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基于PyroSim的林区道路防火阻隔功能研究

高仲亮 李智 魏建珩 龙腾腾 王秋华 舒立福

高仲亮, 李智, 魏建珩, 龙腾腾, 王秋华, 舒立福. 基于PyroSim的林区道路防火阻隔功能研究[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200140
引用本文: 高仲亮, 李智, 魏建珩, 龙腾腾, 王秋华, 舒立福. 基于PyroSim的林区道路防火阻隔功能研究[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200140
Gao Zhongliang, Li Zhi, Wei Jianheng, Long Tengteng, Wang Qiuhua, Shu Lifu. Study on forest road of fireproof blockade functions based on PyroSim[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200140
Citation: Gao Zhongliang, Li Zhi, Wei Jianheng, Long Tengteng, Wang Qiuhua, Shu Lifu. Study on forest road of fireproof blockade functions based on PyroSim[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200140

基于PyroSim的林区道路防火阻隔功能研究

doi: 10.12171/j.1000-1522.20200140
基金项目: 国家自然科学基金项目(31860214、301660210、31960318),国家重点研发计划项目(2017YFD0600106),西南林业大学科研启动基金项目(111437)
详细信息
    作者简介:

    高仲亮,博士,讲师。主要研究方向:森林消防、3S技术应用。Email:winalite@swfu.edu.cn 地址:650224云南省昆明市盘龙区白龙路白龙寺296号西南林业大学土木工程学院635信箱

    通讯作者:

    舒立福,研究员,博士生导师。主要研究方向:林火管理。Email:shulf@caf.ac.cn 地址:100091北京市海淀区东小府1号中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所

  • 中图分类号: S762.3

Study on forest road of fireproof blockade functions based on PyroSim

  • 摘要:   目的  林道网络及其宽度是林业生产、交通和旅游的需求,在发挥其最大经济效益的同时,兼顾林火巡护监测、应急救援,以及发生火灾时快速运送扑救人员和装备,阻隔森林火灾蔓延和发挥防火隔离功能。  方法  运用火灾动态仿真模拟软件PyroSim分别以坡度25°、35°、45°,风速1、2.5、4.5 m/s,林道宽度2、4.5、6 m构建云南松林微观山体模型,施加长12 m、宽1 m、热释放速率4.6 × 104 kW/m2的带状火源,模拟中等强度林火研究不同林道宽度的防火阻隔功能。  结果  林道宽度2 m无法满足防火隔离需求。林道宽度4.5 m的防火阻隔功能一般,当坡度超过35°、风速大于4.5 m/s时易失效。林道宽度6 m拥有较强的防火隔离功能,能较好阻隔中等强度的林火蔓延,可满足坡度小于45°、风速小于4.5 m/s的情况,当风速大于4.5 m/s时该林道宽度的隔离功能可能失效。中等强度的森林火灾火场中心温度在700 ~ 1 200 ℃左右,热释放功率可达3.0 × 105 ~ 9.0 × 105 kW,蔓延山坡10 m只需约1 min,可燃物燃烧速率60 s可达到40 kg/s以上。  结论  云南省云南松林区道路宽度建议设置为6 m,能够取得较好的防火效益。常年处于高风速,坡度大于45°,树种高大的林区建议增加林道宽度至8 ~ 10 m。此外本研究应用PyroSim建立火场模型仿真模拟林道阻火功能是可行的,可为林区道路建设的合理设计、确定林道密度和宽度的阻火功能指标与经济效益相适应的最大限度阈值、降低森林火灾破坏力具有一定的指导意义。
  • 图  1  模型整体外观示意图

    Figure  1.  Overall appearance diagram of model

    图  2  监测点设置示意图

    Figure  2.  Schematic diagram of monitoring point setting

    图  3  切片监测设置示意图

    Figure  3.  Schematic diagram of slice monitoring setting

    图  4  坡度25°时不同林道宽度对不同风速条件下林火蔓延的阻隔模拟

    Figure  4.  Blockade simulation on various widths of forest roads to fire spread under different wind speeds at slope of 25°

    图  5  坡度35°时不林道宽度对不同风速条件下林火蔓延的阻隔

    Figure  5.  Blockade simulation on various widths of forest roads to fire spread under different wind speeds at slope of 35°

    图  6  坡度45°时林道宽度对不同风速条件下林火蔓延的阻隔

    Figure  6.  Blockade simulation on various widths of forest roads to fire spread under different wind speeds at slope of 45°

