李華翔，寧立波，黃景春，王忠偉，蘇繪夢

(1.中國地質(zhì)大學(武漢) 環(huán)境學院，湖北 武漢 430074；2.河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，河南 鄭州 450000)

裂隙巖體水汽場內(nèi)溫濕度分布及汽液轉(zhuǎn)化規(guī)律研究
——以河南省宜陽錦屏山為例

李華翔1，寧立波1，黃景春2，王忠偉1，蘇繪夢1

(1.中國地質(zhì)大學(武漢) 環(huán)境學院，湖北 武漢 430074；2.河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，河南 鄭州 450000)

水汽場是描述裂隙巖體非飽水帶內(nèi)溫度、水汽時空分布的空間總稱。針對目前裂隙巖體水汽場內(nèi)溫濕度的分布情況以及其汽、液轉(zhuǎn)化規(guī)律等問題至今并未解決的現(xiàn)狀，以宜陽錦屏山為研究對象，開展監(jiān)測孔布設、長期數(shù)據(jù)監(jiān)測等工作，并以春、夏、秋、冬四季的實測溫濕度數(shù)據(jù)為基礎，對水汽場內(nèi)溫濕度分布及汽液轉(zhuǎn)化規(guī)律進行研究。春夏季，裂隙巖體水汽場內(nèi)的溫濕度呈現(xiàn)由內(nèi)而外逐漸增加的漸變規(guī)律，是裂隙巖體內(nèi)水分、熱量的主要補充時期，其內(nèi)部凝結(jié)水分布范圍較大，外邊界約為20 cm；而秋冬季，裂隙巖體水汽場內(nèi)的溫濕度分布趨勢與之相反，是裂隙巖體內(nèi)水分、熱量的主要耗散時期，其內(nèi)部凝結(jié)水分布范圍較小，外邊界約50～200 cm。

裂隙巖體；水汽場；絕對濕度；溫度；宜陽

水汽場一詞源于氣象學，認為水汽是氣態(tài)的水通過水汽擴散和水汽輸送參與到地球的水循環(huán)過程，所謂水汽場就是水汽的輸送和擴散的空間[1]。本次研究所指水汽場與此有所區(qū)別，是特指在裂隙巖體非飽水帶由巖石、汽態(tài)水和液態(tài)水三相物質(zhì)構(gòu)成的地質(zhì)實體中水汽、溫度時空分布的空間總稱。根據(jù)水文地質(zhì)學理論，水汽場應該位于包氣帶的上部，即支持毛細水帶上部的非飽水帶，除因降雨入滲產(chǎn)生的過路重力水外，其內(nèi)部常以液態(tài)水(薄膜水、懸掛毛細水)和汽態(tài)水兩種形式共存，并在溫度的變化下，彼此之間相互轉(zhuǎn)化，共同構(gòu)成了水汽場內(nèi)水分的主要來源。

目前國內(nèi)涉及裂隙巖體水汽、溫度方面的研究主要集中于石窟文物保護領域，如郭青林等人[2]認為莫高窟巖體淺部區(qū)域水汽向外擴散的現(xiàn)象是導致鹽分在洞窖壁面聚集的主要因素；萬力等人[3]研究云岡石窟文物保護，認為巖體包氣帶內(nèi)存在可以驅(qū)動水汽向外擴散的氣壓梯度；黃繼忠等人[4]在對云岡石窟水分來源探查中，發(fā)現(xiàn)夏季比較炎熱的白天是石窟壁面汽、液轉(zhuǎn)化的最佳時間，并指出溫度差是影響水汽轉(zhuǎn)化的關鍵因素。而國外相關研究則多以室內(nèi)實驗為主，如Bonnie Sjoberg Dobchuk[5]研究了廢石中汽態(tài)水擴散的機理，指出擴散系數(shù)、孔隙率、干密度以及吸附作用是影響汽態(tài)水擴散的主要因素；Lefebvre[6]在從事水汽擴散與礦山廢石酸性水產(chǎn)生關系研究中，認為廢石表面酸性廢水產(chǎn)生的主要影響因素是溫度、空氣流動、相對濕度。綜合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀[2～10]可知，目前國內(nèi)外學者在巖壁表面汽、液轉(zhuǎn)化以及表面水汽擴散方面研究較多，還未涉及裂隙巖體水汽場內(nèi)溫濕度分布規(guī)律的研究，更未見其內(nèi)部汽、液轉(zhuǎn)化規(guī)律的相關研究。

