輻射熱流作用下杉木燃燒特性研究

翟春婕，張思玉，王新猛，戴璘蔓

（南京森林警察學(xué)院，江蘇 南京 210023）

作為世界八大自然災(zāi)害之一，森林火災(zāi)會(huì)嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境，造成經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷亡。研究人員對(duì)森林火災(zāi)的發(fā)生及發(fā)展過程開展了很多研究[1-4]。不同種類的森林可燃物其物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成不同，如理化性質(zhì)、載量、含水率等，導(dǎo)致燃燒過程受到許多因素的影響[5]。國(guó)內(nèi)研究人員[6-8]大多以可燃物類型、載量、厚度、表體比、林分結(jié)構(gòu)等為依據(jù)，綜合評(píng)價(jià)并劃分燃燒等級(jí)，為營(yíng)林規(guī)劃、提升林分抗御火災(zāi)的能力提供參考和依據(jù)。

可燃物的尺寸是影響林火蔓延速度和林火強(qiáng)度的重要因素。McArthur[9]和Peet[10]發(fā)現(xiàn)可燃物直徑小于6 mm時(shí)，火蔓延基本難以維持，并提出火焰鋒面的蔓延速度與細(xì)小可燃物的載量成正比關(guān)系。1998年，Sneeuwjagt和Peet[11]將火蔓延臨界尺寸確定為10 mm，Cheney[12]則進(jìn)一步觀察到不同種可燃物的臨界尺寸不同。2001年，Burrows[13]發(fā)現(xiàn)直徑小于6 mm的桉樹枝條及桉樹葉屬最易燃的可燃物，對(duì)其著火時(shí)間和失重速率構(gòu)成重大影響。近期，Tihay[14]等人提出最易著火的可燃物是樹葉以及直徑小于4 mm的枯灌木枝條及樹葉。

杉木（Cunninghamia lanceolata）是我國(guó)南方林區(qū)人工造林的主要樹種，具有材性好、用途廣、生長(zhǎng)快等特點(diǎn)。已有文獻(xiàn)研究了杉木林內(nèi)可燃物含水率、易燃林分載荷量、空間分布格局等方面[15-19]，但對(duì)杉木尺寸因素的研究并不充分?；诖耍疚囊陨寄咀鳛檠芯繉?duì)象，利用錐形量熱儀[20]對(duì)杉木枝條及葉片進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)，提取杉木葉片及不同直徑杉木枝條熱釋放速率（HRR）和總釋放熱（THR）兩個(gè)重要燃燒特性參數(shù)結(jié)果[21]，據(jù)此綜合評(píng)價(jià)尺寸對(duì)杉木燃燒特性的影響。

1 研究區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)所用杉木樣本取自江蘇省鎮(zhèn)江市寶華山國(guó)家森林公園（北緯32°02′-32°09′，東經(jīng)119°01′-119°20′），海拔約83 m，總面積136.03 km2，森林覆蓋率高達(dá)92%。該地區(qū)年平均氣溫15.4℃，年降水量1018.6 mm，年平均空氣相對(duì)濕度77%，四季分明，日照充足，屬于北亞熱帶南部季風(fēng)氣候。山區(qū)主要植被類型為針葉林、闊葉林、針闊混交林、灌木和草叢等[22]。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品

將林內(nèi)采集的杉木葉片劃分為活葉和死葉，杉木枝條根據(jù)直徑進(jìn)行分類。把分類好的樣品進(jìn)行第一次烘干，設(shè)置烘干箱溫度為80℃，烘干時(shí)間為48 h，烘干后稱重并記錄質(zhì)量，接著進(jìn)行第二次烘干，比較兩次烘干后的質(zhì)量，若兩次質(zhì)量無差異，則視為達(dá)到絕干重量。選用100 mm×100 mm×25 mm的樣品盒安裝樣品，如圖1所示，將枝條剪成長(zhǎng)略小于100 mm的枝段（圖1(b)-(d)），并用游標(biāo)卡尺測(cè)量其直徑用于分類。由于杉木葉片結(jié)構(gòu)較為特殊，為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的說服力，將杉木葉的葉片跟小枝用剪刀剪開（圖1(a)）。

圖1 盛有杉木（a）葉片、（b）直徑6 mm枝條、（c）直徑8 mm枝條，（d）直徑14 mm枝條的樣品盒

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

本文主要采用錐形量熱儀（FTT，UK）對(duì)杉木的燃燒性進(jìn)行分析，主要研究對(duì)象為死杉木葉、活杉木葉、杉木枝條，并選用檫樹（Sassafras tsumu）枝條和女貞（Ligustrum lucidum）枝條與杉木枝條作實(shí)驗(yàn)對(duì)比。輻射熱流設(shè)定為50 kW/m2，考慮到大多數(shù)針對(duì)森林可燃物的燃燒試驗(yàn)均為電火花點(diǎn)火方式，而自發(fā)著火方式研究很少。因此，本文采用自發(fā)著火方式。實(shí)驗(yàn)過程中觀察記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，如：冒煙、彎曲、變形、收縮、著火和熄滅等現(xiàn)象。對(duì)比和分析同直徑或同質(zhì)量不同組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。每類樣品實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次，結(jié)果取平均值。