    图  7  上坡位树木模型顶端温度

    Figure  7.  Temperature at the top of tree model in uphill position

    图  8  热释放速率曲线图

    Figure  8.  Curves of heat release rate

    图  9  火场中心温度

    Figure  9.  Temperature in fire center

    图  10  燃烧速率

    Figure  10.  Burning rate

    表  1  4种标准t2

    Table  1.   Four kinds of t2 standard fire

    火灾增长类型
    Fire growth type
    增长系数
    Growth coefficient/(kW·s−2
    达到1 MW需要时间
    Time of reaching 1 MW/s
    典型可燃材料
    Typical combustible material
    超快速 Ultra-fast speed 0.187 800 75 油池火、易燃的装饰家具、轻的窗帘
    Pool fire, flammable decorative furniture, light curtains
    快速 Fast speed 0.046 890 150 装满东西的邮袋、塑料泡沫、叠放的木架
    A mail bag full of things, plastic foam, stacked wooden shelves
    中速 Medium speed 0.011 270 300 棉与聚酯纤维弹簧床垫、木制办公桌
    Cotton and polyester spring mattress, wooden desk
    慢速 Slow speed 0.002 931 600 厚重木制品 Heavy woodwork
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    表  2  云南松可燃物参数

    Table  2.   Forest fuel parameters of P. yunnanensis

    参数
    Parameter
    燃烧热
    Combustion heat/
    (kJ·g−1
    参考温度
    Reference
    temperature/℃
    密实度
    Density/
    (kg·m−3
    反应热
    Reaction heat/
    (kJ·g−1
    热传导率
    Heat conductivity/
    (W·km−1
    比热容
    Specific heat capacity/
    (J·kg−1
    树干 Trunk 8 260 900 3 0.28 3.0
    树叶 Leaf 13.28 260 15 1.5 0.05 3.2
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    表  3  模型试运行参数

    Table  3.   Model testing running parameters

    工况
    Working condition
    网格
    Mesh/m3
    火源面积
    Fire source area/m2
    热释放速率
    Heat release rate/(kW·m−2
    蔓延速度
    Spreading rate/(m·min−1
    10.514.464 × 1040.2
    20.5122.0 × 1041.0
    30.5124.6 × 1048.0
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    表  4  模拟工况表

    Table  4.   Simulated working conditions

    工况号
    Working condition No.
    类别
    Class
    工况号
    Working condition No.
    类别
    Class
    工况号
    Working condition No.
    类别
    Class
    工况号
    Working condition No.
    类别
    Class
    1 25°-2.0 m-1.0 m/s 8 25°-6.0 m-2.5 m/s 15 35°-4.5 m-4.5 m/s 22 45°-4.5 m-1.0 m/s
    2 25°-2.0 m-2.5 m/s 9 25°-6.0 m-4.5 m/s 16 35°-6.0 m-1.0 m/s 23 45°-4.5 m-2.5 m/s
    3 25°-2.0 m-4.5 m/s 10 35°-2.0 m-1.0 m/s 17 35°-6.0 m-2.5 m/s 24 45°-4.5 m-4.5 m/s
    4 25°-4.5 m-1.0 m/s 11 35°-2.0 m-2.5 m/s 18 35°-6.0 m-4.5 m/s 25 45°-6.0 m-1.0 m/s
    5 25°-4.5 m-2.5 m/s 12 35°-2.0 m-4.5 m/s 19 45°-2.0 m-1.0 m/s 26 45°-6.0 m-2.5 m/s
    6 25°-4.5 m-4.5 m/s 13 35°-4.5 m-1.0 m/s 20 45°-2.0 m-2.5 m/s 27 45°-6.0 m-4.5 m/s
    7 25°-6.0 m-1.0 m/s 14 35°-4.5 m-2.5 m/s 21 45°-2.0 m-4.5 m/s
    注:各工况以坡度(°)-路宽(m)-风速(m/s)标记。Notes: working condition is marked by slope(°)-road width(m)-wind speed(m/s).
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    , 冯晓峰, 王玉兵, 郭晓萍, 严晓素, 温秀凤3, 王华芳, 赵兵, 骈瑞琪, 于京民2, 冯仲科, 张志翔, 邹坤, 杨伟光, 李镇宇, 呼晓姝, 张兴杰, 林善枝, 王民中, 王玉春, 李凤兰, 丁霞, 刘玉军, 孙建华, 张庆, 陶凤杰, 刘艳, 陈卫平, 沈应柏, 蒋平, 付瑞海, 赵新丽, 马建海, 汪植.  松材线虫入侵对马尾松林植物群落功能的影响 . 北京林业大学学报,
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    , 温秀凤3, 冯仲科, 严晓素, 吴坚, 张志翔, 尹伟伦, 王瑛, 谢磊, 李凯, 刘玉军, 赵兵, 王华芳, 骈瑞琪, 冯晓峰, 王冬梅, 王建中, 邹坤, 高荣孚, 王玉兵, 郭晓萍, 于京民2, 呼晓姝, 李镇宇, 陶凤杰, 孙建华, 丁霞, 张兴杰, 刘玉军, 李凤兰, 张庆, 刘艳, 林善枝, 杨伟光, 王民中, 沈应柏, 陈卫平, 王玉春, 汪植, 马建海, 赵新丽, 付瑞海, 蒋平.  侧柏挥发性物质组成及其释放速率的日变化 . 北京林业大学学报,
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-05-30
  • 修回日期:  2020-07-17
  • 网络出版日期:  2020-09-11

