興安落葉松人工林采伐跡地的燃燒特性1)

薛偉　趙洪陽

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

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興安落葉松人工林采伐跡地的燃燒特性1)

薛偉趙洪陽

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

摘要經(jīng)實地勘查后布置燃燒床，以風(fēng)速、表層可燃物含水率、現(xiàn)場溫度、坡度為因素，溫度變化、燃燒蔓延速度、火線強度為特性指標(biāo)設(shè)計L9(34)正交試驗。結(jié)果表明：風(fēng)速對火蔓延速度及火線強度具有明顯影響，隨著風(fēng)速的增大，火蔓延速度與火線強度明顯增加；表層含水率對最高溫度、火蔓延速度及火線強度的影響較明顯，隨著表層含水率增加，最高溫度、火蔓延速度及火線強度均降低；現(xiàn)場溫度對最高溫度有明顯影響，隨現(xiàn)場溫度升高，最高溫度增加；坡度對最高溫度、火蔓延速度及火線強度均有影響，隨坡度的增加，最高溫度增加，火蔓延速度加快，火線強度加強；風(fēng)速及表層含水率是影響剩余物燃燒的主要因素，當(dāng)風(fēng)速為5 m·s(-1)、表層含水率為10%時，影響剩余物燃燒的權(quán)重最大。

關(guān)鍵詞興安落葉松；人工林；采伐跡地；燃燒特性

分類號TK16

Combustion Characteristics of Residues inLarixgmeliniiPlantation Slash

Xue Wei, Zhao Hongyang

(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(3)：8-11.

After arranging burning bed after field survey on site, with wind speed, surface fuel moisture, temperature and slope as factors, we designed L9(34) orthogonal test in the performance indexes of temperature, fire spread speed, and fire intensity. Wind speed had a significant effect on fire spread speed and fire intensity, and the two indicators obviously were increased with the increase of wind speed. The maximum temperature, fire spread speed, and fire intensity had a close relationship with surface fuel moisture, and the three indicators were reduced with the increase of surface fuel moisture. The site temperature had obviously impact on maximum temperature merely, with the increase of scene temperature and the maximum temperature. The maximum temperature, the fire spread speed, and the fire intensity were related to the slop, and with the increasing of slope increasing, the maximum temperature and the fire spread speed, the fire intensity was strengthened. The wind speed and surface fuel moisture were the main factors that affect the combustion of residues, the weight reached maximum, and when the wind speed was 5 m·s-1, the surface moisture content was 10%.

KeywordsLarix gmelinii； Plantation； Slash； Combustion characteristic

興安落葉松(Larixgmelinii)人工林是大、小興安嶺地區(qū)主要的人工林區(qū)類型[1]。經(jīng)采伐作業(yè)后，人工林殘留大量具有易燃性的伐根、枝丫、干枯雜草等，且采伐跡地缺少上層遮掩，光照強度高、通風(fēng)強，易引發(fā)火災(zāi)[2]。Morandini et al.[3]通過一個簡化模型模擬燃燒過程，從而快速計算出燃燒過程中溫度的分布和火勢的傳播。Pering et al.[4]研究了木梁的燃燒特性，在指定最高溫度和燃燒時間的特定燃燒過程中，分析了質(zhì)量損失量與能量公式的關(guān)系。薛偉、張德新等[5]對貯木場木材加工剩余物的燃燒特性進行了研究，討論了木材加工剩余物在不同含水率、不同風(fēng)速下對火蔓延速度、溫度場等的影響。近年來對采伐跡地火災(zāi)的研究多集中于預(yù)測評定火災(zāi)等級，但鮮見研究其燃燒特性的報道。本文結(jié)合實驗以及數(shù)據(jù)分析，可直觀了解興安落葉松人工林采伐跡地燃燒特性，以期為科學(xué)預(yù)防森林火災(zāi)提供理論依據(jù)。

1燃燒模型及測試方法

實驗樣地為大興安嶺地區(qū)，位于121°12′～127°2′E，50°10′～53°33′N，人工林采伐樹齡為25 a，勘查樣地后確定燃燒床由表層、腐殖層、土層組成，表層可燃物組成見表1。在標(biāo)準(zhǔn)樣地按對角線形式選取9個6 000 mm×3 500 mm的樣方，利用全收獲法，收集樣方內(nèi)的朽木、樹枝、樹皮、針葉、松塔散落物、干枯雜草以及腐殖質(zhì)層的樣品備用。伐根直徑為(180±50)mm。