3 結(jié)果與分析

3.1 熱釋放速率

可燃物的熱釋放速率增大時(shí)，其熱分解速率加快，揮發(fā)性可燃物生成量增多，加速了火焰的傳播，使得火災(zāi)危險(xiǎn)性增加。由于杉木枝條的尺寸不同且杉木葉有死活之分，本文首先研究了這兩種因素的影響，并進(jìn)一步比較了杉木枝條與檫樹、女貞枝條的熱釋放速率。

3.1.1 杉木枝條熱釋放速率

本次實(shí)驗(yàn)選取直徑為6mm、8mm、10mm、14mm、16 mm和20 mm的6組杉木枝條。測(cè)試過程中，觀察在輻射熱流作用下杉木枝條進(jìn)入預(yù)熱階段發(fā)生的變化，包括水分蒸發(fā)、冒白煙、枝條表面和內(nèi)部有機(jī)質(zhì)熱解并產(chǎn)生可燃性氣體等。直徑越大的枝條需要的預(yù)熱時(shí)間越久。隨著可燃?xì)怏w的釋放量的增加，枝條開始發(fā)生燃燒反應(yīng)。圖2為不同直徑枝條的熱釋放速率，隨著直徑的增加，枝條熱釋放開始的時(shí)間逐漸增加且熱釋放速率的變化趨于平緩，可見直徑越大，枝條熱解所需要的熱量越多，熱釋放的開始代表了火焰發(fā)生的時(shí)刻，因此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也反映了不同直徑的枝條其著火時(shí)間的不同。

從圖2可以看出，隨著時(shí)間的增加，熱釋放速率的曲線形狀也有所變化，直徑較小的情況下僅出現(xiàn)一個(gè)峰值PHRR。當(dāng)直徑大于6 mm后，在PHRR出現(xiàn)之前會(huì)出現(xiàn)一個(gè)短暫的平穩(wěn)期，再出現(xiàn)峰值，是典型熱厚性材料的特點(diǎn)[23]?？扇嘉锉韺邮紫戎穑紵筢尫艧崃?，隨著熱量不斷在枝條內(nèi)部傳遞，出現(xiàn)燃燒的平穩(wěn)時(shí)期，整個(gè)可燃物達(dá)到燃點(diǎn)后燃燒，此時(shí)出現(xiàn)PHRR，隨后熱量快速減少，最終火焰熄滅。直徑為8 mm杉木枝條的熱釋放速率峰值在6組試驗(yàn)中最高，之后隨著枝條直徑增加，熱釋放速率的峰值減小，且熱釋放速率持續(xù)時(shí)間增加。相比之下，6 mm枝條峰值偏低的原因可能是枝條彎曲相對(duì)嚴(yán)重導(dǎo)致樣件擺放時(shí)枝條之間有較大間隙，表明直徑越小的枝條，燃燒過程越劇烈，火災(zāi)危險(xiǎn)性比直徑大的枝條更高。

圖2 不同尺寸杉木枝條平均熱釋放速率變化

3.1.2 杉木葉熱釋放速率

實(shí)驗(yàn)將杉木葉分為活杉木葉和死杉木葉。圖3為單位質(zhì)量的活杉木葉和死杉木葉熱釋放速率對(duì)比圖。實(shí)驗(yàn)表明，活杉木葉的預(yù)熱階段較為短暫且產(chǎn)生大量白煙，實(shí)驗(yàn)開始18 s時(shí)，熱釋放速率驟然升高，點(diǎn)燃時(shí)間遠(yuǎn)小于杉木枝條，于27 s時(shí)基本達(dá)到最大值，也是燃燒最劇烈的時(shí)刻，至117 s時(shí)趨于穩(wěn)定。死杉木葉的燃燒過程與活杉木葉基本類似，點(diǎn)燃的時(shí)間比活杉木葉的時(shí)間略短，23 s基本達(dá)到最大值，峰值也稍大于活杉木葉?？梢妰烧叩臒後尫潘俾授厔?shì)相同，相差較小。這主要是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中已經(jīng)預(yù)先將兩種杉木葉烘干，消除了水分的影響，而實(shí)際火災(zāi)中，活杉木葉的水分含量更高。

