吳 娟，閔盈盈

(1.東北林業(yè)大學(xué)理學(xué)院，哈爾濱150040;2.哈爾濱商業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院哈爾濱150020)

1 平衡含水率法簡(jiǎn)介

1.1 平衡含水率

平衡含水率指固定溫度和濕度條件下，無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間的放置，可燃物達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)可燃物體內(nèi)水氣壓與外界環(huán)境不再發(fā)生水汽交換，水分凈變化為零，擴(kuò)散過(guò)程相對(duì)靜止，稱(chēng)此時(shí)的含水率為平衡含水率.通常，在一定的環(huán)境條件下，可燃物的平衡含水率在失水和吸水過(guò)程中有所不同，失水過(guò)程的平衡含水率比吸水過(guò)程高出2%～3%.

1.2 反映時(shí)間和時(shí)滯

隨環(huán)境條件，如溫度和濕度的變化，可燃物的平衡含水率和含水率都發(fā)生變化，但含水率變化與平衡含水率變化之間有一段時(shí)間滯后.反應(yīng)時(shí)間和時(shí)滯就是描述上述現(xiàn)象的，也是衡量可燃物含水率變化速率的量.

反應(yīng)時(shí)間指可燃物在此變化中，失去初始含水率與平衡含水率之差的(1－1/e)的水分所需的時(shí)間[1－4].

時(shí)滯是指可燃物含水率與平衡含水率的差值變?yōu)槌跏疾钪档?/e時(shí)所用的時(shí)間.表征含水率隨環(huán)境變化反應(yīng)的快慢.在一些文獻(xiàn)中，時(shí)滯的定義等同于反應(yīng)時(shí)間[2－4].而在另一些文獻(xiàn)中，時(shí)滯專(zhuān)指可燃物含水率和平衡含水率變化曲線之間的時(shí)間滯后，這可以通過(guò)在野外測(cè)定.時(shí)滯的這兩種概念在可燃物含水率預(yù)測(cè)中都有應(yīng)用，但前者更普遍.本文所用的時(shí)滯就是反應(yīng)時(shí)間[5－6].

1.3 平衡含水率法預(yù)測(cè)可燃物含水率的方法

在一個(gè)極小的時(shí)間微元d t內(nèi)，可燃物濕度的變化率d M/d t可看成一個(gè)均值，因此，存在著下列關(guān)系:其中:k為常數(shù)，M為t0=0時(shí)刻可燃物含水率或稱(chēng)為初始含水率，解此方程得:

令

其中:Mt為可燃物含水率，Me為平衡含水率，M0為可燃物初始含水率，t為時(shí)間，τ為可燃物的時(shí)滯.而式(1)中，可燃物初始含水率M0是已知的，而t也是已知的，我們要預(yù)測(cè)未來(lái)1 h的可燃物含水率，那么就取t=1，所以我們只要知道可燃物的平衡含水率E和時(shí)滯τ就可以預(yù)測(cè)出可燃物未來(lái)1 h的含水率M.本文選取的平衡含水率模型是Simard模型，因?yàn)檠芯康膶?duì)象都是木材.

1.4 對(duì)時(shí)滯影響因子的研究

相對(duì)于平衡含水率，對(duì)時(shí)滯影響因子的研究較少，主要原因是傳統(tǒng)認(rèn)為時(shí)滯受環(huán)境因子影響較小.此外，還認(rèn)為，時(shí)滯與可燃物大小關(guān)系密切，可燃物直徑越細(xì)，時(shí)滯越短(Nelson，1969)，如直徑小于0.16 cm的細(xì)小可燃物的時(shí)滯為1 h(Bradshaw et al.1983)，但研究表明，很多細(xì)小可燃物時(shí)滯大于1 h(Van Wagner，1969;Anderson 1990)，因?yàn)闀r(shí)滯除與直徑大小有關(guān)外，還與可燃物密實(shí)度、形狀、組成等有關(guān).Anderson等(1978)和Anderson(1990)的研究表明，草本可燃物時(shí)滯在1 h內(nèi)，一些針葉的時(shí)滯可達(dá)35 h，闊葉時(shí)滯介于兩者之間.不同腐爛程度的葉子時(shí)滯也不同，同樣的針葉，時(shí)滯從1～17.5 h，腐爛時(shí)間長(zhǎng)的要比短的時(shí)滯小.

2 建立模型

2.1 數(shù)據(jù)選取

本文研究的數(shù)據(jù)源自黑龍江省韓家園子林場(chǎng)實(shí)驗(yàn)基地2008.4和2009.4時(shí)的觀測(cè)數(shù)據(jù).

2.2 模型的建立

對(duì)于這個(gè)模型想要實(shí)現(xiàn)的功能是預(yù)測(cè)未來(lái)1 h的可燃物含水率，也就是對(duì)于上式，當(dāng)t=1.可燃物初始含水率M0是可知的，只有平衡含水率E和時(shí)滯τ是不知道的，這里先來(lái)研究可燃物的平衡含水率模型.

