金 森，張儷斌，于宏洲，滿子元

（東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

風(fēng)速對紅松針葉床層兩個重要失水時間的影響

金 森，張儷斌，于宏洲，滿子元

（東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

森林防火人員需要關(guān)注可燃物從雨后不燃變?yōu)榭扇妓璧臅r間和其后蔓延速率倍增所需的時間。這兩個時間與可燃物失水速率直接相關(guān)，也會受風(fēng)速影響。但關(guān)于風(fēng)速對這些時間的影響還沒有直接研究。為此，以紅松針葉床層為研究對象，研究其在近恒溫濕條件下不同風(fēng)速時的失水過程，分析風(fēng)速對這兩個失水時間的影響，結(jié)果表明，在溫度近20 ℃，濕度在25%～35%的條件下，有風(fēng)條件顯著減少了紅松針葉床層從雨后不燃（含水率70%）到可燃所需的時間，時間可縮短1～1.3 h，減少比例近40%，最長可縮短5.2 h。但不同風(fēng)速所縮短的時間差異不大。風(fēng)的這種影響與紅松針葉床層的密實度有關(guān)。風(fēng)的影響可用風(fēng)速的指數(shù)函數(shù)形式來描述。但風(fēng)對于以0.3 g·g-1為基點(diǎn)的蔓延速率倍增所需時間無顯著影響。

風(fēng)速；失水時間；闊葉；含水率；蒙古櫟；可燃物

風(fēng)是重要的火險預(yù)報因子。風(fēng)通過影響可燃物含水率和火行為而增加火險。風(fēng)對火行為的影響已有很多研究[1-2]。風(fēng)對火險的影響可分為兩個方面：一是在可燃物含水率較高而不燃時，風(fēng)加速可燃物的失水速率，縮短從不燃到可燃的時間；二是在可燃物可燃后，風(fēng)加速失水速率，加速林火蔓延速率?；谖锢硪饬x的火險預(yù)報及等級劃分需明確兩個時間：一個是某種可燃物從不燃變?yōu)榭扇妓璧臅r間，典型的是從雨后不燃到可燃所需的時間，另一個是可燃物含水率減少導(dǎo)致蔓延速率倍增所需的時間。前者用于確定可燃物何時可燃，后者用于基于物理意義的火險等級劃分。這兩個時間與可燃物失水速率有關(guān)，必然受風(fēng)速的影響。目前關(guān)于風(fēng)對可燃物含水率變化過程的影響已有一定研究[3-9]，但關(guān)于風(fēng)對這兩個時間的影響的直接研究還沒有開展，還不明確風(fēng)對這兩個時間的減少幅度。

紅松Pinus koraiensis是東北地區(qū)的原生植被的優(yōu)勢樹種，研究風(fēng)對紅松林可燃物上述兩個時間的影響，對于建立相應(yīng)的火險預(yù)報方法和森林防火實踐具有現(xiàn)實意義。為此，我們以紅松針葉床層為研究對象，研究其在近恒溫濕條件下不同風(fēng)速時的失水過程，分析風(fēng)速對上述兩個失水時間的影響，為建立更科學(xué)的火險預(yù)報系統(tǒng)提供基礎(chǔ)。

1 研究方法

1.1 采 樣

紅松針葉采自東北林業(yè)大學(xué)帽兒山實驗林場。 該 林 場 位 于 45°20′～ 45°25′N，127°30′～127°34′E，屬溫帶大陸性氣候，闊葉紅松林為該地區(qū)原生植被。該林場目前主要是原生植被大量破壞后形成的天然次生林。在紅松林下采集當(dāng)年凋落的紅松針葉，帶回實驗室自然風(fēng)干。

