发布时间: 2016-12-15

主要完成单位：陕西省文物保护研究院 西安交通大学 秦始皇帝陵博物院 中国科学院地球环境研究所 汉阳陵博物馆 西安建筑科技大学 西安元智系统技术有限责任公司
     主要完成人：马涛 顾兆林 夏寅 刘克成 邓宏 王展 李库
     获奖等级：二等奖
     本项目基于国内外相关遗址博物馆建筑、环境监测与调控，以及文物保护的技术方法和经验教训的综合调查，针对目前我国遗址博物馆保护形式单一、缺少科学的预防性保护手段等问题，组织多学科、多领域的合作与协同研究，完成了典型遗址博物馆遗址环境与病害的关联调查、微环境试验舱及多场耦合实验舱的模拟研究，梳理并揭示遗址博物馆条件下大气环境-土环境-水环境与文物病害的关联关系；集成开发并优化提升了遗址博物馆的环境监测、分异调控和建筑设计理念与手段，构建能够有效评价、调控和改善文物保存环境质量的遗址博物馆文物预防性保护技术体系。本项目的先进性、前瞻性和创新性体现在：研制了国内唯一的开放式和封闭式多场耦合实验舱，构建了系统的遗址文物环境监测综合集成系统，编制了遗址博物馆建筑设计导则，揭示了文物遗址环境的水分单向迁移的机制并提出了可行的补水技术措施，为遗址博物馆文物的预防性保护提供了关键技术的系统解决方案。
      根据国家文物保护科学和技术发展“十二五”规划，我国“国家文物保护科学和技术”的理念由“抢救性保护”向“预防性保护”开始转变。按照“预防性保护”的理念，2012年1月到2015年12月，由国家科技支撑计划支持，在国家文物局的领导协调下，由陕西省文物保护研究院牵头，协同秦始皇帝陵博物院等单位，通过“需求单位、研究院所、高等院校、企业产业”四位一体，直接将文物领域需求单位与“产、学、研”相结合，针对以往传统遗址博物馆与“十一五”时期在“大遗址保护专项”工作推动下建成的一批遗址博物馆文物本体保护中出现的问题，开展了“遗址博物馆环境监测与调控关键技术研究”的专项课题研究。
      该项目是在基于国内外相关遗址博物馆建筑、环境监测与调控以及文物保护的技术方法和经验教训的综合调查，针对目前我国遗址博物馆保护形式单一、缺少科学的预防性保护手段等问题，组织多学科、多领域的合作与协同研究的基础上，完成了典型遗址博物馆遗址环境与病害的关联调查、微环境试验舱及多场耦合实验舱的模拟研究；梳理、揭示了遗址博物馆条件下大气环境-土环境-水环境与文物病害的关联关系；集成开发、优化提升了遗址博物馆的环境监测、分异调控和建筑设计理念与手段，构建能够有效评价、调控和改善文物保存环境质量的遗址博物馆文物预防性保护技术体系。

 项目研制了国内唯一的土遗址文物专用的开放式和封闭式多场耦合实验舱；构建了系统的遗址文物环境监测综合集成系统；编制了遗址博物馆建筑设计导则；揭示了文物土遗址环境的“水分单向迁移的机制”，并针对该机制造成的危害，提出了可行的补水保护技术措施。
     该项目的研究，为遗址博物馆文物的预防性保护提供了关键技术的系统解决方案，充分体现了研究的先进性、前瞻性和创新性，从而为大遗址保护中做好文物本体保护工作提供了技术支持，使遗产保护的文化工程、惠民工程可以做到有的放矢，并进一步促进优秀传统文化传承体系建设和美化城乡环境建设，推动经济社会和文化遗产保护协调可持续发展。
     项目研究采用多学科理论与技术，针对遗址博物馆存在的保护问题和预防性保护的重点需求，主要进行了多方面的工作。
一、博物馆实地客观调查和主观访谈相结合，形成典型遗址博物馆遗址及文物病害相关性研究结论
     按照“现场观测证据”—风化机理判断—微环境模拟实验的思路，进行遗址博物馆环境与文物病害关联调查研究。
      1.项目单位组成联合考察组，分冬、夏两季对国内10处典型遗址博物馆（金沙遗址博物馆、熊家冢遗址博物馆、田螺山遗址博物馆、上海元代水闸博物馆、秦俑博物馆和汉阳陵博物馆等）进行了现场调查，分析总结不同地理区域、不同遗址类型、不同建筑结构下文物保存环境的特点与存在的主要病害问题，从宏观上梳理出遗址与文物安全的潜在共性环境威胁，包括遗址本体类型与文物材质、博物馆建筑结构指标、遗址地域自然地理关键变量，及博物馆室内、外环境中人为影响因素的筛选和定量评价等，确定遗址博物馆环境监测、调控技术研究的重点要素。

