通过实验和火灾动力学模拟器对梯级燃料点火过程的分析

《Fire Ecology》：Analysis of ladder fuel ignition through experiments and fire dynamics simulator simulation

　　

摘要

背景

计划性燃烧是一种重要的森林管理工具，通过清除积累的森林地表残余物来降低野火风险，同时改善野生动物栖息地，并模拟火灾在自然环境中的作用。梯状燃料（ladder fuels）在地面和树冠燃料之间提供了垂直的燃料连续性，这增加了表面火势垂直蔓延的可能性，从而导致不良的火灾行为和意外的火灾后果，从而对计划性燃烧的使用构成风险。为了最小化这种风险，深入了解梯状燃料的点燃条件至关重要。我们通过92个对照实验研究了环境温度、相对湿度、植物种类、活体燃料含水量、活体燃料体积密度、季节以及燃料基部高度对梯状燃料点燃成功率的影响。实验中使用的梯状燃料是活体马尼扎尼塔（manzanita）和香柏（incense cedar）的叶子和树枝，它们被放置在燃烧的松针燃料层上方。此外，我们还应用了火灾动态模拟器（Fire Dynamic Simulator，简称FDS）——这是一种基于计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）的模型，专门用于模拟火灾情景——来复制实验结果，并将模拟结果与实验数据进行比较。

结果

利用实验数据，我们建立了一个逻辑回归模型，该模型能够描述这些因素之间的经验关系，并快速估算点燃概率。实验结果表明，梯状燃料的燃烧行为对环境温度、燃料种类和燃料基部高度非常敏感：点燃概率随温度升高而增加，并且在不同物种间存在系统性差异；同时，增加燃料基部高度会显著降低点燃的可能性。此外，FDS的预测结果与我们的实验结果非常吻合，进一步证明了FDS在计划性燃烧规划和风险评估中的可靠性和潜在适用性。

结论

实验结果为我们提供了对梯状燃料点燃机制的更全面理解。这个基于经验的逻辑回归模型为预测梯状燃料的点燃情况提供了实用的操作基础。实验数据还为FDS提供了新的、现实的验证案例。这种经验性的点燃预测模型以及FDS可以用于制定燃烧方案、优化是否实施燃烧的决策，最终支持更安全、更有效地使用计划性燃烧技术。