基于PyroSim的林区道路防火阻隔功能研究

doi: 10.12171/j.1000-1522.20200140
    基金项目:  国家自然科学基金项目(31860214、301660210、31960318),国家重点研发计划项目(2017YFD0600106),西南林业大学科研启动基金项目(111437)
    作者简介:

    高仲亮,博士,讲师。主要研究方向:森林消防、3S技术应用。Email:winalite@swfu.edu.cn 地址:650224云南省昆明市盘龙区白龙路白龙寺296号西南林业大学土木工程学院635信箱

    通讯作者: 舒立福,研究员,博士生导师。主要研究方向:林火管理。Email:shulf@caf.ac.cn 地址:100091北京市海淀区东小府1号中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所
  • 中图分类号: S762.3

摘要:   目的  林道网络及其宽度是林业生产、交通和旅游的需求,在发挥其最大经济效益的同时,兼顾林火巡护监测、应急救援,以及发生火灾时快速运送扑救人员和装备,阻隔森林火灾蔓延和发挥防火隔离功能。  方法  运用火灾动态仿真模拟软件PyroSim分别以坡度25°、35°、45°,风速1、2.5、4.5 m/s,林道宽度2、4.5、6 m构建云南松林微观山体模型,施加长12 m、宽1 m、热释放速率4.6 × 104 kW/m2的带状火源,模拟中等强度林火研究不同林道宽度的防火阻隔功能。  结果  林道宽度2 m无法满足防火隔离需求。林道宽度4.5 m的防火阻隔功能一般,当坡度超过35°、风速大于4.5 m/s时易失效。林道宽度6 m拥有较强的防火隔离功能,能较好阻隔中等强度的林火蔓延,可满足坡度小于45°、风速小于4.5 m/s的情况,当风速大于4.5 m/s时该林道宽度的隔离功能可能失效。中等强度的森林火灾火场中心温度在700 ~ 1 200 ℃左右,热释放功率可达3.0 × 105 ~ 9.0 × 105 kW,蔓延山坡10 m只需约1 min,可燃物燃烧速率60 s可达到40 kg/s以上。  结论  云南省云南松林区道路宽度建议设置为6 m,能够取得较好的防火效益。常年处于高风速,坡度大于45°,树种高大的林区建议增加林道宽度至8 ~ 10 m。此外本研究应用PyroSim建立火场模型仿真模拟林道阻火功能是可行的,可为林区道路建设的合理设计、确定林道密度和宽度的阻火功能指标与经济效益相适应的最大限度阈值、降低森林火灾破坏力具有一定的指导意义。

English Abstract

高仲亮, 李智, 魏建珩, 龙腾腾, 王秋华, 舒立福. 基于PyroSim的林区道路防火阻隔功能研究[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200140
引用本文: 高仲亮, 李智, 魏建珩, 龙腾腾, 王秋华, 舒立福. 基于PyroSim的林区道路防火阻隔功能研究[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200140
Gao Zhongliang, Li Zhi, Wei Jianheng, Long Tengteng, Wang Qiuhua, Shu Lifu. Study on forest road of fireproof blockade functions based on PyroSim[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200140
Citation: Gao Zhongliang, Li Zhi, Wei Jianheng, Long Tengteng, Wang Qiuhua, Shu Lifu. Study on forest road of fireproof blockade functions based on PyroSim[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200140
  • 森林火灾是一种突发性强、破坏性大的自然灾害,能烧毁森林资源、破坏全球生态平衡、危及人类生命财产安全,还需投入大量人力、物力和财力进行防范和扑救,其造成的环境污染问题和生态系统危害需要几十年甚至上百年才能恢复[1]。目前世界各国都在探索有效的森林防火防范方法,其中建设科学合理的林道网并发挥其防火隔离带作用是一种便捷、高效防治森林火灾的方法。国外林道网建设研究从18世纪开始,工业革命的兴起和木材需求使奥地利、德国、澳大利亚等发达国家在林区修建林道,到20世纪进入了飞速发展阶段,20世纪60年代汽车的出现推动林区道路大规模建设。亚洲地区许多国家的林区道路建设起步较晚,韩国林道建设始于20世纪中期,末期进入全面加速发展阶段。近年来,欧洲林业发达国家的林道密度已达到40 m/hm2,甚至100 m/hm2。当前林道研究主要聚焦于路网规划[2-3],林道综合费用[4-5],林道密度[6-7],自动选线[8],林道损伤[9],林道生态[10],林道防火和救援功能[11],以及林道宽度计算[12]等。地中海地区许多森林火灾频发的国家已发展到利用高密度的生物防火林带、林区道路和防火线将森林网格化以减小森林区域面积和降低火险达到防火目的,再配合较强的空中、地面灭火力量实现高水平防火和灭火。同时林区道路还具有阻隔森林火灾蔓延的隔离带功能,为林火巡护监测提供交通条件,以及发生火灾时快速运送扑救人员和装备,缩短到达火场时间,实现及时扑救森林火灾。

