煙頭點(diǎn)燃蒙古櫟落葉床層的概率1)

金 森 張運(yùn)林 朱凱月 胡 悅

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

煙頭點(diǎn)燃蒙古櫟落葉床層的概率1)

金 森 張運(yùn)林 朱凱月 胡 悅

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

以蒙古櫟凋落葉片為實驗材料，在室內(nèi)構(gòu)建不同含水率、風(fēng)速及壓縮比的可燃物床層，用煙頭對蒙古櫟落葉床層進(jìn)行了900余次點(diǎn)燃燃燒試驗，記錄點(diǎn)燃概率，并進(jìn)行統(tǒng)計分析。結(jié)果表明：風(fēng)速對點(diǎn)燃概率有很大影響，當(dāng)風(fēng)速<2 m·s-1時，不論蒙古櫟落葉的含水率與壓縮比如何改變， 煙頭都不能點(diǎn)燃蒙古櫟落葉；當(dāng)風(fēng)速≥2 m·s-1時，可燃物能夠點(diǎn)燃，但風(fēng)速對點(diǎn)燃概率無顯著作用。含水率、床層壓縮比對燃燒概率有極顯著作用，3個因子間的交互作用對燃燒概率也有極顯著作用。當(dāng)可燃物含水率超過10%時，無論有風(fēng)無風(fēng)，煙頭都難以點(diǎn)燃蒙古櫟凋落葉片。用Logistic回歸擬合得到含水率、風(fēng)速、壓縮比對煙頭點(diǎn)燃蒙古櫟落葉的概率模型，模型預(yù)報的準(zhǔn)確率在90%左右，誤報率不超過40%。

含水率；風(fēng)速；壓縮比；煙頭；蒙古櫟

林火的發(fā)生常借助于細(xì)小可燃物，林地的干枯雜草、枯枝落葉等遇上火源首先燃燒，繼而點(diǎn)燃其他可燃物蔓延成森林火災(zāi)。人類活動是引起森林火災(zāi)的主要因素，占火源的90%以上。煙頭是重要的人為火源，伊春1997年煙頭引起的森林火災(zāi)就占到39.2%；2009年2月2日在云南省晉寧縣昆陽鎮(zhèn)三家村和二街鄉(xiāng)栗廟村接壤的森林處，3名學(xué)生丟棄煙頭產(chǎn)生森林火災(zāi)，火線一度長達(dá)10 km，千余名森警官兵和撲火隊員經(jīng)過14 h才予以撲滅。因此研究煙頭點(diǎn)燃可燃物的可能性對于預(yù)防森林火災(zāi)具有重要意義。

楊美和[1]研究了午時前后可燃物含水率與煙頭引燃可燃物的時間關(guān)系，王剛[2]等通過紙片、火柴、煙頭點(diǎn)燃林中細(xì)小可燃物的試驗證明，煙頭引燃可燃物對可燃物的結(jié)構(gòu)、風(fēng)速等有一定的要求。單延龍[3]等認(rèn)為壓縮比為可燃物的外特性，壓縮比會影響可燃物的火行為，煙頭點(diǎn)燃可燃物與陰燃能否轉(zhuǎn)化為明火有關(guān)。譚家磊[4]通過用煙頭點(diǎn)燃被套的實驗，發(fā)現(xiàn)在無被套棉被的陰燃實驗中，棉絮被燒壞，卻無法出現(xiàn)明火；其原因是棉絮空隙較大，散熱較快，產(chǎn)生的熱量不容易聚集，因而不容易出現(xiàn)明火。Robert[5]以木塊為材料，建立了熱解的數(shù)學(xué)模型。Ortiz-Molina[6]發(fā)現(xiàn)，在氧體積分?jǐn)?shù)很高時聚氨酯材料陰燃會向有焰燃燒轉(zhuǎn)化。Ohlemiller[7]等指出，風(fēng)速增加時，纖維材料的陰燃會有火焰產(chǎn)生；他在研究纖維質(zhì)的水平陰燃時，發(fā)現(xiàn)逆風(fēng)陰燃對風(fēng)速的響應(yīng)很小，即使風(fēng)速達(dá)到5 m·s-1時也沒轉(zhuǎn)化為有焰燃燒；而順風(fēng)陰燃在風(fēng)速為2 m·s-1時就會轉(zhuǎn)化為有焰燃燒。Tse[8]等得出聚氨酯材料垂直陰燃過程中，向有焰燃燒轉(zhuǎn)化的風(fēng)速為0.25～2.0 m·s-1。

