森林自燃火災中的凋落物輻射升溫特性研究
——以岳麓山為例*

陳立林，劉　瓊，杜沄燕

(中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083)

0　引言

森林火災燃燒、傳播速度快、破壞性強，森林凋落物極易起火引發(fā)森林自燃火災，對森林凋落物燃燒特性的研究是森林自燃火災風險評估的基礎。國內(nèi)外學者針對凋落層開展了諸多研究，朱學平等[1]在研究中指出，地表調(diào)落物作為森林火災林分植被致災因子，直接影響著森林火災燃燒；駱介禹等[2]研究表明，森林火災主要可燃物由茅草、雜灌木等林下植被層和枯枝落葉、地表腐殖質(zhì)等凋落物層組成；原作強等[3-4]認為凋落物是引發(fā)森林火災的重要可燃物，并對凋落物的季節(jié)動態(tài)和燃燒性開展了研究。

森林凋落物形成覆蓋，容易產(chǎn)生熱量堆積效應引發(fā)自燃火災。輻射加熱是模擬高溫環(huán)境施加于凋落物表面熱荷載的一種常用加熱方式，王海暉等[5]研究了熱輻射作用下樹葉樣品的燃燒特性；MOGHTADERIB等[6-13]利用錐形量熱計裝置分析了外加輻射熱流環(huán)境下木材的熱解規(guī)律；季經(jīng)緯等[14]對固體可燃物熱解和著火早期特性進行研究。

截至2016年，湖南林下可燃物載量平均每平方千米3 000 t以上，已經(jīng)超過產(chǎn)生高強度火和大火的可燃物標準。岳麓山脈位處國家5A級風景名勝區(qū)，山中植物群落有常綠闊葉林和落葉林2種，其中落葉林的優(yōu)勢樹種有楓香、白櫟、樸樹、榔榆、錐栗、欒樹、南酸棗和翅莢香槐[15]。冬季時，枯枝落葉堆積形成較厚凋落層，極易起火。近10年的消防臺賬顯示麓山景區(qū)年均火警6起。研究表明，全球氣候持續(xù)變暖導致森林火災致因多樣化，而凋落層引發(fā)的自燃火災成為森林火災研究的新課題。因此，研究森林凋落物熱輻射升溫特性對森林防火管理具有重要意義。通過論文檢索尚未發(fā)現(xiàn)針對岳麓山地區(qū)凋落層升溫著火誘發(fā)火災的研究，故本文針對岳麓山森林凋落物，設計溫升速率測定裝置，通過實驗模擬研究探討岳麓山林下凋落物的溫升特性，以便進行凋落層自燃危險性評價研究，為岳麓山森林防火工作提供參考。

1　凋落物輻射升溫實驗

1.1　采樣地設置與凋落物分層取樣

湖南地區(qū)的森林防火緊要期是每年10月至次年3月，因此，本文實驗采樣期選為2016 年10月至2017年1月，采樣周期15 d，4個月內(nèi)共采樣7次。為使樣本具有代表性，本文所選采樣地位于岳麓山落葉林連續(xù)分布區(qū)，林木覆蓋率較高，凋落物堆積足夠多，范圍為10 m×10 m。因凋落物分布具有不均勻性，在樣地內(nèi)沿對角線選取 4 塊 2 m × 2 m 的小樣方，以便進行4組測量取厚度、重量平均值，采樣方式見圖1。

圖1　岳麓山落葉林凋落物采樣Fig.1　Forest litter sampling in Yuelu Mountain

岳麓山落葉林地表凋落物從上到下可劃分為枯枝、新落葉層和腐殖層3部分。在選取的小樣方邊緣處挖一長2 m、深0.2 m的矩形截面，將枯枝單獨取出后，沿截面橫向多點測量新落葉層的厚度，并取其均值作為該樣方新落葉層厚度，腐殖層厚度按同樣的方法獲得。依據(jù)獲得的各層厚度標準，針對不含枯枝的凋落層，用1 m×5 mm(長×寬)的硬質(zhì)金屬板分別鏟取各樣方新落葉層和腐殖層樣品，取樣后分別用電子天平測定所得3種樣品重量，再裝入密封編號塑料袋內(nèi)，以此方法按周期獲取樣地內(nèi)各小樣方得樣品。

1.2　實驗方法

輻射加熱是模擬高溫環(huán)境施加在凋落物表面熱荷載的一種加熱方式，文獻[5]研究了輻射熱流作用下樹葉樣品的燃燒特性，文獻[6-16]利用錐形量熱計裝置對木材的熱解規(guī)律開展了大量研究，文獻[14]對固體可燃物熱解和著火早期特性開展了研究。本實驗主要考察凋落物在輻射熱流作用下的升溫著火過程，可以獲得升溫速率、著火時間、著火溫度、著火圖像等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可作為岳麓山森林防火的基礎信息。

