西北地區(qū)典型夯土遺址溫度時空變化規(guī)律研究*

崔 凱 陳思雨 安欣悅 王冠眾

(①蘭州理工大學(xué)甘肅省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室， 蘭州 730050， 中國) (②蘭州大學(xué)西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點實驗室， 蘭州 730000， 中國) (③西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心， 蘭州 730050， 中國)

0 引 言

夯土版筑作為一種取材、制取簡便和歷史久遠的建造技藝被廣泛地應(yīng)用于生土建筑領(lǐng)域(崔凱等， 2012)。我國西北地區(qū)由于氣候干燥、地表全新世土狀沉積物分布廣泛，大量夯土建筑遺址得以留存至今。

表 1 監(jiān)測點具體信息Table1 Specific information of monitoring points

季節(jié)和晝夜溫度變化顯著是該地區(qū)顯著的氣候特征，露天保存的夯土遺址在長期遭受氣溫變化作用正在經(jīng)歷著由病害發(fā)育到整體消亡的緩慢過程。相關(guān)研究表明劇烈的溫度變化與夯土體熱脹冷縮、熱應(yīng)力集中以及鹽分的運移與相變均有密切的關(guān)系，是加劇夯土遺址劣化的重要因素(Jia， 2012； Shao et al.， 2013； 陳毅， 2018； Cui， 2019； 李仁杰等， 2019； 曲瑾等， 2020)。遺址內(nèi)部不同位置土體溫度的時空分布以及對環(huán)境變化的響應(yīng)程度與規(guī)律對遺址的劣化形式與進程具有關(guān)鍵性的控制作用。

溫度變化對夯土遺址帶來多種不利影響，對其長期保存產(chǎn)生了極大威脅，因此而引起了廣大學(xué)者的諸多關(guān)注。趙海英等(2003)、Hall et al.(2005)、唐朝生等(2011)、豆靜杰等(2015)認為溫度會促進蒸發(fā)作用產(chǎn)生，從而加速墻體的劣化。梁濤(2009)研究指出吐魯番高溫、強蒸發(fā)的氣候條件加快了鹽向墻體表面的運移速率。張虎元等(2009，2018)發(fā)現(xiàn)在結(jié)皮的發(fā)育過程中，溫度起了極為重要的作用，并通過實驗對結(jié)皮的形成過程進行模擬，發(fā)現(xiàn)結(jié)皮形成后，溫度會促使結(jié)皮與母墻存在熱流量差，熱流量積累導(dǎo)致結(jié)皮層與母墻之間的土體發(fā)生熱脹現(xiàn)象進而加劇土體表層劣化。謝振斌等(2005)認為溫濕度變化是水井坊遺址酒窖產(chǎn)生開裂、酥粉現(xiàn)象的主要因素。秦愛芳等(2019)、張斌等(2020)通過試驗發(fā)現(xiàn)溫度對土體固結(jié)能力具有顯著影響，而夯土遺址體強度與土體固結(jié)能力息息相關(guān)。雖然眾多學(xué)者對溫度作用下土體性質(zhì)變化已經(jīng)有了較為廣泛和深入的研究，然而夯土遺址是具有顯著地域、時代和工藝屬性的一定體量生土建筑，其內(nèi)部不同位置土體溫度的時空分布、對環(huán)境響應(yīng)程度與規(guī)律極為復(fù)雜，但相應(yīng)的針對性的研究尚未展開。

基于以上認識，研究選擇位于西北地區(qū)不同氣候區(qū)3處明長城遺址作為同一區(qū)域、時代和工藝條件下相似體量夯土遺址的典型研究樣本，通過年度4個季節(jié)現(xiàn)場夯土遺址內(nèi)部溫度及環(huán)境溫度逐時聯(lián)合觀測與分析，試圖揭示了不同氣候條件下典型夯土遺址內(nèi)部溫度的時空變化以及其對環(huán)境溫度變化的響應(yīng)規(guī)律，為研究溫度對夯土遺址劣化的影響以及熱劣化的防治提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 監(jiān)測對象與方案