1.2 室內(nèi)失水實驗

風(fēng)速設(shè)0、1、2、3、4 m·s-1五個梯度，床層密實度設(shè)0.015 8、0.023 6、0.031 5三個梯度，共15個風(fēng)速密實度組合，每個組合3個重復(fù)，全部試驗共構(gòu)建45個床層。對于每個風(fēng)速，取部分紅松松針置于烘箱中105 ℃烘24 h至絕干，分別取干質(zhì)量為4、6、8 g的松針各3份，在盆中浸泡24 h，取出放置一段時間，待針葉失去部分表面水分后制成長20 cm、寬20 cm、高2 cm的可燃物床層，該床層高度與采樣地紅松林下可燃物床層的高度相似。紅松的顆粒密度按317.2 kg·m-3計，則4、6、8 g的松針床層的密實度分別為0.015 8、0.023 6和0.031 5。每個床層上下兩面用塑料網(wǎng)固定，下面和四周用塑料布圍住，只有上表面能夠進(jìn)行水分散失。將松針床層放在架子上，置于風(fēng)扇前，調(diào)整床層與風(fēng)扇的距離，使床層上方的風(fēng)速為設(shè)定風(fēng)速。然后每隔0.5 h稱量一次床層的質(zhì)量，精確到0.01 g,共稱量20次。同時記錄環(huán)境溫度和濕度。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

1.3.1 可燃物含水率的計算

按下式計算各床層不同時刻含水率：

式（1）中：Mi為闊葉床層的含水率，g·g-1；Whi為第i個時刻稱量的闊葉鮮質(zhì)量，g；Wd為闊葉干質(zhì)量，g。

1.3.2 兩個失水時間計算

為計算兩個失水時間，必須先設(shè)定各自的基準(zhǔn)含水率。第一個時間的基準(zhǔn)含水率為一般可燃物在中度降雨量（10 mm）后能到達(dá)的含水率，根據(jù)對相似可燃物雨后含水率變化的觀測結(jié)果[10-11]，將該值設(shè)為0.7 g·g-1。根據(jù)蒙古櫟點(diǎn)燃含水率的試驗結(jié)果[12]，將點(diǎn)燃含水率設(shè)為0.3 g·g-1。相應(yīng)的點(diǎn)燒試驗[13]證明了Rothermel模型[1]在預(yù)測蒙古櫟紅松混合床層蔓延速率中的有效性。據(jù)此模型計算,以含水率為0.3 g·g-1時的林火蔓延速率為基準(zhǔn)點(diǎn)，倍增時的含水率為0.2 g·g-1。為此，分別計算不同風(fēng)速下紅松針葉各床層含水率從0.7 g·g-1下降到0.3 g·g-1、從 0.3 g·g-1下降到 0.2 g·g-1的時間。這些時間分別為中等強(qiáng)度降雨后從不燃到可燃所需的時間、林火蔓延速度倍增所需的時間。

1.3.3 風(fēng)速對兩失水時間的影響分析

以風(fēng)速和密實度為自變量，對上述兩個失水時間進(jìn)行方差分析，確定對其有顯著影響的變量。以對其有影響的變量為自變量，建立該變量和相應(yīng)失水時間的擬合函數(shù)。擬合通過MATLAB7.0實現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅松針葉床層的失水時間

全部試驗溫度范圍為17.5 ～19.6 ℃，單次實驗的變幅均值為2.0 ℃，濕度范圍為0.247～0.344 g·g-1，單次實驗變幅均值為 0.097 g·g-1。這是東北林區(qū)防火期中的典型氣象條件。

圖1給出了不同風(fēng)速、不同密實度時紅松針葉床層含水率從 0.7 g·g-1到 0.3 g·g-1、從 0.3 g·g-1～0.2 g·g-1兩個失水過程的失水時間。從趨勢上看，從雨后不燃到可燃所需時間基本隨風(fēng)速增加而下降，而以含水率0.3 g·g-1為基準(zhǔn)的蔓延速率倍增所需時間與風(fēng)速沒有明顯關(guān)系。從數(shù)值上看，含水率從 0.7 g·g-1到 0.3 g·g-1所需時間，密實度為0.015 8和0.023 6的床層無風(fēng)時均值相似，基本為3.5 h，而密實度為0.031 5的床層的時間較長，為8.4 h。隨風(fēng)速增加，不同密實度的床層平均失水時間在2.2 h到3.2 h之間, 其中密實度為0.015 8和0.023 6的床層的失水時間有風(fēng)均值在2.2 h到2.5 h之間，而密實度為0.031 5的床層稍長，為2.4～3.2 h。有風(fēng)時不同風(fēng)速下該失水時間差異不大。而3種密實度的紅松針葉床層含水率從0.3 g·g-1到0.2 g·g-1所需時間，即以0.3 g·g-1含水率時的蔓延速率為基準(zhǔn)的倍增所需時間，均值多在0.5 h到1.0 h。有風(fēng)和無風(fēng)、有風(fēng)時不同風(fēng)速下的差異不明顯。上述表明，風(fēng)使紅松針葉床層從雨后不燃到可燃所需時間平均至少減少1～1.3 h,減少比例近40%，最長可縮短5.2 h。而對于蔓延速率倍增所需時間則影響不明顯。

