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

林火是重要的生態(tài)因子。控制森林火災(zāi)發(fā)生，利用林火經(jīng)營(yíng)森林生態(tài)系統(tǒng)始終是林業(yè)的重要任務(wù)?；痣U(xiǎn)預(yù)報(bào)是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的重要工具。其中，可燃物含水率兩個(gè)時(shí)間段的變化是 林火管理人員主要關(guān)注的：一是森林可燃物從高含水率降至可燃含水率時(shí)所需時(shí)間，主要指降雨后可燃物能被點(diǎn)燃所需的時(shí)間；二是可燃物被點(diǎn)燃后，其含水率下降導(dǎo)致林火蔓延速率增加一倍時(shí)需要的時(shí)間。前者可以幫助確定林火發(fā)生時(shí)間，后者對(duì)于森林火險(xiǎn)等級(jí)劃分有重要意義，主要受可燃物含水率失水速率的影響。風(fēng)對(duì)可燃物的失水速率有著重要作用[1-2]，可點(diǎn)燃與蔓延速率倍增所需時(shí)間也受風(fēng)速影響。當(dāng)前可燃物含水率受風(fēng)速影響已經(jīng)有一些研究[1,3-7]，但是這兩個(gè)時(shí)間段受風(fēng)速的影響，及風(fēng)速作用效果的定量研究幾乎沒有。

蒙古櫟Quercus mongolica主要分布在我國(guó)東北地區(qū)，是常見的闊葉樹種。其葉片在秋季不易脫落且落下后易形成蜷縮狀，極易被引燃，一旦發(fā)生森林火災(zāi)很容易蔓延成災(zāi)。因此，本研究在室內(nèi)構(gòu)建蒙古櫟闊葉床層，控制空氣溫度和濕度不變，定性和定量地研究在不同風(fēng)速下其含水率由高到低變化過(guò)程，為林火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1　研究方法

1.1　采　樣

樣品采自哈爾濱城市林業(yè)示范基地。該基地地理坐標(biāo)為 45°43′N，126°37′E。面積為 49 hm2。主要林分為20世紀(jì)60年代營(yíng)造的人工純林。采集蒙古櫟闊葉時(shí)，要求葉片為當(dāng)年凋落，且保證結(jié)構(gòu)未被破壞。

1.2　室內(nèi)不同風(fēng)速下蒙古櫟床層失水試驗(yàn)

蒙古櫟闊葉床層密實(shí)度設(shè)置3個(gè)梯度，分別為 0.009 2、0.013 8及 0.018 4，風(fēng)速?gòu)?0 m·s-1開始，以1 m·s-1為間隔，設(shè)置5個(gè)梯度，不同風(fēng)速和床層密實(shí)度下共15個(gè)配比組，每個(gè)配比下進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，因此需要構(gòu)造15×3個(gè)闊葉床層。在每個(gè)風(fēng)速梯度下，在102 ℃下用烘箱將蒙古櫟闊葉烘至質(zhì)量不再變化為止。根據(jù)文獻(xiàn)[8]蒙古櫟闊葉的顆粒密度為543.5 kg·m-3，試驗(yàn)中床層長(zhǎng)、寬、高分別為20、20、2 cm，床層體積為8×10-4m-3，根據(jù)設(shè)定的密實(shí)度，可知蒙古櫟葉片干重分別為4 g、6 g及8 g。每個(gè)密實(shí)度分別構(gòu)建3個(gè)闊葉床層，然后將其浸泡1 d以上后取出放置至表面水分全部蒸發(fā)。本研究選擇塑料網(wǎng)作為燃燒床，四周及下部用保鮮袋封好，保證水分只會(huì)從床層上表面減少。將構(gòu)建好的床層置于風(fēng)扇前，根據(jù)床層和風(fēng)扇之間的距離調(diào)整風(fēng)速，每半小時(shí)稱一次床層質(zhì)量，共進(jìn)行20次。試驗(yàn)過(guò)程中，每隔半小時(shí)記錄室內(nèi)溫度和相對(duì)濕度。

