漢陽陵帝陵外藏坑遺址溫度變化規(guī)律及預報模型

姚雪　趙凡　孫滿利

內容摘要：在對漢陽陵帝陵外藏坑遺址博物館進行長期環(huán)境監(jiān)測中，對遺址的空氣溫度和土體溫度的變化規(guī)律進行探討，得出該遺址土體溫度的預報模型，并驗證其可用性。研究結果表明，全封閉式土遺址博物館的土體溫度和空氣溫度之間存在一次線性函數(shù)關系，土體溫度預報模型的建立拓寬了遺址本體環(huán)境監(jiān)測的范圍。

關鍵詞：空氣溫度；土體溫度；變化規(guī)律；預報模型

中圖分類號：K854.3 文獻標識碼：A 文章編號：1000-4106（2014）06-0069-06

1. 前言

位于陜西咸陽的漢陽陵帝陵外藏坑遺址是我國第一座全封閉式土遺址博物館[1-5]，該館全封閉式的展陳模式將遺址保護區(qū)和參觀游覽區(qū)隔離開，避免了游人與遺址的直接接觸，全地下式建筑也減輕了環(huán)境因素導致的遺址破壞[6-7][3]。然而溫度、濕度、光輻射、空氣污染物、微生物及昆蟲活動等因素仍然在潛移默化中破壞著文物[8-16]。在這類因素作用下，文物材料不斷地發(fā)生老化變質，并逐漸走向消失，從而造成對文物使用壽命的嚴重威脅。根據(jù)郭宏在《文物保護環(huán)境概述》中的論述：“遺址文物的破壞通常是多個因素同時作用的后果，其中最基本最常發(fā)生作用的是文物所在環(huán)境的空氣溫濕度，它們是決定一切物理、化學、生物作用的兩個基本條件?！盵16]因此，本文以空氣溫度和土體溫度為研究對象，對漢陽陵帝陵外藏坑的溫度變化規(guī)律進行初步探究。

目前已有學者對漢陽陵帝陵外藏坑遺址的環(huán)境進行過長期追蹤及相關分析，研究主要集中在遺址的熱濕環(huán)境和病害成因方面。楊雅媚、曹軍曦認為漢陽陵外葬坑文物酥堿、風化的主要原因是大氣污染物及降塵通過空氣交換進入外葬坑，與土壤中的化學成分發(fā)生緩慢反應[17]；王靜、閆增峰通過追蹤評價該遺址的熱濕環(huán)境，對外藏坑遺址的建筑節(jié)能性進行評估，討論了遺址保護展廳存在的缺陷[6-7]；王覓通過對遺址的熱濕環(huán)境和頂面圍護結構的熱工性能進行分析，提出解決外藏坑頂面結露的技術措施[18]；王永進、馬濤等人通過離子色譜測定得出土體表面泛白為可溶鹽富集遷移產物[19]；李瑩瑩通過示蹤氣體衰減法定量證明了外藏坑圍護結構并非完全密閉，存在氣體交換[20]。

綜上所述，目前對漢陽陵帝陵外藏坑展陳環(huán)境方面的研究，主要成果有：1.初步了解了外藏坑遺址的熱濕環(huán)境規(guī)律，分析了該遺址博物館建筑上的不足；2.對外藏坑全地下式封閉博物館的建筑節(jié)能和熱工性能進行了評估，提出了改進意見；3.證明了外藏坑遺址并非完全密閉，得出氣體滲透速率。前期的研究為研究外藏坑遺址溫度規(guī)律提供了一定基礎，但仍存在以下不足：1.溫度規(guī)律研究主要針對外藏坑內空氣溫度，并未對遺址本體的溫度變化規(guī)律研究；2.缺少對遺址本體和遺址空氣溫度的對比分析研究，對二者間的相互關系仍不明確。本文將針對以上不足，研究全封閉式條件下室內土遺址的空氣溫度和土體溫度一個完整周期年的變化規(guī)律，通過對空氣溫度和土體溫度進行相關分析，得出該展陳模式下土體溫度的一般預報模型，通過空氣溫度即可算得土體內部溫度，為進一步研究該模式下土遺址的劣化機理提供數(shù)據(jù)支持。

