南京大學地球科學與工程學院，南京 210023
聯繫人 E-mail: tangchaosheng@nju.edu.cn來源：科學通報 DOI: 10.1360/TB-2020-0282摘要: 受全球氣候變化影響，極端氣候事件的發生頻率和強度均呈顯著加劇趨勢，並通過各種方式作用於地質體，誘發一系列工程地質災害，嚴重影響經濟社會可持續發展，給當前工程地質研究帶來許多新的挑戰。迫切需要加大極端氣候工程地質作用及防災減災基礎研究，這對於提高我國重大工程應對氣候變化和極端氣候事件的防禦及其應對決策能力，提升我國自然災害綜合防治能力，具有重要戰略和現實意義，這也是現代工程地質學科的重要使命和發展方向。針對乾旱災害問題，近些年來工程地質界圍繞乾旱氣候-土體相互作用方式、作用結果、監測技術及對策開展了大量研究，在乾旱氣候作用下土體工程性質響應過程及災變機制方面取得了重要進展，尤其在土體蒸發、收縮、龜裂過程及機理等方面取得了一批創新性研究成果，彌補了工程地質領域在乾旱氣象災害方面的研究空白，為指導乾旱地區的工程地質實踐和防災減災工作提供了科學依據。今後，除了需要加強氣候變化以及大氣-地質體相互作用基礎研究外，還應該加強相關技術研究，如分布式光纖感測技術、基於自然解決方案的微生物地質工程技術、大數據與雲計算技術、人工智慧等，為工程地質防災減災提供先進的理論和技術支撐。關鍵詞: 氣候變化，地質災害，極端乾旱氣候，土體工程性質，蒸發-收縮-龜裂，氣候-土體相互作用
1 極端氣候工程地質
政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的研究報告指出，受全球氣候變化影響，各種極端氣候事件發生的頻率、強度、空間範圍及持續時間都呈顯著加劇趨勢，如強降雨、長時間乾旱、多年一遇的低溫寒潮或高溫熱浪等[1]。這類極端氣候會對工農業生產和生態環境帶來巨大負面影響，且嚴重拖累世界各國的經濟社會發展，阻礙全球可持續發展戰略目標的實現，甚至影響社會穩定和國家安全策略。然而，從工程地質學科的角度來看，極端氣候會對地質體施加各種影響，導致工程地質條件嚴重惡化、工程地質作用和過程加劇、巖土體工程性質快速劣化、地下水位大幅度變化和地貌演化過程加速等工程地質問題和環境地質問題，並誘發一系列地質災害，摧毀基礎設施，造成人員傷亡和巨大經濟損失，給當前工程地質研究帶來許多新的挑戰（圖1）[2-5]。正因為如此，近年來歐盟、美國、加拿大等發達國家和地區的地質、巖土工程領域相繼啟動了一系列與全球氣候變化及災害相關的重大研究計劃項目，如2014年歐盟重大國際合作項目GREAT獲得立項，該項目旨在全球範圍內開展學術交流和合作，共同提升工程領域應對極端氣候災害的能力。與此同時，氣候變化與工程地質防災減災也越來越成為許多國際會議的熱門主題，極端氣候工程地質也成為了現代工程地質研究的重要發展方向。圖1 典型極端氣候事件及其誘發的典型工程地質問題與災害Figure1 Typical extrem climate events and the induced typical engineering geologicalproblems and disasters
我國是全世界極端氣候事件及災害最嚴重的國家之一，且災害種類多、強度大、頻率高，危害嚴重。中國氣象局的研究資料表明，未來相當長一段時期內，我國群發性或區域性高溫、暴雨、乾旱等極端氣候事件頻次和範圍將顯著增加，災害風險加大[1]。尤其近幾十年來，我國重大工程建設的數量和規模不斷增加，如「一帶一路」、川藏鐵路、南水北調、西氣東輸、西電東送、青藏鐵路（公路）、高速鐵路/公路網絡建設等。極端氣候事件會通過影響重大工程設施本身、重要輔助設施尤其是重大工程所依託的工程地質環境，導致地質災害，從而進一步影響工程的安全性、穩定性、可靠性和耐久性，並對重大工程的運行效率和經濟效益產生重要影響[6]。如「一帶一路」貫穿亞、歐、非三大洲，涉及70多個國家，44億多人口，沿線國家與地區地質構造複雜，極端氣候事件及自然災害頻發。據國際災害資料庫顯示，「一帶一路」沿線重大基礎設施建設與區域可持續發展面臨著自然災害的重大威脅，災害損失是全球平均值的兩倍以上。為此，中國科學院成都山地災害研究所崔鵬院士指出，「一帶一路」沿線工程應高度關注氣候變化因素的影響，尤其要重視極端氣候事件誘發重大工程大規模災害風險的預測與防範[7]。川藏鐵路全長1500餘公裡，從海拔500m的四川盆地躍升到4000多米的青藏高原，穿越板塊構造活躍帶、高山峽谷地形急變帶和極端氣候多髮帶，揭示構造活動-峽谷地貌-氣候變化內外動力跨尺度耦合作用及其孕災機理，是確保川藏鐵路工程順利推進和後期安全運行重要前提。此外，受氣溫升高影響，青藏地區多年凍土出現退化，造成地基融沉變形，地基承載力降低，不良凍土現象發育，嚴重影響凍土工程的安全穩定。不僅如此，由於冰川退化導致該地區冰湖堰塞湖數量和面積在過去40年間分別增加了約7倍和0.6倍，近10年發生不同規模的冰湖潰決事件約20餘起。強降雨引發的滑坡、泥石流等地質災害，是對鐵路、公路、能源管線運行安全危害最大的自然災害[8, 9]。極端乾旱氣候導致地下水位下降和地基土體收縮，進一步加劇地面沉降變形和地裂縫發育，對淺表層基礎設施和工程結構產生大規模破壞，對其安全性和穩定性產生極大負面影響[10-12]。因此，迫切需要開展氣候變化尤其是極端氣候工程地質作用及防災減災研究。圖2 地球多圈層耦合作用與地質災害
