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      噴頭高度對防火林帶噴淋效果的影響研究

      2017-05-12 11:29劉培興何瑩泉陳鈺皓劉錫輝趙艷
      綠色科技 2017年7期
      關(guān)鍵詞:均勻度

      劉培興+何瑩泉+陳鈺皓+劉錫輝+趙艷

      摘要:通過對安裝高度為1.25 m、1.65 m、1.90 m、2.35 m、3.20 m噴頭的噴淋射程和噴淋均勻度進行的測試,發(fā)現(xiàn)了在設(shè)置的防火林帶中,噴頭的噴淋效果受郁閉度、樹高、冠幅、地形、坡度等因素影響較大。在實驗林中的測試結(jié)果表明:高度為1.65m噴頭噴淋均勻,噴淋效果最佳。

      關(guān)鍵詞:防火林帶;噴頭;安裝高度;噴淋效果;均勻度

      中圖分類號:S762.3

      文獻標識碼:A 文章編號:1674-9944(2017)07-0193-04

      1 引言

      隨著社會發(fā)展和林業(yè)經(jīng)營管理方式的改變,森林火險等級不斷提高。森林公園的可燃物載量大[1],一旦發(fā)生火災(zāi),將造成財產(chǎn)損失,威脅游人安全[2]。利用水滅火是最原始的滅火方法,具有效率高、成本低、安全性好、滅火徹底、不留隱患、不易復(fù)燃的特點,是廣泛使用的撲火技術(shù)手段[3],也是林業(yè)發(fā)達國家首選的森林火災(zāi)撲救方法[4]。為在林地中開展以噴淋水阻隔林火和撲滅林火的研究,本實驗在林內(nèi)帶狀鋪設(shè)噴淋系統(tǒng),通過噴頭將水均勻地噴灑在樹葉、樹枝、樹干、地上枯落物上,提高林帶內(nèi)可燃物的含水率和環(huán)境濕度,降低可燃物燃點,達到防火和滅火的目的。特別在高危森林火災(zāi)時期通過對防火林帶進行噴淋灌溉,能大幅提高防火林帶的防火能力[5]。本實驗設(shè)置了旋轉(zhuǎn)噴頭,在林地內(nèi)旋轉(zhuǎn)噴射水流,通過測量噴水流的射程和地面上水的均勻度來說明噴淋的效果,通過測試不同安裝高度的噴頭噴出水柱的射程和均勻度,確定噴淋效果最佳的噴頭高度。

      2 材料與方法

      2.1 實驗基地概況

      本實驗地點在東莞市大屏嶂森林公園中部的佛坳景區(qū)內(nèi),該林分以荷木、馬占相思、大葉相思等樹種為主,林下還有三椏苦、鴨腳木、九節(jié)、五指毛桃、草珊瑚等灌木,是多樹種混交林,該林分郁閉度在0.6以上,主要樹木平均胸徑14.3 cm,平均樹高10.5 m,平均冠幅3.3 m。防火林帶不同樣點山體上側(cè)坡度角在16~27°之間,下側(cè)坡度角在17~35°之間。

      在林中設(shè)置長度約300m的噴淋實驗管線,在供水主管上安裝噴淋系統(tǒng),噴淋系統(tǒng)包括噴頭、噴頭立管、閥門井、高位水池等。設(shè)置噴頭15個,噴頭通過對應(yīng)的立管與給水主管連通,在給水主管道上安裝3套壓力表,以監(jiān)測噴淋系統(tǒng)動態(tài)壓力。

      2.2 實驗材料

      DN80-DN40熱鍍鋅給水主管,DN25熱鍍鋅立管,46H噴頭,壓力表,控制閥,激光測距儀,接水塑料盒,稱重天平等。

      2.3 實驗方法

      選取林相、地理位置、坡向、朝向、海拔等均接近的A、B、C三點上噴頭作為測試對象(圖1)。在每個噴頭位置設(shè)樣地(22 m×12 m),在不同方向布置24個塑料樣盒收集噴淋的水量(圖2、3)。

      測試時,分別在A、B、C點位安裝高度為1.25 m、1.65 m、1.90 m、2.35 m、3.20 m噴頭立管進行噴水試驗,記錄每次噴淋時間,用天平稱測量24個樣盒內(nèi)所接納的水量;用激光測距儀測量8個方向噴淋噴灑能到達的有效距離,記錄測量地坡度。

