森林自燃火災(zāi)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(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 410083)

0　引言

森林火災(zāi)燃燒、傳播速度快、破壞性強(qiáng)，森林凋落物極易起火引發(fā)森林自燃火災(zāi)，對(duì)森林凋落物燃燒特性的研究是森林自燃火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基礎(chǔ)。國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)凋落層開展了諸多研究，朱學(xué)平等[1]在研究中指出，地表調(diào)落物作為森林火災(zāi)林分植被致災(zāi)因子，直接影響著森林火災(zāi)燃燒；駱介禹等[2]研究表明，森林火災(zāi)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(qiáng)等[3-4]認(rèn)為凋落物是引發(fā)森林火災(zāi)的重要可燃物，并對(duì)凋落物的季節(jié)動(dòng)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(yīng)引發(fā)自燃火災(zāi)。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(jì)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(duì)固體可燃物熱解和著火早期特性進(jìn)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(qiáng)度火和大火的可燃物標(biāo)準(zhǔn)。岳麓山脈位處國家5A級(jí)風(fēng)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(shí)，枯枝落葉堆積形成較厚凋落層，極易起火。近10年的消防臺(tái)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(dǎo)致森林火災(zāi)致因多樣化，而凋落層引發(fā)的自燃火災(zāi)成為森林火災(zāi)研究的新課題。因此，研究森林凋落物熱輻射升溫特性對(duì)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(duì)岳麓山地區(qū)凋落層升溫著火誘發(fā)火災(zāi)的研究，故本文針對(duì)岳麓山森林凋落物，設(shè)計(jì)溫升速率測定裝置，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究探討岳麓山林下凋落物的溫升特性，以便進(jìn)行凋落層自燃危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)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(shí)驗(yàn)

1.1　采樣地設(shè)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(shí)驗(yàn)采樣期選為2016 年10月至2017年1月，采樣周期15 d，4個(gè)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(duì)角線選取 4 塊 2 m × 2 m 的小樣方，以便進(jìn)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(dú)取出后，沿截面橫向多點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)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(hào)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(shí)驗(yàn)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(xiàn)[5]研究了輻射熱流作用下樹葉樣品的燃燒特性，文獻(xiàn)[6-16]利用錐形量熱計(jì)裝置對(duì)木材的熱解規(guī)律開展了大量研究，文獻(xiàn)[14]對(duì)固體可燃物熱解和著火早期特性開展了研究。本實(shí)驗(yàn)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(shí)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(chǔ)信息。

本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(zhǔn)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(shí)，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(diǎn)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(shí)驗(yàn)步驟

溫升實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1)將采集的各分層樣品按照實(shí)際測量的厚度逐層堆積在裝置的上部，并將熱電偶的測點(diǎn)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(diǎn)a，b，c和d的溫度值，同時(shí)用紅外熱像儀測量相應(yīng)時(shí)刻點(diǎn)溫度分布；

3)當(dāng)觀察到枝葉樣品堆層中出現(xiàn)明火，則終止實(shí)驗(yàn)，記錄著火時(shí)間；

4)重復(fù)以上步驟，完成全部7組實(shí)驗(yàn)。

2　分析與討論

本文為提出正確的森林自燃火災(zāi)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(shí)，同一位置，溫度變化較快的階段熱量傳遞較強(qiáng)；同一時(shí)間，溫度梯度較大的位置熱量傳遞較強(qiáng)[17]。凋落層在升溫過程的不同時(shí)期和不同位置測點(diǎn)，熱量傳遞狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化。故對(duì)凋落物自燃過程中的溫度變化進(jìn)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(shí)驗(yàn)的全過程，可測得不同時(shí)刻樣品表面的溫度分布，進(jìn)而直觀地分析熱量在凋落層中的傳遞規(guī)律。以某組實(shí)驗(yàn)的紅外成像為例，圖3是凋落層在實(shí)驗(yàn)初始時(shí)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(shí)，系統(tǒng)瞬間起火，由圖像可見此時(shí)縱向溫升速率明顯快于橫向。

