開(kāi)展遺址物理遮護(hù)材料與工藝研究,以及遺址合理開(kāi)發(fā)利用機(jī)制研究。未來(lái)筆者團(tuán)隊(duì)將在氣候變化預(yù)測(cè)評(píng)估、考古遺址氣候變化風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分、預(yù)防性保護(hù)方案、氣候變化應(yīng)對(duì)策略等方面開(kāi)展進(jìn)一步的研究工作。

歷史文化遺產(chǎn)是不可再生、不可替代的寶貴資源,要始終把保護(hù)放在第一位。通過(guò)長(zhǎng)期的關(guān)注、持續(xù)的研究、有效的監(jiān)測(cè)、積極的應(yīng)對(duì),方可提升考古遺址應(yīng)對(duì)全球氣候變化的能力,發(fā)揮考古遺址的寶貴價(jià)值,留住文化基因,延續(xù)歷史文脈。

致謝:本研究在開(kāi)展過(guò)程中,受到國(guó)家文物局考古研究中心、新疆維吾爾自治區(qū)文物考古研究所、中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所、陜西省文物保護(hù)研究院、中國(guó)文化遺產(chǎn)研究院和新疆維吾爾自治區(qū)克孜爾石窟研究所等多家單位領(lǐng)導(dǎo)和同仁的大力支持與協(xié)助,在此一并表示感謝。

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