2. 監(jiān)測點布設

根據(jù)監(jiān)測位置不同，監(jiān)測點分兩種，第一種點設置在每個外藏坑內土體表面，主要監(jiān)測外藏坑空氣中溫度的變化情況；第二種點設置在外藏坑底部土體內10-15cm左右，監(jiān)測土體內部溫度的變化情況，具體點位見圖1。

3. 溫度的時間變化規(guī)律

環(huán)境監(jiān)測自2011年6月起，研究時間為2011年6月—2012年5月，數(shù)據(jù)傳輸時間間隔為10min，監(jiān)測周期1d。分別選取K13、K14、K17、K21的溫度監(jiān)測點反映遺址的溫度變化。根據(jù)前期研究，室內環(huán)境相比大氣環(huán)境具有一定的滯后性，滯后期約為1個月?，F(xiàn)選取2011年8月、11月，2012年2月、5月代表一年中的夏、秋、冬、春季的變化。

3.1 空氣溫度的時間變化規(guī)律

表1為2011年6月—2012年5月各外藏坑的月均溫。根據(jù)表1制作各外藏坑年際變化圖，見圖2。

由圖2可以看出展廳內兩個區(qū)域外藏坑大氣溫度季節(jié)性變化規(guī)律一致。以K14為代表的二區(qū)，在一年中遺址氣溫的最大值出現(xiàn)在8月，最高溫約為24℃，進入9月份后，隨著外界氣溫轉涼，遺址內氣溫也隨之下降，至次年1月遺址內氣溫達到全年最低值約13℃，2月份之后氣溫逐漸回暖，至次年5月氣溫升至22℃。K13所處的一區(qū)氣溫變化趨勢規(guī)律和K14-K17所處的二區(qū)一致，但數(shù)值略高2.5—3℃且存在一個月的滯后期，這是由于它所處的一區(qū)相對于二區(qū)較小，小型封閉式展示區(qū)域環(huán)境穩(wěn)定性差，調節(jié)能力弱，狹小的空間使得遺址內空氣與外界空氣的交換速率降低，應對外界環(huán)境變化的能力滯后。綜上，根據(jù)氣溫年際變化圖可知遺址內空氣溫度季節(jié)性變化明顯，溫差明顯，年度氣溫變化值約為10℃。季節(jié)性溫差是導致遺址緩慢風化的原因之一。

3.2 土體溫度的時間變化規(guī)律

通過對土體內部溫度的日監(jiān)測數(shù)據(jù)和月監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理對比發(fā)現(xiàn)，土體內部溫度的日變化小于0.05℃，月變化小于0.3℃，在研究土體內部溫度變化規(guī)律時，以月均溫代表當月土體溫度進行年際變化規(guī)律的總結。表2是對K13、K14、K17、K21自2011年6月至2012年5月土體內部溫度數(shù)據(jù)的整理。圖3為土體溫度年際變化曲線圖。

由圖3可知，各外藏坑遺址土體內部溫度變化趨勢一致，除K21的6月、7月氣溫點出現(xiàn)差異外，其余各點規(guī)律性較強。以K14為例，土體內部溫度最高值出現(xiàn)在9月，最高溫約為22℃，10月份后氣溫逐漸下降，月降幅均為2℃，至次年2月土體溫度達到全年最低值為11℃，3月份后隨著外界氣溫回暖，土體內部溫度逐漸上升，升幅穩(wěn)定，月升溫約2℃，至6月氣溫基本穩(wěn)定。土體內部溫度由南至北具有一定的滯后性，土體內部溫度變化幅度較平均，響應外界環(huán)境變化的能力相當；由于土的比熱容大于空氣比熱容，因此，土體內部溫度變化幅度比外藏坑內氣溫變化幅度小，且使得土體響應外界環(huán)境變化時出現(xiàn)滯后效應，滯后期約為1個月，全年溫差為10℃。K21出現(xiàn)偏差較大點考慮為該處監(jiān)測點數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)問題。

