Hydrus 模型在土遺址鹽害研究中的應(yīng)用與展望

王家逸 夏 寅 楊 璐

（1、西北大學(xué)文化遺產(chǎn)學(xué)院，陜西 西安710127 2、秦始皇帝陵博物院，陜西 西安710600）

土遺址是指以土作為主要建筑材料的具有歷史、文化和科學(xué)價值的古遺址，是歷代保留下來的、人類進行各類活動的區(qū)域場所，是一種珍貴的文化資源[1]。我國對土遺址科學(xué)意義上的保護工作開展的較晚[2]，雖然近年來土遺址保護工作有了較大進展，但仍然存在很多不足之處，亟待土遺址保護人員的進一步研究與完善。

由于土遺址本身結(jié)構(gòu)較為脆弱，受外界環(huán)境因素影響較大，所以常常遭受如鹽害等各種病害的破壞。鹽害是由于土遺址賦存環(huán)境的變化而引起的，當土遺址文物暴露在空氣中時，土體表面的水分開始蒸發(fā)，導(dǎo)致土體內(nèi)部的可溶鹽隨水分不斷的向土遺址上部運移，最終富集在土遺址表面，造成鹽析、粉化、裂隙、片狀剝落甚至坍塌等破壞。除了露天環(huán)境下的土遺址，處于封閉半封閉環(huán)境如遺址博物館中的土遺址同樣會出現(xiàn)鹽害現(xiàn)象。正因為鹽害在土遺址中普遍出現(xiàn)，且危害性極大[3]，所以鹽害研究便成為了土遺址保護中最為重要的課題之一。

Hydrus 模型是美國鹽土研究中心開發(fā)的一組用于模擬土壤中水分、溶質(zhì)及能量一維、二維或者三維運動的有限元計算機數(shù)值模擬模型，該系列模型在農(nóng)林業(yè)灌溉與施肥、城鄉(xiāng)綠化、土體污染治理等研究中應(yīng)用十分廣泛，可以準確的模擬變飽和土壤中水分、溶質(zhì)、熱量的時空運移及分布規(guī)律，其模擬的結(jié)果可輸出為各種曲線、圖形和數(shù)值以便使用，其常用的數(shù)學(xué)模型包括水分運動模型、溶質(zhì)遷移模型、熱量模型和根系吸附模型等[4]。該模型2000 年左右被引入我國，并逐漸得到普及應(yīng)用。

Hydrus 模型主要是用來研究土壤中的水分和溶質(zhì)遷移過程的，而土遺址文物的本體正是各類土壤，所以利用Hydrus 模型來研究土遺址的水鹽運移規(guī)律是可行的。本文梳理了目前其在土遺址鹽害研究中的應(yīng)用，認為該模型在我國土遺址鹽害研究中的應(yīng)用尚處于起步狀態(tài)，很多在土遺址鹽害研究上的應(yīng)用還有待挖掘。然后，重點結(jié)合模型功能對其在土遺址鹽害研究中的應(yīng)用進行了展望，旨在為土遺址鹽害研究提供更多的思路與參考，有助于填補土遺址鹽害研究的空白。

1 Hydrus 模型簡介

Hydrus 目前包含1D 和2D/3D 幾種模型，可模擬土壤中一維、二維和三維層次上的水鹽運移、熱量運移和根系吸水規(guī)律，具有綜合性與全面性，解決了原來只利用相關(guān)方程進行水鹽運移數(shù)值計算的計算量過大、適用面比較狹窄等問題，是目前全世界應(yīng)用范圍最廣的水鹽運移數(shù)值模擬模型。

Hydrus 水鹽運移模擬模型是建立在土體水分運動基本方程、土體溶質(zhì)運移基本方程及一定的初始和邊界條件之上的。土壤水分運移的過程可用Richards 方程來描述，土壤的水力學(xué)參數(shù)可以通過壓力膜儀法或離心機法測得土壤土水線后經(jīng)參數(shù)校正后得到；土壤中溶質(zhì)的運移過程用CDE（對流彌散）方程和溶質(zhì)的吸附/解吸附方程來描述；同時還要結(jié)合研究區(qū)域的具體實際情況來設(shè)置初始條件和邊界條件。

Hydrus 模型模擬的流程圖見圖1，模型參數(shù)需要自己輸入，主要有土壤的容重、級配、水力學(xué)參數(shù)、溶質(zhì)在水中的擴散系數(shù)和土壤的彌散度等；初始條件如初始的含鹽量以及含水率需要自己設(shè)置，邊界條件需在模型內(nèi)選定。

