王思嘉，張秉堅(jiān)，2，吳 健

(1. 浙江大學(xué)文博系，浙江杭州 310028； 2. 浙江大學(xué)化學(xué)系，浙江杭州 310027； 3. 杭州蕭山跨湖橋遺址博物館，浙江杭州 311203)

0 引 言

土遺址的保護(hù)一直是比較困難的課題。在遺址博物館中，室內(nèi)土遺址病害的基本原因是水分不斷從土體向上單向遷移和蒸發(fā)。由此引發(fā)可溶鹽的向外遷移、表層粉化、土體開裂等一系列病害[1-4]。在過去的一二十年中，保護(hù)工作者已經(jīng)嘗試使用多種化學(xué)材料進(jìn)行加固，但是只要水分的單向遷移和蒸發(fā)不斷，表層剝離等保護(hù)性破壞現(xiàn)象就會(huì)發(fā)生[1]。

前期調(diào)研表明，恒定含水量是土遺址保持穩(wěn)定的必要條件[1]。因此，提出一種新的土遺址保護(hù)理念：維持水分的平衡，即設(shè)法使土體內(nèi)的水分保持基本不變。這樣鹽分就不會(huì)遷移和析出結(jié)晶、土塊也不會(huì)干縮形成裂隙。對于室內(nèi)土遺址意味著需要“適量補(bǔ)水”，以穩(wěn)定土中的鹽分、防止土體開裂和粉化。適量補(bǔ)水需要解決兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，其一是如何補(bǔ)水；其二是如何達(dá)到恰當(dāng)?shù)乃?。這里，第一項(xiàng)技術(shù)是基礎(chǔ)。在補(bǔ)水技術(shù)方面，噴灑(噴淋、噴霧等)是最簡單的方法，但是長期的噴灑無疑會(huì)使土體表面板結(jié)，從而改變遺址原貌。作為一種嘗試，本課題組開展了補(bǔ)水于無形的“氣-液相變補(bǔ)水”的探索性研究。

存在于自然界的水有固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)三種狀態(tài)。在一定溫度和蒸汽壓下水的狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變，這種變化即為“相變”[5]，一般將水由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)的過程稱為凝結(jié)或冷凝。氣態(tài)水在土壤表面和孔隙中凝結(jié)是均勻增加土壤濕度的最佳方式，如果能利用該凝結(jié)過程使遺址土體的含水率增高，使鹽分溶解并滲透至深處，這無疑是一種具有創(chuàng)新意義的土遺址保護(hù)措施。

實(shí)際上“氣-液相變補(bǔ)水”是普遍存在的自然界現(xiàn)象。例如，非降雨形成的液態(tài)水是土壤和植被獲取水分的重要方式。在極端干旱的環(huán)境中，露水的量可以超過降雨量，甚至是植物獲取液態(tài)水的唯一來源。國內(nèi)外的農(nóng)學(xué)家、氣象學(xué)家、土壤學(xué)家等已經(jīng)開始關(guān)注土壤冷凝水這一研究領(lǐng)域，他們揭示了這一現(xiàn)象的物理原理，并不斷尋找預(yù)測方法，以期對這一現(xiàn)象進(jìn)行利用。目前國內(nèi)外對于土壤吸濕的研究基本上都是通過建立物理模型進(jìn)行計(jì)算，然后現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)測量冷凝水量，以驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的可靠性[6-7]。孟繁華等[8]利用土柱模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)影響土壤冷凝水的因素有晝夜溫差和潛水埋深等。李小剛等[9]研究了土壤吸附水與鹽分之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)鹽分顯著增加了土壤水汽吸附量。但是由于土壤冷凝過程非常復(fù)雜，這一預(yù)測過程存在很多變量，目前國際上尚無比較可行的土壤冷凝水的預(yù)測方法，特別是以建立人工氣-液相變補(bǔ)水環(huán)境為手段，達(dá)到土壤可控潤濕為目標(biāo)的研究還未見于報(bào)道。

