敦煌莫高窟风沙危害综合防护体系防护工程设计一.项目背景敦煌莫高窟位于干旱地带的河西走廊西部,地处高大鸣沙山与三危山之间的大泉河谷。
绵延1600 m的石窟开凿于大泉河西岸玉门砾岩层组成的台地边缘。
在西北、东北及西南风作用下,洞窟长期受到风沙的危害。
本世纪40年代,石窟最低层大部分埋在沙中。
自敦煌文物研究所成立以后,就把防沙治沙列为保护石窟的重点工作,并在制定《1956—1966年敦煌文物研究所全面规划草案》时,把防沙工作列入石窟的保护、修缮工程项目中,先后在窟顶设立多种防沙工程。
60年代初,制订过防沙规划,同时开展过小规模的防沙治沙试验,在崖面上修建防沙墙,采取“上堵下清”的方法,但后因积沙量大,造成墙体外塌,危及洞窟,被迫拆除。
随后又在崖面开挖防沙沟,设置部分红柳条栅栏,结果造成大量沙物质积聚,沟很快被填平,沙障压埋,形成新的隐患。
究其原因,是限于当时的条件,对本区独特的风沙运动规律、风沙危害方式等研究不够,虽然工程在短期内起到了一定的防护效果,但随后因积沙量增大,相继很快失效,所以,多年来一直采用消极的人工清沙方法。
据敦煌研究院统计每年要清沙3000m3~4000 m3,而风沙危害并未得到有效防治。
1987年,敦煌莫高窟被联合国教科文组织批准列入世界文化遗产保护对象以后,莫高窟的风沙危害问题再次引起国内外有关方面的关注,原中国科学院兰州沙漠研究所、敦煌研究院及美国盖蒂保护所共同合作,进行了莫高窟风沙运动规律及风沙防治的研究,并设置了尼龙网防沙栅栏。
经长期观测,尼龙网防沙工程阻止了主害风(西北、西南风)向窟洞搬运的沙量,使窟区入沙量减少了60%~70%。
但是,尼龙网防沙栅栏是一种临时性防护措施。
由于积沙,栅栏附近形成了新的人工沙堤,一旦积沙高出栅栏,流沙便会长驱直入危及洞窟。
因此,为了避免产生新的风沙危害源,彻底根治莫高窟沙害,应改变过去结构简单,功能单一,缺乏长远性的防护方法,尽快建立一个由工程、生物、化学措施相结合,阻、固、输、导为一体的综合防护体系。
二．项目建设区立地条件概况2.1区域地貌特征莫高窟地处敦煌盆地东南缘，距敦煌市25km。
东邻三危山，西接鸣沙山，洞窟开凿在宕泉河西岸南北走向的陡壁上，延绵1680m，相对高度10~45m，自上而下分为上、中、下三层呈密集型分布于崖体，现保存有壁画和彩塑的洞窟492个。
石窟岩体为沙砾岩，主要为上更新统洪积戈壁组沙砾石层和中更新洪积一冲积酒泉组半胶结砾岩组成。
酒泉砾岩是构成崖面的主体。
该地层颗粒组成中砾石、砂和粘粒分别占70%、25%和5%.沙山系鸣沙山的东段，相对高度100一170m，为一覆盖在基岩低山上的高大复合型沙山，沙丘类型以沙丘链、金字塔沙丘、复合型沙丘链为主。
窟顶依地貌形态和地表组成物质可划分为砾质戈壁、沙砾质戈壁、平坦沙地和沙山等几个单元。
2.2土壤植被莫高窟顶为棕色荒漠土，地表浅层1～2m的砾沙粒配全部表现为双峰型。
窟区前土壤质地在垂直分布上较为复杂，为不同时期洪水冲积形成的沉积层。
0～50cm主要为沙壤土，50～80cm为沙土，80～120cm多为含有砾石的粗砂土，局部区域还存在一层约为10cm厚的粘土层，120cm以下则多为沙土。
窟顶的天然植被有胡杨、沙拐枣、梭梭、白刺、白沙蒿和羽毛三芒草等。
据了解，在1956年之前上有较好的植被，尤以梭梭和羽毛三芒草数量最多，后经气候变化及人为破坏才成目前状态。
人工植被有红柳、花棒、梭梭、沙拐枣和柠条等。
窟区前林种主要为新疆杨、银白杨、榆树、白蜡树和侧柏等。
