裂隙巖體內(nèi)凝結(jié)水時空分布規(guī)律
——以宜陽錦屏山為例

朱晛亭，黃景春，寧立波，李 喆(.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074；.河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，河南 鄭州 45006)

高陡巖質(zhì)邊坡覆綠技術(shù)中植被生長存活的水分來源[1]、石窟文物保護中水分的防治都與裂隙巖體中凝結(jié)水有很大關(guān)系[2]。裂隙巖體內(nèi)水分運移是自然界水分循環(huán)的一個重要環(huán)節(jié)，探索裂隙巖體中凝結(jié)水問題可在農(nóng)林業(yè)[3]、環(huán)境、土木等多方面進行應(yīng)用。但山體內(nèi)部裂隙中凝結(jié)水分的形成、分布問題的探討仍是當(dāng)前的難點。

楊善龍[4]等人通過野外監(jiān)測證實了莫高窟巖體砂巖孔隙中存在汽態(tài)水，在一定的溫度和壓力下，可運移至淺表層，凝結(jié)形成液態(tài)水。李紅壽[5]等人指出莫高窟淺表層砂礫中凝結(jié)水的形成與外界太陽輻射、溫度、濕度等氣候因子密切相關(guān)。

萬力[6]等在對云岡石窟凝結(jié)水研究中，指出凝結(jié)水主要出現(xiàn)在空氣相對濕度大的夏、秋兩季內(nèi)外溫度差較大的洞室。李華翔[7]等發(fā)現(xiàn)四季均存在凝結(jié)水區(qū)域。Freitas C R D[8]等制作并利用電路板測量儀的電性變化間接推算凝結(jié)水量，結(jié)果表明外界空氣對流與季節(jié)變化均能夠影響巖壁凝結(jié)水的形成情況。Salve R[9]等人研究認為Yucca山巷道壁面的凝結(jié)水主要是通過裂隙巖體內(nèi)部水汽向外擴散而形成的，裂隙也將成為溝通巷道與山體之間水汽擴散的主要途徑。Femandez C[10]等人指出當(dāng)洞穴內(nèi)汽態(tài)水達到飽和時，洞穴內(nèi)壁會有凝結(jié)水形成。前人研究中均未對裂隙巖體內(nèi)凝結(jié)水的分布規(guī)律進行探討。因此本文以宜陽錦屏山為研究場地對裂隙巖體內(nèi)凝結(jié)水的時空分布規(guī)律進行研究探討。

1 研究區(qū)概況

錦屏山位于河南省宜陽縣城南部，暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫14.8 ℃，降雨主要集中在6—8月，雨熱同季，年均降雨量694 mm，年均蒸發(fā)量1 837.98 mm。宜陽夏季日溫差約16 ℃，冬季日溫差約10 ℃，年均日溫差約14 ℃。該區(qū)域地層主體為奧陶系的灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r和黃褐色泥灰?guī)r。試驗場內(nèi)由于多年石灰?guī)r開采導(dǎo)致山體破壞嚴重，原有土壤層缺失，形成眾多裸露高陡巖壁，坡度為75°以上，裂隙較發(fā)育。

2 研究方法

2.1 監(jiān)測方法

本研究在錦屏山試驗場內(nèi)東、南、西三個方位的裂隙巖體設(shè)置8個監(jiān)測孔，孔徑20 cm，孔深2 m，孔略向下傾斜。各監(jiān)測孔的相對位置見圖1。分別在各監(jiān)測孔的孔口以及孔內(nèi)20 cm、50 cm、80 cm、100 cm、200 cm處放置溫濕度記錄儀，并對各監(jiān)測孔進行密封，以防止孔內(nèi)受外界空氣流動的干擾，保證監(jiān)測儀器記錄的數(shù)據(jù)能反映裂隙巖體內(nèi)部真實的溫度和相對濕度情況，監(jiān)測孔內(nèi)儀器布設(shè)情況見圖2。

監(jiān)測所用儀器為美國Apresys公司生產(chǎn)的179-DTH溫濕度記錄儀。該監(jiān)測儀器形如U盤，儀器記錄指標及量程為：溫度-40～80 ℃，相對濕度1%～100%，精度±0.5 ℃、±5%RH，分辨率0.1 ℃、0.1%RH。

圖1 各監(jiān)測孔相對位置示意圖Fig.1 Relative position of the monitoring holes

圖2 監(jiān)測孔內(nèi)各監(jiān)測點布設(shè)圖Fig.2 Position of the detecting points in the hole

2.2 數(shù)據(jù)獲取與處理

本次裂隙巖體水汽場的監(jiān)測試驗分為冬、夏兩個季節(jié)，分別對各監(jiān)測孔進行7 d不間斷監(jiān)測。其中冬季監(jiān)測時間段為：2016年1月13—20日，夏季監(jiān)測時間段為：2016年6月4—11日。各監(jiān)測儀器的數(shù)據(jù)采集頻率為1次/min，共計采集了48個監(jiān)測點的96萬組溫度、相對濕度實測數(shù)據(jù)。

