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土遗址盐害是遗址博物馆中遗址文物保存过程中面临的主要病害之一,目前土遗址盐害发生的机理已十分清晰,而针对土遗址盐害防治措施的相关研究较少,且尚未提出合理的土遗址盐害预防性保护方法。本文从水盐持续单向运移这一导致土遗址盐害发生的根本原因出发,分析认为导致土遗址盐害发生的动力机制是土壤基质势作用,并以土壤包气带水分运动过程中基质吸力与含水量的关系为理论基础,提出了表面雾化补水和砂层阻水隔盐的土遗址盐害防治措施。并通过室内土柱实验和数值模拟对以上两种盐害防治方法的可行性进行研究,进一步利用数值模拟研究了葬坑式土遗址盐害发生的区域差异性,为土遗址盐害防治措施的针对性实施提供基础依据。实验与数值模拟主要得出以下结论:
(1)土遗址盐害发生具有不可逆性,补水措施可减少表面盐分富集的数量,但无法使其恢复到原始状态。利用经过长期蒸发且盐分已在表层大量富集的竖直土柱进行雾化补水实验,发现在表面液态补水作用下表层富集的盐分可随水分向下迁移,主要盐离子中Na+、K+、NO3-极易随水分向下迁移至深层土壤,而Mg2+、Ca2+、SO42-相对随水分向下迁移的数量较少,且主要滞留在土壤表层10.00cm范围内,这是因为土壤表层长期盐分富集生成了难溶盐MgSO4及CaSO4,这些难溶盐不易随水分向下迁移。
(2)不同补水量的一维数值模拟研究表明,随着补水量的增加,水盐向下运移的速度增快,但盐分被分散于表层一定厚度的土壤中,深层土壤中盐分的变化较小。水分运移过程由重力势和基质势作用共同主导,盐分随水分的迁移同时还受到土壤基质对盐分离子的吸附等物理化学作用影响。
(3)砂层阻水隔盐实验表明,砂层在成功阻断水分持续单向向上运移的同时,盐分也被滞留在了砂层底部与实验土壤的交界处。未设置砂层的对照组A组土柱,在基质吸力梯度作用下水盐持续向上运移至土柱表层,设置砂层的B组(0.50mm~1.00mm)、C组(1.00mm~2.00mm)、D组(2.00mm~4.00mm)和E组(4.00mm~8.00mm)土柱均起到阻水隔盐的作用。
(4)砂层阻水隔盐数值模拟与实验结果基本一致,砂层的有效粒径增大到一定程度时,基质吸力不能从下层土壤获得足够水分穿过砂层。设置黏土砂层时,由于黏土颗粒粒径小其空隙路径长,水分在黏土砂层中上升较慢,但水分依然会携带盐分穿过砂层持续向土壤表面运移;砂质黏土砂层的粒径虽然比实验土的粒径大,但其基质吸力可以从下层土壤中获得足够水分穿透砂层;砂质黏土砂层和砂土砂层均起到了阻水隔盐的作用,且有效粒径较大的砂土效果更好。水分被阻滞后盐分在砂层下界面处不断增加,且增加的速度逐渐减小并最终趋于平缓。
(5)利用数值模拟研究葬坑式遗址文物盐害发生的区域差异性。模拟结果表明,盐分主要富集在隔梁凹形拐角处,且凹形拐角处形状为直角较圆角易促进盐分的大量富集,圆角曲率半径的增大可减少盐分局部富集的量;隔梁高度超过一定值后,隔梁的增加并不会使墙面底部盐分富集的量显著增加,但会使墙面底部发生酥碱脱落现象的面积增加;陶制文物盐分富集严重的区域是文物顶部棱角处和四周的棱边处,文物体底部与土壤环境直接耦合的1/3范围内盐分富集较多。
(1)土遗址盐害发生具有不可逆性,补水措施可减少表面盐分富集的数量,但无法使其恢复到原始状态。利用经过长期蒸发且盐分已在表层大量富集的竖直土柱进行雾化补水实验,发现在表面液态补水作用下表层富集的盐分可随水分向下迁移,主要盐离子中Na+、K+、NO3-极易随水分向下迁移至深层土壤,而Mg2+、Ca2+、SO42-相对随水分向下迁移的数量较少,且主要滞留在土壤表层10.00cm范围内,这是因为土壤表层长期盐分富集生成了难溶盐MgSO4及CaSO4,这些难溶盐不易随水分向下迁移。
(2)不同补水量的一维数值模拟研究表明,随着补水量的增加,水盐向下运移的速度增快,但盐分被分散于表层一定厚度的土壤中,深层土壤中盐分的变化较小。水分运移过程由重力势和基质势作用共同主导,盐分随水分的迁移同时还受到土壤基质对盐分离子的吸附等物理化学作用影响。
(3)砂层阻水隔盐实验表明,砂层在成功阻断水分持续单向向上运移的同时,盐分也被滞留在了砂层底部与实验土壤的交界处。未设置砂层的对照组A组土柱,在基质吸力梯度作用下水盐持续向上运移至土柱表层,设置砂层的B组(0.50mm~1.00mm)、C组(1.00mm~2.00mm)、D组(2.00mm~4.00mm)和E组(4.00mm~8.00mm)土柱均起到阻水隔盐的作用。
(4)砂层阻水隔盐数值模拟与实验结果基本一致,砂层的有效粒径增大到一定程度时,基质吸力不能从下层土壤获得足够水分穿过砂层。设置黏土砂层时,由于黏土颗粒粒径小其空隙路径长,水分在黏土砂层中上升较慢,但水分依然会携带盐分穿过砂层持续向土壤表面运移;砂质黏土砂层的粒径虽然比实验土的粒径大,但其基质吸力可以从下层土壤中获得足够水分穿透砂层;砂质黏土砂层和砂土砂层均起到了阻水隔盐的作用,且有效粒径较大的砂土效果更好。水分被阻滞后盐分在砂层下界面处不断增加,且增加的速度逐渐减小并最终趋于平缓。
(5)利用数值模拟研究葬坑式遗址文物盐害发生的区域差异性。模拟结果表明,盐分主要富集在隔梁凹形拐角处,且凹形拐角处形状为直角较圆角易促进盐分的大量富集,圆角曲率半径的增大可减少盐分局部富集的量;隔梁高度超过一定值后,隔梁的增加并不会使墙面底部盐分富集的量显著增加,但会使墙面底部发生酥碱脱落现象的面积增加;陶制文物盐分富集严重的区域是文物顶部棱角处和四周的棱边处,文物体底部与土壤环境直接耦合的1/3范围内盐分富集较多。