本文設計的實驗裝置如圖2所示，輻射熱源為額定電壓220 V、額定功率1 500 W、尺寸120 mm×120 mm的電加熱板；測試樣品下表面輻射熱流強度為30 kW/m2；樣品置于上部的柱形鐵絲網(wǎng)中，直徑170 mm，高度150 mm；為保證紅外熱成像儀測量溫度的準確性，減少鐵絲網(wǎng)的阻隔影響，選用鐵絲直徑0.3 mm，孔徑10 mm×10 mm；紅外熱像儀為手持式FLUKE TI300，測溫范圍為-20～650℃，測量精度±2℃。同時，沿縱向在樣品中心處每隔50 mm布置直徑0.3 mm的K分度鎳鉻-鎳硅熱電偶測量點a，b，c和d的溫度，熱電偶測溫范圍為-50～700℃；裝置下部為柱式載架，內(nèi)徑180 mm，高度150 mm，熱量通過載架空間傳遞到上端樣品，連接上下裝置的是一網(wǎng)式托盤。

圖2　森林凋落物升溫速率測定裝備Fig.2　Measuring equipment for temperature rising rate of forest litter

1.3　實驗步驟

溫升實驗步驟如下：

1)將采集的各分層樣品按照實際測量的厚度逐層堆積在裝置的上部，并將熱電偶的測點置于樣品堆層的中心處，按50 mm縱向間隔均勻分布；

2)每隔20 s記錄測點a，b，c和d的溫度值，同時用紅外熱像儀測量相應時刻點溫度分布；

3)當觀察到枝葉樣品堆層中出現(xiàn)明火，則終止實驗，記錄著火時間；

4)重復以上步驟，完成全部7組實驗。

2　分析與討論

本文為提出正確的森林自燃火災監(jiān)測方式，需探討著火過程熱量傳遞特性。在不改變其他條件時，同一位置，溫度變化較快的階段熱量傳遞較強；同一時間，溫度梯度較大的位置熱量傳遞較強[17]。凋落層在升溫過程的不同時期和不同位置測點，熱量傳遞狀態(tài)會發(fā)生變化。故對凋落物自燃過程中的溫度變化進行研究。

2.1　紅外成像分析

利用紅外熱成像儀監(jiān)測各組實驗的全過程，可測得不同時刻樣品表面的溫度分布，進而直觀地分析熱量在凋落層中的傳遞規(guī)律。以某組實驗的紅外成像為例，圖3是凋落層在實驗初始時刻(0 s)、升溫期(200 s)及燃燒瞬間(460 s)的紅外圖像。

圖3　凋落層的紅外圖像Fig.3　Infrared images of forest litter respectively

凋落層的熱量傳遞特性受空隙率的影響最大，且隨空隙率的增加而明顯減少[18]。從升溫期(200 s)圖像的明暗分布可以看出橫向升溫速率快于縱向升溫速率，這是由于高壓熱流沿孔隙傳播，而凋落層橫向單位面積的孔隙率多于縱向。而在460 s時，系統(tǒng)瞬間起火，由圖像可見此時縱向溫升速率明顯快于橫向。

2.2　溫升曲線與關聯(lián)曲線分析

1)溫升曲線分析

實驗探究的重點之一是明確系統(tǒng)內(nèi)部所布點a，b，c，d隨時間的變化規(guī)律。根據(jù)本實驗的設計，每隔20 s記錄一次溫度，在溫度升至燃點的過程中，記錄下測點a，b，c和d點在23～25個不同時刻的溫度值，可繪制出7組實驗各測點的均溫隨時間變化的曲線。實驗發(fā)現(xiàn)，各組實驗所得曲線具有相似的變化規(guī)律，本文僅選取一組實驗數(shù)據(jù)進行分析，如圖4所示。

圖4　溫度-時間曲線與溫度關聯(lián)曲線Fig.4　Temperature-time curves and temprature correlation curves

分析圖4(a)可得，凋落層不同測點受熱升溫的總體趨勢相似。a曲線的溫度上升最快，表明熱量在a處迅速積累，且不能通過落葉層快速傳遞，導致b，c，d處的升溫速度很慢；20 s之前，a的溫升很快，達到120℃左右，而a，b，c的溫升很小，不到50℃。之后a迎來升溫拐點，升溫減慢，但是仍然比其他點要大；系統(tǒng)在460 s時燃燒，此時a處的溫度為342℃左右；a，b，c處全程升溫較低，不超過210℃。這表明凋落層導熱性很差，熱量在凋落層內(nèi)分布很不均勻。如果凋落層內(nèi)部有熱源存在的話，熱量很容易在熱源處集聚，從而導致熱源處的溫度迅速升高，如果不采取措施，可能引發(fā)自燃事件。

