陳雄偉，陳鈺皓，何瑩泉，劉錫輝

(1.廣東省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，廣州 510520； 2.廣東省嶺南綜合勘察設(shè)計(jì)院，廣州 510663)

森林公園噴淋防火林帶關(guān)鍵技術(shù)研究

陳雄偉1，陳鈺皓1，何瑩泉1，劉錫輝2

(1.廣東省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，廣州 510520； 2.廣東省嶺南綜合勘察設(shè)計(jì)院，廣州 510663)

通過森林公園噴淋防火林帶關(guān)鍵技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)，找出噴淋防火林帶的水源收集處理系統(tǒng)、噴淋用水量、噴淋噴頭射程和噴淋高度對(duì)提高林帶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帶防火小氣候，對(duì)森林公園的防火有著較大的影響。

噴淋防火林帶；實(shí)驗(yàn)研究；防火效果

近年來，森林旅游越來越受人們關(guān)注，已成為世界旅游業(yè)的重要組成部分和現(xiàn)代林業(yè)不可缺少的重要內(nèi)容。森林公園由于開展旅游活動(dòng)和存在一定的生活用火而容易產(chǎn)生森林火險(xiǎn)，其發(fā)生火災(zāi)的概率較建筑物火災(zāi)和一般森林火災(zāi)都高，森林公園中人員密集的景區(qū)防火形勢(shì)異常嚴(yán)峻[1]。而且，森林公園的森林可燃物載量大，森林火險(xiǎn)等級(jí)極高，撲火極其危險(xiǎn)[2]。如果火災(zāi)無法得到有效控制和撲救，將會(huì)破壞整個(gè)森林公園的生態(tài)平衡，造成森林公園內(nèi)游人傷亡、景觀毀壞和經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)社會(huì)影響很大[3]。水滅火是最原始的滅火方法，具有安全、有效、快速的特點(diǎn)，是控制和撲滅森林火災(zāi)的重要方法[4]。噴淋防火林帶的原理是通過噴淋頭噴出大量的水，令可燃物表面迅速降溫、增濕，并能快速撲滅明火，其滲透性也比較好，可大大減少復(fù)燃的可能性。特別在高危森林火災(zāi)時(shí)期通過對(duì)防火林帶進(jìn)行噴淋灌溉，能大幅提高防火林帶的防火能力[5]，同時(shí)也能促進(jìn)森林的生長和演替。因此，在森林公園開展噴淋防火林帶實(shí)驗(yàn)研究對(duì)于森林公園預(yù)防和撲救火災(zāi)意義重大。

本研究在項(xiàng)目組十多年的森林公園規(guī)劃設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)森林公園消防水源收集處理系統(tǒng)、噴淋防火林帶噴灑性能及噴淋后林帶防火性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定和分析，以期為今后的噴淋防火林帶建設(shè)提供可參考的理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)地概況

實(shí)驗(yàn)地設(shè)在廣東省東莞市大屏嶂森林公園的消防研究基地內(nèi)，基地屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，有夏秋多雨，春冬干旱的特點(diǎn)。年降雨量1 500～2400 mm，平均氣溫21.8 ℃，無霜期350 d以上。實(shí)驗(yàn)基地植被主要為人工闊葉林。林分類型主要有荷木、馬占相思林、羅浮栲、鴨腳木、青岡、中華錐等。實(shí)驗(yàn)基地面積共18000 m2，由各300 m長的2段林帶組成，其中一段設(shè)置成噴淋樣地，每20 m安裝一個(gè)射程21 m的噴淋噴頭，在噴淋樣地內(nèi)每隔100 m抽取3個(gè)噴頭，沿噴頭與林帶的垂線分別設(shè)置A，B和C共3個(gè)取樣軸；另一段為不設(shè)置噴淋的對(duì)照樣地，在對(duì)照樣地內(nèi)每隔100 m分別設(shè)置D，E和F共3個(gè)取樣軸。在每個(gè)取樣軸上距離噴頭坡上5 m、坡下5 m和坡下10 m處各設(shè)置一個(gè)數(shù)據(jù)取樣點(diǎn)，共設(shè)數(shù)據(jù)取樣點(diǎn)18個(gè)(見圖1)。各樣點(diǎn)林相、地理位置、坡向、朝向、海拔等均接近有比對(duì)相似性。

