花山岩画冬季监测结果分析

一、环境温、湿度及岩石表面温度分析

1.环境湿度监测成果分析

在崖壁表面不同部位进行岩体表面温度监测，同时进行湿度监测，现将冬季的环境湿度监测结果统计分析如下。

（1）图5-26为2009年11月7日—2010年1月15日的湿度变化过程曲线。由监测数据可知：最低湿度约为15%，出现的时间一般为11：00～17：00；最高湿度大于90%，出现在4：00～7：00。

图5-26 2009年11月7日—2010年1月15日湿度变化曲线图

（2）图5-27为2009年11月13日24小时湿度动态变化曲线。0：08岩画区的相对湿度为60%，随后持续平缓下降，至13：08相对湿度降至30%；在13：08相对湿度陡然下降至20%，13：08～17：08相对湿度维持在最低值15%左右；17：08～20：08相对湿度逐渐增大至35%；20：08～24：00相对湿度大致维持在40%左右。

图5-27 2009年11月13日0：00～24：00湿度变化曲线图

2.岩体表面温度监测成果分析

图5-28为2009年11月7日—2010年1月15日大气温度与岩体表面温度的动态监测成果。统计分析结论如下。

（1）从监测结果可以看出，大气温度和岩体表面温度变化过程基本趋于一致，岩体的峰值和大气的峰值基本同步，或者表现为岩体表面温度的峰值稍微滞后的特征。

图5-28 2009年11月7日—2010年1月15日大气温度与岩体表面温度曲线图

（2）图5-29为2009年11月7日—2010年1月15日岩体表面与大气的温差动态变化曲线。在监测期间，2009年11月，岩体表面温度高于气温，可相差3℃左右，而岩体表面温度低于气温的差值可达9℃；2009年12月—2010年1月，岩体表面温度低于气温的最大差值仅为6℃左右，高于气温的时间增多，1月7日以后岩体表面温度一直高于气温，未出现负值。

图5-29 2009年11月7日—2010年1月15日岩体表面与大气的温差动态变化曲线图

（3）图5-30为2009年12月23日—12月24日48小时内大气温度与岩体表面温度对比曲线，图5-31为2009年12月23日—12月24日48小时内大气温度与岩体表面的温差动态变化曲线。12月23日0：07～8：07岩体表面温度为18℃，气温为17℃，岩体表面温度高于气温1℃左右；从8：07开始岩体表面温度和气温开始升高，气温的上升速率较快，至10：07气温开始高于岩体表面温度；至14：07温度达到最高点，气温高于岩体表面温度约2℃；18：07岩体表面温度和气温开始下降，气温的下降速率较快，至20：07气温低于岩体表面温度，整个夜间均保持温差在1℃左右。12月24日为晴天，温度的变化规律相同，只是下午的峰值更高，气温高于岩体表面温度达6℃。从曲线形态看气温的变幅更大，岩体表面温度曲线更平缓。这说明无论是升温过程还是降温过程岩体表面均滞后于气温。

图5-30 2009年12月23日—12月24日大气温度与岩体表面温度对比图

由分析可以看出，崖壁温度的变化少部分来自于大气与岩体之间的热传导，主要因素还是太阳光的热辐射。

图5-31 2009年12月23日—12月24日大气与岩体表面的温差曲线图

（4）与2009年春季（4月—5月）的测试结果对比，冬季的岩体表面温度变化幅度比春季小，较为稳定。

（5）从总体趋势看，2009年12月—2010年1月气温呈逐渐降低的趋势，其中12月14日左右有一个明显的降温过程，而1月9日又有一个明显的降温阶段。日平均气温逐渐下降，日最低气温从25℃降低至最低15℃。岩体表面气温逐渐低于岩体内部温度，因此在冬季岩体内部温度总体呈向外散热的过程。

二、开裂岩体的温度监测

开裂岩体表面、完整岩体表面的温度变化动态过程的监测点位和前期相同。为了更清楚地了解开裂岩体内部的温度场变化，在开裂岩体内部增加了一个监测点，用于监测裂隙内部与开裂岩体表面之间的温度差值。

