中蒙边境草原无风条件下可燃物燃烧火行为模拟

王利明,王若彤,李 勇,张 恒*

(1.内蒙古自治区林业和草原监测规划院,内蒙古 呼和浩特 010020;2.内蒙古农业大学林学院,内蒙古 呼和浩特 010019;3.中国消防救援学院,北京 昌平 102202)

草原火在全球范围内频繁发生,是重要的自然环境干扰因子之一[1-2]。草原火行为是指火发生、发展过程中所表现出来的各种特征的总和,包括火蔓延速度、火焰高度、驻留时间、可燃物消耗量和火强度等[3]。草原火行为是受诸多环境因子共同作用的生态系统行为,对草原生态系统的自我更新和演替起着宏观调控作用[4-6]。基于不同尺度和研究目的对草原可燃物火行为进行模拟,对保护草原生态环境及周边城市安全具有重要的作用和意义。

目前,国内外研究者大部分采用点烧试验、模型模拟、遥感分析研究草原可燃物火行为。如Moinuddin等[7]基于物理模型的模拟表明,当堆积密度恒定时,随着草高度的增加,火焰前沿从边界模式变为羽流模式。Miguel等[8]采用野外点烧方法,研究了可燃物载量对火焰高度和蔓延速率的影响,表明可燃物载量与火焰高度呈正相关;可燃物载量不是火灾蔓延限制因素时,可燃物载量与蔓延速率呈负相关。Bradstock等[9]对野外草丛的点烧试验发现,火焰高度与草丛高度和草本直径呈正相关。郭平等[10]采用室内与野外点烧实验相结合研究草地可燃物床特性与草地火行为的关系,表明可燃物量、可燃物床体积密度、可燃物床孔隙度、可燃物空间配置、坡度对火行为都有一定影响。玉山[11]利用Python程序语言基于CA和GIS技术,构建草原火蔓延CA-王正非模型,实现了草原火场的动态模拟,模拟结果表明,随着可燃物配置更正系数的增加,火蔓延速度、火线强度、火焰长度均呈现升高的态势。辛喆等[12]利用FDS建立了草原火灾模型,对不同温度、地形及可燃物含水率条件下的草原火行为进行模拟研究,得出不同影响因子下草原火蔓延速度的变化规律。除此之外,部分研究者采用数据分析及统计学分析草原可燃物火行为规律,如李兴华[13]采用相关分析法对内蒙古草原近20年火灾历史资料的分析统计,得出了内蒙古草原火灾的时空分布规律以及周期变化影响因子。傅泽强[14]对锡林郭勒盟典型草原的火行为分布规律研究发现,火行为在半干旱草原呈现由东向西递减的趋势。曲炤鹏等[15]通过采用GIS空间分析方法得出蒙古高原草原的火行为具有明显的时间动态规律,并对比分析了内蒙古和蒙古国的火行为的差异,得出植被、气候、人文等自然和人为因素对草原火行为的影响。这些研究成果为研究草原可燃物的燃烧火行为奠定了基础。

中蒙边境草原是我国生态安全的重要屏障[11],但也是发生草原火灾极为频繁的区域[16]。本研究以中蒙边境地区二连浩特市、东乌旗和新巴尔虎右旗草原可燃物为研究对象,基于室内点烧试验,模拟并测定无风条件下可燃物燃烧火行为,并对可燃物燃烧火行为参数进行分析,以期进一步揭示草原火行为规律,为中蒙边境草原可燃物管理和草原火灾预防提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于中蒙边境地区的二连浩特市、东乌珠穆沁旗(下文为东乌旗)、新巴尔虎右旗。锡林郭勒盟和呼伦贝尔市是内蒙古自治区草原火灾发生比较频繁的地区。据统计:1981—2015 年内蒙古自治区共发生草原火灾1 177起,过火面积为8 138 713.1 hm2;锡林郭勒盟发生草原火609起,过火面积5 704 701.1 hm2,占全自治区的71.5%;呼伦贝尔市发生火灾242起,过火面积达到1 988 654.0 hm2,占全自治区面积的24.9%[17]。2000—2014年间东乌旗的过火迹地频繁出现在与蒙古国交界的北部地区且总过火迹地为408 742.0 km2[16]。3个研究区的自然地理概况及地理位置分布示意图和样地实景图,如表1、图1所示。

