非饱和黄土水分蒸发温度效应试验研究

张映梅 夏琼 王旭

摘 要：为进一步掌握西北干旱地区非饱和黄土水分蒸发规律，进行不同環境温度下非饱和黄土水分室内模拟蒸发试验，探讨蒸发过程中土体含水率变化、温度对蒸发速率及累计蒸发量的影响。结果表明：随蒸发时间的延长，土体含水率日改变率逐渐减小;环境温度对土体含水率的影响与土体深度范围、蒸发时段均有关，相同的升温值导致土体含水率的变化量是不相等的，不同的温度范围内土体含水率敏感变化深度不同;环境温度与室温接近时，土体每天的蒸发速率随时间延长没有明显变化，但当环境温度高于室温一定值时，土体每天蒸发速率随时间呈递减状态;环境温度一定时，气候模拟箱自身的冷凝作用使得非饱和土体累计蒸发量随蒸发时长呈波动增加趋势。

关键词：非饱和黄土：温度;含水率;蒸发速率;累计算蒸发量

中图分类号：TU444 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.05.030

Abstract： In order to further understand the law of water evaporation of unsaturated loess in the arid area of Northwest China. Based on the indoor model test， the water evaporation experiments of unsaturated loess under different ambient temperatures were carried out. The effects of soil moisture content and temperature on evaporation rate and cumulative evaporation were discussed. The results show that with the extension of evaporation time， the diurnal change of soil moisture content is decreased gradually. The influence of environmental temperature to the soil moisture content is related with the depth range of soil sample， evaporation stage and reference temperature. The same temperature increase results in different moisture changes， and different temperature ranges correspond to different depth ranges in which the soil moisture content is changed sensitively. When the environmental temperature is close to the indoor temperature， the evaporation rate develops with time without obvious fluctuation， but the evaporation rate is fluctuated and decreased with time obviously when the environmental temperature is higher than the indoor temperature to a certain extent.

Key words： unsaturated loess; temperature; moisture content; evaporation rate; cumulative evaporation

我国黄土主要分布在弱降雨、强蒸发的干旱与半干旱地区，地下水位埋藏较深，因此该地区黄土大多处于非饱和状态。降雨入渗和蒸发作用使得土体内水分发生动态变化，进而使得土体结构、强度、承载力及渗透性等发生改变，经常引发一系列岩土工程问题。工程实践发现，反复的干湿循环会引起边坡土体开裂、地基收缩，进而导致边坡失稳、地基沉降、建筑物发生倾斜开裂等[1-2]。现有的关于土体水分蒸发方面的研究侧重于土壤学、农学和气象学等学科，但由于研究背景和目的的不同，其相关成果很难直接应用于岩土工程领域。随着“一带一路”倡议的持续推进，西北地区的工程建设将进一步加快，因此针对西北干旱与半干旱地区黄土进行特定环境下的土体蒸发研究，可为该地区黄土土工结构物水分变化及其引起的应力应变等分析和预测提供依据。

近年来，国内学者王铁行等[3-5]通过室内试验和数值模拟，研究了不同干密度、含水率和温度影响下黄土土水特征曲线;刘小军等[6]在等温条件下研究了非饱和黄土中的气态、液态水迁移规律;腾继东等[7]通过理论推导和试验分析探讨了风速影响下土体水分运移规律;唐朝生等[8]通过室内试验探讨了土体水分蒸发运动过程的变化规律;吴珺华等[9]通过数值模拟计算，获得了蒸发条件下膨胀土内部水分分布特征和变化规律。但是，这些研究仅在试验、模拟角度考虑单因素条件下土体水分迁移规律，没有考虑昼夜温差较大时，大气中的水气在温度较低的夜晚会冷凝形成冷凝水，滴落在土体表面，从而对土体水分迁移的影响，因此很难指导大气环境中土体水分运移规律研究。此外，近些年来在西北黄土高原旱区绿化和边坡土体植被防护，以及工程防护中，与土体水分迁移及其有关的岩土工程问题比较严峻[10]。为进一步掌握西北干旱地区非饱和黄土水分蒸发规律，开展大气作用下非饱和黄土水分蒸发试验很有必要。鉴于大气环境中影响因素较多，笔者采用控制变量法研究环境温度对土体水分蒸发的影响，以期为黄土地区蒸发引起的工程病害和机制分析提供理论支撑。