上述煙頭點(diǎn)燃可燃物可能性的研究多局限于某一因子，主要是氣象因素及可燃物含水率，沒有考慮可燃物床層的結(jié)構(gòu)以及各因子的交互作用。在研究中增加可燃物結(jié)構(gòu)特征這一變量，并綜合考慮了各個因子的交互作用對點(diǎn)燃概率的影響，更符合野外條件，對揭示在某一特定天氣條件下，煙頭點(diǎn)燃地表死可燃物的概率具有重要意義。

蒙古櫟(Quercusmongolica)分布在我國的東北三省、內(nèi)蒙古和河北省北部，為落葉闊葉林的主要樹種，地跨寒溫帶、溫帶和暖溫帶[9]。在黑龍江省，蒙古櫟廣泛分布于大、小興安嶺、張廣才嶺和三江平原，其既是原始紅松(Pinupskoraiensis)針闊混交林和興安落葉松(Larixgmelinii)林中的重要伴生樹種，也是人為和自然干擾后形成的次生林的重要建群樹種。蒙古櫟葉片寬大，秋季停止生長后葉片短期不脫落，極易燃燒，特別是大興安嶺南部反復(fù)干擾后形成的蒙古櫟矮林，易形成樹冠火。因此，蒙古櫟林是黑龍江林區(qū)乃至該樹種其他分布區(qū)內(nèi)的重要可燃物類型。開展煙頭點(diǎn)燃該可燃物的概率研究十分必要。筆者以蒙古櫟落葉為研究對象，對煙頭點(diǎn)燃該可燃物的概率進(jìn)行了較全面的研究，以期揭示各種因子對煙頭點(diǎn)燃地表死可燃物燃燒概率的影響。

1 材料與方法

1.1 材料采集

實驗材料為凋落的蒙古櫟落葉，于2012年10月5—6日采于哈爾濱市城市林業(yè)示范基地的蒙古櫟林。將落葉裝入塑料袋，并在塑料袋上記錄采取時間。

1.2 室內(nèi)實驗

蒙古櫟落葉床層構(gòu)建：點(diǎn)燒實驗在東北林業(yè)大學(xué)森林防火實驗室進(jìn)行。用長、寬、高分別為17、17、5 cm的無頂蓋鐵筐模擬燃燒床，鐵筐水平放置。在實驗室內(nèi)模擬蒙古櫟落葉的野外狀態(tài)，鋪設(shè)不同含水率、壓縮比的蒙古櫟闊葉床層。壓縮比用于表征可燃物床層結(jié)構(gòu)。根據(jù)野外可燃物的結(jié)構(gòu)特征，可燃物壓縮比設(shè)置3個水平：0.038 3、0.063 8、0.089 3。

煙頭可點(diǎn)燃的最大點(diǎn)燃含水率確定：根據(jù)氣象記錄，林分風(fēng)速一般不超過5 m·s-1。因此，風(fēng)速設(shè)為0～5 m·s-1，間隔為1 m·s-1。用吹風(fēng)機(jī)模擬風(fēng)速，調(diào)整吹風(fēng)機(jī)出風(fēng)口與燃燒床的距離，使其在不同風(fēng)速下燃燒。在不同風(fēng)速和可燃物壓縮比條件下，從較高含水率(35%，一般可燃物的熄滅含水率)開始，以5%為梯度漸降，分別進(jìn)行該含水率時蒙古櫟落葉床層煙頭點(diǎn)燃試驗。所用香煙為中南海牌，煙頭隨機(jī)落入可燃物床層前都為1 cm，為紅色陰燃狀態(tài)，重復(fù)20次，找出該條件組合下至少出現(xiàn)一次點(diǎn)燃的最大含水率，即為該條件下的最大點(diǎn)燃含水率。

煙頭可點(diǎn)燃概率試驗：煙頭可點(diǎn)燃的最大點(diǎn)燃含水率確定的實驗發(fā)現(xiàn)，含水率在10%以上，可燃物都沒有被煙頭點(diǎn)燃。故可燃物含水率設(shè)置了4個水平(0、5%、8%、10%)，將煙頭扔入可燃物床層，風(fēng)速設(shè)為0～5 m·s-1，間隔為1 m·s-1，壓縮比為上述3個設(shè)置；然后每個條件下進(jìn)行20次重復(fù)，觀察落葉能否被煙頭點(diǎn)燃并產(chǎn)生明火，記錄點(diǎn)燃時間。用攝像機(jī)在床層處記錄整個點(diǎn)燒過程。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