1.3　數(shù)據(jù)處理與分析

1.3.1　可燃物含水率的計(jì)算

根據(jù)式（1）計(jì)算各時(shí)刻可燃物含水率：

式（1）中：Wi為可燃物床層含水率，g·g-1；Whi為第i個(gè)時(shí)刻可燃物濕重，g；Wd為可燃物干重，g。

1.3.2　兩個(gè)失水時(shí)間計(jì)算

計(jì)算兩個(gè)失水時(shí)間需要確定可燃物的可燃含水率、使林火蔓延速度增加一倍時(shí)的可燃物含水率以及降雨量為10 mm后可燃物的含水率。金森[9]等認(rèn)為10 mm降雨后可燃物含水率值為0.7 g·g-1，通過(guò)查閱文獻(xiàn)[9-10]可知，蒙古櫟闊葉床層能被點(diǎn)燃的最大為含水率為0.3 g·g-1，通過(guò)室內(nèi)點(diǎn)燒試驗(yàn)確定蔓延速率為蒙古櫟床層含水率0.3 g·g-1一倍時(shí)的床層含水率為0.2 g·g-1。所以本研究定義第一時(shí)間為蒙古櫟床層含水率從0.7 g·g-1降至0.3 g·g-1所需的時(shí)間，第二時(shí)間為蒙古櫟床層含水率從0.3 g·g-1降至0.2 g·g-1所需的時(shí)間。

1.3.3　風(fēng)速對(duì)兩個(gè)失水時(shí)間的影響分析

通過(guò)方差分析確定床層密實(shí)度和風(fēng)速是否對(duì)蒙古櫟床層含水率兩個(gè)失水時(shí)間有顯著影響。選擇有顯著影響的因子作為自變量，以失水時(shí)間作為因變量，建立相應(yīng)地函數(shù)。所有統(tǒng)計(jì)都是在Matlab中實(shí)現(xiàn)。

2　結(jié)果與分析

2.1　蒙古櫟闊葉床層的失水時(shí)間

整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中室內(nèi)溫度最低為17.7 ℃，最高為19.8 ℃；空氣相對(duì)濕度最小為0.203 g·g-1，最大為0.227 g·g-1。此溫濕度范圍為我國(guó)東北地區(qū)森林防火期內(nèi)常見的氣象條件。

圖1給出了不同風(fēng)速、不同密實(shí)度時(shí)蒙古櫟闊葉床層含水率第一、第二時(shí)間。從趨勢(shì)上看，兩個(gè)失水時(shí)間基本隨風(fēng)速增加而下降，其中密實(shí)度為0.009 2、0.018 4的床層尤為明顯，而密實(shí)度為0.013 8的床層在風(fēng)速≤3 m·s-1時(shí)，失水時(shí)間隨風(fēng)速增加而下降，但在4 m·s-1時(shí)卻有所增加。從數(shù)值上看，3個(gè)密實(shí)度的床層無(wú)風(fēng)時(shí)第一時(shí)間均值分別為3.2、3.4和4.5 h，風(fēng)速為1 m·s-1時(shí)，均值基本為2.4 h，隨風(fēng)速增加，逐漸降到1.5 h到2.5 h之間。風(fēng)速超過(guò)2 m·s-1時(shí)，該失水時(shí)間基本為無(wú)風(fēng)時(shí)的一半，即風(fēng)速超過(guò)2 m·s-1可使一般條件下雨后可燃物由不燃變?yōu)榭扇嫉臅r(shí)間縮短一半，也即無(wú)風(fēng)時(shí)白天需半天時(shí)間，而有風(fēng)時(shí)則只需2 h或更少時(shí)間。第二時(shí)間三個(gè)密實(shí)度的床層無(wú)風(fēng)時(shí)均值分別為0.8 h、1.1 h和1.5 h，風(fēng)速超過(guò)2 m·s-1時(shí)，所需時(shí)間在0.4～0.5 h，為無(wú)風(fēng)時(shí)的一半，即風(fēng)速超過(guò)2 m·s-1可使蔓延速率倍增的時(shí)間縮短一半或三分之二。

2.2　風(fēng)速和密實(shí)度對(duì)兩個(gè)失水時(shí)間的影響分析

圖1　不同密實(shí)度、不同風(fēng)速的蒙古櫟闊葉床層的兩個(gè)失水時(shí)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 drying 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 Mongolian oak leave of varied compactness

表1 風(fēng)速和密實(shí)度對(duì)蒙古櫟闊葉床層兩個(gè)失水時(shí)間的方差分析結(jié)果Table 1　Variance analysis of effects of wind speed and fuelbed compactness on drying times of two periods of fuelbeds of Mongolian oak leaves

表1給出風(fēng)速和蒙古櫟闊葉床層密實(shí)度對(duì)兩個(gè)失水時(shí)間影響的方差分析結(jié)果。從中可見，對(duì)于第一時(shí)間，風(fēng)速、密實(shí)度及兩者交互作用對(duì)其有顯著影響，其中影響效果由大到小依次為風(fēng)速、密實(shí)度、兩者交互作用；風(fēng)速及兩者交互作用對(duì)第二時(shí)間有顯著影響，床層密實(shí)度對(duì)其沒有影響。