對于封閉的平衡體系，由水的飽和蒸汽壓公式、空氣的濕度、空氣和固體表面的溫度差，就能預(yù)測冷凝現(xiàn)象是否會(huì)發(fā)生，并可計(jì)算出冷凝水量。但是對于實(shí)際土遺址，由于：1)土壤礦物顆粒性質(zhì)的不同；2)土體結(jié)構(gòu)和孔隙的差異；3)空氣溫濕度、土體溫度和含水率的非均勻性；4)水在氣-液相間傳質(zhì)速率的影響；5)土壤中可溶鹽溶解后引起的水蒸汽壓降低。這些物理因素和非平衡過程使得理論預(yù)測變得十分困難。為了利用水汽自動(dòng)在土壤中凝結(jié)的規(guī)律，以達(dá)到“氣-液相變補(bǔ)水”的目標(biāo)，本工作以杭州蕭山跨湖橋遺址博物館土遺址為例進(jìn)行了試驗(yàn)研究、凝水量預(yù)測和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)研究。

1 土壤水汽凝結(jié)小試驗(yàn)

一般情況下，土壤中水量平衡方程式為：

P+I+C=E+D+ΔW

(1)

式中：P為有效降水量；I為灌水量；C為氣態(tài)水凝結(jié)量；E為土壤蒸發(fā)量；D為排水或滲透量；ΔW為某時(shí)段內(nèi)土壤含水量W的變化量。針對室內(nèi)土遺址，可以忽略P、I；本試驗(yàn)以帶底容器裝載土樣，可認(rèn)為D=0。土壤水量平衡方程為：ΔW=C-E。試驗(yàn)在高濕條件下進(jìn)行，忽略E，可用電子天平直接獲得ΔW。

1.1 試驗(yàn)裝置

自建試驗(yàn)裝置如圖1所示，a為直徑5 cm培養(yǎng)皿，以盛裝土樣；b為外徑7.5 cm、高5 cm的夾層燒杯，以通冷卻水維持土樣溫度；c為內(nèi)徑30 cm的帶出口孔塞的真空干燥器，下層放置KNO3或KCl飽和溶液以維持干燥器內(nèi)濕度；所有需要隔溫處用聚氨酯發(fā)泡劑和鋁膜玻纖布膠帶包裹。

圖1 氣-液相變補(bǔ)水試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Small test device of gas-liquid phase transition experiment

整個(gè)試驗(yàn)裝置放入恒溫烘箱中以控制環(huán)境溫度；夾層燒杯中的冷卻水通過橡膠管由低溫恒溫槽提供。這里，盛裝土樣的培養(yǎng)皿需要特別注意防止壁面直接暴露在空氣中，不僅需要使用聚氨酯發(fā)泡劑對培養(yǎng)皿內(nèi)外壁進(jìn)行包敷，同時(shí)需要對培養(yǎng)皿上沿口邊緣切割，使發(fā)泡保溫套邊緣向外側(cè)傾斜，避免容器邊緣的冷凝水流入容器。

1.2 土壤樣品

蕭山跨湖橋遺址博物館土遺址現(xiàn)場典型析鹽的XRD分析結(jié)果見圖2。

圖2 蕭山跨湖橋遺址博物館土遺址典型析鹽的XRD分析結(jié)果Fig.2 XRD analysis results of typical salts of the earthen site of Kuahuqiao Site Museum in Xiaoshan

將從遺址博物館取來的土樣置于通風(fēng)處晾干，除去雜質(zhì)，用自來水反復(fù)浸泡至上層清液的電導(dǎo)率接近自來水電導(dǎo)率時(shí)停止換水。將土樣在105 ℃下烘至恒重，用研缽將塊狀土搗碎過200目篩，使土樣保持松散狀態(tài)。

1.3 控制條件

設(shè)計(jì)3個(gè)控制條件：

1) 空氣溫度與土壤表面溫度差ΔT。通過分別控制恒溫烘箱和低溫恒溫槽溫度，可以得到空氣溫度與土壤表面溫度的差值。該裝置能制造的三個(gè)溫度差值如表1所示。

表1 試驗(yàn)中空氣溫度與土壤表面溫度的差值表Table 1 Difference between air temperature and soil surface temperature (℃)

2) 空氣濕度RH。通過在真空干燥器底層放置KNO3、KCl或不放鹽來控制空氣濕度，試驗(yàn)中飽和KNO3、KCl和純水在30～36 ℃時(shí)的空氣濕度RH測量值見表2。

