ISSN：1005-1538 CN：31-1652
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密闭环境下地下水分变化对唐皇城墙含光门土遗址的影响研究

  • 黄四平1

    机 构：

    1. 咸阳师范学院化学与化工学院,陕西咸阳 712000

    ×
  • ， 高衡2

    机 构：

    2. 西安城墙管理委员会,陕西西安 710061

    ×

1. 咸阳师范学院化学与化工学院,陕西咸阳 712000；
2. 西安城墙管理委员会,陕西西安 710061；

Study of the influence of groundwater changes on the earthen site of Xi’an Tang Hanguang Gate Museum in a closed environment

  • HUANG Siping1

    Affiliation：

    1. College of Chemistry and Chemical Engineering, Xianyang Normal University, Xianyang 712000 , China

    ×
  • ， GAO Heng2

    Affiliation：

    2. Xi’an City Wall Management Committee, Xi’an 710061 , China

    ×

1. College of Chemistry and Chemical Engineering, Xianyang Normal University, Xianyang 712000 , China；
2. Xi’an City Wall Management Committee, Xi’an 710061 , China；

作者简介:

黄四平(1971—),男,2011年博士毕业于陕西师范大学化学与材料科学学院,研究方向为土遗址保护,E-mail:huangsiping1971@163.com

中图分类号:K878.6

文献标识码:A

文章编号:1005-1538(2022)04-0097-08

DOI:10.16334/j.cnki.cn31-1652/k.20180401186

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目录contents

    摘要

    含光门土遗址属于室内土遗址,通过对土遗址病害、博物馆内温湿度、不同深度含水率长期监测及土样渗透系数、硬度测量发现,在相对密闭环境中,含光门土遗址在冬春季泛碱、剥落及春季严重霉菌等病害反复发生与遗址水分“单向蒸发”周期性变化有关;周围草坪浇水、降雨、城市排水渗漏向遗址内部渗流引起土遗址管涌的直接破坏。分析了地下水分变化引起含光门土遗址病害的原因,提出了在博物馆两侧设置隔水墙为主要措施,防止周围地下水渗流对土遗址的直接破坏作用,保持博物馆内恒温恒湿,防止地下水的“剧烈”变化引起的劣化影响。本研究可为含光门土遗址保护提供参考。

    Abstract

    Based on long-term monitoring of the diseases of the earthen site, temperatures and humidity in the museum, water contents at different depths, and also on measurement of the permeability coefficients and hardness of soil samples, it is found that the repeated occurrence of flooding, spalling and serious mould in winter and spring is related to the periodic change of moisture in soil by the “unidirectional evaporation” in a relatively closed environment, and that the direct damage of piping in the earthen site is caused by the seepage due to lawn watering, rainfall and urban drainage into the site. The mechanism of soil damage caused by groundwater changes was analyzed and primary measures to prevent drastic groundwater changes of the earthen site were advanced. This study aims to provide a reference for the conservation of the earthen site of Xi’an Tang Hanguang Gate Museum.

  • 0 引言

  • 博物馆环境下,水分的蒸发-干化是遗址病害产生的主要原因[1-2]。在文物保护领域,遗址博物馆密闭环境下土体水分“单向蒸发”的概念是陕西省文物保护研究院的马涛教授和白崇斌研究员首先提出的,主要是为解决汉阳陵博物馆密闭环境下水分场的重新分布及对汉阳陵土遗址、陶俑及其它文物的影响[3]。随后,这方面的研究不断开展,王思嘉等[4]以杭州萧山跨湖桥遗址博物馆为例,分析了水分的单向迁移和蒸发是室内土遗址产生各种病害的主要原因,并利用人工“气-液相相变补水”原理,试验了控制和维持室内土遗址水分平衡的新方法。戎岩[5]分析了密闭墓室环境下壁画水分单向蒸发引起的盐分运移对壁画造成的破坏。夏寅等[6]研究了博物馆建筑保护下,可溶盐和霉菌对遗址的危害,这些危害的根源主要在于水分单向蒸发、土质、温度和空气污染等。在有上层覆盖(或建筑物)的情况下,对于水分迁移-蒸发的规律,Jackson通过实验发现,非饱和土中水分迁移的主要方式为蒸汽扩散[7],Dobchuk等试验了影响气态水迁移主要因素,干密度、孔隙率及扩散系数[8-9]。