2.3　兩個(gè)失水時(shí)間的預(yù)測(cè)模型

2.3.1　分別密實(shí)度的風(fēng)速預(yù)測(cè)失水時(shí)間模型

雖然風(fēng)速和密實(shí)度兩個(gè)因子對(duì)兩個(gè)失水時(shí)間都有影響，但為研究?jī)蓚€(gè)失水時(shí)間對(duì)風(fēng)速的響應(yīng)，以床層密實(shí)度作為劃分條件，選擇風(fēng)速為自變量，以3個(gè)床層的兩個(gè)失水時(shí)間為因變量，根據(jù)圖1所示的兩者關(guān)系，選擇不同的形式的函數(shù)進(jìn)行擬合建模，以調(diào)整后R2最大為最佳模型。選擇的最佳模型形式為：

式（2）中：T為失水時(shí)間，h；W為風(fēng)速，m·s-1。表2及圖2給出模型系數(shù)及擬合情況。從R2可以看出，模型有效（表2）。從圖2可以看出，模型擬合結(jié)果與兩個(gè)失水時(shí)間隨風(fēng)速的實(shí)際情況基本相同。對(duì)于密實(shí)度為0.009 2和0.018 4的床層，實(shí)驗(yàn)中的風(fēng)速都是在模擬拋物線對(duì)稱軸的左側(cè)，而密實(shí)度為0.013 8的床層則位于模擬拋物線對(duì)稱軸的兩側(cè)。結(jié)合表1的方差分析結(jié)果，這應(yīng)當(dāng)體現(xiàn)了風(fēng)速和密實(shí)度的交互作用。

2.3.2　混合模型

式（2）能體現(xiàn)風(fēng)速的影響，但不能顯式地反映密實(shí)度的影響，為此，我們建立了同時(shí)包括風(fēng)速和密實(shí)度的預(yù)測(cè)模型。圖3給出了3個(gè)床層密實(shí)度和相應(yīng)式（2）中系數(shù)的散點(diǎn)圖。可以看出，床層密實(shí)度與式（2）中的系數(shù)為二次拋物線關(guān)系，因而，失水時(shí)間與風(fēng)速和密實(shí)度的關(guān)系可用下式表示：

2014年5月，為適應(yīng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需要，黨中央、國(guó)務(wù)院作出了加快發(fā)展現(xiàn)代職業(yè)教育，逐步使一批普通本科高校向應(yīng)用技術(shù)類型高校轉(zhuǎn)型的重大戰(zhàn)略部署，并對(duì)職業(yè)教育的培養(yǎng)層次作出了進(jìn)一步界定，明確指出，要培養(yǎng)數(shù)以億計(jì)的高素質(zhì)勞動(dòng)者和技術(shù)技能型人才。2015年11月，我國(guó)教育部、發(fā)改委、財(cái)政部發(fā)布了《關(guān)于引導(dǎo)部分地方普通本科高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變的指導(dǎo)意見》，要求轉(zhuǎn)變發(fā)展理念，堅(jiān)持需求導(dǎo)向，深化產(chǎn)教融合與校企合作，全面提高高校服務(wù)于區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展的能力。

表2　風(fēng)速對(duì)兩個(gè)失水時(shí)間影響模型（式2）的參數(shù)?Table 2　Coefficients of models between fuelbed drying times of two periods and wind speed in the form of Eq.2

圖2　根據(jù)風(fēng)速計(jì)算的蒙古櫟闊葉葉床層兩個(gè)失水時(shí)間比較Fig.2　Comparison of measured drying times of two periods and modeled ones for fuelbeds of Mongolian oak leaves