1.1 監(jiān)測對象的選取

為了揭示西北地區(qū)不同氣候區(qū)夯土遺址內(nèi)部溫度時空變化規(guī)律，典型遺址點的選取要對氣候環(huán)境與建筑形制具有廣泛代表性。因此，現(xiàn)場的監(jiān)測工作選擇在西北地區(qū)分布最廣、規(guī)模最大和類型最豐富的線性夯土遺址明長城遺址上開展，根據(jù)該地區(qū)近30a(1981～2012年)的氣象資料(氣象局收集)的分析和遺址代表性的選擇結(jié)果(表 1)，選擇甘肅省山丹縣明長城豐城堡鎮(zhèn)城堡為干旱區(qū)遺址代表、甘肅省永靖縣鹽鍋峽鎮(zhèn)明長城烽燧為半干旱區(qū)遺址代表、青海省湟中縣上新莊鎮(zhèn)明長城墻體為半濕潤區(qū)遺址代表。(下文將上述3處遺址分別簡稱為山丹夯土遺址、永靖夯土遺址和湟中夯土遺址)

表 2 3處夯土遺址四季監(jiān)測時間Table2 Monitoring time of 3 rammed earth sites in four seasons

1.2 監(jiān)測方法與過程

3處典型遺址點的現(xiàn)場監(jiān)測時間如表 2所示。每處遺址每次監(jiān)測總時長為24h， 0：00開始、24：00結(jié)束，期間每隔兩小時采集一次數(shù)據(jù)。監(jiān)測內(nèi)容包含空氣和遺址不同部位夯土的溫度監(jiān)測。環(huán)境溫度監(jiān)測儀器為FLUKE971溫濕度記錄儀，溫度測量范圍：-30～65℃，精度0.5℃； 遺址夯土溫度監(jiān)測儀器POGO便攜式土壤多參數(shù)速測儀，溫度測量范圍-20～55℃，精度0.1℃。

為了避免對遺址造成損傷，監(jiān)測在天然斷面上進行。監(jiān)測點布置時要避開病害嚴重、墻體脆弱經(jīng)不住人為擾動的部位； 遺址縱向夯層明顯可辨，監(jiān)測點布置時以夯層為單位，每個夯層布置一排或兩排監(jiān)測點，橫向監(jiān)測點間距控制在10～15cm之間。監(jiān)測點要避開兩夯層間的層面。以地面和遺址腳趾處為原點建立獨立坐標系，確定各監(jiān)測點坐標位置， 3處遺址監(jiān)測點及坐標的具體布置情況如圖 1所示。圖中X表示監(jiān)測斷面寬度，Y表示監(jiān)測斷面寬度(與后文圖中X，Y表示含義相同)。

圖 1 夯土遺址監(jiān)測點布置圖Fig. 1 Arrangement of monitoring points on earthen sites a. 山丹夯土遺址; b. 永靖夯土遺址; c. 湟中夯土遺址

圖 2 夯土遺址環(huán)境溫度變化圖Fig. 2 Graph of environmental temperature of rammed earth sites a. 山丹遺址點; b. 永靖遺址點; c. 湟中遺址點

2 監(jiān)測結(jié)果

2.1 環(huán)境溫度監(jiān)測結(jié)果

山丹夯土遺址四季環(huán)境溫度的監(jiān)測結(jié)果顯示(圖 2a)： ①春季、秋季和冬季3個監(jiān)測日24h內(nèi)遺址環(huán)境溫度變化可分為3個階段，0： 00～8：00為第1降溫階段，8： 00～14：00為升溫階段，14： 00～22：00為第2降溫階段； 夏季監(jiān)測日時段劃分出現(xiàn)差異，即0： 00～6：00為降溫階段，6： 00～16：00為升溫階段，16： 00～22：00為第2降溫階段。②春、夏、秋和冬季4個監(jiān)測日的最低氣溫在第1降溫階段的終點出現(xiàn)，最高溫度在升溫階段的終點出現(xiàn)，春季最低溫度可達-0.9℃，夏季可達15.5℃，秋季可達8.4℃，冬季可達8.9℃； 春季最高溫度可達16.7℃，夏季可達31.8℃，秋季可達21.2℃，冬季可達4.9℃。