氣候變化和極端氣候事件是工程地質災害的重要營力之一。從地球系統科學的角度來看，地表的大規模物質運動過程或重大地質災害動力過程在本質上是地球多圈層耦合作用的結果，其中大氣圈動力系統起到重要作用（圖2）。地球深部動力導致地殼升降，改變地質體的內部應力狀態（內動力），是區域性地形地貌條件的控制因素，在冰川、河流以及人類活動等地球表層動力系統級大氣圈動力系統的進一步作用下（外動力），地表物質發生以水平運動為主的遷移，這往往也是滑坡、泥石流等地質災害的表現形式。如果輔以極端氣候事件的耦合作用，會對地表物質大規模運移及地貌演化施加更加強烈的影響，釀造重大地質災害和安全隱患。如2010年四川清平8.13特大泥石流是我國近20年來有記錄的規模最大的泥石流災害，它的爆發是內外動力尤其是地震活動和強降雨耦合作用的典型結果。2008年5.12汶川地震引起的大規模山體崩塌和滑坡為該泥石流積累了大量的鬆散固體物源，而日泥石流爆發當天的降雨量達到了特大暴雨的水平，且遠高於歷史同期平均日降雨量，成為直接誘發因素[13]。需要強調的是，我國幅員遼闊，氣候類型多樣，地形地貌複雜多變，各種構造活動活躍，許多地方分布有大量對氣候變化非常敏感的特殊巖土體[14-17]。因此，氣象災害的表現形式呈現多樣性、地域性和季節性等特點，極大增加了研究難點。
隨著我國經濟社會的快速發展以及資源、環境和生態壓力的不斷加劇，極端氣候事件防範應對形勢更加嚴峻複雜，自然災害損失日益加劇加重，已成為制約國民經濟持續穩定發展的主要因素之一。儘管我國近年全面實施了《國家氣象災害防禦規劃（2009-2020）》，但主要側重於全國七大流域防洪和水利農業領域抗旱，在工程地質或重大工程方面的極端氣候防災減災基礎依然十分薄弱，相關研究工作嚴重滯後和不足。在工程地質領域，過去與極端氣候相關的研究主要局限於強降雨誘發崩塌、滑坡和泥石流等典型地質災害方面。但到目前為止，學界在降雨致災動力過程、成災模式、災害預警預報和相關理論方面尚未取得統一認識，仍然有待進一步深入研究。除強降雨外，工程地質領域有關其他極端氣候工程地質作用及災害方面的系統研究幾乎處於空白狀態。
因此，無論是從國家發展需求層面，還是從工程地質學科發展需求層面，如何有效應對極端氣候事件，加強災害風險管理，迫切需要開展針對性研究。中科院大氣物理研究所丁一匯院士在2015年發布的《第三次氣候變化國家評估報告》特別報告中明確指出：研究影響我國經濟發展的區域性重大工程所面臨的氣候變化風險，以及在氣候變化的形式下，由極端氣候事件產生的新興風險，及其對重大工程安全運行可能存在的影響，並提出在工程設計和運行管理上適應氣候變化的新對策，對於提高重大工程應對氣候變化和極端氣候事件的防禦及其應對決策能力，促進我國經濟社會持續、健康、快速發展，增強綜合防災減災的安全保障能力，實現全面建設小康社會的宏偉目標，具有重要的戰略和現實意義。習近平總書記2018年10月在主持召開的中央財經委員會第三次會議中也特別強調，大力提高我國自然災害防治能力，關係國計民生。2 乾旱氣候工程地質作用及災害無論極端氣候災害以何種形式呈現，如果以工程地質思維來透析，其本質都是因為極端氣候通過各種作用方式改變地表巖土體溫度場、結構場、物質場尤其是水分場，進而改變巖土體的工程地質特性，引起災變[18-23]。在我國發生的所有自然災害中，乾旱災害發生頻率最高，對工農業生產、生態環境和社會經濟的影響也最為深遠，年均經濟損失超千億元[24]。美國國家氣象研究中心（NCAR）的研究成果表明（圖3(a)），受全球氣候變化的影響，在接下來的幾十年中，全球乾旱呈嚴重加劇趨勢，持續時間長、影響範圍廣和強度高的極端乾旱氣候發生頻率顯著增加，某些地區的乾旱會持續惡化，局部地區甚至可能遭遇百年一遇甚至幾百年一遇的打破歷史記錄的特大旱情[25, 26]。可以預見，乾旱氣候帶來的災害問題將越來越嚴重，必須引起人們的高度重視，並開展深入而系統的防災減災對策研究，而工程地質學科對此肩負重要使命。
圖3 全球乾旱發展趨勢及其影響.（a）本世紀全球乾旱發展趨勢（資料來源：美國國家氣象研究中心（NCAR））；（b）乾旱氣候導致的典型工程地質和環境地質問題
Figure3 Globaldrought development trend and the related impacts. (a) Global drought developmenttrend in 21st century (source: NCAR); (b) Drought-induced typical engineering geological and environmentalgeological problems然而，過去工程地質領域考慮氣候因素的研究主要局限於強降雨引發的地質災害方面，有關乾旱氣候工程地質作用的研究報導比較鮮見，相關研究工作進展亦十分緩慢[27-29]。事實上，無論是降雨還是乾旱，直接改變的都是土體的含水率，而土體的工程性質對含水率變化非常敏感。相對於降雨，乾旱氣候具有影響範圍廣和持續時間長的特點，乾旱對土體含水率的改變是一種潛移默化的過程，其對土體工程性質的影響具有緩慢性的特點，常常被忽視。此外，土體在乾燥過程中表觀上呈現逐步硬化的趨勢，這看似對工程有利，實則不然。唐朝生等[30-33 ]通過開展大量研究，發現土體尤其是黏性土在脫水過程中，水分場會重新分布，導致土體的非飽和過程和非飽和帶的擴張，極大改變土體的物化、水理和力學性質，是許多區域性工程地質和環境地質問題的誘因（圖3(b)）。