3) 可溶鹽含量S。將已經(jīng)過脫鹽的土壤樣品分別補(bǔ)充一定量的Na2SO4，使其含鹽量為1.223、12.23、24.46 g/kg，來模擬三種不同含鹽量的土壤樣品。

1.4 試驗(yàn)步驟

1) 開啟恒溫烘箱和低溫恒溫槽，設(shè)置試驗(yàn)所需溫度，預(yù)熱干燥器，制造高溫高濕環(huán)境，直至干燥器內(nèi)的溫度和濕度穩(wěn)定。

2) 準(zhǔn)確稱取土樣20 g，精確至0.001 g，倒入培養(yǎng)皿，使土壤表面平整，置于干燥器內(nèi)的夾層燒杯上。

3) 2 h后關(guān)閉烘箱并記錄溫度和濕度。迅速取出培養(yǎng)皿，用紅外測溫儀測量土表溫度。

4) 將容器置于天平上，記錄數(shù)據(jù)后進(jìn)行拍照，放回干燥器內(nèi)并再次開啟烘箱。直至樣品增重大于等于4 g時(shí)，結(jié)束試驗(yàn)。

1.5 試驗(yàn)輪數(shù)和冷凝水量計(jì)算

若考慮3個(gè)控制條件：ΔT、RH和S，和3個(gè)水平，共需進(jìn)行了27輪試驗(yàn)。預(yù)備試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)RH小于60%，ΔT小于15 ℃時(shí)試驗(yàn)無法正常進(jìn)行。此時(shí)水在土壤上的冷凝現(xiàn)象非常微弱，這使試驗(yàn)時(shí)間拉長，試驗(yàn)誤差增大。因此去掉6個(gè)難以進(jìn)行的試驗(yàn)，試驗(yàn)共計(jì)進(jìn)行21輪。

在全部試驗(yàn)結(jié)束以后，對試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。認(rèn)定樣品在試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)增加的質(zhì)量為氣相水在樣品中凝結(jié)成液態(tài)水的質(zhì)量，用該質(zhì)量除以培養(yǎng)皿土樣的面積，以求得單位樣品面積的冷凝水量w(kg·m-2)，即由下式計(jì)算：

(2)

式中，m0為土壤樣品與培養(yǎng)皿初始總質(zhì)量，mi為第i輪氣-液相變補(bǔ)水試驗(yàn)結(jié)束后土壤樣品與培養(yǎng)皿的總質(zhì)量，r為培養(yǎng)皿的半徑，本試驗(yàn)中r=0.0 025 m。

1.6 小試驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果

1) 土壤樣品冷凝過程狀況。在對土樣進(jìn)行氣-液相變補(bǔ)水試驗(yàn)過程中，土樣表面潤濕狀況見圖3。

由圖3可明顯發(fā)現(xiàn)，含鹽量多的土壤在試驗(yàn)過程中表面潤濕現(xiàn)象發(fā)生較早，土壤表面首先出現(xiàn)點(diǎn)狀潤濕，隨后潤濕點(diǎn)越來越密集，最后形成面狀潤濕。含鹽量極低的土在試驗(yàn)過程中表面潤濕現(xiàn)象發(fā)生較晚，至12 h后才出現(xiàn)，主要表現(xiàn)是面狀潤濕。

2) 土壤樣品冷凝量。不同控制條件下，土壤樣品冷凝水量與試驗(yàn)時(shí)間的關(guān)系可繪成折線圖表示。

(1) 不同空氣濕度RH對土樣冷凝量的影響如圖4所示。由圖4可知，單位時(shí)間內(nèi)環(huán)境中空氣濕度越大，土樣的冷凝水量越大。

圖4 含鹽量S和溫差相同時(shí)，不同空氣濕度對土樣冷凝量的影響Fig.4 Effect of different air humidity on soil sample condensation with the same salt content and temperature difference

(2) 不同溫差ΔT對對土樣冷凝量的影響如圖5所示。由圖5可知，單位時(shí)間內(nèi)，當(dāng)空氣溫度高于土壤表面時(shí)，空氣與土壤表面之間的溫差越大，土樣冷凝水量越大。

圖5 空氣濕度和土體含鹽量相同時(shí)，不同溫差對土樣冷凝量的影響Fig.5 Effect of different temperature difference on soil sample condensation with the same salt content and air humidity

