土作为建筑材料，一直广泛使用至今。我国不可移动文物中约有三分之一为土质遗址，明长城中约有38.5 %为土质结构。然而，其长期暴露于自然环境中，加之土质材料本身特性，易发生雨蚀、干裂与冻融循环等劣化过程。实地调研表明，在北方部分保存状况较好的遗址表面，植物可稳定表层结构和减缓侵蚀过程。这些自然现象为遗产保护提供了重要启示，即通过合理引导和利用植物覆盖效应，可以在低干预条件下实现对遗产的正向保护。因此，本研究提出通过遗产本体的植物调查，筛选出更适宜的原生植物与土壤材料组成自然盖层。选取山西省大同市天镇县李二口村段明长城作为研究对象，结合建筑学、文物保护科学与水土保持学的相关理论，分析自然盖层在我国北方半干旱气候下对夯土墙体的保护作用。本文主要内容分为以下3部分： （1）自然盖层筛选与降雨保护作用研究。首先，综合调查山西明代夯土长城墙体，包括研究区域的气候条件、墙体尺寸与保存现状，发现土质墙体主要受到降雨、温度等影响，造成表面脱落、冲沟，水土流失较为严重。同时，分析墙体表面的植物种类与分布，原生植物是对半干旱气候条件长期的适应结果，例如狗牙根、土生对齿藓等，具有耐旱、耐寒的特性，对于夯土墙体具有保护潜力。基于此，提出适用于半干旱气候条件的自然盖层植物筛选流程。通过K均值聚类分析法对于天镇县的历年降雨数据分类，设置共四种不同的降雨强度。在常见雨型至极端雨型下，当自然盖层的植物覆盖度为40 %至90 %，对于墙体的水分入渗、材料损失、干燥速率的影响。结果表明，当降雨强度处于10.5 mm/h至94.2 mm/h之间时，体积含水率的变化和材料损失均与降雨强度呈正相关。与裸露墙体相比，在中等及以下强度降雨（小于10.5 mm/h）条件下，自然盖层通过吸收、截留雨水，使墙顶含水率降低4.0 %。在暴雨（60.9 mm/h）条件下，自然盖层能使墙体核心的湿度降低5.6 %至7.5 %。当降雨达到极端强度（94.2 mm/h）时，自然盖层墙体的材料损失减少了73.6 %。此外，夏季降雨后自然盖层墙体表现出更快的干燥速率，且自然盖层在受损后仍能够具有一定的降温作用，日最高温度下降了4.5°C，并降低了日温差。 （2）自然盖层的气候响应特征与预测模型研究。进行自然气候条件下为期一年的连续监测，评估了自然盖层在不同季节、不同墙体深度、降雨期间的保护效果。结果表明，在全年范围内，尽管裸露墙体和自然盖层墙体的月平均气温相近，但对夯土墙体的温湿度起到了可持续的调节作用。冬季自然盖层减少了41.2 %的冻融循环次数，夏季的温升速率降低了0.9 °C/h。自然盖层墙体在0−20 cm的垂直方向、水平方向上，温度分布更加均匀，至在墙体下方40 cm处，自然盖层的保护作用减弱。自然盖层通过提高传热延时、稳定衰减系数，增强了墙体对热传导的阻滞能力。在含水率方面，所有墙体在秋冬季节的雨雪期间均波动较小，至夏季降雨期间，裸露墙体的含水率波动范围为2.1 %至17.8 %，而自然盖层墙体为2.3 %至11.0 %。与裸露墙体相比，自然盖层墙体的水分波动次数减少了61.9 %，同时含水率峰值、体积含水率变化范围、补给速率显著降低。基于夯土墙体的全年监测数据，采用了机器学习方法构建温度、含水率的预测模型。通过环境因子的相关性分析以降低多重共线性，筛选出环境温度、湿度、净辐射瞬时值等6个输入因子。对比了随机森林（RF）、极端梯度提升（XGBoost）、人工神经网络（ANN）三种模型的预测性能。训练与测试的结果，为识别墙体的关键环境主导因子提供了依据。XGBoost模型不同墙体类型、不同空间位置均表现出良好的预测精度，温度预测精度可达到0.8以上，且高温高湿条件会使预测不确定性提高。 （3）自然盖层的保护作用优化与应用策略研究。基于第三章自然盖层对于降雨的保护研究，顶部植物覆盖率为60 %时表现出最佳保护效果。同时考虑到在降雨过程中，墙体坡面易形成径流并造成侵蚀，从而削弱整体保护效果。结合实地调查结果，构建“草本+苔藓”的综合自然盖层。在常见雨型至极端雨型下，径流量呈现裸露墙体>自然盖层>综合盖层的总体规律；当植物种类不同时，径流量呈现苔藓盖层>草本（狗牙根）盖层>草本（早熟禾）盖层>综合（草本+苔藓）盖层的规律。相比于裸露盖层，综合盖层的表面流速降低了65.4 %，并降低了径流量、最大径流峰值。在试验结果的基础上，总结了自然盖层应用的前提条件，从气候条件、建成遗产、自然盖层组成、植物类型、应用方式5个方面，系统梳理了自然盖层设计时所涉及的关键因素。并从自然盖层的植物角度，分析了植物覆盖度、植物种类、布置位置对于保护效果的影响。在气候变化的背景下，从降雨条件、温度条件两方面，提出自然盖层的类型选择建议。为了确保自然盖层对于土质遗产保护的可行性，提出其应用流程、现场操作与维护管理的基本框架。最后，建议在实际应用中开展定期监测，并根据气候变化结合其他保护措施，同时鼓励公众参与。 综上，本研究基于对自然植被的保护启示与实地调研，提出更具气候适应性、可持续性的自然盖层，通过降雨试验、监测试验、预测模型评估了自然盖层对于李二口段夯土墙体的保护作用，并提出了自然盖层的优化策略。为当前土质建筑遗产保护提供科学基础，补充自然盖层在我国不同气候条件下的保护作用研究。 |
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