比如在乾旱氣候作用下，土體會發生顯著的收縮變形，引起地面沉降，對地表的基礎設施和工程結構的穩定性產生極大負面影響。歐洲、北美洲和亞洲等世界許多地區都曾因遭遇嚴重乾旱而出現大規模房屋、道路和橋梁等基礎設施開裂受損的現象，經濟損失巨大[34]。英國地質調查局（BGS）的最新研究成果指出，每年英國因乾旱引起的地面沉降災害損失超過20億英鎊，到2050年，該數值有可能超過60億英鎊，引起了當地政府部門和研究人員對乾旱氣候作用下地面沉降問題的極大關注[35]。在美國，1987年到1989年約36%的國土面積遭受極端乾旱，導致390億美元的經濟損失[12]。在法國，自1990年以來，乾旱引起的地面沉降災害損失逐年遞增，據統計僅2006年就已達43億歐元[34]。由於極端乾旱氣候頻發，歐洲其它地區與乾旱相關的經濟損失也呈急劇上漲趨勢[36]。我國的乾旱災害尤其嚴重，如上世紀90年代末，華北地區連年乾旱，地下水位大幅下降，地面沉降和地裂縫活動顯著加劇；2010年西南地區遭遇百年一遇的特大乾旱，昆明國際機場跑道和多條高速公路因地面沉降出現了嚴重破損；2013年夏天長江中下遊地區出現長時間罕見極端高溫和乾旱氣候，地表蒸發量、工農業及城鎮生活用水突然增加，蘇錫常地區多個地面沉降監測點數據出現明顯回升，類似事件在國內外均有較多報導[37, 38]，本文不再贅述。
乾旱氣候引起的持續水分蒸發還會導致土體中發育大量幹縮裂隙，俗稱龜裂，極大弱化土體的工程性質，為土體工程災變的發展提供有利條件[39-44]。許多研究表明，邊坡中的幹縮裂隙嚴重破壞了土體的整體性，為雨水入滲提供快捷通道，是導致邊坡失穩的重要前提[45]。如我國南水北調中線工程穿越膨脹土渠段累計近400 km，大部分的渠段坍塌和淺層滑坡都與膨脹土中發育的龜裂有關[46]。龜裂還會成倍增加土體的滲透性，對水利工程和環境巖土工程產生負面影響。2007年我國重慶地區遭遇的特大旱情使1200座水庫大壩嚴重開裂，穩定性降低，直接面臨暴雨的威脅。英國、荷蘭、美國、澳大利亞等許多國家境內成百上千公裡的防洪堤壩長期經受龜裂的困擾，每年需要投入數百億美元對壩體內發育的龜裂進行排查和修復，預防管湧和潰決[47]。在城市垃圾衛生填埋場的設計過程中，由於對乾旱氣候因素考慮不足，導致隔離系統開裂失效的例子屢見不鮮[48]。一些土質文物或者古建築在乾旱氣候作用下表面也容易發育龜裂，從而加速表層結構的風化、剝蝕和破壞，極大增加了文物和古遺址的保護難度[49]。還有學者指出，乾旱蒸發導致表層物源堆積體更加鬆散破碎，為雨季爆發大型泥石流創造了便利條件[50]。我國幅員遼闊，土體種類多樣，不同的土體由於其物質成分和結構特徵存在差異，其對乾旱氣候的敏感程度和災變風險也存在差異。總體上，膨脹土作為一種特殊土，由於富含親水性黏性土礦物，其工程地質特性對氣候變化異常敏感，常給工程建設活動帶來巨大危害，是一種「問題多的特殊土」[51]。在乾旱氣候作用下膨脹土會發生較大的收縮變形，且表面極易發育大量龜裂，脹縮性和裂隙性是膨脹土的典型特性，因此膨脹土也常被稱之為「裂土」[52]。而我國是膨脹土大國，膨脹土分布非常廣泛，26個省區存在著這種區域性分布土，遍及華北、西南及長江中下遊地區，3億以上人口生活在膨脹土分布區，而這些地區往往也是乾旱發生頻率較高的地區，因此我國的膨脹土災害十分突出。據不完全統計，我國由於膨脹土地基致害的建築面積超過1000萬m2，尤其是鐵路、公路路基受膨脹土危害非常嚴重，年經濟損失超過900億元[52, 53]。正是由於膨脹土對氣候及外界環境變化的敏感性，使工程中的膨脹土問題一直比較棘手，讓人難以捉摸，甚至被稱為「工程中的癌症」、「世界性難題」」[45]。因此，要實現膨脹土地區的防災減災，必須從根本上理解膨脹土在氣候作用下工程性質的響應特徵及災變機制。此外，我國乾旱、半乾旱地區面積佔全國60%，乾旱氣候是土壤鹽漬化、沙化、荒漠化的主要驅動力，嚴重破壞工程地質環境和生態環境[24,27]。在我國廣大西部地區，常年處於乾旱狀態，土體生產力和工程性質顯著劣化，水土流失嚴重，沙塵暴頻發，越來越嚴重地威脅到人類的生存環境和工程地質活動。由此可見，與乾旱氣候相關的工程地質問題、環境地質問題及災害具有相當的普遍性，涉及的領域非常多[54, 55]。2011年11月，國務院審議通過了《全國抗旱規劃》，這是建國以來編制的第一個關於抗旱減災工作的專項規劃，充分體現了我國對抗旱減災的高度重視，同時也反映出我國乾旱氣候及其災害的嚴重性。但是，相關抗旱減災工作的重點主要局限在農業、水利和生態環境領域，對工程領域的重視程度遠遠不夠。事實上，無論乾旱災害以何種形式呈現，歸根到底，都與乾旱氣候對土體的作用方式及土體工程地質性質發生改變有關。然而，與降雨相比，學界關於乾旱氣候工程地質作用研究存在嚴重滯後和不足，我國在這方面的研究尚處於起步階段[27]。尤其要強調的是，乾旱涉及土體的非飽和過程，而傳統的土力學理論是建立在飽和土基礎上，因此難以直接指導乾旱環境中的工程實踐，這是當前工程地質學科在應對乾旱災害時所面臨的主要挑戰。因此，在這樣的背景下，筆者認為開展乾旱氣候作用下土體工程性質響應過程及災變機制系統研究已成為當務之急。通過研究，掌握乾旱氣候作用下工程土體水分場及其它多場信息的時空演化規律、耦合作用機理和關鍵影響因素，同時結合土質學、土結構和非飽和土力學理論，從宏觀和微觀層面系統闡明乾旱氣候作用下土體工程性質響應特徵。在此基礎上，揭示乾旱氣候-土體相互作用過程及物質能量交換規律，闡明災變機理，建立相應的理論模型和預測模型，並提出乾旱災害對策。相關研究成果必然對提升我國工程地質界應對全球氣候變化能力、提高災害風險預警預能力和減少災害損失具有重要理論和現實意義。
