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      廣西4種喬木樹葉的燃燒性差異研究

      2021-07-28 04:07:54張運(yùn)生舒立福閆想想翟春婕劉柯珍
      關(guān)鍵詞:格木熱儀錐形

      張運(yùn)生,舒立福,閆想想,翟春婕, 劉柯珍

      (1.中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所,國家林業(yè)和草原局森林保護(hù)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100091;2.南京森林警察學(xué)院,江蘇 南京 210023;3.西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,云南省森林災(zāi)害預(yù)警與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西南林業(yè)大學(xué)消防研究所,云南 昆明 650224)

      森林可燃物的燃燒性可以為林火行為做出合理預(yù)測[1-5]。森林的燃燒性主要受地表可燃物和枯枝凋落物的影響,不同的可燃物體現(xiàn)出的燃燒性不同[6-9],而樹葉作為碎小可燃物,影響著可燃物的初期燃燒。

      錐形量熱儀是一種以氧消耗原理為基礎(chǔ)的燃燒測定儀[10-12],可以同時獲得材料燃燒時有關(guān)熱、煙、質(zhì)量變化及煙氣成分等豐富而可靠的數(shù)據(jù)信息,重復(fù)性較強(qiáng),實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與大型燃燒有較高相關(guān)性,是目前實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模燃燒測試較為先進(jìn)的方法。錐形量熱儀可用來評價材料的燃燒性能、阻燃機(jī)理和進(jìn)行火災(zāi)模型研究[13-15],被廣泛應(yīng)用于森林消防和城市消防實(shí)驗(yàn)中,目前已經(jīng)成為國際公認(rèn)的研究材料真實(shí)燃燒過程的權(quán)威工具[16-20]。

      多名學(xué)者對森林可燃物燃燒性的比較進(jìn)行了一系列研究,李世友等[21]利用自行設(shè)計的實(shí)驗(yàn)裝置對包括云南松(Pinusyunnanensis)、華山松(Pinusarmandii)、地盤松(Pinusyunnanensisvar.pygmaea)、杉木(Cunninghamialanceolata)、藏柏(Cupressustorulosa)和柳杉(Cryptomeriafortunei)在內(nèi)的6種針葉樹的活枝葉在森林防火緊要期的燃燒性進(jìn)行了比較。而在對樹種燃燒性的測定中,錐形量熱儀應(yīng)用較為廣泛,如田曉瑞等[22]對木荷 (Schimasuperba)、火力楠(Micheliamacclurei)、女貞(Ligustrumlucidum)等8個樹種的鮮葉和落葉的燃燒性進(jìn)行了比較;金森等[3]以馬尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)、柳杉 (Cryptomeriafortunei)、云南松 (Pinusyunnanensis)、華山松 (Pinusarmandii) 等7種南方典型樹種的葉片為研究對象,比較一維燃燒性評價方法和多維燃燒性評價方法的相似程度,為燃燒性評價方法的選擇提供科學(xué)依據(jù);李康康等[23]研究了火力楠(Micheliamacclurei)、云南松(Pinusyunnanensis)、華山松(Pinusarmandii)等3種樹種的抗火能力。翟春婕等[24]測定了50 kW/m2輻射熱流下杉木的葉片及不同尺度的杉木枝條自發(fā)著火狀態(tài)下的熱釋放速率(HRR)和總釋放熱(THR)等參數(shù)。