表1　燃燒床表層可燃物組成

燃燒床尺寸為6 000 mm×3 500 mm(長×寬)，伐根間距按照1 500 mm×2 000 mm均勻分布，表層、腐殖質(zhì)層、土層厚度分別為150、150、100 mm，最底層為石膏板。伐根分布見圖1。

傾角變換機構(gòu)、吹風(fēng)機、EY1型風(fēng)速風(fēng)向儀；車載電源、開關(guān)電源、熱電偶、測溫模塊、模塊座；數(shù)據(jù)采集軟件采用北京三維力控PCAuto3.62版監(jiān)控組態(tài)軟件。實驗設(shè)計及數(shù)據(jù)直觀分析使用正交試驗助手V3.1。實驗數(shù)據(jù)二次分析采用矩陣分析法。繪圖采用Origin9.0。

圖2為燃燒實驗?zāi)Ｐ蛨D，燃燒臺表面黑色圓點為溫度測試點，以此測試溫度場分布；燃燒臺兩側(cè)分別布置7根間隔為1 000 mm的標(biāo)桿，通過觀測火通過各標(biāo)桿的時間來計算火蔓延速度及火線強度。

圖1　伐根分布圖

圖2　燃燒實驗?zāi)Ｐ?/p>

本實驗在恒溫燃燒實驗室內(nèi)進行。布置燃燒床，安裝設(shè)備調(diào)試軟件，記錄燃燒過程中火通過各標(biāo)桿的時間，稱量燃燒床實驗前后質(zhì)量；選取風(fēng)速、表層可燃物含水率、現(xiàn)場溫度、坡度為因素設(shè)計L9(34)正交試驗(見表2)。

表2　實驗工況

采伐跡地火災(zāi)預(yù)報除危險等級評定外，還包括發(fā)生火災(zāi)后火行為的預(yù)報，火行為中最基礎(chǔ)的指標(biāo)就是火蔓延速度。本文研究火頭順風(fēng)速度，采用Rothermal模型[6]計算。公式為v=L/t。式中，v為火蔓延速度；L為火蔓延的距離；t為蔓延時間。

火線強度是指單位長度火線在單位時間內(nèi)釋放的熱量，該指標(biāo)可科學(xué)體現(xiàn)火勢發(fā)展的強勁程度，是研究火災(zāi)特性的重要指標(biāo)。本文采用美國物理學(xué)家Byram提出的火線強度計算公式進行計算[7]，即：I=TWv。式中，I為火線強度；T為可燃物釋熱量；W為可燃物有效載量；v為燃燒蔓延速度。

可燃物釋熱量是指單位質(zhì)量可燃物完全燃燒時發(fā)出的熱量，通常使用的計算公式為：T=100(QH-226H-25R)/(100+R)。式中,QH為可燃物絕干發(fā)熱量；H為可燃物中的氫的含量；R為可燃物中的含水率。

2結(jié)果及分析

2.1溫度場分布

選取工況1燃燒至600、1 200、1 800 s的溫度場分布進行分析。以燃燒臺長邊為X軸，短邊為Y軸，進風(fēng)口端點為原點建立坐標(biāo)系得到圖3所示溫度場分布圖。由圖3可知，沿X軸方向，溫度場隨燃燒時間變化，且隨著燃燒進行最高溫度減小，高溫區(qū)域逐漸分散，這說明火勢沿風(fēng)速方向逐漸減小，但單位時間內(nèi)燃燒面積增加，在燃燒進行至1 800 s時，燃燒進入衰減熄滅階段，溫度場呈現(xiàn)波浪形分布，在伐根附近出現(xiàn)波峰，波峰沿風(fēng)速方向逐漸升高，但整體溫度較低。燃燒至600 s時，溫度場沿Y軸方向無明顯變化，燃燒至1 200 s時，X0～X3呈現(xiàn)出中間低兩側(cè)高的分布，X3～X6無明顯變化；燃燒至1 800 s時，整體呈現(xiàn)中間低兩側(cè)高的分布。