  • 这些研究对水汽迁移及水分重新分布起到了重要的指导意义。但是水分“单向蒸发”对博物馆里的土遗址水分迁移及分布研究仍然相对较少。本研究针对唐皇城墙含光门遗址博物馆的土遗址,调查了缓慢的水分“单向蒸发”周期性变化及暴雨、博物馆外围浇花引起地下水分“剧烈变化”有关的病害,分析了其产生的原因,提出了防治含光门遗址水分“单向蒸发”及地下水“剧变”的主要措施。

  • 1 含光门土遗址的概况

  • 唐皇城含光门遗址博物馆位于陕西省西安市明城墙的西南角,是西安古城墙的有机组成部分,它始建于隋文帝开皇二年,有着悠久的历史,也是迄今为止保存最好的唐代城门遗址。含光门遗址博物馆的整个遗址建筑顶部和四周都是用防水材料处理过的砖结构,该处的土遗址属于室内土遗址。土遗址主要分布于东展厅和西展厅:东展厅由三个门道遗址组成,以纯净的黄土版筑而成,整个门道总体呈长方形,东西长37.4m,南北宽19.6m,东部保存最高处8.2m(图1);西展厅(图2)由五期断面遗址和地下的过水涵洞组成,保留完好五期断面土遗址的结构复杂,在这个“断层”上可以看到,从宋、元、明、清到近现代每个时代留下的印记。这一段面,形状为上小下大的梯形,外侧高13m,内侧高12m,底部宽20.5m,顶宽14.8m。

  • 图1 含光门门道遗址中的门墩和门道

  • Fig.1 Gate pier and doorway of the site of Hanguang Gate

  • 图2 含光门五期断面遗址

  • Fig.2 Section in five eras of the site of Hanguang Gate

  • 2 地下水引起含光门土遗址的病害特征

  • 2.1 地下水“单向蒸发”周期性变化引起的遗址病害

  • 1)泛碱、剥落病害的发生

  • 含光门遗址地面及墙体在每年的3~6月份常常局部析出白色盐粉,这种现象被称为“泛碱”[10-11]。大量出现的泛碱现象不但大大影响土遗址的整体美感,而且会降低夯土的力学强度造成脱落、粉化等病害(图3~4),甚至对墙体的稳定性和安全性都造成威胁。

  • 2)霉菌病害复发

  • 含光门遗址地面及走廊下侧壁的局部,在每年的3~6月份,常出现霉菌病害(图5~6)。霉菌通过生物腐蚀作用破坏土遗址,表面大量繁殖产生使土遗址表面颜色改变明显。

  • 图3 五期断面地面底部泛碱与粉化脱落

  • Fig.3 Efflorescence and falling off at the bottom of the section in five eras of the site of Hanguang Gate

  • 图4 东门道南遗址地面空鼓和剥落

  • Fig.4 Hollowing and flaking off on the surface of the south side of the east doorway

  • 图5 含光门西门道的中东部新出霉菌

  • Fig.5 New mold in the middle and east of the west doorway of the site of Hanguang Gate