為此，筆者以河南省宜陽錦屏山巖體內(nèi)部水汽監(jiān)測試驗場為研究對象，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對裂隙巖體水汽場內(nèi)溫濕度分布規(guī)律進行研究，并在此基礎上探討其所具有的汽、液轉(zhuǎn)化規(guī)律。

1 試驗場概況

本次裂隙巖體水汽監(jiān)測試驗場位于河南省洛陽市的伏牛山脈北緣，洛河斷裂南盤的破碎帶，即宜陽錦屏山覆綠工程示范區(qū)的采石場巖壁。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)巖壁較陡峭，坡度為75°以上，裂隙極為發(fā)育，存在4組構(gòu)造裂隙、1組層面裂隙，體裂隙率為11.97‰。

在試驗場巖壁上從上至下共布設3個監(jiān)測孔，且出于監(jiān)測儀器自身尺寸以及植被地境深度(喬木一般在1 m左右，灌木和草本小于1 m)等多方面考慮，將各監(jiān)測孔內(nèi)的孔徑設計為20 cm，孔深設計為2 m。各監(jiān)測孔的相對位置見圖1。在開始監(jiān)測時，分別在各監(jiān)測孔的孔外以及孔內(nèi)20 cm、50 cm、80 cm、100 cm、200 cm的位置處設置Apresys179-DTH溫濕度記錄儀(溫度量程為：-40～80 ℃，相對濕度量程為：1%～100%，儀器精度為：±0.1 ℃、±0.1%)，并用棉墊對各監(jiān)測孔進行密封，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)儀器布設情況見圖2。

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

圖2 監(jiān)測孔內(nèi)儀器布設圖Fig.2 Layout of instruments in the monitoring holes

本次研究區(qū)水汽場監(jiān)測將對1、2、3號監(jiān)測孔內(nèi)、外各監(jiān)測點的春(2016年4月20—27日)、夏(2016年6月4—11日)、秋(2015年9月22—29日)、冬(2016年1月13—20日)4個季度的溫度、相對濕度數(shù)據(jù)進行采集，數(shù)據(jù)采集間隔為1min/次，共計收集了72組144萬個實測數(shù)據(jù)。

2 裂隙巖體水汽場內(nèi)溫濕度分布規(guī)律

由于裂隙巖體內(nèi)的空隙與外界環(huán)境相互連通，彼此之間不斷地進行著物質(zhì)、能量與信息交換，所以水汽場是一個開放系統(tǒng)，其內(nèi)部溫度、水汽的時空分布正常漲落[11]，在宏觀(整體)上具有耗散結(jié)構(gòu)的特點，呈現(xiàn)為相對穩(wěn)定的有序性，如分帶性、漸變性、指向性。因均值、均方差是分別表征各指標宏觀水平、刻畫各指標漲落大小的重要參數(shù)[12]，故可用來對水汽場內(nèi)的溫度、水汽情況進行描述。

根據(jù)以往研究表明，水汽的含量可由濕度(相對濕度、絕對濕度)表征[13]。而在實際工作中，絕對濕度雖然能夠直接反映空氣中水汽的實際含量，但因其絕對濕度值較難被儀器直接測取，致使國內(nèi)外學者常用相對濕度對水汽進行研究，但這顯然不夠客觀。本次研究在通過收集四季監(jiān)測所得溫度、相對濕度數(shù)據(jù)的基礎上，利用熱力學相關公式[14]，將實測相對濕度數(shù)據(jù)換算為絕對濕度，并根據(jù)溫度、絕對濕度數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(均值、均方差)情況，對研究區(qū)水汽場內(nèi)溫濕度分布規(guī)律進行研究。換算公式為：

式中：f——某溫度條件下裂隙巖體內(nèi)水汽的相對濕度；

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；

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，β可依據(jù)文獻[15]查得。

2.1水汽場內(nèi)溫濕度的分帶性

因裂隙巖體水汽場內(nèi)各位置處的溫度、絕對濕度指標在時間尺度上會呈現(xiàn)正常漲落的現(xiàn)象，故可根據(jù)各監(jiān)測孔內(nèi)四個季度統(tǒng)計所得的溫度、絕對濕度均方差數(shù)據(jù)，分別作各監(jiān)測孔的溫度、絕對濕度均方差圖(圖3)，并在此基礎上對水汽場內(nèi)溫濕度漲落規(guī)律以及其宏觀分帶情況進行研究。

圖3 各監(jiān)測孔內(nèi)四季溫濕度均方差圖Fig.3 Variance of temperature and absolute humidity at all seasons in each monitoring hole

