可燃物含水率實(shí)時(shí)變化的預(yù)測(cè)模型1)

曲智林 李昱燁 閔盈盈

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

森林可燃物的含水率是決定林火發(fā)生以及林火蔓延的重要指標(biāo)，因此森林可燃物含水率變化規(guī)律的研究對(duì)于預(yù)測(cè)林火發(fā)生和控制林火蔓延都具有重要的意義。而研究森林可燃物含水率變化規(guī)律一般通過(guò)建立其數(shù)學(xué)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)，如Viney［1］、金森［2］等給出了在溫度恒定條件下，較小的可燃物含水率變化模型，Catchpole［3］等提出了一種可燃物含水率的預(yù)測(cè)方法。也有通過(guò)建立平衡含水率模型來(lái)預(yù)測(cè)可燃物的含水率，如金森等［4］給出了自然環(huán)境中可燃物含水率的理論預(yù)測(cè)方法，目前可燃物平衡含水率模型主要有 Simard模型［5］、Van Wagner 模型［5］、Anderson 模型［6］、Nelson 模型［7］等。這些模型都有各自的特點(diǎn)，也存在一定的局限性，為實(shí)際中的使用帶來(lái)一定的困難。筆者根據(jù)試驗(yàn)地的觀測(cè)數(shù)據(jù)，建立了一個(gè)平衡含水率隨影響因子動(dòng)態(tài)變化的可燃物含水率實(shí)時(shí)變化預(yù)測(cè)模型，擬通過(guò)此模型可以根據(jù)某一時(shí)刻各影響因子的值預(yù)測(cè)下一個(gè)時(shí)刻可燃物的含水率，這樣可以為較準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)林火發(fā)生以及控制林火蔓延提供理論根據(jù)。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)的獲取

所用數(shù)據(jù)為2009年3月18日—2009年4月30日黑龍江省海林縣石河子林場(chǎng)試驗(yàn)地的觀測(cè)數(shù)據(jù)，觀測(cè)木為長(zhǎng)20 cm，外直徑為2.6 cm，內(nèi)直徑為2.1 cm的內(nèi)空的椴木。觀測(cè)木安裝在觀測(cè)儀器上，觀測(cè)儀器每小時(shí)自動(dòng)收錄各項(xiàng)數(shù)據(jù)。收錄的數(shù)據(jù)包括時(shí)間、氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量、觀測(cè)木的含水率和溫度等。

1.2 模型建立

由于可燃物的含水率變化受降雨量多少的影響較大，且它們之間的關(guān)系較為復(fù)雜，因此本研究的模型建立在多時(shí)無(wú)降雨的情況下，在固定區(qū)域和特定時(shí)段內(nèi)可燃物含水率預(yù)測(cè)模型的影響因子為當(dāng)時(shí)空氣溫度、空氣中相對(duì)濕度、風(fēng)速和可燃物的含水率。

文獻(xiàn)［7］中的研究表明:可燃物含水率的瞬時(shí)變化率主要受可燃物的含水率與其平衡含水率的影響。因此可燃物含水率變化模型為:

其中:Mt為可燃物t時(shí)刻的含水率(%);Et為可燃物t時(shí)刻的平衡含水率(%)。

而可燃物t時(shí)刻的平衡含水率由當(dāng)時(shí)大氣中的相對(duì)濕度、風(fēng)速和溫度決定［7］。根據(jù)對(duì)各影響因子的分析，選取

式中:Ht為大氣中t時(shí)刻的相對(duì)濕度(%);Wt為風(fēng)速(級(jí));Tt為t時(shí)刻溫度(℃)。

則得到可燃物含水率實(shí)時(shí)變化預(yù)測(cè)模型(1 h內(nèi)變化)

利用此模型可由t時(shí)刻的可燃物含水率、氣溫、相對(duì)濕度和風(fēng)速得到t+1時(shí)刻可燃物的含水率。利用SPSS12.0和STATISTICA6.0軟件完成數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 可燃物單位時(shí)間內(nèi)含水率改變量與各影響因子的關(guān)系

利用試驗(yàn)地2009年3月18日至4月30日的觀測(cè)數(shù)據(jù)(剔除受降雨影響的數(shù)據(jù)，并溫度在零度以上，共595個(gè)樣本)分析了可燃物1 h內(nèi)含水率改變量與當(dāng)時(shí)空氣溫度、空氣中相對(duì)濕度、風(fēng)速等各影響因子的關(guān)系。從圖1可以看出可燃物1 h內(nèi)含水率改變量多少受前一時(shí)刻的相對(duì)濕度的影響，隨著相對(duì)濕度的增加，可燃物1 h內(nèi)含水率改變量也相應(yīng)增加。

從圖2可以看出可燃物1 h內(nèi)含水率改變量多少受前一時(shí)刻的氣溫高低的影響，隨著氣溫增高可燃物1 h內(nèi)含水率改變量也相應(yīng)減少。