  • 图6 含光门西门道南部新出霉菌

  • Fig.6 New mold in the south of the west doorway of the site of Hanguang Gate

  • 2.2 地下水分“突变”引起对遗址病害

  • 地下水分“突变”主要包括遗址外围经常性但不定期的草坪浇水、夏秋季节的大降雨、城市排水渗漏向遗址内部渗流,这种渗流包括缓慢渗流和管涌。缓慢渗流是遗址外围草坪经常性浇水、夏季降雨形成的高水头(草坪及周围路面比遗址地面高约1.7m),在高的水压力作用下缓慢向含水率较低的遗址内部渗流,形成雨后一段时间遗址含水率增大,水分蒸发作用加强,博物馆馆内很长一段时间内空气湿度增大,在博物馆加强通风后,湿度逐步降低至室外湿度,遗址局部出现裂隙病害和霉菌病害的发生(图7)。在西安市2016年7月24日,据市城市防汛办雨量监测点统计,含光门历史博物馆监测点小时降雨量达55.5mm,累计降雨量为96.9mm,接近西安市1954年以来最高纪录116.0mm,全市降雨达到大暴雨量级。大雨造成含光门北广场被水淹没,其北广场水深1.0m左右。在东侧展馆内发现管涌2处(图8),遗址内部涌入了大量的雨水,造成博物馆直接关闭2周,并在遗址表面形成大量的片状起翘等病害。

  • 图7 含光门西门道南部裂隙病害

  • Fig.7 Cracking disease in the south of the west doorway of the site of Hanguang Gate

  • 图8 西门道管涌进水病害

  • Fig.8 Piping and inflowing diseases of the west doorway of the site of Hanguang Gate

  • 3 含光门遗址大气、遗址本体环境特点监测与分析

  • 为了弄清这些病害发生的真实原因及主要影响因素,监测了唐皇城墙含光门博物馆内土遗址表面空气的温湿度月平均变化及收集了博物馆外空气温湿度的月平均变化,遗址土体的不同深度硬度、渗透系数及含水率变化情况。

  • 3.1 温湿度监测

  • 监测并收集了2016年、2017年含光门遗址博物馆内温湿度的月平均变化(图9),其中室内温湿度测试是记录每天9点至10点遗址表面放置的温湿度表的温湿度为准;室外温湿度通过查阅西安地区年鉴获得的月平均温湿度。从图9可知,室内遗址表面气体温湿度与室外温湿度变化趋势基本相同,但是室内温湿度变化幅度较小,而室外温湿度变化显著;其中每年6~10月,室内温度低于室外温度,两者温度都在20℃以上,11月到第二年5月,室内温度高于室外温度,其中室内月平均温度升温较快的月份是2~6月,降温较快的月份是9~11月;湿度是从7~12月,湿度相对较高;1~7月湿度相对较低,室内月平均相对湿度升高较快的月份是2~4月,湿度降低较快的月份是10月到第二年1月。

  • 图9 含光门博物馆内外气温及湿度月平均变化

  • Fig.9 Monthly mean changes of temperatures and humidity inside and outside the site of Hanguang Gate

  • 3.2 土壤硬度

  • 2015年3月20日对含光门遗址西门道进行了硬度测试。测试方法:土壤硬度计法;测试仪器:SHM-1型土壤硬度计(日本)。

  • 通过图10的硬度变化曲线可以知,东展厅遗址,在距离遗址表面20cm处,硬度发生急剧的变化,深度在20cm以内,越接近地面硬度越高,最大值为30kg·cm-2,而深度超过20cm,土体强度维持在一个较低是水平。进一步说明,在西门道遗址的表面经过了人工夯筑处理,形成了较薄的密实层。

  • 图10 西门道北不同深度土壤硬度变化曲线

  • Fig.10 Curve of soil hardness at different depths in the north of the west doorway of the site of Hanguang Gate

  • 3.3 土壤渗透系数

  • 不同地层土的原位注水试验是测定土体渗透系数的一种试验方法。在试验过程中,试验水头逐渐下降,最后趋近于零,根据渗水量与时间的关系,计算试验土层的渗透系数。通过前期局部勘探发现,西门道土层的上层为约0.5m纯净黄土层,中层为约2.5m的杂填土,下层为纯净黄土。主要分布在东展厅南部门道外非遗迹处,根据注水试验的地层分为杂填土和黄土。