永靖夯土遺址四季環(huán)境溫度的監(jiān)測結(jié)果顯示(圖 2b)： ①春季、秋季和冬季3個監(jiān)測日24h內(nèi)遺址環(huán)境溫度變化可分為3個階段，0： 00～8：00為第1降溫階段，8： 00～14：00為升溫階段，14： 00～22：00為第2降溫階段； 夏季監(jiān)測日時段劃分出現(xiàn)差異，即0： 00～6：00為第1降溫階段，6： 00～16：00為升溫階段，16： 00～22：00為第2降溫階段。②春、夏、秋和冬季4個監(jiān)測日的最低氣溫在第1降溫階段的終點出現(xiàn)，最高溫度在升溫階段的終點出現(xiàn)，春季最低溫度可達-0.5℃，夏季可達18.4℃，秋季可達4.4℃，冬季可達-8.2℃； 春季最高溫度可達16.9℃，夏季可達31.6℃，秋季可達20.1℃，冬季可達4.3℃。

湟中夯土遺址四季環(huán)境溫度監(jiān)測結(jié)果顯示(圖 2c)： ①春季、秋季和冬季， 3日24h內(nèi)遺址環(huán)境溫度變化可分為3個階段，0： 00～8：00為第1降溫階段，8： 00～14：00為升溫階段，14： 00～22：00為第2降溫階段； 夏季時段劃分出現(xiàn)差異，即0： 00～6：00為第1降溫階段，6： 00～16：00為升溫階段，16：00～22：00為第2降溫階段。②春、夏、秋和冬季4個監(jiān)測日的最低氣溫在第1降溫階段的終點出現(xiàn)，最高溫度在升溫階段的終點出現(xiàn)，春季最低溫度可達4.7℃，夏季可達18.9℃，秋季可達6.8℃，冬季可達-7.7℃； 春季最高溫度可達18.6℃，夏季可達30.2℃，秋季可達18.2℃，冬季可達8℃。

從以上3處典型夯土遺址的四季環(huán)境溫度的監(jiān)測結(jié)果可以看出其四季監(jiān)測日環(huán)境溫度變化具有相同的時間特征，但由于這3處夯土遺址所處的氣候區(qū)域不同，因而在相應(yīng)季節(jié)溫度的具體數(shù)值上具有一定差異。

2.2 遺址溫度監(jiān)測結(jié)果

圖 3 夯土遺址四季溫度時空分布Fig. 3 Temporal and spatial distribution of temperature in four seasons at rammed earth sites a. 山丹夯土遺址四季溫度時空分布圖； b. 永靖夯土遺址四季溫度時空分布圖； c. 湟中夯土遺址四季溫度時空分布圖 注：圖中每處遺址同一時間測得的所有監(jiān)測點溫度為一組，每組監(jiān)測溫度添加一個擬合曲面