3 乾旱氣候作用下土體工程性質響應要實現乾旱氣候工程地質防災減災，首先需要了解乾旱氣候是如何作用於土體的，以及土體的工程性質是如何響應的。結合前文的分析，筆者認為，解決這些問題的關鍵是掌握土體的蒸發過程、收縮過程及龜裂過程，並闡明其機理。下文將對國內外的相關研究進展進行歸納和總結。3.1 蒸發過程蒸發是地表水循環的一個重要環節，也是乾旱氣候對土體的主要作用方式和二者之間進行物質能量交換的主要形式。對於自然界中的土體而言，蒸發是導致土體水分場和工程性質發生改變的直接原因，幾乎所有與乾旱氣候有關的工程地質問題和環境地質問題首先都源於蒸發作用。因此，系統掌握土體水分的蒸發過程是解決乾旱問題的前提[31]。
由於土體是一種具有典型各向異性的多孔介質，其蒸發過程比純水複雜得多，它涉及到液、氣兩相流體在非均質多孔介質中的遷移問題，且受氣象因素（溫度、輻射、溼度和風速等）和土性因素（含水率、吸力、體變、礦物成分、粒度成分、孔隙分布和密實度等）的共同作用，因此土體蒸發具有非常複雜的發生發展過程[31, 56]。為了使所研究的問題簡單化，過去許多學者都選擇了均質砂土為研究對象，因為砂土不會像黏性土一樣在蒸發過程中發生明顯的體變，砂土孔隙結構和孔隙水狀態相對穩定，從而規避了許多土性因素的影響問題[57]。基於所得試驗結果及多孔介質經典水-熱-氣傳輸理論，不同的學者提出了不同的蒸發模型，用於預測和評估土體在大氣作用下的蒸發量。代表性的成果有Penman模型、Philip & De Vries模型及修正的Penman-Wilson模型等[58, 59]。這些經典理論模型及以此為基礎發展起來的修正模型在均質砂土中普遍能取得較好的計算結果，但在黏性土中則會產生較大的誤差，主要是因為在黏性土與水分子之間的相互作用非常複雜，蒸發作用下黏性土中的水分遷移過程比砂土也要複雜得多，而已有的理論模型大多只考慮了環境溫度、相對溼度等氣象參數，較少考慮土性因素對蒸發的影響及蒸發引起的土體工程性質變化，從而極大制約了上述理論成果在實際工程中的推廣應用[60, 61]。
圖4 土體水分蒸發及收縮過程.（a）土體水分蒸發過程及機理示意圖；（b）土體收縮過程
Figure 4 Soil water evaporation and volumetric shrinkageprocess. (a) Soil water evaporation process and mechanism; (b) Soil volumetric shrinkageprocess唐朝生等人對初始為飽和狀態的黏性土開展了一系列精細化蒸發試驗，獲得了黏性土的蒸發特徵曲線（WECC），發現其蒸發過程呈典型的三階段特徵，即常速率階段I、減速率階段II和殘餘階段III，並基於土質學理論、多孔介質滲流理論及土-水相互作用原理對黏性土水分蒸發過程進行了深入分析，揭示了蒸發三階段與飽和度和孔隙水賦存狀態之間的關聯特徵（圖4（a））[31]。在常速率階段I，土體通常處於飽和狀態，土中有足夠的水分供給蒸發麵，因此第I階段蒸發速率的大小主要取決於使水分汽化所需的外部能量，受氣象因素的控制，主要是孔隙中的自由水發生蒸發。目前國際上關於氣象因素對土體蒸發速率的影響已有大量研究成果，對第I階段水分蒸發遷移機制也基本清楚，即毛細水作用是剖面水分傳輸的主要驅動力，水分傳輸速率受達西定律控制[27, 31, 62, 63]。
隨著乾燥的持續，土體蒸發逐漸進入第II、III階段（圖4（a）），蒸發速率不斷減小。關於蒸發速率減小的原因，學術界尚沒有取得統一的認識。Wilson等將該現象歸因於含水率降低、吸力增加和氣-土界面蒸汽壓差減小三個方面[64]。唐朝生等[32]結合土水特徵曲線，發現第I階段和第II階段轉折點對應的臨界含水率位於進氣值（AE）附近，即土體開始由飽和變為非飽和狀態，並據此提出飽和度減小、水分傳輸方式及孔隙水賦存狀態的改變是導致蒸發速率減小的主要原因。當土體處於非飽和狀態時，表層逐漸形成乾燥土層，蒸發鋒面向土體內部推進，孔隙中同時存在液、氣兩相流體，蒸發過程中剖面水分傳輸由毛細水滲流作用和水蒸汽的擴散作用共同控制，並逐漸由液相傳輸向氣相傳輸過渡，傳輸速率分別遵循達西定律和菲克定律。但目前關於蒸發鋒面是如何向土體內部推進的以及水分傳輸方式在蒸發過程中的支配地位是如何變化的並不十分清楚，缺乏量化研究成果[63]。此外，對於飽和黏性土，孔隙中首先被蒸發的是自由水，其次是弱結合水，最後才是強結合水，當外部環境條件( 溫度、蒸汽壓) 或能量供應強度不變時，水分子逃逸到大氣中所需克服的阻力逐漸增加，蒸發速率必然減小[31]。理論上而言，第II和第III階段轉折點應該標誌著水蒸汽擴散作用開始支配蒸發過程，從土質學的角度上分析，應該是薄膜水運移或者強結合水蒸發開始支配蒸發過程。總之，這些觀點尚有待進一步驗證。還必須指出的是，蒸發作用下黏性土中水分遷移過程比一般土體更加複雜，因為蒸發會導致黏性土發生顯著收縮變形，孔隙比、孔隙連通性不斷減小，這些內在因素的變化反過來又必然會對剖面的導水性及水分的遷移過程產生影響，存在複雜的耦合作用關係。土中黏性土含量、黏土礦物成分、壓實度等亦是影響蒸發過程的重要因素[56]。總體上，土性應該是第II、III階段蒸發過程的主控因素。
