Hydrus 模型在土遗址盐害研究中的应用与展望

王家逸 夏 寅 杨 璐

（1、西北大学文化遗产学院，陕西 西安710127 2、秦始皇帝陵博物院，陕西 西安710600）

土遗址是指以土作为主要建筑材料的具有历史、文化和科学价值的古遗址，是历代保留下来的、人类进行各类活动的区域场所，是一种珍贵的文化资源[1]。我国对土遗址科学意义上的保护工作开展的较晚[2]，虽然近年来土遗址保护工作有了较大进展，但仍然存在很多不足之处，亟待土遗址保护人员的进一步研究与完善。

由于土遗址本身结构较为脆弱，受外界环境因素影响较大，所以常常遭受如盐害等各种病害的破坏。盐害是由于土遗址赋存环境的变化而引起的，当土遗址文物暴露在空气中时，土体表面的水分开始蒸发，导致土体内部的可溶盐随水分不断的向土遗址上部运移，最终富集在土遗址表面，造成盐析、粉化、裂隙、片状剥落甚至坍塌等破坏。除了露天环境下的土遗址，处于封闭半封闭环境如遗址博物馆中的土遗址同样会出现盐害现象。正因为盐害在土遗址中普遍出现，且危害性极大[3]，所以盐害研究便成为了土遗址保护中最为重要的课题之一。

Hydrus 模型是美国盐土研究中心开发的一组用于模拟土壤中水分、溶质及能量一维、二维或者三维运动的有限元计算机数值模拟模型，该系列模型在农林业灌溉与施肥、城乡绿化、土体污染治理等研究中应用十分广泛，可以准确的模拟变饱和土壤中水分、溶质、热量的时空运移及分布规律，其模拟的结果可输出为各种曲线、图形和数值以便使用，其常用的数学模型包括水分运动模型、溶质迁移模型、热量模型和根系吸附模型等[4]。该模型2000 年左右被引入我国，并逐渐得到普及应用。

Hydrus 模型主要是用来研究土壤中的水分和溶质迁移过程的，而土遗址文物的本体正是各类土壤，所以利用Hydrus 模型来研究土遗址的水盐运移规律是可行的。本文梳理了目前其在土遗址盐害研究中的应用，认为该模型在我国土遗址盐害研究中的应用尚处于起步状态，很多在土遗址盐害研究上的应用还有待挖掘。然后，重点结合模型功能对其在土遗址盐害研究中的应用进行了展望，旨在为土遗址盐害研究提供更多的思路与参考，有助于填补土遗址盐害研究的空白。

1 Hydrus 模型简介

Hydrus 目前包含1D 和2D/3D 几种模型，可模拟土壤中一维、二维和三维层次上的水盐运移、热量运移和根系吸水规律，具有综合性与全面性，解决了原来只利用相关方程进行水盐运移数值计算的计算量过大、适用面比较狭窄等问题，是目前全世界应用范围最广的水盐运移数值模拟模型。

Hydrus 水盐运移模拟模型是建立在土体水分运动基本方程、土体溶质运移基本方程及一定的初始和边界条件之上的。土壤水分运移的过程可用Richards 方程来描述，土壤的水力学参数可以通过压力膜仪法或离心机法测得土壤土水线后经参数校正后得到；土壤中溶质的运移过程用CDE（对流弥散）方程和溶质的吸附/解吸附方程来描述；同时还要结合研究区域的具体实际情况来设置初始条件和边界条件。

Hydrus 模型模拟的流程图见图1，模型参数需要自己输入，主要有土壤的容重、级配、水力学参数、溶质在水中的扩散系数和土壤的弥散度等；初始条件如初始的含盐量以及含水率需要自己设置，边界条件需在模型内选定。

图1 Hydrus 软件的模拟流程图

得到的最终模拟结果可输出为曲线和动态图形两类，Hydrus-1D 可得到一维不同深度处土壤的水盐变化曲线；Hydrus-2D/3D 可得到土壤二维平面或三维立体的水盐变化动态图形，还可在模型上选取观测点并得到观测点的水盐变化曲线。

2 Hydrus 模型在土遗址盐害研究中的应用现状

目前Hydrus 模型主要广泛应用于农业与环境科学领域，取得了很多有价值的学术成果，且模拟的精度均较高；但是目前其在土遗址盐害研究中的学术成果还比较少，国内研究者如刘小玉[5]利用Hydrus-1D 模拟了土柱高度为10m，且地下水位位于10m 处的情况下，30 年内的土壤水分动态变化，并据此认为尽管秦始皇帝陵所处区域潜水位较深，但是地下水在经过较长时间后还是会运移至土壤表层，其所携带的盐分可能会对土遗址造成破坏；西安交通大学的温赫利用Hydrus-1D 模型对表面雾化补水和砂层阻水隔盐这两种盐害防治方法的可行性进行了数值模拟探究，为针对性差异化的采取土遗址盐害防治措施提供了一定的参考。

总体来看，目前Hydrus 模型在土遗址盐害研究中的应用还处于起步阶段，公开发表的高质量学术成果寥寥无几，该模型在土遗址保护研究中的应用前景仍然十分广阔，应用潜力也还很大。