山丹夯土遺址監(jiān)測斷面的監(jiān)測結(jié)果顯示(圖 3a)： ①春季、秋季和冬季， 3日24h內(nèi)遺址所有監(jiān)測點溫度變化可分為3個階段，0： 00～8：00為第1降溫階段，8： 00～16：00為升溫階段，16： 00～22：00為第2降溫階段； 夏季時段劃分出現(xiàn)差異，即0：00～6：00為第1降溫階段，6： 00～18：00為升溫階段，18： 00～22：00為第2降溫階段。②4個季節(jié)監(jiān)測日內(nèi)第1、第2降溫階段遺址頂部和底部監(jiān)測點較中部監(jiān)測點溫度稍高，各監(jiān)測點溫度呈凸面狀分布； 升溫階段遺址頂部和底部監(jiān)測點較中部監(jiān)測點溫度稍低，各監(jiān)測點溫度呈凹面狀分布。監(jiān)測點間的縱向溫差明顯，同一時刻監(jiān)測點間春季的縱向溫差為0.9～2.2℃，夏季縱向溫差為0.3～2.2℃，秋季縱向溫差為0.9～1.6℃，冬季縱向溫差為1～1.6℃； 橫向監(jiān)測點間的溫差不夠顯著，均為0.1～0.2℃。③所有監(jiān)測點各季節(jié)各階段溫度變化區(qū)間不同，第1降溫階段春季溫度變化區(qū)間為[-0.2℃， 4.9℃]、夏季為[16℃， 20.1℃]、秋季為[8.8℃， 14.3℃]、冬季為[-10.1℃，-6.5℃]。升溫階段春季溫度變化區(qū)間為[-0.2℃， 15.3℃]、夏季為[16℃， 30.7℃]、秋季為[8.8℃， 20.2℃]、冬季為[-10.1℃， 3.6℃]。第2降溫階段春季溫度變化區(qū)間為[2.8℃， 15.3℃]、夏季為[21℃， 30.7℃]、秋季為[13.7℃， 20.2℃]、冬季為[-9.5℃， 3.6℃]。其中春秋冬季監(jiān)測日內(nèi)山丹監(jiān)測斷面最低溫度出現(xiàn)在8：00，最高溫出現(xiàn)在16：00； 夏季監(jiān)測日內(nèi)監(jiān)測斷面最低溫出現(xiàn)在6：00，最高溫出現(xiàn)在18：00。

永靖夯土遺址監(jiān)測斷面的監(jiān)測結(jié)果顯示(圖 3b)： ①春季、秋季和冬季， 3日24h內(nèi)遺址所有監(jiān)測點溫度變化可分為3個階段，0： 00～8：00為第1降溫階段，8： 00～16：00為升溫階段，16： 00～22：00為第2降溫階段； 夏季時段劃分出現(xiàn)差異，即0：00～6：00為第1降溫階段，6： 00～18：00為升溫階段，18： 00～22：00為第2降溫階段。②4個季節(jié)監(jiān)測日內(nèi)第1、第2降溫階段遺址頂部和底部監(jiān)測點較中部監(jiān)測點溫度稍高，各監(jiān)測點溫度呈凸面狀分布； 升溫階段遺址頂部和底部監(jiān)測點較中部監(jiān)測點溫度稍低，各監(jiān)測點溫度呈凹面狀分布。監(jiān)測點間的縱向溫差明顯，同一時刻監(jiān)測點間春季的縱向溫差為0.6～1.1℃，夏季縱向溫差為0.6～1.3℃，秋季縱向溫差為0.3～1℃，冬季縱向溫差為0.8～1.1℃； 橫向監(jiān)測點間的溫差不夠顯著，均為0.1～0.2℃。③所有監(jiān)測點各季節(jié)各階段溫度變化區(qū)間不同，第1降溫階段春季溫度變化區(qū)間為[6℃， 9.1℃]、夏季為[19.6℃， 24.2℃]、秋季為[6.6℃， 9.9℃]、冬季為[-7.5℃，-5.1℃]。升溫階段春季溫度變化區(qū)間為[6℃， 17.6℃]、夏季為[28.3℃， 29.6℃]、秋季為[6.6℃， 17.1℃]、冬季為[-7.5℃， 2.1℃]。第2降溫階段春季溫度變化區(qū)間為[7.8℃， 17.6℃]、夏季為[23.6℃， 29.6℃]、秋季為[8.6℃， 17.1℃]、冬季為[-5.6℃， 2.1℃]。其中春秋冬季監(jiān)測日內(nèi)永靖監(jiān)測斷面最低溫度出現(xiàn)在8：00，最高溫出現(xiàn)在16：00； 夏季監(jiān)測日內(nèi)監(jiān)測斷面最低溫出現(xiàn)在6：00，最高溫出現(xiàn)在18：00。

