基于環境監測的南京上坊孫吳墓環境風險評估

周 鵬,周曉晗,夏暢暢,謝華榮,李永輝

(1． 南京市江寧區文化遺產保護中心,江蘇南京 211100; 2． 東南大學建筑學院,江蘇南京 210096)

0 引 言

墓葬壁畫是我國文化遺產中重要的分支。古墓葬等半地下磚石遺址,在挖掘過程中,由于溫度、含水量等環境因素發生波動,墓室磚壁畫較易出現表面泛鹽、霉菌及苔蘚生長、粉化剝落、片狀起翹等病害問題。

環境監測是分析、建立建筑遺址病害與依存環境關聯的重要基礎,也是預防性保護的必要前提和實施依據。Graue等[1]通過研究石灰巖的巖石學特征,利用環境監測等方法揭示了材料特性、氣候等與底比斯古埃及Neferhotep(TT49)墓的巖石結構損壞和鹽害等劣化間相關性;Benavente等[2]針對西班牙波斯特米烏斯墓的鹽害問題,對墓室內的溫度、相對濕度,以及墓室巖石表面溫度等進行了為期兩年的監測;Bracci等[3]針對意大利伊特魯里亞地下墓穴的壁畫脫色、鹽析等問題,對墓室不同部位進行了溫濕度微環境監測,并提出主要的保護程序應涉及微氣候環境的監測和控制。

陜西省考古研究院楊忙忙[4]針對唐惠陵壁畫保護,對挖掘過程中記錄的溫濕度數據進行分析,歸納出了壁畫保護和分離的最佳溫濕度條件;西漢南越王博物館的崔亞平[5]對南越王墓室實施了為期三年的溫濕度、照度及紫外線監測;敦煌研究院保護研究所的武發思等[6]針對北齊徐顯秀墓壁畫的真菌病害,通過墓室環境監測分析,提出了影響壁畫霉變的關鍵環境因子。但現階段在國內已有的文獻成果中,缺乏對監測數據和遺址現存病害的關聯分析,亦或只針對某單一病害進行研究,尚不能夠建立環境因素與建筑遺址病害特征之間的詳細關聯。

南京上坊孫吳墓,又稱上坊東吳大墓,位于南京市江寧區上坊鎮,是中國迄今發現的規模最大、結構最復雜、出土瓷器最多的孫吳墓葬。上坊孫吳墓于2005年完成了發掘和鏟探,2007年發掘排水溝并建設了保護大棚。孫吳墓遠離市區,周圍環境開敞,保護大棚直接受到日曬雨淋的影響。受周邊環境影響,墓室本體存在鹽析、霉菌生長、苔蘚生長、粉化剝落、片狀起翹、殘缺、滲水等病害情況。本研究通過對孫吳墓進行病害勘察與微氣候環境監測,比對分析了其保護大棚內與墓室內外的溫度、相對濕度變化規律并進行了風險等級評估,旨在明確溫濕度變化對墓葬文物保存環境造成的具體影響,為對其實施微氣候環境控制的保護性方案設計提供理論依據。

1 監測方案與環境

1．1 研究對象

上坊孫吳墓由封土、墓坑、磚構墓室、斜坡墓道、排水溝等組成。有石門一道,前后墓室頂部穹窿均為四隅券進式結構,上部有覆頂石,后墓室覆頂石坍塌,呈開敞狀態,磚表面有銘文等信息,屬于全國重點文物保護單位[7]。

本研究旨在通過為期一年的現場觀測,對于孫吳墓不同位置(包含保護大棚外部,保護大棚內部墓室外部,墓室內部的前后墓室及甬道)進行溫濕度數據的收集與分析,并結合不同位置的病害現象,探討孫吳墓不同位置病害分布的情況及相關的環境影響因子。