圖1 不同密實度、不同風(fēng)速的紅松針葉床層的兩個失水時間（圖中70%～30%為0.7～0.3 g·g-1、30% ～ 20% 為 0.3 ～ 0.2 g·g-1）Fig.1 Two water loss times of moisture from 0.7 g·g-1～0.3 g·g-1 and 0.3 g·g-1～0.2 g·g-1 of fuelbed composed of Korean pine needles of varied compactness

2.2 風(fēng)速對兩個失水時間的影響

表1給出了風(fēng)速和密實度對兩個失水時間影響的方差分析結(jié)果。從中可見，風(fēng)速、密實度及其交互作用對紅松針葉床層從0.7～0.3 g·g-1的失水時間有著顯著影響，其中以風(fēng)速的影響最大，其次為密實度，最次為兩者的交互作用。對于0.3～0.2 g·g-1的失水過程，風(fēng)速、密實度和風(fēng)速與密實度的交換作用對其都沒有顯著影響。

表1 風(fēng)速和密實度對紅松針葉床層兩個失水時間的方差分析結(jié)果Table 1 Variance analysis of effects of wind speed and fuelbed compactness on water loss times of two periods of fuelbeds of Korean pine needels

分別密實度，以風(fēng)速為自變量，對應(yīng)的3個可燃物床層的從0.7 g·g-1到0.3 g·g-1的失水時間分別為因變量，采用不同形式的函數(shù)進(jìn)行擬合建模，以所得決定系數(shù)R2最大為最佳模型。所得的最佳模型形式為：

式（2）中：T為0.7～0.3 g·g-1的失水時間，h；w為風(fēng)速，m·s-1。

所得模型系數(shù)和擬合情況見表2和圖2。從模型的決定系數(shù)看，預(yù)測值和實測值關(guān)系很密切，模擬有效。從圖2的數(shù)據(jù)看，所建模型充分反映了兩個失水時間隨風(fēng)速的變化情況。3個模型的均方根誤差為0.5 h到0.8 h，平均相對誤差在20%以內(nèi)，精度可以接受。

上述3個不同密實度的床層上建立的風(fēng)速對第一個失水時間的影響函數(shù)在形式上是一致的，表明了風(fēng)對第一個失水時間的影響是一致的。如果為預(yù)測目的，應(yīng)將密實度直接作為變量放入模型中。圖3給出了表2中密實度和對應(yīng)的模型系數(shù)a、b、c之間的散點(diǎn)圖。從中可見，這些系數(shù)和密實度之間存在著拋物線的關(guān)系，為此，用下面的拋物線形式來擬合：

式（3）中：y為a、b、c，β為密實度；d、e、f為待估參數(shù)。因為只有3個樣本，所以d、e、f可確定性計算出來。表3給出了相應(yīng)的計算結(jié)果。

表2 風(fēng)速對0.7～0.3 g·g-1階段失水時間影響模型T=ae-bw+c的參數(shù)?Table 2 Coefficients of models between fuelbed water loss times of periods 0.7～0.3 g·g-1 and wind speed in the form of T=ae-bw+c