湟中夯土遺址監(jiān)測斷面的監(jiān)測結(jié)果顯示(圖 3c)： ①春季、秋季和冬季， 3日24h內(nèi)遺址所有監(jiān)測點溫度變化可分為3個階段，0： 00～8：00為第1降溫階段，8： 00～16：00為升溫階段，16： 00～22：00為第2降溫階段； 夏季時段劃分出現(xiàn)差異，即0：00～6：00為第1降溫階段，6： 00～18：00為升溫階段，18： 00～22：00為第2降溫階段。②4個季節(jié)監(jiān)測日內(nèi)第1、第2降溫階段遺址頂部和底部監(jiān)測點較中部監(jiān)測點溫度稍高，各監(jiān)測點溫度呈凸面狀分布； 升溫階段遺址頂部和底部監(jiān)測點較中部監(jiān)測點溫度稍低，各監(jiān)測點溫度呈凹面狀分布。監(jiān)測點間的縱向溫差明顯，同一時刻監(jiān)測點間春季的縱向溫差為0.9～1.6℃，夏季縱向溫差為0.6～2.3℃，秋季縱向溫差為0.5～1.9℃，冬季縱向溫差為0.9～1.6℃； 橫向監(jiān)測點間的溫差不夠顯著，均為0.1～0.2℃。③所有監(jiān)測點各季節(jié)各階段溫度變化區(qū)間不同，第1降溫階段春季溫度變化區(qū)間為[0.8℃， 6.5℃]、夏季為[20℃， 22.5℃]、秋季為[5℃， 6.7℃]、冬季為[-9.4℃，-4.8℃]。升溫階段春季溫度變化區(qū)間為[0.8℃， 15.8℃]、夏季為[20℃， 30.6℃]、秋季為[5℃， 19.1℃]、冬季為[-10.5℃， 3.6℃]。第2次降溫階段春季溫度變化區(qū)間為[7.4℃， 15.8℃]、夏季為[18.7℃， 30.6℃]、秋季為[7.6℃， 19.1℃]、冬季為[-4.9℃， 3.6℃]。其中春秋冬季監(jiān)測日內(nèi)湟中監(jiān)測斷面最低溫度出現(xiàn)在8：00，最高溫出現(xiàn)在16：00； 夏季監(jiān)測日內(nèi)監(jiān)測斷面最低溫出現(xiàn)在6：00，最高溫出現(xiàn)在18：00。

從以上3處典型夯土遺址斷面監(jiān)測點的四季溫度的監(jiān)測結(jié)果可以看出處于西北地區(qū)不同氣候區(qū)3處遺址溫度變化存在以下特征： ①從時間角度來看， 3處遺址各監(jiān)測點溫度隨時間的變化均存在明顯階段屬性，即可按溫度變化趨勢將其劃分為第1降溫階段、升溫階段以及第2降溫階段； 此外，階段性時長變化亦具有顯著的季節(jié)屬性，即春、秋、冬季3個溫度變化階段歷時時長相同，夏季則與之不同。②從空間角度來看， 3處遺址斷面監(jiān)測點的溫度在不同溫度變化階段呈不同的空間分布特征，即在第1、第2降溫階段各監(jiān)測點溫度在空間上呈凸面狀分布，升溫階段呈凹面狀分布； 而且在任意時刻具有監(jiān)測點縱向溫度差異明顯大于橫向溫度差異的普遍特征。③3處夯土遺址各季節(jié)溫度變化階段區(qū)間閾值存在明顯的地域?qū)傩裕聪嗤瑴囟茸兓A段同一季節(jié)3處夯土遺址溫度變化區(qū)間上、下限因所處氣候區(qū)域不同而產(chǎn)生差異。