圖1 實(shí)驗(yàn)研究樣地樣點(diǎn)總平面圖

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 消防水源收集處理系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

森林公園大多沒有設(shè)置市政給水系統(tǒng)，因此需要利用地面徑流或雨水水源作為消防用水。但森林公園地表水的水質(zhì)、水量、水位在不同季節(jié)和不同天氣情況下均存在巨大變化，因此，需要設(shè)計(jì)研發(fā)一套適合森林公園消防用水的取水和水處理構(gòu)筑物。

實(shí)驗(yàn)根據(jù)水滲透過濾原理，設(shè)計(jì)出一套包括凈水處理裝置、儲(chǔ)水裝置、供水閥門井及供水管道組成的水源收集處理構(gòu)筑池。其中：凈水處理裝置面積30 m2，設(shè)置三層由不同級(jí)別鵝卵石或礫石組成的過濾層；清水室體積11.7 m3，為磚混結(jié)構(gòu)；供水閥門井1.5 m ×2.3 m；供水管直徑100 mm。

實(shí)驗(yàn)以主動(dòng)降底水位的方式來測(cè)定水源收集處理構(gòu)筑物的出水能力。先用干凈的塑料袋堵塞凈水室多孔凈水收集管，用水泵抽取凈水室的水，人工加水泵排水方法降低凈水室水位。再將凈水室水泵出水口放在原水源上游河道排水沖刷攪拌，模擬雨天溪流原水水質(zhì)。最后用鋼尺記錄凈水室水位，打開多孔凈水收集管堵塞物，記錄凈水室水位變化情況，計(jì)算水源收集處理構(gòu)筑物產(chǎn)水量和過濾室單位面積產(chǎn)水量。流量實(shí)驗(yàn)分三組不同工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試和取樣。

2.2 噴淋系統(tǒng)噴灑性能測(cè)定實(shí)驗(yàn)

噴淋防火林帶噴淋系統(tǒng)噴灑性能實(shí)驗(yàn)主要測(cè)定噴淋水量、不同安裝高度噴頭的噴灑半徑和噴淋效果。噴灑性能實(shí)驗(yàn)在噴淋樣地內(nèi)的A，B和C取樣軸上進(jìn)行。

2.2.1 噴淋水量測(cè)定

在噴淋防火林帶給水干管上安裝手持式數(shù)顯高精度超聲波流量計(jì)，打開噴淋閥門，按10 min間隔記錄即時(shí)流量數(shù)據(jù)，同時(shí)讀取噴淋管網(wǎng)上的三組壓力表數(shù)據(jù)。測(cè)量時(shí)間為噴淋開始至噴淋結(jié)束。

2.2.2 噴淋效果測(cè)定

分別在噴淋樣地A，B和C軸噴頭位置進(jìn)行三組實(shí)驗(yàn)，每組在噴灑范圍內(nèi)設(shè)置22 m×12 m標(biāo)準(zhǔn)樣地，標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)設(shè)置24個(gè)接水樣盒(見圖2)。每組更換高度為1.25 m，1.65 m，1.90 m，2.35 m和3.20 m的噴頭立管。開啟噴淋，用激光測(cè)距儀測(cè)量噴頭噴出的水柱能到達(dá)的有效位置，記錄測(cè)量的距離和測(cè)量坡度。待噴淋水柱五次掃過所有樣盒后，關(guān)閉噴淋，用天平對(duì)24個(gè)樣盒內(nèi)所接納的水量進(jìn)行稱重，并記錄噴淋時(shí)間。

圖2 噴淋范圍平面和剖面圖

2.3 噴淋防火林帶防火效果實(shí)驗(yàn)

噴淋防火林帶防火效果實(shí)驗(yàn)主要對(duì)噴淋樣地和對(duì)照樣地內(nèi)的樹葉、枯葉、枯枝、土壤、枯倒木和木質(zhì)樣塊的含水率以及土壤、空氣的溫濕度進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)在噴淋樣地和對(duì)照樣地的A-F樣軸上的18個(gè)取樣點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行。每個(gè)樣點(diǎn)就近取1棵樣樹，用塑料彩帶編號(hào)標(biāo)記，每個(gè)樣點(diǎn)設(shè)置1個(gè)土壤樣袋、1個(gè)枯葉樣袋、1個(gè)枯枝樣袋、1個(gè)樹葉樣袋、1塊枯倒木和2塊木質(zhì)樣塊。測(cè)量時(shí)間為噴淋前52 h至噴淋后70 h，全程122 h，噴灑時(shí)間為60 min，測(cè)量間隔為2 h。用天平測(cè)量土壤樣袋、枯葉樣袋、枯枝樣袋和樹葉樣袋的質(zhì)量，用木材濕度測(cè)量儀測(cè)量枯倒木和木質(zhì)樣塊的含水率，用空氣濕度儀測(cè)定0.5 m和2.0 m高度位置的空氣溫度和濕度。所有樣袋現(xiàn)場(chǎng)稱重后再帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)量樣袋絕干質(zhì)量。