因此，對於黏性土而言，有必要從土中水自由能和土結構的角度，結合土水特徵曲線、蒸發特徵曲線、收縮特徵曲線及水-土相互作用能量學特徵，對第II、III蒸發階段的水分遷移機制進行綜合分析，同時還應該考慮孔隙水狀態（自由水、弱結合水和強結合水）及裂隙發育狀態對蒸發的影響。基於上述認識及大量試驗研究結果，藉助非飽和土力學的基本理論，筆者提出了如下的黏性土蒸發模型：
式中：Ea為實際蒸發速率，Y為土體表面吸力（kPa）；W為水的摩爾質量（18.016 kg/kmol）；g為重力加速度（m/s2）；R為氣體常數（8.31432 J/mol/K）；T為溫度（K）；ha為參考面處的空氣相對溼度；f(u)為風速的函數，es為蒸發麵處溫度對應的飽和蒸氣壓；e0為空氣露點溫度對應的飽和蒸氣壓，Rsc為表面裂隙率；k為與裂隙發育狀態相關的參數。該模型同時考慮了土體裂隙和大氣狀況對水分蒸發的影響，且能獨立於一般土性因素和蒸發時間，無論對於飽和土還是非飽和土均具有較好的適應性，為預測工程土體的實際蒸發量和評價乾旱影響提供了科學依據。土體收縮變形是乾旱氣候作用的典型結果之一，也是導致地表基礎設施和各種工程結構物發生失穩破壞的重要誘因。然而，相比於土體吸溼過程的膨脹變形，收縮變形研究成果尚缺乏系統性和深度，成為制約極端乾旱氣候工程地質作用評價的瓶頸。
從力學的角度而言，土體在脫水過程中之所以會發生收縮變形，主要是因為乾燥過程中引起的吸力增加了土顆粒間的有效應力（圖4（b）），導致顆粒發生重新排列而變得更密實，因此吸力是導致土體收縮變形的內在力學機制[30]。但吸力對土體收縮變形可逆性的控制存在臨界值，有結果表明，當吸力大於113MPa時，試樣的脹縮變形基本可逆，而當吸力小於113MPa時，試樣的脹縮變形表現出明顯的不可逆性，且不可逆程度隨吸力的減小而增加[70]。從土質學的角度而言，主要歸因於土中親水性黏土礦物水化膜厚度的變化。在高含水量條件下，黏土顆粒外圍包裹一層很厚的水化膜，顆粒間距較大，在乾燥過程中，水分逐漸被蒸發，水化膜逐漸變薄，土顆粒逐漸靠攏，孔隙不斷減小，從而土體體積發生收縮變形。這也可以解釋砂土為什麼在乾燥過程中不發生收縮變形，因為砂土中一般不含黏土礦物。通常情況下，土體的收縮性隨黏粒含量尤其是蒙脫石含量的增加而顯著增強[71]。唐朝生等[30]指出，正是由於黏性土的這種失水收縮性，龜裂的發育才具備了空間條件。從土結構的角度而言，土體的宏觀收縮變形在本質上源於微觀孔隙尺寸的減小，收縮變形量主要受控於大孔隙所佔的比重，小孔隙對收縮變形的貢獻極其有限。此外，土體收縮過程始於大孔隙並逐漸向小孔隙過渡，含水率達到較低水平後孔隙比可能存在反彈現象（圖4（b））。
唐朝生等[72-74]對黏性土的收縮問題開展了大量試驗研究，基於獲得的土體收縮特徵曲線（SSCC），發現體積收縮過程主要經歷三個階段（圖4（b）），即正常收縮、殘餘收縮和零收縮，三個階段之間分別以進氣點和縮限含水率為界限。具體表現為：
（1）在含水率低於進氣點之前，土體處於正常收縮階段。在此過程中，體積收縮與含水率變化呈線性發展，土體始終處於飽和狀態，體積收縮量與失水體積相等，孔隙比的減小完全歸因於孔隙水的蒸發。通常情況下，土體絕大部分體積收縮變形發生在正常收縮階段。
（2）當含水率低於進氣點後，土體變為非飽和狀態，並進入殘餘收縮階段。此時空氣開始進入孔隙中，體積收縮減緩，收縮曲線呈下凹形，體積收縮量小於失水的體積。這主要是因為孔隙中自由水減少，黏土顆粒的吸附水化膜變薄，顆粒間聯接力增加，土體結構重排阻力增大。此外，土體變為非飽和後，吸力開始迅速發展，極大增加了土顆粒間的有效應力和結構剛度，土體的抗變形能力得到加強。
（3）隨著乾燥的繼續，土體的含水率繼續減小，當達到縮限時，土結構處於最密實的狀態，土顆粒之間直接接觸，體積和孔隙不再隨含水率的減小而變化，土體進入零收縮階段。
然而，對於自然中結構性較強的原狀飽和土體而言，其收縮過程可分為四個階段，即在正常收縮之前，還存在結構收縮階段[75]，如圖4（b）中的虛線所示。在結構收縮過程中，土體的體積收縮量遠遠小於水分蒸發的體積，收縮曲線呈上凸型。這主要是因為原狀結構性土中含有較多的團聚體，團聚體之間會形成一些大的空洞。乾燥時，這些空洞中的自由水首先被蒸發而逐漸被空氣所取代，無毛細水壓力產生，從而不會導致明顯的收縮變形[74]。
在以往的多數研究中，收縮試驗一般只測試豎向變形或者總體積變形，而忽略了土體收縮變形存在明顯方向性的客觀現實。試驗結果表明，土體收縮變形存在顯著的各向異性特點，收縮各向異性受含水率、蒸發速率、應力狀態和土質條件等許多因素的影響。通過「收縮幾何因子」，可對收縮各向異性進行定量分析。對於壓實土，在低壓實度條件下，徑向收縮大於軸向收縮，收縮幾何因子大於3，在高密度條件下，軸向收縮大於徑向收縮，收縮幾何因子小於3。在工程實踐中，利用收縮幾何因子可對乾燥條件下土體發生的沉降變形和收縮開裂特徵進行評價。除此之外，收縮幾何因子對研究土中水分遷移規律也具有重要意義[73, 76]。