 2.深入示范遗址博物馆环境与文物病害的调查，针对秦俑1号坑遗址保护厅（半开放式）、汉阳陵从葬坑保护厅（封闭式）条件下的水-土-气环境，主要环境（自然、人为环境）因素的时空分布和变化规律，建立示范开放-半开放式遗址博物馆（秦俑馆一号坑）与封闭式遗址博物馆（汉阳陵帝陵外藏坑保护展示厅）内文物保存环境的长期演化趋势评价数据集及文物病害数据集，基于文物病害的数字图像采集、定性识别和病害的量化分析（以像素定量面积和长度病害）甄别相关的环境有害因子，并通过判断其风化机理，深入研究二者的关系。

3.总结典型遗址博物馆遗址与文物病害相关性结论。即，在遗址博物馆中主要是基于遗址文物赋存的周围大气、土壤等环境，表明遗址博物馆文物的曝露形式有三种类型：大气环境全部曝露遗址文物、大气环境部分曝露遗址文物、埋藏遗址文物。在其保护过程中，主要的影响因子有：遗址博物馆的建筑结构、通风设施等，影响遗址文物的整体环境状况；微气候空气温湿度周期变化，导致遗址发生干化、开裂和返碱，文物酥碱；污染气体、悬浮颗粒物和微生物造成遗址文物堆积沉尘、盐害和微生物滋生；土壤和地下水环境随季节变化的水盐运移对遗址文物有影响，冬季尤其明显；遗址地理位置、遗址类型和材质造成遗址变干、土体开裂、文物脆弱、彩绘脱落等。
     而且，在遗址博物馆中造成遗址博物馆三类文物主要病害的其他原因还有：缺少建立在大量研究基础上的遗址本体病害的基本理论研究；缺乏能够比较全面监测、评估遗址博物馆环境状况的经济实用的综合环境监测技术体系，特别是实时在线监测手段；缺少文物安全、环境适宜、经济有效的遗址博物馆文物区域局部环境调控技术；缺少针对遗址博物馆建筑设计与建造的规范——重形式、轻功能，重展示、轻保护。
     二、物联网技术与实验技术相结合，探索遗址博物馆研究方法手段，建立模拟多场耦合实验舱，形成遗址博物馆环境监测信息平台
     遗址的不可移动性、遗址博物馆大空间环境的复杂性，使得遗址文物不可避免地受到自然环境和人为污染的影响。及时发现造成文物病害的风险因素，是实现预防性保护对策的前提和基础。
     在病害-环境关联研究的基础上，项目梳理出了小气候条件、空气环境、土环境、水环境的主要影响因素，在充分借鉴国内外环境科学、气象观测、土壤水文等相关行业已有监测技术的基础上，针对遗址博物馆环境的特点，通过集成、二次集成研究，分析完成了研究性监测技术集成和实时在线检测技术集成。
     1.由于遗址博物馆与遗址文物的特殊性，各种针对遗址文物的研究不完全能在遗址博物馆现场进行，项目研制建立模拟多场耦合试验舱，借助试验舱模拟实现各种遗址博物馆文物保存环境要素，开展环境参数（空气温湿度、污染物、光照及土壤温度、含水量、含盐量等环境参数）与文物病害定量、定性关系的综合实验。

2.集成了环境、土壤、气候气象等领域的监测技术、采样分析方法，能够满足系统、准确监测光照、大气温湿度、风速、污染气体、降尘、气溶胶、土壤成分、土壤和空气霉菌、地下水成分等主要环境因素的时空分布和变化规律的需求。按照遗址博物馆“监测-评价-预警”一体化的原则，研发了7种监测终端——将读数存储式转换成实时在线式。综合物联网无线传感器技术和数据入网规范，研发了在线监测信息系统来进行数据无线传输，建立了遗址博物馆监测的大空间上环境－文物本体－下环境立体监测技术体系，能够满足多点位、密集布点、实时在线和较长期连续“风险识别管理”监测的需求，汉阳陵等地长期监测的效果表明，能够实现对“光照、大气温湿度、微风风速风向、蒸发量、大气压、SO2、NO2、土壤梯度式温度、含湿量、电导率、土遗址裂缝”的实时在线监测和风险因素识别。

三、实时监测与模拟实验数据相结合，建立遗址博物馆土遗址失水模型，提出遗址博物馆条件下土遗址单向、自发失水的化学势理论
     通过大量的理论研究，提出了“土遗址中水分向空气扩散的化学势理论公式”。

该公式说明：除非空气湿度保持在99.99%，理论上不可能通过调节空气相对湿度来使土遗址回湿，这也解释了汉阳陵封闭展厅RH85%-95%的高湿环境，并没有抑制水分的蒸发。土壤干裂、返碱是自由水从土壤向空气迁移结果，是一个单向的、自发的过程。不能通过控制遗址建筑内空气湿度来达到调节遗址本体含湿量的目的，减少蒸发唯有补充水分才是可行的方法。
     四、已有博物馆现实与未来博物馆建设相结合，设计土遗址补水及局部保存环境调控装置，建立遗址博物馆建筑设计标准导则
在博物馆调查、模拟实验、实时监测的基础上，依据“土遗址单向、自发失水的化学势理论”，针对遗址博物馆文物保存过程中所面临的环境污染、温湿度波动、土遗址干裂等突出问题，以发展环境调控技术为目标，重点研究开发了文物保存环境隔离调控、土遗址补水保护两项技术.
     1.利用计算流体力学和流函数法相结合，从理论上推导得出了坑式结构遗址文物空气幕隔离系统的理论设计公式：
建设了一个占地面积约100平方米的土遗址文物环境调控研究实验室，研制了局部环境调控实验平台，研发了包括环境隔离调控以及辐射调控技术的局部环境调控净化技术。经多场耦合舱长期调控运行性能研究，得到了系统运行的适宜参数范围和调控效果，可以达到对大空间坑式遗址环境的有效调控。