1 试验材料与方法

1.1 试验土样

試验用土为兰州地区非饱和黄土，其基本物理力学性质见表1。

1.2 试验仪器

试验仪器为智能人工气候模拟箱，见图1。试验采用控制变量法将湿度、风速和光照等级设为定值（湿度50%，风速2 m/s，光照度22 000 lx），通过控制不同的环境温度（控温精度0.1 ℃），研究大气作用下环境温度对土体水分蒸发的影响。

1.3 试验步骤

（1）将原状黄土试样风干粉碎，过2 mm筛孔，按相关试验要求将初始含水率配置为15%，并用塑料布覆盖静置48 h以上，保证土体中水分扩散均匀。

（2）试验土体在直径16 cm、高21 cm的PVC桶中制备，桶内每层填土厚度为2 cm，压实度控制为0.8。相邻两层填土的界面用小刀刮毛，使上下层土体充分接触。

（3）土体装完后，在其底部和侧壁用保温材料包裹，顶面敞开，使土体在试验过程中只有顶面可与外界接触，其他部位与外界没有水分、热量交换，保证桶内土体处于一维蒸发状态。

（4）将制备好的试样桶和电子称（精度0.01 g）一起放入智能人工气候模拟箱，研究不同蒸发时长下土体水分变化规律。

1.4 试验方案与过程控制

试验共配置4组试样，分别置于25、30、35、40 ℃的气候模拟箱中进行蒸发试验。其他控制条件相同，即湿度为50%，风速为2 m/s，光照度为22 000 lx。试验期间每天9：00打开机器，17：00关闭，每2 h通过电子称读取土体质量及水桶的质量，研究水分的蒸发规律。每组试样配置5个平行试样，在试验进行的第5、8、11、13、15 d的17：00依次取一个土样，然后立即沿深度方向剖开，采用烘干法测定不同深度处土体的含水率。试验过程中在气候模拟箱中放一个与蒸发试样等蒸发界面的水桶，用来测定相同环境条件下自由水面的潜在蒸发量。

2 试验结果及分析

2.1 土体含水率变化规律

2.1.1 含水率沿深度分布规律

图2为不同环境温度下土体蒸发过程中含水率沿深度方向变化曲线。从图2可看出，土体表面含水率自试验开始一直在降低，试验结束时土样表面的含水率最小值在5%以上（40 ℃下15 d土样），说明非饱和土体蒸发速率自试验开始就由土体中水分的多少及其特性决定，不像饱和土体蒸发开始阶段，蒸发速率是由外界大气蒸发强度决定的;当蒸发时长一定时，距离土体表层越近土体含水率变化越大，距离土体表层越远土体含水率变化越小，原因主要是土体蒸发从表面开始，下层土体中的水分通过毛细管水势传输到蒸发面，对非饱和土来说，蒸发时长一定，土体表面的蒸发速率远大于毛细管势作用下水分的传输速率，导致土体表面含水率减小最显著，越接近土体底部其含水率减小越少，且含水率沿深度变化量越小;在蒸发初期（5 d），土体底部的含水率已减小，说明在试验条件下，蒸发影响深度已达到土体底部。