1．2 監測方案

為明確孫吳墓周邊微環境變化,本研究于2015年7月至2016年7月期間對南京上坊孫吳墓周邊室內外環境進行了監測。監測方案示意如圖1所示,主要包含三部分內容:室外環境氣象參數(包含溫度、濕度、太陽輻射、風速、風向等);保護大棚內環境參數(包含溫度和濕度);墓室內的環境參數(包含溫度和濕度)。此外,對遺址周邊土體的狀態也進行了相應的監測工作。

圖1 監測方案示意Fig.1 Schematic diagrams of the monitoring scheme

監測過程使用到的儀器如下:小型自動環境氣象站(HOBO,U30-NRC)、小型溫濕度記錄儀(TANDD,RTR-53A:溫度范圍為-40 ℃～80 ℃;測量精度1 ℃)。其中小型環境氣象站可對風向、風速、降水、太陽輻射、土壤水分、溫度、相對濕度等多種環境參數進行實時監測。

1．3 室外氣象參數

圖2顯示了監測期間,南京上坊孫吳墓室外太陽輻射、降雨量、風速以及周邊土壤的含水量變化范圍。結果顯示在監測期間,南京上坊孫吳墓周邊室外環境的太陽總輻射率在0 W/m2～1 097 W/m2之間波動;年總降雨量為529 mm,最高時降雨量一小時約為21 mm;室外環境的風速最低為1.43 m/s,最高可達7.81 m/s;墓室周邊土壤(地下20 cm處)的體積含水量在0.247m3/m3～0.483 m3/m3之間波動,平均0.374 m3/m3。

圖2 南京上坊孫吳墓室外太陽輻射、風速、降雨量以及周邊土壤的含水量Fig.2 Outdoor solar radiation, wind speed, rainfall and water content of the surrounding soil at the Shangfang Eastern Wu Tomb

2 環境監測結果

2．1 保護大棚內外溫濕度波動規律

如表1所示,監測期間孫吳墓保護大棚外平均溫度為17.1 ℃,波動為-10.2～41.6 ℃;大棚內平均溫度為18 ℃,波動為-6.5～44.1 ℃。從圖3可以看出,大棚內溫度整體比室外偏高,大棚內夏季最高溫高于周邊室外環境溫度5.5 ℃,冬季最低溫高于室外環境溫度3.7℃。

圖3 保護大棚室內外空氣溫度Fig.3 Indoor and outdoor air temperature in the shelter

表1 大棚內外年間溫濕度特征Table 1 Characterization of temperature and humidity inside and outside the shelter

相對濕度的監測結果如圖4所示,大棚內的相對濕度波動小于室外,表現為大棚內冬季相對濕度高,夏季相對濕度低。從具體數值來看,室外相對濕度的年波動范圍為20%～100%,平均值為74%,而大棚內相對濕度波動范圍在33%～99%,平均值同樣約為74%。保護大棚室內年平均相對濕度與室外相近,但冬季最低相對濕度較室外高13%。同時,圖4顯示了室外相對濕度在年周期下有著較大的波動范圍,且相對濕度達到90%以上的頻次較高。大棚內相對濕度波動振幅較室外小,相對濕度在多數時間都低于90%。

圖4 保護大棚室內外空氣相對濕度Fig.4 Indoor and outdoor air relative humidity in the shelter

綜上,上坊孫吳墓設置的臨時保護大棚可遮擋雨水,減少室內通風,起到一定的保溫作用,降低了大棚內氣溫的年波動幅度,尤其是提高了冬季的溫度,有利于減少遺產發生凍融的風險,但最低溫度仍處于0 ℃以下,另外,在保護大棚影響下,夏季棚內的氣溫升高。同時,大棚的影響下相對濕度年波動幅度變小,提高了冬季的最低相對濕度;從全年來看,有效減少了相對濕度超過90%的時間。