以此方法綜合分析7組實驗結果，發(fā)現(xiàn)岳麓山林下凋落物的著火溫度區(qū)間為340～350℃，在本實驗條件下的平均著火時間為420 s。

2)溫度關聯(lián)曲線分析

在總體分析凋落層溫度隨時間變化的基礎上， 把a看作系統(tǒng)的熱源基點，考察a的變化對b，c，d變化的影響，探究的意義表現(xiàn)在非恒定熱源對凋落物升溫過程的影響。故同樣選取一組實驗數(shù)據(jù)進行示例分析，繪制的b，c，d測點溫度分別與a測點溫度的關聯(lián)曲線如圖4(b)。

分析圖4(b)可見， 3條曲線在實驗開始初期溫度變化不明顯，a點達到120℃之后，d點溫度才開始上升，同時b，c點溫度上升速率加快。說明隨著a點溫度的升高，熱量傳遞到系統(tǒng)內(nèi)部，導致系統(tǒng)內(nèi)的溫度逐漸上升，但在初期變化很小，只有20℃左右的增量，這一階段，系統(tǒng)處于預熱期。隨著實驗的進行，內(nèi)部的空氣逐漸由靜止向流動轉(zhuǎn)化，導致熱量在內(nèi)部的流動變得順暢，表現(xiàn)為溫度快速上升。同時，由于蒸汽的散失暢通，導致熱量很快逸散，此時的系統(tǒng)溫度并不很高。

當a點溫度達到170℃時，3個測點溫度上升速率進一步加快。這是由于落葉中的纖維素就開始分解，氧化時放出大量熱，使溫度繼續(xù)升高，溫度升高又促使氧化反應加快，二者互相促進，導致體系溫度持續(xù)升高。

在a點溫度達到250℃時，3個測點升溫速率增大，270℃時減緩，最終升溫分別達到210，140，70℃左右。由于a是自燃的策源點，所以著火點往往在a所在平面上，當a處達到著火點時，系統(tǒng)內(nèi)的溫度往往在200℃左右。這也是凋落層導熱性差所帶來的必然結果：系統(tǒng)內(nèi)的溫度分布嚴重不均，有些地方已經(jīng)到著火溫度，附近的溫度卻還處在一個很低的水平，給凋落層自燃過程的溫度監(jiān)測布點帶來不便，故采用溫度監(jiān)測方式預測森林自燃火災風險不可取。

以此方法綜合分析7組實驗結果，發(fā)現(xiàn)不同組實驗的升溫速度和升溫值有較大不同，但曲線溫升規(guī)律基本一致。

2.3　溫升速率方程

根據(jù)紅外成像圖分析，發(fā)現(xiàn)a測點是凋落層各測點中升溫速率最快的點，也是燃燒的源點，可用a點的升溫速率來表征凋落層的風險度。7組實驗的最終著火溫度基本相同，說明凋落層溫度上升情況由其本身理化特性決定。陳澤韶等[19]在研究中指出含水率和表觀密度是影響凋落層升溫速率的兩大因素，故建立關聯(lián)含水率和表觀密度的溫升速率模型。

絕對含水率是是森林火險預報的關鍵指標[16]。將樣品放置電熱鼓風干燥箱內(nèi)，在110℃下恒溫烘干至樣品恒重，再用電子天平稱其干重，各樣品絕對含水率和可燃物載量可用式(1)和式(2)分別計算。

(1)

Z=M/S

(2)

式中：Mc為絕對含水率，%；GS為鮮質(zhì)量，kg；Ggo絕干質(zhì)量，kg；Z為可燃物載量，kg/m2；M為樣方內(nèi)可燃物絕干質(zhì)量，kg；S為樣方面積，m2。

表觀密度并不能代表凋落物真實的密度，但可以用來表征凋落層密實程度的物理量，同時也是凋落層空隙率的特征量。計算方法為：

(3)

式中：ρ為凋落層表觀密度，kg/m3；m為凋落物的質(zhì)量，kg；V為凋落物的體積，m3。

統(tǒng)計7組獨立實驗中樣品的含水率、表觀密度及a點平均升溫速率，如表1所示。

表1　含水率、表觀密度及a點平均升溫速率Table1　Moisture content, apparent density and average temperature rising rate at a

