森林自燃火灾中的凋落物辐射升温特性研究——以岳麓山为例*

陈立林，刘　琼，杜沄燕

(中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083)

0　引言

森林火灾燃烧、传播速度快、破坏性强，森林凋落物极易起火引发森林自燃火灾，对森林凋落物燃烧特性的研究是森林自燃火灾风险评估的基础。国内外学者针对凋落层开展了诸多研究，朱学平等[1]在研究中指出，地表调落物作为森林火灾林分植被致灾因子，直接影响着森林火灾燃烧；骆介禹等[2]研究表明，森林火灾主要可燃物由茅草、杂灌木等林下植被层和枯枝落叶、地表腐殖质等凋落物层组成；原作强等[3-4]认为凋落物是引发森林火灾的重要可燃物，并对凋落物的季节动态和燃烧性开展了研究。

森林凋落物形成覆盖，容易产生热量堆积效应引发自燃火灾。辐射加热是模拟高温环境施加于凋落物表面热荷载的一种常用加热方式，王海晖等[5]研究了热辐射作用下树叶样品的燃烧特性；MOGHTADERIB等[6-13]利用锥形量热计装置分析了外加辐射热流环境下木材的热解规律；季经纬等[14]对固体可燃物热解和着火早期特性进行研究。

截至2016年，湖南林下可燃物载量平均每平方千米3 000 t以上，已经超过产生高强度火和大火的可燃物标准。岳麓山脉位处国家5A级风景名胜区，山中植物群落有常绿阔叶林和落叶林2种，其中落叶林的优势树种有枫香、白栎、朴树、榔榆、锥栗、栾树、南酸枣和翅荚香槐[15]。冬季时，枯枝落叶堆积形成较厚凋落层，极易起火。近10年的消防台账显示麓山景区年均火警6起。研究表明，全球气候持续变暖导致森林火灾致因多样化，而凋落层引发的自燃火灾成为森林火灾研究的新课题。因此，研究森林凋落物热辐射升温特性对森林防火管理具有重要意义。通过论文检索尚未发现针对岳麓山地区凋落层升温着火诱发火灾的研究，故本文针对岳麓山森林凋落物，设计温升速率测定装置，通过实验模拟研究探讨岳麓山林下凋落物的温升特性，以便进行凋落层自燃危险性评价研究，为岳麓山森林防火工作提供参考。

1　凋落物辐射升温实验

1.1　采样地设置与凋落物分层取样

湖南地区的森林防火紧要期是每年10月至次年3月，因此，本文实验采样期选为2016 年10月至2017年1月，采样周期15 d，4个月内共采样7次。为使样本具有代表性，本文所选采样地位于岳麓山落叶林连续分布区，林木覆盖率较高，凋落物堆积足够多，范围为10 m×10 m。因凋落物分布具有不均匀性，在样地内沿对角线选取 4 块 2 m × 2 m 的小样方，以便进行4组测量取厚度、重量平均值，采样方式见图1。

图1　岳麓山落叶林凋落物采样Fig.1　Forest litter sampling in Yuelu Mountain

岳麓山落叶林地表凋落物从上到下可划分为枯枝、新落叶层和腐殖层3部分。在选取的小样方边缘处挖一长2 m、深0.2 m的矩形截面，将枯枝单独取出后，沿截面横向多点测量新落叶层的厚度，并取其均值作为该样方新落叶层厚度，腐殖层厚度按同样的方法获得。依据获得的各层厚度标准，针对不含枯枝的凋落层，用1 m×5 mm(长×宽)的硬质金属板分别铲取各样方新落叶层和腐殖层样品，取样后分别用电子天平测定所得3种样品重量，再装入密封编号塑料袋内，以此方法按周期获取样地内各小样方得样品。

1.2　实验方法

辐射加热是模拟高温环境施加在凋落物表面热荷载的一种加热方式，文献[5]研究了辐射热流作用下树叶样品的燃烧特性，文献[6-16]利用锥形量热计装置对木材的热解规律开展了大量研究，文献[14]对固体可燃物热解和着火早期特性开展了研究。本实验主要考察凋落物在辐射热流作用下的升温着火过程，可以获得升温速率、着火时间、着火温度、着火图像等数据，这些数据可作为岳麓山森林防火的基础信息。

本文设计的实验装置如图2所示，辐射热源为额定电压220 V、额定功率1 500 W、尺寸120 mm×120 mm的电加热板；测试样品下表面辐射热流强度为30 kW/m2；样品置于上部的柱形铁丝网中，直径170 mm，高度150 mm；为保证红外热成像仪测量温度的准确性，减少铁丝网的阻隔影响，选用铁丝直径0.3 mm，孔径10 mm×10 mm；红外热像仪为手持式FLUKE TI300，测温范围为-20～650℃，测量精度±2℃。同时，沿纵向在样品中心处每隔50 mm布置直径0.3 mm的K分度镍铬-镍硅热电偶测量点a，b，c和d的温度，热电偶测温范围为-50～700℃；装置下部为柱式载架，内径180 mm，高度150 mm，热量通过载架空间传递到上端样品，连接上下装置的是一网式托盘。