3) 土壤中含鹽量S對土樣冷凝量的影響如圖6所示。由圖6可知，環(huán)境條件相同時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)土樣含鹽量越大，土樣冷凝水量越大。

圖6 空氣濕度和溫差相同時(shí)，土壤含鹽量對土樣冷凝量的影響Fig.6 Effect of different salt content on soil sample condensation with the same temperature difference and air humidity

1.7 試驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

在圖4～6中，所有土樣冷凝量折線都接近直線，表明樣品冷凝量與圖中的變量之間存在著簡單的一元線性函數(shù)關(guān)系，同時(shí)都基本上是從零點(diǎn)開始。因此，冷凝量折線的斜率就是相應(yīng)條件下土樣的冷凝速率z。經(jīng)過21輪試驗(yàn)，求得不同鹽含量S(g·kg-1)、空氣濕度RH(%)、空氣與土樣溫差ΔT(℃)的水汽冷凝速率值z(kg·m-2·h-1)如表3所示。

表3 氣-液相變補(bǔ)水條件對應(yīng)的水冷凝速率Table 3 Water condensation rate under each condition

表3中，每個(gè)含鹽量S下有7輪試驗(yàn)。將RH，ΔT，S分別作為三維空間中的坐標(biāo)值，發(fā)現(xiàn)這7個(gè)點(diǎn)的空間分布具有一定規(guī)律，利用matlab軟件及擬合曲面程序，可以得到以RH和ΔT為自變量的計(jì)算水汽冷凝速率z的二元二次方程：

z=f(RH，ΔT)=p00+p10*RH+p01*ΔT+
p20*RH^2+p11*RH*ΔT+p02*ΔT^2

(3)

方程(3)的系數(shù)為含鹽量S的函數(shù)，其中：

1) 含鹽量為1.223 g·kg-1的土壤樣品的曲面方程系數(shù)為：

p00=0.468 p10=-0.013 7

p01=0.001 043 p20=8.858e-5

p11=0.000 191 p02=-0.000 527 7

該方程的三維曲面圖如圖7所示。

圖7 含鹽量1.223 g·kg-1土壤樣品水汽冷凝速率的三維曲面圖Fig.7 Three dimensional surface graph of the condensation rate of soil samples with salt content of 1.223 g·kg-1

2) 含鹽量為12.23 g·kg-1的土壤樣品的曲面方程系數(shù)為：

p00=0.651 5 p10=-0.017 57

p01=-0.008 157 p20=0.000 113

p11=0.000 228 9 p02=-0.000 203 4

該方程的三維曲面圖如圖8所示。

圖8 含鹽量12.23 g·kg-1土壤樣品水汽冷凝速率三維曲面圖Fig.8 Three dimensional surface graph of the condensation rate of soil samples with salt content of 12.23 g·kg-1

3) 含鹽量為24.46 g·kg-1的土壤樣品的曲面方程系數(shù)為：

p00=1.213 p10=-0.026 75

p01=-0.046 45 p20=0.000 160 5

p11=0.000 367 9 p02=0.001 058

該方程的三維曲面圖如圖9所示。

圖9 含鹽量24.46 g·kg-1土壤樣品水汽冷凝速率三維曲面圖Fig.9 Three dimensional surface graph of the condensation rate of soil samples with salt content of 24.46 g·kg-1

方程(3)中，每個(gè)系數(shù)的值都與含鹽量S有關(guān)，各系數(shù)與含鹽量S按一元二次方程擬合以后，可以求得每個(gè)系數(shù)與含鹽量S的函數(shù)關(guān)系：

p00=0.001 3S2-0.000 3S+0.466 4；

p10=-2e-5S2-0.000 1S-0.013 5；

p01=-e-4S2+0.000 5S+0.000 6；

p20=7e-8S2+e-6S+9e-5；

p11=3e-7S2-e-6S+0.000 2；

p02=3e-6S2-e-5S-0.000 5；

將以上關(guān)系式代入(3)式，最后得到水汽冷凝速率z對于空氣-土壤溫差ΔT、空氣濕度RH、土壤含鹽量S的關(guān)聯(lián)方程：

z=f(RH，ΔT，S)=0.001 3S2-0.000 3S+

0.466 4+(-2e-5S2-0.000 1S-0.013 5)*

RH+(-e-4S2+0.000 5S+0.000 6)*ΔT+

(7e-8S2+e-6S+9e-5)*RH^2+

(3e-7S2-e-6S+0.000 2)*RH*ΔT+

(3e-6S2-e-5S-0.000 5)*ΔT^2

(4)