2.3气候由于地处西北内陆腹地，位于塔克拉玛干沙漠东部边缘、青藏高原北麓和蒙古高原南侧，属于典型的大陆性荒漠气候。
由于常年受蒙古高压的影响，具有气候极端干旱、降水稀少、变率大、蒸发强烈、温度变化大和风沙活动频繁等特点。
热量丰富而寒暑剧变。
本区6个月气温多在10℃以下，最低值可达-28℃，而夏季气温多在20℃以上，年平均气温10.3℃。
年平均气温变幅可达34.5℃，最大气温年较差为63℃.降水稀少，分配不均且不稳定。
敦煌多年平均降水量为40mm,而莫高窟附近只有23.2 mm，降水多集中在6-8月。
年蒸发量达3479 mm，蒸发量是降水量的160倍，干燥指数32，平均相对湿度32%。
2.4风沙环境该区域是一个多风向的地区，冬季受内蒙古高压的影响。
在莫高窟地区，气流呈现东北向。
因此，本区冬季盛行偏西风，春夏盛行东北风和西北风。
据1990～2000年风向资料统计，莫高窟顶具有稳定的3组风向，是一个多风向地区，多年风况呈明显的偏南风、偏西北和偏东北三组风向。
本区偏南风出现频率最高，占所有风频率的49.5%，其次为偏西北风，占25.3%，偏东北风频率最低，为24.5%。
莫高窟因独特风沙场，沙丘整体运动速度相当缓慢，多年平均移动量仅为0.77～1.08m，但风沙流对洞窟的危害依然存在。
三．综合防护体系防护工程设计莫高窟区沙源主要来自鸣沙山及广阔沙砾质戈壁面上的就地起沙。
因此,如何通过合理设置防护措施,控制外来沙源及防治地表原始结构的人为破坏,将沙源就地阻截,建立一种新的蚀积动态平衡关系,是综合防护体系成功与否的关键之一。
综上所述,莫高窟综合防护体系建立的主导思想是:从本区多风行的实际情况出发,以防治西北、西南主害风为主,根据鸣沙山、沙(砾)质戈壁、窟顶崖面等不同地带的具体条件风沙运动规律特征,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,并消除砂砾质戈壁面上的就地起沙为目的,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。
针对风沙运动规律和不同地域地表组成物质及地貌特点，防护体系的总体设计是一个不规则的梯形。
南端以现有植物带为起点，设计总长度为2000m,宽1300~2000m,措施总面积约为1319000㎡。
其中：高立式栅栏3000m，麦草方格沙障1124000㎡，植物固沙带10000㎡，砾石铺压1650000㎡。
（一）流沙固、阻区固阻区主要建立于鸣沙山流沙前缘的沙丘链及平沙地上,由高立式栅栏、麦草方格沙障及固沙植物带构成。
1高立式栅栏高立式栅栏主要设置在沙丘脊线附近，沿鸣沙山外围的主沙梁延伸至沙山北侧，总长约为3000米，是防护体系的首道屏障。
其作用主要阻截来自主害风(偏南风、偏西风) 。
（1）制作材料芨芨草、芦苇、高秆作物等。
（2）设置方法把芨芨草等材料做成高度为70~130cm左右，在沙丘上划好线，沿线开沟20~30cm深。
将材料基部插入沟底，下部加一些比较短的稍头，两侧培沙，扶正踏实，培沙要高出沙面10cm。
最好在降雨后设置。
2草方格沙障草方格带沿高立式栅栏带平行延伸，长约2000米，宽从沙丘边缘的人工滴灌植被带起延伸至沙丘内部400～600米，面积约1124000 平方米。
草方格的规格以1×1米为宜，根据不同地域的风速变化设置。
（1）制作材料麦秆、稻草、软秆杂草等。
（2）设置方法①从迎风坡下部开始，先扎设与常年主风向垂直的第一条主带。