2.2　溫升曲線與關(guān)聯(lián)曲線分析

1)溫升曲線分析

實(shí)驗(yàn)探究的重點(diǎn)之一是明確系統(tǒng)內(nèi)部所布點(diǎn)a，b，c，d隨時(shí)間的變化規(guī)律。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，每隔20 s記錄一次溫度，在溫度升至燃點(diǎn)的過程中，記錄下測點(diǎn)a，b，c和d點(diǎn)在23～25個(gè)不同時(shí)刻的溫度值，可繪制出7組實(shí)驗(yàn)各測點(diǎn)的均溫隨時(shí)間變化的曲線。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，各組實(shí)驗(yàn)所得曲線具有相似的變化規(guī)律，本文僅選取一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖4所示。

圖4　溫度-時(shí)間曲線與溫度關(guān)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(diǎn)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(dǎo)致b，c，d處的升溫速度很慢；20 s之前，a的溫升很快，達(dá)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(diǎn)，升溫減慢，但是仍然比其他點(diǎn)要大；系統(tǒng)在460 s時(shí)燃燒，此時(shí)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(dǎo)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(dǎo)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)條件下的平均著火時(shí)間為420 s。

2)溫度關(guān)聯(lián)曲線分析

在總體分析凋落層溫度隨時(shí)間變化的基礎(chǔ)上， 把a(bǔ)看作系統(tǒng)的熱源基點(diǎn)，考察a的變化對(duì)b，c，d變化的影響，探究的意義表現(xiàn)在非恒定熱源對(duì)凋落物升溫過程的影響。故同樣選取一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行示例分析，繪制的b，c，d測點(diǎn)溫度分別與a測點(diǎn)溫度的關(guān)聯(lián)曲線如圖4(b)。

分析圖4(b)可見， 3條曲線在實(shí)驗(yàn)開始初期溫度變化不明顯，a點(diǎn)達(dá)到120℃之后，d點(diǎn)溫度才開始上升，同時(shí)b，c點(diǎn)溫度上升速率加快。說明隨著a點(diǎn)溫度的升高，熱量傳遞到系統(tǒng)內(nèi)部，導(dǎo)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(yù)熱期。隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，內(nèi)部的空氣逐漸由靜止向流動(dòng)轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致熱量在內(nèi)部的流動(dòng)變得順暢，表現(xiàn)為溫度快速上升。同時(shí)，由于蒸汽的散失暢通，導(dǎo)致熱量很快逸散，此時(shí)的系統(tǒng)溫度并不很高。

當(dāng)a點(diǎn)溫度達(dá)到170℃時(shí)，3個(gè)測點(diǎn)溫度上升速率進(jìn)一步加快。這是由于落葉中的纖維素就開始分解，氧化時(shí)放出大量熱，使溫度繼續(xù)升高，溫度升高又促使氧化反應(yīng)加快，二者互相促進(jìn)，導(dǎo)致體系溫度持續(xù)升高。

在a點(diǎn)溫度達(dá)到250℃時(shí)，3個(gè)測點(diǎn)升溫速率增大，270℃時(shí)減緩，最終升溫分別達(dá)到210，140，70℃左右。由于a是自燃的策源點(diǎn)，所以著火點(diǎn)往往在a所在平面上，當(dāng)a處達(dá)到著火點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)的溫度往往在200℃左右。這也是凋落層導(dǎo)熱性差所帶來的必然結(jié)果：系統(tǒng)內(nèi)的溫度分布嚴(yán)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(gè)很低的水平，給凋落層自燃過程的溫度監(jiān)測布點(diǎn)帶來不便，故采用溫度監(jiān)測方式預(yù)測森林自燃火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)不可取。

