我国石窟寺分布广泛，石窟艺术印刻了东西方文明与中国各民族文化交融的斧痕，石窟寺保护事关中华优秀传统文化传承发展。石窟内部通常免于日晒雨淋，但洞窟内大量石质文物因存在水分波动而发生严重风化（图1）。长期以来，干旱区石窟内非饱和岩石中水分的来源和动态变化机理缺乏明确认识。

       针对上述科学问题，我校水资源与环境学院博士生牛然在导师蒋小伟教授的指导下，以世界文化遗产云冈石窟典型洞窟为研究对象，开展洞窟内空气温湿度与岩石含水率的原位监测（图2），结合Künzel湿热耦合模型，定量分析了夏季因空气水汽浓度变化引发的岩石内部干湿循环。取得了以下主要成果：

1.提出了一种利用频域反射技术（FDR）监测洞窟表层岩石含水率的方法，将表观含水率转换为实际体积含水率，为研究石窟岩体水分动态变化机理提供了准确数据。

2.建立Künzel湿热耦合模型，将洞内温湿度作为模型输入条件，表层岩石含水率的模拟结果与实测结果高度一致（图3，NSE=0.9006），表明该模型可以有效表征洞窟环境中的湿热传递过程。在此基础上，利用模型预测了内部不同深度的岩石含水率动态变化特征。

3.揭示了空气水汽浓度主导的岩石干湿循环机制：空气中水汽浓度高于多年平均值的阶段，水汽在壁面凝结可能出现液态凝结水，凝结水的入渗及其再分配过程共同决定了岩石内部含水率的增大趋势；空气中水汽浓度低于多年平均值的阶段，岩石内部因蒸发而含水率下降。（图4）。

4.构建了洞窟空气中水汽浓度累积超量与岩石干湿循环极限深度之间的指数函数关系，提出可通过常规空气温湿度监测数据预测风化影响深度，为化学风化与盐风化的评估提供了实用的量化工具（图5）。

图1 云冈石窟石质文物风化破坏严重

图2 石窟内部空气温湿度与岩石含水率监测装备

图3 2021年雨季云冈石窟第9窟内壁面温度（a）和岩体含水率（b）的模拟值与实测值对比。其中a同时给出了实测的洞内空气温度。

图4 2021年6月至9月期间，岩石含水率（a）、液态水通量（b）和水汽通量（c）在不同水平深度处的上下限及波动幅度。

图5 岩石干湿循环极限深度与洞窟空气中水汽浓度累积超量之间的关系。

       本研究针对石窟文物岩体风化的关键驱动机制，提出了一种基于FDR监测与Künzel湿热模型耦合分析的岩体含水动态定量研究方法，系统揭示了无降雨入渗条件下水汽凝结驱动的凝结水入渗与再分布过程。本研究定量论证了石窟内浅层岩体的干湿循环主要受高水汽浓度事件控制，并构建了水汽浓度累积超量与干湿循环极限深度之间的函数关系，为石窟石质文物保护提供了决策依据。

上述研究成果在线发表于工程地质领域国际权威期刊《Engineering Geology》：Niu R., Jiang X.W., Ouyang K.G., Yang X., Wang X.S., Huang J.Z., Yan H.B., Wan L., Rock moisture dynamics in sandstone caves responsible for weathering: Field observations and numerical modeling. Engineering Geology, 354, 108185. [IF2024 =8.4]。

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2025.108185