超聲波霧化技術在漢陽陵土遺址補水保護實驗

摘要 干裂和鹽分富集是暴露于土壤空氣耦合環境中的土遺址常見的劣化問題。單純依賴維持高相對濕度的空氣環境，無法完全避免土遺址的劣化，主要原因在于水分存在從土遺址向空氣環境的單向遷移。為此，該研究提出了一種新的保護策略，在土遺址表面構建霧狀大氣，通過超聲波霧化技術生成含微米級水滴的近飽和空氣，促進液態水向土遺址的回遷，從而抑制劣化進程。為驗證該方法的有效性，在西安市漢陽陵博物館的模擬土遺址展廳中建立了超聲波霧化補水系統，并通過一系列實驗測試對其效果進行了評估。實驗結果表明，補水處理后，土遺址表層土壤含水量恢復至接近挖掘前的水平，部分裂縫得到了顯著愈合，表層可溶鹽含量明顯降低，未觀察到鹽害的發生。此外，超聲波霧化補水方法在土遺址出土初期表現出最佳的補水效果，為該技術在土遺址保護中的應用提供了重要的實踐依據。

關鍵詞 土遺址;補水保護;超聲波霧化;干裂;鹽分富集

中圖分類號：TU411" DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2025-02-014

Experimental investigation of ultrasonic atomization for moisture preservation at Han Yangling earthen sites

CHANG Bin1， LI Jiaxuan1， LI Ku2， MA Tao3， GU Zhaolin1， LUO Xilian1

（1.School of Human Settlements and Civil Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China;

2.Department of Science and Technology Protection， Hanyangling Museum， Xi’an 710201， China;

3.School of Conservation Science ＆ Technology for Cultural Heritage， Shaanxi University of Science ＆ Technology， Xi’an 710021， China）

Abstract Cracking and salt accumulation are common forms of degradation in earthen sites exposed to soil-air interactions.Maintaining a high relative humidity alone cannot fully prevent degradation in earthen sites， mainly because moisture migrates unidirectionally from the site to the surrounding air.To address this， the study proposes a novel conservation strategy： Creating a mist-like atmosphere on the earthen site’s surface using ultrasonic atomization technology to generate near-saturated air containing micron-sized water droplets. This promotes the return migration of liquid water， thereby inhibiting degradation.To verify the method’s effectiveness， an ultrasonic atomization moisture system was established in a simulated exhibition hall of an earthen site at the Han Yangling Museum in Xi’an， and experimental tests were conducted to assess its performance.The results show that after moisture treatment， the soil moisture content at the surface of the earthen site returned to near its pre-excavation level. Some cracks healed significantly， and the soluble salt content at the surface decreased， with no salt damage observed.Furthermore， the ultrasonic atomization method showed optimal moisture effects during the early stages of excavation， offering valuable practical insights for its application in earthen site conservation.

Keywords earthen sites; moisture preservation; ultrasonic atomization; cracking; salt enrichment

土遺址作為重要的歷史文化載體，全球范圍內數量眾多且分布廣泛。尤其在中國，歷史土遺址占據了國家重點保護單位的絕大部分^［1］。然而，這些珍貴的歷史土遺址在出土后，因環境因素變化而面臨干裂和鹽分富集等劣化問題，這不僅損害了遺址結構的完整性，也削弱了其歷史價值。因此，探索有效的保護和修復方法是實現土遺址可持續保存的關鍵。傳統的保護措施，如在土遺址原址上建立博物館，雖然在一定程度上減少了外界環境對遺址的影響，但溫濕度控制等保存環境技術的不完善，仍使許多土遺址處于非理想的保存狀態^［2-3］。例如，秦始皇兵馬俑博物館和半坡遺址博物館等，由于溫濕度波動大和空氣干燥，館內土遺址普遍出現干裂和鹽害現象，進一步惡化了這些遺址的保存狀況^［4］。

