敦煌莫高窟風(fēng)沙危害綜合防護(hù)體系防護(hù)工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目背景敦煌莫高窟位于干旱地帶的河西走廊西部，地處高大鳴沙山與三危山之間的大泉河谷。綿延1600m的石窟開鑿于大泉河西岸玉門礫巖層組成的臺地邊緣。在西北、東北及西南風(fēng)作用下，洞窟長期受到風(fēng)沙的危害。本世紀(jì)40年代，石窟最低層大部分埋在沙中。自敦煌文物研究所成立以后，就把防沙治沙列為保護(hù)石窟的重點(diǎn)工作，并在制定《1956—1966年敦煌文物研究所全面規(guī)劃草案》時(shí)，把防沙工作列入石窟的保護(hù)、修繕工程項(xiàng)目中，先后在窟頂設(shè)立多種防沙工程。60年代初，制訂過防沙規(guī)劃，同時(shí)開展過小規(guī)模的防沙治沙試驗(yàn)，在崖面上修建防沙墻，采取“上堵下清”的方法，但后因積沙量大，造成墻體外塌,危及洞窟，被迫拆除。隨后又在崖面開挖防沙溝，設(shè)置部分紅柳條柵欄,結(jié)果造成大量沙物質(zhì)積聚,溝很快被填平，沙障壓埋,形成新的隱患。究其原因，是限于當(dāng)時(shí)的條件，對本區(qū)獨(dú)特的風(fēng)沙運(yùn)動規(guī)律、風(fēng)沙危害方式等研究不夠，雖然工程在短期內(nèi)起到了一定的防護(hù)效果，但隨后因積沙量增大,相繼很快失效，所以，多年來一直采用消極的人工清沙方法。據(jù)敦煌研究院統(tǒng)計(jì)每年要清沙3000m3~4000m3,而風(fēng)沙危害并未得到有效防治。1987年，敦煌莫高窟被聯(lián)合國教科文組織批準(zhǔn)列入世界文化遺產(chǎn)保護(hù)對象以后，莫高窟的風(fēng)沙危害問題再次引起國內(nèi)外有關(guān)方面的關(guān)注，原中國科學(xué)院蘭州沙漠研究所、敦煌研究院及美國蓋蒂保護(hù)所共同合作，進(jìn)行了莫高窟風(fēng)沙運(yùn)動規(guī)律及風(fēng)沙防治的研究,并設(shè)置了尼龍網(wǎng)防沙柵欄。經(jīng)長期觀測，尼龍網(wǎng)防沙工程阻止了主害風(fēng)（西北、西南風(fēng)）向窟洞搬運(yùn)的沙量，使窟區(qū)入沙量減少了60%~70%。但是，尼龍網(wǎng)防沙柵欄是一種臨時(shí)性防護(hù)措施。由于積沙，柵欄附近形成了新的人工沙堤，一旦積沙高出柵欄，流沙便會長驅(qū)直入危及洞窟。因此，為了避免產(chǎn)生新的風(fēng)沙危害源，徹底根治莫高窟沙害，應(yīng)改變過去結(jié)構(gòu)簡單，功能單一，缺乏長遠(yuǎn)性的防護(hù)方法，盡快建立一個(gè)由工程、生物、化學(xué)措施相結(jié)合，阻、固、輸、導(dǎo)為一體的綜合防護(hù)體系。項(xiàng)目建設(shè)區(qū)立地條件概況區(qū)域地貌特征莫高窟地處敦煌盆地東南緣，距敦煌市25km。東鄰三危山，西接鳴沙山，洞窟開鑿在宕泉河西岸南北走向的陡壁上，延綿1680m,相對高度10~45m,自上而下分為上、中、下三層呈密集型分布于崖體,現(xiàn)保存有壁畫和彩塑的洞窟492個(gè)。