3 實(shí)驗(yàn)研究結(jié)論

3.1 水源收集處理構(gòu)筑物能滿足消防用水要求

實(shí)驗(yàn)得出，水源收集處理系統(tǒng)30 m2過濾區(qū)單位小時(shí)產(chǎn)水量為26.4 m3/h，一天產(chǎn)水量為633.6 m3/d，即200 m3的消防水池由一座30 m2過濾區(qū)的水源收集處理系統(tǒng)注滿約需要7～8 h。并且，水源收集處理系統(tǒng)原水水位和凈水池水位差位于12～15 cm時(shí)，水處理效果良好，出水水量適中，是一個(gè)比較好的水源收集處理系統(tǒng)核心關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。

3.2 噴淋防火林帶噴灑性能測(cè)定實(shí)驗(yàn)

3.2.1 噴淋防火林帶用水量

實(shí)驗(yàn)得出噴淋時(shí)長60 min、噴淋強(qiáng)度為3.2L/m2的噴淋防火林帶用水量為0.1 m3/(h·m)，即1 000 m噴淋防火林帶用水量為100.0 m3/h。森林公園消防水池體積為200 m3，一個(gè)消防水池可以滿足2 km噴淋防火林帶噴淋的用水量,保護(hù)約0.25 km2的森林范圍。

3.2.2 噴頭高度對(duì)噴灑效果的影響

從對(duì)不同安裝高度的各組噴頭在四個(gè)主要方向的噴淋射程分析來看，上坡的水平噴淋距離會(huì)減少，但上坡噴淋主射流在樹冠下穿過，阻擋物相對(duì)較少，受水流氣流爬升效應(yīng)，使得噴淋射程加大。下坡噴淋主射流與樹冠重合，阻擋物較多，其噴淋射程也和上坡噴淋射程相差不多，但都比水平噴頭水平方向的噴頭噴淋射程小，這主要是茂密樹冠對(duì)噴淋水射流的影響。同時(shí)，在1.25 m，1.65 m，1.90 m，2.35 m和3.20 m噴頭立管中，1.65 m噴頭立管的噴淋效果最均勻，標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)為0.76，每分鐘噴到林下可燃物的水質(zhì)量最大，達(dá)到68.13 g/min，且1.65 m噴頭立管易于運(yùn)行維護(hù)、安全穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)合理。

3.3 能顯著提高防火林帶防火性能

研究表明，林內(nèi)可燃物含水率是影響可燃物燃燒的重要指標(biāo)。可燃物含水率(FMC)與可燃物的易燃性之間關(guān)系十分密切。一般情況下，當(dāng)FMC>35%時(shí)，不燃；25%～35%時(shí)，難燃；17%～25%時(shí)，可燃；10%～16%時(shí)，易燃；<10%時(shí)，極易燃[6]。實(shí)驗(yàn)表明，噴淋1 h后，林帶內(nèi)的樹葉、枯枝、枯落葉、枯倒木及木材樣塊的含水率均有不同程度提高，由易燃狀態(tài)提升為難燃甚至不燃狀態(tài)，并能維持較長時(shí)間。①噴淋樣地內(nèi)樹葉含水率從67.38%升至77.78%。②噴淋樣地內(nèi)枯枝含水率從17.6%升至45.9%，之后逐漸下降，維持4 d后恢復(fù)到噴淋前狀態(tài)；含水率維持在35%， 25%和17%水平以上的時(shí)間分別是3.76 h， 26.38 h和73.52 h，分別處在不燃、難燃和可燃狀態(tài)，而對(duì)照樣地枯枝處在易燃狀態(tài)。③噴淋樣地內(nèi)枯落葉含水率從13.1%升至59.2%，之后逐漸下降，維持3 d后恢復(fù)到噴淋前狀態(tài)；含水率維持在35%， 25%和17%水平以上的時(shí)間分別是10.24 h， 23.86 h和46.22 h，枯落葉分別處在不燃、難燃和可燃狀態(tài)，而對(duì)照樣地枯落葉處在易燃狀態(tài)。④噴淋樣地內(nèi)枯倒木含水率從14.0%升至22.0%，之后逐漸下降，維持6 d后恢復(fù)到噴淋前狀態(tài)；含水率維持在17%水平以上的時(shí)間為47.86 h，枯倒木處在可燃狀態(tài)，而對(duì)照樣地枯倒木處在易燃狀態(tài)。⑤噴淋樣地內(nèi)試驗(yàn)用木材樣塊含水率從13.3%升至18.8%，之后逐漸下降，維持4 d后恢復(fù)到噴淋前狀態(tài)；含水率維持在17%水平以上的時(shí)間為22.06 h，木材樣塊處在可燃狀態(tài)，而對(duì)照樣地木材樣塊處在易燃狀態(tài)。