土壤水分蒸發被普遍認為是導致土遺址表面干裂的主導因素^［5-6］。漢陽陵博物館通過將文物空間與游客空間分隔，并將土遺址展廳內相對濕度維持在95％以上，該高濕環境策略在短期內有效緩解了土遺址的干裂和劣化速度^［7］。然而，長期觀察表明，單純依賴空氣濕度調整不能根本解決土遺址的失水問題，土壤持續失水及表面干裂問題仍然存在^［8-10］。因此，探索直接向土遺址補充液態水的保護方法成為新的研究方向。這種方法不僅是對傳統溫濕度控制手段的有效補充，也代表了土遺址保護理念的創新。然而，傳統人工補水方法如使用噴水壺或簡單灌溉系統進行局部補水，雖能短期緩解干裂問題，卻可能導致土體板結和應力不平衡，進而加劇土遺址劣化^［11-12］。顯然，這些現有補水措施在安全性和穩定性方面不足，無法滿足長期文物預防性保護需求。

為響應土遺址急迫的補水需求并規避補水措施可能引發的二次破壞，本研究引入超聲波霧化技術進行土遺址補水保濕。該技術作為一種先進的空氣加濕手段，利用高頻振動將水分解成微米級水滴，通過風力驅動裝置將這些水滴輸送至空氣中，形成細膩均勻的水霧，實現加濕^［13-15］。超聲波霧化技術因其加濕效果顯著、霧滴細小且分布均勻等特點，在辦公室、工廠車間和農業大棚等多個領域得到廣泛應用^［16-17］。盡管超聲波霧化技術在土遺址補水方面尚處于初步探索階段，但其顯著的安全性和穩定性使其有望替代傳統粗獷的人工補水方法，成為有效的補水手段。本研究在此基礎上設計了土遺址補水保護方案，通過自動控制的超聲波霧化加濕系統，將微米級水滴均勻送入土遺址保存區域，構建濕潤的保存環境。在漢陽陵模擬考古基地搭建的實驗室中，開展了一系列實驗，以驗證該系統的有效性和安全性。本研究旨在為土遺址的補水保護提供新的思路和技術支持。

1 土遺址補水需求的理論依據

水分蒸發是導致土遺址干裂劣化的主因（見圖1）。當土壤含水率降至臨界開裂值以下，不僅發生干裂劣化，還伴隨著鹽分富集現象，即土壤中的可溶鹽隨水分蒸發至土表^［18］。水分在土壤和空氣之間的遷移化學勢如公式（1）所示^［8］，

Δμ=-2.41-0.002θ^-1.75液態水-RTMwln（RH）水蒸氣[JY]（1）

式中：θ表示土壤中自由水含量（kg／kg）；Mw表示水的分子質量（kg／mol）；R是通用氣體常數（J·mol^-1·K^-1）；T和RH分別表示空氣中水蒸氣的溫度和相對濕度。當Δμ值大于0，土壤中的水轉移到空氣;當Δμ值小于0，空氣中的水蒸氣轉為液態水進入土壤;當Δμ值等于0，土壤水分與環境達到平衡。研究表明，即使相對濕度高達99.9％，Δμ仍然高于0，即水分仍自土體向空氣遷移^［8］。因此，保持土遺址的初始含水量需直接補充液態水。另外，盡管大多數無機土遺址保存環境對溫度要求不嚴，但對溫濕度短期波動有限制^［19］。補水期間，溫濕度波動導致土壤表面可溶鹽重復結晶、溶解，加劇干裂。因此，依據中國博物館文物保存標準和美國暖通空調手冊，建議控制土遺址補水期間溫度和相對濕度波動分別在±2 ℃和±5％以內，以最小化溫濕度波動對補水的影響^［20-21］。

2.1 實驗系統

為增強實驗的可靠性及更真切展現土遺址補水保護的成效，本實驗選址于距漢陽陵博物館200 m處的漢陽陵模擬考古基地。依照真實陪葬坑的尺寸，復原出一個遺址葬坑，其主空間的長、寬、高分別為300、200、100 cm。圖2展示了整套土遺址補水保護系統，包括位于選定實驗場地的土遺址補水系統原理、實驗環境艙以及實驗葬坑。實驗環境艙內劃分為補水區與非補水區，以便進行對比研究。