2.3 平衡含水率模型的選取

考慮到本文研究對(duì)象是木材，所以決定參考同樣以木材為研究對(duì)象的Simard模型來(lái)建立平衡含水率模型.由于測(cè)得的數(shù)據(jù)含水率一般都是在50%以上，所以選取

圖1 平衡含水率與濕度的關(guān)系

2.4 平衡含水率與濕度的關(guān)系

如圖1是平衡含水率與濕度的曲線擬合情況，圖1中進(jìn)行了二項(xiàng)式、三項(xiàng)式和指數(shù)3個(gè)曲線模型的擬合，通過(guò)分析指數(shù)擬合的曲線效果好優(yōu)度高，所以選定平衡含水率和濕度的變化符合指數(shù)變化規(guī)律y=axb，

2.5 平衡含水率與氣溫的關(guān)系

如圖2是平衡含水率與氣溫的曲線擬合情況，圖2中進(jìn)行了二項(xiàng)式、三項(xiàng)式和指數(shù)3個(gè)曲線模型的擬合，通過(guò)分析二項(xiàng)式擬合的曲線效果好優(yōu)度高，所以選定平衡含水率和濕度的變化符合二項(xiàng)式變化規(guī)律y=a0+a1x+a2x2，

圖2 平衡含水率與氣溫的關(guān)系

2.6 平衡含水率與風(fēng)速的關(guān)系

如圖3是平衡含水率與風(fēng)速的曲線擬合情況，圖3中進(jìn)行了二項(xiàng)式、三項(xiàng)式和指數(shù)3個(gè)曲線模型的擬合，通過(guò)分析二項(xiàng)式擬合的曲線效果好優(yōu)度高，所以選定平衡含水率和風(fēng)速的變化符合二項(xiàng)式變化規(guī)律y=a0+a1x+a2x2，

圖3 平衡含水率與風(fēng)速的關(guān)系

平衡含水率與氣壓的曲線擬合情況不好，方程均不是顯著的，因此不做說(shuō)明.

2.7 可燃物濕度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)

本文數(shù)據(jù)使用spss17.0完成的.分析數(shù)據(jù)排除了降雨的影響，從圖4可以看出可燃物濕度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，可燃物的濕度通常在1 h左右會(huì)平衡，但也有一些在30 min左右就達(dá)到平衡的，幾乎沒(méi)有在2 h內(nèi)平衡的，所以在這么短的時(shí)間里，可以把對(duì)平衡含水率有影響的因素如溫度、空氣濕度、風(fēng)速和氣壓得影響忽略，因?yàn)樵谶@么短的時(shí)間里，溫度、空氣濕度、風(fēng)速和氣壓的變化是非常小的.所以可以相信在30～60 min的時(shí)間里，可燃物的濕度已經(jīng)趨于平衡，所以我們可以考慮30、60 min來(lái)討論一下時(shí)滯τ.分別令時(shí)滯τ=0.5、τ=1來(lái)討論一下可燃物的濕度.

由于數(shù)據(jù)每隔1 h收錄1次，t=1，在式(18)中，分別令τ=0.5、τ=1，計(jì)算出2個(gè)時(shí)滯下各個(gè)時(shí)間段的平衡含水率，然后用這個(gè)求得的可燃物的平衡含水率和30、60 min后的可燃物含水率做比較，觀察其之間的差距.

圖4 可燃物濕度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)

從圖5、6可以看出平衡含水率和30、60 min的可燃物含水率的差距不是很大，但是30 min的時(shí)滯情況更為好些，兩條曲線幾乎重合了，而60 min的時(shí)滯有明顯的波動(dòng)，所以在時(shí)滯的選擇上30 min更為合理，所以本文限定時(shí)滯是30 min即:τ=0.5.

2.8 可燃物平衡含水率模型的參數(shù)估計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)地的觀測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)出各影響因子的取值范圍(見(jiàn)表1).

影響因子可燃物含水率/%氣溫/℃風(fēng)速/級(jí)相對(duì)濕度/%p/Pa取值范圍46～88－5.1～16.9 0～3 30～90 9.914～9.943

這里風(fēng)速的單位為級(jí)(0級(jí):0.0～0.2m/s，1級(jí):0.3～1.5 m/s，2級(jí):1.6～3.3 m/s，3級(jí):3.4～5.4 m/s，4級(jí):5.5～7.9 m/s，5級(jí):8.0～10.7 m/s，6級(jí):10.8～13.8 m/s).

從試驗(yàn)地觀測(cè)數(shù)據(jù)中抽取連續(xù)無(wú)雨情況下200個(gè)數(shù)據(jù)構(gòu)建模型，4月份的150個(gè)數(shù)據(jù)用于對(duì)模型的檢驗(yàn).根據(jù)統(tǒng)計(jì)回歸理論，對(duì)式(3)進(jìn)行參數(shù)估計(jì).

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)平衡含水率的建模研究了平衡含水率與各影響因子的關(guān)系，平衡含水率基本與各影響因子保持指數(shù)、二項(xiàng)式的變化規(guī)律，并討論了可燃物濕度與時(shí)間的變化趨勢(shì)，基本符合預(yù)測(cè)的趨勢(shì).然后對(duì)模型進(jìn)行了參數(shù)擬合和參數(shù)估計(jì)，以期對(duì)可燃物濕度的研究提供參考.

[1]陳宏偉.大興安嶺呼中林區(qū)森林死可燃物載量及其影響因子[J].生態(tài)學(xué)雜志，2008，27(1):50－55.

[2]王 剛.大興安嶺森林可燃物載量與林分因子關(guān)系[J].研究林火研究，2004(4):17－20.

[3]周志權(quán).遼東3種主要林型地被可燃物載量研究[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，28(1):32－34.

[4]王會(huì)研，李 亮，金 森.一種新的可燃物含水率預(yù)測(cè)方法介紹[J]森林防火，2008(4):23－27.

[5]劉 曦，金 森.平衡含水率法預(yù)測(cè)死可燃物含水率的研究進(jìn)展[J].林業(yè)科學(xué)，2007(12):45－50.

[6]云 麗，張?jiān)?，高周?森林地被可燃物燃燒的研究[J].遼寧林業(yè)科技，2001(5):15－21.