图2　森林凋落物升温速率测定装备Fig.2　Measuring equipment for temperature rising rate of forest litter

1.3　实验步骤

温升实验步骤如下：

1)将采集的各分层样品按照实际测量的厚度逐层堆积在装置的上部，并将热电偶的测点置于样品堆层的中心处，按50 mm纵向间隔均匀分布；

2)每隔20 s记录测点a，b，c和d的温度值，同时用红外热像仪测量相应时刻点温度分布；

3)当观察到枝叶样品堆层中出现明火，则终止实验，记录着火时间；

4)重复以上步骤，完成全部7组实验。

2　分析与讨论

本文为提出正确的森林自燃火灾监测方式，需探讨着火过程热量传递特性。在不改变其他条件时，同一位置，温度变化较快的阶段热量传递较强；同一时间，温度梯度较大的位置热量传递较强[17]。凋落层在升温过程的不同时期和不同位置测点，热量传递状态会发生变化。故对凋落物自燃过程中的温度变化进行研究。

2.1　红外成像分析

利用红外热成像仪监测各组实验的全过程，可测得不同时刻样品表面的温度分布，进而直观地分析热量在凋落层中的传递规律。以某组实验的红外成像为例，图3是凋落层在实验初始时刻(0 s)、升温期(200 s)及燃烧瞬间(460 s)的红外图像。

图3　凋落层的红外图像Fig.3　Infrared images of forest litter respectively

凋落层的热量传递特性受空隙率的影响最大，且随空隙率的增加而明显减少[18]。从升温期(200 s)图像的明暗分布可以看出横向升温速率快于纵向升温速率，这是由于高压热流沿孔隙传播，而凋落层横向单位面积的孔隙率多于纵向。而在460 s时，系统瞬间起火，由图像可见此时纵向温升速率明显快于横向。

2.2　温升曲线与关联曲线分析

1)温升曲线分析

实验探究的重点之一是明确系统内部所布点a，b，c，d随时间的变化规律。根据本实验的设计，每隔20 s记录一次温度，在温度升至燃点的过程中，记录下测点a，b，c和d点在23～25个不同时刻的温度值，可绘制出7组实验各测点的均温随时间变化的曲线。实验发现，各组实验所得曲线具有相似的变化规律，本文仅选取一组实验数据进行分析，如图4所示。

图4　温度-时间曲线与温度关联曲线Fig.4　Temperature-time curves and temprature correlation curves

分析图4(a)可得，凋落层不同测点受热升温的总体趋势相似。a曲线的温度上升最快，表明热量在a处迅速积累，且不能通过落叶层快速传递，导致b，c，d处的升温速度很慢；20 s之前，a的温升很快，达到120℃左右，而a，b，c的温升很小，不到50℃。之后a迎来升温拐点，升温减慢，但是仍然比其他点要大；系统在460 s时燃烧，此时a处的温度为342℃左右；a，b，c处全程升温较低，不超过210℃。这表明凋落层导热性很差，热量在凋落层内分布很不均匀。如果凋落层内部有热源存在的话，热量很容易在热源处集聚，从而导致热源处的温度迅速升高，如果不采取措施，可能引发自燃事件。

以此方法综合分析7组实验结果，发现岳麓山林下凋落物的着火温度区间为340～350℃，在本实验条件下的平均着火时间为420 s。

2)温度关联曲线分析

在总体分析凋落层温度随时间变化的基础上， 把a看作系统的热源基点，考察a的变化对b，c，d变化的影响，探究的意义表现在非恒定热源对凋落物升温过程的影响。故同样选取一组实验数据进行示例分析，绘制的b，c，d测点温度分别与a测点温度的关联曲线如图4(b)。

分析图4(b)可见， 3条曲线在实验开始初期温度变化不明显，a点达到120℃之后，d点温度才开始上升，同时b，c点温度上升速率加快。说明随着a点温度的升高，热量传递到系统内部，导致系统内的温度逐渐上升，但在初期变化很小，只有20℃左右的增量，这一阶段，系统处于预热期。随着实验的进行，内部的空气逐渐由静止向流动转化，导致热量在内部的流动变得顺畅，表现为温度快速上升。同时，由于蒸汽的散失畅通，导致热量很快逸散，此时的系统温度并不很高。