为了安装新增的测试点，2009年11月28日—12月7日、12月13日—12月23日两个时间段采集数据被中断。

从监测结果来看，由于开裂岩体与山体脱离，在环境气温变化的情况下，开裂岩体表面的温度变化与完整岩体明显不一致。开裂岩体对环境变化更敏感，而完整岩体受山体影响更大。

一种情况是降温期间，在阴雨天气且无阳光照射的情况下，岩体表面无热能补充，山体的温度大于大气平均温度，因此能量通过完整岩体向大气扩散；开裂岩体和山体脱离，其表面温度受山体的影响不明显，反而受气候控制更为强烈。因此，在阴雨冬季，大气温度、开裂岩体、山体之间出现如下的温度分布特征。

（1）完整岩体与开裂岩体的温度变化均受大气温度的控制，基本呈同步变化。

（2）开裂岩体与完整岩体的温度变化幅度不一致，总体看来，开裂岩体的温度变化幅度大于完整岩体。

另外一种情况是冬季晴朗有阳光照射的时段，这时由于有阳光辐射能量的补充，因此岩体表面温度将会上升，并导致开裂岩体与完整岩体的温度出现明显的差异。这种差异主要在下午太阳直接照射崖面后出现。当太阳落山后，或者太阳被云遮挡时，岩体表面的温度迅速下降。在这一过程中，岩体表面的温度将受多种环境因素的控制，例如大气温度和山体内部的温度变化。

图5-32为大气、完整岩体和开裂岩体的温度变化时程曲线。由图可知，完整岩体和开裂岩体的温度均受气温影响同步升降。开裂岩体的温度变幅大于完整岩体。从2009年11月—2010年1月岩体温度总体呈逐渐下降趋势。

图5-32 2009年11月8日—2010年1月15日大气、开裂岩体和完整岩体的温度动态监测结果

岩体的开裂是导致崖壁温度分布不均的主要因素。从此次冬季的监测结果可以看出，开裂岩体的温度可以高于完整岩体约6℃或者低于完整岩体表面7℃（图5-33）。这一现象和2009年9月份的监测数据基本类似，但变化幅度更大。这表明，在气候环境和山体温度差异越大的季节，完整岩体表面和开裂岩体表面的温度差异将更明显。

图5-33 2009年2月24日—2010年1月15日开裂岩体温差动态变化时程曲线图（开裂岩体表面温度-完整岩体表面温度）

图5-34为2010年1月5日24小时开裂岩体温度变化曲线，图5-35为相应的温差曲线。

图5-34 2010年1月5日开裂岩体温度变化曲线图

由图5-34可知，2010年1月5日0：00～8：00，开裂岩体表面和完整岩体表面的温度基本一致，开裂岩体略低于完整岩体，但均高于气温；8：00以后岩体温度随气温攀升，从9：00开始，开裂岩体表面温度开始高于完整岩体，至15：30开裂岩体表面温度高于完整岩体5℃；从12：00开始，气温开始高于岩体。在整个升温过程中，开裂岩体滞后于气温，完整岩体滞后于开裂岩体。17：00之后连续降温，至18：00开裂岩体表面温度开始低于完整岩体，21：00以后气温开始低于开裂岩体和完整岩体，并持续到24：00。整个降温过程，也有开裂岩体滞后于气温、完整岩体滞后于开裂岩体的规律。由此可见，开裂岩体对环境变化的反应比完整岩体更敏感。

图5-35 2010年1月5日开裂岩体温差曲线图（开裂岩体温度-完整岩体温度）

三、钻孔岩体的温度监测

本次冬季采集的钻孔岩体温度监测数据为2009年11月8日—11月24日和2009年12月22日—2010年1月16日这两个时间段的测试数据。中间因仪器检修和电池检修导致2009年11月25日—12月21日数据的缺失。