底图审图号:GS(2019)1822。下同。The same below.图1 研究区位置Fig. 1 Location of the study area

表1 研究区自然地理概况

二连浩特市(Erenhot City,EC)位于内蒙古自治区正北部的锡林郭勒盟西部,属于中温带干旱大陆性季风气候,自然植被以荒漠草原为主[18],主要草本植物有克里门茨针茅(Stipatianschanicavar.klemenzii)、戈壁针茅(S.tianschanicavar.gobica)。东乌旗(East Ujimqin Banner,EWB)位于内蒙古自治区锡林郭勒盟东北部,属于中温带半干旱大陆性气候,地区地带性草地类型主要包括温性草甸草原类和温性草原类[19],主要草本植物有大针茅(S.grandis)、克氏针茅(Sareptanavar.krylovii)。新巴尔虎右旗(New Barag Right Banner, XBRB)是内蒙古自治区19个边境旗及23个牧业旗之一,位于呼伦贝尔市西部中俄蒙三国交界处。属于温带大陆性气候,新巴尔虎右旗草地类型多样,可分为草甸草原和干草原两大草原地带[20]。主要草本植物有羊草(Leymuschinensis)、贝加尔针茅(S.baicalensis)。

1.2 样品收集及指标测定

1.2.1 调查与取样

于2018年10月(秋季防火期)在中蒙边境地区二连浩特市、东乌旗、新巴尔虎右旗的草原进行试验样品的采集。在3个研究区的草原上随机布置3个10 m×10 m样地,共布置9个样地。在样地四角及样地内对角线交叉点设置5个1 m×1 m的样方,用收获法收集每个小样方地表可燃物,取样后进行标记、称重。

1.2.2 可燃物性质及火行为指标的测定

可燃物载量(W0,kg/m2)、风干含水率(m,%)计算公式为:

(1)

(2)

式中:M为可燃物绝干质量,kg;S为样方面积,m2;M1为可燃物湿质量,kg。

火强度(Ib,kW/m)、有效可燃物载量(WV,kg/m2)、烧损率(RB)的计算公式为[21]:

Ib=HWvR;

(3)

Wv=W0-Wr;

(4)

RB=Wv/W0。

(5)

式中:H为可燃物热值,kJ/kg;R为蔓延速度,m/min;Wr为火头过后的剩余载量,kg/m2。

1.2.3 热值测定

采用Parr6300型全自动氧弹热量仪测定样品的热值。将采集的草原可燃物样品在实验室烘干、粉碎后,称取1 g左右,利用压饼器对样品处理后放入热值计量仪内,燃烧后记录热量值。

1.2.4 灰分测定

灰分含量高,可燃物质相对少,抗火性相对强。灰分测定采用干灰分法。计算公式如下:

(6)

式中:X为样品中灰分的含量(质量分数),%;m1为坩埚和灰分的质量,g;m2为坩埚的质量,g;m3为坩埚和样品的质量,g。

1.3 燃烧试验

在实验室内设置铁质燃烧床(图2),底部覆盖2 cm厚的石膏板,以减少热量损失。本研究侧重对可燃物燃烧火行为的研究,所以选择在密闭条件较好的实验室内模拟近似无风状态下的燃烧火行为。可燃物按照1 m×1 m均匀铺在燃烧床内,均从左侧点燃可燃物。燃烧过程中用秒表计时,记录引燃时间、火焰维持时间、阴燃时间。采用手持红外测温仪SL-309测火焰温度和无焰燃烧温度,可以实时获取单点温度值。距可燃物0.3 m处采用SFR-Ⅲ数字式辐射热计测量火线蔓延过程中的热辐射,同时采用钢卷尺测火焰高度。火烧阴燃过后,对样方内尚未燃尽的可燃物进行称重。总试验为45次,每进行1次试验,分别记录5组火焰温度、火焰高度、热辐射,计算平均值。

