裂隙岩体水汽场内温湿度分布及汽液转化规律研究——以河南省宜阳锦屏山为例

李华翔，宁立波，黄景春，王忠伟，苏绘梦

(1.中国地质大学(武汉) 环境学院，湖北 武汉 430074；2.河南省地质环境监测院，河南 郑州 450000)

裂隙岩体水汽场内温湿度分布及汽液转化规律研究
——以河南省宜阳锦屏山为例

李华翔1，宁立波1，黄景春2，王忠伟1，苏绘梦1

(1.中国地质大学(武汉) 环境学院，湖北 武汉 430074；2.河南省地质环境监测院，河南 郑州 450000)

水汽场是描述裂隙岩体非饱水带内温度、水汽时空分布的空间总称。针对目前裂隙岩体水汽场内温湿度的分布情况以及其汽、液转化规律等问题至今并未解决的现状，以宜阳锦屏山为研究对象，开展监测孔布设、长期数据监测等工作，并以春、夏、秋、冬四季的实测温湿度数据为基础，对水汽场内温湿度分布及汽液转化规律进行研究。春夏季，裂隙岩体水汽场内的温湿度呈现由内而外逐渐增加的渐变规律，是裂隙岩体内水分、热量的主要补充时期，其内部凝结水分布范围较大，外边界约为20 cm；而秋冬季，裂隙岩体水汽场内的温湿度分布趋势与之相反，是裂隙岩体内水分、热量的主要耗散时期，其内部凝结水分布范围较小，外边界约50～200 cm。

裂隙岩体；水汽场；绝对湿度；温度；宜阳

水汽场一词源于气象学，认为水汽是气态的水通过水汽扩散和水汽输送参与到地球的水循环过程，所谓水汽场就是水汽的输送和扩散的空间[1]。本次研究所指水汽场与此有所区别，是特指在裂隙岩体非饱水带由岩石、汽态水和液态水三相物质构成的地质实体中水汽、温度时空分布的空间总称。根据水文地质学理论，水汽场应该位于包气带的上部，即支持毛细水带上部的非饱水带，除因降雨入渗产生的过路重力水外，其内部常以液态水(薄膜水、悬挂毛细水)和汽态水两种形式共存，并在温度的变化下，彼此之间相互转化，共同构成了水汽场内水分的主要来源。

目前国内涉及裂隙岩体水汽、温度方面的研究主要集中于石窟文物保护领域，如郭青林等人[2]认为莫高窟岩体浅部区域水汽向外扩散的现象是导致盐分在洞窖壁面聚集的主要因素；万力等人[3]研究云冈石窟文物保护，认为岩体包气带内存在可以驱动水汽向外扩散的气压梯度；黄继忠等人[4]在对云冈石窟水分来源探查中，发现夏季比较炎热的白天是石窟壁面汽、液转化的最佳时间，并指出温度差是影响水汽转化的关键因素。而国外相关研究则多以室内实验为主，如Bonnie Sjoberg Dobchuk[5]研究了废石中汽态水扩散的机理，指出扩散系数、孔隙率、干密度以及吸附作用是影响汽态水扩散的主要因素；Lefebvre[6]在从事水汽扩散与矿山废石酸性水产生关系研究中，认为废石表面酸性废水产生的主要影响因素是温度、空气流动、相对湿度。综合国内外研究现状[2～10]可知，目前国内外学者在岩壁表面汽、液转化以及表面水汽扩散方面研究较多，还未涉及裂隙岩体水汽场内温湿度分布规律的研究，更未见其内部汽、液转化规律的相关研究。

为此，笔者以河南省宜阳锦屏山岩体内部水汽监测试验场为研究对象，根据监测数据对裂隙岩体水汽场内温湿度分布规律进行研究，并在此基础上探讨其所具有的汽、液转化规律。

1 试验场概况

本次裂隙岩体水汽监测试验场位于河南省洛阳市的伏牛山脉北缘，洛河断裂南盘的破碎带，即宜阳锦屏山覆绿工程示范区的采石场岩壁。该区域地层主体为奥陶系的灰岩、白云质灰岩和黄褐色泥灰岩。试验场内岩壁较陡峭，坡度为75°以上，裂隙极为发育，存在4组构造裂隙、1组层面裂隙，体裂隙率为11.97‰。

