无风条件下红松人工林地表死可燃物燃烧蔓延特征研究

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森林地表火是大多数森林火灾的初始阶段,也是森林火灾燃烧蔓延的主要形式。可燃物含水率与坡度是影响森林地表火燃烧蔓延的重要因素。本文以黑龙江省东北林业大学帽儿山试验林场红松(Pinus koraiensis)人工林地表死可燃物为试验材料,在林火行为实验室内变坡度燃烧床上开展不同可燃物含水率(5%、10%、15%、20%、25%)和坡度(0°、5°、10°、15°、20°)条件下,由线火源引燃地表火的室内点烧试验,共90次。测定和计算燃烧过程中火蔓延速率、火焰长度、火焰宽度、燃烧效率、火线强度及阻滞时间6个火行为指标。根据试验数据,分析可燃物含水率及坡度对火行为指标的影响。使用Rothermel模型对不同条件下的火蔓延速率进行预测,并运用牛顿法梯度下降对Rothermel模型中可燃物参数与坡度参数进行拟合修正,得到修正参数后的Rothermel模型,并对其预测结果进行分析。结果表明:坡度与火蔓延速率(P<0.001)、火焰长度(P<0.001)、火线强度(P<0.001)、火焰宽度(P0.05)呈负相关,但相关关系不显著。在0°~15°坡度条件下存在临界坡度,使火行为发生突变。含水率与蔓延速率(P<0.001)、火焰长度(P<0.001)、火线强度(P<0.001)、火焰宽度(P<0.001)呈极显著负相关,与燃烧效率呈极显著正相关(P0.05)呈正相关,但相关关系不显著。直接使用Rothermel模型预测红松人工林地表火蔓延速率平均绝对误差为0.059 m·min-1,范围为0.003~0.241 m·min-1,平均相对误差为27.4%,范围为2.4%~152.6%。通过对Rothermel模型中部分可燃物参数拟合修正发现,最适压缩比参数修正结果最好,在此基础上对坡度参数进行修正,得到修正参数后的Rothermel模型。修正后最适压缩比参数公式及坡度参数公式为:βop=0.722σ-0.22φs=2.57β-0,416(Tanφ)2修正参数后模型的拟合损失率最大值为0.0825,模型预测速率与实测蔓延速率的平均绝对误差平均值为0.035 m·min-1,范围为0.003~0.102 m·min-1,平均相对误差为17.0%,范围为 1.8%~65.5%,R2为 0.913。
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