在此期间钻孔ZK-2出现多次故障，数据不稳定。下面重点将钻孔ZK-1的数据分析如下。(www.zuozong.com)

（1）钻孔岩体温度监测数据表明，冬季花山岩画区出现了多次降温天气，导致日最低温度和平均气温降低，反应在岩体深部（50cm）处的温度大幅度降低。

（2）除了天气晴朗，有太阳照射时外，1月份总体趋势为岩体内部温度高于表面温度。因此，冬季花山岩画以山体能量补充崖面为主。

（3）2010年1月5日天气晴朗，下午太阳西晒导致崖壁温度上升很快。图5-36为2010年1月5日钻孔ZK-1岩体温度变化曲线，图5-37为相应时段的温度梯度曲线。

2010年1月5日0：00所有探头的温度集中在22℃附近，岩体内不同深度处的温差不大，0：00～8：00表层0cm、5cm和15cm处的温度持续下降至20℃，而30cm和50cm处基本维持水平线。8：00～12：00岩体温度开始缓慢上升，表面温度上升速率明显大于岩体内部。13：00开始，由于太阳的照射引起岩体温度大幅上升，岩体表面最高温度达到35.8℃，出现时间为16：42。而内部5cm和15cm处的温度在滞后1小时20分后，于18：00左右温度出现峰值，5cm处的温度峰值为31℃，15cm处为28℃，随深度明显降低。17：00后岩体表面开始降温，18：00后岩体内部也开始降温，明显滞后于岩体表面。从30cm处的温度曲线看变化已经很弱。50cm处的温度在24小时内变化很小，变幅仅2～3℃，而且与其他探头明显不同步，从0：00～14：00一直持续缓慢下降，而从太阳西晒开始升温，在14：00～24：00一直持续缓慢上升。

图5-36 2010年1月5日钻孔岩体温度曲线图（ZK-1）

（4）从温度梯度变化可以看出（图5-37），冬季岩体表面5cm处的温度梯度变化非常明显，在2010年1月5日一天之内变化范围为150～-50℃／m，幅度接近于200℃／m，比2009年9月份监测的结果更大。

图5-37 2010年1月5日钻孔岩体温度梯度曲线图（ZK-1）

（5）2010年1月12日为阴雨天气，30cm和50cm处的温度变幅很小（图5-38），0～15cm的表层温度变化较大。崖壁表面日最高温度出现在13：50，但也仅仅约为18℃，而山体内部50cm处整体温度约为18℃，因此一天内，崖壁均受内部温度场能量补充。从温度梯度看，一天之内变化幅度很小（图5-39）。

（6）从不同时刻温度随深度变化曲线（图5-40、图5-41）可以看出，在天气晴朗时，崖壁表面温度变化很大。从2010年1月5日的温度变化曲线可以看出，在16：00崖壁外表面温度明显高于5cm处，形成一个高的温度梯度场，这时导致崖壁表面岩体受热膨胀；而在19：00太阳下山后，表面温度急剧降低，导致表面形成一个负的温度梯度场，而内部仍然属于高温膨胀状态，此时岩体表面将遭受张拉力的作用。因此，在岩体表面温度升高与降低的过程中，岩石将反复张拉，最终导致岩体开裂。

图5-38 2010年1月12日钻孔岩体温度变化曲线图（ZK-1）

图5-39 2010年1月12日钻孔岩体温度梯度图（ZK-1）

图5-40 2010年1月5日各时刻温度随深度变化图

图5-41 2010年1月12日各时刻温度随深度变化图

（7）晴天的夜间（22：00～7：00），不同深度处温度大致为相同曲线且呈水平；而下午有西晒时，曲线为下行弯曲，表示岩体表面温度高于岩体内部温度。阴雨天曲线为上行弯曲，表示岩体内部温度高于岩体表面温度。