②将麦草均匀的放在要扎设的第一条主带上，把平板锹端放在麦草中间，用力向下切，将麦草压于沙层内10cm左右，草的两端露出沙面10cm以上。
③将压入的麦草两边用铁锹扶直。
④按上述方法平行于第一条主带间距1m再做其他主带。
⑤主带做好后再垂直于主带，间距1m做许多副带，即1×1m草方格沙障。
3植物固沙防护敦煌莫高窟植物固沙主要是通过天然植被的保护及引进滴灌技术进行人工植被建设等措施，扩大植被面积，提高地表植被盖度，增大地表粗糙度，削弱风速，阻截和固定流沙,根本上解决风沙流对莫高窟的危害。
（1）植物固沙树种选择：梭梭、柠条、沙拐枣、花棒、麻黄、沙棘等。
（2）防护林带建设：①初期种植1～2年生的梭梭、柠条、沙拐枣、花棒等为主，②中、后期种植1～2 年生的麻黄、沙棘等具有一定经济价值的灌木实生苗为主，并进行人工造林。
③随着综合防护体系相关措施的实施，如草方格沙障建立后，地表风沙活动逐渐趋于稳定，种植沙生灌草1 0万平方米。
植物固沙带长2000米，宽5米，采用灌草混交形式。
植物带之间的空白带间隔10-15米，形成永久性屏障，阻固流沙，根本上切断沙源向窟顶戈壁及窟区搬运。
(3)天然植被封育保护①规划和设计首先对封育保护区进行全面规划与设计，采取切实有效的封育措施，如禁止割草、放牧、采伐、砍柴等人畜活动。
②确定封育方法采取自然恢复和人工促进恢复的治理措施，注重林灌草的立体配置及混交林的营造。
③管理措施封育山区要有专人守山看护，尤其是距离村落较近的地区，人类活动频繁，破坏较大，在行人容易看到的地方竖立封山育林牌，防止治理后遭到破坏，避免“只治不防，等于白忙”造成严重浪费。
（二）沙砾质戈壁防护区沙(砾)质戈壁防护区主要由砾石铺压带和人砾石空白带构成。
砾石防护工程是通过人工砾石铺压方法建立的一种稳定床面,砾石压沙带一方面起着覆盖沙源,固定沙面,阻截沙物质,另一方面改变下垫面粗糙度,造成一种不利于沙子堆积的条件,促进天然戈壁输沙场的形成的作用,同时为偏东风反向搬运创造一个适宜下垫面。
1．砾石铺压带砾石铺压防护带布置在窟顶北部。
这里是一片面积广大的沙砾质戈壁，也是一处重要的沙源地，在西北风作用下对洞窟影响较大。
砾石铺压防护带总体布局上呈不规则倒梯形，靠近鸣沙山边缘的底边长2000米，靠近窟缘的底边长1500米，总面积165万平方米。
2．砾石空白带砾石空白带是由砾质戈壁组成的，主要分布于窟顶崖面附近，砾石覆盖度达到60%以上。
由于砾质戈壁不易起沙，且在大风状况下的防护功能较为明显，经过高立式栅栏带、草方格带、砾石铺压带的层层设防，绝大多数的沙物质被阻截，仅仅很小一部分的沙物质进入砾质戈壁区，同时砾质戈壁为一相对高的台地，且偏东风对窟顶崖面的积沙具有反向搬运能力。
因此，保持其自然输沙场，无论从经济上还是防沙效益上都是适宜的。
四．方案设计总结敦煌莫高窟风沙危害综合防护体系的建立，将对我国风沙地区文物古迹及重要经济设施的保护起到示范作用，而且在国际上也会产生深远地影响。
莫高窟风沙危害综合防护体系建设为国家治沙重点工程项目。
治沙经费的主体必须依靠国家投资，这也是完成规划工程质量的根本保证。
由于治沙工程是由机械、生物等措施组成，是各项措施环环相套的大规模完整体系，任何一项措施如与其他措施配置脱节，或整个工程量不足、规模过小，都将严重影响整个工程体系的防护效果。
因此，不能因投资不力，工程组织管理，技术管理和质量管理而导致体系功能不强，甚至工程失败的后果。
