兴安落叶松人工林采伐迹地的燃烧特性1)

薛伟　赵洪阳

(东北林业大学，哈尔滨，150040)



兴安落叶松人工林采伐迹地的燃烧特性1)

薛伟赵洪阳

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

摘要经实地勘查后布置燃烧床，以风速、表层可燃物含水率、现场温度、坡度为因素，温度变化、燃烧蔓延速度、火线强度为特性指标设计L9(34)正交试验。结果表明：风速对火蔓延速度及火线强度具有明显影响，随着风速的增大，火蔓延速度与火线强度明显增加；表层含水率对最高温度、火蔓延速度及火线强度的影响较明显，随着表层含水率增加，最高温度、火蔓延速度及火线强度均降低；现场温度对最高温度有明显影响，随现场温度升高，最高温度增加；坡度对最高温度、火蔓延速度及火线强度均有影响，随坡度的增加，最高温度增加，火蔓延速度加快，火线强度加强；风速及表层含水率是影响剩余物燃烧的主要因素，当风速为5 m·s(-1)、表层含水率为10%时，影响剩余物燃烧的权重最大。

关键词兴安落叶松；人工林；采伐迹地；燃烧特性

分类号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

兴安落叶松(Larixgmelinii)人工林是大、小兴安岭地区主要的人工林区类型[1]。经采伐作业后，人工林残留大量具有易燃性的伐根、枝丫、干枯杂草等，且采伐迹地缺少上层遮掩，光照强度高、通风强，易引发火灾[2]。Morandini et al.[3]通过一个简化模型模拟燃烧过程，从而快速计算出燃烧过程中温度的分布和火势的传播。Pering et al.[4]研究了木梁的燃烧特性，在指定最高温度和燃烧时间的特定燃烧过程中，分析了质量损失量与能量公式的关系。薛伟、张德新等[5]对贮木场木材加工剩余物的燃烧特性进行了研究，讨论了木材加工剩余物在不同含水率、不同风速下对火蔓延速度、温度场等的影响。近年来对采伐迹地火灾的研究多集中于预测评定火灾等级，但鲜见研究其燃烧特性的报道。本文结合实验以及数据分析，可直观了解兴安落叶松人工林采伐迹地燃烧特性，以期为科学预防森林火灾提供理论依据。

1燃烧模型及测试方法

实验样地为大兴安岭地区，位于121°12′～127°2′E，50°10′～53°33′N，人工林采伐树龄为25 a，勘查样地后确定燃烧床由表层、腐殖层、土层组成，表层可燃物组成见表1。在标准样地按对角线形式选取9个6 000 mm×3 500 mm的样方，利用全收获法，收集样方内的朽木、树枝、树皮、针叶、松塔散落物、干枯杂草以及腐殖质层的样品备用。伐根直径为(180±50)mm。

表1　燃烧床表层可燃物组成

燃烧床尺寸为6 000 mm×3 500 mm(长×宽)，伐根间距按照1 500 mm×2 000 mm均匀分布，表层、腐殖质层、土层厚度分别为150、150、100 mm，最底层为石膏板。伐根分布见图1。

倾角变换机构、吹风机、EY1型风速风向仪；车载电源、开关电源、热电偶、测温模块、模块座；数据采集软件采用北京三维力控PCAuto3.62版监控组态软件。实验设计及数据直观分析使用正交试验助手V3.1。实验数据二次分析采用矩阵分析法。绘图采用Origin9.0。

图2为燃烧实验模型图，燃烧台表面黑色圆点为温度测试点，以此测试温度场分布；燃烧台两侧分别布置7根间隔为1 000 mm的标杆，通过观测火通过各标杆的时间来计算火蔓延速度及火线强度。

图1　伐根分布图

图2　燃烧实验模型

本实验在恒温燃烧实验室内进行。布置燃烧床，安装设备调试软件，记录燃烧过程中火通过各标杆的时间，称量燃烧床实验前后质量；选取风速、表层可燃物含水率、现场温度、坡度为因素设计L9(34)正交试验(见表2)。