圖1 Hydrus 軟件的模擬流程圖

得到的最終模擬結(jié)果可輸出為曲線和動態(tài)圖形兩類，Hydrus-1D 可得到一維不同深度處土壤的水鹽變化曲線；Hydrus-2D/3D 可得到土壤二維平面或三維立體的水鹽變化動態(tài)圖形，還可在模型上選取觀測點并得到觀測點的水鹽變化曲線。

2 Hydrus 模型在土遺址鹽害研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前Hydrus 模型主要廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)與環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域，取得了很多有價值的學(xué)術(shù)成果，且模擬的精度均較高；但是目前其在土遺址鹽害研究中的學(xué)術(shù)成果還比較少，國內(nèi)研究者如劉小玉[5]利用Hydrus-1D 模擬了土柱高度為10m，且地下水位位于10m 處的情況下，30 年內(nèi)的土壤水分動態(tài)變化，并據(jù)此認為盡管秦始皇帝陵所處區(qū)域潛水位較深，但是地下水在經(jīng)過較長時間后還是會運移至土壤表層，其所攜帶的鹽分可能會對土遺址造成破壞；西安交通大學(xué)的溫赫利用Hydrus-1D 模型對表面霧化補水和砂層阻水隔鹽這兩種鹽害防治方法的可行性進行了數(shù)值模擬探究，為針對性差異化的采取土遺址鹽害防治措施提供了一定的參考。

總體來看，目前Hydrus 模型在土遺址鹽害研究中的應(yīng)用還處于起步階段，公開發(fā)表的高質(zhì)量學(xué)術(shù)成果寥寥無幾，該模型在土遺址保護研究中的應(yīng)用前景仍然十分廣闊，應(yīng)用潛力也還很大。

3 Hydrus 模型在土遺址鹽害研究中的應(yīng)用展望

3.1 為土遺址鹽害的預(yù)防性保護提供參考

據(jù)相關(guān)研究，秦始皇兵馬俑坑內(nèi)的土遺址土體的表層已經(jīng)出現(xiàn)了可溶或微溶性鹽的富集，出現(xiàn)了表面粉化、層狀剝落和結(jié)痂等破壞，經(jīng)檢測兵馬俑坑的鹽分總含量較高[6]；漢陽陵博物館內(nèi)的土遺址也出現(xiàn)了局部泛堿，減弱了土體的強度[7]。這些都說明，鹽害的防治已成為土遺址博物館需要考慮的首要問題，與其等待土遺址鹽害發(fā)生之后再采取治理措施，不如在準確了解土遺址水鹽運移規(guī)律的基礎(chǔ)上，提前采取有針對性的措施進行預(yù)防性保護。

以往研究土遺址水分及溶質(zhì)的遷移多是利用傳感器、XRD、離子色譜儀、SEM等儀器進行短時間、非連續(xù)、點狀的測量或分析，如黃四平、李玉虎等人[8]利用XRD 分析法、烘干法、SEM 等測定了土遺址模擬坑中很多部位土體的水分含量、可溶鹽含量及類型，認為可溶鹽會在水分的攜帶下，沿豎直和水平方向不斷地向遺址表面遷移, 最后在土壤表層富集并造成破壞，該研究為土遺址的鹽害治理提供了一定依據(jù)；蘭州大學(xué)的陳雨[9]利用離子色譜儀對制作的含水率和含鹽量各異的土樣進行土遺址水鹽運移室內(nèi)實驗，研究了土樣在不同條件下的鹽分遷移行為；黃四平、趙崗等人[10]對采集的唐皇城含光門土遺址鹽害土樣進行土壤含水率、酸堿度、電導(dǎo)率以及成分分析，探索了東西展廳的微溶- 可溶鹽的主要類別，并認為土遺址各個部位的含鹽量與水分的運移密切相關(guān)。

以往的研究一般都是利用一定的采樣方法，以點狀采樣的方式對已經(jīng)發(fā)生鹽害的土遺址區(qū)域進行研究，或是在室內(nèi)進行小范圍的模擬實驗，以研究土遺址可能的水鹽運移規(guī)律，但是對于各類形態(tài)復(fù)雜的土遺址則缺乏從整體上把握其水分和溶質(zhì)遷移的手段，所以如果要對現(xiàn)實中的各類土遺址進行鹽害的預(yù)防性保護，以往的各類手段所能提供的參考意義不大；同時，在土遺址內(nèi)部埋設(shè)傳感器或采集土樣時可能會對土遺址本體造成破壞，對于一些體積較小的土遺址則一般不選擇在其內(nèi)部埋設(shè)傳感器，所以無法得知其內(nèi)部的水鹽運移狀況；而Hydrus模型則能夠從一維、二維、三維三個層次上對各類形態(tài)土遺址未來的水分和溶質(zhì)運移進行數(shù)值模擬，并利用模擬的結(jié)果把握未來鹽害的可能發(fā)生區(qū)域、可能發(fā)生時間等，以確定適當?shù)母深A(yù)手段、干預(yù)時間以及干預(yù)區(qū)域，可為制定合理的預(yù)防性保護方案提供有力的參考支撐。同時可以在模型體內(nèi)部設(shè)置觀測點，不必破壞土體就可以了解土遺址內(nèi)部某處的水鹽運移情況。最后，還可結(jié)合安全含鹽量研究顯示的土遺址安全含鹽量范圍，利用Hydrus 模型的模擬結(jié)果找到可能達到鹽害破壞臨界值的時間和區(qū)域，在達到鹽害臨界值之前采取一定的措施，以防止土遺址表面嚴重鹽害的發(fā)生。