2．2 墓室內外空氣溫濕度波動規律

對甬道、前、后墓室與大棚內溫濕度具體數據分析結果如表2所示,在室內平均溫度方面,后墓室中心點處溫度最高,為18.35 ℃。濕度方面,前墓室中心平均濕度值達到了87.9%,高于其他監測點位。圖5、圖6為使用小提琴圖表示的前后墓室、甬道內和保護大棚內溫度和相對濕度的年間監測結果,左側柱形代表了在監測時段內,該溫度和相對濕度出現的次數,而右側的曲線則反映了分布狀況。分析結果表明,相比于大棚內的空氣溫度,墓室內的空氣溫度更為穩定,分布范圍較窄。根據小提琴圖的端點值,甬道中心的溫度年波動為-3.9～27.2 ℃;前墓室中心溫度年波動為0～29 ℃,后墓室中心溫度年波動為-3.4～32 ℃。甬道中心最低溫較前墓室低3.9 ℃,較后墓室低0.5 ℃;最高溫則與前墓室最高溫相近,較后墓室低4.8 ℃;整個墓室中后墓室的溫度波動最大,前墓室的波動最小。這也與后墓室的頂部開敞影響相關聯。

圖5 墓室內甬道、前室、后室中心溫度分布Fig.5 Temperature distribution of the channel, front and rear burial chambers

圖6 各區域的中心空氣相對濕度分布Fig.6 Relative humidity distribution of air in the center of each region

表2 甬道、前、后墓室與大棚內年間溫濕度特征Table 2 Characterization of temperature and humidity of the channel, front and rear burial chambers and the large shelter

與溫度相似,墓室內的相對濕度的波動小于大棚內空氣的相對濕度。甬道和墓室內的空氣相對濕度的波動范圍基本處于55%～99%之間,平均相對濕度為88%,波動范圍以及波動方式也較為接近,但后墓室的波動范圍明顯大于前墓室和甬道,最低值接近40%,僅僅為前墓室最低值的一半左右。

綜上,上坊孫吳墓在一年的監測周期內墓室內各區域溫度分布狀況類似,相對濕度偏高,主要分布范圍在80%以上,而由于其后墓室頂部的開口狀態,后墓室的溫度波動略大于前室和甬道,而相對濕度則明顯大于墓室內其他區域。

3 分析與討論

3．1 保護大棚作用及墓室內總體病害分析

2007年至今,南京上坊孫吳墓遺址于本體上部搭建了臨時保護大棚。保護大棚的搭建直接避免了風吹雨淋造成的本體破壞,同時阻隔了部分太陽輻射的影響并保持室內濕潤的環境。大棚的室內環境取代了原本的露天室外環境,成為了影響墓室病害變化的主要因素。

根據監測結果,冬季孫吳墓室外溫度在0 ℃以下的天數為35天,存在凍融風險,嚴重不利于磚材的長久保存。在建立保護大棚后,保護大棚室內最低氣溫較室外高3.66 ℃,起到了一定的保溫效果,一定程度上可緩解墓室發生凍融破壞風險。同時,保護大棚內的平均溫度高于遺址周邊室外環境平均溫度0.9 ℃,夏季最高溫度高于室外溫度5.5 ℃。即保護大棚在夏季未能起到隔熱作用,加劇了墓室內部溫度的升高幅度,增大了墓室內部的干燥、蒸發及鹽析現象發生的可能。

孫吳墓周邊室外環境年溫度波動幅度為51.8 ℃,空氣相對濕度處于20%～100%;保護大棚內的年溫度波動幅度為50.6 ℃,空氣相對濕度處于33%～99%?？梢钥闯?在大棚的作用下,墓室外溫濕度的波動范圍有所降低,在冬季起到了一定保溫作用,但夏季大棚內最高溫度比室外高4.58 ℃,因通風減少,內部蒸發增強,形成了高濕的環境,一定程度上又加劇了由于溫度波動引起的墓室本體材料脹縮與水分遷移。