当a点温度达到170℃时，3个测点温度上升速率进一步加快。这是由于落叶中的纤维素就开始分解，氧化时放出大量热，使温度继续升高，温度升高又促使氧化反应加快，二者互相促进，导致体系温度持续升高。

在a点温度达到250℃时，3个测点升温速率增大，270℃时减缓，最终升温分别达到210，140，70℃左右。由于a是自燃的策源点，所以着火点往往在a所在平面上，当a处达到着火点时，系统内的温度往往在200℃左右。这也是凋落层导热性差所带来的必然结果：系统内的温度分布严重不均，有些地方已经到着火温度，附近的温度却还处在一个很低的水平，给凋落层自燃过程的温度监测布点带来不便，故采用温度监测方式预测森林自燃火灾风险不可取。

以此方法综合分析7组实验结果，发现不同组实验的升温速度和升温值有较大不同，但曲线温升规律基本一致。

2.3　温升速率方程

根据红外成像图分析，发现a测点是凋落层各测点中升温速率最快的点，也是燃烧的源点，可用a点的升温速率来表征凋落层的风险度。7组实验的最终着火温度基本相同，说明凋落层温度上升情况由其本身理化特性决定。陈泽韶等[19]在研究中指出含水率和表观密度是影响凋落层升温速率的两大因素，故建立关联含水率和表观密度的温升速率模型。

绝对含水率是是森林火险预报的关键指标[16]。将样品放置电热鼓风干燥箱内，在110℃下恒温烘干至样品恒重，再用电子天平称其干重，各样品绝对含水率和可燃物载量可用式(1)和式(2)分别计算。

(1)

Z=M/S

(2)

式中：Mc为绝对含水率，%；GS为鲜质量，kg；Ggo绝干质量，kg；Z为可燃物载量，kg/m2；M为样方内可燃物绝干质量，kg；S为样方面积，m2。

表观密度并不能代表凋落物真实的密度，但可以用来表征凋落层密实程度的物理量，同时也是凋落层空隙率的特征量。计算方法为：

(3)

式中：ρ为凋落层表观密度，kg/m3；m为凋落物的质量，kg；V为凋落物的体积，m3。

统计7组独立实验中样品的含水率、表观密度及a点平均升温速率，如表1所示。

表1　含水率、表观密度及a点平均升温速率Table1　Moisture content, apparent density and average temperature rising rate at a

通过“麦夸特法(Marquardt)+全局优化算法”对结果进行拟合，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。

通过验证计算，式(4)的相关系数为0.999 9，相关性很高。因此，式(4)可作为岳麓山林下凋落物温升速率表达式，计算结果可作为评判火灾危险性等级的重要指标。

本文建立的温升模型即为岳麓山自燃预测模型，通过监测凋落物的含水率和表观密度参数，可预测预防森林自燃火灾的发生发展，评估岳麓山自燃火灾危险性等级，并采取相应措施。岳麓山地处属于亚热带季风气候，降水主要集中在夏季，冬季降水较少导致凋落层含水率处于较低状态。此外，由于季节和树种原因，秋冬时节凋落层表观密度会明显增大。为减少“不明”原因火灾的发生，科学管理森林凋落物，考虑应用此自燃模型，在不同季节选取岳麓山多个重点防火区域进行取样、测量和计算，考虑丢弃塑料瓶聚光或火香、炉香杆等因素对凋落物造成的温度影响，以温升速率划分自燃危险性等级并进行自燃危险性评价，仍需进一步研究。

3　结论

1)热量在凋落层中的传递规律为温升初期横向温升速率高于纵向温升速率，着火时刻附近纵向温升速率高于横向。

2)岳麓山森林凋落物着火温度区间为340～350 ℃，在本实验条件下平均着火时间为420 s。凋落层内部温度变化规律体现凋落层内热量易在热源处集聚，导致温度迅速升高，可能引发自燃事件。

3)凋落层内热源基点处达到着火点时，周围温度往往在200 ℃左右。系统温度随热源基点的变化规律体现凋落层导热性差，内部温度分布严重不均，直接通过监测布点温度不能达到自燃火灾预防效果。

4)建立自燃函数模型，通过含水率和表观密度的实时监测，预测凋落层温升速率，计算结果可为岳麓山重点火险区的治理提供数据支持。以凋落层升温速率作为关键评判指标，可进一步开展岳麓山自燃火灾风险评价研究。模型与实验数据拟合度良好，但推导过程与模型设计中存在简化，与实际燃烧过程可能存在不相符，对其改进使燃烧过程相符合是后续研究的内容与重点。例如，本文中的辐射实验设计的传热方式是自下而上的，研究结论偏重于材料传热的机理规律。在实际环境中最常见的热传导是自上而下的太阳辐射，森林凋落物实际燃烧过程与规律仍需进一步研究。

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