森林公园喷淋防火林带关键技术研究

陈雄伟，陈钰皓，何莹泉，刘锡辉

(1.广东省林业调查规划院，广州 510520； 2.广东省岭南综合勘察设计院，广州 510663)

森林公园喷淋防火林带关键技术研究

陈雄伟1，陈钰皓1，何莹泉1，刘锡辉2

(1.广东省林业调查规划院，广州 510520； 2.广东省岭南综合勘察设计院，广州 510663)

通过森林公园喷淋防火林带关键技术研究实验，找出喷淋防火林带的水源收集处理系统、喷淋用水量、喷淋喷头射程和喷淋高度对提高林带防火性能的最佳有效方式，，用以提高林下可燃物含水率和改善林带防火小气候，对森林公园的防火有着较大的影响。

喷淋防火林带；实验研究；防火效果

近年来，森林旅游越来越受人们关注，已成为世界旅游业的重要组成部分和现代林业不可缺少的重要内容。森林公园由于开展旅游活动和存在一定的生活用火而容易产生森林火险，其发生火灾的概率较建筑物火灾和一般森林火灾都高，森林公园中人员密集的景区防火形势异常严峻[1]。而且，森林公园的森林可燃物载量大，森林火险等级极高，扑火极其危险[2]。如果火灾无法得到有效控制和扑救，将会破坏整个森林公园的生态平衡，造成森林公园内游人伤亡、景观毁坏和经济损失，对社会影响很大[3]。水灭火是最原始的灭火方法，具有安全、有效、快速的特点，是控制和扑灭森林火灾的重要方法[4]。喷淋防火林带的原理是通过喷淋头喷出大量的水，令可燃物表面迅速降温、增湿，并能快速扑灭明火，其渗透性也比较好，可大大减少复燃的可能性。特别在高危森林火灾时期通过对防火林带进行喷淋灌溉，能大幅提高防火林带的防火能力[5]，同时也能促进森林的生长和演替。因此，在森林公园开展喷淋防火林带实验研究对于森林公园预防和扑救火灾意义重大。

本研究在项目组十多年的森林公园规划设计的基础上，对森林公园消防水源收集处理系统、喷淋防火林带喷洒性能及喷淋后林带防火性能进行实验测定和分析，以期为今后的喷淋防火林带建设提供可参考的理论依据。

1 实验地概况

实验地设在广东省东莞市大屏嶂森林公园的消防研究基地内，基地属南亚热带季风气候，有夏秋多雨，春冬干旱的特点。年降雨量1 500～2400 mm，平均气温21.8 ℃，无霜期350 d以上。实验基地植被主要为人工阔叶林。林分类型主要有荷木、马占相思林、罗浮栲、鸭脚木、青冈、中华锥等。实验基地面积共18000 m2，由各300 m长的2段林带组成，其中一段设置成喷淋样地，每20 m安装一个射程21 m的喷淋喷头，在喷淋样地内每隔100 m抽取3个喷头，沿喷头与林带的垂线分别设置A，B和C共3个取样轴；另一段为不设置喷淋的对照样地，在对照样地内每隔100 m分别设置D，E和F共3个取样轴。在每个取样轴上距离喷头坡上5 m、坡下5 m和坡下10 m处各设置一个数据取样点，共设数据取样点18个(见图1)。各样点林相、地理位置、坡向、朝向、海拔等均接近有比对相似性。

图1 实验研究样地样点总平面图

2 实验方法

2.1 消防水源收集处理系统实验

森林公园大多没有设置市政给水系统，因此需要利用地面径流或雨水水源作为消防用水。但森林公园地表水的水质、水量、水位在不同季节和不同天气情况下均存在巨大变化，因此，需要设计研发一套适合森林公园消防用水的取水和水处理构筑物。

实验根据水渗透过滤原理，设计出一套包括净水处理装置、储水装置、供水阀门井及供水管道组成的水源收集处理构筑池。其中：净水处理装置面积30 m2，设置三层由不同级别鹅卵石或砾石组成的过滤层；清水室体积11.7 m3，为砖混结构；供水阀门井1.5 m ×2.3 m；供水管直径100 mm。

实验以主动降底水位的方式来测定水源收集处理构筑物的出水能力。先用干净的塑料袋堵塞净水室多孔净水收集管，用水泵抽取净水室的水，人工加水泵排水方法降低净水室水位。再将净水室水泵出水口放在原水源上游河道排水冲刷搅拌，模拟雨天溪流原水水质。最后用钢尺记录净水室水位，打开多孔净水收集管堵塞物，记录净水室水位变化情况，计算水源收集处理构筑物产水量和过滤室单位面积产水量。流量实验分三组不同工况进行实验测试和取样。