首先用Excel軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到不同風(fēng)速、含水率、壓縮比時煙頭點(diǎn)燃可燃物的概率圖，分析煙頭點(diǎn)燃可燃物的條件；然后對煙頭點(diǎn)燃典型地表死可燃物概率的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，分析含水率、風(fēng)速(≥3 m·s-1)、壓縮比及其交互作用對點(diǎn)燃概率的影響。最后以有顯著影響的因子為自變量，對煙頭點(diǎn)燃概率進(jìn)行Logistic回歸分析[10]。由于在點(diǎn)燃試驗中，點(diǎn)燃次數(shù)所占比例較小，與未點(diǎn)燃樣本數(shù)量上不均衡；而Logistic回歸的結(jié)果不受樣本均衡率影響[11]，故分別在未點(diǎn)燃的660余次數(shù)據(jù)中隨機(jī)選取50組數(shù)據(jù)及在點(diǎn)燃的60組數(shù)據(jù)中選取50組數(shù)據(jù)，組成建模數(shù)據(jù)進(jìn)行Logistic回歸分析，得到以風(fēng)速、可燃物含水率、壓縮比為變量的點(diǎn)燃概率模型。Logistic回歸的判斷閾值一般為0.5，但實驗中點(diǎn)燃和未點(diǎn)燃樣本實際不均衡，因此點(diǎn)燃判斷概率可以定為其他值[12]。為此，用VC++編程，得到閾值從0.1～0.9時，其判別準(zhǔn)確率的變化，進(jìn)而得到最合適的閾值選擇。將未選取建模的10組點(diǎn)燃數(shù)據(jù)代入得到的模型中，以最合適的閾值為判斷標(biāo)準(zhǔn)，檢驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 結(jié)果與分析

2.1 煙頭點(diǎn)燃蒙古櫟葉片的概率情況

實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析后得到不同可燃物含水率、風(fēng)速和壓縮比時煙頭點(diǎn)燃蒙古櫟葉片的概率。結(jié)果表明：對于不同壓縮比、風(fēng)速條件下的可燃物，在含水率超過10%時，煙頭均不能點(diǎn)燃蒙古櫟葉片，沒有明火出現(xiàn)。當(dāng)在風(fēng)速≤2 m·s-1(0、1、2 m·s-1)時，不論可燃物壓縮比如何改變，即使可燃物很干燥，含水率接近0，煙頭也不能引燃蒙古櫟落葉。當(dāng)風(fēng)速>2 m·s-1后，共進(jìn)行了720次點(diǎn)燃燃燒實驗。點(diǎn)燃概率隨地表死可燃物含水率的增加而減少，而且下降幅度逐漸減少。燃燒概率在風(fēng)速為4 m·s-1時達(dá)到最大值，可能是由于風(fēng)速過低時，氧氣提供不足，而風(fēng)速過大時導(dǎo)致煙頭產(chǎn)生的熱量不能蓄積；煙頭點(diǎn)燃地表死可燃物的概率隨可燃物壓縮比的增加而增加。

2.2 煙頭點(diǎn)燃蒙古櫟葉片的概率影響因子分析

表1給出方差分析的結(jié)果，可見，含水率、壓縮比對煙頭點(diǎn)燃蒙古櫟葉子概率影響有極顯著；風(fēng)速≥3 m·s-1時，單獨(dú)的風(fēng)速對煙頭點(diǎn)燃蒙古櫟葉子概率影響無顯著作用；含水率和風(fēng)速之間，含水率和壓縮比之間，風(fēng)速和壓縮比之間，含水率、風(fēng)速和壓縮比之間的互作作用對煙頭點(diǎn)燃蒙古櫟葉子概率影響均達(dá)到了極顯著水平，說明各個因素之間有交互作用。

表1 含水率、風(fēng)速、壓縮比及交互作用對點(diǎn)燃概率的方差分析

注：*表示在0.05水平上顯著，** 表示在0.01水平上顯著。

2.3 煙頭點(diǎn)燃蒙古櫟葉片概率的Logistic模型

風(fēng)速>2 m·s-1時點(diǎn)燃概率模型為

(1)

式中：X1為含水率(%)；X2為風(fēng)速(m·s-1)；X3為壓縮比。

(2)

調(diào)整閾值使其從0.1變化到0.9，其預(yù)測準(zhǔn)確率見表2?？梢?，當(dāng)閾值選擇為0.4時，點(diǎn)燃預(yù)報準(zhǔn)確率為88%，不燃的誤報率為36%。此時具有較高的點(diǎn)燃準(zhǔn)確率和較低的不燃誤報率，故將判斷閾值設(shè)定為0.4。