在试验场岩壁上从上至下共布设3个监测孔，且出于监测仪器自身尺寸以及植被地境深度(乔木一般在1 m左右，灌木和草本小于1 m)等多方面考虑，将各监测孔内的孔径设计为20 cm，孔深设计为2 m。各监测孔的相对位置见图1。在开始监测时，分别在各监测孔的孔外以及孔内20 cm、50 cm、80 cm、100 cm、200 cm的位置处设置Apresys179-DTH温湿度记录仪(温度量程为：-40～80 ℃，相对湿度量程为：1%～100%，仪器精度为：±0.1 ℃、±0.1%)，并用棉垫对各监测孔进行密封，防止孔内受外界空气流动的干扰，保证监测仪器记录的数据能反映裂隙岩体内部真实的温度和相对湿度情况，监测孔内仪器布设情况见图2。

图1 各监测孔相对位置图Fig.1 Relative position of the monitoring holes

图2 监测孔内仪器布设图Fig.2 Layout of instruments in the monitoring holes

本次研究区水汽场监测将对1、2、3号监测孔内、外各监测点的春(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个季度的温度、相对湿度数据进行采集，数据采集间隔为1min/次，共计收集了72组144万个实测数据。

2 裂隙岩体水汽场内温湿度分布规律

由于裂隙岩体内的空隙与外界环境相互连通，彼此之间不断地进行着物质、能量与信息交换，所以水汽场是一个开放系统，其内部温度、水汽的时空分布正常涨落[11]，在宏观(整体)上具有耗散结构的特点，呈现为相对稳定的有序性，如分带性、渐变性、指向性。因均值、均方差是分别表征各指标宏观水平、刻画各指标涨落大小的重要参数[12]，故可用来对水汽场内的温度、水汽情况进行描述。

根据以往研究表明，水汽的含量可由湿度(相对湿度、绝对湿度)表征[13]。而在实际工作中，绝对湿度虽然能够直接反映空气中水汽的实际含量，但因其绝对湿度值较难被仪器直接测取，致使国内外学者常用相对湿度对水汽进行研究，但这显然不够客观。本次研究在通过收集四季监测所得温度、相对湿度数据的基础上，利用热力学相关公式[14]，将实测相对湿度数据换算为绝对湿度，并根据温度、绝对湿度数据的统计(均值、均方差)情况，对研究区水汽场内温湿度分布规律进行研究。换算公式为：

式中：f——某温度条件下裂隙岩体内水汽的相对湿度；

α——某相同温度条件下裂隙岩体内部单位空隙中实际的水汽含量，即水汽的绝对湿度；

β——某相同温度条件下裂隙岩体内部单位空隙中饱和水汽的含量，β可依据文献[15]查得。

2.1水汽场内温湿度的分带性

因裂隙岩体水汽场内各位置处的温度、绝对湿度指标在时间尺度上会呈现正常涨落的现象，故可根据各监测孔内四个季度统计所得的温度、绝对湿度均方差数据，分别作各监测孔的温度、绝对湿度均方差图(图3)，并在此基础上对水汽场内温湿度涨落规律以及其宏观分带情况进行研究。

图3 各监测孔内四季温湿度均方差图Fig.3 Variance of temperature and absolute humidity at all seasons in each monitoring hole

由图3可知：(1)在4个季节，裂隙岩体各监测孔内的温度、绝对湿度均方差由外而内均呈现指数递减的规律，其各监测点处的温度、绝对湿度涨落幅度由外而内逐渐减小。(2)夏季太阳辐射较其余季节强烈，受其影响，各监测孔内温度、绝对湿度涨落幅度相对较大，冬季太阳辐射强度为四季最小者，其各监测孔内温度、绝对湿度涨落幅度也相对较小。(3)根据前人研究[13]，可将均方差0.2作为判断岩土体非饱水带内各项指标(如温度、湿度等)处于剧烈变动或微弱变动的界限值。因裂隙岩体温湿度的涨落在宏观整体上呈现相对稳定的有序性[11]，各监测高度处的研究区裂隙岩体应与其所对应的监测孔具有相同的温湿度宏观涨落规律，故可将均方差0.2分别代入到四季各监测孔温湿度均方差曲线中，反求出各监测高度处所对应的研究区裂隙岩体温湿度分带边界值(表1、2)，并以该分带边界值为内边界，划分出研究区裂隙岩体四季温湿度剧烈变动带。