  • 由图11可知,杂填土1和杂填土2在不同时段的渗透系数基本相等,说明原位注水试验较为准确地测定了杂填土在不同时段下的渗透系数。杂填土的渗透系数总体随着注水时间的延长逐渐减小,减小幅度并不大,土的渗透系数基本在10-4cm/s。黄土1和黄土2在不同时段的渗透系数相差不大,两个点位的变化规律类似,随着注水时间的延长土的渗透系数逐渐减小。黄土1和黄土2是在地下5.0m处进行的原位注水试验,渗透系数基本在10-5cm/s。

  • 杂填土和黄土在不同时段下的渗透系数变化规律类似,总体变化幅度较小,并趋于稳定。杂填土的渗透系数比黄土的渗透系数高一个数量级,这是杂填土中砖块和碎石形成较多孔隙造成的。

  • 图11 杂填土和黄土在不同时段下的渗透系数

  • Fig.11 Permeability coefficients of mixed fill and pure loess in different periods

  • 3.4 含光门遗址西门道含水率测试与监测

  • 测试方法:现场酒精燃烧法测含水量和埋设水分测试仪相结合的方法。

  • 通过图12~14可知,随深度增加,含水率不断增加。从图12可知,遗址表面含水率的11.2%,增加到27.3%。但是在深度0.2~0.3m处含水率有一个增加,从表面的含水率11.2%增大到14.3%,然后在0.5~0.6m处又降低为13.7%,最后随深度增加,含水率不断增大。从图13可知,在9月份的高温潮湿季节,随距离遗址表面深度减小,遗址土壤含水率由28%逐渐降低到遗址表面的13.1%。从图14可知,在冬春季节的12月到第二年的6月,地下5m、2m的含水率较低,遗址表面的含水率也较低,遗址表面较为干燥,而在夏秋季节的6月到11月,由于外界温度升高,降雨增多,地下5m、2m的含水率较高,遗址表面含水率也较高,甚至达到了14.5%。从监测数据可知,当外界降雨较大或持续的时间较长,在随后的一段时间内,遗址土壤的含水率就会相应增大。

  • 图12 西门道北不同深度含水率变化曲线(2015.3.20)

  • Fig.12 Curve of moisture contents at different depths in the north of the west doorway of the site of Hanguang Gate

  • 图13 西门道南不同深度含水率变化曲线(2017.9.15)

  • Fig.13 Curve of moisture contents at different depths in the south of the west doorway of the site of Hanguang Gate

  • 图14 含光门西展厅五期断面北侧不同深度含水率年变化测试

  • Fig.14 Annual changes of moisture contents at different depths in the north of the section in five eras of the site of Hanguang Gate

  • 4 含光门土遗址主要病害的形成原因与主要影响因素

  • 4.1 泛碱病害形成原因

  • 不同部位含盐量与水分的运移密切相关,特别是在冬春季节,遗址内部水分的单向蒸发相比其它季节“剧烈”,是泛碱病害、空鼓病害发生的主要时期。这是因为在冬春季节的12月到第二年6月份,一方面,博物馆内空气温度也较遗址土体温度高,能够为水蒸气的蒸发提供持续能量;第二,博物馆内温度高于室外温度,在室内外绝对湿度相同的情况下,博物馆内空气相对湿度较小,也就是空气相对比较干燥,平均在55%~70%之间,同时室外温度、风等外界环境变化剧烈,因而蒸发作用较强;第三,冬春季,地下水位埋深较大,距离遗址表面在8.1~8.7m之间,表面浅表层水分的单向蒸发,水势降低、吸力增大,水分由水势高的水分丰富的底层向水势低的含水率低的遗址表面层运动。这时遗址内部附着水和地下毛细水向遗址表面迁移,带动盐分同时向遗址表面运移。遗址表面向博物馆空气蒸发速率大于遗址内部地下水分向遗址表面的补水,盐分在遗址表面累积,导致遗址表面局部出现反复泛碱及局部脱落等盐害发生。而在夏秋季节的6月到11月,外界持续高温,室内温度低于室外温度,则博物馆内相对湿度较大,在70%~85%之间,有时甚至达88%,因而蒸发相对较慢。同时,在夏秋季节,地下水位埋深较浅,在7.5~8.1m,地下水分容易补充因表面蒸发而损失的水分,遗址表面容易与博物馆内高湿空气达到稳定平衡,遗址表面能够持续保持较高的含水率,因而泛碱病害较少发生。