由圖3可知：(1)在4個季節(jié)，裂隙巖體各監(jiān)測孔內(nèi)的溫度、絕對濕度均方差由外而內(nèi)均呈現(xiàn)指數(shù)遞減的規(guī)律，其各監(jiān)測點處的溫度、絕對濕度漲落幅度由外而內(nèi)逐漸減小。(2)夏季太陽輻射較其余季節(jié)強烈，受其影響，各監(jiān)測孔內(nèi)溫度、絕對濕度漲落幅度相對較大，冬季太陽輻射強度為四季最小者，其各監(jiān)測孔內(nèi)溫度、絕對濕度漲落幅度也相對較小。(3)根據(jù)前人研究[13]，可將均方差0.2作為判斷巖土體非飽水帶內(nèi)各項指標(如溫度、濕度等)處于劇烈變動或微弱變動的界限值。因裂隙巖體溫濕度的漲落在宏觀整體上呈現(xiàn)相對穩(wěn)定的有序性[11]，各監(jiān)測高度處的研究區(qū)裂隙巖體應與其所對應的監(jiān)測孔具有相同的溫濕度宏觀漲落規(guī)律，故可將均方差0.2分別代入到四季各監(jiān)測孔溫濕度均方差曲線中，反求出各監(jiān)測高度處所對應的研究區(qū)裂隙巖體溫濕度分帶邊界值(表1、2)，并以該分帶邊界值為內(nèi)邊界，劃分出研究區(qū)裂隙巖體四季溫濕度劇烈變動帶。

表1 研究區(qū)裂隙巖體溫度分帶邊界值

表2 研究區(qū)裂隙巖體絕對濕度分帶邊界值

由表1、2可知，夏季研究區(qū)裂隙巖體內(nèi)的溫度、絕對濕度劇烈變動帶的范圍相對較大，其溫濕度分帶邊界值約在5.34～8.45 m；春秋季裂隙巖體內(nèi)的溫濕度劇烈變動帶均略有收縮，溫濕度分帶邊界值約在3.06～4.66 m；冬季裂隙巖體內(nèi)的溫濕度劇烈變動帶均為四季最小者，溫濕度分帶邊界值約在1.81～2.35 m。這超過以往有關土體溫濕度劇烈變動帶的底限值(一般地帶不超過1 m[16])，其原因是由于巖體自身導熱系數(shù)比土體高(如灰?guī)r3.8 W/(m·K)、黏土0.5 W/(m·K)[17])，巖體與外界環(huán)境發(fā)生熱交換程度較強所致。

2.2水汽場內(nèi)溫濕度的漸變性

根據(jù)裂隙巖體各監(jiān)測孔內(nèi)4季度的溫度、絕對濕度均值數(shù)據(jù)，利用克里格差值方法，通過Surfer軟件分別繪制出各季節(jié)裂隙巖體水汽場溫度、絕對濕度均值分布圖(圖4～5)，并在此基礎上對水汽場內(nèi)溫濕度的漸變性進行研究。

圖4 不同季節(jié)水汽場溫度均值分布Fig.4 Mean temperature distribution of the water vapour field in different seasons

圖5 不同季節(jié)水汽場絕對濕度均值分布Fig.5 Mean absolute humidity distribution of the water vapour field in different seasons

根據(jù)圖4～5可知：(1)春夏兩季，研究區(qū)裂隙巖體各監(jiān)測孔內(nèi)的溫度呈現(xiàn)由內(nèi)向外逐漸增大的漸變規(guī)律，而秋冬兩季，各監(jiān)測孔內(nèi)溫度的漸變規(guī)律與之相反，即呈現(xiàn)由內(nèi)向外逐漸減小的趨勢。(2)在四季中，各監(jiān)測孔內(nèi)溫度的漸變規(guī)律與該季節(jié)絕對濕度的漸變規(guī)律基本相同，這表明在具有耗散結(jié)構(gòu)特征的裂隙巖體內(nèi)部，熱量傳遞將成為驅(qū)動其內(nèi)部水汽呈現(xiàn)各季節(jié)宏觀分布規(guī)律的主要驅(qū)動力，并以溫度差的形式表現(xiàn)出來。(3)由于裂隙巖體坡面不同位置處所受外界太陽輻射的時間長短不同，致使外界環(huán)境與巖體內(nèi)的能量、物質(zhì)交換程度不同，故在春、夏、秋季，巖體內(nèi)部存在位置高處的溫濕度值比位置低處略高的現(xiàn)象。而冬季，因試驗場位于北方地區(qū)，裂隙巖體受冷風氣候的干擾更為強烈，故導致巖體內(nèi)部呈現(xiàn)高位置處的溫濕度值略比低位置處低的相反現(xiàn)象。(4)夏秋兩季各監(jiān)測點溫濕度值的宏觀水平相對較大，其溫度約18.62～22.70 ℃，絕對濕度約15.16～19.75 g/m3；春季次之，溫度均值約14.8～18.27 ℃，絕對濕度均值約11.54～13.92 g/m3；冬季溫濕度均值為四季最小值，溫度均值約2.19～7.34 ℃，絕對濕度均值約3.93～6.59 g/m3。