    我国林道网研究始于20世纪60年代初,数量、质量与发达国家相比差距都很大,初期主要满足木材采运,研究内容聚焦于平均集材距离和林道密度。当前我国林道网处于建设阶段,水平相对落后,存在林道网总量不足,林道等级和密度低,缺乏林道网络优化配置,忽略林道宽度差异设置,忽视林道阻火功能和生态效益等诸多问题[13],仍停留在经济效益阶段。罗康[14]分析北京林道密度并提出须增建道路和林区道路。王国华[15]分析广州市林区道路密度,发现该市没有达到标准林道密度。邱荣祖等[16]分析林道网阻隔林火蔓延的效益和森林火灾损失费用的关系。随着国家政策、法律和法规的颁布和完善,在地方各级政府及林业主管部门的共同努力下,我国林道网络防火阻隔系统的建设取得较大进展。截止到2005年底,全国建有林区防火道路8.95 × 105 km,其中林区等级公路4.62 × 105 km,工程阻隔带5.04 × 105 km,生物防火林带1.503 × 106 km,其他隔离带1.05 × 105 km[17]。林区防火道路、工程阻隔带和生物防火林带的发展,为森林防火工作稳步发展奠定了良好基础,森林火灾隐患显著减少,一定程度上提高了我国森林火灾的综合防控能力。

    目前应用火灾动态仿真模拟软件(fire dynamic simulation,FDS)的扩展软件Thunderhead Engineering PyroSim模拟森林火灾的研究较少。Sun 等[18]比较FDS和CCWM(Clark coupled wildfire model)两个模型的模拟效果,表明FDS在较粗网格水平仍能与火灾真实数据吻合,CCWM则对表面垂直网格大小以及能量释放更为敏感。国内学者尚超等[19]提出树木建模方法。关祥毅等[20]应用FDS模拟樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)树冠火燃烧的速度矢量场和温度场。辛喆等[21]基于FDS建立草原火灾模型并分析影响草原火灾的因素及其蔓延规律。李世友[22]应用FDS研究华山松(P. armandii)林、云南松(P. yunnanensis)林细小可燃物层燃烧初始蔓延速度。FDS扩展软件WFDS广泛应用于森林和草原火灾研究[23-27]。在我国林道网络建设较为薄弱的背景下,依据林区公路设计标准,科学指导林道规划和配置,提高林道密度和等级,合理设置林道宽度,使林道宽度及其网络既能满足生产、经济、交通、旅游等方面要求,兼具防火隔离带功能,阻隔森林火灾蔓延和提供应急救援保障,提升森林火灾的防控能力。

    云南松是云南省主要植被树种之一,富含油脂,极易点燃蔓延。2006年云南省安宁市“3·29”重大森林火灾的火场植被以云南松、地盘松(Pinus yunnanensis Franch var. pygmaea (Hsüeh) Hsüeh)、栎类 (Quercus spp.)灌木为主,平均坡度约25°,强风作用下频发飞火,其距离最长达1 000 m。2011年云南省大理县剑川县“3·2”森林火灾的林相主要为云南松中幼林及杂草,火场平均坡度约30°。云南省森林覆盖率54.64%,其中云南松、华山松(Pinus armandii Franch)、草灌等易燃植被广布,火灾多发生在坡度25°以上山区,高山峡谷内风速多变,在风力作用下易发生极端火行为。据云南省减灾年鉴及中国森林火灾案例统计,云南松林火灾中出现飞火的概率较高,但飞火的距离从十多米到上百米,甚至上千米,用林区道路防范极端火行为不符合实际。目前我国林区道路的防火阻隔功能研究大多在火灾发生后,依据实地调查或经验,以及依据林区公路路线设计规范设置统一林道宽度,忽视不同坡度、不同风速、树种差异对林道防火阻隔功能的需求。选择云南省云南松林火灾区域的地形数据和气象数据,应用火灾动态仿真模拟软件PyroSim构建不同坡度、不同风速下的微观森林模型,通过仿真模拟燃烧确定实现林道阻火隔离功能需求的宽度。