表2 不同閾值的預(yù)報準(zhǔn)確率

將未參與建模的10組點(diǎn)燃數(shù)據(jù)代入為(2)式，得到結(jié)果見表3。由于該模型以0.4為閾值，因此結(jié)果大于0.4就認(rèn)為預(yù)估正確。可以看出，7組數(shù)據(jù)結(jié)果大于0.4，因此認(rèn)為模型的精度為70%，可以采用。

Logistic回歸模型預(yù)測誤差的主要原因，是在相同的可燃物和風(fēng)速條件下，既有煙頭點(diǎn)燃的情況，又有沒有被煙頭點(diǎn)燃的情況。在這些重復(fù)的地方，就容易出現(xiàn)誤差，重復(fù)交叉的部分越大，預(yù)測誤差越大，點(diǎn)燃預(yù)測準(zhǔn)確率也越低。表4—表6給出了含水率、風(fēng)速、壓縮比對點(diǎn)燃與未點(diǎn)燃概率的結(jié)果?？梢?，隨著含水率的增加，點(diǎn)燃數(shù)量與未點(diǎn)燃數(shù)量的差值較為明顯，重復(fù)交叉的部分較少，點(diǎn)燃概率明顯下降；而隨著風(fēng)速及壓縮比的變化，點(diǎn)燃數(shù)量與未點(diǎn)燃數(shù)量的差值不是太大，重復(fù)交叉部分較多，且變化不明顯。因此認(rèn)為實驗中誤差來源主要來自壓縮比及風(fēng)速的影響。

表3 煙頭點(diǎn)燃蒙古櫟葉片概率的Logistic模型精度檢驗結(jié)果

表4 不同含水率時煙頭點(diǎn)燃和未點(diǎn)燃蒙古櫟葉片床層的數(shù)量

表5 不同風(fēng)速時煙頭點(diǎn)燃和未點(diǎn)燃蒙古櫟葉片床層的數(shù)量

表6 不同壓縮比時煙頭點(diǎn)燃和未點(diǎn)燃蒙古櫟葉片床層的數(shù)量

3 結(jié)論與討論

煙頭只在某些特定環(huán)境條件和可燃物條件下才能點(diǎn)燃蒙古櫟落葉床層?？扇嘉锖?、壓縮比、風(fēng)速及其交互作用對點(diǎn)燃概率有顯著影響。風(fēng)速對點(diǎn)燃概率有很大影響，當(dāng)風(fēng)速<2m·s-1時，不論蒙古櫟落葉的含水率與壓縮比如何改變，煙頭都不能點(diǎn)燃蒙古櫟落葉；當(dāng)風(fēng)速≥2m·s-1時，可燃物能夠點(diǎn)燃，但風(fēng)速對點(diǎn)燃概率無顯著作用。當(dāng)可燃物含水率超過10%時，無論有風(fēng)無風(fēng)，煙頭都難以點(diǎn)燃蒙古櫟凋落葉片。在含水率低于10%時，且風(fēng)速≤2m·s-1，煙頭也難以點(diǎn)燃蒙古櫟凋落葉片；但風(fēng)速>2m·s-1時，煙頭點(diǎn)燃蒙古櫟葉片的概率顯著增加。本研究建立的Logistic預(yù)測模型可以達(dá)到70%以上的預(yù)測精度。

低風(fēng)速時難以點(diǎn)燃蒙古櫟凋落葉片，可能是因為風(fēng)速較低時，可燃物間沒有足夠的氧氣保證燃燒；而且風(fēng)速較低時，煙頭燃燒緩慢，沒有足夠的可燃性氣體揮發(fā)，無法使蒙古櫟葉片點(diǎn)燃?？扇嘉锖试酱?，點(diǎn)燃可燃物需要更多的的熱量，以烘干其水分直至揮發(fā)出可燃性氣體，而煙頭從落地到熄滅所提供的熱量不足以使可燃物的含水率下降到可以燃燒的條件?？扇嘉飰嚎s比對煙頭引燃可燃物概率有重要的影響，可燃物的壓縮比越大，煙頭引燃可燃物的概率越大，越有利于可燃物間熱量傳遞及減少熱量的散失。但這一結(jié)論應(yīng)在本研究的壓縮比范圍內(nèi)才能有效，壓縮比過大，煙頭點(diǎn)燃概率應(yīng)下降。

結(jié)果表明，煙頭引燃蒙古櫟闊葉床層的條件比較苛刻。在郁閉度較大的林分中，林內(nèi)可燃物含水率大，風(fēng)速較低，因此煙頭不易引燃死可燃物。在郁閉度較小的林分中，由于太陽輻射較大，林內(nèi)細(xì)小可燃物干燥，風(fēng)速大，煙頭易引燃地表可燃物。因此在林火管理中，針對不同郁閉度的林分，要采取不同的林火管理措施；在郁閉度較小的林分內(nèi)更要加強(qiáng)火源管理。雖然煙頭引燃地表死可燃物的條件很苛刻，但我國煙頭引發(fā)的森林火災(zāi)比例很大，說明我國火源管理還有不足之處，要進(jìn)一步強(qiáng)化火源管理。

