蒙古栎凋落叶片室内燃烧特性研究

蒙古栎凋落叶片室内燃烧特性研究

森林火灾通常发生在小燃料可燃的地区。当森林中的干燥杂草和枯枝落叶发生火灾时，水源首先燃烧，其他燃料燃烧着森林火灾。人类活动是引起森林火灾的主要因素,占火源的90%以上。烟头是重要的人为火源,伊春1997年烟头引起的森林火灾就占到39.2%;2009年2月2日在云南省晋宁县昆阳镇三家村和二街乡栗庙村接壤的森林处,3名学生丢弃烟头产生森林火灾,火线一度长达10km,千余名森警官兵和扑火队员经过14h才予以扑灭。因此研究烟头点燃可燃物的可能性对于预防森林火灾具有重要意义。杨美和研究了午时前后可燃物含水率与烟头引燃可燃物的时间关系,王刚等通过纸片、火柴、烟头点燃林中细小可燃物的试验证明,烟头引燃可燃物对可燃物的结构、风速等有一定的要求。单延龙等认为压缩比为可燃物的外特性,压缩比会影响可燃物的火行为,烟头点燃可燃物与阴燃能否转化为明火有关。谭家磊通过用烟头点燃被套的实验,发现在无被套棉被的阴燃实验中,棉絮被烧坏,却无法出现明火;其原因是棉絮空隙较大,散热较快,产生的热量不容易聚集,因而不容易出现明火。Robert以木块为材料,建立了热解的数学模型。Ortiz-Molina发现,在氧体积分数很高时聚氨酯材料阴燃会向有焰燃烧转化。Ohlemiller等指出,风速增加时,纤维材料的阴燃会有火焰产生;他在研究纤维质的水平阴燃时,发现逆风阴燃对风速的响应很小,即使风速达到5m·s-1时也没转化为有焰燃烧;而顺风阴燃在风速为2m·s-1时就会转化为有焰燃烧。Tse等得出聚氨酯材料垂直阴燃过程中,向有焰燃烧转化的风速为0.25~2.0m·s-1。上述烟头点燃可燃物可能性的研究多局限于某一因子,主要是气象因素及可燃物含水率,没有考虑可燃物床层的结构以及各因子的交互作用。在研究中增加可燃物结构特征这一变量,并综合考虑了各个因子的交互作用对点燃概率的影响,更符合野外条件,对揭示在某一特定天气条件下,烟头点燃地表死可燃物的概率具有重要意义。蒙古栎(Quercusmongolica)分布在我国的东北三省、内蒙古和河北省北部,为落叶阔叶林的主要树种,地跨寒温带、温带和暖温带。在黑龙江省,蒙古栎广泛分布于大、小兴安岭、张广才岭和三江平原,其既是原始红松(Pinupskoraiensis)针阔混交林和兴安落叶松(Larixgmelinii)林中的重要伴生树种,也是人为和自然干扰后形成的次生林的重要建群树种。蒙古栎叶片宽大,秋季停止生长后叶片短期不脱落,极易燃烧,特别是大兴安岭南部反复干扰后形成的蒙古栎矮林,易形成树冠火。因此,蒙古栎林是黑龙江林区乃至该树种其他分布区内的重要可燃物类型。开展烟头点燃该可燃物的概率研究十分必要。笔者以蒙古栎落叶为研究对象,对烟头点燃该可燃物的概率进行了较全面的研究,以期揭示各种因子对烟头点燃地表死可燃物燃烧概率的影响。1材料和方法1.1蒙古栎林的生长实验材料为凋落的蒙古栎落叶,于2012年10月5—6日采于哈尔滨市城市林业示范基地的蒙古栎林。将落叶装入塑料袋,并在塑料袋上记录采取时间。1.2烟头点燃概率试验蒙古栎落叶床层构建:点烧实验在东北林业大学森林防火实验室进行。用长、宽、高分别为17、17、5cm的无顶盖铁筐模拟燃烧床,铁筐水平放置。在实验室内模拟蒙古栎落叶的野外状态,铺设不同含水率、压缩比的蒙古栎阔叶床层。