嘉峪關(guān)關(guān)城夯土遺址墻體含水率與電導(dǎo)率關(guān)系研究

徐曉君，張曉東，馬慶珍，柳君君，許德臣，張翔，陳穎

(1.嘉峪關(guān)市世界文化遺產(chǎn)監(jiān)測中心，甘肅嘉峪關(guān)735100；2.嘉峪關(guān)市長城博物館，甘肅嘉峪關(guān)735100)

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嘉峪關(guān)關(guān)城夯土遺址墻體含水率與電導(dǎo)率關(guān)系研究

徐曉君1，張曉東2，馬慶珍1，柳君君1，許德臣1，張翔1，陳穎1

(1.嘉峪關(guān)市世界文化遺產(chǎn)監(jiān)測中心，甘肅嘉峪關(guān)735100；2.嘉峪關(guān)市長城博物館，甘肅嘉峪關(guān)735100)

摘要：測定了嘉峪關(guān)關(guān)城夯土遺址墻體含水率和城墻體土樣浸出液電導(dǎo)率的含量。研究結(jié)果表明：鹽分隨水分發(fā)生運(yùn)移，鹽分運(yùn)移與水分運(yùn)移關(guān)系密切；在一定溫度下，隨著含水率的增大，土樣浸出液電導(dǎo)率呈冪函數(shù)關(guān)系減小；由于鹽分在遺址表層堆積，土體表面泛白酥解，嚴(yán)重時(shí)脫落。這些研究將為治理土遺址鹽害提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：土遺址；鹽分；含水率；電導(dǎo)率

鹽分運(yùn)移是土壤溶質(zhì)運(yùn)移的一種。在土壤水的運(yùn)動(dòng)過程中，鹽分隨水分發(fā)生運(yùn)移，鹽分運(yùn)移和水分運(yùn)移是密切相關(guān)的[1]。水分含量通過測定土壤含水率的方法來測定。土壤含鹽量可以通過土壤浸提液的電導(dǎo)率法測得。電導(dǎo)率法是一種快速、準(zhǔn)確定量測定土壤可溶鹽的方法[2-3]，它被廣泛應(yīng)用于土壤鹽漬化研究、土壤肥力研究、土壤鹽度研究、檢測水質(zhì)等方面[4-7]。

嘉峪關(guān)關(guān)城夯土遺址的主要病害是風(fēng)蝕、雨雪侵蝕、鹽害、裂縫等。這些病害中，可溶性鹽分的運(yùn)移和結(jié)晶是造成土遺址風(fēng)化的重要因素之一，導(dǎo)致土遺址表面的鹽析“泛白”“泛堿”現(xiàn)象發(fā)生[8]。因此，研究土遺址本體中可溶性鹽分的運(yùn)移對(duì)病害研究及病害防治具有重要意義。

為了深入研究土遺址可溶性鹽分在土壤中的運(yùn)移及其對(duì)土遺址的破壞作用，本試驗(yàn)測定了嘉峪關(guān)關(guān)城夯土遺址墻體含水率和城墻體土樣浸出液電導(dǎo)率的含量，探索土遺址墻體含水率與土樣浸出液電導(dǎo)率的關(guān)系，進(jìn)一步探究鹽分運(yùn)移對(duì)遺址土體的破壞作用，這些研究將為治理土遺址鹽害提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1區(qū)域概況

采樣區(qū)位于嘉峪關(guān)市以西約6 km處，酒泉市西25 km的嘉峪關(guān)長城。嘉峪關(guān)長城南起討賴河，北至黑山石關(guān)峽口。嘉峪關(guān)關(guān)城總面積為33 500余m2，由內(nèi)城、外城、羅城、甕城、城壕組合而成，外圍周長1 263 m。嘉峪關(guān)關(guān)城所在地區(qū)主要地貌為戈壁，東西較長，南北稍窄，自然坡度13.3°，海拔1 400～2 200 m，屬戈壁礫石地貌。氣候類型屬于溫帶大陸性荒漠氣候，日照長而強(qiáng)烈，降水少，蒸發(fā)快，多大風(fēng)，溫差大，年平均氣溫在6.7～7.7 ℃，平均降水量0.085 m左右，平均蒸發(fā)量2.114 m左右。關(guān)城內(nèi)夏秋季多東南風(fēng)，冬春季多西北風(fēng)，年平均風(fēng)速在2.5 m/s。植被類型為荒漠型植被，主要有旱生及超旱生的灌木和半灌木，覆蓋度5%以下。