      數(shù)據(jù)顯示,2011—2015年廣西共發(fā)生森林火災(zāi) 2 249次,年均發(fā)生森林火災(zāi)449.8次;森林火場面積26 216.40 hm2,年均5 243.28 hm2;森林火災(zāi)受害面積5 251.87 hm2,年均1 050.37 hm2[25],為我國森林火災(zāi)較高發(fā)省區(qū)。森林內(nèi)的主要喬木樹種有格木(Erythrophleumfordii)、馬尾松(Pinusmassoniana)、柚木(Tectonagrandis)、米老排(Mytilarialaosensis)、臺灣相思(Acaciaconfusa)和紅椎木(Castanopsishystrix)等。為了解樹種的燃燒性,科學(xué)配置樹種,筆者以格木、紅椎木、馬尾松、臺灣相思的葉片作為研究對象,利用錐形量熱儀對4種樹種的葉片進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn),測定葉片的熱釋放速率(HRR)、總釋放熱(THR)、煙生成速率(SPR)、煙釋放總量(TSR)、質(zhì)量損失速率(MLR)4個重要燃燒特性參數(shù),據(jù)此綜合評價4種樹種葉片的燃燒特性差異,以期為降低廣西森林的火災(zāi)風(fēng)險提供參考。

      1 材料與方法

      1.1 研究地概況

      廣西(104°26′~112°04′E, 20°54′~26°24′N)地處中國華南西部,全區(qū)森林覆蓋率62.37%,活立木蓄積量7.9億m3。氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)。全區(qū)各地極端最高氣溫為33.7~42.5 ℃,極端最低氣溫為-8.4~2.9 ℃,年平均氣溫為16.5~23.1 ℃,廣西各地≥10 ℃積溫5 000~8 000 ℃。全區(qū)大部分地區(qū)熱量豐富,氣候溫暖,干濕分明,季節(jié)變化不明顯,日照冬少夏多。廣西降水量季節(jié)變化不均,干濕季分明。4—9月為雨季,降水量占全年降水量的70%~85%;10至翌年3月為干季,降水量僅占年降水量的15%~30%,易發(fā)生森林火災(zāi)。

      1.2 供試材料

      格木和紅椎木葉片于2018年12月26日取自廣西憑祥中國林科院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心白云實(shí)驗(yàn)場29林班,馬尾松和臺灣相思葉片于2018年12月27日取自廣西憑祥中國林科院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心伏波實(shí)驗(yàn)場44林班,樣地均為400 m2,每種取3株,葉片均是從地表采集,針葉均從樹木枝條上采集。

      1.3 實(shí)驗(yàn)方法

      主要采用錐形量熱儀(FTT,UK)測定樣品的熱釋放速率(heat release rate,HRR)、總熱釋放量(total heatrelease,THR)、煙產(chǎn)生速率(smoke production rate,SPR)等指標(biāo)。把各樹種葉片進(jìn)行首次烘干,設(shè)置烘干箱溫度為80 ℃,烘干48 h時稱質(zhì)量并記錄;接著再次烘干,比較兩次烘干后的質(zhì)量,若質(zhì)量無差異,則為絕干,然后計算絕對含水率和相對含水率。選用100 mm× 100 mm×25 mm的樣品盒安裝樣品,采用自發(fā)著火方式。輻射熱流設(shè)定為50 kW/m2,實(shí)驗(yàn)過程中需觀察記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,如:冒煙、變形、收縮、著火和熄滅等現(xiàn)象。每類樣品實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次,結(jié)果取平均值。

      表1 枯落葉含水率

      根據(jù)實(shí)驗(yàn)方法中設(shè)定的熱輻射強(qiáng)度和材料的取樣部位(樹葉和樹枝等)以及各樹種之間理化性質(zhì)的差異,采取控制變量法(控制熱輻射強(qiáng)度和取樣部位一致)對4種喬木樹種葉片的燃燒性參數(shù)進(jìn)行分析。

      2 結(jié)果與分析

      2.1 熱釋放速率(HRR)

      熱釋放速率[26](HRR)是評價材料燃燒性能的一個重要因素,反映材料燃燒過程的火災(zāi)危險性;HRR越大,表明聚合物表面的熱裂解速度越快,加速火焰向外擴(kuò)張和傳播,其火災(zāi)危險性增大。