3．2 墓室內病害分布與環境影響的關聯性分析

通過現場調研得知,前甬道近地面0.4～0.6 m處的泛鹽現象明顯。同時甬道處磚材出現了較多表面起翹剝落的病害現象。這是由于入口地面處連接室內地面到室外排水道的地下排水溝入口,在雨天或室外水渠水面高度高于室內地坪時,易產生雨水倒灌;另外室內水在此處匯集,導致入口近地面處長時間處于高濕環境中。甬道處滲水的匯集帶來了可溶性鹽,可溶性鹽水沿甬道墻體上升。由監測結果可知,墓室內溫濕度相比于大棚內溫濕度更為穩定。所以受到入口處室內外換氣和溫濕度波動的影響,可溶性鹽水中的水分會在距甬道地面約0.4 m處磚墻表面蒸發,使鹽分結晶在磚材內部或者表面,破壞磚材孔隙結構。

經過現場實際調研,圖7展示了前后墓室有關病害的分布特征。由于不同墓室具有各自的室內外環境綜合作用機理,導致前后墓室在霉菌與微生物的病害呈現出一定程度的差異。在前墓室中幾乎無光線進入,磚材表面有一定的霉菌、泛鹽現象,如圖7a、7c所示。微生物的腐蝕作用下磚材表面銘刻紋路存在明顯的模糊或消失,霉菌發生部位主要集中在墓室壁面內部,靠近地面的下部比較密集。由于受到前甬道排水口的影響,地面可見明顯滲水的水線。推測與下部壁面滲水導致的磚材含水量升高相關。從表2可看出,前墓室中心平均溫度實際略高于甬道中心處的平均溫度。前墓室整體處于高濕環境,且溫度波動較小的環境內,適宜霉菌的生長。而前墓室地面不如甬道口那般潮濕,沿墓室磚墻上升的可溶鹽水在更接近地面的位置發生蒸發,故鹽析現象會更接近于地面。

后墓室底部在夏季雨水充沛的季節,極易發生滲水積水現象;后墓室墻面材料在高濕條件下,表面泛鹽、苔蘚、藻類繁殖尤其嚴重。如圖7b、7d所示,后墓室的典型病害較前墓室表現得更為嚴重;受上部開口的影響,陽光的入射加劇了北側角部光合型微生物的生長活動,太陽輻射和墓室內空氣與大棚內氣體交換則使蒸發作用更明顯,因此加劇了粉化開裂現象。結合監測所得的環境特征,后墓室中心溫度濕度年波動較大,溫度年波動范圍在36.8 ℃,濕度波動在65%,在這種較為劇烈的溫濕度波動環境中,后墓室磚材的熱量進出與水分進出量都大于前墓室,磚材本身在溫度和水分應力作用導致的脹縮下,更易發生裂隙、粉化、剝落等劣化現象。

圖7 上坊孫吳墓前后墓室鹽析與微生物生長現場調研結果Fig.7 On-site survey results of salt precipitation and microbial growth in the front and rear burial chambers of the Shangfang Eastern Wu Tomb

總體來看,上坊孫吳墓的墓室本體存在鹽析、霉菌苔蘚生長、粉化剝落、片狀起翹、殘缺、滲水等病害情況。圖8為主要病害在墓室平面上的分布示意。墓室內相比墓室外溫濕度波動更小,半地下的掩埋環境使得墓室內長時間處于低溫高濕環境,有利于減弱墓室內石材因為溫度和濕度波動所造成的材料收縮開裂等劣化影響,但墓室內的高濕度環境有利于霉菌等微生物的生長。

圖8 上坊孫吳墓前后墓室不同病害分布和面積[8]Fig.8 Distributions and areas of different diseases in the front and rear burial chambers of the Shangfang Eastern Wu Tomb

前墓室由于恢復覆頂石,溫度波動明顯減小,后墓室上部因呈開口狀態溫度波動較大,而溫度波動產生的應力作用則導致磚表面出現了開裂、粉化等物理破壞;其夏季最高溫度較前墓室高4.4 ℃,即使忽略室外陽光對光合微生物生長的顯著促進作用,在該溫度范圍內,更高的溫度也同樣有利于磚石遺址內常見微生物的繁育,同時還增加了由更強蒸發作用導致的鹽結晶風險,后墓室表現出的病害復雜程度多于前墓室,且諸如微生物生長、鹽析等病害的面積大于前墓室。此外,開敞的頂部導致后墓室冬季的凍融循環次數明顯高于前墓室,同樣不利于墓室本體的合理保存。