相對濕度能夠表征某溫度下空氣中水汽達到飽和的程度(定性描述)。絕對濕度能反映該溫度下空氣中實際的水汽含量(定量描述)。但在以往實際工作中，因水汽的絕對濕度較難被儀器直接測取，致使學(xué)者常用相對濕度對水汽進行研究。水汽運動的驅(qū)動力來自水汽分壓，與水汽密度即絕對濕度相關(guān)，因此本次研究在凝結(jié)水方面選用相對濕度數(shù)據(jù)，在水汽運移方面在相對濕度定義的基礎(chǔ)上，對照不同溫度下飽和水汽密度[11]，將監(jiān)測所得的相對濕度數(shù)據(jù)換算為絕對濕度，作為表征水汽運移的依據(jù)。絕對濕度換算：

α=f·β

(1)

式中：α——某相同溫度條件下裂隙巖體內(nèi)部單位空隙中實際的水汽含量，即水汽的絕對濕度/ (g·m-3)；

f——某溫度條件下裂隙巖體內(nèi)水汽的相對濕度/%；

β——某相同溫度條件下裂隙巖體內(nèi)部單位空隙中飽和水汽的含量/(g·m-3)。β可據(jù)文[11]查得。

3 分析與討論

在熱力學(xué)中，汽、液、固三相物質(zhì)中，部分液態(tài)水轉(zhuǎn)化為汽態(tài)水的吸熱過程和部分汽態(tài)水轉(zhuǎn)化為液態(tài)水的放熱過程同時存在。當(dāng)部分液態(tài)水轉(zhuǎn)化為水汽的速度和數(shù)量小于水汽轉(zhuǎn)化為液態(tài)水的速度和數(shù)量時，水汽將會在凝結(jié)核的作用下形成凝結(jié)水[12]。對于同樣具有汽、液、固三相特點的研究區(qū)裂隙巖體，隨著試驗場各壁面內(nèi)部水分、熱量的不斷輸入和輸出，當(dāng)裂隙巖體水汽場某局部空間內(nèi)的溫度降低到其空間所能容納該水汽含量對應(yīng)的閾值溫度時，即相對濕度達到100%，其內(nèi)部的水分子因其凝結(jié)速率大于擴散速率而產(chǎn)生水汽凝結(jié)的現(xiàn)象，且該種水汽凝結(jié)現(xiàn)象會隨各季節(jié)裂隙巖體內(nèi)溫度、水汽的分布及運移傳遞規(guī)律的不同，而表現(xiàn)出不同的凝結(jié)水形成特點。

當(dāng)局部空間內(nèi)汽態(tài)水基本達到飽和狀態(tài)時，隨著時間與溫度的變化依舊處于飽和狀態(tài)，水汽含量大于等于其溫度對應(yīng)的飽和水汽含量，發(fā)生汽液相轉(zhuǎn)變，其空間內(nèi)部較容易形成凝結(jié)水。鑒于巖體內(nèi)難以觀測凝結(jié)水量，因此選取相對濕度多時段連續(xù)達到飽和狀態(tài)為形成凝結(jié)水的判別點。

3.1 裂隙巖體內(nèi)溫濕度變化特征

由熱力學(xué)第二定律[13]，裂隙巖體內(nèi)的熱量總是由溫度高的地方向低的地方傳遞。巖體內(nèi)汽態(tài)水的運動遷移主要取決于水汽分壓差。由道爾頓分壓定律，水汽分壓與水汽密度的大小有關(guān)，表征單位體積水汽質(zhì)量大小的絕對濕度與水氣分壓存在嚴格的換算關(guān)系[14]，故水汽從絕對濕度大的地方向絕對濕度小的地方運動。因此，凝結(jié)水分布受溫度勢與絕對濕度共同影響，根據(jù)錦屏山試驗場裂隙巖體各監(jiān)測孔內(nèi)收集所得的溫度、相對濕度數(shù)據(jù)，換算為絕對濕度，對該研究區(qū)裂隙巖體內(nèi)溫度、水汽運移傳遞的規(guī)律進行研究。

對東、南、西三壁不同深度溫濕度數(shù)據(jù)取均值(圖3)，可見，該區(qū)夏季三壁溫度與絕對濕度均從孔外向孔內(nèi)遞減，冬季則從孔外向孔內(nèi)遞增。即夏季溫度與水汽在宏觀尺度上呈現(xiàn)向巖體內(nèi)部傳遞的規(guī)律，冬季則呈現(xiàn)向巖體外部傳遞的規(guī)律。