3 Hydrus 模型在土遗址盐害研究中的应用展望

3.1 为土遗址盐害的预防性保护提供参考

据相关研究，秦始皇兵马俑坑内的土遗址土体的表层已经出现了可溶或微溶性盐的富集，出现了表面粉化、层状剥落和结痂等破坏，经检测兵马俑坑的盐分总含量较高[6]；汉阳陵博物馆内的土遗址也出现了局部泛碱，减弱了土体的强度[7]。这些都说明，盐害的防治已成为土遗址博物馆需要考虑的首要问题，与其等待土遗址盐害发生之后再采取治理措施，不如在准确了解土遗址水盐运移规律的基础上，提前采取有针对性的措施进行预防性保护。

以往研究土遗址水分及溶质的迁移多是利用传感器、XRD、离子色谱仪、SEM等仪器进行短时间、非连续、点状的测量或分析，如黄四平、李玉虎等人[8]利用XRD 分析法、烘干法、SEM 等测定了土遗址模拟坑中很多部位土体的水分含量、可溶盐含量及类型，认为可溶盐会在水分的携带下，沿竖直和水平方向不断地向遗址表面迁移, 最后在土壤表层富集并造成破坏，该研究为土遗址的盐害治理提供了一定依据；兰州大学的陈雨[9]利用离子色谱仪对制作的含水率和含盐量各异的土样进行土遗址水盐运移室内实验，研究了土样在不同条件下的盐分迁移行为；黄四平、赵岗等人[10]对采集的唐皇城含光门土遗址盐害土样进行土壤含水率、酸碱度、电导率以及成分分析，探索了东西展厅的微溶- 可溶盐的主要类别，并认为土遗址各个部位的含盐量与水分的运移密切相关。

以往的研究一般都是利用一定的采样方法，以点状采样的方式对已经发生盐害的土遗址区域进行研究，或是在室内进行小范围的模拟实验，以研究土遗址可能的水盐运移规律，但是对于各类形态复杂的土遗址则缺乏从整体上把握其水分和溶质迁移的手段，所以如果要对现实中的各类土遗址进行盐害的预防性保护，以往的各类手段所能提供的参考意义不大；同时，在土遗址内部埋设传感器或采集土样时可能会对土遗址本体造成破坏，对于一些体积较小的土遗址则一般不选择在其内部埋设传感器，所以无法得知其内部的水盐运移状况；而Hydrus模型则能够从一维、二维、三维三个层次上对各类形态土遗址未来的水分和溶质运移进行数值模拟，并利用模拟的结果把握未来盐害的可能发生区域、可能发生时间等，以确定适当的干预手段、干预时间以及干预区域，可为制定合理的预防性保护方案提供有力的参考支撑。同时可以在模型体内部设置观测点，不必破坏土体就可以了解土遗址内部某处的水盐运移情况。最后，还可结合安全含盐量研究显示的土遗址安全含盐量范围，利用Hydrus 模型的模拟结果找到可能达到盐害破坏临界值的时间和区域，在达到盐害临界值之前采取一定的措施，以防止土遗址表面严重盐害的发生。

3.2 为土遗址除盐措施提供参考

由于补充水分可以维持土遗址土体含水率的稳定，防止盐分在表层的富集，同时补充的水分可以携带盐分向下运移，减轻盐分富集的危害，所以可在Hydrus 模型中将补水措施视为降水条件，设置不同的补水量和补水时间，得到模拟结果后，比较补水条件和不补水条件下土遗址表面盐分的富集程度差异，以及补水量和补水时间对盐分富集的影响，探究补水处理对于土遗址盐害的治理效果。同时，还可以在预测蒸发速率的Penman-Monteith 公式的设置中，输入多组温湿度数据，然后将得到的蒸发量输入Hydrus 模型中，进行水盐运移数值模拟，比较其与实际温湿度保存环境下土遗址盐分富集情况的差别，以探寻在控制土遗址保存环境的条件下, 有利于减轻土遗址盐害发生的合适的温湿度环境。

此外，张金风[3]提出可以利用牺牲土层法实现对土遗址表面可溶盐的去除，具体原理是利用毛细作用使盐分从土遗址表面转移到牺牲土层，最后再清除牺牲土层，完成盐分的去除。Hydrus 模型可以模拟不同种类土壤在叠压或者其他耦合条件下的水盐运移情况，可以利用这一功能预测牺牲土层法等措施的有效性，并对牺牲土层的土壤容重、铺设区域、铺设厚度等条件进行深入探究，该方法较模拟实验法更为便捷，同时也可以跟实验法得到的结果互相比较验证。

3.3 与三维扫描技术的结合

随着高新科技的发展，地面三维扫描技术得到了广泛的应用，其原理是利用激光发射与接收装置获得静态物体的三维点阵数据，然后经降噪、平滑、建模和纹理映射等一系列处理获得物体的三维模型[11]。目前我国土遗址的三维建模工作已开展的十分广泛，积累了大量的三维模型素材，如目前已利用三维扫描技术得到了宁夏中卫姚滩段长城四方墩的三维扫描图[12]；嘉峪关世界文化遗产监测中心与嘉峪关长城博物馆将使用激光三维扫描设备以固定频率对嘉峪关长城第一墩进行三维扫描建模，实现对其形变或风化损害的连续精准监测[13]；秦始皇帝陵博物院也计划使用三维扫描技术实现对秦陵土遗址文物形态变化的监测。