图2 自制燃烧床Fig. 2 A self-made combustion bed

在可燃物燃烧水平中间位置的上方垂直0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 m处分别固定一个热电偶丝,热电偶丝连接热电偶,热电偶经过数据线、数据收集卡与计算机衔接,温度数据每隔0.02 s进行采集。

1.4 数据处理

利用Statistic 8.0和Excel 2010对数据进行整理分析。采用方差分析法(ANOVA)得出不同地区中蒙边境草原火行为参数的描述性统计量表。同时采用Origin 2018作图,分析中蒙边境3个地区草原可燃物火行为参数等指标。

2 结果与分析

2.1 中蒙边境草原可燃物特征分析

中蒙边境地区草原会受到轻微人为因素干扰,故草原可燃物厚度并不高。如表2所示,二连浩特市草原可燃物平均厚度在(6.18±1.79)cm,盖度为21.5%;东乌旗平均厚度在(7.17±2.62)cm,盖度为23.2%;新巴尔虎右旗平均厚度在(4.31±1.46)cm,盖度为16.1%。二连浩特市可燃物载量在0.12～0.45 kg/m2,均值为0.34 kg/m2。东乌旗可燃物载量在0.21～1.16 kg/m2,均值为0.51 kg/m2。新巴尔虎右旗可燃物载量在0.10～0.27 kg/m2,均值为0.16 kg/m2。

表2 中蒙边境地区草原可燃物特性

可燃物的理化性质指标主要包括灰分含量、热值和含水率。3个研究区草原可燃物的热值为16.24～17.12 kJ/g(表2),均属于低热值植物体[22];3个研究区草原可燃物的灰分含量为8.34%～11.77%,大小依次为二连浩特市>东乌旗>新巴尔虎右旗。灰分含量越高,可燃物越不易燃[23]。可燃物含水率由小到大依次为东乌旗>新巴尔虎右旗>二连浩特市。

2.2 中蒙边境草原可燃物火行为相关指标分析

1)引燃时间、火焰持续时间和阴燃时间。中蒙边境3个研究区内草原可燃物引燃时间均为1 s,原因在于防火期内可燃物含水率低,缩短了预热时间,极易燃烧。研究区草原可燃物火焰维持时间大小依次为东乌旗>二连浩特市>新巴尔虎右旗(表3),灰分含量高的草原可燃物其燃烧时间较长[23]。二连浩特市、东乌旗、新巴尔虎右旗草原可燃物阴燃的平均时间依次为60.53、41.53、49.00 s,二连浩特市草原可燃物阴燃维持时间最长。由阳燃温度来看,由大到小依次为:二连浩特市>东乌旗>新巴尔虎右旗。

表3 中蒙边境地区草原可燃物火行为描述性统计量表

2)热辐射特征。热辐射是草原火灾初期传播的重要途径[24]。本研究中新巴尔虎右旗草原可燃物热辐射最大,为1.44 kW/m2,二连浩特市草原可燃物热辐射最小,仅为0.45 kW/m2。从热辐射分析,新巴尔虎右旗草原最容易预热前方未被点燃的可燃物。主要是因其属于多年生密丛草本植物,秆直立丛生,抗倒伏能力强,是很好的过火通道,能够加速火灾蔓延。阴燃状态下二连浩特市、东乌旗、新巴尔虎右旗草原阴燃热辐射的均值依次为0.16、0.64、0.17 kW/m2。二连浩特市和新巴尔虎右旗阴燃热辐射较接近。