補水系統由水過濾器、去離子水供應器和超聲波霧化加濕器組成。去離子水經超聲波霧化加濕器處理后，轉化為1～5 μm的細微水滴，隨著送風系統進入室內文物保護區域，以達成土遺址的補水目的。文物保護區內布置有模擬遺址土塊和仿制陶俑，其中土塊包括干燥土塊（初始含水率5％）和濕潤土塊（初始含水率15％），分別象征出土后一段時間的干燥土遺址和剛出土時的潮濕土遺址。這些土塊分布于補水區與非補水區（室內外），仿制陶俑則均勻放置于補水區和室內非補水區的葬坑底部。在形狀上，方形土塊的長、寬、高分別為15、5、10 cm，柱形土塊的底面直徑和高均均為10 cm。

2.2 數據采集系統

圖3所示為數據采集系統的布置情況。空氣溫濕度傳感器Ta-1到Ta-5被用于監測不同區域的環境條件。Ta-1到Ta-3專門用于觀察土遺址補水區的溫濕度，其中Ta-1安置于葬坑底部上方2 cm，Ta-2位于葬坑中部，而Ta-3與葬坑隔梁表面保持同一高度。Ta-4和Ta-5分別用于監測室內非補水區與室外自然環境區的溫濕度，二者的安裝高度與Ta-2一致。S-1到S-8為土壤傳感器，負責記錄補水區土壤的含水率及電導率的變化情況。S-1到S-5分別安置在葬坑底部以下5、10、30、50、90 cm的深度，S-6到S-8則安置在葬坑隔梁表面以下10、30、50 cm的位置。空氣溫濕度傳感器的測量精度達到±0.4 ℃和±3％，土壤傳感器對含水率和電導率的測量精度分別為±2％和±3％（測量范圍0～10 000 us／cm）。

2.3 實驗工況

為迅速補充土遺址水分，在實驗初期，系統采用全天候間歇性補水模式。當含水率達到較高水平（以漢陽陵博物館附近地下黃土的平均含水率10％為參考值）時，系統調整為僅夜間運行的保水模式，以維持土壤水分，且該模式有助于減少白天補水時可能對土遺址觀賞性造成的影響（見表1）。實驗調試結果顯示，超聲波加濕器的補水速率為4.21×10^-5 g／（min·cm2）。

2.4 采樣分析

為初步評價補水系統的效果，本研究采取記錄土塊的日重量變化作為衡量指標，并在完成補水階段及部分保水階段后，對土塊實施分層采樣分析。從每個土塊表層以下10 cm處開始，每隔1 cm進行1次樣品采集。采集得到的土壤樣品和整個陶俑經過105 ℃烘箱烘干8 h，以確定其含水率。然后，通過離子色譜法測定土壤樣品中的鹽分含量，主要針對Na+、K+、Mg²⁺、Ca²⁺、Cl、NO3和SO4^2-等離子，將上述離子含量的總和作為表征土壤樣品總鹽含量的指標，這些離子是漢陽陵土遺址中常見的可溶性鹽離子。

3 結果分析

3.1 遺址展廳環境溫濕度狀況

圖4為補水期間補水區及非補水區的溫濕度分布情況。相較于室內非補水區和室外自然環境區，補水區的溫濕度分布更為均勻，且其相對濕度能穩定維持在接近飽和的高濕水平。這一穩定的高濕環境有利于抑制由超聲波霧化系統產生的水滴的蒸發，從而提高土遺址的補水效率。具體來說，在補水區，縱向3個測點平均溫濕度日波動值分別為1.0 ℃和2.7％，顯示出良好的穩定性。相對地，室內非補水區和室外自然環境區的溫濕度日波動值則顯著較大，特別是其相對濕度的日波動值超過了10％。盡管室內非補水區處于較高的相對濕度水平，但濕度的劇烈波動也會導致土壤中水分的加速蒸發，從而不利于土遺址的長期保存。

