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1、精品论文高原半干旱地区土遗址表面剥离发育的环境影响因素研究以湟中明长城遗址为例谌文武1，王彦武1，崔凯25（1. 兰州大学土木工程与力学学院，西部灾害与环境力学教育部重点实验室，兰州 730000；2. 兰州理工大学土木工程学院，兰州 730000）摘要：表面剥离是高原半干旱区土遗址普遍发育的一种典型病害，其形成与发展是受多因素 共同控制的复杂过程。以位于高原半干旱区的青海省湟中县明长城遗址发育的表面剥离为典10型实例，运用相关分析方法和灰色关联法分析了环境影响因素与表面剥离发育厚度的相关性 和敏感性。研究结果表明剥离厚度与年均降雨量、累年月平均气温、年均蒸发量和年均无霜期四种因素均存在高度相
2、关关系，年均降雨量是该地区土遗址表面剥离发育的主要环境因素，气温、蒸发量及无霜期三种因素次之；为高原半干旱区土遗址表面剥离病害的防治提供 一定参考。15关键词：高原半干旱区；土遗址；表面剥离；环境影响因素中图分类号：K878.3The research of environmental impact factors of earthen ruins surface exfoliation in semi-arid plateau area: an20example from Ming Great Wall in Huangzhong CountyCHEN Wenwu1, WANG Yanwu1
3、, CUI Kai2(1. Key Laboratory of Mechanics on Disaster and Environment in Western , School of CivilEngineering and Mechanics,Lanzhou University,Lanzhou 730000;2. School of Civil Engineering, Lanzhou University of Techology, Lanzhou 730000)25Abstract: The surface exfoliation is a classic disease which
4、 develops commonly on earthen ruins in semi-arid loess plateau area. The development and evolution process of surface exfoliation is a complex process considered by many factors, the mechanism and the development process of the surface exfoliation of earthen ruins in semi-arid loess plateau area wil
5、l be discusses in this paper to theMing Great Wall in Huangzhong County , Qinghai province as a typical example. This paper analyses30relativity and sensitivity between environmental impact factors and the thickness of surface exfoliation by adopting the method of correlation analysis and grey corre
6、lation analysis. The result shows that the thickness of surface exfoliation is closely related to annual average rainfall, old monthly averagetemperature, annual average evaporation and annual average frost-free period. Rainfall is the majorfactor in this region, the others are corresponding some se
7、condary cause. It furnishes reference for the35control of surface exfoliation on earthen ruins in semi-arid plateau area.Key words: semi-arid plateau area; earthen ruins; surface exfoliation; environmental impact factors0引言我国西北地区有着大量的古代土建筑遗址，无一例外在西北高原半干旱地区同样也遗存40着如喇家遗址、卡约遗址和青海省明长城等大型土遗址，这些土遗址都是全人类宝贵
8、的文化 遗产，具有极高的文化价值、历史价值和研究价值1-5。然而，这些土遗址由于自身强度低， 水稳性差，加上千百年来环境因素的影响破坏，在其表面产生大面积表面剥离和严重风化等基金项目：国家十二五科技支撑计划（2010BAK30B02），国家自然科学基金（51208245），冻土工程国 家重点实验室开放基金（SKLFSEl2001）。作者简介：谌文武(1966 )，男，教授，主要研究方向为：1. 岩土体工程，2. 地质灾害与防治工程，3. 文物保护工程. E-mail: - 5 -病害，正接受着自然环境和人类活动的严峻考验，大量土遗址亟待保护6。 片状剥离是土遗址最为普遍的病害之一，是指土遗址的
