噴頭高度對防火林帶噴淋效果的影響研究

劉培興+何瑩泉+陳鈺皓+劉錫輝+趙艷

摘要：通過對安裝高度為1.25 m、1.65 m、1.90 m、2.35 m、3.20 m噴頭的噴淋射程和噴淋均勻度進行的測試，發(fā)現(xiàn)了在設(shè)置的防火林帶中，噴頭的噴淋效果受郁閉度、樹高、冠幅、地形、坡度等因素影響較大。在實驗林中的測試結(jié)果表明：高度為1.65m噴頭噴淋均勻，噴淋效果最佳。

關(guān)鍵詞：防火林帶；噴頭；安裝高度；噴淋效果；均勻度

中圖分類號：S762.3

文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2017）07-0193-04

1 引言

隨著社會發(fā)展和林業(yè)經(jīng)營管理方式的改變，森林火險等級不斷提高。森林公園的可燃物載量大[1]，一旦發(fā)生火災(zāi)，將造成財產(chǎn)損失，威脅游人安全[2]。利用水滅火是最原始的滅火方法，具有效率高、成本低、安全性好、滅火徹底、不留隱患、不易復(fù)燃的特點，是廣泛使用的撲火技術(shù)手段[3]，也是林業(yè)發(fā)達國家首選的森林火災(zāi)撲救方法[4]。為在林地中開展以噴淋水阻隔林火和撲滅林火的研究，本實驗在林內(nèi)帶狀鋪設(shè)噴淋系統(tǒng)，通過噴頭將水均勻地噴灑在樹葉、樹枝、樹干、地上枯落物上，提高林帶內(nèi)可燃物的含水率和環(huán)境濕度，降低可燃物燃點，達到防火和滅火的目的。特別在高危森林火災(zāi)時期通過對防火林帶進行噴淋灌溉，能大幅提高防火林帶的防火能力[5]。本實驗設(shè)置了旋轉(zhuǎn)噴頭，在林地內(nèi)旋轉(zhuǎn)噴射水流，通過測量噴水流的射程和地面上水的均勻度來說明噴淋的效果，通過測試不同安裝高度的噴頭噴出水柱的射程和均勻度，確定噴淋效果最佳的噴頭高度。

2 材料與方法

2.1 實驗基地概況

本實驗地點在東莞市大屏嶂森林公園中部的佛坳景區(qū)內(nèi)，該林分以荷木、馬占相思、大葉相思等樹種為主，林下還有三椏苦、鴨腳木、九節(jié)、五指毛桃、草珊瑚等灌木，是多樹種混交林，該林分郁閉度在0.6以上，主要樹木平均胸徑14.3 cm，平均樹高10.5 m，平均冠幅3.3 m。防火林帶不同樣點山體上側(cè)坡度角在16～27°之間，下側(cè)坡度角在17～35°之間。

在林中設(shè)置長度約300m的噴淋實驗管線，在供水主管上安裝噴淋系統(tǒng)，噴淋系統(tǒng)包括噴頭、噴頭立管、閥門井、高位水池等。設(shè)置噴頭15個，噴頭通過對應(yīng)的立管與給水主管連通，在給水主管道上安裝3套壓力表，以監(jiān)測噴淋系統(tǒng)動態(tài)壓力。

2.2 實驗材料

DN80-DN40熱鍍鋅給水主管，DN25熱鍍鋅立管，46H噴頭，壓力表，控制閥，激光測距儀，接水塑料盒，稱重天平等。

2.3 實驗方法

選取林相、地理位置、坡向、朝向、海拔等均接近的A、B、C三點上噴頭作為測試對象（圖1）。在每個噴頭位置設(shè)樣地（22 m×12 m），在不同方向布置24個塑料樣盒收集噴淋的水量（圖2、3）。

測試時，分別在A、B、C點位安裝高度為1.25 m、1.65 m、1.90 m、2.35 m、3.20 m噴頭立管進行噴水試驗，記錄每次噴淋時間，用天平稱測量24個樣盒內(nèi)所接納的水量；用激光測距儀測量8個方向噴淋噴灑能到達的有效距離，記錄測量地坡度。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同噴淋高度對噴水距離的影響