任何科學研究成果的取得，最終目的都希望能解決具體的實際問題。對於土體的收縮而言，如何建立相應的模型來評價或者預測乾旱氣候引發的地面沉降災害，指導乾旱環境中的工程實踐，是本課題的重要研究目標。對此，筆者認為可以藉助GIS、衛星遙感和大數據分析等手段，結合氣象資料、土體區域性分布資料、土性參數、水分蒸發模型及土體收縮模型，獲得區域性的地面沉降指數，在此基礎之上，進一步考慮旱敏因素（易損建築分類分布、工程地質條件、土地利用分類、人口密度等) 和歷史旱損數據，從而建立乾旱災害風險管理模型，達到工程地質防災減災的目的，但後續還需要開展更多精細化研究工作。3.3 龜裂過程土體龜裂也是乾旱氣候作用的最典型結果之一，是一種很常見的自然現象。如前文所述，龜裂會極大弱化土體的力學性質，成數量級增加土體的滲透性，是導致邊坡和堤壩失穩、工程屏障系統失效、基礎設施開裂破壞、坡面水土流失加劇、土地退化等一系列工程地質問題和環境地質問題的直接誘因[77-79]。
土體龜裂現象看似簡單，事實上其發生發展過程極為複雜，受許多因素的影響，且涉及多個學科領域。關於龜裂的形成機理，學界尚沒有統一的認識，存在蒸發致裂、收縮致裂、空氣入侵等多種觀點[80]。唐朝生等[30]認為龜裂在本質上是土體發生張拉破壞的一種表現形式，必然是力學作用的結果。收縮空間和力學作用是土體產生龜裂的兩個必要條件。在乾燥過程中，含水量的減小會導致吸力的產生和土體收縮變形，而吸力或者土體收縮變形受到限制時會在土體中形成張拉應力場，當張拉應力的大小超過土體的抗拉強度時，裂隙便會產生（圖5（a））[81-83]。因此，吸力和抗拉強度是控制龜裂形成的兩個關鍵力學參數，從而明確了龜裂的力學機制[30, 32]。為了獲取這兩個關鍵力學參數，他們開展了大量針對性試驗，在模擬乾燥條件下同時測得了土體的抗拉強度和吸力隨含水率的變化規律，構建了抗拉強度特徵曲線（TSCC）與土水特徵曲線（SWCC）的對應關係，根據土體開裂時的臨界狀態進一步提出了土體龜裂預測力學模型（圖5（b））：
式中：st為土體的抗拉強度；sx為吸力引起的水平張拉應力；v為土體的泊松比；s為土吸力。該模型得到了試驗驗證，為從力學的角度預測龜裂的發育奠定了理論基礎。需要指出的是，在土體抗拉強度方面，雖然國內外有一些研究報導[84-86]，但這些研究幾乎都不是以解決龜裂問題為目的，且主要局限於特定壓實狀態的土樣，因此無論是試驗條件還是研究方法都不符合龜裂研究的要求，今後有必要在模擬龜裂發育過程的條件下圍繞該課題開展更系統和深入的研究。圖5 土體龜裂的形成及發育過程.（a）土體龜裂形成過程的力學機制示意圖；（b）土體TSCC、SWCC及開裂臨界狀態預測；（c）土體龜裂發育過程
Figure 5 Soil desiccation formation and propagation process.(a) Mechanical mechanism of soil desiccation cracking formation; (b) Soil STCC,SWCC and prediction of critical cracking state; (c) Soil desiccation crackingprocess以往人們習慣性地認為龜裂是隨機發育的，然而事實並非如此。由於土體物質成分和結構的非均質性，裂隙往往是從土體表面的一些「弱點」處率先產生，主要是因為「弱點」的存在會導致乾燥過程中局部收縮變形與周邊區域不協調，發生應力集中，從而觸發裂隙的形成[83]。裂隙一旦形成，局部的應變能得以釋放，拉應力便在裂隙的尖端產生集中，並在尖端的引導下，裂隙從水平方向和豎直方向繼續延伸，逐漸變寬加深，對土體進行再「切割」。這主要是因為裂隙的形成，一方面加速了局部水分的蒸發，張拉應力場相對其它區域發展更為迅速和劇烈；另一方面，裂隙形成後破壞了區域的應力場平衡，使裂隙邊面的土顆粒失去了部分約束，在吸力和表面張力的作用下向裂隙面兩邊重新排列，直到在新的位置上達到應力平衡，這在宏觀上即表現為裂隙變寬的過程。因此，從力學的角度而言，每一條裂隙的形成和發展都有其內在的必然性和確定性[87-90]。
依據龜裂發展的動態特徵，唐朝生等[72, 83, 91-93]將龜裂的發育過程區分為三個典型階段：主裂隙發育階段、子裂隙發育階段和穩定階段（圖8）。第一階段：在土樣的某些位置，首先產生單根裂隙，在裂隙尖端的「引導」下向前延伸和彎曲。這一類最先形成的孤立的裂隙稱之為主裂隙。隨著時間的推移，當相鄰的主裂隙靠的足夠近時，彼此似乎相互「吸引」並發展成近垂直相交，從而將土樣表面分割成若干較大的初級塊區，如圖5（c）中含水率區間w=38.7%~26.3%所示。第二階段：在初級塊區形成的同時或形成後，主裂隙上開始萌生新的裂隙，並近垂直於主裂隙發育，如圖5（c）中含水率區間w=30.5%~20.5%所示。這種從主裂隙上發育的分支裂隙稱為子裂隙，若干子裂隙將初級塊區細分成更多的次級塊區，直到與鄰近的另一主裂隙近垂直相交而停止發育。在某些面積比較大的次級塊區中，子裂隙上有可能進一步衍生出分支裂隙對次級塊區繼續「切割」。第三階段：當所有塊區面積都處於合理大小的穩定狀態後，儘管試樣的失水過程未結束，但是表面不再出現新生裂隙，裂隙網絡結構定型，隨著乾燥時間的延續，裂隙只是逐漸變寬並最終穩定，如圖5（c）中含水率區間w=14.3%~4.5%所示。可以看出，裂隙總體上垂直發育（圖5（c）），節點以「T」和「+」型為主，裂隙圍成的塊區以四邊形居多，這種現象主要對應於相對均質的土體裂隙有序發育的情形，其中的應變能有序釋放，可歸因於「最大張拉應力原理」 [72, 83]。因為龜裂發育是一種張拉破壞形式，裂隙發育方向總是垂直於最大拉應力方向。但土體經歷多次乾濕循環或者表面存在大量「弱點」時，裂隙往往不再有序發育，而是會同時在多個點位發育，此時裂隙節點以「Y」型較多，夾角以120度為主，這種現象可歸因於自然界中普遍適用的「最小能耗原理」 [55, 77, 82, 94]。