2.1.2 含水率随时间变化规律

土体含水率随蒸发时长的变化规律曲线见图3（图3中Δω/t表示土体不同深度处，某一时段内土体含水率的平均日减少率）。从图3可看出，环境温度一定时，土体含水率随蒸发时间的日减少率不仅与蒸发阶段有关，还沿其深度方向不一样;蒸发初期土体含水率日减少率最大，随着蒸发时间的延长，土体含水率日改变率逐渐减小，直到蒸发后期蒸发时长对含水率日减少率的影响不再明显，如在距离土体表层1 cm处0～5 d、5～8 d、8～11 d、11～13 d、13～15 d时段内土体含水率的日减少率依次为1.186%/d、0.974%/d、0.748%/d、0.694%/d、0.670%/d，距离土体表层19 cm处含水率的日减少率依次为0.520%/d、0.456%/d、0.432%/d、0.426%/d、0.420%/d;蒸发进行到11 d后，土体含水率的日减少率沿深度的分布曲线接近重合，说明在此后一定蒸发时间内，同一深度处土体含水率的日减少率接近，即蒸发速率接近。

2.2 环境温度对土体蒸发的影响规律

2.2.1 环境温度对土体含水率的影响

环境温度是大气蒸发强度的主要影响因素之一，对非饱和土体蒸发来说，环境温度对其蒸发后含水率的分布会产生直接影响。图4为不同温度下，距离土体表层1 cm和19 cm处的含水率随时间变化曲线，实线表示距离土体表层1 cm处，虚线表示距离土体表层19 cm处。从图4可看出大部分时段环境温度对土体表层的含水率影响较土体底部更明显。从蒸发开始到第8 d，距离土体表层1 cm处，土体含水率的减小与蒸发时间几乎呈线性关系，温度为25、30、35、40 ℃时，所对应的斜率依次为0.53、0.68、0.77、0.97;蒸发到第8 d以后，40 ℃下，距离土体表层1 cm处含水率随时间的变化斜率明显较之前减小，但含水率仍大于5%，仍在继续减小，而在25、30 ℃和35 ℃下，与各自8 d之前相比没有明显减小;对比4个温度条件下8 d后的含水率随时间的变化斜率还可发现，此时25 ℃下对应的斜率反而较其他3种温度下更大一些，这是由于25 ℃下土体在0～8 d内蒸发量最少，土体中剩余的水分较多，在8 d后土体表层的水分较多，且土体底部的水由毛细管作用传送至表层也较多，导致其表层蒸发更快，含水率随时间的变化更明显。在距离土体表层19 cm处，0～5 d内温度越高含水率随时间的变化斜率越大;5～11 d内，4个温度条件下含水率随时间的变化斜率基本相等;11 d后，40 ℃下土体底部含水率随时间的变化斜率明显减小，且小于其他3个温度下土体底部含水率随时间的变化斜率。

当环境温度改变，试验结束后，土体不同深度处温度变化对土体含水率的影响见表2。分析表2中数据发现，除距离土体表层1 cm外，在土体其他深度处，温度由25 ℃升至30 ℃时含水率减少量明显大于相应深度处温度由30 ℃升至35 ℃、35 ℃升至40 ℃时的，说明环境温度每升温1 ℃所导致的含水率减少量不一定完全相等，且与升温前的参考温度有关;当温度由25 ℃升至30 ℃时，土体含水率减少最明显的深度范围是土样的中间部位，温度由30 ℃升至35 ℃、35 ℃升至40 ℃时，土体含水率减少最明显的部位是土体表层。由于试验数据有限，不能得出更具体的结论，但可以看出温度对土体含水率的影响是复杂的，相同的升温值导致土体含水率的变化量是不相等的，不同的温度范围内土体含水率敏感变化深度不同。