巖石熱傳導(dǎo)系數(shù)大于空氣，夏季試驗場淺部區(qū)域的溫度大于巖體深部區(qū)域，表明夏季各壁的裂隙巖體非飽水帶熱量主要是向內(nèi)傳遞，是巖體內(nèi)部熱量積累的時期；淺部區(qū)域水汽的絕對濕度大于巖體深部區(qū)域，在水汽分壓差的作用下，水汽將會由絕對濕度大向絕對濕度小的地方運移，即由巖體外部向巖體內(nèi)部運移，表明夏季裂隙巖體非飽水帶內(nèi)部水汽主要是向內(nèi)運移積累，是裂隙巖體內(nèi)水汽補充的時期。由于夏季試驗場各壁面裂隙巖體內(nèi)的溫度指標具有淺部區(qū)域高，深部區(qū)域低的分布特點，且水汽向巖體深部運移，這使得該季節(jié)裂隙巖體深部區(qū)域內(nèi)的汽態(tài)水比淺部區(qū)域更易出現(xiàn)水汽凝結(jié)的現(xiàn)象。冬季則相反，伴隨著外界溫度降低，降水減少，巖壁外部的水汽分壓小于巖體內(nèi)部，巖體內(nèi)部水汽攜帶熱量由巖體內(nèi)部向外散失。巖體與大氣界面成為水分、熱量的耗散物理邊界。

圖3 夏季、冬季平均溫度和絕對濕度變化趨勢圖Fig.3 Average temperature and absolute humidity variation trend in summer and winter

3.2 凝結(jié)水分布規(guī)律

對試驗場各監(jiān)測孔內(nèi)相對濕度達到100%的監(jiān)測區(qū)域進行劃分，并以研究區(qū)各監(jiān)測孔內(nèi)凝結(jié)水分布區(qū)域的分析為切入點，探討其錦屏山試驗場東、南、西三壁夏、冬季的凝結(jié)水時空分布規(guī)律。

3.2.1凝結(jié)水時間分布規(guī)律

為了更為直觀地了解研究區(qū)試驗場各巖壁內(nèi)部凝結(jié)水的分布情況，通過對試驗場各壁面內(nèi)部能夠形成凝結(jié)水的監(jiān)測點數(shù)量進行統(tǒng)計，作出試驗場東、南、西三壁面夏冬兩季的凝結(jié)水累計頻率圖(圖4)，在此基礎(chǔ)上從時間的角度對研究區(qū)各壁面裂隙巖體內(nèi)凝結(jié)水的分布規(guī)律進行研究。

圖4 水汽飽和累計頻率圖Fig.4 Cumulative frequency of the saturated water vapor

錦屏山試驗場東、南、西各壁面的裂隙巖體在夏、冬兩個監(jiān)測季度期間均有形成凝結(jié)水的區(qū)域，三壁凝結(jié)水累計頻率分布大致相同。夏季巖體非飽水帶內(nèi)部能形成凝結(jié)水的總體頻率更大，分布區(qū)域范圍大，冬季巖體非飽和帶內(nèi)部能形成凝結(jié)水頻率明顯降低，深部較易形成凝結(jié)水。研究區(qū)夏季多雨濕潤，水汽來源充足，冬季少雨干燥，且夏季巖體內(nèi)一定溫度下對應(yīng)的水汽含量更大，使得空氣中水汽更易達到飽和狀態(tài)，該地區(qū)裂隙巖體中夏季比冬季更易形成凝結(jié)水。

根據(jù)研究區(qū)日出，日中，日落時間，進行時段劃分，對不同時段可能形成凝結(jié)水的時間點進行頻率統(tǒng)計。由于夏季不同深度形成凝結(jié)水的頻率接近100%，不對其進行統(tǒng)計，冬季分為4個時段：凌晨00：00—7：30，上午7：30—12：30，下午12：30—17：30，晚上17：30—24：00。其不同時段水汽飽和累計頻率，見圖5。不同時段均可能形成凝結(jié)水，其中夜晚時段(凌晨和晚上)頻率較高，冬季由于固氣導(dǎo)熱性差異，巖體內(nèi)部溫度高，夜晚外界溫度低，巖壁表面余溫散去，熱量加劇向外傳遞，而冬季裂隙中水汽向外運移，在較低水汽含量下，夜晚溫度較低更易達到飽和，形成凝結(jié)水。

圖5 冬季不同時段水汽飽和累計頻率圖Fig.5 Cumulative frequency of the saturated water vapor in different periods in winter

3.2.2凝結(jié)水空間分布規(guī)律

過各壁面上不同高度的監(jiān)測孔做剖面，根據(jù)每個監(jiān)測點絕對濕度進行差值得到水汽運移方向，并計算各監(jiān)測點相對濕度達到飽和的頻率，劃分三壁夏冬兩季剖面上凝結(jié)水形成區(qū)域(圖6)。