3.1.1 A、B、C軸實測數(shù)據(jù)

A、B、C軸實測數(shù)據(jù)見表1。

3.1.2 噴淋射程實測分析

1方向?qū)崪y最大2個噴水射程分別是：3.20 m噴頭（18.1m），1.65 m噴頭（16.8 m）；2方向?qū)崪y最大2個噴水射程分別是：3.20 m噴頭（20.1m），1.90 m噴頭（19.1 m）；3方向?qū)崪y最大2個噴水射程分別是：3.20 m噴頭（21.9m），1.90 m噴頭（21.8 m）；4方向?qū)崪y最大2個噴水射程分別是：3.20 m噴頭（19.5m），1.90 m噴頭（19.2 m）；5方向?qū)崪y最大2個噴水射程分別是：3.20 m噴頭（19.5 m），1.25、1.65 m噴頭（21.8 m）并列；6方向?qū)崪y最大2個噴水射程分別是：3.20 m噴頭（19.8 m），1.90 m噴頭（18.3 m）；7方向?qū)崪y最大2個噴水射程分別是：1.25 m噴頭（20.4 m），1.65 m、2.35 m噴頭（20.2 m）并列；8方向?qū)崪y最大2個噴水射程分別是：3.20 m噴頭（18.8 m），2.35 m噴頭（17.5m）。

8個噴水方向，每個方向取噴水最遠點和次遠點，共18個點（含2個并列點），其中3.20 m噴頭有7個點，占38.9%；1.90 m噴頭有5個，占27.8%；1.25 m、1.65 m、2.35 m噴頭各有2個，各占11.1%。最佳為3.20 m噴頭，其次1.90 m噴頭。

剔除3.20 m噴頭后，同樣是8個噴水方向，每個方向取噴水最遠點和次遠點，共20個點（含4個并列點），其中1.90 m噴頭有8個，占40.0%；1.25 m、1.65 m噴頭各有5個，各占25.0%； 2.35 m噴頭各有2個，各占10.0%。最佳為1.90 m噴頭，其次為1.25 m、1.65 m噴頭。

在防火林帶中噴淋時，噴頭受森林郁閉度、樹高、冠幅、地形、坡向、坡度、風(fēng)向、風(fēng)速、噴頭與樹的距離、噴頭與樹冠的距離等諸多因素影響，并非噴頭安裝高度越高，射程越遠。

3.2 不同噴淋高度對灑水量的變化

在噴頭自轉(zhuǎn)5圈噴灑噴淋樣盒后，在1.25 m、1.65 m、1.90 m、2.35 m、3.20 m高噴頭立管中，對比各高度噴頭噴淋數(shù)據(jù)分析：1.65 m高噴頭立管噴淋到樣盒內(nèi)總水重量為615.70 g，不是總水重量最多的一種類型，但用時最短，平均每分鐘水重量是最多一種類型，為68.13 g/min，并且各樣盒平均每分鐘水重量最均勻，標準差系數(shù)最小，為0.76，離散程度最小，從以上兩個數(shù)據(jù)指標分析，1.65 m高噴頭噴灑落地水效率最高，噴灑均勻程度也最好（表2、表3）。

從三維及平面圖可知，各種類型噴頭立管林地上樣盒每分鐘水重量最大值集中在6、7號樣盒，樣地總體水重量分布集中在樣地的前3排、圍繞噴頭的樣盒1-12號，離噴頭越遠，單個樣盒獲得的水重量越少；隨著噴頭立管不斷升高，離噴頭越遠，同一排樣盒內(nèi)水重量越均勻，與樹高、郁閉度有關(guān)，被林冠層遮擋，落下樣盒內(nèi)的水重量相近；通過對比，發(fā)現(xiàn)只有1.25 m、1.65 m噴頭立管這兩種類型樣盒內(nèi)噴淋水重量在2.01～4 g/min范圍內(nèi)到達5排，1.65 m噴頭立管樣盒內(nèi)噴淋水重量在4.01～6 g/min范圍內(nèi)有6個樣盒，比1.25 m噴頭立管樣盒內(nèi)噴淋水重量在此范圍內(nèi)多3個樣盒，因此，每min落在1.65 m高噴頭立管樣盒上的水重量會多一點（圖4、圖5）。