2.2 喷淋系统喷洒性能测定实验

喷淋防火林带喷淋系统喷洒性能实验主要测定喷淋水量、不同安装高度喷头的喷洒半径和喷淋效果。喷洒性能实验在喷淋样地内的A，B和C取样轴上进行。

2.2.1 喷淋水量测定

在喷淋防火林带给水干管上安装手持式数显高精度超声波流量计，打开喷淋阀门，按10 min间隔记录即时流量数据，同时读取喷淋管网上的三组压力表数据。测量时间为喷淋开始至喷淋结束。

2.2.2 喷淋效果测定

分别在喷淋样地A，B和C轴喷头位置进行三组实验，每组在喷洒范围内设置22 m×12 m标准样地，标准样地内设置24个接水样盒(见图2)。每组更换高度为1.25 m，1.65 m，1.90 m，2.35 m和3.20 m的喷头立管。开启喷淋，用激光测距仪测量喷头喷出的水柱能到达的有效位置，记录测量的距离和测量坡度。待喷淋水柱五次扫过所有样盒后，关闭喷淋，用天平对24个样盒内所接纳的水量进行称重，并记录喷淋时间。

图2 喷淋范围平面和剖面图

2.3 喷淋防火林带防火效果实验

喷淋防火林带防火效果实验主要对喷淋样地和对照样地内的树叶、枯叶、枯枝、土壤、枯倒木和木质样块的含水率以及土壤、空气的温湿度进行动态监测。实验在喷淋样地和对照样地的A-F样轴上的18个取样点同时进行。每个样点就近取1棵样树，用塑料彩带编号标记，每个样点设置1个土壤样袋、1个枯叶样袋、1个枯枝样袋、1个树叶样袋、1块枯倒木和2块木质样块。测量时间为喷淋前52 h至喷淋后70 h，全程122 h，喷洒时间为60 min，测量间隔为2 h。用天平测量土壤样袋、枯叶样袋、枯枝样袋和树叶样袋的质量，用木材湿度测量仪测量枯倒木和木质样块的含水率，用空气湿度仪测定0.5 m和2.0 m高度位置的空气温度和湿度。所有样袋现场称重后再带回实验室测量样袋绝干质量。

3 实验研究结论

3.1 水源收集处理构筑物能满足消防用水要求

实验得出，水源收集处理系统30 m2过滤区单位小时产水量为26.4 m3/h，一天产水量为633.6 m3/d，即200 m3的消防水池由一座30 m2过滤区的水源收集处理系统注满约需要7～8 h。并且，水源收集处理系统原水水位和净水池水位差位于12～15 cm时，水处理效果良好，出水水量适中，是一个比较好的水源收集处理系统核心关键设计参数。

3.2 喷淋防火林带喷洒性能测定实验

3.2.1 喷淋防火林带用水量

实验得出喷淋时长60 min、喷淋强度为3.2L/m2的喷淋防火林带用水量为0.1 m3/(h·m)，即1 000 m喷淋防火林带用水量为100.0 m3/h。森林公园消防水池体积为200 m3，一个消防水池可以满足2 km喷淋防火林带喷淋的用水量,保护约0.25 km2的森林范围。

3.2.2 喷头高度对喷洒效果的影响

从对不同安装高度的各组喷头在四个主要方向的喷淋射程分析来看，上坡的水平喷淋距离会减少，但上坡喷淋主射流在树冠下穿过，阻挡物相对较少，受水流气流爬升效应，使得喷淋射程加大。下坡喷淋主射流与树冠重合，阻挡物较多，其喷淋射程也和上坡喷淋射程相差不多，但都比水平喷头水平方向的喷头喷淋射程小，这主要是茂密树冠对喷淋水射流的影响。同时，在1.25 m，1.65 m，1.90 m，2.35 m和3.20 m喷头立管中，1.65 m喷头立管的喷淋效果最均匀，标准差系数为0.76，每分钟喷到林下可燃物的水质量最大，达到68.13 g/min，且1.65 m喷头立管易于运行维护、安全稳定、经济合理。