通過“麥夸特法(Marquardt)+全局優(yōu)化算法”對結果進行擬合，可得式(4)：

z=p1+p2·lnx+p3·(lnx)2+p4·lny+p5·(lny)2+p6·(lny)3+p7·(lny)4

(4)

式中：p1=17 748.6，p2= -5.9，p3= -1.9，p4= -19 812.4，p5=8 275.2，p6= -1 533.0，p7=106.3。

通過驗證計算，式(4)的相關系數(shù)為0.999 9，相關性很高。因此，式(4)可作為岳麓山林下凋落物溫升速率表達式，計算結果可作為評判火災危險性等級的重要指標。

本文建立的溫升模型即為岳麓山自燃預測模型，通過監(jiān)測凋落物的含水率和表觀密度參數(shù)，可預測預防森林自燃火災的發(fā)生發(fā)展，評估岳麓山自燃火災危險性等級，并采取相應措施。岳麓山地處屬于亞熱帶季風氣候，降水主要集中在夏季，冬季降水較少導致凋落層含水率處于較低狀態(tài)。此外，由于季節(jié)和樹種原因，秋冬時節(jié)凋落層表觀密度會明顯增大。為減少“不明”原因火災的發(fā)生，科學管理森林凋落物，考慮應用此自燃模型，在不同季節(jié)選取岳麓山多個重點防火區(qū)域進行取樣、測量和計算，考慮丟棄塑料瓶聚光或火香、爐香桿等因素對凋落物造成的溫度影響，以溫升速率劃分自燃危險性等級并進行自燃危險性評價，仍需進一步研究。

3　結論

1)熱量在凋落層中的傳遞規(guī)律為溫升初期橫向溫升速率高于縱向溫升速率，著火時刻附近縱向溫升速率高于橫向。

2)岳麓山森林凋落物著火溫度區(qū)間為340～350 ℃，在本實驗條件下平均著火時間為420 s。凋落層內(nèi)部溫度變化規(guī)律體現(xiàn)凋落層內(nèi)熱量易在熱源處集聚，導致溫度迅速升高，可能引發(fā)自燃事件。

3)凋落層內(nèi)熱源基點處達到著火點時，周圍溫度往往在200 ℃左右。系統(tǒng)溫度隨熱源基點的變化規(guī)律體現(xiàn)凋落層導熱性差，內(nèi)部溫度分布嚴重不均，直接通過監(jiān)測布點溫度不能達到自燃火災預防效果。

4)建立自燃函數(shù)模型，通過含水率和表觀密度的實時監(jiān)測，預測凋落層溫升速率，計算結果可為岳麓山重點火險區(qū)的治理提供數(shù)據(jù)支持。以凋落層升溫速率作為關鍵評判指標，可進一步開展岳麓山自燃火災風險評價研究。模型與實驗數(shù)據(jù)擬合度良好，但推導過程與模型設計中存在簡化，與實際燃燒過程可能存在不相符，對其改進使燃燒過程相符合是后續(xù)研究的內(nèi)容與重點。例如，本文中的輻射實驗設計的傳熱方式是自下而上的，研究結論偏重于材料傳熱的機理規(guī)律。在實際環(huán)境中最常見的熱傳導是自上而下的太陽輻射，森林凋落物實際燃燒過程與規(guī)律仍需進一步研究。

[1]朱學平. 森林火災計量經(jīng)濟學研究[D]. 福州:福建農(nóng)林大學碩士學位論文, 2012.

[2]駱介禹. 森林可燃物燃燒性研究的概述[J]. 東北林業(yè)大學學報, 1994, 22(4): 95-101.

LUO Jieyu. Study on flame combustion of forest fuels[J].Journal of Northeast Forestry University, 1994, 22(4): 95-101.

[3]原作強，李步杭，白雪嬌，等. 長白山闊葉紅松林凋落物組成及其季節(jié)動態(tài)[J]. 應用生態(tài)學報，2010, 21(9): 2171-2178. YUAN Zuoqiang, LI Buhang, BAI Xuejiao, et al. Composition and seasonal dynamics of litter falls in abroad-leaved Korean pine mixed forest in Changbai Mountains[J].Chinese Journal of Applied Ecology, 2010,21(9):2171-2178.

[4]李世友，馬愛麗，王學飛，等.3種森林凋落物的陰燃特性[J]. 中南林業(yè)科技大學學報, 2009, 29(1): 60-63.