水汽冷凝速率方程(4)是四維曲面方程，無法用三維坐標(biāo)圖表示。利用該方程可以預(yù)測土壤含鹽量0≤S≤25 g/kg、空氣濕度60≤RH≤95、空氣-土壤溫差7 ℃≤ΔT≤20 ℃時(shí)，氣相水在土壤中的冷凝速率z(kg·m-2·h-1)。該方程可為跨湖橋遺址現(xiàn)場試驗(yàn)和未來應(yīng)用提供補(bǔ)水量預(yù)測數(shù)據(jù)，對于同類土壤的室內(nèi)遺址也有參考作用。

2 室內(nèi)土遺址現(xiàn)場氣-液相變補(bǔ)水實(shí)驗(yàn)

為了考察氣-液相變補(bǔ)水方法的可行性，在完成試驗(yàn)和水汽冷凝速率方程的基礎(chǔ)上，于2017年1～3月在蕭山跨湖橋遺址博物館進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)場實(shí)驗(yàn)在遺址大廳內(nèi)遺址土壤上進(jìn)行。

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

設(shè)備：0.5 m×0.5 m×0.5 m的無底薄壁木箱，電熱膜，溫控開關(guān)，水浴鍋，小風(fēng)扇，德圖174-H溫濕度記錄儀，紅外測溫儀，電子秤(最大量程10 kg)，荷蘭式取土鉆，HSTL-TRSC02型土壤溫濕度自動(dòng)測試儀。

本實(shí)驗(yàn)以水浴鍋中蒸發(fā)的水蒸汽作為氣相水源，對遺址表面進(jìn)行補(bǔ)水。為防止水蒸汽在木箱內(nèi)冷凝成液態(tài)水造成實(shí)驗(yàn)誤差，因此在木箱內(nèi)貼電熱膜并將其溫度設(shè)定為高于露點(diǎn)溫度。使用溫濕度記錄儀實(shí)時(shí)記錄箱內(nèi)的溫濕度。設(shè)備實(shí)物圖與原理圖如圖10所示。

圖10 氣-液相變補(bǔ)水現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)裝置與原理示意圖Fig.10 Device diagram and schematic diagram of the field experiment

2.2 實(shí)驗(yàn)條件和步驟

為了達(dá)到氣-液相變補(bǔ)水的目標(biāo)，根據(jù)現(xiàn)場土壤和空氣狀況、以及土壤含鹽量估算，需要控制實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)空氣濕度大于80%、空氣-土壤溫差在15 ℃以上。經(jīng)過預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將電熱膜溫度定在45 ℃，水浴鍋溫度定在50～55 ℃，24 h可以達(dá)到要求。

第一次實(shí)驗(yàn)步驟：

1) 將無底薄壁木箱四邊埋入遺址區(qū)土壤中，將溫濕度儀放置在實(shí)驗(yàn)區(qū)四角。

2) 在水浴鍋內(nèi)加入適量蒸餾水后，用電子秤記錄此時(shí)水浴鍋的質(zhì)量。

3) 將水浴鍋和小風(fēng)扇置于木箱內(nèi)，接通電熱膜、水浴鍋和小風(fēng)扇電源。設(shè)置電熱膜溫度為45 ℃，水浴鍋溫度為50 ℃，用紅外測溫儀測量此時(shí)箱內(nèi)地面土壤溫度，并拍照。最后將頂蓋蓋嚴(yán)。

4) 每隔6 h開蓋，快速測量箱內(nèi)地面土壤溫度，并拍照。

5) 24 h后停止實(shí)驗(yàn)，并將水浴鍋取出稱重，減量法計(jì)算得到該時(shí)間段內(nèi)進(jìn)入土體的冷凝水總量。

6) 使用荷蘭式取土鉆在木箱區(qū)地面中央和木箱外距離木箱20 cm處地面分別取深度15 cm的土柱。以每5 cm為單位長度將土柱快速密封，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行含水率測試。