石窟巖體為沙礫巖，主要為上更新統(tǒng)洪積戈壁組沙礫石層和中更新洪積一沖積酒泉組半膠結(jié)礫巖組成。酒泉礫巖是構(gòu)成崖面的主體。該地層顆粒組成中礫石、砂和粘粒分別占70%、25%和5%.沙山系鳴沙山的東段，相對高度100-170m,為一覆蓋在基巖低山上的高大復(fù)合型沙山，沙丘類型以沙丘鏈、金字塔沙丘、復(fù)合型沙丘鏈為主?？唔斠赖孛残螒B(tài)和地表組成物質(zhì)可劃分為礫質(zhì)戈壁、沙礫質(zhì)戈壁、平坦沙地和沙山等幾個(gè)單元。土壤植被莫高窟頂為棕色荒漠土，地表淺層1?2m的礫沙粒配全部表現(xiàn)為雙峰型。窟區(qū)前土壤質(zhì)地在垂直分布上較為復(fù)雜，為不同時(shí)期洪水沖積形成的沉積層。0?50cm主要為沙壤土,50?80cm為沙土，80?120cm多為含有礫石的粗砂土，局部區(qū)域還存在一層約為10cm厚的粘土層，120cm以下則多為沙土。窟頂?shù)奶烊恢脖挥泻鷹?、沙拐棗、梭梭、白刺、白沙蒿和羽毛三芒草等。?jù)了解，在1956年之前上有較好的植被，尤以梭梭和羽毛三芒草數(shù)量最多，后經(jīng)氣候變化及人為破壞才成目前狀態(tài)。人工植被有紅柳、花棒、梭梭、沙拐棗和檸條等?？邊^(qū)前林種主要為新疆楊、銀白楊、榆樹、白蠟樹和側(cè)柏等。氣候由于地處西北內(nèi)陸腹地，位于塔克拉瑪干沙漠東部邊緣、青藏高原北麓和蒙古高原南側(cè)，屬于典型的大陸性荒漠氣候。由于常年受蒙古高壓的影響，具有氣候極端干旱、降水稀少、變率大、蒸發(fā)強(qiáng)烈、溫度變化大和風(fēng)沙活動頻繁等特點(diǎn)。熱量豐富而寒暑劇變。本區(qū)6個(gè)月氣溫多在10°C以下，最低值可達(dá)-28C,而夏季氣溫多在20C以上，年平均氣溫C。年平均氣溫變幅可達(dá)C,最大氣溫年較差為63C.降水稀少，分配不均且不穩(wěn)定。敦煌多年平均降水量為40mm，而莫高窟附近只有mm,降水多集中在6-8月。年蒸發(fā)量達(dá)3479mm,蒸發(fā)量是降水量的160倍，干燥指數(shù)32,平均相對濕度32%。風(fēng)沙環(huán)境該區(qū)域是一個(gè)多風(fēng)向的地區(qū)，冬季受內(nèi)蒙古高壓的影響。在莫高窟地區(qū)，氣流呈現(xiàn)東北向。因此，本區(qū)冬季盛行偏西風(fēng)，春夏盛行東北風(fēng)和西北風(fēng)。據(jù)1990?2000年風(fēng)向資料統(tǒng)計(jì),莫高窟頂具有穩(wěn)定的3組風(fēng)向，是一個(gè)多風(fēng)向地區(qū)，多年風(fēng)況呈明顯的偏南風(fēng)、偏西北和偏東北三組風(fēng)向。本區(qū)偏南風(fēng)出現(xiàn)頻率最高，占所有風(fēng)頻率的％,其次為偏西北風(fēng)，占%,偏東北風(fēng)頻率最低，為％。莫高窟因獨(dú)特風(fēng)沙場，沙丘整體運(yùn)動速度相當(dāng)緩慢，多年平均移動量僅為?，但風(fēng)沙流對洞窟的危害依然存在。綜合防護(hù)體系防護(hù)工程設(shè)計(jì)莫高窟區(qū)沙源主要來自鳴沙山及廣闊沙礫質(zhì)戈壁面上的就地起沙。