表1 研究区裂隙岩体温度分带边界值

表2 研究区裂隙岩体绝对湿度分带边界值

由表1、2可知，夏季研究区裂隙岩体内的温度、绝对湿度剧烈变动带的范围相对较大，其温湿度分带边界值约在5.34～8.45 m；春秋季裂隙岩体内的温湿度剧烈变动带均略有收缩，温湿度分带边界值约在3.06～4.66 m；冬季裂隙岩体内的温湿度剧烈变动带均为四季最小者，温湿度分带边界值约在1.81～2.35 m。这超过以往有关土体温湿度剧烈变动带的底限值(一般地带不超过1 m[16])，其原因是由于岩体自身导热系数比土体高(如灰岩3.8 W/(m·K)、黏土0.5 W/(m·K)[17])，岩体与外界环境发生热交换程度较强所致。

2.2水汽场内温湿度的渐变性

根据裂隙岩体各监测孔内4季度的温度、绝对湿度均值数据，利用克里格差值方法，通过Surfer软件分别绘制出各季节裂隙岩体水汽场温度、绝对湿度均值分布图(图4～5)，并在此基础上对水汽场内温湿度的渐变性进行研究。

图4 不同季节水汽场温度均值分布Fig.4 Mean temperature distribution of the water vapour field in different seasons

图5 不同季节水汽场绝对湿度均值分布Fig.5 Mean absolute humidity distribution of the water vapour field in different seasons

根据图4～5可知：(1)春夏两季，研究区裂隙岩体各监测孔内的温度呈现由内向外逐渐增大的渐变规律，而秋冬两季，各监测孔内温度的渐变规律与之相反，即呈现由内向外逐渐减小的趋势。(2)在四季中，各监测孔内温度的渐变规律与该季节绝对湿度的渐变规律基本相同，这表明在具有耗散结构特征的裂隙岩体内部，热量传递将成为驱动其内部水汽呈现各季节宏观分布规律的主要驱动力，并以温度差的形式表现出来。(3)由于裂隙岩体坡面不同位置处所受外界太阳辐射的时间长短不同，致使外界环境与岩体内的能量、物质交换程度不同，故在春、夏、秋季，岩体内部存在位置高处的温湿度值比位置低处略高的现象。而冬季，因试验场位于北方地区，裂隙岩体受冷风气候的干扰更为强烈，故导致岩体内部呈现高位置处的温湿度值略比低位置处低的相反现象。(4)夏秋两季各监测点温湿度值的宏观水平相对较大，其温度约18.62～22.70 ℃，绝对湿度约15.16～19.75 g/m3；春季次之，温度均值约14.8～18.27 ℃，绝对湿度均值约11.54～13.92 g/m3；冬季温湿度均值为四季最小值，温度均值约2.19～7.34 ℃，绝对湿度均值约3.93～6.59 g/m3。

2.3水汽场内温湿度分布的指向性

由热力学相关理论[15]可知，裂隙岩体内的温度总是由高的地方向低的地方传递。汽态水是指以单个水分子形式分散在裂隙中的水分，它们的运动迁移主要取决于水气分压差。因水气分压与水汽密度的大小有关，表征单位体积水汽质量大小的绝对湿度与水气分压存在严格的换算关系，即水汽迁移亦可用“绝对湿度大的地方向绝对湿度小的地方运动”加以表述。因此，在岩体温湿度均值分布图(图4～5)的基础上，对裂隙岩体水汽场内各季节的温湿度指向性进行研究。

由图4～5可知，(1)春夏两季，岩壁外部大气的温度大于岩体内部，表明该季节的裂隙岩体主要是以向内输送热量的方式为主，是岩体内部热量积累的主要时期；秋冬两季，外界大气的温度小于岩体内部，岩体内积累的热能主要以向外散失的方式为主，是裂隙岩体内部热量耗散的主要时期。(2)春夏两季，岩壁外部水汽的绝对湿度大于岩体内部，在水汽分压差的作用下，岩体内的水汽将会由绝对湿度大向绝对湿度小的地方运移，即由岩体外向岩体内运移。这表明该季节岩体内部主要以水汽积累的形式为主，是裂隙岩体内水汽补充的主要时期。(3)在秋冬季节，随着北方降水的减少，大气温度下降，岩壁外部水汽的绝对湿度小于岩体内部，水汽的迁移方向将由岩体内指向岩体外，岩体内部将主要以向外输送水汽的方式为主，是裂隙岩体内水汽耗散的主要时期。