式（3）中：T、w意義同前，β：床層密實(shí)度；p1～p9：待估系數(shù)。

如果式（3）有效，用總樣本的子樣本集所建立的多個(gè)該形式的模型的系數(shù)應(yīng)差異有限且模型的誤差應(yīng)在可接受范圍。為此，我們對(duì)于每個(gè)失水時(shí)間采用交叉驗(yàn)證的方法，即對(duì)于全部n個(gè)樣本，每次取出一個(gè)作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)，用剩余n-1個(gè)數(shù)據(jù)建模，這樣共建立n個(gè)模型。計(jì)算模型的平均絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差，并計(jì)算n個(gè)模型的9個(gè)系數(shù)的均值、變異系數(shù)和25%、75%的區(qū)位值列于表3。從表3中可見，多數(shù)系數(shù)的變異系數(shù)在10%左右，個(gè)別變異系數(shù)大于10%的系數(shù)，從25%和75%的區(qū)位值看，數(shù)值也比較集中。這表明模型不依賴與建模數(shù)據(jù)。兩個(gè)失水時(shí)間預(yù)測(cè)模型的平均絕對(duì)誤差為0.490 3、0.170 3 h,平均相對(duì)誤差為19.6%、24.24%。該精度綜合了式（2）的分密實(shí)度所建立模型的精度，在可接受范圍。這表明，式（3)模型揭示了兩個(gè)失水時(shí)間對(duì)風(fēng)速和床層密實(shí)度的響應(yīng)，模型有效。表4給出了用全部樣本所建形如式（3）的模型的參數(shù)。圖4 給出了相應(yīng)的實(shí)測(cè)和預(yù)測(cè)的兩個(gè)失水時(shí)間的比較。從中可見，模型是無(wú)偏的，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合較好。

3　結(jié)論與討論

風(fēng)速對(duì)蒙古櫟闊葉床層失水速率有顯著的影響。在溫度近20 ℃，濕度近0.2 g·g-1的條件下，風(fēng)可以改變可燃物從雨后不燃到可燃及林火蔓延速率倍增所需的時(shí)間。風(fēng)速超過(guò)2 m·s-1可使一般條件下可燃物由雨后不燃變?yōu)榭扇妓璧臅r(shí)間縮短一半，也可使林火蔓延速度增加一倍所需時(shí)間縮短50%以上。風(fēng)速對(duì)兩個(gè)失水時(shí)間的影響可用二次拋物線來(lái)表征。

圖3　密實(shí)度和相應(yīng)的基于風(fēng)速的失水時(shí)間預(yù)測(cè)模型系數(shù)Fig. 3　Fuelbed compactness and coef ficients of corresponding drying time models based on wind speed

表3　根據(jù)風(fēng)速和密實(shí)度預(yù)測(cè)兩個(gè)失水時(shí)間的模型的交叉驗(yàn)證所得估計(jì)系數(shù)的統(tǒng)計(jì)Table 3　Statistics of estimated coefficients of models for prediction of the two drying times from wind speed and fuelbed compactness using n-fold cross validation method

表4　用全部樣本所建形如式（3）的模型（模型1：第一時(shí)間，模型2：第二時(shí)間）的參數(shù)Table 4　Coefficients of models established using all samples in the form of Eq. 3( model 1 and 2 refers to the first and second drying time)

本研究提供了基于風(fēng)速和密實(shí)度預(yù)測(cè)兩個(gè)失水時(shí)間的模型，可供林火管理人員對(duì)其關(guān)心的兩個(gè)失水時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)，有助于做好火險(xiǎn)預(yù)報(bào)。目前美國(guó)和加拿大的森林火險(xiǎn)預(yù)報(bào)系統(tǒng)能夠預(yù)測(cè)可燃物含水率和火行為，我國(guó)的火險(xiǎn)預(yù)報(bào)以火險(xiǎn)天氣預(yù)報(bào)為主，既無(wú)法回答可燃物何時(shí)可燃的問題，又沒有將火險(xiǎn)等級(jí)與火行為真正掛鉤，盡管火險(xiǎn)等級(jí)描述中有對(duì)火行為的定性描述，但實(shí)際上缺乏火行為研究基礎(chǔ)。本研究關(guān)于第一時(shí)間的研究有助于回答可燃物何時(shí)可燃的問題。在關(guān)于第二時(shí)間的研究中所提出可燃物蔓延速率倍增的思想有助于根據(jù)火行為科學(xué)地劃分火險(xiǎn)等級(jí)，即先確定一個(gè)基準(zhǔn)的火行為（如蔓延速率）作為可燃的最低等級(jí)，然后根據(jù)當(dāng)前火行為與基準(zhǔn)火行為之比來(lái)確定相應(yīng)的火險(xiǎn)等級(jí)，至于以何處為基準(zhǔn)點(diǎn)，怎樣的比例劃分需今后深入研究。但無(wú)論怎樣，本研究對(duì)于完善我國(guó)的火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)具有一定的價(jià)值。

圖4　實(shí)測(cè)的和用式（3）形式模型預(yù)測(cè)的兩個(gè)失水時(shí)間的比較Fig. 4　Comparison of two drying time measured and modeled using models in the form of Eq.3