圖2 根據(jù)風(fēng)速計算的紅松針葉床層葉床層0.7～0.3 g·g-1階段失水時間比較Fig.2 Comparison of measured water loss times of two periods(0.7～0.3 g·g-1) and modeled ones for fuelbeds of Mongolian oak leave

圖3 床層密實度和相應(yīng)3個擬合系數(shù)Fig.3 Fuelbed compactness and three corresponding coef fi cients of fi tting functions

表3 床層密實度和式（2）中參數(shù)的擬合系數(shù)Table 3 Coefficients of functions fitting coefficients in Eq.2) over fuelbed compactness

同時包括風(fēng)速和密實度的第一個失水時間的預(yù)測模型為：

式（4）中符號意義同前。

該模型的平均絕對誤差為0.415 h，均方根誤差為0.537 h，平均相對誤差為15.91%。模型的誤差綜合了分別密實度建立的3個模型，預(yù)測和實測的失水時間的決定系數(shù)為0.792，總體效果較好。圖4給出了兩者之間的對比，模型總體是無偏的，在失水時間＜3 h時，誤差較小，失水時間在4～5 h時，誤差有所增加，最大可達(dá)1.2 h。

圖4 實測和模擬的從 0.7 g·g-1 到 0.3 g·g-1 失水時間Fig.4 Observed and modeled water loss times of fuelbed from 0.7 g·g-1 to 0.3 g·g-1

3 結(jié)論與討論

在溫度近20 ℃，濕度在0.25～0.35 g·g-1的條件下，風(fēng)顯著減少了紅松針葉床層從雨后不燃到可燃所需的時間，可縮短1～1.3 h，減少比例近40%，最長可縮短5.2 h。但不同風(fēng)速所能縮短的時間差異不大。風(fēng)這種影響與紅松針葉床層的密實度有關(guān)。風(fēng)的影響表現(xiàn)為指數(shù)函數(shù)形式。風(fēng)對于以含水率0.3 g·g-1為基點(diǎn)的蔓延速率倍增所需時間無顯著影響。

風(fēng)對從0.7～0.3 g·g-1階段所需時間有影響而對從0.3～0.2 g·g-1所需時間沒有顯著影響表明，風(fēng)對紅松針葉床層失水速率的影響主要體現(xiàn)在高含水率階段。Jin等[14]表明，可燃物在高含水率時的失水過程主要受蒸發(fā)影響。本研究中紅松針葉床層含水率從0.7～0.3 g·g-1階段也以蒸發(fā)過程為主，而從0.3～0.2 g·g-1階段以擴(kuò)散為主，因此，風(fēng)對紅松針葉床層失水速率的影響主要體現(xiàn)在高含水率的蒸發(fā)階段。

本研究建立的同時包括風(fēng)速和密實度在內(nèi)的第一個失水時間的預(yù)測模型[（式4）]反映了風(fēng)和密實度對第一個失水時間的影響形式。但溫濕度顯著影響可燃物的失水速率，相應(yīng)地影響失水時間。本研究的失水時間和風(fēng)速、密實度對其的影響只是針對東北林區(qū)防火期中典型天氣條件有效，僅適用于研究中的溫濕度范圍，今后應(yīng)在更大的溫濕度范圍內(nèi)開展同樣的研究，以提高模型的適用性。

風(fēng)速對第二個失水時間沒有影響，這與我們的預(yù)想不同。一方面可能因為這個階段可燃物含水率較低，以變成擴(kuò)散為主的階段，風(fēng)的影響已很弱，同時，每個風(fēng)速密實度組合的3個重復(fù)的結(jié)構(gòu)有一定差異，這些差異掩蓋了本來就不很大、至少不像對第一個失水時間那么顯著的影響。這種影響也可能與材料本身的特性有關(guān)，針葉材料不明顯，還可能與含水率的大小有關(guān)。這些都需要進(jìn)一步研究。

[1]Rothermel, R.C. A mathematical model for predicting fi re spread in wildland fuels[R]. USDA For.Serv.Res.Pap, 1972,INT-115.

[2]李存宇,金 森,周 勇,等.紅松針葉床層風(fēng)影響因子的模擬[J].林業(yè)科學(xué),2014,50(1):116-124.