1.2樣品采集

嘉峪關(guān)關(guān)城東閘門東南面墻體出現(xiàn)了泛白、酥堿和脫落病害，取樣在東閘門東南面墻體上進(jìn)行。

1)樣品1。在嘉峪關(guān)關(guān)城東閘門東南面墻體第4層磚上，取樣是在水平方向距墻體最左端0.4 m處，沿x軸向外分別取5個(gè)樣品1-a、1-b、1-c、1-d、1-e。

2)樣品2。在嘉峪關(guān)關(guān)城東閘門東南面墻體第4層磚上，取樣是在水平方向距墻體最左端2.5 m處，沿x軸向外分別取4個(gè)樣品2-a、2-b、2-c、2-d。

3)樣品3。在嘉峪關(guān)關(guān)城東閘門東南面墻體距墻體最左端0.95 m，由上向下沿y軸分別取5個(gè)樣品3-a、3-b、3-c、3-d、3-e。

4)樣品4。在嘉峪關(guān)關(guān)城東閘門東南面墻體距墻體最左端1.63 m，由上向下沿y軸分別取4個(gè)樣品4-a、4-b、4-c、4-d。

將取得的樣品裝入塑料樣品袋，密封保存，帶回實(shí)驗(yàn)室。

1.3測定方法

1.3.1電導(dǎo)率的測定

將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)風(fēng)干、混合、除去雜物。按土水質(zhì)量比1∶5加入二次蒸餾水，振蕩3 min后過濾，所得的透明濾液即為土樣浸出液，貯于三角瓶中供分析用。電導(dǎo)率測定法使用Spectrum Technologies,Inc.生產(chǎn)的2265FS電導(dǎo)率儀，該儀器帶有自動(dòng)溫補(bǔ)裝置，操作簡單，工作穩(wěn)定，直接插入浸出液中讀數(shù)即可。

1.3.2含水率的測定

含水率的測定采用JT-C50墻面地面水分儀，該儀器采用高周波原理，是一款高性能、數(shù)字化的水分測定儀器，可直接接觸被測物測定其含水率。

2結(jié)果與討論

2.1定量分析

各樣品的含水率和土樣浸出液的電導(dǎo)率測定結(jié)果見表1～4。

表1　樣品l含水率和土樣浸出液電導(dǎo)率

表2　樣品2含水率和土樣浸出液電導(dǎo)率

表3　樣品3含水率和土樣浸出液電導(dǎo)率

表4　樣品4含水率和土樣浸出液電導(dǎo)率

由表1～2可知，在東閘門東南面墻豎直表面，鹽分在遺址表面大量累積，土壤含鹽量向外迅速降低。由表3～4可知，在東閘門東南面墻，隨距離遺址水平地面深度的增加，土壤鹽分向上部緩慢積累。

圖1為土樣浸出液電導(dǎo)率與含水率的關(guān)系曲線。

圖1　樣品2-a、1-b、4-c、3-d的土樣浸出液電導(dǎo)率與含水率的關(guān)系

圖1表明，隨著墻體含水率的增大，土樣浸出液的電阻率呈冪函數(shù)關(guān)系減小。樣品1～4的試驗(yàn)結(jié)果擬合后，分別得到如下關(guān)系式：

y=1.194x-0.424(R2=0.955)

(1)

y=2.841x-0.653(R2=0.999)

(2)

y=4.752x-1.06(R2=0.975)

(3)

y=0.525x-0.304(R2=0.994)

(4)

式中：x為含水率；y為土樣浸出液的電導(dǎo)率；R為相關(guān)系數(shù)。

2.2含水率與電導(dǎo)率

圖2　樣品1的含水率和土樣浸出液電導(dǎo)率

圖2～3為樣品1、3的含水率和土樣浸出液電導(dǎo)率情況。

圖3　樣品3的含水率和土樣浸出液電導(dǎo)率

由圖可知，隨距離水平地面深度的減小，土樣浸出液電導(dǎo)率隨含水率的增大而減小，含鹽量也緩慢減小，含水率最后趨向于25%。

由樣品1可知，距離遺址豎直表面深度增加，土樣浸出液電導(dǎo)率隨含水率的增加而減小，含鹽量逐漸減小，由此表明表層含水率低而含鹽量大，這是因?yàn)閴w水分蒸發(fā)和干濕交替作用使含水率降低，內(nèi)層水分向墻體表面遷移，鹽分也隨水分向墻體表面運(yùn)移。由于水分蒸發(fā)形成過飽和溶液，最后鹽分在表層析出而積累堆積，發(fā)生鹽脹作用，在墻體孔隙中形成內(nèi)應(yīng)力，使土壤顆粒之間的距離拉大，黏結(jié)力減小，土體表面泛白酥解，嚴(yán)重時(shí)引起土顆粒的脫落。