為了研究土體的龜裂，過去許多學者提出了不同的方法，基本建立了龜裂研究方法體系，主要分為三大類：室內模型試驗、原位觀測試驗和數值模擬仿真[95-97]。定量獲取龜裂網絡的幾何形態參數一直是龜裂研究的重要內容，對於評價土體的裂隙發育狀態、工程性質及潛在影響具有重要意義。早期的龜裂定量分析技術以現場手工測量為主，但測量結果易受人為和環境因素的幹擾，加之裂隙網絡幾何形狀異常複雜，實際操作過程中很難準確、全面獲得裂隙長度、寬度、面積、角度等參數。近些年來，隨著計算機科學的發展，圖像處理技術被廣泛用於龜裂網絡定量分析中[93, 98-102]。為了描述土體表面龜裂的發育程度，Miller 等[103]引入了裂隙強度因子（CIF）參數，定義為裂隙面積與土體總面積之比；Velde[104]和唐朝生等[92]利用數字圖像處理技術分析了裂隙的分形維數；袁俊平等[105]將遠距光學顯微鏡觀測系統應用於龜裂試驗，利用所獲得的裂隙圖像灰度熵作為裂隙發育程度的量度指標。上述定量分析方法各具特色，在一定程度上促進了龜裂研究的發展，所取得的成果加深了人們對龜裂演化規律的認識。但隨著試驗工作的不斷細化和理論研究的不斷深入，人們對龜裂圖像的處理效果、定量分析效率和參數計算精度的要求越來越高。為此，唐朝生等[93, 106]針對龜裂圖像的特點和量化要求，專門開發了一套土體龜裂圖像處理系統CIAS（免費下載：www.climate-engeo.com），該系統可實現裂隙圖像的二值化、橋接、去雜、智能識別、骨架化等前期處理，還可自動獲取裂隙面積、長度、寬度、條數、交角、間距、交點個數、連通係數、分形維數以及相關參數的分布特徵等，目前已經在國內外50多個科研機構得到成功應用，為龜裂研究提供了方便快捷的定量分析手段。
除此之外，CT、ERT、雷射掃描技術、數字圖像相關技術（DIC）、粒子圖像測速技術（PIV）等也被廣泛用於土體龜裂研究，在土體內部裂隙3D量化、原位監測、發育過程預測等方面取得了重要進展（圖6（a））[87, 107-111]。考慮到土體的龜裂發育是應變能集中和釋放的結果，因此應變場是控制土體龜裂發育的重要參量，但傳統的監測方法受技術限制，無法獲取土體內部應變場信息。近期，施斌團隊研發了基於分布式光纖傳感的土體變形開裂監測技術，基於獲得的土體內部應變場時空演化特徵，實現了裂隙發育的預測和精準定位（圖6（b）），為工程土體災變過程的早期識別提供了先進的技術手段[95, 112, 113]。相對於傳統監測技術，分布式光纖傳感監測技術是一類以光為載體，光纖為媒介的新型感測技術, 可分布式、長距離（達80公裡）、長壽命（大於30年）測量光纖沿線的變量信息，具有抗電磁幹擾、抗腐蝕、高靈敏度、高性價比和不漏檢等諸多優點，在區域性土體變形開裂監測方面具有無可比擬的優勢，是現代工程地質災害監測的重要發展方向，也是未來大地感知技術和大地感知工程的重要支撐[114]。圖6 土體龜裂的研究方法及蒸發-收縮-龜裂耦合作用.（a）土體龜裂發育過程DIC分析；（b）土體龜裂發育過程分布式光纖監測；（c）土體蒸發-收縮-龜裂耦合作用過程
Figure 6 Methods for soil desiccation cracking study and couplingbehavior of soil evaporation-shrinkage-desiccation cracking. (a) DIC analysis ofsoil desiccation cracking process; (b) Distributed optical fiber monitoring of soildesiccation cracking process; (c) Coupling behavior of soilevaporation-shrinkage-desiccation cracking3.4 蒸發-收縮-龜裂耦合作用關係乾旱氣候作用下土體的蒸發、收縮及龜裂過程並不是完全獨立的，而是彼此疊加相互耦合的，他們都跟土體的含水率變化有關（圖6（c））。蒸發是土體收縮和龜裂的前提和誘因，龜裂是土體乾燥失水或者收縮變形到一定程度的產物，而收縮和開裂又會影響孔隙水的傳輸遷移條件，進而影響蒸發速率。裂隙的擴展正是源於土體收縮變形所提供的空間，裂隙發育程度與土體的收縮特性顯然密不可分。因此，揭示土體的蒸發-收縮-龜裂耦合作用關係，對深入理解乾旱氣候作用下土體工程性質響應機制和採取正確的對策具有重要意義。