    • PyroSim是美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)研发的专用于FDS的软件,该软件以流体动力学为理论依据,将研究空间分成多个小的三维矩形控制体或计算单元,每个计算单元的气体密度、速度、温度、压力和组分浓度用质量守恒、动量守恒、能量守恒和组分守恒的偏微分方程进行近似有限差分,通过对同一网格使用有限体积技术计算热辐射、烟气流动、热传递过程,追踪预测火灾气体的产生和移动,并结合燃料特性计算火灾的增长和蔓延。模拟求解后可获得设置测点的温度、CO浓度、CO2浓度、能见度、烟气运动等数据,并提供火灾动态模拟图形界面。

    • (1) t2火模型

      国内外常用稳态和非稳态两类模型描述火灾增长阶段热释放速率(heat release rate,HRR)的变化规律。稳态增长模型指在火灾发展过程中,热释放速率始终保持一个恒定值,将整个火灾过程理想化。非稳增长模型是火灾发展过程中热释放速率随时间发生变化,主要有t2火模型,MRFC(multi-room-fire-code)模型,FFB(forschungsstelle fuer brandschutztechnik)指数模型[28],完整发展模型CFAST(consolidate fire and smoke transport)[2930]等。火灾实际增长过程中热释放速率是发展变化的,可采用t2火模型描述火灾增长,该模型热释放速率变化按时间的平方规律增长。通常火灾研究不考虑火灾酝酿期,从火灾出现即算有效燃烧,公式为:

      $$ Q = \alpha {t^2} $$ (1)

      式中:Q为热释放速率(kW);α为火灾增长系数(kW/s2);t为着火后的时间(s);

      不同可燃物的燃烧热值、热释放速率和增长系数存在较大差异,火灾增长类型按增长速率分为慢速、中速、快速、超快速4种,其增长系数值以及典型可燃材料见下表1[31]。实际应用中依据可燃物材料特性选择对应参数值,森林火灾的材料类别属于木质类,选择中速增长模型,设置运行时间为300 s。

      表 1  4种标准t2

      Table 1.  Four kinds of t2 standard fire

      火灾增长类型
      Fire growth type
      增长系数
      Growth coefficient/(kW·s−2
      达到1 MW需要时间
      Time of reaching 1 MW/s
      典型可燃材料
      Typical combustible material
      超快速 Ultra-fast speed 0.187 800 75 油池火、易燃的装饰家具、轻的窗帘
      Pool fire, flammable decorative furniture, light curtains
      快速 Fast speed 0.046 890 150 装满东西的邮袋、塑料泡沫、叠放的木架
      A mail bag full of things, plastic foam, stacked wooden shelves
      中速 Medium speed 0.011 270 300 棉与聚酯纤维弹簧床垫、木制办公桌
      Cotton and polyester spring mattress, wooden desk
      慢速 Slow speed 0.002 931 600 厚重木制品 Heavy woodwork

      (2) 燃烧速率

      燃烧速率是指单位时间内可燃物燃烧的质量,决定火灾的热释放速率,公式为:

      $$ G={m}/{t} $$ (2)

      式中:G为燃烧速率(kg/s);m为可燃物燃烧的质量(kg);t为燃烧时间(s)。

    • 树木一般由树冠、树干和树根组成,森林火灾最常见的类型为地表火和树冠火,地下火较为少见。森林火灾主要燃烧地表有效可燃物,即树木地上的树干和树冠两部分。树干模型简化为圆柱体。树冠是树木可燃成分的主要组成部分,树冠火是森林燃烧危害最严重的类型。不同树种的树冠存在一定差别,按照前人研究将其形态分为锥形、纺锤形和半球形三类[21]。树种间树高、胸径、冠幅等形态和指标存在差异进而影响森林燃烧性,文中研究云南松林区道路的防火阻隔功能,忽略树木差异,选择相同参数构建树木模型。以我国云南省分布较广的云南松中龄林为建模对象,选择锥形树冠,取树高H = 10 m,树冠高h = 2 m,冠幅L = 2 m(树木模型必须与0.5网格贴合,否则物体若不规则,可能会导致数据无法读取或不精确),胸径D = 0.43 m,云南松可燃物相关参数见表2[22]