第一次現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)基本達(dá)到了氣-液相變補(bǔ)水的目標(biāo)。從數(shù)據(jù)記錄發(fā)現(xiàn)，木箱壁面45 ℃電熱膜能有效防止水汽在木箱壁面凝結(jié)，但連續(xù)24 h的電加熱也提高了木箱內(nèi)土壤表面的溫度，影響后期補(bǔ)水效果。

第二次實(shí)驗(yàn)的步驟和總補(bǔ)水實(shí)驗(yàn)時(shí)間與第一次相同，改進(jìn)之處有：

1) 每隔6 h，增加1 h冷卻時(shí)間。

2) 實(shí)驗(yàn)過程中增加土壤溫濕度自動(dòng)測試儀，以了解土壤內(nèi)部的溫度與含水率。

3) 在第14 h后提高水浴鍋溫度至55 ℃，以提高木箱內(nèi)的濕度。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

1) 補(bǔ)水量。兩次實(shí)驗(yàn)的氣-液相變補(bǔ)水時(shí)間均為24 h。第一次補(bǔ)水量為0.895 kg，第二次實(shí)驗(yàn)補(bǔ)水量為0.710 kg。

2) 空氣溫度和濕度。將溫濕度自動(dòng)測試儀的數(shù)據(jù)導(dǎo)出后得到兩次現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的環(huán)境溫濕度變化曲線如圖11所示。

圖11 兩次實(shí)驗(yàn)的空氣溫濕度變化Fig.11 Changes of air temperature and humidity in the two experiments

由圖11可知，除去因人為因素引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)，在第一次實(shí)驗(yàn)中空氣最高溫度44.4 ℃，最低溫度40.7 ℃，平均溫度43.1 ℃；最高濕度96.6%，最低濕度80.4%，平均濕度為90.1%?？諝鉁囟群蜐穸鹊淖兓▌?dòng)較小。在第二次實(shí)驗(yàn)中，空氣的最高溫度為44.8 ℃，最低溫度41.6 ℃，平均溫度44.0 ℃；最高濕度99.4%，最低濕度84.6%，平均濕度為90.0%。空氣溫度和濕度的波動(dòng)較大。

3) 土壤表面溫度。兩次實(shí)驗(yàn)土壤表面溫度情況如圖12上層所示。

圖12 土壤表面與內(nèi)部溫度、含水率變化折線統(tǒng)計(jì)圖Fig.12 Changes of soil temperature and moisture content in the two experiments

由圖12左側(cè)上層土壤表面溫度曲線可以看到，第一次實(shí)驗(yàn)時(shí)隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行土壤表面溫度不斷增高，在第24 h時(shí)接近空氣溫度。由圖12右側(cè)上層土壤表面溫度曲線可以發(fā)現(xiàn)，第二次實(shí)驗(yàn)時(shí)由于增加了冷卻步驟，土壤表面溫度出現(xiàn)較大幅度波動(dòng)，最低溫度為19.3 ℃，最高溫度為39.6 ℃。

4) 土壤內(nèi)部溫度。由于第二次實(shí)驗(yàn)中增加了土壤溫濕度自動(dòng)測試儀，由圖12右側(cè)上層土壤3 cm和5 cm處的土壤溫度可以看到，前6 h土壤溫度明顯增加，以后逐漸趨于平穩(wěn)。

5) 含水率變化。兩次實(shí)驗(yàn)中用荷蘭式取土鉆鉆取現(xiàn)場土壤深度0～5 cm處的含水率變化情況如圖12下層所示，兩次實(shí)驗(yàn)分別使土壤含水率增加2.203%和4.618%。同樣，由土壤溫濕度自動(dòng)測試儀獲得的土壤含水率，從深度3 cm到5 cm處都是呈遞增趨勢。

6) 土壤表面形貌變化。土壤表面形貌變化如圖13所示。

圖13 氣-液相變補(bǔ)水現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)土壤表面狀況Fig.13 Soil surface condition in field experiment