以此方法綜合分析7組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)不同組實(shí)驗(yàn)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(diǎn)是凋落層各測點(diǎn)中升溫速率最快的點(diǎn)，也是燃燒的源點(diǎn)，可用a點(diǎn)的升溫速率來表征凋落層的風(fēng)險(xiǎn)度。7組實(shí)驗(yàn)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(guān)聯(lián)含水率和表觀密度的溫升速率模型。

絕對(duì)含水率是是森林火險(xiǎn)預(yù)報(bào)的關(guān)鍵指標(biāo)[16]。將樣品放置電熱鼓風(fēng)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(duì)含水率和可燃物載量可用式(1)和式(2)分別計(jì)算。

(1)

Z=M/S

(2)

式中：Mc為絕對(duì)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(shí)的密度，但可以用來表征凋落層密實(shí)程度的物理量，同時(shí)也是凋落層空隙率的特征量。計(jì)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(jì)7組獨(dú)立實(shí)驗(yàn)中樣品的含水率、表觀密度及a點(diǎn)平均升溫速率，如表1所示。

表1　含水率、表觀密度及a點(diǎn)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(duì)結(jié)果進(jìn)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(yàn)證計(jì)算，式(4)的相關(guān)系數(shù)為0.999 9，相關(guān)性很高。因此，式(4)可作為岳麓山林下凋落物溫升速率表達(dá)式，計(jì)算結(jié)果可作為評(píng)判火災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)的重要指標(biāo)。

本文建立的溫升模型即為岳麓山自燃預(yù)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(yù)測預(yù)防森林自燃火災(zāi)的發(fā)生發(fā)展，評(píng)估岳麓山自燃火災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)，并采取相應(yīng)措施。岳麓山地處屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，降水主要集中在夏季，冬季降水較少導(dǎo)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(shí)節(jié)凋落層表觀密度會(huì)明顯增大。為減少“不明”原因火災(zāi)的發(fā)生，科學(xué)管理森林凋落物，考慮應(yīng)用此自燃模型，在不同季節(jié)選取岳麓山多個(gè)重點(diǎn)防火區(qū)域進(jìn)行取樣、測量和計(jì)算，考慮丟棄塑料瓶聚光或火香、爐香桿等因素對(duì)凋落物造成的溫度影響，以溫升速率劃分自燃危險(xiǎn)性等級(jí)并進(jìn)行自燃危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，仍需進(jìn)一步研究。

3　結(jié)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(shí)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(shí)驗(yàn)條件下平均著火時(shí)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(dǎo)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(diǎn)處達(dá)到著火點(diǎn)時(shí)，周圍溫度往往在200 ℃左右。系統(tǒng)溫度隨熱源基點(diǎn)的變化規(guī)律體現(xiàn)凋落層導(dǎo)熱性差，內(nèi)部溫度分布嚴(yán)重不均，直接通過監(jiān)測布點(diǎn)溫度不能達(dá)到自燃火災(zāi)預(yù)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(shí)時(shí)監(jiān)測，預(yù)測凋落層溫升速率，計(jì)算結(jié)果可為岳麓山重點(diǎn)火險(xiǎn)區(qū)的治理提供數(shù)據(jù)支持。以凋落層升溫速率作為關(guān)鍵評(píng)判指標(biāo)，可進(jìn)一步開展岳麓山自燃火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究。模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合度良好，但推導(dǎo)過程與模型設(shè)計(jì)中存在簡化，與實(shí)際燃燒過程可能存在不相符，對(duì)其改進(jìn)使燃燒過程相符合是后續(xù)研究的內(nèi)容與重點(diǎn)。例如，本文中的輻射實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的傳熱方式是自下而上的，研究結(jié)論偏重于材料傳熱的機(jī)理規(guī)律。在實(shí)際環(huán)境中最常見的熱傳導(dǎo)是自上而下的太陽輻射，森林凋落物實(shí)際燃燒過程與規(guī)律仍需進(jìn)一步研究。

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