從圖3可以看出可燃物1 h內(nèi)含水率改變量多少受前一時(shí)刻的氣溫高低的影響，隨著氣溫增高可燃物1 h內(nèi)含水率改變量也相應(yīng)減少。這里給出的線性方程，只是說(shuō)明兩者之間的變化關(guān)系，并不表示線性關(guān)系最佳。圖1—圖3中的相關(guān)系數(shù)較低是由于單位時(shí)間內(nèi)可燃物含水率變化量相對(duì)較小引起的，并不說(shuō)明可燃物含水率改變量與空氣溫度、空氣中相對(duì)濕度、風(fēng)速等各影響因子的相關(guān)性小。

圖1 單位時(shí)間內(nèi)可燃物含水率改變量與當(dāng)時(shí)相對(duì)濕度的關(guān)系

圖2 單位時(shí)間內(nèi)可燃物含水率改變量與當(dāng)時(shí)氣溫的關(guān)系

2.2 可燃物含水率實(shí)時(shí)變化預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建

根據(jù)試驗(yàn)地的觀測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)出各影響因子的取值范圍(見表1)。這里風(fēng)速(v)分為6級(jí)，0級(jí):0

表1 各影響因子取值范圍

從試驗(yàn)地觀測(cè)數(shù)據(jù)中隨機(jī)選取480個(gè)用于建立模型，剩余115個(gè)用于對(duì)模型的檢驗(yàn)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)回歸理論，對(duì)模型(3)的參數(shù)進(jìn)行估算(見表2)。以上模型均通過(guò)t檢驗(yàn)(α=0.05)。

表2 模型中的參數(shù)估計(jì)值

2.3 模型的檢驗(yàn)

根據(jù)115個(gè)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)，正確率98.0%(相對(duì)誤差不超過(guò)5%)，并給出了試驗(yàn)地2009年4月10日可燃物含水率的實(shí)時(shí)實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值(見表3)，兩者之間較為一致，說(shuō)明該模型基本反映了可燃物含水率實(shí)時(shí)變化規(guī)律。

圖3 單位時(shí)間內(nèi)可燃物含水率改變量與當(dāng)時(shí)風(fēng)速的關(guān)系

表3 2009年4月10日試驗(yàn)地可燃物含水率的實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值

3 結(jié)束語(yǔ)

給出了可燃物含水率實(shí)時(shí)變化預(yù)測(cè)模型，該模型在多時(shí)無(wú)雨且溫度在零度以上的條件下根據(jù)某時(shí)的相對(duì)濕度、氣溫、風(fēng)速以及可燃物含水率值能夠預(yù)測(cè)1 h后可燃物的含水率，經(jīng)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ途冗_(dá)98.0%(相對(duì)誤差不超過(guò)5%)，基本上反映出相對(duì)濕度、氣溫、風(fēng)速與可燃物含水率變化率的關(guān)系。因此該模型在溫帶針闊混交林區(qū)，3—4月份及多時(shí)無(wú)雨且溫度在零度以上的情況下適用，可用來(lái)預(yù)測(cè)可燃物含水率。

選用的觀測(cè)木是枯死的椴木段，因此所建模型只適用于枯死椴木，對(duì)于其它樹種，可以根據(jù)相類似的方法構(gòu)建模型。

對(duì)于在有降雨的情況下，可燃物含水率的變化規(guī)律較為復(fù)雜，沒有討論;另外模型中的風(fēng)速的單位是級(jí)，如換成m/s，模型的精度會(huì)有所提高，今后將對(duì)模型做進(jìn)一步的改進(jìn)。

［1］ Viney N R，Catchpole E A.Estimating fuel moisture response time from field observations［J］.International of Wildland Fire，1991，1(4):211－214.

［2］ 金森，李緒堯，李有祥.幾種細(xì)小可燃物失水過(guò)程中含水率的變化規(guī)律［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，28(1):35－38.

［3］ Catchpole E A，Catchpole W R，Viney N R.Estimating fuel response time and predicting fuel moisture content from field data［J］.International Journal of Wildland Fire，2001，10:215－222.

［4］ 金森，姜文娟，孫玉英.用時(shí)滯和平衡含水率準(zhǔn)確預(yù)測(cè)可燃物含水率的理論算法［J］.森林防火，1999(4):12－14.

［5］ 劉曦，金森.平衡含水率法預(yù)測(cè)可燃物含水率的研究進(jìn)展［J］.林業(yè)科學(xué)，2007，43(12):126－133.

［6］ Anderson H E.Moisture diffusivity and response time in fine forest fuels［J］.Canadian Journal of Forest Research，1990，20:315 －325.

［7］ Nelson R M.Prediction of diurnal change in 102hour fuel moisture content［J］.Canadian Journal of Forest Research，2000，30:1071－1087.