压缩比用于表征可燃物床层结构。根据野外可燃物的结构特征,可燃物压缩比设置3个水平:0.0383、0.0638、0.0893。烟头可点燃的最大点燃含水率确定:根据气象记录,林分风速一般不超过5m·s-1。因此,风速设为0~5m·s-1,间隔为1m·s-1。用吹风机模拟风速,调整吹风机出风口与燃烧床的距离,使其在不同风速下燃烧。在不同风速和可燃物压缩比条件下,从较高含水率(35%,一般可燃物的熄灭含水率)开始,以5%为梯度渐降,分别进行该含水率时蒙古栎落叶床层烟头点燃试验。所用香烟为中南海牌,烟头随机落入可燃物床层前都为1cm,为红色阴燃状态,重复20次,找出该条件组合下至少出现一次点燃的最大含水率,即为该条件下的最大点燃含水率。烟头可点燃概率试验:烟头可点燃的最大点燃含水率确定的实验发现,含水率在10%以上,可燃物都没有被烟头点燃。故可燃物含水率设置了4个水平(0、5%、8%、10%),将烟头扔入可燃物床层,风速设为0~5m·s-1,间隔为1m·s-1,压缩比为上述3个设置;然后每个条件下进行20次重复,观察落叶能否被烟头点燃并产生明火,记录点燃时间。用摄像机在床层处记录整个点烧过程。1.3烟头点燃概率的logistic回归分析首先用Excel软件对数据进行处理,得到不同风速、含水率、压缩比时烟头点燃可燃物的概率图,分析烟头点燃可燃物的条件;然后对烟头点燃典型地表死可燃物概率的数据进行方差分析,分析含水率、风速(≥3m·s-1)、压缩比及其交互作用对点燃概率的影响。最后以有显著影响的因子为自变量,对烟头点燃概率进行Logistic回归分析。由于在点燃试验中,点燃次数所占比例较小,与未点燃样本数量上不均衡;而Logistic回归的结果不受样本均衡率影响,故分别在未点燃的660余次数据中随机选取50组数据及在点燃的60组数据中选取50组数据,组成建模数据进行Logistic回归分析,得到以风速、可燃物含水率、压缩比为变量的点燃概率模型。Logistic回归的判断阈值一般为0.5,但实验中点燃和未点燃样本实际不均衡,因此点燃判断概率可以定为其他值。为此,用VC++编程,得到阈值从0.1~0.9时,其判别准确率的变化,进而得到最合适的阈值选择。将未选取建模的10组点燃数据代入得到的模型中,以最合适的阈值为判断标准,检验模型结果的准确性。2结果与分析2.1风速对蒙古栎叶片点燃的影响实验数据进行处理分析后得到不同可燃物含水率、风速和压缩比时烟头点燃蒙古栎叶片的概率。结果表明:对于不同压缩比、风速条件下的可燃物,在含水率超过10%时,烟头均不能点燃蒙古栎叶片,没有明火出现。当在风速≤2m·s-1(0、1、2m·s-1)时,不论可燃物压缩比如何改变,即使可燃物很干燥,含水率接近0,烟头也不能引燃蒙古栎落叶。当风速>2m·s-1后,共进行了720次点燃燃烧实验。点燃概率随地表死可燃物含水率的增加而减少,而且下降幅度逐渐减少。燃烧概率在风速为4m·s-1时达到最大值,可能是由于风速过低时,氧气提供不足,而风速过大时导致烟头产生的热量不能蓄积;烟头点燃地表死可燃物的概率随可燃物压缩比的增加而增加。2.2单独的风速下燃土栎叶概率表1给出方差分析的结果,可见,含水率、压缩比对烟头点燃蒙古栎叶子概率影响有极显著;风速≥3m·s-1时,单独的风速对烟头点燃蒙古栎叶子概率影响无显著作用;含水率和风速之间,含水率和压缩比之间,风速和压缩比之间,含水率、风速和压缩比之间的互作作用对烟头点燃蒙古栎叶子概率影响均达到了极显著水平,说明各个因素之间有交互作用。