3.4 噴淋對(duì)于防火林帶小氣候的影響

噴淋1 h后，噴淋樣地林內(nèi)風(fēng)速、氣壓沒有明顯變化，但林內(nèi)空氣相對(duì)濕度、溫度、土壤溫濕度有較為明顯的變化，有效的降低噴淋區(qū)域林內(nèi)土壤的表面溫度，增加林內(nèi)土壤的表面濕度，降低區(qū)域內(nèi)地面可燃物的危險(xiǎn)性，減少低下火和地表火的危害[7]。①噴淋樣地林內(nèi)空氣相對(duì)濕度從44.0%上升到46.4%，之后逐漸下降到36.6%，與噴淋前狀態(tài)一致，前后差距為2.8%，噴淋影響維持4 h；②林內(nèi)空氣溫度從21.1 ℃上升到21.7 ℃，低于對(duì)照樣地內(nèi)的空氣平均溫度0.6 ℃(由于噴淋1h后時(shí)間為當(dāng)日14∶00，大氣實(shí)時(shí)溫度接近當(dāng)天峰值，測(cè)得對(duì)照樣地內(nèi)的空氣平均溫度為22.3 ℃)，當(dāng)與噴淋前狀態(tài)一致時(shí)，即差距為0 ℃，噴淋影響維持51.4 min；③林內(nèi)土壤溫度從18.9 ℃下降至17.1 ℃，之后逐漸上升，當(dāng)與噴淋前狀態(tài)一致時(shí)，即差距為0.4 ℃，噴淋影響維持114.4 min。④林內(nèi)土壤濕度從7.6%升至18.9%，之后逐漸下降，當(dāng)與噴淋前狀態(tài)一致時(shí)，前后差距為1.69%，噴淋影響維持3 d。

4 討論

1) 對(duì)噴淋防火林帶林內(nèi)枯枝含水率、枯落葉含水率、枯倒木含水率及木材樣塊含水率的測(cè)定，由于受調(diào)查樣地和工作強(qiáng)度的限制，只測(cè)得5個(gè)時(shí)間段的數(shù)據(jù)，且基本上是白天測(cè)得的，最好能夠獲得更多的不同時(shí)間段的測(cè)定數(shù)據(jù)，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更趨完整。

2) 對(duì)噴淋樣地與對(duì)照樣地的風(fēng)速、溫度、濕度等小氣候因子的調(diào)查對(duì)比分析，最好需要一個(gè)更長的時(shí)間的定位觀察，以便能更好的保證結(jié)果的可靠性。

3) 材料采集方面，由于是大樣本收集枯落物，在實(shí)驗(yàn)中將各樣地同類的枯落物充分混勻，因此不同分解程度的枯落物，不同粗細(xì)的小枝在含水率的差異影響更接近實(shí)際情況，但測(cè)定過程中用密封帶封裝樣品是否有水分喪失而影響含水率還有待驗(yàn)證。

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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

廣東省林業(yè)科技計(jì)劃項(xiàng)目——廣東省森林生態(tài)旅游區(qū)森林防火系統(tǒng)集成研究(2012-02)。

陳雄偉(1959-)，男，教授級(jí)高工，主要從事森林公園規(guī)劃設(shè)計(jì)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