3.1.3 檫樹、女貞與杉木枝條熱釋放速率

選取直徑同為10 mm的檫樹、女貞和杉木枝條實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。由圖4熱釋放速率曲線比較可以看出，熱釋放速率峰值：女貞＞杉木＞檫樹，燃燒所釋熱量的速度：女貞＞杉木＞檫樹，可見兩種輔助樹種的燃燒性能相差較大，女貞更易被點(diǎn)燃且燃燒性高于同規(guī)格的杉木枝條，火災(zāi)危險(xiǎn)性也較高，檫樹則具有更好的抗火性能。

圖3 杉木葉平均熱釋放速率變化

圖4 直徑10 mm檫樹、女貞與杉木枝條平均熱釋放速率變化

3.2 總釋放熱

總釋放熱一般用于評(píng)價(jià)可燃物燃燒的持續(xù)性，這里分析比較了不同直徑的杉木枝條、活杉木葉與死杉木葉及同直徑下杉木、檫樹和女貞枝條的總釋放熱。

3.2.1 杉木枝條總釋放熱

實(shí)驗(yàn)測(cè)定了直徑為6 mm、8 mm、10 mm、14 mm、16 mm、20 mm的6組杉木枝條的總釋放熱，結(jié)果如圖5，枝條著火并釋放熱量，開始時(shí)燃燒較為劇烈，總釋放熱增長(zhǎng)較快，隨著火焰的熄滅，燃燒進(jìn)入炭化過程，總釋放熱開始減緩。隨著杉木枝條直徑的增加，總釋放熱逐漸增加。經(jīng)過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，直徑越大的杉木枝條相對(duì)難燃，但總釋放熱越大。

圖5 不同尺寸杉木枝條平均總釋放熱變化

3.2.2 杉木葉總釋放熱

圖6為單位質(zhì)量活和死杉木葉的釋放熱對(duì)比。與活杉木葉相比，死杉木葉釋放熱量速度較快，最終總釋放熱值基本一致，表明在相同的燃燒環(huán)境中杉木葉的總釋放熱與死活狀態(tài)無關(guān)。

圖6 杉木葉平均總釋放熱示意

3.2.3 檫樹、女貞與杉木枝條總釋放熱

實(shí)驗(yàn)測(cè)定直徑10 mm的女貞、檫樹和杉木枝條的總釋放熱，結(jié)果對(duì)比如圖7所示?？傖尫艧嵯嗖钶^大。女貞和杉木枝條開始釋放熱量時(shí)間相近，在25 s左右，檫樹枝條的預(yù)熱時(shí)間較長(zhǎng)，釋放熱量較慢，在85 s左右才開始釋放熱量。釋放速率：女貞＞杉木＞檫樹，總釋放熱：杉木＞女貞＞檫樹。無論是點(diǎn)引燃時(shí)間，還是燃燒總釋放熱，檫樹都低于女貞和杉木。由此可見，檫樹枝條的燃燒性較差，抗火性相對(duì)較強(qiáng)，比較適宜用做防火樹種。

圖7 直徑10 mm檫樹、女貞、杉木枝條平均總釋放熱示意

4 討論與結(jié)論

1）由于可燃物呈離散分布狀態(tài)，且存在率先被引燃的可燃物（如枝條上的樹皮，卷翹的樹葉）充當(dāng)了點(diǎn)火源作用，導(dǎo)致著火時(shí)間減小。這與文獻(xiàn)[14]觀察到現(xiàn)象一致。

2）隨著杉木枝條直徑的增大，熱釋放速率峰值逐漸減小，變化趨勢(shì)也逐漸減緩；但熱量釋放持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)，總釋放熱越大。因此，直徑越小的杉木枝條，越易燃，火災(zāi)危險(xiǎn)性越大。

3）相同直徑下杉木、檫樹和女貞枝條熱釋放速率：女貞＞杉木＞檫樹；熱釋放速率峰值：女貞＞杉木＞檫樹；總釋放熱：杉木＞女貞＞檫樹。杉木在燃燒時(shí)釋放熱量的速率和總釋放熱量都大于檫樹，增加檫樹比例能夠顯著增強(qiáng)杉木混交林的抗火性。

4）針對(duì)杉木葉的實(shí)驗(yàn)研究重復(fù)性很好，活和死杉木葉熱釋放速率趨勢(shì)及總釋放熱基本一致，兩者差別在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)，結(jié)果與文獻(xiàn)[19]得出的規(guī)律相似，但數(shù)值偏大。原因是：一方面，雖然實(shí)驗(yàn)對(duì)象均為針葉樹種，但種類有所不同；另一方面，針葉類可燃物在樣品盒內(nèi)放置的狀態(tài)（如密實(shí)度、厚度等）不同會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的影響。因此，實(shí)驗(yàn)中離散分布的可燃物在樣品盒中放置的標(biāo)準(zhǔn)有待進(jìn)一步探討。