3.2 為土遺址除鹽措施提供參考

由于補充水分可以維持土遺址土體含水率的穩(wěn)定，防止鹽分在表層的富集，同時補充的水分可以攜帶鹽分向下運移，減輕鹽分富集的危害，所以可在Hydrus 模型中將補水措施視為降水條件，設(shè)置不同的補水量和補水時間，得到模擬結(jié)果后，比較補水條件和不補水條件下土遺址表面鹽分的富集程度差異，以及補水量和補水時間對鹽分富集的影響，探究補水處理對于土遺址鹽害的治理效果。同時，還可以在預(yù)測蒸發(fā)速率的Penman-Monteith 公式的設(shè)置中，輸入多組溫濕度數(shù)據(jù)，然后將得到的蒸發(fā)量輸入Hydrus 模型中，進行水鹽運移數(shù)值模擬，比較其與實際溫濕度保存環(huán)境下土遺址鹽分富集情況的差別，以探尋在控制土遺址保存環(huán)境的條件下, 有利于減輕土遺址鹽害發(fā)生的合適的溫濕度環(huán)境。

此外，張金風[3]提出可以利用犧牲土層法實現(xiàn)對土遺址表面可溶鹽的去除，具體原理是利用毛細作用使鹽分從土遺址表面轉(zhuǎn)移到犧牲土層，最后再清除犧牲土層，完成鹽分的去除。Hydrus 模型可以模擬不同種類土壤在疊壓或者其他耦合條件下的水鹽運移情況，可以利用這一功能預(yù)測犧牲土層法等措施的有效性，并對犧牲土層的土壤容重、鋪設(shè)區(qū)域、鋪設(shè)厚度等條件進行深入探究，該方法較模擬實驗法更為便捷，同時也可以跟實驗法得到的結(jié)果互相比較驗證。

3.3 與三維掃描技術(shù)的結(jié)合

隨著高新科技的發(fā)展，地面三維掃描技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，其原理是利用激光發(fā)射與接收裝置獲得靜態(tài)物體的三維點陣數(shù)據(jù)，然后經(jīng)降噪、平滑、建模和紋理映射等一系列處理獲得物體的三維模型[11]。目前我國土遺址的三維建模工作已開展的十分廣泛，積累了大量的三維模型素材，如目前已利用三維掃描技術(shù)得到了寧夏中衛(wèi)姚灘段長城四方墩的三維掃描圖[12]；嘉峪關(guān)世界文化遺產(chǎn)監(jiān)測中心與嘉峪關(guān)長城博物館將使用激光三維掃描設(shè)備以固定頻率對嘉峪關(guān)長城第一墩進行三維掃描建模，實現(xiàn)對其形變或風化損害的連續(xù)精準監(jiān)測[13]；秦始皇帝陵博物院也計劃使用三維掃描技術(shù)實現(xiàn)對秦陵土遺址文物形態(tài)變化的監(jiān)測。

Hydrus 模型中需要對研究區(qū)域進行建模才可進行水鹽運移規(guī)律的研究，由于Hydrus-1D 模型模擬的是一維方向上的土壤水鹽運移，所以與建模精細度之間的關(guān)聯(lián)不大，但是Hydrus-2D/3D 軟件則是要建立土遺址的二維平面圖形或者三維模型體，建模的精細度決定了研究區(qū)域水鹽運移數(shù)值模擬的準確度，所以在利用Hydrus-2D/3D 模型建立所研究土遺址區(qū)域的模型時，可以先將三維掃描的數(shù)據(jù)保存為.dxf 格式，然后在工具欄中選擇直接導(dǎo)入該掃描文件作為水鹽運移數(shù)值模擬的模型，這樣就可以更為精確的把握所研究土遺址區(qū)域的水鹽運移過程，為采取相應(yīng)的鹽害防治措施提供更有價值的參考。