2.3以0.4为阈值,见表1。我国于20风速>2m·s-1时点燃概率模型为式中:X1为含水率(%);X2为风速(m·s-1);X3为压缩比。结合风速≤2m·s-1时的点燃结果,得到全风速的点燃概率方程调整阈值使其从0.1变化到0.9,其预测准确率见表2。可见,当阈值选择为0.4时,点燃预报准确率为88%,不燃的误报率为36%。此时具有较高的点燃准确率和较低的不燃误报率,故将判断阈值设定为0.4。将未参与建模的10组点燃数据代入为(2)式,得到结果见表3。由于该模型以0.4为阈值,因此结果大于0.4就认为预估正确。可以看出,7组数据结果大于0.4,因此认为模型的精度为70%,可以采用。Logistic回归模型预测误差的主要原因,是在相同的可燃物和风速条件下,既有烟头点燃的情况,又有没有被烟头点燃的情况。在这些重复的地方,就容易出现误差,重复交叉的部分越大,预测误差越大,点燃预测准确率也越低。表4—表6给出了含水率、风速、压缩比对点燃与未点燃概率的结果。可见,随着含水率的增加,点燃数量与未点燃数量的差值较为明显,重复交叉的部分较少,点燃概率明显下降;而随着风速及压缩比的变化,点燃数量与未点燃数量的差值不是太大,重复交叉部分较多,且变化不明显。因此认为实验中误差来源主要来自压缩比及风速的影响。3低风速时燃烧蒙古栎叶片的概率预测烟头只在某些特定环境条件和可燃物条件下才能点燃蒙古栎落叶床层。可燃物含水率、压缩比、风速及其交互作用对点燃概率有显著影响。风速对点燃概率有很大影响,当风速<2m·s-1时,不论蒙古栎落叶的含水率与压缩比如何改变,烟头都不能点燃蒙古栎落叶;当风速≥2m·s-1时,可燃物能够点燃,但风速对点燃概率无显著作用。当可燃物含水率超过10%时,无论有风无风,烟头都难以点燃蒙古栎凋落叶片。在含水率低于10%时,且风速≤2m·s-1,烟头也难以点燃蒙古栎凋落叶片;但风速>2m·s-1时,烟头点燃蒙古栎叶片的概率显著增加。本研究建立的Logistic预测模型可以达到70%以上的预测精度。低风速时难以点燃蒙古栎凋落叶片,可能是因为风速较低时,可燃物间没有足够的氧气保证燃烧;而且风速较低时,烟头燃烧缓慢,没有足够的可燃性气体挥发,无法使蒙古栎叶片点燃。可燃物含水率越大,点燃可燃物需要更多的的热量,以烘干其水分直至挥发出可燃性气体,而烟头从落地到熄灭所提供的热量不足以使可燃物的含水率下降到可以燃烧的条件。可燃物压缩比对烟头引燃可燃物概率有重要的影响,可燃物的压缩比越大,烟头引燃可燃物的概率越大,越有利于可燃物间热量传递及减少热量的散失。但这一结论应在本研究的压缩比范围内才能有效,压缩比过大,烟头点燃概率应下降。结果表明,烟头引燃蒙古栎阔叶床层的条件比较苛刻。在郁闭度较大的林分中,林内可燃物含水率大,风速较低,因此烟头不易引燃死可燃物。在郁闭度较小的林分中,由于太阳辐射较大,林内细小可燃物干燥,风速大,烟头易引燃地表可燃物。因此在林火管理中,针对不同郁闭度的林分,要采取不同的林火管理措施;在郁闭度较小的林分内更要加强火源管理。虽然烟头引燃地表死可燃物的条件很苛刻,但我国烟头引发的森林火灾比例很大,说明我国火源管理还有不足之处,要进一步强化火源管理。本研究采用室内模拟点燃实验,