3 分析與討論

綜合以上3處夯土遺址四季環(huán)境溫度以及遺址斷面溫度監(jiān)測結(jié)果可知，位于干旱區(qū)、半干旱區(qū)和半濕潤區(qū)夯土遺址四季的環(huán)境與遺址監(jiān)測斷面溫度變化具有以下規(guī)律： ①3處遺址四季監(jiān)測日環(huán)境溫度及斷面監(jiān)測點溫度隨時間變化階段性劃分具有高度的一致性，即無論任何季節(jié)均可分為第1降溫階段、升溫階段和第2降溫階段3個階段。②3處遺址四季監(jiān)測日環(huán)境溫度及斷面監(jiān)測點溫度隨時間變化階段的起止時間出現(xiàn)共同的差異性，即四季兩者第1降溫階段起止時間相同； 而遺址斷面監(jiān)測點升溫階段持續(xù)時間較環(huán)境升溫階段延長2h，第2降溫階段持續(xù)時長則縮短了2h。③3處遺址四季監(jiān)測日環(huán)境溫度與斷面監(jiān)測點溫度的大小關(guān)系在不同階段亦具有一致性，即四季遺址斷面的任意監(jiān)測點溫度在第1降溫階段、第2降溫階段中均大于環(huán)境溫度，而在升溫階段中則均小于環(huán)境溫度。

從以上定性分析可以得出3處位于不同氣候區(qū)域的典型夯土遺址斷面監(jiān)測點在4個季節(jié)監(jiān)測日中具有一致性的時空變化規(guī)律，并且遺址斷面監(jiān)測點溫度對環(huán)境溫度變化存在規(guī)律性的響應(yīng)。因此，有必要在定性分析的基礎(chǔ)上，從定量的角度來揭示四季夯土遺址斷面監(jiān)測點的時空分布以及其對環(huán)境變化的響應(yīng)。

3.1 遺址斷面溫度時空變化規(guī)律

通過以上3處夯土遺址斷面四季溫度時空變化規(guī)律的定性分析，可知監(jiān)測日內(nèi)遺址斷面監(jiān)測點溫度自升溫階段止點(當日最高溫度點)呈下降趨勢，并在第1降溫階段止點達到最小值； 監(jiān)測日內(nèi)遺址斷面內(nèi)監(jiān)測點溫度在升溫階段整體呈上升趨勢，并在升溫階段的結(jié)束時間點達到最大值?；谝陨弦?guī)律，選取第1降溫階段止點(春秋冬8：00，夏6：00)以及升溫階段的止點(春秋冬16：00，夏18：00)的遺址斷面監(jiān)測點溫度作為夯土遺址時空規(guī)律進行定量化研究的典型代表。

對以上時間點的夯土遺址斷面監(jiān)測點溫度進行擬合分析，分析結(jié)果顯示(圖 4、表 3)： ①四季3處遺址典型時間點斷面監(jiān)測點溫度的擬合方程T=a+bx+cy+dx2+ey2(式中：x、y分別表示監(jiān)測點的橫向和縱向位置)的相關(guān)性系數(shù)均大于0.8，表明其具有良好的相關(guān)性； 第1降溫階段止點遺址斷面監(jiān)測點溫度的擬合方程系數(shù)d、e小于0，擬合曲面呈凸狀。升溫階段止點遺址斷面監(jiān)測點溫度的擬合方程系數(shù)d、e大于0，擬合曲面呈凹狀。②四季3處遺址典型時間點斷面監(jiān)測點同一地點同一時刻擬合方程的系數(shù)c的絕對值大于b的絕對值，e的絕對值大于d的絕對值，y變化對T值的影響大于x變化對T值的影響。