本研究采用室內(nèi)模擬點(diǎn)燃實驗，和室外環(huán)境會有一些不同之處，對風(fēng)速和壓縮比的控制與野外環(huán)境可能還有些差別。受環(huán)境干濕條件影響和風(fēng)的作用，點(diǎn)燃過程中可燃物的含水率會有少許的變化，對分析有一定影響。但是本研究初步揭示了煙頭點(diǎn)燃典型地表死可燃物的概率與可燃物含水率、壓縮比、風(fēng)速的關(guān)系，對今后深入了解該問題具有一定借鑒價值。不同可燃物的結(jié)構(gòu)不同，同樣條件下煙頭點(diǎn)燃的概率也會有所不同。今后應(yīng)對其他類型的可燃物開展相關(guān)研究，以更全面揭示煙頭點(diǎn)燃可燃物的概率，為火險預(yù)報和林火管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

[1] 楊美和,高穎儀,宋嘉寶,等.森林可燃物含水率的測試與分析[J].吉林林業(yè)科技，1990(4):28-29.

[2] 王剛,金曉鐘.細(xì)小可燃物易燃性的實驗研究[J].森林防火，1995(3):5-7.

[3] 單延龍,張敏,于永波.森林可燃物研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].北華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2004，5(3):264-269.

[4] 譚家磊,王彤,宗若雯,等,棉被陰燃火災(zāi)實驗研究[J].消防科學(xué)與技術(shù),2009，28(7):478-481.

[5]RobertsAF.Problemsassociatedwiththetheoreticalanalysisoftheburningofwood[J/OL].1971:893-903[2013-05-28].http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0082078471800905.

[6]Oritz-MolinaMG,ToongTY,MoussaNA,etal.Smolderingcombustionofcellularplasticsanditstransitionofflamingorextinguishment[M].Pittsburgh：ThecombustionInstitute,1978:38.

[7] 路長,林其釗,王清安.陰燃中出現(xiàn)有焰火的理論初探[J].火災(zāi)科學(xué),2000,9(1):13-20.

[8]TseSD,Fernandez-PelloAC,MiyasakaK.ControllingmechanismsinthetransitionfromSmolderingtoflamingofflexiblepolyurethanefoam[J/OL].1996.26(1):1505-1513[2013-06-01].http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0082078496803729#.

[9] 高志濤,吳曉春,蒙古櫟地理分布規(guī)律的探討[J].防護(hù)林科技，2005(2):75-84.

[10] 陳華豪,用邏輯斯蒂模型預(yù)測日人為林火的發(fā)生[J].森林防火，1988(3):45-47.

[11]Garcia1C,WoodardlPM,TitusSJ,etal.ALogitModelforPredictingtheDailyOccurrenceofHumanCausedForestFires[J/OL].InternationalJournalofWildlandFire,1995,5(2):101-111[2013-06-04].http://www.publish.csiro.au/paper/WF9950101.

[12] 查特基,哈迪,普賴斯.例解回歸分析[M].鄭明,譯.北京:中國統(tǒng)計出版社,2004.

Burning Probability of Fuelbed Composed of Mongolian Oak Leaf Ignited by Cigarette ends/

Jin Sen, Zhang Yunlin, Zhu Kaiyue, Hu Yue

(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(8).-75～78

Fuelbeds composed of Mongolian oak leave were constructed with varied fuel moisture contents and packing ratios. Over 900 ignition experiments were conducted by dropping cigarette ends on the fuelbeds to test burning probability of the fuels under varied wind speeds. The wind speed significantly influenced burning probability of the fuelbed. No fuelbed was ignited when wind speed was lower than 2 m·s-1regardless of fuelbed packing ratio and moisture content. Fuebed was ignited when wind speed was higher than 2 m·s-1, but the wind speed makes no significant differences on burning probability. Fuel moisture content, packing ration and their interaction with wind speed affected burning probability. No burning occurred when fuel moisture content was higher than 10%. A logistic model was established for predicting burning probability by using these variables with accuracy of 90%.

Moisture content; Wind speed; Packing ratio; Cigarette end; Mongolian oak

金森，男，1970年3月生，東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，教授。

2013年9月30日。

S762

1) 東北林業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新性實驗項目(201210225086)。

責(zé)任編輯：戴芳天。