本研究用開口向上的二次拋物線形式來(lái)描述失水時(shí)間和風(fēng)速的關(guān)系，有一定局限性。因?yàn)殚_口向上的二次拋物線有最小值，超過(guò)最小值點(diǎn)風(fēng)速時(shí)，失水時(shí)間隨風(fēng)速增加而增加，顯然不合理。Van Wagner[1]研究了針葉床層的對(duì)數(shù)變干率與風(fēng)速的關(guān)系。對(duì)數(shù)變干率與失水時(shí)間呈倒數(shù)變換的關(guān)系，據(jù)此從其研究中推算出的失水時(shí)間隨風(fēng)速變化的趨勢(shì)與本研究一致，即失水時(shí)間在研究的風(fēng)速范圍內(nèi)逐漸下降，但該關(guān)系是持續(xù)下降還是趨向定值還無(wú)法判斷，尚需在更高風(fēng)速上開展研究才能確定。如持續(xù)下降，其關(guān)系函數(shù)可用y=ax-b或y=ae-bx表示；如趨向定值，可用y=ax-b+c或y=ae-bx+c來(lái)表示。我們對(duì)這兩類函數(shù)都進(jìn)行過(guò)擬合，但總體效果不如二次拋物線，所以，選擇了二次拋物線形式。因此，本研究中的模型只是對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)的最家擬合，并沒有充分反映風(fēng)速對(duì)失水時(shí)間的機(jī)理性影響，其價(jià)值更多在于預(yù)測(cè)。但由于在風(fēng)速低于某個(gè)閾值時(shí)，二次拋物線與這兩類形式幾乎等效，因此，所得二次拋物線函數(shù)仍然有效。

鑒于此，使用本研究模型時(shí)需注意風(fēng)速范圍。函數(shù)T=aw2+bw+c出現(xiàn)最小值的風(fēng)速w=-2a/b，根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，對(duì)于密實(shí)度為0.009 2和0.018 4的床層，該值為3.2～3.5 m·s-1，對(duì)于這兩個(gè)床層，風(fēng)速為4 m·s-1時(shí)的預(yù)測(cè)誤差不大。而密實(shí)度為0.013 8的床層的最小值風(fēng)速為2.1～2.2 m·s-1，風(fēng)速為3 m·s-1和4 m·s-1時(shí)，測(cè)得的兩個(gè)失水時(shí)間較前兩個(gè)風(fēng)速時(shí)顯著增加，擬合誤差也不大。所以，該模型應(yīng)適用于可燃物表面風(fēng)速不超過(guò)4 m·s-1的條件。由于林內(nèi)風(fēng)速要比林外空曠風(fēng)速低，甚至僅為林外的10%[13-14]，如果按林分對(duì)風(fēng)的衰減系數(shù)為0.4計(jì)，則可燃物表面風(fēng)速為4 m·s-1時(shí)，林外觀測(cè)的風(fēng)速為10 m·s-1，即五級(jí)風(fēng)，所以，本模型的風(fēng)速適用范圍還是比較廣泛的。

本研究是在室內(nèi)進(jìn)行的，人工構(gòu)建床層與野外條件還有一定差異，具有一定的局限性。野外蒙古櫟闊葉床層某處的水分動(dòng)態(tài)由上表面水汽向上方散失和下面的水汽向上擴(kuò)散兩過(guò)程決定，含水率變化是兩個(gè)過(guò)程之差。本研究中闊葉床層高度2 cm，床層中上部都會(huì)出現(xiàn)上述兩過(guò)程，但由于只有上表面能夠進(jìn)行水分交換，床層最下部只有水汽向上散失卻沒有下部水汽進(jìn)入。這樣會(huì)使野外條件下的蒙古櫟床層失水時(shí)間應(yīng)比室內(nèi)測(cè)定的時(shí)間略長(zhǎng)。

此外，本研究的天氣條件是中溫干燥（近20 ℃、20%相對(duì)濕度）和連續(xù)恒定風(fēng)速。因溫濕度顯著影響可燃物的失水速率，相應(yīng)地影響這兩個(gè)失水時(shí)間。如果溫度高，失水時(shí)間會(huì)略短一些；相對(duì)濕度大時(shí)，失水時(shí)間略長(zhǎng)。同時(shí)野外風(fēng)速不斷變化甚至斷續(xù)，相應(yīng)的可燃物失水時(shí)間要比本研究所得時(shí)間長(zhǎng)一些。今后應(yīng)在更大的溫濕度和風(fēng)速范圍開展研究，以更全面的理解此問題，揭示風(fēng)作用的機(jī)理，提高模型的適用性和精度。

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