圖6 夏、冬兩季三壁各監(jiān)測孔內(nèi)凝結(jié)水分布范圍圖Fig.6 Condensate water distribution within the monitoring holes in summer and winter

(1)夏季，研究區(qū)試驗場東(1#、2#)、南(4#、5#、6#)、西(7#、8#)各壁面監(jiān)測孔內(nèi)(2 m深)形成的凝結(jié)水分布區(qū)域在宏觀水平上基本符合：高位置監(jiān)測孔比低位置監(jiān)測孔內(nèi)的凝結(jié)水分布范圍略小。在冬季監(jiān)測期間，研究區(qū)試驗場西壁各監(jiān)測孔內(nèi)呈現(xiàn)的凝結(jié)水分布規(guī)律雖然與夏季基本相同。但冬季試驗場東、南兩壁各裂隙巖體監(jiān)測孔內(nèi)的凝結(jié)水分布規(guī)律截然相反，即高位置監(jiān)測孔比低位置監(jiān)測孔內(nèi)的凝結(jié)水分布范圍略大。考慮由于在夏季監(jiān)測期間，研究區(qū)試驗場東、南、西各壁面高位置處比低位置處的裂隙巖體所受太陽輻射的強度略大，高處監(jiān)測孔內(nèi)部與外界環(huán)境進行水熱交換的程度較為強烈，監(jiān)測孔內(nèi)的部分汽態(tài)水將向低處監(jiān)測孔內(nèi)運移，從而促使該季節(jié)試驗場東、南、西各壁面低位置處監(jiān)測孔內(nèi)水汽含量增加而形成較大范圍凝結(jié)水帶的現(xiàn)象。研究區(qū)試驗場位于北方地區(qū)，該地區(qū)的冬季易刮西北風(fēng)，考慮受其影響，冬季試驗場東、南兩壁(主要迎風(fēng)面)低位置監(jiān)測孔內(nèi)的部分汽態(tài)水將會向高位置監(jiān)測孔內(nèi)運移，并于高位置監(jiān)測孔內(nèi)累積至飽和，進而促使該季節(jié)試驗場東、南兩壁高位置監(jiān)測孔內(nèi)形成較大范圍凝結(jié)水帶的現(xiàn)象。

(2)在監(jiān)測期間，由于試驗場西壁屬于東曬壁面，該壁面各監(jiān)測孔處的裂隙巖體所受太陽輻射的強度均應(yīng)比其他壁面大，其內(nèi)部與外界環(huán)境進行水熱交換的程度也相對較大，監(jiān)測孔內(nèi)各區(qū)域較易達到水汽飽和而形成凝結(jié)水，故會出現(xiàn)試驗場西壁各監(jiān)測孔內(nèi)的凝結(jié)水分布范圍略比其東、南兩壁所對應(yīng)季節(jié)大的現(xiàn)象。

(3)受研究區(qū)夏季裂隙巖體內(nèi)汽態(tài)水不斷向內(nèi)運移的影響，試驗場裂隙巖體內(nèi)的多數(shù)區(qū)域會因水汽不斷積累而達到飽和，并在溫度作用下產(chǎn)生水汽凝結(jié)，形成較大范圍的凝結(jié)水帶，冬季則由于水汽攜帶熱量向巖體外部運移，凝結(jié)水帶縮短，基本收縮至1～2 m(表1)。

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)巖體裂隙中夏季熱量向深部傳遞，水汽向深部運移，冬季則相反。

(2)時間上，研究區(qū)夏、冬兩季的東、南、西各壁面的裂隙巖體非飽水帶內(nèi)均存在有凝結(jié)水形成的區(qū)域，夏季比冬季更易形成凝結(jié)水，冬季夜晚較易形成凝結(jié)水。

(3)空間上，研究區(qū)除東、南兩壁受冬季西北風(fēng)的影響以外，各壁面高位置處的裂隙巖體所受太陽輻射強度相對較大，與外界環(huán)境發(fā)生水、熱交換的程度相對較強，巖體內(nèi)的部分汽態(tài)水向低位置處運移，高處裂隙巖體內(nèi)的凝結(jié)水分布范圍比低處裂隙巖體內(nèi)小。且研究區(qū)各壁面裂隙巖體內(nèi)的凝結(jié)水分布情況受其各季節(jié)裂隙巖體內(nèi)溫度、水分的分布及運移傳遞規(guī)律的影響。夏季試驗場各壁面內(nèi)部凝結(jié)水區(qū)域外邊界約在20～50 cm處，冬季內(nèi)凝結(jié)水范圍收縮明顯，外邊界約在100～200 cm處。

表1 研究區(qū)夏冬兩季各監(jiān)測孔內(nèi)凝結(jié)水形成區(qū)域Table 1 Condensate water generating area in the monitoring holes in the study area in summer and winter