表5-4为2009年下半年岩壁表面温度变化的统计成果。由表5-4可知，从2009年9月20日—2010年1月15日，岩壁最低温度逐月下降，由27.8℃降至15.1℃。岩壁最高温度秋季（2009年9月—11月）可达53.8℃，冬季（2009年12月—2010年1月）仅35.8℃。岩壁的日最高温度为53.8℃，出现在2009年9月20日17：22；最低温度为15.1℃，出现在2010年1月14日6：05。晴天岩壁的日温差值为13.5～17.6℃，阴雨天的日温差值仅0.7～3.1℃。岩壁的月最大温差为26.9℃，大于大气的年平均温差（15.1℃）。2009年下半年的岩壁极端温差变幅为38.7℃。

表5-4 2009年下半年岩壁表面温度监测记录统计表

灰岩的温度应力系数一般为0.2～0.25MPa／℃，若按年平均温度变幅为27℃计算，则岩石表面可能出现的温差应力为5.4～6.75MPa，而岩石的平均抗拉强度只有5.8～6.4MPa。温差应力的作用深度除沿构造裂隙侵入较深外，一般不超过当地的岩体风化深度。本次调查花山岩画构造开裂岩体的最大厚度一般不超过12cm，风化开裂岩体的最大厚度一般不超过4cm。

四、光照度监测数据分析

图5-42是花山岩画区2009年12月—2010年1月光照度实时动态曲线。统计分析的结论如下。

图5-42 2009年12月—2010年1月花山岩画光照度现场监测实时数据

（1）12月24日天气晴转多云，监测从7：30开始，至18：00结束。最大光照度出现在15：31，强度达到了6.11×104Lux，为2009年12月—2010年1月的最高值（图5-43）。

图5-43 2009年12月24日光照度实时数据（多云转晴）

（2）12月30日小雨，属于比较典型的阴雨天气。光照度的最大值出现在15：03，最大光照度仅为1.22×104Lux（图5-44），约为晴天的1／5。

图5-44 2009年12月30日光照度实时监测数据（阴雨天）

（3）最大光照度出现的时间和秋季的监测结果基本一致。若天气为晴天，每天14：00以前，数据差别不大，因为太阳在山的背面。但14：00以后，太阳偏西后，将直接照射岩壁，光照度受日照影响明显。若天气为阴天或雨天，每天11：00至16：00数据差别不大。在不同的天气情况下，光照度数据差别非常明显，最大光照度值可相差5倍。

（4）12月25日下午多云，在云层较多的天气情况下，光照度将会在极短的时间（一到数分钟）内大幅度波动。

（5）对每天最大光照度值与对应的时间进行统计分析，结果如表5-5所示。由统计结果可知，晴天（多云）最大光照度出现的时间为14：48～15：30，强度为（5.8～6.11）×104Lux；阴雨天光照度最大值出现的规律性差，出现时间为12：51～15：03。12月22日（阴天）的光照度最低，最大值仅为0.94×104Lux，时间出现在14：31。

表5-5 光照度监测最大值统计表

将2009年9月份的光照度监测数据和冬季的监测数据统一进行分析，绘制了最大光照度散点图（图5-45）和最大光照度出现时间散点图（图5-46）。可以得到如下结论。

图5-45 光照度日最大值分布散点图（含2009年9月份数据）

图5-46 最大光照度出现时间散点图

（1）秋季（9月）光照度的最大值为9.73×104Lux，明显高于冬季。而2009年12月—2010年1月，太阳偏南，最大光照度降低为6.11×104Lux，这个数值约为秋季最大光照度的62.8%。

（2）阴雨天秋季和冬季的光照度数据非常接近。9月份阴雨天的最大光照度为（1.09～2.46）×104Lux，冬季阴雨天的最大光照度为（0.94～1.65）×104Lux，冬季略低于秋季。

（3）秋季的光照度变化幅度大于冬季，对岩画的影响更为严重。

（4）从最大光照度出现的时间散点图可以看出，不管是秋季还是冬季的数据均表明，晴天出现最大光照度的时间均集中在15：30左右，即太阳西晒崖壁的时刻；而阴雨天的最大光照度分散范围非常广，从10：00到15：00均有分布。