9、表面在外营力或内营力的作用下45表面疏松起壳，在外力或重力作用下成片状或小块状脱落7,8。对于其形成机理、影响因素和保护措施，前人已经做了大量研究。孙满利等9将片状剥离分成雨蚀剥离、风蚀剥离、裂 隙剥离和温度剥离四大类，并对其形成机理进行了详细的阐述；赵海英等6结合工程实例， 也对片状剥离的成因进行了分析；张虎元等10对土建筑遗址表面结皮形成与剥离机制进行 了详尽研究；李最雄等11对土遗址防风化和加固进行了研究。然而，这些研究均是针对甘50肃、新疆等极旱、干旱地区的土遗址对片状剥离的形成机理和保护措施而开展的研究，针对 高原干旱区独特环境条件下土遗址片状剥离的发育环境影响因素和机理的研究较为鲜
10、见。高原半干旱地区气候环境在时间和空间上分布极其不均，降雨量较大，气温较低，气温 年较差和日较差大，蒸发量较小，无霜期较短。本文选取位于高原半干旱地区的青海省湟中 县明长城发育的表面剥离为典型实例，结合该地区降雨、气温、蒸发量和霜冻等环境气候因55素，分析了各种因素与高原半干旱地区土遗址的表面剥离厚度的相关性以及敏感性。1遗址环境特征与剥离发育特征1.1遗址分布区环境特征湟中县位于青藏高原凉温半干旱气候区，境内地形复杂，热量资源水平分布不均衡，气60候垂直地带性差异特征十分显著，基本形成了受地貌控制的 4 个气候带，即河谷气候带、低 山气候带、中山气候带和高山气候带。该区域内，降雨量较大，年降
11、水量约在 300-700mm 之间，各地带的降水主要集中在 7-9 三个月，占全年的 54%-55%。此三个月中，河谷阶地地带的降雨量为 196.5mm，低山丘陵 地带为 257.9mm，中山地带为 290.3mm，高山地带为 356mm。年蒸发量 900-1000mm。其中65河谷地区年蒸发量 922.7mm，低山地区年蒸发量 907.25mm，中、高山地区年蒸发量 111mm。 区内气温较低，平均气温 0-5。由于受地形影响，热量分布不均匀。在高山地带，累年月均气温小于 0；在中山地带，累年月均气温 1.2左右；在低山丘陵地带，累年月均 气温 2.8左右；在河谷阶地带，累年月均气温 4.2
12、左右（如图 1）。由于春末、秋初易受 西伯利亚极地干冷空气的侵袭，经常发生程度不同的霜冻，初霜出现的平均时间为 9 月 1870日，终霜出现的平均时间是 5 月 14 日。河谷地区平均无霜冻期 185 天，低山地区 175 天， 中、高山地区 160 天左右。 最高气温 最低气温 平均气温 2020151510105气温/5气温/001 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 最高气温 最低气温 平均气温1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12-5-10-15-20201510气温/5月份/月 河谷气候带 最高气温 最低气温 平均气温-5-10-1515105气温/0月份
13、/月低山气候带 最高气温 最低气温 平均气温0-5-10-15-201 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12月份/月中山气候带-5-10-15-201 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12月份/月高山气候带图 1 湟中县多年逐月平均气温Fig.1 The old monthly average temperature in Huangzhong County75湟中县境内分布有明代长城主线总长度为 105221. 4m，整体呈南北走向，南迄拉脊山， 北止娘娘山，由南向北贯穿全境，向东与大通县娘娘山长城相接。现存夯土墙体 25 段，长4435.6m；在现存夯土墙体中，分布
14、在河谷气候带的有 5 段长 1533m，低山气候带 12 段长2570.3m，中山气候带 8 段长 332.3m。由于高山气候带分布于高山地区，该地区长城一般为 山险，因此没有夯土长城墙体分布。分布情况见0。80图 2 湟中县气候带、长城分布图Fig.2 The distribution map of climate zone and Great Wall in Huangzhong County1.2表面剥离分布、发育特征研究区内明长城表面片状剥离严重发育，25 段夯土墙中，几乎每段墙体都有发育。在85片状剥离发育的厚度上，河谷气候带最薄，低山气候带次之，中山气候带最厚。 在河谷气候带内发育
15、有最薄的 0.1cm，其发育特征为片状剥离分布区被细小裂隙切割，厚度薄，边缘略微翘起，质地具有明显的紧密感（图 3a）；而低山气候带内的片状剥离发 育特征为边缘明显翘起，质地较为疏松（图 3b）；在中山气候带内发育有最厚的 8cm，其 发育特征为厚度厚，无明显边界翘起，质地疏松（图 3c）。根据气候带分布，片状剥离的90发育情况如表 1。图 3 不同气候带片状剥离形态Fig.3 The form of surface exfoliation in different climate zone表 1 不同气候带内片状剥离分布和发育情况表95Tab.1 The distribution and d