2.3水汽場內(nèi)溫濕度分布的指向性

由熱力學相關理論[15]可知，裂隙巖體內(nèi)的溫度總是由高的地方向低的地方傳遞。汽態(tài)水是指以單個水分子形式分散在裂隙中的水分，它們的運動遷移主要取決于水氣分壓差。因水氣分壓與水汽密度的大小有關，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系，即水汽遷移亦可用“絕對濕度大的地方向絕對濕度小的地方運動”加以表述。因此，在巖體溫濕度均值分布圖(圖4～5)的基礎上，對裂隙巖體水汽場內(nèi)各季節(jié)的溫濕度指向性進行研究。

由圖4～5可知，(1)春夏兩季，巖壁外部大氣的溫度大于巖體內(nèi)部，表明該季節(jié)的裂隙巖體主要是以向內(nèi)輸送熱量的方式為主，是巖體內(nèi)部熱量積累的主要時期；秋冬兩季，外界大氣的溫度小于巖體內(nèi)部，巖體內(nèi)積累的熱能主要以向外散失的方式為主，是裂隙巖體內(nèi)部熱量耗散的主要時期。(2)春夏兩季，巖壁外部水汽的絕對濕度大于巖體內(nèi)部，在水汽分壓差的作用下，巖體內(nèi)的水汽將會由絕對濕度大向絕對濕度小的地方運移，即由巖體外向巖體內(nèi)運移。這表明該季節(jié)巖體內(nèi)部主要以水汽積累的形式為主，是裂隙巖體內(nèi)水汽補充的主要時期。(3)在秋冬季節(jié)，隨著北方降水的減少，大氣溫度下降，巖壁外部水汽的絕對濕度小于巖體內(nèi)部，水汽的遷移方向?qū)⒂蓭r體內(nèi)指向巖體外，巖體內(nèi)部將主要以向外輸送水汽的方式為主，是裂隙巖體內(nèi)水汽耗散的主要時期。

3 水汽場內(nèi)汽、液轉(zhuǎn)化規(guī)律

在熱力學中，汽、液、固三相物質(zhì)的吸熱和放熱會同時存在部分液態(tài)水轉(zhuǎn)化為汽態(tài)水和部分水汽轉(zhuǎn)化為液態(tài)水的兩種過程，若部分液態(tài)水轉(zhuǎn)化為水汽的速度和數(shù)量大于水汽轉(zhuǎn)化為液態(tài)水的速度和數(shù)量，就是蒸發(fā)過程；反之，就是凝結(jié)過程[18]。由于裂隙巖體受外界環(huán)境的影響，水分、熱量的輸入和輸出是不斷進行的。當巖體局部空間內(nèi)的溫度降低到其對應的閾值溫度時，其內(nèi)部水分子的凝結(jié)速率將大于其擴散的速率，水汽凝結(jié)將成為該空間汽、液轉(zhuǎn)化的主導趨勢。該過程中凝結(jié)的液態(tài)水將大量吸附于巖體內(nèi)表面，增大巖體內(nèi)水化膜的厚度，并使水化膜由厚的地方向薄的地方運移，與此同時，懸掛毛細水的高度和孔角毛細水的分布范圍也相應增大。同理，當巖體局部空間內(nèi)的溫度增大時，其內(nèi)部液態(tài)水(薄膜水、懸掛毛細水等)的蒸發(fā)速率將大于其轉(zhuǎn)化速率。液態(tài)水的蒸發(fā)成為該空間汽、液轉(zhuǎn)化的主導趨勢，其蒸發(fā)所形成的汽態(tài)水將在水汽壓的驅(qū)動下，分布于各裂隙巖體內(nèi)的空隙中。