3.4 研究植物根系對土遺址鹽害的影響

很多露天土遺址上面常生長有繁茂的雜草、喬、灌木等植物，這些植物的根系大多生長的很發(fā)達，以適應(yīng)這種干旱的夯土生長環(huán)境。雖然植物根系對土壤有水土保持作用，但是其破壞作用要更甚于保護作用，一方面這些植物生長產(chǎn)生的根劈作用會使得土遺址的裂隙不斷發(fā)展，增加了土遺址的坍塌風險；另一方面根系的生長會導(dǎo)致土遺址土體化學(xué)組成的改變，影響鹽分在土體中的富集，造成泛堿等破壞，加速土遺址的風化[14]。目前的研究多集中在植物根系生長對土遺址造成的物理性破壞或一定的保護作用上面，而定性定量的研究植物根系對土遺址水鹽運移的影響這方面則尚屬空白，Hydrus 模型中具有植物根系吸水模塊，對于一些有植被覆蓋的露天土遺址，如甘肅定西秦長城遺址、西安阿房宮內(nèi)的部分夯土遺址等，可以采用Hydrus 模型中的根系吸水模型研究植物根系對土遺址水鹽運移及鹽害的影響。

3.5 研究土壤性質(zhì)對土遺址鹽害的影響

土壤的性質(zhì)對土遺址的水鹽運移具有很大影響，而Hydrus模型在模擬土遺址的水鹽運移時，需要設(shè)置研究區(qū)域的土壤性質(zhì)，如在Rosetta Lite 模塊中輸入研究區(qū)域土壤的容重、粘粒、砂粒、粉粒含量以擬合研究區(qū)域土壤的水力學(xué)參數(shù)，以及在溶質(zhì)運移參數(shù)模塊輸入土壤的容重和彌散度等，這樣就可以得到所需的特定性質(zhì)的土壤。因此，可在模型中改變土壤性質(zhì)如容重、級配等，然后進行多組土壤水鹽運移模擬，以探究不同性質(zhì)的土壤對土遺址鹽害發(fā)生的影響。其優(yōu)勢是能模擬很多組不同性質(zhì)土壤的鹽害發(fā)生情況，同時還可以與模擬實驗的結(jié)果進行對比驗證，以得出更準確的結(jié)論。

3.6 附加模塊在土遺址鹽害研究中的應(yīng)用

土遺址內(nèi)部的可溶鹽包含有多種溶質(zhì)離子，不同離子形成的可溶鹽對土遺址的危害性也是有差異的，而Hydrus 模型附加模塊中的Unsatchem-2D 模塊可在考慮發(fā)生離子交換反應(yīng)的條件下，對土遺址中可能存在的多種不同溶質(zhì)離子的運移同時進行數(shù)值模擬，以更精準的確定土遺址中不同溶質(zhì)離子的運移與分布規(guī)律，以及不同溶質(zhì)離子可能造成的危害大小等，為土遺址表面可溶鹽的針對性差異化處理提供數(shù)據(jù)參考。

目前潮濕地區(qū)的遺址保護仍然存在很多突出問題，研究和保護工作都開展的比較少[15]，新技術(shù)的應(yīng)用也很缺乏，Hydrus 模型中的Wetland-2D 模塊是人工濕地模塊，可將某些南方潮濕環(huán)境下的土遺址與濕地環(huán)境類比，研究其內(nèi)部的水分、溶質(zhì)運移，為研究南方潮濕地區(qū)的土遺址鹽害研究及保護工作提供基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

土遺址是反映我國悠久歷史與燦爛文化的重要實物載體，然而出于各種原因，各類土遺址正不斷遭受著鹽害等風化作用的破壞，需要引入更多的土遺址鹽害研究手段。本文介紹了Hydrus 模型的基本信息及功能，梳理了其目前在土遺址鹽害研究中的應(yīng)用情況，認為目前Hydrus 模型在土遺址鹽害研究中的應(yīng)用還處于起步階段，公開發(fā)表的高質(zhì)量學(xué)術(shù)成果很少，該模型在土遺址鹽害研究領(lǐng)域的應(yīng)用前景還很廣闊，且對于土遺址的鹽害研究具有重要意義。重點結(jié)合模型功能，從利用Hydrus模型為土遺址鹽害的預(yù)防性保護提供參考、為土遺址除鹽措施提供參考、與三維掃描技術(shù)相結(jié)合、研究植物根系對土遺址鹽害的影響、研究土壤性質(zhì)對土遺址鹽害的影響、附加模塊在土遺址鹽害研究中的應(yīng)用等6 個方面對其在土遺址鹽害研究中的深入應(yīng)用進行了展望，旨在為土遺址鹽害研究提供更多的新思路與新參考，同時也有助于填補土遺址鹽害研究的空白。