3)火强度。火强度是火行为重要指标之一。二连浩特市草原可燃物的观测火强度均值为780.44 kW/m;东乌旗观测火强度在555.24～1 106.49 kW/m,均值为805.80 kW/m;新巴尔虎右旗观测火强度均值为1 195.60 kW/m(表3),灰分大的植物燃烧不完全,火强度相对就小[23]。同时可燃物消耗量也受热值的影响,如表2所示,新巴尔虎右旗的热值为17.12 kJ/g,相比另两个地区的草原可燃物热值大。

4)烧损率。可燃物烧损率大小反映燃烧状况。本研究在实验室燃烧床上进行的点烧实验,因为无风等因素的影响,所以能够较准确地观测到可燃物是否完全燃烧。如表3所示,新巴尔虎右旗草原可燃物的烧损率最大,均值为72.81%;东乌旗均值为49.22%;二连浩特市草原可燃物烧损率最小,均值仅为35.90%。新巴尔虎右旗草原可燃物在燃烧时消耗的有效可燃物多,燃烧充分,烧损率较大。

5)蔓延速度。蔓延速度的大小影响着火灾的大小,蔓延速度越快,则能在越短的时间内引燃越多的可燃物,使火灾也越难控制。如表3所示,二连浩特市、东乌旗、新巴尔虎右旗火平均蔓延速度依次为0.61、0.45、0.67 m/min。无风条件下3个研究区草原可燃物燃烧蔓延速度相差不大,采用灭火工具可以在火灾前期很好地控制火灾。

6)火焰特征。火焰高度和火焰温度预示着草原火灾危险程度。如表3所示,二连浩特市草原可燃物火焰平均高度为30.30 cm,火焰平均温度为481.97 ℃;东乌旗火焰平均高度为35.53 cm,火焰平均温度529.33 ℃;新巴尔虎右旗火焰平均高度为33.90 cm,火焰平均温度为389.93 ℃。可燃物含水率的差异对火焰高度有一定的影响,含水率低时,产生的热解气体多,导致火焰高度大,这与张吉利等[25]的结果基本一致。

将热电偶垂直分布在可燃物样方中心上方,当垂直距离不同时,火焰温度变化曲线见图3。热电偶设备可以准确测定可燃物的阻滞时间,即热电偶上升到下降的时间间隔。通过阻滞时间可以估测蔓延速度和火强度[21]。二连浩特市可燃物火焰的最高温度为218.0 ℃,到达最高温度的时间为58 s,阻滞时间为28 s左右;东乌旗可燃物火焰的最高温度为260.75 ℃,到达最高温度的时间为48 s,阻滞时间为15 s左右;新巴尔虎右旗可燃物火焰最高温度为364.12 ℃,到达最高温度的时间为91 s,阻滞时间为22 s左右。其中二连浩特市草原可燃物火焰的最高温度最小,东乌旗草原可燃物的阻滞时间最短。新巴尔虎右旗草原可燃物燃烧慢,达到最高温度的时间最长且最高温度最大。

图3 中蒙边境草原可燃物火焰温度变化曲线Fig. 3 Flame temperature curves of typical grassland of the China-Mongolia border

3 讨 论

中蒙边境地区二连浩特市、东乌旗和新巴尔虎右旗草原可燃物多属于禾本科植物,其中二连浩特市与东乌旗可燃物灰分含量差别很小,分别为11.77%、11.38%,新巴尔虎右旗灰分含量较少为8.34%,蔓延速度依次为0.61、0.45、0.67 m/min,东乌旗相对较慢。东乌旗和新巴尔虎右旗草原可燃物基本符合灰分物质含量愈高可燃物就越难燃,蔓延越迟缓这一规律[23]。二连浩特市草原可燃物的灰分含量高,其燃烧速度也相对较快,这与灰分物质含量愈高、可燃物就越难燃、蔓延越迟缓的规律矛盾,造成这种现象的原因可能是二连浩特市草原可燃物叶质结构薄有关,因为蔓延速度不仅与灰分含量有关,也与可燃物结构等有关[26]。