由2.2節(jié)所反映出的定性特征和以上定量結(jié)果聯(lián)合分析，表明四季3處遺址點溫度變化特征與定量分析結(jié)果構(gòu)成了很好的呼應(yīng)，共同顯示處于西北地區(qū)不同氣候區(qū)3處遺址溫度變化存在時空變化規(guī)律： ①3處遺址各監(jiān)測點溫度按變化趨勢可分為第1降溫階段(春秋冬0： 00～8：00，夏0： 00～6：00)、升溫階段(春秋冬8： 00～16：00，夏6： 00～18：00)以及第2降溫階段(春秋冬16： 00～24：00，夏18：00～24：00)。②第1、第2降溫階段四季3處遺址斷面各監(jiān)測點溫度呈凸狀曲面分布，擬合方程符合二元二次方程法則，二次項系數(shù)均小于0，方程中y、y2項系數(shù)絕對值分別大于x、x2項系數(shù)絕對值。③升溫階段四季3處遺址斷面各監(jiān)測點溫度呈凹狀曲面分布，擬合方程符合二元二次方程法則，其中二次項系數(shù)均大于0，方程中y、y2項系數(shù)絕對值分別大于x、x2項系數(shù)絕對值。

圖 4 山丹夯土遺址四季典型時間點溫度空間分布及擬合結(jié)果Fig. 4 The fitting result and spatial regularity of temperature in typical time four seasons of Shandan Rammed Earth Site a. 山丹2018.3.19 8：00(春)； b. 山丹2018.3.19 16：00(春)； c. 山丹2017.7.31 6：00(夏); d. 山丹2017.7.31 18：00(夏); e. 山丹2017.9.28 8：00(秋); f. 山丹2017.9.28 16：00(秋); g. 山丹2018.1.11 8：00(冬); h. 山丹2018.1.11 16：00(冬)

表 3 四季永靖與湟中夯土遺址斷面監(jiān)測點溫度擬合分析結(jié)果Table3 The temperature fitting equations at the monitoring points of the Yongjing and Huangzhong rammed earth sites in the four seasons

3.2 遺址溫度對環(huán)境響應(yīng)規(guī)律

由以上定性分析結(jié)果亦可知四季3處遺址斷面監(jiān)測點溫度對環(huán)境溫度變化存在規(guī)律性的響應(yīng)。為了進一步尋找這種規(guī)律性響應(yīng)中可能存在的量化對應(yīng)關(guān)系，基于監(jiān)測點溫度變化與環(huán)境溫度變化的響應(yīng)關(guān)系本文特提出特征值——響應(yīng)速率，對兩者之間可能存在的量化對應(yīng)關(guān)系進行研究。

定義響應(yīng)速率為某一階段內(nèi)遺址斷面監(jiān)測點溫度變化速率與環(huán)境溫度變化速率的比值，用I表示。夯土遺址溫度在某一階段的平均變化速率用K1表示，公式如式(1)，其中，ΔT1為某階段夯土遺址的溫度變化量； Δt1表示相應(yīng)階段時間的變化量； 環(huán)境溫度在某一階段的平均變化速率用K2表示，公式如式(2)，其中，ΔT2為該階段環(huán)境溫度的變化量； Δt2表示該階段時間的變化量。響應(yīng)速率公式可表示為式(3)。

(1)

(2)

(3)

對3處夯土遺址四季第1降溫階段、升溫階段以及第2降溫階段3個溫度變化階段的溫度響應(yīng)速率進行處理與分析，分析結(jié)果顯示(圖 5、表 4)： ①四季3處夯土遺址的3個溫度變化階段響應(yīng)速率的擬合方程I=a+bx+cy+dx2+ey2(式中：x、y分別表示監(jiān)測點的橫向和縱向坐標位置)的相關(guān)性系數(shù)均大于0.64，表明其具有良好的相關(guān)性； ②四季3處遺址斷面監(jiān)測點同一地點同一階段擬合方程的系數(shù)c的絕對值大于b的絕對值，e的絕對值大于d的絕對值，y變化對I值的影響大于x變化對I值的影響。因而響應(yīng)速率在縱向上的變化明顯大于橫向上的變化。③四季3處遺址在第2降溫階段的響應(yīng)速率最大，升溫階段的響應(yīng)速率相對最小。④四季3處夯土遺址監(jiān)測斷面溫度響應(yīng)速率在3個溫度變化階段中均具有縱向上中部最小，頂部和底部相對較大，橫向上中部最小，兩側(cè)最大的變化規(guī)律。