  • 这种遗址内部的水分“单向蒸发”效应,在冬季春节,这种蒸发较为剧烈,土遗址中的泛碱病害频发;夏秋季节,博物馆内空气湿度相对大,且较为恒定,土遗址表面含水率也基本保持较大,因而土遗址的泛碱病害发生较少。

  • 4.2 霉菌病害形成原因

  • 霉菌病害的产生,主要与霉菌孢子、环境温湿度、土壤有机质有很大关系。霉菌孢子在空气中始终存在,在每年的3~6月份,随着外部气温的回升,博物馆内温度也在升高,但是博物馆内温度仍然高于室外温度,维持在15~25℃之间,同时地下水位也慢慢上升,地下毛细水、自由水及水汽分别向上移动,单向蒸发加快,使得遗址地面一定深度范围内湿度增加,遗址周围空气湿度增加,又因为含光门遗址为室内遗址,形成了较为封闭的密闭环境,遗址蒸发的湿空气不能及时排出室外,博物馆内空气中的相对湿度较室外大,遗址表面空气相对湿度甚至达到80%。而霉菌生长和繁殖的最适宜的温度为20~35℃,相对湿度为75%~95%[12-13],达到了霉菌生长和繁殖的适宜温湿度,因此,遗址地下水汽上升的年周期反复活动,导致含光门遗址室内空气含水率的反复年周期变化、在温度等环境条件适宜的状况下,导致霉菌病害反复滋生。

  • 4.3 地下水渗流形成病害原因

  • 含光门遗址水分的渗流形成示意图(图15)。地下水的缓慢渗流主要是由于含光门遗址北广场的绿化带面积较大,分布范围广,对含光门遗址形成了半包围布局。在平时的降雨或不定期的花坛浇水过程中会赋存大量的水分,形成高水头水分,这些水分一小部分会蒸发带走,其它绝大部分水分因地下杂填土渗透性强(图10~11)而慢慢向四周低水位处渗流,又因为北广场全部为混凝土硬化路面,而且还做了灰土夯土层处理,博物馆内部的土遗址展览区没有做防水处理,在地下水渗流到博物馆内时,一部分继续向南广场低水位处渗流,另一部分水蒸气则会沿土遗址向上方运动,到达遗址表层,如果遇到硬度较大,密实度大的表面夯土层,阻止了水蒸气的进一步上升,水蒸气在此凝结,形成含水率较大的区域,含水率达到了14.3%(图12);如果表层没有密实的、硬度较大的夯土层,则水汽直接从遗址表面逸出(图13),加大了“单向蒸发效应”,形成典型的“单向蒸发”效应。这种“单向蒸发”的水分导致遗址博物馆遗址坑的四角处空气流通性差,含水率大,在夏季容易出现霉菌病害及土体强度低。

  • 图15 含光门遗址水分渗流形成示意图

  • Fig.15 Schematic diagram of water seepage of the site of Hanguang Gate

  • 地下水剧烈渗流,甚至造成管涌病害,主要是因北广场的污水井及雨水井的管道是用砖箍而成,呈半圆形。管道顶部距离遗址地面仅仅约1.75~2.0m,由于年久失修,内部有破损,下部有淤泥。在外界暴雨或大降雨的情况下,水分排水不畅,从破损处溢出,在外边杂填土中渗流。2016年7月的大暴雨,北广场积水水面高于北广场地面1.0m以上,更高于遗址地面约2.5m以上,较大的水压使得水分从博物馆内遗址地面喷涌而出,形成管涌,对遗址造成破坏。