因此，如何通過合理設(shè)置防護(hù)措施，控制外來沙源及防治地表原始結(jié)構(gòu)的人為破壞，將沙源就地阻截，建立一種新的蝕積動態(tài)平衡關(guān)系，是綜合防護(hù)體系成功與否的關(guān)鍵之一。綜上所述,莫高窟綜合防護(hù)體系建立的主導(dǎo)思想是:從本區(qū)多風(fēng)行的實(shí)際情況出發(fā)，以防治西北、西南主害風(fēng)為主,根據(jù)鳴沙山、沙（礫）質(zhì)戈壁、窟頂崖面等不同地帶的具體條件風(fēng)沙運(yùn)動規(guī)律特征,采取以固為主，固、阻、輸、導(dǎo)相結(jié)合的防護(hù)原則，以切斷或削弱鳴沙山沙源和固定流沙，并消除砂礫質(zhì)戈壁面上的就地起沙為目的，建立一個(gè)由工程、生物、化學(xué)措施組成的多層次、多功能的綜合防護(hù)體系。針對風(fēng)沙運(yùn)動規(guī)律和不同地域地表組成物質(zhì)及地貌特點(diǎn)，防護(hù)體系的總體設(shè)計(jì)是一個(gè)不規(guī)則的梯形。南端以現(xiàn)有植物帶為起點(diǎn)，設(shè)計(jì)總長度為2000m，寬1300~2000m，措施總面積約為1319000m\其中：高立式柵欄3000m,麥草方格沙障1124000m、植物固沙帶10000m,礫石鋪壓1650000m\（一）流沙固、阻區(qū)固阻區(qū)主要建立于鳴沙山流沙前緣的沙丘鏈及平沙地上，由高立式柵欄、麥草方格沙障及固沙植物帶構(gòu)成。1高立式柵欄高立式柵欄主要設(shè)置在沙丘脊線附近，沿鳴沙山外圍的主沙梁延伸至沙山北側(cè)，總長約為3000米，是防護(hù)體系的首道屏障。其作用主要阻截來自主害風(fēng)（偏南風(fēng)、偏西風(fēng)）。（1） 制作材料 芨芨草、蘆葦、高稈作物等。（2） 設(shè)置方法把芨芨草等材料做成高度為70~130cm左右，在沙丘上劃好線，沿線開溝20~30cm深。將材料基部插入溝底，下部加一些比較短的稍頭，兩側(cè)培沙，扶正踏實(shí)，培沙要高出沙面10cm。最好在降雨后設(shè)置。2草方格沙障草方格帶沿高立式柵欄帶平行延伸，長約2000米，寬從沙丘邊緣的人工滴灌植被帶起延伸至沙丘內(nèi)部400?600米，面積約1124000平方米。草方格的規(guī)格以1X1米為宜，根據(jù)不同地域的風(fēng)速變化設(shè)置。（1） 制作材料 麥稈、稻草、軟稈雜草等。（2） 設(shè)置方法①從迎風(fēng)坡下部開始，先扎設(shè)與常年主風(fēng)向垂直的第一條主帶。將麥草均勻的放在要扎設(shè)的第一條主帶上，把平板鍬端放在麥草中間，用力向下切，將麥草壓于沙層內(nèi)10cm左右，草的兩端露出沙面10cm以上。將壓入的麥草兩邊用鐵鍬扶直。按上述方法平行于第一條主帶間距1m再做其他主帶。主帶做好后再垂直于主帶，間距1m做許多副帶，即1X1m草方格沙障。3植物固沙防護(hù)敦煌莫高窟植物固沙主要是通過天然植被的保護(hù)及引進(jìn)滴灌技術(shù)進(jìn)行人工植被建設(shè)等措施，擴(kuò)大植被面積，提高地表植被蓋度，增大地表粗糙度，削弱風(fēng)速，阻截和固定流沙，根本上解決風(fēng)沙流對莫高窟的危害。