圖3　溫度場分布

在發(fā)生森林火災(zāi)時，高溫產(chǎn)生的熱輻射是促使火災(zāi)蔓延的主要因素，通過測試不同條件下采伐跡地燃燒產(chǎn)生的最高溫度，可以準(zhǔn)確判斷火災(zāi)發(fā)生時的溫度范圍及不同的影響因素，為有效防控采伐跡地火災(zāi)發(fā)生提供理論參考[8]。由表3可知，工況7最高溫度最高為498 ℃，工況9最高溫度最低為448 ℃。表4為正交試驗直觀分析和極差分析結(jié)果，能直觀反映出各因素對最高溫度的影響及影響程度。極差分析顯示4因素對最高溫度的影響程度由大到小依次為表層含水率、坡度、現(xiàn)場溫度、風(fēng)速；最高溫度隨表層含水率增加而降低，隨坡度及現(xiàn)場溫度增加而增加。

2.2火蔓延速度

由表5可知，工況3火焰從標(biāo)桿6蔓延到標(biāo)桿7所需時間最長為374 s，工況7火焰從標(biāo)桿1蔓延到標(biāo)桿2所需時間最短為56 s。工況7平均速度最大為2.64×10-2m·s-1，工況3平均速度最小為1.64×10-2m·s-1。且各實驗工況火蔓延速度均呈先逐漸增加后趨于平緩的變化趨勢。

表3　各工況最高溫度

表4　最高溫度直觀分析

表5　火到達各標(biāo)桿時間及蔓延速度

由表6可知，風(fēng)速、表層含水率、坡度是影響火蔓延速度的主要因素，火蔓延速度隨風(fēng)速及坡度增加而增加，隨表層含水率升高而減小。

表6　火蔓延速度直觀分析

2.3火線強度

落葉松人工林采伐跡地剩余物品種較多，在熱值上存在一定差異[9]。為保證數(shù)據(jù)的科學(xué)性，本文經(jīng)實驗測得采伐跡地剩余物絕干發(fā)熱量近似為18 500 kJ·kg-1。采伐跡地剩余物的元素組成無明顯差異，本文選取氫的含量為6%，由此可計算不同表層含水率時的可燃物釋熱量。通過稱取燃燒臺前后的質(zhì)量(m1、m2)，可計算可燃物的有效載量。由表7可知，隨著含水率升高，可燃物釋熱量降低，有效可燃物載量增加。因為含水率升高，剩余物密度增大，質(zhì)量增加，剩余物燃燒前需吸收更多熱量使水分蒸發(fā)，所以發(fā)熱量降低，有效可燃物載量增加。

表7　各工況指標(biāo)值及火線強度

2.4綜合分析

各因素對采伐跡地剩余物不同特性指標(biāo)的影響有所差異，直觀分析無法科學(xué)評判各因素對燃燒特性的綜合影響，因此本文采用矩陣分析法[10]對直觀分析結(jié)果進行二次分析，得出各因素對剩余物燃燒特性影響權(quán)重。經(jīng)計算得出正交試驗的總權(quán)矩陣為：

由總權(quán)矩陣可以看出，風(fēng)速及表層含水率是影響采伐跡地剩余物燃燒特性指標(biāo)變化的主要因素。隨著風(fēng)速增加權(quán)重變大，當(dāng)風(fēng)速為5 m·s-1時，風(fēng)速權(quán)重最大；隨表層含水率的增加權(quán)重變小，當(dāng)表層含水率為10%時，表層含水率的權(quán)重最大?，F(xiàn)場溫度及坡度權(quán)重較小?，F(xiàn)場溫度為20 ℃時，現(xiàn)場溫度的權(quán)重相對較大；當(dāng)坡度為6°時，坡度的權(quán)重相對較大。因此，在采伐跡地火災(zāi)監(jiān)控時，應(yīng)重點監(jiān)測風(fēng)速及地表可燃物含水率。