基於蒸發特徵曲線和龜裂特徵曲線（圖6（c）），可以發現龜裂產生時土體的蒸發速率處於常速率階段，說明土體是飽和的，且大部分裂隙都在飽和階段發育完成，這修正了過去許多理論將土體龜裂完全歸類於純非飽和土力學問題的錯誤認識。有的學者認為土體開裂時對應的臨界含水率應該很低，或者土體處於比較幹的狀態，但試驗結果表明，土體可以在遠高於液限含水率的條件下發育龜裂，且開裂臨界含水率與蒸發速率密切相關。因此，在某種程度上，蒸發速率相對於開裂臨界含水率對龜裂機理研究更具有指導意義，明確蒸發速率與開裂臨界含水率之間的關係，應該是後續該課題研究的重要方向[72]。基於收縮特徵曲線與龜裂特徵曲線（圖6（c）），可以發現裂隙的發育始終伴隨孔隙比的減小，說明裂隙在本質上就是微觀孔隙收縮的宏觀反映，且開裂含水率對應於正常收縮階段，再次證實土體發育龜裂時處於飽和狀態，超過80%的裂隙都是在正常收縮階段完成發育。此外，收縮特徵曲線上的進氣值和縮限兩個特徵點同樣影響龜裂特徵曲線的變化趨勢，比如達到縮限後收縮變形和裂隙發育都發生終止，這說明土體的收縮特性一定程度上能反映了龜裂行為，兩條曲線上的特徵點具有相同的物理意義，利用收縮特徵曲線可對土體龜裂發育過程、最終狀態進行評價和預測[33]。
4 對策與建議乾旱氣候誘發的工程地質、環境地質問題或者災害具有多樣化和區域性的特點，而且未來呈現加劇趨勢，採取有效的措施來應對乾旱氣候並降低其不利影響對我國生態文明建設和經濟社會可持續發展至關重要。當前人類社會還不具備長時間、大範圍改變氣候的能力，因此最可行的途徑是提高地質工程的乾旱氣候適應性和氣候變化韌性。
考慮到地質工程的特點，筆者認為有兩套對策思路可供參考：第一，在工程的設計上，充分考慮氣候變化尤其是極端乾旱氣候的影響，在結構形式、工程規模、施工建設、抗變形能力等方面做出具備良好適應性的設計方案，提高地質工程韌性；第二，在工程規劃與選址上，儘量避開極端乾旱氣候發生頻率較高的地區或者對乾旱氣候比較敏感的地質體，同時開展相關技術研究，提高地質體的乾旱承載力。比如可根據乾旱氣候的工程地質作用特點對選址區域或可能產生災變區域的土體進行改性處理，其目的是提高土體的保水性，降低土體的收縮性和龜裂發育程度，進而提高其乾旱適應能力。常用的方法包括物理措施和化學措施，比如在土體中參入離散纖維加筋材料能顯著提高土體的抗裂性和強度[115-120]，在土體中加入STW生態高分子固化劑能降低黏性土的親水性和收縮性[121]。隨著人們對生態環境的重視程度越來越高，土體改性技術也越來越追求低碳和綠色。近年來，基於自然解決方案（NBS）的微生物土體改性技術成為國際研究熱點，代表性的有採用微生物成礦作用（MICP）對土體進行加固處理，無論在提高土體保水性、抗裂性和其他工程性質方面都表現出較好的效果，具有廣闊的應用前景，並發展出微生物工程地質研究方向[122-127]。
然而，必須要意識到的是，乾旱氣候工程地質作用及災變過程非常複雜，當前我國的綜合防災減災能力還比較薄弱。對於工程地質學科而言，今後有必要加強氣候變化及乾旱氣候對工程地質條件影響的基礎研究，尤其應該同氣象學科及相關學科開展交叉研究，強化國際合作與多部門聯動，提高氣象及工程地質災害監測與預警能力，提高災害風險管控能力，並制定相應的工程技術標準和法律法規。5 總結與展望在全球氣候變化的大背景下，極端氣候事件呈現頻發高發趨勢，引發各種工程地質問題及災害，給當前工程地質研究帶來許多新的挑戰，深入開展極端氣候工程地質作用及防災減災研究是現代工程地質學科的重要使命和發展方向。近年來，國內外學者圍繞乾旱氣候作用下土體工程性質響應過程及災變對策開展了大量研究，取得了如下主要創新成果：
（1）揭示了乾旱氣候作用下土體蒸發-收縮-龜裂過程及其耦合作用關係，構建了大氣-土體相互作用理論模型；
（2）掌握了乾旱氣候作用下土體內部熱/水/力/變形/結構等多場參數的時空演化規律及工程性質響應特徵，並分別從土質學、土結構和土力學等多學科角度闡明了相應的機理及災變過程；
（3）創建了土體龜裂研究方法體系，研發了基於物理、化學和生物原理的土質改性抗旱新技術，開發了土體變形及工程地質災害分布式光纖監測預警技術。
上述成果彌補了當前工程地質領域在乾旱氣象災害方面的研究空白，豐富了氣象成災理論體系，增強了工程地質界應對乾旱氣候事件的決策能力和綜合防災減災能力。
然而，大氣-地質體相互作用及災變過程非常複雜，主要體現在氣象因素的複雜性（風、霜、雨、雪、輻射等）、地質體響應的複雜性（幹、溼、冷、熱、蒸發、入滲、徑流、凍融等）、影響因素的複雜性（地形、地貌、巖性、構造活動等）、作用方式的複雜性（長期性、周期性等）幾個方面，今後非常有必要開展多學科交叉及多部門協同研究，並著重考慮多種極端氣候事件的交替作用和長期周期性作用，解決以下關鍵科學問題：（1）氣候變化及極端氣候事件近期預測模型；（2）極端氣候-地質體之間的物質能量交換規律；（3）極端氣候作用下地質體工程性質響應及災變機制；（4）大氣-地質體相互作用理論模型和災害風險管理模型。
這些問題的解決對提升工程地質界氣候變化應對能力和指導工程地質防災減災具有重要理論和現實意義。除此之外，還應該加強相關技術研究，如分布式光纖感測技術、基於自然解決方案的微生物地質工程技術、大數據與雲計算技術、人工智慧等，為工程地質防災減災提供先進的技術支撐。
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