Hydrus 模型中需要对研究区域进行建模才可进行水盐运移规律的研究，由于Hydrus-1D 模型模拟的是一维方向上的土壤水盐运移，所以与建模精细度之间的关联不大，但是Hydrus-2D/3D 软件则是要建立土遗址的二维平面图形或者三维模型体，建模的精细度决定了研究区域水盐运移数值模拟的准确度，所以在利用Hydrus-2D/3D 模型建立所研究土遗址区域的模型时，可以先将三维扫描的数据保存为.dxf 格式，然后在工具栏中选择直接导入该扫描文件作为水盐运移数值模拟的模型，这样就可以更为精确的把握所研究土遗址区域的水盐运移过程，为采取相应的盐害防治措施提供更有价值的参考。

3.4 研究植物根系对土遗址盐害的影响

很多露天土遗址上面常生长有繁茂的杂草、乔、灌木等植物，这些植物的根系大多生长的很发达，以适应这种干旱的夯土生长环境。虽然植物根系对土壤有水土保持作用，但是其破坏作用要更甚于保护作用，一方面这些植物生长产生的根劈作用会使得土遗址的裂隙不断发展，增加了土遗址的坍塌风险；另一方面根系的生长会导致土遗址土体化学组成的改变，影响盐分在土体中的富集，造成泛碱等破坏，加速土遗址的风化[14]。目前的研究多集中在植物根系生长对土遗址造成的物理性破坏或一定的保护作用上面，而定性定量的研究植物根系对土遗址水盐运移的影响这方面则尚属空白，Hydrus 模型中具有植物根系吸水模块，对于一些有植被覆盖的露天土遗址，如甘肃定西秦长城遗址、西安阿房宫内的部分夯土遗址等，可以采用Hydrus 模型中的根系吸水模型研究植物根系对土遗址水盐运移及盐害的影响。

3.5 研究土壤性质对土遗址盐害的影响

土壤的性质对土遗址的水盐运移具有很大影响，而Hydrus模型在模拟土遗址的水盐运移时，需要设置研究区域的土壤性质，如在Rosetta Lite 模块中输入研究区域土壤的容重、粘粒、砂粒、粉粒含量以拟合研究区域土壤的水力学参数，以及在溶质运移参数模块输入土壤的容重和弥散度等，这样就可以得到所需的特定性质的土壤。因此，可在模型中改变土壤性质如容重、级配等，然后进行多组土壤水盐运移模拟，以探究不同性质的土壤对土遗址盐害发生的影响。其优势是能模拟很多组不同性质土壤的盐害发生情况，同时还可以与模拟实验的结果进行对比验证，以得出更准确的结论。

3.6 附加模块在土遗址盐害研究中的应用

土遗址内部的可溶盐包含有多种溶质离子，不同离子形成的可溶盐对土遗址的危害性也是有差异的，而Hydrus 模型附加模块中的Unsatchem-2D 模块可在考虑发生离子交换反应的条件下，对土遗址中可能存在的多种不同溶质离子的运移同时进行数值模拟，以更精准的确定土遗址中不同溶质离子的运移与分布规律，以及不同溶质离子可能造成的危害大小等，为土遗址表面可溶盐的针对性差异化处理提供数据参考。

目前潮湿地区的遗址保护仍然存在很多突出问题，研究和保护工作都开展的比较少[15]，新技术的应用也很缺乏，Hydrus 模型中的Wetland-2D 模块是人工湿地模块，可将某些南方潮湿环境下的土遗址与湿地环境类比，研究其内部的水分、溶质运移，为研究南方潮湿地区的土遗址盐害研究及保护工作提供基础。

4 结论

土遗址是反映我国悠久历史与灿烂文化的重要实物载体，然而出于各种原因，各类土遗址正不断遭受着盐害等风化作用的破坏，需要引入更多的土遗址盐害研究手段。本文介绍了Hydrus 模型的基本信息及功能，梳理了其目前在土遗址盐害研究中的应用情况，认为目前Hydrus 模型在土遗址盐害研究中的应用还处于起步阶段，公开发表的高质量学术成果很少，该模型在土遗址盐害研究领域的应用前景还很广阔，且对于土遗址的盐害研究具有重要意义。重点结合模型功能，从利用Hydrus模型为土遗址盐害的预防性保护提供参考、为土遗址除盐措施提供参考、与三维扫描技术相结合、研究植物根系对土遗址盐害的影响、研究土壤性质对土遗址盐害的影响、附加模块在土遗址盐害研究中的应用等6 个方面对其在土遗址盐害研究中的深入应用进行了展望，旨在为土遗址盐害研究提供更多的新思路与新参考，同时也有助于填补土遗址盐害研究的空白。