      3 結(jié)果與分析

      3.1 不同噴淋高度對噴水距離的影響

      3.1.1 A、B、C軸實測數(shù)據(jù)

      A、B、C軸實測數(shù)據(jù)見表1。

      3.1.2 噴淋射程實測分析

      1方向?qū)崪y最大2個噴水射程分別是:3.20 m噴頭(18.1m),1.65 m噴頭(16.8 m);2方向?qū)崪y最大2個噴水射程分別是:3.20 m噴頭(20.1m),1.90 m噴頭(19.1 m);3方向?qū)崪y最大2個噴水射程分別是:3.20 m噴頭(21.9m),1.90 m噴頭(21.8 m);4方向?qū)崪y最大2個噴水射程分別是:3.20 m噴頭(19.5m),1.90 m噴頭(19.2 m);5方向?qū)崪y最大2個噴水射程分別是:3.20 m噴頭(19.5 m),1.25、1.65 m噴頭(21.8 m)并列;6方向?qū)崪y最大2個噴水射程分別是:3.20 m噴頭(19.8 m),1.90 m噴頭(18.3 m);7方向?qū)崪y最大2個噴水射程分別是:1.25 m噴頭(20.4 m),1.65 m、2.35 m噴頭(20.2 m)并列;8方向?qū)崪y最大2個噴水射程分別是:3.20 m噴頭(18.8 m),2.35 m噴頭(17.5m)。

      8個噴水方向,每個方向取噴水最遠點和次遠點,共18個點(含2個并列點),其中3.20 m噴頭有7個點,占38.9%;1.90 m噴頭有5個,占27.8%;1.25 m、1.65 m、2.35 m噴頭各有2個,各占11.1%。最佳為3.20 m噴頭,其次1.90 m噴頭。

      剔除3.20 m噴頭后,同樣是8個噴水方向,每個方向取噴水最遠點和次遠點,共20個點(含4個并列點),其中1.90 m噴頭有8個,占40.0%;1.25 m、1.65 m噴頭各有5個,各占25.0%; 2.35 m噴頭各有2個,各占10.0%。最佳為1.90 m噴頭,其次為1.25 m、1.65 m噴頭。

      在防火林帶中噴淋時,噴頭受森林郁閉度、樹高、冠幅、地形、坡向、坡度、風(fēng)向、風(fēng)速、噴頭與樹的距離、噴頭與樹冠的距離等諸多因素影響,并非噴頭安裝高度越高,射程越遠。

      3.2 不同噴淋高度對灑水量的變化

      在噴頭自轉(zhuǎn)5圈噴灑噴淋樣盒后,在1.25 m、1.65 m、1.90 m、2.35 m、3.20 m高噴頭立管中,對比各高度噴頭噴淋數(shù)據(jù)分析:1.65 m高噴頭立管噴淋到樣盒內(nèi)總水重量為615.70 g,不是總水重量最多的一種類型,但用時最短,平均每分鐘水重量是最多一種類型,為68.13 g/min,并且各樣盒平均每分鐘水重量最均勻,標準差系數(shù)最小,為0.76,離散程度最小,從以上兩個數(shù)據(jù)指標分析,1.65 m高噴頭噴灑落地水效率最高,噴灑均勻程度也最好(表2、表3)。

      從三維及平面圖可知,各種類型噴頭立管林地上樣盒每分鐘水重量最大值集中在6、7號樣盒,樣地總體水重量分布集中在樣地的前3排、圍繞噴頭的樣盒1-12號,離噴頭越遠,單個樣盒獲得的水重量越少;隨著噴頭立管不斷升高,離噴頭越遠,同一排樣盒內(nèi)水重量越均勻,與樹高、郁閉度有關(guān),被林冠層遮擋,落下樣盒內(nèi)的水重量相近;通過對比,發(fā)現(xiàn)只有1.25 m、1.65 m噴頭立管這兩種類型樣盒內(nèi)噴淋水重量在2.01~4 g/min范圍內(nèi)到達5排,1.65 m噴頭立管樣盒內(nèi)噴淋水重量在4.01~6 g/min范圍內(nèi)有6個樣盒,比1.25 m噴頭立管樣盒內(nèi)噴淋水重量在此范圍內(nèi)多3個樣盒,因此,每min落在1.65 m高噴頭立管樣盒上的水重量會多一點(圖4、圖5)。

      3.3 不同坡度的山地環(huán)境及林分狀況對噴淋效果的影響

      各軸線不同安裝高度噴頭實測射程范圍見表4。

      3.3.1 林帶上坡側(cè)(1方向)坡度角與射程變化關(guān)系

      A、B、C三樣點坡度角分別為27°、16°、18°,即∠A>∠C>∠B。在無林木遮擋情況下,上坡側(cè)坡度角越小射程越遠,即B樣點射程>C樣點射程>A樣點射程。但在防火林帶中,由于樹木的存在,對照表4中1方向5組不同高度噴頭的數(shù)據(jù),只有3.20 m噴頭符合以上關(guān)系,其余4組數(shù)據(jù)(占80%)不符合以上關(guān)系。