4. 預報模型的建立及驗證

遺址區(qū)處于相對封閉的環(huán)境，從圖2和圖3可以看出遺址空氣溫度與土體溫度年際變化規(guī)律，二者關聯(lián)性非常強，因此，選取K13和K17分別代表遺址內部的一區(qū)和二區(qū)，研究空氣溫度與土體溫度間的關聯(lián)性。表3為2011年6月至2012年5月遺址展示區(qū)氣溫與土體溫度的月均值。圖4、5分別為K13和K17的土溫—空氣溫度對比圖。

從圖4、5中可以看出，溫度隨時間的變化呈正弦函數(shù)，同一外藏坑的氣溫與土溫年際變化規(guī)律一致，相關性強。在6、7、8三個月土溫隨著氣溫的升高而升高，逐漸達到全年溫度的最大值，即正弦函數(shù)的頂點，9月之后隨著外界大氣環(huán)境轉涼，土溫隨空氣溫度的下降而下降，至次年2月時，氣溫與土溫均降至全年溫度的最低點，3月進入春天后，土溫又隨著氣溫的升高而升高，直至進入下一個循環(huán)。將2011年6月至2012年5月的月均氣溫、土溫進行線性擬合得到圖6、圖7。

K13土體溫度預報方程

Y=-0.19086+0.80133x （1）

式（1）中y為土體溫度，x為空氣溫度。從圖中可以看出，土溫隨氣溫變化呈現(xiàn)良好的線性關系，擬合曲線為一次增函數(shù)，這表明土溫隨氣溫的升高而升高。

現(xiàn)采用2012年6月至12月的監(jiān)測數(shù)據(jù)來對土體溫度預報模型進行模型驗證及推廣。表4為K13在2012年6月至2012年12月的模型驗證。

通過表4的驗證，可以看出式（1）的絕對誤差最大為1.1，最小為0.58，相對誤差最大為5.6%，最小為3.5%，證明此模型適用于該處遺址的土溫預報。

K17土體溫度預報方程

Y=-0.99089+0.90628x （2）

式（2）中y為土體溫度，x為空氣溫度。從圖中可以看出，土溫隨氣溫變化呈現(xiàn)良好的線性關系，擬合曲線為一次增函數(shù)，這表明土溫隨氣溫的升高而升高。

現(xiàn)采用2012年6月至12月的監(jiān)測數(shù)據(jù)來對土體溫度預報模型進行模型驗證及推廣。表5為K13在2012年6月至2012年12月的模型驗證。

通過表5的驗證，可以看出式（2）的絕對誤差最大為1.51，最小為0.41，相對誤差最大為8.28%，最小為2.5%，證明此模型適用于該處遺址的土溫預報。

式（1）式（2）中，K17的斜率大于K13的斜率，這說明K17土體溫度較K13更容易受空氣溫度影響，K13由于所處空間相對狹小獨立，空氣流通不暢，因此溫度變化較緩慢，而K17所處的二區(qū)空間大起架高，空氣流通較快，土體溫度對氣溫變化的響應較快，因此K17所處的二區(qū)環(huán)境相對于一區(qū)可調控性較強。

5. 結論

通過對漢陽陵帝陵外藏坑遺址空氣溫度和土體溫度進行一個完整周期年的監(jiān)測，得出全封閉式土遺址博物館溫度變化的一般規(guī)律如下：

1.全封閉式土遺址博物館的空氣溫度和土體溫度呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化規(guī)律?？諝鉁囟扔诿磕?月、9月達到全年最高值，約為24-27℃，10月后氣溫逐漸降低，至次年1月和2月溫度達到全年最低值約為13℃，3月后氣溫逐漸回暖，至5月氣溫增至22℃。土體溫度變化趨勢與空氣溫度一致，但存在一個月的滯后期。由于全地下式建筑良好的隔熱性和玻璃廊道的隔離，遺址內部空氣溫度和土體溫度溫差較小，年較差均為10℃。

2.土體內部溫度和空氣溫度存在一次線性關系，數(shù)據(jù)驗證誤差較小，適用于該遺址的土體溫度預報。土體溫度預報模型的建立擴大了土體溫度的獲取范圍，可以通過空氣溫度計算得出土體溫度，避免了傳統(tǒng)鉆孔埋點獲取土體溫度對遺址造成的破壞。

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