表2　实验工况

采伐迹地火灾预报除危险等级评定外，还包括发生火灾后火行为的预报，火行为中最基础的指标就是火蔓延速度。本文研究火头顺风速度，采用Rothermal模型[6]计算。公式为v=L/t。式中，v为火蔓延速度；L为火蔓延的距离；t为蔓延时间。

火线强度是指单位长度火线在单位时间内释放的热量，该指标可科学体现火势发展的强劲程度，是研究火灾特性的重要指标。本文采用美国物理学家Byram提出的火线强度计算公式进行计算[7]，即：I=TWv。式中，I为火线强度；T为可燃物释热量；W为可燃物有效载量；v为燃烧蔓延速度。

可燃物释热量是指单位质量可燃物完全燃烧时发出的热量，通常使用的计算公式为：T=100(QH-226H-25R)/(100+R)。式中,QH为可燃物绝干发热量；H为可燃物中的氢的含量；R为可燃物中的含水率。

2结果及分析

2.1温度场分布

选取工况1燃烧至600、1 200、1 800 s的温度场分布进行分析。以燃烧台长边为X轴，短边为Y轴，进风口端点为原点建立坐标系得到图3所示温度场分布图。由图3可知，沿X轴方向，温度场随燃烧时间变化，且随着燃烧进行最高温度减小，高温区域逐渐分散，这说明火势沿风速方向逐渐减小，但单位时间内燃烧面积增加，在燃烧进行至1 800 s时，燃烧进入衰减熄灭阶段，温度场呈现波浪形分布，在伐根附近出现波峰，波峰沿风速方向逐渐升高，但整体温度较低。燃烧至600 s时，温度场沿Y轴方向无明显变化，燃烧至1 200 s时，X0～X3呈现出中间低两侧高的分布，X3～X6无明显变化；燃烧至1 800 s时，整体呈现中间低两侧高的分布。

图3　温度场分布

在发生森林火灾时，高温产生的热辐射是促使火灾蔓延的主要因素，通过测试不同条件下采伐迹地燃烧产生的最高温度，可以准确判断火灾发生时的温度范围及不同的影响因素，为有效防控采伐迹地火灾发生提供理论参考[8]。由表3可知，工况7最高温度最高为498 ℃，工况9最高温度最低为448 ℃。表4为正交试验直观分析和极差分析结果，能直观反映出各因素对最高温度的影响及影响程度。极差分析显示4因素对最高温度的影响程度由大到小依次为表层含水率、坡度、现场温度、风速；最高温度随表层含水率增加而降低，随坡度及现场温度增加而增加。

2.2火蔓延速度

由表5可知，工况3火焰从标杆6蔓延到标杆7所需时间最长为374 s，工况7火焰从标杆1蔓延到标杆2所需时间最短为56 s。工况7平均速度最大为2.64×10-2m·s-1，工况3平均速度最小为1.64×10-2m·s-1。且各实验工况火蔓延速度均呈先逐渐增加后趋于平缓的变化趋势。

表3　各工况最高温度

表4　最高温度直观分析

表5　火到达各标杆时间及蔓延速度

由表6可知，风速、表层含水率、坡度是影响火蔓延速度的主要因素，火蔓延速度随风速及坡度增加而增加，随表层含水率升高而减小。

表6　火蔓延速度直观分析

2.3火线强度

落叶松人工林采伐迹地剩余物品种较多，在热值上存在一定差异[9]。为保证数据的科学性，本文经实验测得采伐迹地剩余物绝干发热量近似为18 500 kJ·kg-1。采伐迹地剩余物的元素组成无明显差异，本文选取氢的含量为6%，由此可计算不同表层含水率时的可燃物释热量。通过称取燃烧台前后的质量(m1、m2)，可计算可燃物的有效载量。由表7可知，随着含水率升高，可燃物释热量降低，有效可燃物载量增加。因为含水率升高，剩余物密度增大，质量增加，剩余物燃烧前需吸收更多热量使水分蒸发，所以发热量降低，有效可燃物载量增加。

表7　各工况指标值及火线强度

2.4综合分析

各因素对采伐迹地剩余物不同特性指标的影响有所差异，直观分析无法科学评判各因素对燃烧特性的综合影响，因此本文采用矩阵分析法[10]对直观分析结果进行二次分析，得出各因素对剩余物燃烧特性影响权重。经计算得出正交试验的总权矩阵为：