植物固沙樹種選擇：梭梭、檸條、沙拐棗、花棒、麻黃、沙棘等。防護(hù)林帶建設(shè)：初期種植1?2年生的梭梭、檸條、沙拐棗、花棒等為主，中、后期種植1?2年生的麻黃、沙棘等具有一定經(jīng)濟(jì)價(jià)值的灌木實(shí)生苗為主，并進(jìn)行人工造林。隨著綜合防護(hù)體系相關(guān)措施的實(shí)施，如草方格沙障建立后，地表風(fēng)沙活動逐漸趨于穩(wěn)定，種植沙生灌草10萬平方米。植物固沙帶長2000米，寬5米，采用灌草混交形式。植物帶之間的空白帶間隔10-15米，形成永久性屏障，阻固流沙，根本上切斷沙源向窟頂戈壁及窟區(qū)搬運(yùn)。天然植被封育保護(hù)規(guī)劃和設(shè)計(jì)首先對封育保護(hù)區(qū)進(jìn)行全面規(guī)劃與設(shè)計(jì)，采取切實(shí)有效的封育措施，如禁止割草、放牧、采伐、砍柴等人畜活動。確定封育方法采取自然恢復(fù)和人工促進(jìn)恢復(fù)的治理措施，注重林灌草的立體配置及混交林的營造。管理措施封育山區(qū)要有專人守山看護(hù)，尤其是距離村落較近的地區(qū)，人類活動頻繁，破壞較大，在行人容易看到的地方豎立封山育林牌，防止治理后遭到破壞，避免“只治不防，等于白忙”造成嚴(yán)重浪費(fèi)。（二）沙礫質(zhì)戈壁防護(hù)區(qū)沙（礫）質(zhì)戈壁防護(hù)區(qū)主要由礫石鋪壓帶和人礫石空白帶構(gòu)成。礫石防護(hù)工程是通過人工礫石鋪壓方法建立的一種穩(wěn)定床面，礫石壓沙帶一方面起著覆蓋沙源，固定沙面，阻截沙物質(zhì)，另一方面改變下墊面粗糙度，造成一種不利于沙子堆積的條件，促進(jìn)天然戈壁輸沙場的形成的作用，同時(shí)為偏東風(fēng)反向搬運(yùn)創(chuàng)造一個(gè)適宜下墊面。礫石鋪壓帶礫石鋪壓防護(hù)帶布置在窟頂北部。這里是一片面積廣大的沙礫質(zhì)戈壁，也是一處重要的沙源地，在西北風(fēng)作用下對洞窟影響較大。礫石鋪壓防護(hù)帶總體布局上呈不規(guī)則倒梯形，靠近鳴沙山邊緣的底邊長2000米，靠近窟緣的底邊長1500米，總面積165萬平方米。礫石空白帶礫石空白帶是由礫質(zhì)戈壁組成的，主要分布于窟頂崖面附近，礫石覆蓋度達(dá)到60%以上。由于礫質(zhì)戈壁不易起沙，且在大風(fēng)狀況下的防護(hù)功能較為明顯，經(jīng)過高立式柵欄帶、草方格帶、礫石鋪壓帶的層層設(shè)防，絕大多數(shù)的沙物質(zhì)被阻截，僅僅很小一部分的沙物質(zhì)進(jìn)入礫質(zhì)戈壁區(qū)，同時(shí)礫質(zhì)戈壁為一相對高的臺地，且偏東風(fēng)對窟頂崖面的積沙具有反向搬運(yùn)能力。因此，保持其自然輸沙場，無論從經(jīng)濟(jì)上還是防沙效益上都是適宜的。方案設(shè)計(jì)總結(jié)敦煌莫高窟風(fēng)沙危害綜合防護(hù)體系的建立，將對我國風(fēng)沙地區(qū)文物古跡及重要經(jīng)濟(jì)設(shè)施的保護(hù)起到示范作用