我国北方森林地下火燃烧温度预测_于渤.pdf
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1、第 卷 第 期北华大学学报(自然科学版)年 月 ()文章编号:():我国北方森林地下火燃烧温度预测于 渤,王明霞,崔晨曦,尹赛男,单延龙,韩喜越,(北华大学森林草原防灭火科技创新中心,吉林 吉林;北华大学林学院,吉林 吉林;敦化林业有限公司,吉林 敦化)摘要:森林地下火燃烧是一个隐蔽、漫长的阴燃过程,整个燃烧过程都靠自身释放的热量维持,所以开展地下火燃烧温度预测研究,对于地下火监测预警具有重要意义以大兴安岭地区呼中国家级自然保护区典型植被兴安落叶松林为研究对象,通过室内模拟点烧试验,基于非线性混合效应模型预测不同含水率下地下火燃烧温度结果表明:基于 和 回归的非线性混合效应模型适合地下火燃烧温
2、度预测;参数的混合效应模型拟合效果最好;不同含水率下不同深度地下火燃烧温度预测模型的预测值和真实值间都不存在显著差异(),模型预测精度较高,尤其是在 深度处,平均相对误差()都小于,具有较高的应用价值关键词:森林地下火;温度预测;非线性混合效应模型;含水率中图分类号:文献标志码:收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目(,);北华大学研究生创新计划项目()作者简介:于 渤(),男,硕士研究生,主要从事林火生态与管理研究,:;通信作者:单延龙(),男,博士,教授,博士生导师,主要从事林火生态与管理研究,:,(,;,;,):,(),(),:;森林火灾已经成为一个全球性问题,严重威胁着人类生命财产安
3、全和生态环境森林地下火是森林火灾的一种,主要发生在腐殖质层或泥炭层,虽然发生次数仅占森林火灾总次数的 左右,但造成的危害却是巨大的从全球范围看,地下火主要发生在北温带、亚热带和热带地区,涵盖加拿大、英国、美国、印度尼西亚等国家在我国,地下火主要发生在东北地区的大、小兴安岭和新疆阿尔泰林区森林地下火会严重影响土壤理化性质和水文条件,发生在北方林区的地下火还会使冻土层融化,从而影响森林群落;同时,燃烧释放的大量温室气体和有毒气体还会造成大面积的雾霾由于地下火燃烧是一个隐蔽、漫长的阴燃过程,不同于地表火和树冠火易于直接观察,所以在科学研究中受到的关注程度也相对较低地下火燃烧是一个氧化还原过程,整个燃
4、烧过程都靠自身释放的热量维持,所以,研究地下火燃烧温度变化、热解过程以及影响因素一直是地下火研究的重点由于地下火的特殊性,目前,都是通过间接因子进行预测,而对地下火燃烧温度预测的研究鲜有报道大兴安岭地区是我国森林地下火的主要发生区域之一,近年来,该林区地下火的发生频率有增加的趋势,北方森林的针叶林更是地下火的频发区域,但目前对该地区地下火的研究还相对较少本研究以大兴安岭地区呼中国家级自然保护区典型植被兴安落叶松()林为研究对象,通过室内模拟点烧试验,基于非线性混合效应模型建立不同含水率下不同深度地下火燃烧温度预测模型,旨在为我国北方森林地下火的监测预警提供科学依据,进而减少地下火造成的损失,更
5、好地保护森林资源 研究区概况与研究方法 研究区概况研究区位于黑龙江省大兴安岭地区呼中国家级自然保护区,地处大兴安岭主脉和伊勒呼里山交接处的东北坡,西与内蒙古自治区汗马自然保护区接壤,南接内蒙古自治区甘河林业局,东、东北和北部与呼中林业局为邻该区为大兴安岭北部高纬度寒温带地区,属大陆性季风气候植被类型以西伯利亚植物区系成分为主,混有东北植物区系和蒙古植物区系成分,典型地带性植被类型为寒温带针叶林,单优势种为兴安落叶松,并混有少量樟子松()和白桦()研究方法 试验样品采集与处理于 年春季防火期前往呼中国家级自然保护区进行野外调查选择该区域典型植被兴安落叶松林为研究对象,在林下设置 试验样地,调查并
6、记录样地的地下可燃物厚度、经纬度、海拔、郁闭度、林龄、胸径等基本信息在每块样地的对角线分别设置 块 的小样方,去除顶层枯落物,挖掘小样方内所有腐殖质,带回实验室进行模拟点烧试验受气候和地理位置影响,该保护区的腐殖质分解缓慢,主要由未完全分解的枯枝落叶和完全分解的腐殖质混合组成,腐殖质间的孔隙较大分别设置、个含水率梯度进行模拟点烧试验将采集的部分腐殖质装入档案袋放入鼓风干燥箱中,连续烘干 使腐殖质趋于绝干;将剩余的腐殖质放在阴凉通风处自然风干,每隔 使用快速水分测定仪测量含水率,直至达到设定的含水率为止将不同含水率的腐殖质分别置于塑封袋中密封,用于模拟点烧试验点烧试验前使用快速水分测定仪测量 次
7、含水率,以平均值作为实际含水率 室内模拟点烧试验为保证试验安全,模拟点烧试验在较为空旷的室内进行,温度为(),无风地下火模拟点烧试验装置由阴燃反应炉(高,直径,壁厚)、型热电偶、数据采集模块、远红外加热板、控温表、笔记本电脑组成进行模拟点烧试验时,将不同含水率的腐殖质分别置于阴燃反应炉中,同时在阴燃反应炉的侧面每隔 打一个小孔,插入热电偶至腐殖质中间;使用补偿导线连接热电偶和数据采集模块,将地下火燃烧温度数据传输回笔记本电脑;在使用前,将远红外加热板加热至 后置于阴燃反应炉上方,使用控温表控制加热板温度,保持恒定,持续加热 后撤掉加热板 非线性混合效应模型非线性混合效应地下火燃烧温度预测模型包
8、括固定效应参数和随机效应参数,既能反映不同含水率下地下火燃烧温度总体变化趋势,又能体现不同深度燃烧温度的变化趋势模型一般表现形式:第 期于 渤,等:我国北方森林地下火燃烧温度预测(,),(,),(,),|式中:为第 个研究对象的因变量向量,本文指预测的地下火燃烧温度;为记录的地下火燃烧温度实际值,是一个研究对象中具体参数向量和变值向量的可微函数;为 维固定效应参数向量;为 维随机效应参数变量;为随机效应间的协方差矩阵;和 为具有适当维数的关联矩阵(即由 或 构成的矩阵);为自变量矩阵;为与 关联的随机误差项向量;为随机误差项的协方差矩阵本研究选择林业上在预测树木生长量、树高和胸径等研究中应用较
9、多的、非线性混合效应模型为基础模型,研究地下火燃烧过程中温度随时间的变化选择的基础模型见表 表 基础模型 模型基础模型混合效应模型 ()(,)(,)(,)()(,)(,),()(,)(,)(,)()(,)(,),)注:第 个含水率梯度下第 个深度时间为 时的温度;、方程的确定参数;,、,、,、对应的随机效应参数;随机误差项 预测模型的选择与检验非线性混合效应模型构建在 ()软件 和 模块中完成根据赤池信息准则()和贝叶斯信息准则()的值选择基础模型;根据均方误差()的值选择不同数量参数混合效应模型,其中,、和 的值越小,表示方程拟合程度越好随机选取不同含水率、不同深度地下火燃烧温度数据的 作为
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