      選取格木、紅椎木、馬尾松、臺灣相思的葉片,在輻射熱流作用下,觀察葉片進(jìn)入預(yù)熱階段水分蒸發(fā)、冒白煙、內(nèi)部有機(jī)質(zhì)熱解并產(chǎn)生可燃性氣體等發(fā)生的變化。隨著可燃?xì)怏w釋放量的增加,可燃物開始發(fā)生燃燒反應(yīng)(表2),4種可燃物到達(dá)峰值的時間從長到短順序?yàn)椋杭t椎木(36 s)>格木(24 s)>馬尾松(19 s)=臺灣相思(19 s),而最大熱釋放速率大小順序則是:臺灣相思(285.22 kW/m2)>馬尾松(229.85 kW/m2)>格木(216.10 kW/m2)>紅椎木(200.12 kW/m2)。由4個樹種葉片HRR變化情況(圖1A)可知,隨著時間的增加,4種可燃物的熱釋放速率都有一個小幅度的下降之后急劇上升的趨勢。馬尾松和臺灣相思的HRR曲線相似,都只有1個峰值;而格木和紅椎木的HRR曲線相似,其峰值均在一段時間內(nèi)保持平穩(wěn),熱釋放速率達(dá)到第1個峰值。當(dāng)熱解由外向內(nèi)移動,會形成保護(hù)性的炭化層,在暴露面和熱界面之間形成一個逐漸增加的炭層熱阻,造成了第1個峰值之后熱釋放速率不斷減小,熱解和熱釋放速率變得穩(wěn)定,形成了平緩曲線;隨著燃燒的繼續(xù),熱解繼續(xù)擴(kuò)大,當(dāng)熱界面達(dá)到試件背面時,熱釋放速率又開始上升,溫度持續(xù)升高,炭層被破壞,同時熱解出大量的可燃性氣體,形成劇烈燃燒,此時達(dá)到第2個放熱峰[27]。

      表2 4種可燃物達(dá)到最大熱釋放速率的時間

      圖1 不同樹種HRR、THR、SPR和TSR對比

      2.2 總釋放熱(THR)

      總釋放熱[17](THR)能客觀全面地反映材料的材料燃燒性能,THR越大,火災(zāi)危險性越大。實(shí)驗(yàn)測定格木、紅椎木、馬尾松、臺灣相思的葉片的THR,由結(jié)果(圖1B)可知,可燃物著火后開始釋放熱量,初始燃燒較為劇烈,總釋放熱增長較快,隨著火焰熄滅,燃燒進(jìn)入炭化過程,總釋放熱逐漸減緩。在圖1B中,4種可燃物的曲線變化規(guī)律一致,臺灣相思首先達(dá)到最高值,一般情況下,最先達(dá)到最高值的材料更容易燃燒[28]。4種可燃物總釋放熱從大到小依次為:格木>紅椎木>臺灣相思>馬尾松。

      2.3 煙生成速率(SPR)

      煙生成速率[29](SPR)指樣品在燃燒過程中單位面積上瞬時產(chǎn)煙量。圖1C可知,4種SPR的曲線一致,均先達(dá)到最大值,然后在一段時間內(nèi)波動,馬尾松和臺灣相思SPR維持的時間接近相等,紅椎木和格木接近相等,且紅椎木和格木的SPR維持時間大于馬尾松和臺灣相思的。格木SPR峰值(0.07 m2/s)高于其他樹種(0.04~0.05 m2/s)。臺灣相思、馬尾松和紅椎木的SPR峰值分別為0.05、0.04和0.04 m2/s,4種可燃物的SPR峰值大小順序?yàn)椋焊衲?0.07 m2/s)>臺灣相思(0.05 m2/s)>馬尾松(0.04 m2/s)=紅椎木(0.04 m2/s)。

      2.4 煙釋放總量(TSR)