3結(jié)論

通過對(duì)嘉峪關(guān)關(guān)城夯土遺址墻體含水率和電導(dǎo)率的測試得出以下結(jié)論：

1)在一定溫度下，隨著含水率的增大，土樣浸出液電導(dǎo)率呈冪函數(shù)關(guān)系減小。

2)通過對(duì)墻體夯土的含水率和土樣浸出液電導(dǎo)率測定得知，鹽分隨水分發(fā)生運(yùn)移，鹽分運(yùn)移與水分運(yùn)移關(guān)系密切。

3)鹽分在遺址表層結(jié)晶和堆積，發(fā)生鹽脹作用，使土壤顆粒之間的距離拉大，黏結(jié)力減小，土體表面泛白酥解，嚴(yán)重時(shí)引起土顆粒的脫落。

[參考文獻(xiàn)]

[1]金志鋒,薛華健,劉凱,等.土壤水鹽分運(yùn)移規(guī)律研究進(jìn)展[J].價(jià)值工程,2014,33(26):294-296.

[2]潘國勇,李玉梅,羅明奇,等.電導(dǎo)法測定黃土-古土壤序列易溶鹽含量的方法學(xué)研究[J].中國科學(xué)院大學(xué)學(xué)報(bào),2014,31(6):791-798.

[3]厲仁安,王飛,秦方錦,等.濱海鹽土全鹽量與電導(dǎo)率之間最佳曲線方程研究[J].農(nóng)學(xué)學(xué)報(bào),2015(3):013.

[4]姚榮江,楊勁松,劉廣明.EM38在黃河三角洲地區(qū)土壤鹽漬化快速檢測中的應(yīng)用研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2008,26(1):67-73.

[5]蘇永中,趙哈林,張銅會(huì).幾種灌木,半灌木對(duì)沙地土壤肥力影響機(jī)制的研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2002,13(7):802-806.

[6]張瑜斌,鄧愛英,莊鐵誠,等.潮間帶土壤鹽度與電導(dǎo)率的關(guān)系[J].2003,12(2):164-165.

[7]傅衛(wèi)衛(wèi),應(yīng)伯根.工業(yè)水處理過程中電導(dǎo)率測量方法的研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1999,33(2):204-208.

[8]趙光濤,李玉虎,張譯丹,等.西安明城墻磚石表面風(fēng)化因素分析[J].陜西師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,43(4):54-58.

責(zé)任編輯：陳亮

doi:10.3969/j.issn.1671-0436.2016.03.010

收稿日期：2016- 04- 15

基金項(xiàng)目：甘肅省文化遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域科研項(xiàng)目(GWJ2014021)

作者簡介：徐曉君(1989—)，女，碩士。

中圖分類號(hào)：K878

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671- 0436(2016)03- 0045- 03

Relationship Between Water Content and Electric Conductivity of the Earthen Walls of the Jiayuguan Pass

XU Xiaojun1,ZHANG Xiaodong2,MA Qingzhen1,LIU Junjun1,XU Dechen1,ZHANG Xiang1,CHEN Ying1

(1.Jiayuguan World Cultural Heritage Monitoring Centre,Jiayuguan 735100;2.Jiayuguan Great Wall Museum,Jiayuguan 735100)

Abstract：Water content and electric conductivity of the earthen walls of the Jiayuguan Pass is measured through the lixivium.Results show that salt moves with water,and the movement of salt and water are closely related.Under certain temperature,electric conductivity of the lixivium decreases as water content increases,which displays a power function relation.Because of the crystallization of salt,the surface soil of the earthen ruins is soft and loose,and even falls off.The research provides scientific basis for the control of salt damage.

Key words：earthen ruins;salt;water content;electric conductivity