3．3 基于風險的材料保護分析

上坊孫吳墓主要有磚石材料構成,歐洲的UNI10829[9]和UNI10586[10]標準中,磚石材質文物保護的最佳范圍為:溫度在15～25 ℃之間,相對濕度在20%～60%,且最大每日波動為10%。此外,Aghemo[11]和D’Agostino[12]等也在研究中提出了最適合磚石材料保存的溫濕度范圍,認為最適和保存的相對濕度應小于45%,在溫度控制上則同意標準中給出的數值。參考現有的相關研究與標準,本研究將溫度15～25 ℃,相對濕度20%～45%列為孫吳墓磚材的最佳保存范圍,即無風險區。

為評估環境對遺址本體材料保存所造成的風險,本研究根據文獻調研結果建立了無風險、中等風險和高風險三個等級的溫度和相對濕度范圍,與現有環境進行對比,以確定最危險的時期(圖9)。如圖9a、9c、9e所示,綠色區域代表保存材料的最佳環境條件,包括溫度和相對濕度(淺綠色表示法規和文獻都有規定,深綠色表示只在其中之一有規定);黃色區域是溫度和相對濕度兩個因素其中之一超出保護范圍的區域(深黃色表示法規和文獻中都有規定,淺黃色表示只在其中之一有規定);紅色區域是溫度和相對濕度兩個因素都超出保護范圍的區域(深紅色表示法規和文獻中都有規定,淺紅色表示只在其中之一有規定),這一區域代表最危險的情況。

圖9 后墓室、前墓室和甬道磚材風險評估和頻率Fig.9 Risk assessment and frequency of brick materials in the front and rear burial chambers and channel

綜合圖7可以看出,前后墓室和甬道的相對濕度基本上全部高于60%,偏離標準所規定的20%～60%的最佳范圍。溫度在夏季均高于建議值,冬季則均低于建議值,這說明當前保護大棚的隔熱和保溫性能在特定的季節不能達到要求。后墓室的溫濕度分布風險評估結果的總體分布與前墓室和甬道相近甚至在春夏時節略低于前墓室,但結合對病害的現場勘查,雖然前墓室在長期的高濕環境一定程度上也形成了典型的微生物病害,但后墓室卻因其受到外部環境頻繁波動的影響,表現出了更明顯,也更嚴重的復雜病害特征。本工作主要基于東吳墓的周期性監測數據對遺址的保存現狀展開了量化分析,可以看出,對于磚石類遺址,環境的長期波動相比于穩定的高濕條件,可能會導致更高的保存風險。因此,在對磚石類遺址的保存環境進行評估時,應結合環境溫濕度的范圍與其波動幅度及頻率綜合進行考慮。此外,在外部環境的持續影響下,遺址本體內部的含水率與溫度分布規律也是其保存風險評估的重要內容,基于東吳墓本體保存的二維熱濕耦合遷移分析已開展過相關研究[13]。實際的保護工作應根據季節與氣候對應的具體環境特征與遺址本體的保存狀態來靈活制定針對東吳墓的日常保養維護措施。

4 結 論

依存環境的變化是造成半地下磚石建筑遺產發生病害的重要原因,本研究通過對南京上坊孫吳墓進行病害勘察與環境監測,確定了孫吳墓中的現存的病害類型與分布特征,針對病害發生的環境關聯因素開展了基于本體材料保存的風險等級評估,提出在保證遺址賦存環境的溫濕度所處合理范圍的基礎上,需同步重視對其溫濕度波動情況的控制,并盡量保證相對穩定的保存環境。本研究的方法和結論既可作為制定孫吳墓下一步保護措施的科學依據,也為同類型半地下磚石建筑遺產保護和評估工作提供了有價值的參考。