16、evelopment of surface exfoliation in different climate zone气候带分布段数/段片状剥离平均厚度/cm河谷气候带50.92低山气候带121.50中山气候带82.76高山气候带-1002遗址剥离发育影响因素相关性研究研究区内遗址表面发育的剥离形态、厚度均随气候带的变化而变化，为了探讨遗址表面 剥离厚度与环境气候因素之间的关系，将湟中县不同气候带的年均降雨量、累年月均气温、 年均蒸发量和年均无霜期天数等因素作为随机变量，利用相关性分析方法研究其与之相对应 气候带内明长城表面片状剥离平均厚度的相关关系，研究涉及的不同气候带环境因素参数见表 2。
17、表 2 湟中县不同气候带内环境因素参数表Tab.2 The environmental impact factors in different climate zone of Huangzhong County气候带年均降水量/mm累年月均气温/年均蒸发量/mm年均无霜期/天河谷气候带3504.2922.7185低山气候带4502.8907.3175中山气候带5501.2111.0160高山气候带6500111.0160105相关系数是一个重要的数字特征，是指衡量变量之间相关关系的程度和方向的变量，它与一元线性回归分析有密切的联系12,13。片状剥离厚度与各环境气候因素参数的相关系数见 表 3
18、。表 3 片状剥离平均厚度与各环境气候因素参数的相关性分析Tab.3 The correlation analysis between surface exfoliation thickness and different environmental parameter环境气候因素年均降水量累年月均气温年均蒸发量年均无霜期相关系数0.9780-0.9853-0.9563-0.9955110115120由表 3 可知，片状剥离平均厚度与各环境因素参数的相关系数的绝对值均大于 0.95，呈高度相关。2.1片状剥离发育与降雨量的关系年均降雨量与片状剥离平均厚度的关系如图 4 所示，从图中可以看出，片
19、状剥离平均厚 度与随着降雨量的增加呈增大的趋势。而在整个降雨过程中，雨滴对遗址表面产生持续冲击，不断击打遗址，造成遗址表层土 体结构的破坏；同时，遗址表层土体由于雨水的渗入会产生崩解，导致土体孔隙堵塞，雨水 无法继续向遗址内部入渗，使得遗址表层饱和，产生的泥浆将沿墙体向下蠕流；在此过程中， 雨水会对遗址表层的土体内部的 NaSO4 等易溶盐分进行溶解，当温度变化时，内部盐分重 结晶，而且部分盐分重结晶的过程中会产生盐胀力14,15，破坏土体结构。这些作用过程均会 造成遗址表层的疏松，加速剥离的形成。125130135140图 4 剥离厚度与年均降雨量关系图Fig.4 The relationa
20、l graph between exfoliation thickness and annual average rainfall由此可见，降雨在片状剥离的形成过程中，无论从宏观物理现象，还是从微观物理过程， 都起到了促进作用。因此，片状剥离的厚度与降雨量呈正相关关系是合理的。但从单从片状剥离厚度看，降雨量并非无限制的促进其形成，因为降雨会使遗址在其表 面形成空鼓泥壳，此空鼓泥壳会在重力等內营力和风、降雨等外营力的综合作用下，剥离脱 落，遗址表面出现新鲜面，降雨将在下一次片状剥离的发育中起到积极的作用。2.2片状剥离发育与气温的关系从0可以看出，片状剥离的厚度随着累年月平均温度的增高而降低，且
21、呈负相关。这意 味着气温的升高在片状剥离的发育中，起着一定的抑制作用。这是由于温度较高的河谷气候 带中，不但有较小的降雨量，而且有高温，较高的温度有助于加速遗址体内的水分蒸发，减 小水分在遗址体内的停留时间和保有量，进而减少遗址土崩解、体内盐分的重结晶和盐胀力 的产生，导致水、盐对遗址的共同作用得到了抑制，从而阻碍了片状剥离的发育；反之，在 拥有较高降雨的中山气候带，平均气温较低，不利于水分的蒸发，增大了水分的在遗址内的 停留时间和遗址体内水分的保有量，并且可以加速遗址土崩解，促进盐胀力的形成和易溶盐 的流失，加速了遗址土结构的破坏。图 5 剥离厚度与累年月平均气温关系图Fig.5 The r
22、elational graph between exfoliation thickness and old monthly average temperature2.3片状剥离发育与蒸发量的关系0展示了年均蒸发量与片状剥离平均厚度的关系，由图可知，当年均蒸发量增大时，片- 9 -145150155160165状剥离的厚度减小。不难得出，蒸发量的增高对片状剥离的形成是不利的。这个现象的出现与气温对片状剥 离的发育起到抑制作用的情况是类似的。在中山地区，不但拥有较大的降雨量、较低的气温， 而且具有蒸发量小的特点，直接导致水对遗址的作用时间增大；而在低山和河谷地带，在较 大年蒸发量的同时，降雨量较中