  • 5 结论

  • 密闭环境条件下水分在土遗址内的“单向蒸发”是自然规律,要想制止水分“单向蒸发”是不现实的,也是不必要的,但是采取各种手段,保持遗址周围微环境的稳定性是重要的[14-15]。

  • 1)地下水分缓慢“单向蒸发”周期性是影响含光门土遗址病害的经常性因素,也是主要因素。水分“单向蒸发”周期性变化的因素较多,其中博物馆内温度和湿度与室外温度和湿度的差异,及博物馆内温度与遗址土体水分之间的温度差是形成了“单向蒸发”发生的主要驱动力之一。冬春季节,密闭环境博物馆遗址水分蒸发较为“剧烈”,是遗址各种病害发生的高峰季节,因此,要保存遗址内温湿度的恒定,并与外界保持相对的恒定和相对的变化规律的一致性。建议在冬春季节,通过博物馆里空调系统的长期工作,同时控制游客数量,保持博物馆里空气始终处于恒温恒湿状态,降低水分在遗址内的蒸发。

  • 2)在密闭环境下博物馆水分单向蒸发中,水分来源是影响水分蒸发的重要因素之一,保持遗址一定的含水率是必要的,但是不能形成“突然”的含水率增大。通常情况下,遗址内部含水率的变化主要与地下水分渗流和地下水位变化相关。建议在冬春季节,水分单向蒸发较快的季节,增加博物馆内空气的湿度,减小蒸发。

  • 3)地下水含量“突变”,水分“单向蒸发”就会发生“剧变”,影响遗址的安全。唐皇城墙含光门遗址博物馆由于南北广场的水泥硬化处理,以及地下水埋深较浅、草坪的日常浇灌和地下排水管道通过遗址区,形成了地下水分渗流“剧变”的水分来源,在防治措施中应采取一定措施,如在遗址两侧修建隔水墙,阻止水分过量补给,这也是防治的主要措施之一;特别是排水不畅造成的管涌破坏,这是影响遗址安全的危险因素。检测和监测排水排污管道是否存在渗漏的情况,如有可能,对管道进行改换路径。

  • 4)在土遗址保护中,增强土遗址的抗水性能,抵抗其它病害的能力。建议加固剂的选择上,应着重注意加固剂加固土遗址后的透气性,保持加固后的土遗址能与外界之间保持良好的物质和能量交换[16],避免因在表层形成不透气的加固层而导致遗址内部和外部不能进行正常的物质和能量的交换,对土遗址造成更大的破坏。

  • 参考文献

    • [1] 马涛,王展,纪娟,等.南方典型遗址博物馆文物病害与环境的关联研究[J].文博,2015(4):71-77,112.MA Tao,WANG Zhan,JI Juan,et al.A study on the relationship between cultural relics diseases and the environment in typical southern site museums[J].Relics and Museology,2015(4):71-77,112.

    • [2] 吴士杰.土遗址博物馆遗址保护厅适宜温湿度参数研究[D].西安:西安建筑科科技大学,2013.WU Shijie.Research of appropriate temperature and humidity parameters of the soil ruins protection hall of museum[D].Xi’an:Xi’an University of Achitecture and Technology,2013.

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  • 基本信息

    中图分类号: K878.6
    文献标识码: A
    DOI: 10.16334/j.cnki.cn31-1652/k.20180401186
    文章编号: 1005-1538(2022)04-0097-08

    基金信息

    陕西省科技厅项目资助(2014JM2-5062)；
    陕西省教育厅重点科学研究计划资助(17JZ080)；
    陕西省教育厅科研计划重点项目 (20JZ100)；

    引用信息

    稿件历史

    收稿日期: 2018-04-11

  • 参考文献

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    • [13] 李立法,陈思,李哲,等.浅析民用建筑中墙体发霉机理与防治方法[J].民营科技,2016(4):158.LI Lifa,CHEN Si,LI Zhe,et al.Analysis on the mechanism and prevention method of wall mildew in civil buildings[J].Private Science and Technology,2016(4):158.

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