      表 2  云南松可燃物参数

      Table 2.  Forest fuel parameters of P. yunnanensis

      参数
      Parameter
      燃烧热
      Combustion heat/
      (kJ·g−1
      参考温度
      Reference
      temperature/℃
      密实度
      Density/
      (kg·m−3
      反应热
      Reaction heat/
      (kJ·g−1
      热传导率
      Heat conductivity/
      (W·km−1
      比热容
      Specific heat capacity/
      (J·kg−1
      树干 Trunk 8 260 900 3 0.28 3.0
      树叶 Leaf 13.28 260 15 1.5 0.05 3.2
    • 影响森林火灾发生、发展的因素众多,以PyroSim软件建立火场全真模型模拟测算具体燃烧数值计算量大、时间消耗长。其中模型大小、网格精度、设置时长等决定仿真模拟燃烧运行时间,通常选择最能代表研究区域的一个地段或区域为对象构建简化模型。通过调查现行《LYJ-113-1992林区公路路线设计规范》[32],研究区森林火灾蔓延速率和风速等基础数据,以及云南松森林火灾案例,建立符合现实情况的林区道路微观梯形山体简化模型。如图1所示,四周网格设置全部开启以模拟野外森林实况的自然环境,设置树木4排5列的小片森林,横间距为2.5 m,前三排纵间距为2.5 m,3排与4排中间设置不同宽度的道路模拟林道阻隔森林火灾蔓延,风向设置为顺风,即山体模型最下方面向山顶方向的进风口。依据林区公路路线设计规范,道路宽度选取低于标准2 m、最低标准4.5 m、加宽6 m三个类别,坡度以云南松分布区域、火灾多发点的地形数据为参考,选择坡度25°、35°、45°三种类别,以及西南林区低风速1 m/s、中风速2.5 m/s、高风速4.5 m/s[33]共构建27种工况。

      图  1  模型整体外观示意图

      Figure 1.  Overall appearance diagram of model

    • 沿微观山地模型中轴线,分别在上坡位树最左端、林道两侧、下坡位每排树与树的中央共设置纵向5列测点,每列间隔1 m共设置16个测点,总计最多90个测点(随山体坡度增加,测点被遮挡逐渐减少)探测模型中各个位置的温度、CO浓度、CO2浓度等指标,如图2所示。并在整个模型的纵向中轴、每排树木和道路的两侧设置温度、可见度和粒子移动情况共计7片切片,如图3所示。切片的功能是在轴对齐平面上测量压力、速度、温度等数据。

      图  2  监测点设置示意图

      Figure 2.  Schematic diagram of monitoring point setting

      图  3  切片监测设置示意图

      Figure 3.  Schematic diagram of slice monitoring setting

    • 森林模型设置为四排五列的微观梯度小片森林,即使全部成片燃烧也难以达到真实森林火灾燃烧的林火强度,以致林道网作为防火隔离带的作用难以完全体现,且用PyroSim仿真模拟森林火灾的研究极少,无法查得发生云南松森林火灾时单位面积的热释放速率。基于上述模型和相关基础数据进行模型调试,以期选择合适的火源功率模拟中等强度的林火蔓延。

      调用FDS/Smokeview 运行模型,模型越大、越复杂、网格越细、设置火灾模拟时间越长,运算时间越长。一般情况下复杂模型先用粗网格短时间试运行,依据粗略模拟结果预判模型是否符合预期。模型试运行参数见表3

      表 3  模型试运行参数

      Table 3.  Model testing running parameters

      工况
      Working condition
      网格
      Mesh/m3
      火源面积
      Fire source area/m2
      热释放速率
      Heat release rate/(kW·m−2
      蔓延速度
      Spreading rate/(m·min−1
      10.514.464 × 1040.2
      20.5122.0 × 1041.0
      30.5124.6 × 1048.0

      试运行工况1:设置点燃树木的火源功率,取α = 0.496,t = 300 s,Q = 4.464 × 104 kW,并设置火源1 m2,运行后发现树木燃烧时间过长,热释放速率较小,蔓延速度慢,无法模拟森林火灾全盛时期的蔓延情况,模拟效果差。

      试运行工况2:设置长12 m、宽1 m、HRR为2 × 104 kW/m2的带状火源模拟燃烧充分的成片火源,布置于模型最右侧下坡位置。燃烧5 min后,火势开始蔓延,但蔓延速度较低,模拟效果差。

      试运行工况3:调高HRR至4.6 × 104 kW/m2,其他指标不变,并设置树冠材料HRR至4.6 × 104 kW/m2,火势在1 min左右向坡上方向蔓延8 m,符合实际中等强度的森林火灾蔓延规律。试运行的火蔓延速率结果见表3