中蒙边境地区地广人稀,一旦发生火灾,发展快、火线长、火势大、面积广、危害大[26],所以对于中蒙边境地区草原可燃物火行为的研究刻不容缓。火强度决定着草原火对草原生态系统影响的强度,对草原火强度的估测是进行草原火灾扑救的基础[27]。一般将火强度分为:低强度750 kW/m以下,中强度750～3 500 kW/m,高强度>3 500 kW/m[28]。无风条件下,二连浩特市、东乌旗草原可燃物火强度主要以中低强度为主。东乌旗属北温带大陆性气候,尤其春秋两季干早、多风、日照强,自然条件较为恶劣,为草原较高火险地区,同时也是境外火发生最频繁的区域之一[29],秋冬季为东乌旗发生火灾最为频繁的季节[30]。在组织灭火时可以依据火强度的大小来配备相应的扑火力量。新巴尔虎右旗草原可燃物火强度主要以中强度火为主。新巴尔虎右旗草原可燃物的灰分含量较低,但热值很大,可燃物干燥易燃,在防火期一旦发生火灾,火强度大,难以控制,使损失加重。在进行防火隔离带规划时,可以参考相关火行为指标进行合理规划,并在不同的位置根据火强度和火焰高度设置相应的隔离带宽度。

阴燃指缓慢低温无焰的燃烧过程,易发生于松散的固体堆积物或大颗粒多孔固体内部[31]。阴燃进入稳定燃烧状态后无烟、气,难以被发现,在风的作用下可能引发二次燃烧,是一种安全隐患[32]。阴燃特征参数的大小决定了火灾复燃的可能性,能给火灾扑救提供有力的数据支撑。热辐射是地表火传播的一个重要的方式[33]。可燃物阴燃热辐射越大,越容易预热火焰前方未被点燃的可燃物,火灾危险性就越大,就需要在扑灭明火后采取措施防止发生复燃。中蒙边境东乌旗草原可燃物阴燃热辐射接近火焰热辐射,能长时间保存火种,不及时采取措施,容易引发二次燃烧。

中蒙边境草原可燃物距离火焰0.3 m热电偶温度变化曲线幅度都比较大。二连浩特市温度变化曲线在58、76和88 s左右出现了3个不同燃烧程度的峰,在55～68 s的时间内,温度急剧上升后急剧下降,距离火焰0.3 m的热电偶达到的温度最大值约为218.0 ℃,说明距离火焰高度在0.3 m以上的火灾危险性为燃烧后55～68 s的时间内,且草原可燃物在发生火灾时温度波动维持的时间较长,容易发生复燃现象。东乌旗草原可燃物距离火焰0.3 m热电偶的温度变化曲线与其他曲线不一致,可能由于距离火焰最近的热电偶丝与可燃物接触密切,随着可燃物燃烧波动较大。温度维持能达到可燃物着火点的时间为其他曲线的4倍左右。因此,在扑救火灾时要注意接近可燃物0.3 m的着火位置。由于实验条件限制,仅在垂直方向上设置了热电偶,以后可布置水平方向的热电偶监测火行为的变化,以便全方位、多角度研究火行为。

本研究结果表明,二连浩特市、东乌旗草原可燃物主要以中低强度为主,新巴尔虎右旗草原可燃物火强度主要以中强度火为主。新巴尔虎右旗草原可燃物的灰分含量较低,但热值很大,可燃物干燥易燃,在防火期一旦发生火灾,火强度大,难以控制,使损失加重。在组织灭火时可以依据火强度的大小来配备相应的扑火力量。由热电偶温度变化曲线可知,二连浩特市、东乌旗、新巴尔虎右旗草原可燃物阻滞时间分别为28、15、22 s。二连浩特市在发生火灾时温度波动维持的时间较长,火灾隐患大。东乌旗草原可燃物阴燃热辐射接近火焰热辐射,阴燃特征参数较大,持火力强,火灾危险性大,具有较大发生复燃的可能性。