3.2 土塊的含水率和含鹽量分布特征

圖5為實驗初期方形和圓柱土塊含水率隨時間的變化趨勢，二者表現出相似的模式。在補水區，土塊含水率顯著上升，補水階段結束時，干燥土塊和濕潤土塊的含水率分別達到了12％和20％。進入保水階段后，這些土塊的含水率能夠穩定在補水階段的水平，含水率平均波動均低于1％。這說明在超聲波霧化加濕系統的調控下，土塊含水率得以有效恢復至較高水平，尤其是濕潤土塊，在短期補水后，其含水率接近飽和狀態，恢復至土遺址出土前的水分狀態。相比之下，在非補水區，土塊含水率整體呈現下降趨勢，濕潤土塊的含水率更是在實驗前5 d從17％迅速降至4％。這一現象表明，超聲波霧化加濕系統在處理剛出土的土遺址時尤其有效，及時的補水保護措施能夠顯著減緩土遺址原有水分的蒸發，進而維護土壤的原始狀態。

圖6為土塊縱向含水率的分布。在補水區，土塊的縱向含水率分布相對均勻，土塊表層與底層的含水率差距均小于1%。這揭示了土塊能夠有效均勻吸收系統產生的細小水滴，并在內部形成新的水分平衡，有利于阻止土壤底部可溶鹽向表層回流。相比之下，非補水區的土塊縱向含水率分布顯著不穩定，土塊表層以下5 cm深度的含水率普遍偏低，表層與底層含水率存在較顯著差異。這種含水率的不均勻分布是導致土壤干裂加劇的關鍵因素，也是當前許多未進行環境調控的博物館中土遺址所面臨的主要問題。

圖7為土塊縱向的鹽分含量分布。在補水區，土塊縱向的含鹽量分布呈現出上部低、下部高的趨勢。特別是干燥土塊，其表層以下3 cm深度的含鹽量顯著減少，這說明隨著水分從表層向內部運移，表層的可溶鹽被溶解并隨水分向內部遷移，最終在土塊的更深處聚集。另一方面，濕潤土塊的縱向含鹽量變化較為平緩，濕潤土塊的孔隙中水分含量較高，促進了水分從表層向底層的移動，使得可溶鹽在土塊內部分布更為均勻。相反，在非補水區，土塊的縱向含鹽量分布表現為上高下低的趨勢，且非補水區土塊表層的含鹽量約為補水區土塊的近3倍。這揭示出非補水區土塊表層可溶鹽未得到溶解或遷移，而是累積，即成為鹽害發生的潛在誘因。

3.3 葬坑本體含水率和含鹽量分布特征

為了深入評估超聲波霧化加濕系統在長期應用中對土遺址補水保護的成效，對土遺址本體含水率進行長周期監測至關重要。圖8展示了長時間內葬坑本體含水率隨深度的動態變化。從圖8（a）可以觀察到，在系統運行的4個多月期間，葬坑底部5、10、30 cm深度的含水率呈逐步上升趨勢，并最終趨于穩定，分別達到25％、26％、22％。相對而言，葬坑底部50和90 cm深度的含水率變化不顯著，穩定值分別為11％和13％。從圖8（b）可以看出，葬坑隔梁的補水效果與葬坑底部相比較為淺顯，特別是隔梁10 cm深度位置的含水率回升至20％以上所需時間，比葬坑底部多出約10 d。總的來說，在超聲波霧化加濕系統的調控下，土遺址本體含水率不僅能在短時間內恢復至出土前的水平，而且在長時間周期內能保持穩定狀態，驗證了系統的有效性和持續性。