      经过上述数十次模型试运行并结合参考文献,设置长12 m、宽1 m、热释放速率为4.6 × 104 kW/m2的带状火源时,蔓延速率与学者王秋华[34]研究云南松林火灾蔓延速率10 ~ 80 m/min的结果相一致,以此火源模拟中等强度林火分析不同林道宽度在不同坡度、不同风速下的防火阻隔功能。在确保模型运行结果精度和节约时间的前提下,模型网格划分为0.5 m × 0.5 m × 0.5 m,工况设置见表4

      表 4  模拟工况表

      Table 4.  Simulated working conditions

      工况号
      Working condition No.
      类别
      Class
      工况号
      Working condition No.
      类别
      Class
      工况号
      Working condition No.
      类别
      Class
      工况号
      Working condition No.
      类别
      Class
      1 25°-2.0 m-1.0 m/s 8 25°-6.0 m-2.5 m/s 15 35°-4.5 m-4.5 m/s 22 45°-4.5 m-1.0 m/s
      2 25°-2.0 m-2.5 m/s 9 25°-6.0 m-4.5 m/s 16 35°-6.0 m-1.0 m/s 23 45°-4.5 m-2.5 m/s
      3 25°-2.0 m-4.5 m/s 10 35°-2.0 m-1.0 m/s 17 35°-6.0 m-2.5 m/s 24 45°-4.5 m-4.5 m/s
      4 25°-4.5 m-1.0 m/s 11 35°-2.0 m-2.5 m/s 18 35°-6.0 m-4.5 m/s 25 45°-6.0 m-1.0 m/s
      5 25°-4.5 m-2.5 m/s 12 35°-2.0 m-4.5 m/s 19 45°-2.0 m-1.0 m/s 26 45°-6.0 m-2.5 m/s
      6 25°-4.5 m-4.5 m/s 13 35°-4.5 m-1.0 m/s 20 45°-2.0 m-2.5 m/s 27 45°-6.0 m-4.5 m/s
      7 25°-6.0 m-1.0 m/s 14 35°-4.5 m-2.5 m/s 21 45°-2.0 m-4.5 m/s
      注:各工况以坡度(°)-路宽(m)-风速(m/s)标记。Notes: working condition is marked by slope(°)-road width(m)-wind speed(m/s).
    • 坡度25°时不同林道宽度对不同风速条件下林火蔓延的阻隔模拟见图4。随着风速增加,燃烧加剧,火势增强。中等强度的林火均蔓延越过宽度为2 m的林道,点燃林道另一侧可燃物的时间约70 s。林道宽度4.5、6 m均成功阻隔3种不同风速条件下中等强度的林火蔓延。

      图  4  坡度25°时不同林道宽度对不同风速条件下林火蔓延的阻隔模拟

      Figure 4.  Blockade simulation on various widths of forest roads to fire spread under different wind speeds at slope of 25°

      坡度35°时不同林道宽度对不同风速条件下林火蔓延的阻隔模拟见图5,林道宽度2 m无法满足该情况的防火隔离需求,点燃林林道另一侧可燃物的时间约65 s。林道宽度4、6 m可满足风速小于4.5 m/s时中等火强度的防火阻隔需求。

      图  5  坡度35°时不林道宽度对不同风速条件下林火蔓延的阻隔

      Figure 5.  Blockade simulation on various widths of forest roads to fire spread under different wind speeds at slope of 35°

      坡度45°时不同林道宽度对不同风速条件下林火蔓延的阻隔模拟见图6。林道宽度2、4 m均无法满足此情况的防火阻隔要求,林道宽度6 m可满足风速小于4.5 m/s时该中等强度森林火灾的阻隔要求。由风速4.5 m/s的林火蔓延模拟图可看出火焰已经相当接近于上坡位的树木顶端,一旦气候环境出现极端情况,林道宽度6 m也将失去防火隔离作用。

      图  6  坡度45°时林道宽度对不同风速条件下林火蔓延的阻隔

      Figure 6.  Blockade simulation on various widths of forest roads to fire spread under different wind speeds at slope of 45°

    • 温度数据采集于上坡位树木模型顶端处探测点。由图7可看出,林道宽度2 m、坡度大于25°时,上坡位树木顶端的温度均接近或大于240 ℃,达到云南松着火点,引燃上坡位树木,林区道路的防火阻隔作用失效。当林道宽度为4.5 m时,坡度小于35°,温度仅达到150 ℃左右,无法达到云南松的燃点,林道阻隔功能有效。当坡度45°、风速为4.5 m/s时,树端温度达到250 ℃左右,点燃上坡位树木,林道防火阻隔作用失效。林道宽度6 m时,坡度小于35°的情况即便风速达到4.5 m/s,上坡位树端测点的温度约200 ℃,无法达到云南松的燃点,可实现林道的防火阻隔作用。在坡度45°、风速4.5 m/s的情况下,测点温度有一小段时间峰值达到250 ℃,若火势持续下去,极有可能出现林道的阻火功能失效。