      3.3.2 林帶下坡側(cè)(5方向)坡度角與射程變化關(guān)系

      A、B、C三樣點坡度角分別為21°、35°、17°,即∠B>∠A>∠C。在無林木遮擋情況下,下坡側(cè)坡度角越大射程越遠,即B樣點射程>A樣點射程>C樣點射程。但在防火林帶中,由于樹木的存在,對照表4中5方向5組不同高度噴頭的數(shù)據(jù),全部(占100%)不符合以上關(guān)系。

      3.3.3 林帶上坡側(cè)(1方向)與下坡側(cè)(5方向)射程變化關(guān)系

      在無林木遮擋情況下,下坡側(cè)(5方向)噴水射程要大于上坡側(cè)(1方向)。但在防火林帶中,由于樹木的存在,表4中對比1方向與5方向15組數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn):1.25 m噴頭B樣點,1.65 m噴頭B、C樣點,2.35 m噴頭B、C樣點,3.20 m噴頭B、C樣點,共7個樣點(占47%)是上坡側(cè)(1方向)噴水射程比下坡側(cè)(5方向)要遠,不符合以上關(guān)系。

      林地坡度對噴淋射程的影響,上坡噴淋一定會減少噴淋水平距離射程,但上坡噴淋水流是從下往上噴,水射流會躲開樹冠對水流的遮擋,會有主射流在樹木枝冠下通道噴灑,阻擋物相對較少,造成水流氣流合一的順上坡的水流氣流爬升效應(yīng),而使得噴淋射程加大。下坡噴淋按原假設(shè)應(yīng)該比上坡遠才合理,但實驗結(jié)果并非如此。下坡噴淋水流從上往下噴,噴頭主射通道會與樹木茂密樹冠重合,噴淋水流受到樹冠的阻擋影響會較大,噴頭較遠的一些水流水量是打到樹枝樹冠滴撒下地面,未能噴射的更遠。同樣道理,坡度角大小對噴射水流射程的影響,也不及樹木茂密樹冠的影響大,當水流能穿透樹冠的空隙,噴射水流射程會更遠。

      3.4 林帶不同林分狀況對噴淋效果的影響

      在林地內(nèi)噴淋射程與空地上有如此大差異,最大原因是受到林分狀態(tài)的影響,包括林分的郁閉度、密度、樹木胸徑、冠幅、樹冠離地高度、樹葉的密度、樹身與噴頭的距離等因素。林分郁閉度大、樹木株數(shù)多、樹木胸徑大、冠幅大、樹冠離地低、樹葉茂密、樹身離噴頭近等情況,會造成噴淋阻力大,水流難噴射得更遠,造成噴淋射程小,噴淋不均勻,噴淋效率低;反之射程更遠,更均勻,效率更高。因此在選擇噴頭安裝高度時,應(yīng)實地考察林分狀況,重點是選擇能使噴射水流避開樹干、樹冠層遮擋的噴頭,從而減少阻力,以求獲得水流射程更遠、更均勻、更高的效率。

      4 結(jié)論與討論

      (1)本實驗測試了安裝高度1.25 m、1.65 m、1.90 m、2.35 m、3.20 m噴頭的噴水射程和噴灑均勻度,實驗結(jié)果證實安裝高度1.65 m的噴頭,噴灑均勻度最高且噴水射程較遠。

      (2)防火林帶噴頭安裝高度的選擇,受森林郁閉度、樹高、冠幅、地形、坡向、坡度等諸多因素影響,實際噴淋效果與廠家提供的使用參數(shù)有較大出入,因此在施工安裝之前,應(yīng)做好現(xiàn)場調(diào)查,有條件可實地做實驗再安裝,才能取得較佳效果。

      (3)本實驗使用的噴頭是外購商品噴頭,僅就不同安裝高度進行實驗,由于噴頭的噴射角度、孔徑等參數(shù)固定不可調(diào)節(jié),為獲得防護林帶噴淋最佳效果,可與噴頭廠家聯(lián)合做更多實驗工作。

      參考文獻:

      [1]李小川,王振師,李興偉,等.廣東森林消防立體滅火技術(shù)研究與應(yīng)用[J].廣東林業(yè)科技,2013,29(3):13~20.

      [2]丁顯孔.城市森林公園消防規(guī)劃設(shè)計[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息,2008(2):5~7.

      [3]譚爾林.以水滅火在撲救森林火災(zāi)過程中的運用探要[C]//森林防火(消防)專業(yè)委員會.第二屆中國林業(yè)學(xué)術(shù)大會森林防火分會場論文集.南寧:森林防火(消防)專業(yè)委員會,2009:152~155.

      [4]陸國鋒.森林防火通道水消防系統(tǒng)的設(shè)計[J].中國給水排水,2008,24(20):27~30.

      [5]陳雄偉,何瑩泉,陳鈺皓,等.大屏嶂森林公園消防系統(tǒng)設(shè)計[J].廣東林業(yè)科技,2014,30(2):63~68.

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