2.2.2 温度对蒸发速率的影响

不同环境温度下非饱和土体每天的蒸发速率变化见图5。从图5可看出，在蒸发前期，随环境温度升高，蒸发速率增大，但蒸发到第5 d之后，随环境温度升高，蒸发速率反而降低，这是因为环境温度越高后期土体中的水分越少所致，如环境温度为25、30、35、40 ℃时，蒸发到第5 d土体表层含水率依次为12.48%、11.07%、10.85%、9.07%;当环境温度为30、35、40 ℃时，随蒸发时间的延长，蒸发速率呈递减趋势，环境温度为25 ℃时，蒸发速率随时间发展较平缓，由于夜晚环境温度降低，水的饱和蒸汽压减小，当模拟箱内空气中水蒸汽压接近饱和蒸汽压时，水蒸汽发生冷凝变成液态水，根据水的饱和蒸汽压与温度之间的关系式[11]，计算得到环境温度由30 ℃降低到18.5 ℃，或由40 ℃降低到27.5 ℃时，箱体内空气中的水分会发生冷凝成液态水，进而滴落至土样表面，渗入土体表层，使得夜晚土体含水率增大，当环境温度为25 ℃时，箱体内夜晚温度需要降低到14 ℃左右时才会发生冷凝，此时室内夜晚溫度（18 ℃左右）高于此温度，因此箱体内空气中水蒸气不会发生冷凝，夜间土体蒸发速率的减小不明显，使得土体水分每天的蒸发速率没有明显变化。另外，此环境温度下试验期间土体中水分减少得较少，也是每天的蒸发速率变化平缓的原因。

2.3 累计蒸发量的变化规律

不同环境温度下非饱和土体的累计蒸发量随时间的变化曲线见图6。图7为潜在累计蒸发量随时间的变化曲线，作为外界环境蒸发强度参考。从图6、图7可看出，环境温度一定时，非饱和土体累计蒸发量均随蒸发时间的延长呈波动递增，潜在累计蒸发量也呈现类似规律，这主要是因为在试验条件下，夜晚环境温度处于降温情况，在密闭箱体内，空气中的水分不能散发到箱体外且气候模拟箱本身具有冷凝作用，使得箱内空气中的水分冷凝成液态水，滴落至土体表面，进而渗入土体表层，使土体的蒸发量在夜晚不增加反而减小;随着环境温度的升高，土体在蒸发初期蒸发量显著增加，当蒸发到某一时刻，40 ℃温度下土体波动曲线逐渐趋于平缓，35 ℃温度下土体波动曲线在试验后期开始转入平缓，由于试验时间较短，环境温度为25 ℃和30 ℃下没有体现出来，这主要是因为一方面温度的升高促使水分子的运动加剧，使水分子的运动动能增大，缩短了水分子逃逸到空气中所需要的时间;另一方面温度的升高使土体的持水能力减小、降低水的黏滞性及减小颗粒间毛细水弯液面上的表面张力，使得土体的渗透性增强[12]，进而使得累计蒸发量趋于最后的平衡所需要的时间缩短。

3 结 论

通过对非饱和黄土进行不同温度下水分蒸发试验，探讨了不同环境温度对蒸发过程中土体含水率、蒸发速率的影响规律，分析非饱和土体蒸发过程中含水率分布规律和累计蒸发量随时间的变化规律，主要得出以下结论：

（1）环境温度对土体含水率的影响规律与土体深度、蒸发时段均有关;蒸发初期，环境温度越高表层的含水率减小越明显，到蒸发后期，环境温度较低土体含水率变化率反而更明显;在蒸发试验的大部分时段土体底部含水率受温度的影响没有表层明显，底部含水率在不同时段受温度的影响规律基本与土体表层类似，只是时间转变点相对滞后于表层。

（2）其他条件等同前提下，相同的升温值导致土体含水率的变化量是不相等的，不同的温度范围内土体含水率敏感变化深度不同。

（3）环境温度与室温接近时，土体夜晚蒸发速率减小不多，每天的蒸发速率随时间没有明显变化，但当环境温度高于室温一定值时，受夜晚空气中水蒸汽冷凝影响，夜晚土体中含水率会增加，夜晚蒸发速率减小明显，土体每天蒸发速率随时间呈递减趋势，在蒸发初期，环境温度越高递减越明显。

（4）随着环境温度的升高，土体在蒸发初期蒸发量显著增加，进而使得累计蒸发量趋于平衡所需要的时间缩短，且由于冷凝作用使得土体累计蒸发量呈现波动增加趋势。

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【责任编辑 赵宏伟】