3.3 不同坡度的山地環(huán)境及林分狀況對噴淋效果的影響

各軸線不同安裝高度噴頭實測射程范圍見表4。

3.3.1 林帶上坡側(cè)（1方向）坡度角與射程變化關(guān)系

A、B、C三樣點坡度角分別為27°、16°、18°，即∠A>∠C>∠B。在無林木遮擋情況下，上坡側(cè)坡度角越小射程越遠，即B樣點射程>C樣點射程>A樣點射程。但在防火林帶中，由于樹木的存在，對照表4中1方向5組不同高度噴頭的數(shù)據(jù)，只有3.20 m噴頭符合以上關(guān)系，其余4組數(shù)據(jù)（占80%）不符合以上關(guān)系。

3.3.2 林帶下坡側(cè)（5方向）坡度角與射程變化關(guān)系

A、B、C三樣點坡度角分別為21°、35°、17°，即∠B>∠A>∠C。在無林木遮擋情況下，下坡側(cè)坡度角越大射程越遠，即B樣點射程>A樣點射程>C樣點射程。但在防火林帶中，由于樹木的存在，對照表4中5方向5組不同高度噴頭的數(shù)據(jù)，全部（占100%）不符合以上關(guān)系。

3.3.3 林帶上坡側(cè)（1方向）與下坡側(cè)（5方向）射程變化關(guān)系

在無林木遮擋情況下，下坡側(cè)（5方向）噴水射程要大于上坡側(cè)（1方向）。但在防火林帶中，由于樹木的存在，表4中對比1方向與5方向15組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)：1.25 m噴頭B樣點，1.65 m噴頭B、C樣點，2.35 m噴頭B、C樣點，3.20 m噴頭B、C樣點，共7個樣點（占47%）是上坡側(cè)（1方向）噴水射程比下坡側(cè)（5方向）要遠，不符合以上關(guān)系。

林地坡度對噴淋射程的影響，上坡噴淋一定會減少噴淋水平距離射程，但上坡噴淋水流是從下往上噴，水射流會躲開樹冠對水流的遮擋，會有主射流在樹木枝冠下通道噴灑，阻擋物相對較少，造成水流氣流合一的順上坡的水流氣流爬升效應(yīng)，而使得噴淋射程加大。下坡噴淋按原假設(shè)應(yīng)該比上坡遠才合理，但實驗結(jié)果并非如此。下坡噴淋水流從上往下噴，噴頭主射通道會與樹木茂密樹冠重合，噴淋水流受到樹冠的阻擋影響會較大，噴頭較遠的一些水流水量是打到樹枝樹冠滴撒下地面，未能噴射的更遠。同樣道理，坡度角大小對噴射水流射程的影響，也不及樹木茂密樹冠的影響大，當水流能穿透樹冠的空隙，噴射水流射程會更遠。

3.4 林帶不同林分狀況對噴淋效果的影響

在林地內(nèi)噴淋射程與空地上有如此大差異，最大原因是受到林分狀態(tài)的影響，包括林分的郁閉度、密度、樹木胸徑、冠幅、樹冠離地高度、樹葉的密度、樹身與噴頭的距離等因素。林分郁閉度大、樹木株數(shù)多、樹木胸徑大、冠幅大、樹冠離地低、樹葉茂密、樹身離噴頭近等情況，會造成噴淋阻力大，水流難噴射得更遠，造成噴淋射程小，噴淋不均勻，噴淋效率低；反之射程更遠，更均勻，效率更高。因此在選擇噴頭安裝高度時，應(yīng)實地考察林分狀況，重點是選擇能使噴射水流避開樹干、樹冠層遮擋的噴頭，從而減少阻力，以求獲得水流射程更遠、更均勻、更高的效率。

4 結(jié)論與討論

（1）本實驗測試了安裝高度1.25 m、1.65 m、1.90 m、2.35 m、3.20 m噴頭的噴水射程和噴灑均勻度，實驗結(jié)果證實安裝高度1.65 m的噴頭，噴灑均勻度最高且噴水射程較遠。

（2）防火林帶噴頭安裝高度的選擇，受森林郁閉度、樹高、冠幅、地形、坡向、坡度等諸多因素影響，實際噴淋效果與廠家提供的使用參數(shù)有較大出入，因此在施工安裝之前，應(yīng)做好現(xiàn)場調(diào)查，有條件可實地做實驗再安裝，才能取得較佳效果。

（3）本實驗使用的噴頭是外購商品噴頭，僅就不同安裝高度進行實驗，由于噴頭的噴射角度、孔徑等參數(shù)固定不可調(diào)節(jié)，為獲得防護林帶噴淋最佳效果，可與噴頭廠家聯(lián)合做更多實驗工作。

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