      图  7  上坡位树木模型顶端温度

      Figure 7.  Temperature at the top of tree model in uphill position

    • 云南松林模型燃烧的HRR见图8所示。森林火灾发生到全盛时期释放的热量在3.0 × 105 ~ 9.0 × 105 kW之间,极端情况下可超过1.0 × 106 kW,HRR与坡度、风速成正比,随坡度、风速增加,蔓延速率加快,热释放速率增大。

      图  8  热释放速率曲线图

      Figure 8.  Curves of heat release rate

    • 云南松林模型可燃物载量相同,林道宽度对火场中心温度没有影响,选择坡度35°、林道宽度4.5 m时不同风速进行对比分析,如图9所示。在该中等强度的森林火灾中,火场中心温度达到700 ℃以上,极端条件时甚至高于1 200 ℃。随风速越大,火场中心温度增加明显。

      图  9  火场中心温度

      Figure 9.  Temperature in fire center

    • 云南松林模型可燃物载量相同,林道宽度对燃烧速率没有影响,选取坡度35°、林道宽度4.5 m时不同风速对比分析,如图10所示。中等强度的森林火灾1 min左右燃烧速率可达到50 kg/s,短时间内即可烧毁大量森林资源,对生态环境的破坏力非常大。从可燃物燃烧速率也证明风速可以影响森林燃烧强度,风速越大,可燃物燃烧速率增加。

      图  10  燃烧速率

      Figure 10.  Burning rate

    • 为较好地实现林道的防火阻隔功能,运用火灾动态仿真模拟软件PyroSim构建不同坡度、风速和林道宽度的云南松林微观模型,设置带状火源模拟中等强度的森林火灾进行数值仿真模拟,探究不同林道宽度的防火阻隔功能,得到以下结论。

      (1)林道宽度为2 m时,上坡位树木顶端的温度均大于240 ℃,可引燃上坡位云南松,林道阻火作用均失效,无法满足防火隔离需求。

      (2)林道宽度为4.5 m时,坡度小于35°,风速小于4.5 m/s情况,上坡位树木顶端的温度均小于220 ℃,不能引燃上坡位云南松,能满足此类情况防火阻隔需求。坡度大于45°,风速超过4.5 m/s则将出现防火隔离带失效的风险。林区道路宽度4.5 m的防火阻隔性能一般,坡度较大时容易失效。

      (3)林道宽度为6 m时,坡度小于45°的上坡位树木顶端的温度大部分情况在200 ℃,林区道路拥有较强的防火隔离性,够较好阻隔中等强度的森林火灾火势蔓延。当风速大于4.5 m/s的恶劣环境时,火势仍然可能跨越过林区道路继续蔓延。

      (4)中等强度森林火灾的火场中心温度在700 ~ 1 200 ℃左右,热释放功率可达到3.0 × 105 ~ 9.0 × 105 kW,蔓延山坡10 m只需约1 min,可燃物燃烧速率60 s可达到40 kg/s以上。

    • 林火蔓延受地形、气象、可燃物等因素影响,坡度、风速增加,林火蔓延速率增加。林道阻火功能能否实现,需要充分调研当地的风速,特别是防火期的最高风速和平均风速,以此设置合理的林道宽度阈值。常年处于高风速、坡度较大、树种高大、载量高的林区建议增加林道宽度至8 ~ 10 m,以便取得较好的防火效益。现阶段防火林道宽度设置多以灾后调研数据或经验确定,以PyroSim火灾模拟软件构建模型仿真模拟林道的阻火功能,可为防火林道宽度和密度设置提供一种全新思路,当需要在森林中设置林道实现阻火隔离功能时,按照地形、风速、林木可燃物燃烧性能参数建立仿真模型进行模拟燃烧,可得出满足经济效益和具备阻火隔离作用的林道宽度和密度指标。运用PyroSim构建模型模拟火灾现场,原则上模型越精准,模拟结果越可靠准确,但高精度模型需要高配置的计算机承载运行计算过程,否则不能计算出高可靠度的数据,还会因大功率火灾、复杂模型模拟计算量太大而使软件停止,根据电脑实际配置构建精确适度、数据量适中的模型进行仿真模拟所得到的结果相对真实可靠。

参考文献 (34)

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