      煙釋放總量(TSR)是評價材料火災(zāi)危險性高低的重要指標(biāo)之一[17]。TSR越大,煙釋放總量越多,火災(zāi)危險性越大。由圖1D可知,著火開始釋放熱量,初始煙氣上升較為劇烈,煙氣釋放總量不斷上升后達(dá)到平穩(wěn),4種可燃物煙釋放總量大小順序?yàn)椋焊衲?191.94 m2/m2)>紅椎木(162.83 m2/m2)>臺灣相思(119.67 m2/m2)>馬尾松(95.49 m2/m2)。

      2.5 質(zhì)量損失速率(MLR)

      質(zhì)量損失速率(MLR),指燃燒時質(zhì)量損失的變化速度,反映了材料的熱裂解速度。4種可燃物的質(zhì)量損失曲線基本一致,均出現(xiàn)先急劇下降,再上升達(dá)到平穩(wěn)值的一個過程。紅椎木有所不同的是,其在上升的過程達(dá)到最大值之后有小幅度的回落再趨于穩(wěn)定,且格木和紅椎木的上升和下降呈直線上升或下降,而馬尾松和臺灣相思呈現(xiàn)開口向上的拋物線式的上升或下降。4種可燃物的質(zhì)量損失速率大小順序?yàn)椋焊衲?4.92 g/s)>馬尾松(2.68)>臺灣相思(2.63)>紅椎木(1.92)。紅椎木、馬尾松、格木達(dá)到最大質(zhì)量損失速率的時間均為5 s,臺灣相思達(dá)到最大質(zhì)量損失速率的時間為7 s。

      圖2 不同樹種MLR對比

      3 結(jié) 論

      利用錐形量熱儀法對廣西的4種主要喬木葉片燃燒性能進(jìn)行測試,結(jié)果表明,4種不同樹種的燃燒性能有所差異,格木和紅椎木的熱釋放速率(HRR)和質(zhì)量損失速率(MLR)曲線近似,馬尾松和臺灣相思的熱釋放速率(HRR)和質(zhì)量損失速率(MLR)曲線近似,4種可燃物的總釋放熱(THR)、煙生成速率(SPR)和煙釋放總量(TSR)曲線近似。4種可燃物最大熱釋放速率從大到小順序?yàn)椋号_灣相思(285.22 kW/m2)>馬尾松(229.85 kW/m2)>格木(216.10 kW/m2)>紅椎木(200.12 kW/m2),4種可燃物總釋放熱從大到小順序?yàn)椋焊衲?紅椎木>臺灣相思>馬尾松,4種可燃物的煙生成速率峰值從大到小順序?yàn)椋焊衲?0.07 m2/s)>臺灣相思(0.05 m2/s)>馬尾松(0.04 m2/s)=紅椎木(0.04 m2/s)。4種可燃物煙釋放總量從大到小順序?yàn)椋焊衲?191.94 m2/m2)>紅椎木(162.83 m2/m2)>臺灣相思(119.67 m2/m2)>馬尾松(95.49 m2/m2)。4種可燃物的質(zhì)量損失速率從大到小順序?yàn)椋焊衲?4.92 g/s)>馬尾松(2.68 g/s)>臺灣相思(2.63 g/s)>紅椎木(1.92 g/s)。

      紅椎和格木的葉片達(dá)到最大熱釋放速率的時間較長,但其燃燒持續(xù)時間長,釋放熱量和煙釋放總量要高于馬尾松和臺灣相思。因此,紅椎和格木的葉片在發(fā)生火災(zāi)后燃燒時間較長,不易撲救,且釋放更多的煙,對撲火人員造成更大威脅。馬尾松和臺灣相思的葉片達(dá)到最大熱釋放速率時間短,易造成瞬間火勢擴(kuò)大,但火勢減弱快。

      本研究僅針對葉片,從燃燒實(shí)驗(yàn)參數(shù)等方面開展了相關(guān)研究,但植物的不同部位、不同季節(jié)、不同的測定方法都會影響防火性能的評價結(jié)果。本研究僅考慮葉片的防火性能,植物其他組織的防火性能也不容忽視,在接下來的研究中,將全面考慮植物各器官的防火性能,進(jìn)行綜合評判。

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