另外，通過監測土遺址本體的電導率，可以間接掌握土壤鹽分濃度的變化情況，圖9為長周期內葬坑本體電導率隨深度的動態變化。從圖9（a）可以看出，在葬坑底部的5、10、30 cm深度，電導率經歷了明顯的波動，包括上升、穩定和下降階段。特別地，5 cm處的電導率在經歷上升期后趨于平穩，這一現象歸因于底層表土持續吸收液態水，進而導致表層鹽分濃度被稀釋至較穩定水平。與此同時，10和30 cm深度處的電導率呈現累積峰值，表明在這些深度處鹽分經歷了短期富集。然而，隨著水分繼續向下滲透，這些局部富集的鹽分濃度逐步降至較穩定的低鹽水平。另一方面，由于50和90 cm深度處的含水率無顯著變化，相應的電導率也未觀察到明顯波動。圖9（b）可以看出，葬坑隔梁在10 cm深度處的電導率變化趨勢與葬坑底部相似，而30和50 cm深度的電導率則無顯著變動。在土遺址含水率得以恢復的同時，土壤鹽分濃度顯著降低，從而保持土遺址表層土壤的鹽分濃度在較低水平。這一穩定的含水率有助于保持土遺址各層鹽分濃度的低穩態，有效避免了鹽分局部富集所引發的鹽害問題。

3.4 遺址表面劣化發育狀況

裂隙是土遺址表面的一種常見病害，定期監測裂隙的發展狀況對于評估補水系統的效果和安全性至關重要。如圖10所示，經過4個多月的補水保護，葬坑表面的裂隙表現出不同程度的愈合。這一變化主要因為液態水滴的滲透使土壤表面含水率提高，土壤顆粒吸水膨脹，導致裂隙收縮并最終愈合。特別是對于初期裂縫較細的情況，愈合效果顯著。相比之下，開裂程度更大的裂隙愈合速度較慢。因此，超聲波霧化加濕系統產生的水霧對土遺址表面無二次破壞作用，有效維護了土遺址的真實性和完整性。此外，從圖11可以看出，補水區的陶俑含水率平均為14％，顯著高于非補水區的2％。補水區陶俑表面色澤鮮明，無明顯劣化現象，而非補水區的陶俑表面則出現了干燥及部分泛白，這進一步說明了補水保護對于陶俑的積極作用。

4 結論

本研究針對土遺址的補水需求，提出并實施了基于超聲波霧化技術的土遺址液態水補充保護策略，旨在預防土遺址干裂及鹽分富集等病害。為此，構建了土遺址霧化補水保護實驗艙，開展了實驗，以驗證該霧化技術在土遺址補水保護方面的有效性及安全性。主要結論如下。

1）超聲波霧化技術對土遺址的補水效果顯著。土遺址的干燥土塊含水率從5％提高至12％，濕潤土塊的含水率從15％提升至20％，接近出土前的水分狀態。在長時間運行下，補水效果逐漸增強，特別是在保水階段，土遺址的表層含水率得以穩定維持，并促進了部分表面裂隙的愈合，進一步提升了遺址的保護效果。

2）液態水補充能有效降低土遺址表層可溶鹽濃度，并隨水分下滲使深層土壤鹽分濃度降低，保持表層土壤鹽分濃度持續處于低水平。補水區土塊表層的含鹽量明顯低于非補水區，后者的鹽分濃度約為補水區的近3倍。此外，補水區陶俑表面沒有出現鹽分富集現象，進一步證明了該補水技術對文物的積極影響。

3）通過調節系統運行模式，有望根據土遺址的不同干燥程度滿足相應補水需求，尤其對剛出土的土遺址，該技術能夠有效恢復土壤水分，避免干裂及鹽害的發生。保水階段下，土壤水分的波動率低于1％，證明該技術具有良好的穩定性和持續性。

總的來說，該霧化補水策略不僅為土遺址保存環境的調控提供了科學、合理的方法，而且在土遺址表面鹽害抑制和裂隙修復等方面展示了良好的應用前景，為未來的土遺址預防性保護提供了有力支持。

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（編 輯 李 波）

基金項目：國家自然科學基金（52078417）;陜西省重點研發計劃（2024SF-YBXM-679）。

第一作者：常彬，男，博士生，從事土遺址預防性保護技術研究， changb@stu.xjtu.edu.cn。

通信作者：羅昔聯，男，博士，教授，博士生導師，從事博物館環境監測與調控等領域研究，xlluo@mail.xjtu.edu.cn。