3 水汽场内汽、液转化规律

在热力学中，汽、液、固三相物质的吸热和放热会同时存在部分液态水转化为汽态水和部分水汽转化为液态水的两种过程，若部分液态水转化为水汽的速度和数量大于水汽转化为液态水的速度和数量，就是蒸发过程；反之，就是凝结过程[18]。由于裂隙岩体受外界环境的影响，水分、热量的输入和输出是不断进行的。当岩体局部空间内的温度降低到其对应的阈值温度时，其内部水分子的凝结速率将大于其扩散的速率，水汽凝结将成为该空间汽、液转化的主导趋势。该过程中凝结的液态水将大量吸附于岩体内表面，增大岩体内水化膜的厚度，并使水化膜由厚的地方向薄的地方运移，与此同时，悬挂毛细水的高度和孔角毛细水的分布范围也相应增大。同理，当岩体局部空间内的温度增大时，其内部液态水(薄膜水、悬挂毛细水等)的蒸发速率将大于其转化速率。液态水的蒸发成为该空间汽、液转化的主导趋势，其蒸发所形成的汽态水将在水汽压的驱动下，分布于各裂隙岩体内的空隙中。

研究表明，当某局部空间内的汽态水基本达到饱和状态时(相对湿度100%)，其空间内部较容易出现凝结水产生的现象[6]。为此，笔者在根据裂隙岩体各监测点收集所得相对湿度数据的基础上，对研究区水汽场内汽、液转化所形成的凝结水区域进行划分(表3)。其结果表明：(1)在四季中，研究区裂隙岩体各监测孔内均会有凝结水产生的区域。(2)在春、夏季，裂隙岩体各监测孔内凝结水产生的范围相对较宽，凝结水的外边界约在20～50 cm，秋季裂隙岩体各监测孔内凝结水产生的范围略有收缩，凝结水的外边界约50 cm，而冬季裂隙岩体各监测孔内凝结水产生区域更加靠近岩体内部，凝结水的外边界约在200 cm。

表3 裂隙岩体各监测孔内凝结水产生区域

4 结论

(1)裂隙岩体水汽场内的温湿度分布具有宏观分带的特点，其温湿度剧烈变动带超过以往有关土体剧烈变动带的底限值。

(2)春夏季，水汽场内的温湿度由内向外呈现逐渐增大的渐变规律，为裂隙岩体内水分、热量补给的主要时期；秋冬季，水汽场内的温湿度由内向外呈现逐渐减小的相反趋势，为裂隙岩体内水分、热量耗散的主要时期。

(3)各季节的裂隙岩体内均存在汽、液转化所形成的凝结水区域，其春夏季凝结水分布范围相对较大，外边界约在20 cm，秋冬季凝结水分布范围相对较小，外边界约在50～200 cm。

本次研究主要对水汽场内温湿度分布、汽液转化机理以及凝结水分布区域进行了探讨，还未涉及其内部凝结水定量计算、生态学意义等方面的问题，后续可在此基础上开展该方面裂隙岩体水汽场的研究工作。

[1] 夏布德. 气象学[M]. 上海:上海教育出版社,2002. [Grass C. Meteorology[M]. Shanghai: Shanghai Educational Publishing House, 2002. (in Chinese)]

[2] 郭青林,王旭东,薛平,等. 敦煌莫高窟底层洞窟岩体内水汽与盐分空间分布及其关系研究[J]. 岩石力学与工程学报,2009,25(8):3769-3775. [GUO Q L, WANG X D, XUE P,etal. Spatial distribution and relationship of water vapor and salinity in Mogao grottoes[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009, 25(8):3769-3775. (in Chinese)]

[3] 万力,曹文炳,王旭升,等. 云冈石窟水汽转化特征的初步研究[J]. 工程勘察,2012,40(2):6-11. [WAN L, CAO W B, WANG X S,etal. A preliminary study on the characteristics of water vapor transformation in Yungang grottoes[J]. Engineering Investigation,2012,40(2):6-11. (in Chinese)]

[4] 黄继忠,万力,彭涛,等. 云冈石窟水分来源探查工程及若干成果[J]. 工程勘察,2012,40(2):1-5. [HUANG J Z, WAN L, PENG T,etal. Water source exploration project of Yungang grottoes and some achievements[J]. Engineering Investigation, 2012,40(2):1-5. (in Chinese)]

[5] Bonnie S D, S Lee B, Zhou J. Prediction of water vapor movement through waste rock[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2004(11):293-303.