3.3 能显著提高防火林带防火性能

研究表明，林内可燃物含水率是影响可燃物燃烧的重要指标。可燃物含水率(FMC)与可燃物的易燃性之间关系十分密切。一般情况下，当FMC>35%时，不燃；25%～35%时，难燃；17%～25%时，可燃；10%～16%时，易燃；<10%时，极易燃[6]。实验表明，喷淋1 h后，林带内的树叶、枯枝、枯落叶、枯倒木及木材样块的含水率均有不同程度提高，由易燃状态提升为难燃甚至不燃状态，并能维持较长时间。①喷淋样地内树叶含水率从67.38%升至77.78%。②喷淋样地内枯枝含水率从17.6%升至45.9%，之后逐渐下降，维持4 d后恢复到喷淋前状态；含水率维持在35%， 25%和17%水平以上的时间分别是3.76 h， 26.38 h和73.52 h，分别处在不燃、难燃和可燃状态，而对照样地枯枝处在易燃状态。③喷淋样地内枯落叶含水率从13.1%升至59.2%，之后逐渐下降，维持3 d后恢复到喷淋前状态；含水率维持在35%， 25%和17%水平以上的时间分别是10.24 h， 23.86 h和46.22 h，枯落叶分别处在不燃、难燃和可燃状态，而对照样地枯落叶处在易燃状态。④喷淋样地内枯倒木含水率从14.0%升至22.0%，之后逐渐下降，维持6 d后恢复到喷淋前状态；含水率维持在17%水平以上的时间为47.86 h，枯倒木处在可燃状态，而对照样地枯倒木处在易燃状态。⑤喷淋样地内试验用木材样块含水率从13.3%升至18.8%，之后逐渐下降，维持4 d后恢复到喷淋前状态；含水率维持在17%水平以上的时间为22.06 h，木材样块处在可燃状态，而对照样地木材样块处在易燃状态。

3.4 喷淋对于防火林带小气候的影响

喷淋1 h后，喷淋样地林内风速、气压没有明显变化，但林内空气相对湿度、温度、土壤温湿度有较为明显的变化，有效的降低喷淋区域林内土壤的表面温度，增加林内土壤的表面湿度，降低区域内地面可燃物的危险性，减少低下火和地表火的危害[7]。①喷淋样地林内空气相对湿度从44.0%上升到46.4%，之后逐渐下降到36.6%，与喷淋前状态一致，前后差距为2.8%，喷淋影响维持4 h；②林内空气温度从21.1 ℃上升到21.7 ℃，低于对照样地内的空气平均温度0.6 ℃(由于喷淋1h后时间为当日14∶00，大气实时温度接近当天峰值，测得对照样地内的空气平均温度为22.3 ℃)，当与喷淋前状态一致时，即差距为0 ℃，喷淋影响维持51.4 min；③林内土壤温度从18.9 ℃下降至17.1 ℃，之后逐渐上升，当与喷淋前状态一致时，即差距为0.4 ℃，喷淋影响维持114.4 min。④林内土壤湿度从7.6%升至18.9%，之后逐渐下降，当与喷淋前状态一致时，前后差距为1.69%，喷淋影响维持3 d。

4 讨论

1) 对喷淋防火林带林内枯枝含水率、枯落叶含水率、枯倒木含水率及木材样块含水率的测定，由于受调查样地和工作强度的限制，只测得5个时间段的数据，且基本上是白天测得的，最好能够获得更多的不同时间段的测定数据，使实验结果更趋完整。

2) 对喷淋样地与对照样地的风速、温度、湿度等小气候因子的调查对比分析，最好需要一个更长的时间的定位观察，以便能更好的保证结果的可靠性。

3) 材料采集方面，由于是大样本收集枯落物，在实验中将各样地同类的枯落物充分混匀，因此不同分解程度的枯落物，不同粗细的小枝在含水率的差异影响更接近实际情况，但测定过程中用密封带封装样品是否有水分丧失而影响含水率还有待验证。

[1] 陆国锋.森林防火通道水消防系统的设计[J].中国给水排水，2008，24(20):27-30.

[2] 李小川,王振师,李兴伟,等.广东森林消防立体灭火技术研究与应用[J].广东林业科技,2013,29(3):13-20.

[3] 丁显孔.城市森林公园消防规划设计[J].消防技术与产品信息，2008(2):5-7.

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[6] 胡海清.林火生态与管理[M].北京：中国林业出版社,2005：17-91.

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KeyTechnicalResearchonFirePreventingForestBeltsbySprayinginForestParks

CHEN Xiongwei1,CHEN Yuhao1,HE Yingquan1,LIU Xihui2

(1.Guangdong Forestry Survey and Planning Institute, Guangzhou, 510520, Guangdong, China；2.Lingnan Integrated Exploration and Design Institute of Guangdong, Guangzhou 510663, Guangdong, China)

From the key technical research and experiment of fire preventing forest belts by spraying in forest parks, we concluded that the water collection, treatment system, the amount, range and height of spray were effective ways of improving effects of fire preventing forest belts, in order to increase water content of combustible under forest and improve the influence of microclimate fire prevention among forest, which play important roles on fire prevention of forest parks.

fire preventing of forest belts by spraying; research and experiment; effect of fire prevention

2016-10-24

广东省林业科技计划项目——广东省森林生态旅游区森林防火系统集成研究(2012-02)。

陈雄伟(1959-)，男，教授级高工，主要从事森林公园规划设计研究。

TU 986.5+2;S 762.3

A

1003-6075(2016)04-0031-04

10.16166/j.cnki.cn43-1095.2016.04.007