[3]Byram GM.Solar Radiation and Forest Fuel Moisture[J].Journal of Agricultural Research, 1943(67):149-176.

[4]King AR,Linton M.Moisture variation in forest fuels: the rate of response to climate changes[J]. Aust. J.Appl. Sci. 1963, 14(1):38-49.

[5]BRITTON, CM, COUNTRYMAN CM, WRIGHT HA,et al. The effect of humidity, air tempera ture, and wind speed on fi ne fuel moisture content[J].Fire Technology. 1973,9(1):46-55.

[6]Van Wagner. A laboratory study of weather effects on the drying rate of jack pine litter[J].Canadian Journal of Forest Research,1979,(9): 267-275.

[7]居恩德,陳貴榮.可燃物含水率與氣象要素相關(guān)性的研究[J].森林防火, 1993(1): 17-19.

[8]張國防,林文革,花昆福,等.杉木人工林地表易燃物含水率變化規(guī)律[J].福建林學(xué)院學(xué)報,2000,20(1):76-78.

[9]Saglama B, Bilgili E, Ku O,et al. Determination of surface fuels moisture contents based on weather conditions[J]. Forest Ecology and Management, 2006, 234: 75.

[10]張運(yùn)林,張 恒,金 森.季節(jié)和降雨對細(xì)小可燃物含水率預(yù)測模型精度的影響[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2015,35(8):5-12.

[11]金 森,李建民.農(nóng)林交錯區(qū)典型地表死可燃物含水率預(yù)測[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2014,34(12): 27-34

[12]李 林.森林可燃物含水率及失水效率的研究[D]. 哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué),2004.

[13]張吉利,劉礡霏,邸雪穎,等.廣義Rothermel模型預(yù)測平地?zé)o風(fēng)條件下紅松-蒙古櫟林地表混合可燃物火行為[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2012,23(6):1495-1502.

[14]Jin S,Chen PY. Modelling drying processes of fuelbeds of Scots pine needles with initial moisture content above the fi bre saturation point by two-phase models[J]. International Journal of Wildland Fire, 2012,21:418-427.

Effects of wind speed on two key water loss times of fuelbeds composed of Korean pine needles

JIN Sen, ZHANG Li-bin, YU Hong-zhou, MAN Zi-yuan
(College of Forestry, Northeast Forestry University, Harbin 150040, Heilongjiang, China)

Two times concerned by forest fi re managers are the time required for fuel to become ignitable from non-ignitable status after rain and the time required to increase its spread rate by one time. These times have been related with fuel drying rate. Generally speaking, wind affect fuel drying rate and should affect the two times. Although some works have been conducted on effects of wind on fuel moisture dynamics, no answers have ever been given to the question that to what extent wind can reduce the two times. Drying processes of fuelbeds composed of Korean pine needles were observed under nearly constant temperature and humidity but varied wind speeds. The two times of the processes were measured and effects of wind speed on the times investigated. Results show that under nearly 20℃ and 25%-30% humidity conditions, wind speed, fuelbed compactness and their interaction all have in fl uences on the fi rst time but not on the second time with benchmark set at fi re spread rate of fuelbed with moisture content of 0.3 g·g-1. Wind speed reduced the fi rst time by 1-1.3 h, nearly 40% of the time at zero wind speed condition. The relationship between the time and wind speed can be depicted by a exponential function. A fi tting function combining wind speed and fuelbed compactness was also established with satis fi ed accuracy.

wind speed; water loss time; moisture; Korean pine needle

S718.54+1

A

1673-923X(2016)12-0006-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.12.002

http: //qks.csuft.edu.cn

2016-01-17

國家大學(xué)生創(chuàng)新實驗訓(xùn)練項目（201410225063）；國家自然科學(xué)基金（31370656）

金 森，教授，博士；E-mail：jinsen2005@126.com

金 森，張儷斌，于宏洲，等. 風(fēng)速對紅松針葉床層兩個重要失水時間的影響[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2016, 36(12): 6-10.

[本文編校：文鳳鳴]