23、山和高山地区也偏小，气温也偏高，都减少了水对遗址表层 的作用时间。这都是导致低山和河谷地带明长城片状剥离厚度较小的原因。图 6 剥离厚度与蒸发量关系图Fig.6 The relational graph between exfoliation thickness and annual average evaporation2.4片状剥离发育与霜冻的关系片状剥离平均厚度与霜冻的关系如图 7 所示，从图中可以看出，一个冻融循环周期内， 无霜期的天数越多，片状剥离平均厚度越小，呈反相关关系。由前文可知，湟中县无霜期集 中在 5 月到 9 月之间，40mm 以上的降雨时间也集中在 5 月到 9 月，并
24、且近十年来 5 月到 9 月之间平均气温实在 0以上。也就是无霜期内拥有较大的降雨量和较高的平均气温，而降 雨量与片状剥离厚度呈正相关，月平均气温与平均厚度呈反相关。因此，无霜期与片状剥离 呈反相关关系是合理的。图 7 剥离厚度与霜冻关系图Fig.7 The relational graph between exfoliation thickness and annual average frost-free period而 10 月到次年 4 月之间的霜期内，由于拥有较少的降雨和较低的平均气温，对片状剥 离的厚度影响不大。但是，就整个冻融循环而言，其对片状剥离的发育有一定的促进作用。综上所述
25、，土遗址表面剥离的发育是一个多因素综合影响的复杂过程，在四种环境影响170175因素中，降雨是剥离发育的基础，气温、蒸发量和霜冻三种因素是其发育的辅助因素。除此之外，其他內营力和外营力对剥离的发育也会起到一定作用。3遗址剥离发育影响因素敏感性研究为了探明年均降水量、累年月均气温、年均蒸发量和霜冻等因素对片状剥离发育影响的 敏感程度，在对遗址表面剥离厚度与气候环境因素参数进行了相关性分析的基础上，采用灰 色关联分析方法对影响遗址剥离发育的主要因素进行了敏感性分析。为了研究方便，各影响 因素分析均只考虑环境影响因素参数的自相关性，不考虑环境影响因素参数的互相关性影 响。选取环境影响因素作为比较矩阵
26、，片状剥离厚度作为参考矩阵，分别建立比较矩阵和参 考矩阵如下： 350450550 4.22.81.2 180X= 933.7907.3 110.0 185175160 0.921.52.760.921.52.76Y= 0.921.52.760.921.52.76由于上述各因素参数的量纲不同且数值离散性较大，并不具备可比性，因此必须对 Xi、 Yi 进行数值变换。通常可采用初值化、均值化、区间相对值化和归一化等方法16。本文采 用区间相对值化，得到如下矩阵：18500.5110.530X= 10.98010.60000.315100.3151Y= 00.315100.3151基于以上无量纲比较
27、矩阵和参考矩阵，通过ij=Y (j)-X (j)(1)ii得到差异矩阵，如下：00.185010.2181 = 10.666110.2851 其中，最大值max=1，最小值min=0。灰色关联分析是定量地比较或描述不同序列之间或者同一序列中各因素之间在发展过190程中变化的关系，关联性的大小可以通过分析序列曲线的几何形状及变化大小、快慢等的接近程度来衡量，可以用关联系数矩阵来表示17,18。选取分辨系数 =0.5，通过g =D + zDm i nm a xijD + zD(2)得到如下关联系数矩阵：ijm a x 10.7301 1950.3330.6960.333= 0.3330.4290.
28、3330.3330.6370.333关联度是衡量序列相似程度的重要指标，可以用关联系数表征。关联系数为0,1之间变 化的常量，系数越大，则表明子序列对母序列的影响越敏感，反之越不敏感。可以通过下式 计算：1niA = g ijn j =1(3)200205210215220通过计算，环境影响因素与片状剥离厚度的灰色关联系数为：A= 0.9100.454 0.365 0.435T 因此，关联序为：年均降雨量累年月均气温年均无霜期年均蒸发量。 由此可见，影响遗址表面片状剥离发育的四个因素中，年均降雨量对其发育最为敏感，累年月均气温次之，无霜期影响较小，而年均蒸发量对遗址表面剥离的发育影响最小。4
29、讨论与结论由以上分析结果可以看出，高原半干旱区土遗址表面剥离发育环境影响因素研究中，相 关性分析是对剥离发育的环境影响因素的半定量化主观判断，也是进行敏感性分析的基础； 而敏感性分析对个影响因素的定量的客观表述，也是相关性分析结果的有力佐证。从文中对 四种环境因素与青海省湟中县明长城发育的片状剥离厚度的相关性分析和敏感性分析结果 不难得出以下结论：（1）表面剥离是高原半干旱区土遗址普遍发育的一种典型病害，其形成与发展是受多 因素共同控制的复杂过程；（2）本次研究的四个影响因素与高原半干旱区土遗址表面剥离发育高度相关，降雨量 是该区土遗址表面剥离发育的主导因素，包括本研究在内的三种因素外的其他內
30、营力和外营 力为辅助因素；（3）在高原半干旱地区，年均降雨量与遗址表面剥离厚度呈正相关，气温、蒸发量和 无霜期三种因素均呈负相关。（4）在高原半干旱地区的四种影响因素中，年均降雨量对遗址表面剥离的发育最为敏 感，累年月均气温次之，无霜期影响较小，而年均蒸发量最小。参考文献 (References)2252302352402451 张虎元,赵天宇,王旭东. 中国古代土工建造技法J. 敦煌研究, 2008,(5): 81-90. 2 萧默. 敦煌建筑研究M. 北京:文物出版社, 1989:303- 311.3 卢耀光. 青海的边墙J. 青海民族学院学报,1998,5:28-32.4 叶茂林. 青海
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