研究表明，當某局部空間內(nèi)的汽態(tài)水基本達到飽和狀態(tài)時(相對濕度100%)，其空間內(nèi)部較容易出現(xiàn)凝結(jié)水產(chǎn)生的現(xiàn)象[6]。為此，筆者在根據(jù)裂隙巖體各監(jiān)測點收集所得相對濕度數(shù)據(jù)的基礎上，對研究區(qū)水汽場內(nèi)汽、液轉(zhuǎn)化所形成的凝結(jié)水區(qū)域進行劃分(表3)。其結(jié)果表明：(1)在四季中，研究區(qū)裂隙巖體各監(jiān)測孔內(nèi)均會有凝結(jié)水產(chǎn)生的區(qū)域。(2)在春、夏季，裂隙巖體各監(jiān)測孔內(nèi)凝結(jié)水產(chǎn)生的范圍相對較寬，凝結(jié)水的外邊界約在20～50 cm，秋季裂隙巖體各監(jiān)測孔內(nèi)凝結(jié)水產(chǎn)生的范圍略有收縮，凝結(jié)水的外邊界約50 cm，而冬季裂隙巖體各監(jiān)測孔內(nèi)凝結(jié)水產(chǎn)生區(qū)域更加靠近巖體內(nèi)部，凝結(jié)水的外邊界約在200 cm。

表3 裂隙巖體各監(jiān)測孔內(nèi)凝結(jié)水產(chǎn)生區(qū)域

4 結(jié)論

(1)裂隙巖體水汽場內(nèi)的溫濕度分布具有宏觀分帶的特點，其溫濕度劇烈變動帶超過以往有關土體劇烈變動帶的底限值。

(2)春夏季，水汽場內(nèi)的溫濕度由內(nèi)向外呈現(xiàn)逐漸增大的漸變規(guī)律，為裂隙巖體內(nèi)水分、熱量補給的主要時期；秋冬季，水汽場內(nèi)的溫濕度由內(nèi)向外呈現(xiàn)逐漸減小的相反趨勢，為裂隙巖體內(nèi)水分、熱量耗散的主要時期。

(3)各季節(jié)的裂隙巖體內(nèi)均存在汽、液轉(zhuǎn)化所形成的凝結(jié)水區(qū)域，其春夏季凝結(jié)水分布范圍相對較大，外邊界約在20 cm，秋冬季凝結(jié)水分布范圍相對較小，外邊界約在50～200 cm。

本次研究主要對水汽場內(nèi)溫濕度分布、汽液轉(zhuǎn)化機理以及凝結(jié)水分布區(qū)域進行了探討，還未涉及其內(nèi)部凝結(jié)水定量計算、生態(tài)學意義等方面的問題，后續(xù)可在此基礎上開展該方面裂隙巖體水汽場的研究工作。

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責任編輯

：張若琳

Astudyofthedistributionoftemperature-humidityandvapor-liquidtransformationinthewatervaporfieldoffracturedrockmass:acasestudyintheJinpingMountainofYiyangcountyinHenan

LI Huaxiang1, NING Libo1, HUANG Jingchun2, WANG Zhongwei1, SU Huimeng1

(1.SchoolofEnvironmentalStudies,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan,Hubei430074,China; 2.GeologicalEnvironmentalMonitoringInstituteofHenanProvince,Zhengzhou,Henan450000,China)

Water vapour field is a general term used to describe the temperature in the unsaturated water zone of the fractured rock mass and the temporal distribution of water and vapor. Some key questions have not been examined until now such as the distribution of temperature-humidity in the water vapor field of the fractured rock mass as well as the laws of vapor-liquid transformation in the water vapor field. The Jinping Mountain of Yiyang county is taken as an case study in this paper and the distribution of temperature-humidity as well as the laws of vapor-liquid transformation in the water vapor field are analyzed using the measured temperature and moisture at all seasons in the long-term monitoring holes. The research results show that (1) spring and summer are the main periods for the increase in water and heat in the fractured rock, when the humiture in the water vapor field of fractured rock gradually raises from the inside out. Distribution range of the internal condensation water in fractured rock is large and its external counterpart on the boundary is about 20 cm. (2) Conversely, water and heat in the fractured rock decrease and the humiture gradually reduces from the inside out in autumn and winter. The nternal water distribution range of fractured rock is small while that on the outside ranges from 50 to 200 cm.

fractured rock mass; water vapor field; absolute humidity; temperature; Yiyang

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.06.02

P641.131

A

1000-3665(2017)06-0009-06

2016-11-14;

2017-01-12

河南省國土資源廳地質(zhì)礦產(chǎn)科技攻關項目(2014-20)

李華翔(1991-)，男，碩士研究生，主要從事水文地質(zhì)等方面的研究。E-mail：huaxianglicug@163.com

寧立波(1966-)，男，副教授，主要從事水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)的教學和科研工作。E-mail：ninglibo200294@163.com