3結(jié)論與討論

研究不同因素對落葉松人工林采伐跡地剩余物燃燒特性的影響，是預(yù)防火災(zāi)發(fā)生的基礎(chǔ)性研究。本文采用正交試驗進行工況布置，通過分析測試結(jié)果，得出了不同因素對各指標(biāo)的影響情況。

不同工況下溫度場分布隨時間變化趨勢基本一致。X軸方向，燃燒至1 800 s時，整體溫度較低，伐根處出現(xiàn)波峰，與風(fēng)速垂直方向呈波浪形分布，因為伐根耐燃但與表層燃燒物相比易燃度低，在表層燃燒物燃燒熄滅時，伐根處于衰減階段。Y軸方向，燃燒至1 200 s時，X0～X3呈現(xiàn)出中間低兩側(cè)高的分布，是由于表層可燃物燃盡，伐根正處于燃燒階段，X3～X6伐根未燃，僅表層可燃物燃燒產(chǎn)生熱輻射，所以無明顯變化；燃燒至1 800 s時，表層可燃物幾乎全部燃盡，僅伐根燃燒產(chǎn)生熱輻射，所以整體呈現(xiàn)中間低兩側(cè)高的分布。

表層含水率對最高溫度的影響最大，依次為坡度、現(xiàn)場溫度、風(fēng)速。這是因為表層含水率增加，水分較高，可燃物無法充分燃燒，且水分蒸發(fā)會消耗熱量，導(dǎo)致最高溫度降低，坡度增加使火焰預(yù)熱區(qū)域擴大，燃燒溫度增高，但由于輻射范圍廣，最高溫度增幅較小?，F(xiàn)場溫度增加有利于可燃物燃燒充分，最高溫度上升，風(fēng)速對最高溫度影響較小，可忽略不計。

火蔓延速度隨時間變化，顯著增加后趨于平緩，因為在燃燒前期熱輻射使可燃物中的水分逐漸蒸發(fā)而變干燥，易燃性提升，火蔓延速度增加；燃燒后期可燃物基本全部干燥且距離風(fēng)口較遠(yuǎn)，風(fēng)速降低，因此火蔓延速度趨于平緩。影響火蔓延速度的主要因素是風(fēng)速、表層含水率、坡度，火蔓延速度隨風(fēng)速及坡度增加而增加，隨表層含水率升高而減小。因為風(fēng)會拉長燃燒火焰，風(fēng)速增加后，沿風(fēng)速方向火焰拉長導(dǎo)致其對可燃物的熱輻射面積變大，輻射效率提升，火蔓延速度增加；表層含水率升高，火焰需傳遞更多熱量用于蒸發(fā)可燃物的水分以提升其易燃性，熱輻射效率降低，火蔓延速度降低；坡度增大，熱輻射面積增加，預(yù)熱充分，火蔓延速度增加。

風(fēng)速及表層含水率對火線強度的影響最為明顯，坡度、現(xiàn)場溫度對其影響極小。因為風(fēng)速增加火蔓延速度增加，導(dǎo)致火線強度變大；隨著表層含水率增加，火線強度下降，因為表層含水率的增加導(dǎo)致火蔓延速度、發(fā)熱量降低，但可燃物有效載量隨著含水率增加而變大且增加幅度上升，因此在含水率大于15%左右后火線強度下降緩慢，整體為非線性下降趨勢。坡度增加時，預(yù)熱范圍變大，且預(yù)熱時間變長，可燃物得以充分燃燒，火線強度變大，當(dāng)坡度大于7°時，火線強度增幅變小，因為當(dāng)坡度到達一定程度時，可燃物下滑導(dǎo)致可燃物減少，使火線強度增勢緩慢[11]。

通過數(shù)據(jù)優(yōu)化顯示風(fēng)速為5 m·s-1、表層含水率為10%時采伐跡地剩余物燃燒特性綜合指標(biāo)最為明顯，在預(yù)防火災(zāi)時應(yīng)重點監(jiān)測風(fēng)速及表層可燃物含水率。

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1)國家環(huán)保部生物多樣性保護專項資金項目(214662)。

收稿日期：2015年9月10日。

第一作者簡介：薛偉，男，1962年12月生，東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，教授。E-mail：nefuxw1962@163.com。

1)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助(2572015CB05)。

責(zé)任編輯：王廣建。