[6] Lefebvre, Lamontagne, Wels. ARD production and water vapor transport at the Questa mine[J]. International Conference on Tailings and Mine Waste,2002(6):27-30.

[7] 王旭东,郭青林,李最雄,等. 敦煌莫高窟洞窟围岩渗透特性研究[J]. 岩土力学,2010,10(5):3139-3144. [WANG X D, GUO Q L, LI Z X,etal. Study on permeability of surrounding rocks of Mogao grottoes[J]. Rock and Soil Mechanics,2010,10(5):3139-3144. (in Chinese)]

[8] 林波,王旭东,郭青林,等. 敦煌莫高窟第108窟西壁岩体内温湿度变化规律研究[J]. 敦煌研究,2013,23(2):86-91. [LIN B, WANG X D, GUO Q L,etal. Study on changes of Mogao grottoes cave 108th west wall rock temperature and humidity in Dunhuang[J]. Dunhuang Research,2013,23(2):86-91. (in Chinese)]

[9] 杨善龙,王旭东,郭青林,等. 敦煌莫高窟崖体中水分分布初步分析[J]. 水文地质工程地质,2009,36(6):94-97. [YANG S L, WANG X D, GUO Q L,etal. Preliminary analysis of water distribution in cliff body of Dunhuang Mogao grottoes[J]. Hydrogeology amp; Engineering Geology,2009,36(6):94-97. (in Chinese)]

[10] 郭青林,王旭东,李最雄,等. 高密度电阻率法在敦煌莫高窟水汽调查中的初步应用[J]. 敦煌研究,2008(6):79-116. [GUO Q L, WANG X D, LI Z X,etal. Preliminary application of high density resistivity method in the investigation of water vapor in Mogao grottoes of Dunhuang[J]. Dunhuang Research,2008(6):79-116. (in Chinese)]

[11] 徐恒力. 环境地质学[M]. 北京:地质出版社,2009. [XU H L. Environmental geology[M]. Beijing: Geological Publishing House,2009. (in Chinese)]

[12] 邹珊刚,李继宗,苏子仪,等. 系统科学[M]. 北京：人民出版社,1987. [ZOU S G, LI J Z, SU Z Y,etal. System science[M]. Beijing:People’s Publishing House,1987. (in Chinese)]

[13] 北京地质学院水文地质教研室. 普通水文地质学[M]. 北京：中国工业出版社,1964. [The hydrogeological research room of Beijing college of geology. General hydrologic geology[M]. Beijing: China Industry Press,1964. (in Chinese)][14] 严家騄,王永春. 工程热力学[M]. 北京：高等教育出版社,2005. [YAN J L, WANG Y C. Engineering thermodynamics[M]. Beijing: Higher Education Press, 2005. (in Chinese)]

[15] 严家騄,余晓福,王永青,等. 水和水蒸气热力学性质图表[M].北京：高等教育出版社,2004. [YAN J L, YU X F, WANH Y Q,etal. Thermodynamic properties of water and steam[M].Beijing: Higher Education Press, 2004. (in Chinese)]

[16] 徐恒力,孙自永,马瑞. 植物地境及物种地境稳定层[J]. 地球科学,2004,23(8):239-246. [XU H L, SUN Z Y, MA R. Plant below-ground habitat and stable layer of plant species in habitat[J]. Earth Science, 2004,23(8):239-246. (in Chinese)]

[17] Frie D E. Thermal conduction contribution to heat transfer at contacts[J]. Thermal Conductivity, 1969(2):197-199.

[18] 崔海宁. 热力学系统理论[M]. 长春:吉林大学出版社,2009. [CUI H N. Thermodynamic system theory[M]. Changchun: Jilin University Press, 2009. (in Chinese)]

责任编辑

：张若琳

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

河南省国土资源厅地质矿产科技攻关项目(2014-20)

李华翔(1991-)，男，硕士研究生，主要从事水文地质等方面的研究。E-mail：huaxianglicug@163.com

宁立波(1966-)，男，副教授，主要从事水文地质、环境地质的教学和科研工作。E-mail：ninglibo200294@163.com