基于化学势的原理从理论上阐释了土遗址文物水分单向迁移的现象，证明了通过对空气加湿，无法阻止土遗址持续干裂，从而从理论上提出了土遗址进行补水保护的必要性。在开放式多场耦合试验舱建立了土柱补水保护试验台，开展了雾状液态水补水的保护试验，阐明了补水保护的实施技术参数，证明补水保护的可行性。

2.在已有遗址博物馆方面，针对遗址博物馆文物现存环境分析和评估在数值模拟技术上的需求和遗址博物馆游客环境调控对系统经济运行性能预测评估方面的需求，研究了环境调控技术评估的数值分析技术、遗址博物馆文物保存环境计算流体力学模拟技术和遗址博物馆适宜调控模式评估数值技术，解决已有博物馆环境评估问题。
   （1）发展可实现任意复杂建筑区域网格自动剖分的网格生成算法，实现遗址博物馆展示厅空间的三维自动建模，减少计算流体力学方法在应用过程中网格生成工作量；开展流体流动控（Navier-Stokes方程）的离散和求解算法研究，将网格自动生成算法应用于计算流体力学；开发一个通用流动模拟软件，利用该软件对具有复杂形状的遗址博物馆内文物保存环境的进行模拟，对文物保存中出现的环境问题进行评估分析，根据遗址博物馆对文物保护及环境调控的需求，完成遗址博物馆文物保存环境数值模拟研究，构建遗址博物馆环境调控研究数学辅助分析系统，为环境舱系统理论设计与效果预测、调控技术在大空间遗址博物馆应用示范的效果预测提供技术支撑；利用该方法对汉阳陵地下遗址博物馆展示厅文物保存空间进行了分析，阐明了文物遭受损害的原因。

   （2）提出游客环境与文物保存环境空间分异理论，阐明遗址博物馆游客环境空调系统设计的基本理念与思路。对遗址博物馆能耗进行了分析：通过单因素法分析因子对冷热负荷的影响特性，通过平均单位变化率的方法得到因子水平，最终表明人员密度影响最大，得到遗址博物馆能耗特性。以秦兵马俑一号展示厅为例，对热环境控制系统适用性分析，通过对全空气定风量系统及变风量系统进行比较，包括空调系统形式、风机电耗、空气处理设备选型及新风方式、热回收器搭配方案、冷热源选型及搭配方案、输配系统控制模式，通过计算不同方案系统满意率及设备能耗等，对方案进行选定，并通过生命周期法对方案经济性进行分析，最终提出了适宜这种大空间展示厅游客环境的调控模式，为今后遗址博物馆改造提供了理论分析工具与思路支持。

     在未来博物馆设计方面，对国内外主要遗址博物馆进行了实地调研，总结了不同时期、不同阶段遗址保护展示的原则、准则、理论内容的演化，探寻遗址保护与遗址博物馆研究领域的动向，梳理、总结遗址博物馆的类型化特点及其保护和展示的建筑环境要求。研究总结不同遗址类型、不同遗址空间方位、不同气候环境条件的遗址对遗址博物馆建筑设计和建设的要求，在遗址博物馆建筑选址、建设规模、建筑设计（造型、平面、功能分区、流线）、建筑工程技术（结构、基础形式、建筑物理环境）等建筑学研究的基础上，充分考虑文物考古、预防性保护、陈列展示和管理运营的要求，总结了遗址博物馆建筑设计的科学原则、方法和程序，确定了遗址博物馆评价指标体系，制定了《遗址博物馆建筑设计导则（初稿）》。

     五、主要成果及示范应用
     本项目共获得了“一种坑式结构遗址文物隔离式保护的局部环境调控系统”等5项发明专利、“基于物联网的遗址博物馆氮氧化物实时监测装置”等5项实用新型专利、“遗址类博物馆环境监控综合信息系统”等2项软件著作权，以及《遗址博物馆建筑设计导则（初稿）》等4项文物保护行业标准（初稿）。
     遗址博物馆保存环境及本体监测技术已分别在湖北宜昌三游洞、新疆克孜尔石窟、湖南长沙龙窑遗址等进行了推广应用；遗址博物馆坑式遗址的气幕隔离-辐射冷却调控技术正在秦兵马俑铠甲坑进行应用；雾状补水技术在汉阳陵博物馆公共考古区进行示范应用。
     我国遗址类文化遗存非常丰富。近年来，伴随着我国考古发掘持续进展及大量遗址被发现，遗址博物馆的数量还在与日俱增,本项目成果必将给遗址博物馆的建筑设计和预防性保护工作起到规范和推动作用。
     (来源：中国文物信息网)