LI Shiyou, MA Aili, WANG Xuefei, et al. Smoldering combustion characteristics of 3 kinds of forest litter[J]. Journal of Central South University of Forestry & Technology, 2009,29(1): 60-63.

[5]王海暉，朱鳳. 輻射熱流作用下樹葉樣品燃燒特征研究[J]. 火災科學, 2013, 22(1): 1-9.

WANG Haihui, ZHU Feng. Characterization of burning behaviors of plant foliages under external radiant heat flux[J].Fire Safety Science, 2013,22(1):1-9.

[6]MOGHTADERIB, NOVOZHILOVV, FLETCHERDF, et al. A new correlation for bench-scale piloted ignition data of wood[J]. Fire Safety Journal, 1997, 29: 41-59.

[7]SPEARPOINT M, QUINTIERE J. Predicting the burning of wood using an integral model[J]. Combustion and Flame, 2000, 123(3): 308-325.

[8]HARADAT. Time to ignition, heat release rate and fire endurance time of wood in cone calorimeter test[J]. Fire and Material, 2001(25): 161-167.

[9]SPEARPOINT M, QUINTIERE J. Predicting the piloted ignition of wood in the cone calorimeter using an integral model-effect of species, grain orientation and heat flux[J]. Fire Safety Journal, 2001(36): 391-415.

[10]WEISE D, WHITE R, BEALL F, ERLINGER M. Use of the cone calorimeter to detect seasonal differences in selected combustion characteristics of ornamental vegetation[J]. International Journal of Wildland Fire, 2005, 14(3): 321-338.

[11]DIBBLE A, WHITE R, LEBOW P. Combustion characteristics of north-eastern USA vegetation tested in the cone calorimeter: invasive versus non-invasive plants[J]. International Journal of Wildland Fire, 2007, 16(4): 426-443.

[12]楊立中，郭再富.變熱流條件下木材點燃時間與熱流變化率關系的實驗研究[J]. 熱科學與技術, 2005, 4(3): 224-227.

YANG Lizhong, GUO Zaifu. Experimental study on relation between ignition time of wood and heat flux increasing rate exposed to variable heat flux[J].Journal of Thermal Science and Technology,2005,4(3): 224-227.

[13]宋長忠，方夢祥，駱仲泱，等.含水木材熱解和著火試驗研究[J]. 能源工程, 2007(2): 10-16.

SONG Changzhong, FANG Mengxiang, LUO Zhongyang, et al. Experimental study on pyrolysis and ignition of wet wood[J]. Energy Engineering, 2007(2): 10-16.

[14]季經(jīng)緯，楊立中，范維澄.外部熱輻射對材料燃燒性能影響的實驗研究[J]. 燃燒科學與技術, 2003, 9(2):139-143.

JI Jingwei， YANG Lizhong, FAN Weicheng. Experimental study on effects of burning behaviors of materials caused by external heat radiation[J]. Journal of Combustion Science and Technology, 2003, 9(2): 139-143.

[15]朱曉文. 岳麓山植物群落數(shù)量分類、生物多樣性及群落動態(tài)特征研究[D]. 長沙: 湖南師范大學, 2008.

[16]王秋華，徐偉恒，李偉，等. 滇中地區(qū)地盤松林地表凋落物的潛在能量研究[J]. 林業(yè)調(diào)查規(guī)劃, 2014, 39(6): 16-20.

WANG Qiuhua, XU Weiheng, LI Wei, et al. Potential energy of surface litters in pinus yunnanensis var．pygmaea forest of middle yunnan province[J]. Forest Inventory and Planning, 2014, 39(6): 16-20.

[17]王振宇，邱墅，何正斌. 園林廢棄物熱解過程中的熱量傳遞[J].北京林業(yè)大學學報,2016,38(6): 116-122.

WANG Zhenyu, QIU Shu, HE Zhengbin. Heat transfer in the process of pyrolysis of garden waste[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2016,38(6): 116-122.

[18]蘇漢語,黃銳,邱文，等. 森林凋落物堆積層導熱性影響因素探究[J].世界科技研究與發(fā)展, 2016,38(1):31-34.

SU Hanyu, HUANG Rui,QIU Wen, et al. Study on fcactors of thermal conductivity of forest litter layer[J].World Sci-Tech R&D, 2016,38(1):31-34.

[19]陳則韶，陳建新，譚洋，等.煙草導熱系數(shù)與含水率、堆密度的綜合關系[J].中國科學技術大學學報, 2005,35(1): 124-129.

CHEN Zeshao, CHEN Jianxin, TAN Yang, et al. Thermal conductivity of tobacco[J].Journal of University of Science and Technology of China, 2005,35(1): 124-129.