由总权矩阵可以看出，风速及表层含水率是影响采伐迹地剩余物燃烧特性指标变化的主要因素。随着风速增加权重变大，当风速为5 m·s-1时，风速权重最大；随表层含水率的增加权重变小，当表层含水率为10%时，表层含水率的权重最大。现场温度及坡度权重较小。现场温度为20 ℃时，现场温度的权重相对较大；当坡度为6°时，坡度的权重相对较大。因此，在采伐迹地火灾监控时，应重点监测风速及地表可燃物含水率。

3结论与讨论

研究不同因素对落叶松人工林采伐迹地剩余物燃烧特性的影响，是预防火灾发生的基础性研究。本文采用正交试验进行工况布置，通过分析测试结果，得出了不同因素对各指标的影响情况。

不同工况下温度场分布随时间变化趋势基本一致。X轴方向，燃烧至1 800 s时，整体温度较低，伐根处出现波峰，与风速垂直方向呈波浪形分布，因为伐根耐燃但与表层燃烧物相比易燃度低，在表层燃烧物燃烧熄灭时，伐根处于衰减阶段。Y轴方向，燃烧至1 200 s时，X0～X3呈现出中间低两侧高的分布，是由于表层可燃物燃尽，伐根正处于燃烧阶段，X3～X6伐根未燃，仅表层可燃物燃烧产生热辐射，所以无明显变化；燃烧至1 800 s时，表层可燃物几乎全部燃尽，仅伐根燃烧产生热辐射，所以整体呈现中间低两侧高的分布。

表层含水率对最高温度的影响最大，依次为坡度、现场温度、风速。这是因为表层含水率增加，水分较高，可燃物无法充分燃烧，且水分蒸发会消耗热量，导致最高温度降低，坡度增加使火焰预热区域扩大，燃烧温度增高，但由于辐射范围广，最高温度增幅较小。现场温度增加有利于可燃物燃烧充分，最高温度上升，风速对最高温度影响较小，可忽略不计。

火蔓延速度随时间变化，显著增加后趋于平缓，因为在燃烧前期热辐射使可燃物中的水分逐渐蒸发而变干燥，易燃性提升，火蔓延速度增加；燃烧后期可燃物基本全部干燥且距离风口较远，风速降低，因此火蔓延速度趋于平缓。影响火蔓延速度的主要因素是风速、表层含水率、坡度，火蔓延速度随风速及坡度增加而增加，随表层含水率升高而减小。因为风会拉长燃烧火焰，风速增加后，沿风速方向火焰拉长导致其对可燃物的热辐射面积变大，辐射效率提升，火蔓延速度增加；表层含水率升高，火焰需传递更多热量用于蒸发可燃物的水分以提升其易燃性，热辐射效率降低，火蔓延速度降低；坡度增大，热辐射面积增加，预热充分，火蔓延速度增加。

风速及表层含水率对火线强度的影响最为明显，坡度、现场温度对其影响极小。因为风速增加火蔓延速度增加，导致火线强度变大；随着表层含水率增加，火线强度下降，因为表层含水率的增加导致火蔓延速度、发热量降低，但可燃物有效载量随着含水率增加而变大且增加幅度上升，因此在含水率大于15%左右后火线强度下降缓慢，整体为非线性下降趋势。坡度增加时，预热范围变大，且预热时间变长，可燃物得以充分燃烧，火线强度变大，当坡度大于7°时，火线强度增幅变小，因为当坡度到达一定程度时，可燃物下滑导致可燃物减少，使火线强度增势缓慢[11]。

通过数据优化显示风速为5 m·s-1、表层含水率为10%时采伐迹地剩余物燃烧特性综合指标最为明显，在预防火灾时应重点监测风速及表层可燃物含水率。

参考文献

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1)国家环保部生物多样性保护专项资金项目(214662)。

收稿日期：2015年9月10日。

第一作者简介：薛伟，男，1962年12月生，东北林业大学工程技术学院，教授。E-mail：nefuxw1962@163.com。

1)中央高校基本科研业务费专项资金资助(2572015CB05)。

责任编辑：王广建。