圖 5 山丹夯土遺址四季響應(yīng)速率空間分布圖Fig. 5 Spatial distribution map of response rate in four seasons of Shandan rammed earth site a. 春季； b. 夏季； c. 秋季； d. 冬季

表 4 四季不同溫度變化階段永靖夯土遺址及湟中夯土遺址斷面監(jiān)測點響應(yīng)速率擬合方程各項系數(shù)值Table4 The coefficient values of the fitting equations for the response rate of the monitoring points of the Yongjing rammed earth site and Huangzhong rammed earth site at different temperature changes in the four seasons

3.3 討 論

以上四季3處夯土遺址斷面溫度監(jiān)測結(jié)果與分析研究顯示：位于不同氣候區(qū)域的3處典型夯土遺址監(jiān)測斷面在4個季節(jié)每個溫度變化階段的縱向溫度均具有顯著的變化范圍以及響應(yīng)速率變化，即遺址溫度變化范圍以及響應(yīng)速率由頂部和底部向中部遞減； 同時橫向上遺址溫度變化范圍以及響應(yīng)速率由兩側(cè)臨空面向中部也存在一定程度的遞減。而且3處夯土遺址在4個季節(jié)3個溫度變化階段中第2降溫階段溫度變化范圍以及響應(yīng)速率均最大，升溫階段溫度變化范圍以及響應(yīng)速率變化均最小。

溫度是造成土體劣化的重要因素，環(huán)境溫度的劇烈變化會導(dǎo)致不同位置遺址土體溫度也產(chǎn)生不同程度的劇烈變化； 各部分土體不同程度的溫度變化會導(dǎo)致其脹縮程度不同而相互之間產(chǎn)生張力，從而遺址內(nèi)部土體出現(xiàn)溫差應(yīng)變，使得土體因熱應(yīng)力疲勞而產(chǎn)生破壞。沖溝、掏蝕以及片狀剝離等是西北干旱區(qū)夯土遺址最為典型的幾類病害。沖溝從墻體頂部開始發(fā)育，順墻面向下延伸； 掏蝕普遍產(chǎn)生于遺址墻體底部，向墻內(nèi)凹進； 片狀剝離多見于遺址墻體表面兩側(cè)，由外至內(nèi)逐步發(fā)育。 研究對3處位于西北地區(qū)不同氣候區(qū)夯土遺址四季環(huán)境以及遺址斷面溫度的實時監(jiān)測及分析所得到的遺址中部土體受環(huán)境溫度影響程度最小，頂部和底部土體受環(huán)境影響程度最大的結(jié)果對這3種病害的共識發(fā)育規(guī)律提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié) 論

(1)4個季節(jié)3處分別位于干旱區(qū)、半干旱區(qū)、半濕潤區(qū)的典型夯土遺址斷面內(nèi)部各監(jiān)測點溫度均隨環(huán)境溫度的變化而變化，兩者具有高度相似的逐時日際變化規(guī)律。

(2)3處典型夯土遺址四季環(huán)境溫度及遺址斷面內(nèi)部監(jiān)測點日際溫度隨時間的變化均可分為3個階段：第1降溫階段、升溫階段以及第2降溫階段； 夏季與春秋冬季各溫度變化階段時長存在一定差異。

(3)3處典型夯土遺址在4個季節(jié)的各溫度變化階段的溫度變化范圍及環(huán)境響應(yīng)速率均具有縱向變化顯著于橫向變化的規(guī)律。

(4)在3處典型夯土遺址4個季節(jié)的3個溫度變化階段中，第2降溫階段的溫度變化范圍以及響應(yīng)速率最大，而在4個季節(jié)中，春季第2降溫階段溫度變化范圍及響應(yīng)速率的變化最為突出。