第一次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前，土壤表面白色鹽結(jié)晶體散布于地面；實(shí)驗(yàn)進(jìn)行12 h后，鹽結(jié)晶完全溶解并滲入土壤中，土壤被潤濕導(dǎo)致顏色變深；24 h后土壤已被整體潤濕。實(shí)驗(yàn)結(jié)束72 h后，僅發(fā)現(xiàn)少量白色晶體從土中析出，但遠(yuǎn)少于實(shí)驗(yàn)開始時(shí)的數(shù)量。第二次實(shí)驗(yàn)由于增加了3 h的冷卻過程，土壤表面潤濕和白色鹽結(jié)晶的消失要慢一些，直至第24 h土壤才完全潤濕；實(shí)驗(yàn)結(jié)束72 h后，在土壤表面發(fā)現(xiàn)有少量白色晶體呈團(tuán)簇狀從土中析出。

7) 水汽冷凝速率方程預(yù)測數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較。由于現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)中空氣濕度RH和空氣-土壤溫差ΔT處于變動(dòng)中，為簡化起見取平均值?？紤]到遺址原土壤表面有白色鹽結(jié)晶，使用含鹽量為24.46 g/kg的水汽冷凝速率方程。

第一次實(shí)驗(yàn)平均濕度為90.1%、平均溫差為14.399 ℃，各數(shù)據(jù)帶入(3)式計(jì)算得到z值為0.133 kg·m-2·h-1。將第一次現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)實(shí)際補(bǔ)水量換算成冷凝速率z為0.149 kg·m-2·h-1。實(shí)際補(bǔ)水量大于計(jì)算值約10%。

第二次實(shí)驗(yàn)分為四個(gè)階段控制，各階段平均溫差分別為14.07 ℃、12.25 ℃、13.092 ℃、12.63 ℃，對應(yīng)的平均空氣濕度為81.652%、88.708%、93.972%、94.188%，分別帶入(3)式計(jì)算得到四個(gè)階段的z值為0.077 3 kg·m-2·h-1、0.092 6 kg·m-2·h-1、0.142 4 kg·m-2·h-1、0.137 1 kg·m-2·h-1。四個(gè)階段的平均冷凝速率z為0.112 3 kg·m-2·h-1。將第二次現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)實(shí)際補(bǔ)水量換算成冷凝速率z為0.118 kg·m-2·h-1。實(shí)際補(bǔ)水量大于計(jì)算值約5%。

實(shí)際補(bǔ)水量稍大于計(jì)算值的原因主要是：實(shí)際遺址土壤表面鹽結(jié)晶的量比較多；另外實(shí)驗(yàn)過程中開蓋測量數(shù)據(jù)時(shí)逃逸的水汽量未減去，尤其是第一次實(shí)驗(yàn)后期土壤表面溫度升高期間逃逸的水汽量較多。

3 結(jié) 論

1) 本研究提出了一種新的土遺址保護(hù)理念，即通過適量補(bǔ)水維持土體內(nèi)的水分平衡，使室內(nèi)土遺址保持穩(wěn)定。

2) 利用“氣-液相變”原理，能夠使氣態(tài)水均勻地在土體內(nèi)凝結(jié)成液態(tài)水，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)水于無形。實(shí)驗(yàn)表明通過控制空氣濕度、空氣溫度與土壤表面溫度差，能夠人工控制對室內(nèi)土遺址的補(bǔ)水量，12～24 h內(nèi)可以完全潤濕土壤表層。對于含鹽的土壤潤濕速率更快。

3) 通過對21輪小實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行歸納關(guān)聯(lián)，得到以空氣濕度RH(%)、空氣-土壤溫差ΔT(℃)和土壤含鹽量S(g·kg-1)為變量，可以預(yù)測水汽冷凝速率z(kg·m-2·h-1)的四元方程。大致適用范圍為：土壤含鹽量0≤S≤25 g/kg、空氣濕度60≤RH≤95%、空氣-土壤溫差7 ℃≤ΔT≤20 ℃。

4) 在蕭山跨湖橋遺址博物館遺址大廳內(nèi)土遺址現(xiàn)場的局部實(shí)驗(yàn)表明，人工制作的冷凝補(bǔ)水控制設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)“氣-液相相變補(bǔ)水”的目標(biāo)，使土壤表面的鹽結(jié)晶在12 h內(nèi)溶解并下滲。土遺址現(xiàn)場局部補(bǔ)水量與水汽冷凝速率方程預(yù)測值基本吻合。

5) 本研究僅僅是進(jìn)行了一些試探性實(shí)驗(yàn)，如何實(shí)現(xiàn)更大面積土遺址的適量補(bǔ)水，還有許多研究需要深入。