我国北方森林地下火燃烧温度预测_于渤.pdf

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 作为建模样本，另外 作为验证样本根据验证样本数据的平均相对误差（）比较不同模型之间的优劣；根据真实值与预测值进行配对 检验分析，验证预测模型的精度，其中，值越小，表明模型预测效果越好，配对 检验结果的显著性大于，说明真实值和预测值之间不存在显著差异，模型预测精度较高 ，式中：为地下火燃烧的实际温度值（）；为地下火燃烧温度的预测值（）；为样本数量；为模型的对数似然数；为模型参数数量 结果与分析 地下火温度预测模型地下火燃烧温度预测的模型选择结果见表由表 可知：当含水率为（，）和（，）时，都以 回归模型的 和 值最小，所以选择 回归模型作为这两种含水率下地下火燃烧温度预测的基础模型；当含水率为（，）和（，）时，则以 回归模型的 和 值最小，所以选择 回归模型北华大学学报（自然科学版）第 卷作为这两种含水率下地下火燃烧温度预测的基础模型表 地下火燃烧温度预测的模型选择结果 含水率 模型 混合参数效应不同数量参数混合效应模型检验结果见表 由表 可知：选择的 和 回归模型混合参数效应的参数数量越多，模型拟合的结果就越好种含水率下，都以 参数混合效应预测模型的 值最小，说明在本研究中，参数的混合效应模型对地下火燃烧温度预测的结果最好以 参数混合效应模型为基础，都以深度 的燃烧温度变化数据为基准，拟合不同含水率下不同深度地下火燃烧温度与时间的关系非线性混合效应模型的参数估计值见表 模型检验地下火燃烧温度预测模型检验结果见表 由表 可知：不同含水率、不同深度地下火燃烧温度预测模型预测值和真实值的配对 检验结果显著性都大于，说明真实值和预测值之间不存在显著差异，预测精度较高由 结果可知，含水率为（）、（）、（）、（）时，都以深度为 的模型预测效果最好；而含水率为 深度 （），含水率为 深度 （）和 （），含水率为 深度 （）、（）、（）的模型预测效果较差表 不同数量参数混合效应模型检验结果 模型无参数混合效应 参数混合效应 参数混合效应 参数混合效应 表 地下火燃烧温度预测模型的参数估计值 含水率 参数估计值标准差置信区间，第 期于 渤，等：我国北方森林地下火燃烧温度预测表（续）含水率 参数估计值标准差置信区间，表 地下火燃烧温度预测模型检验结果 含水率 深度 方程显著性 （）（）（）（）（）北华大学学报（自然科学版）第 卷表（续）含水率 深度 方程显著性 （）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）结论与讨论本研究基于非线性混合效应模型对地下火燃烧温度进行了预测，选择的 个基础模型变化趋势均为“”形曲线地下火燃烧首先是一个脱水干燥过程，燃烧温度上升缓慢；之后才是燃烧蔓延，燃烧温度上升较快；燃烧至最高温度后趋于平稳地下火整个燃烧过程的温度变化也近似于“”形，所以选择的模型可以应用于地下火燃烧温度预测并且，对于预测研究来说，非线性混合效应模型要优于传统模型这是因为，传统模型的参数估计方法采用的是最小二乘法，由于观测的数据缺乏独立性，以及数据间存在时间相关性和空间异质性，会导致模型预测结果产生较大误差；而非线性混合效应模型通过设定固定效应参数和随机效应参数能够有效解决这一问题，所以混合效应模型的预测精度较高对于预测模型的参数来说，越容易获取参数，在实际中的应用性也越高目前获取可燃物含水率的方法有很多，包括根据遥感和气象数据推算，也可以直接使用便携式含水率测量设备测量，而地下火多由地表火引起，燃烧时间也可以根据地表火燃烧时间确定相比之前对地下火预测研究使用的地下水位、无机物含量等参数，本研究使用的含水率和时间参数更容易获取通过 和 可以发现，基于 和 的非线性混合效应模型更适用于地下火燃烧温度预测相关研究也表明，这两个方程具有较好的适应性、解第 期于 渤，等：我国北方森林地下火燃烧温度预测释性以及预测性，适合应用与推广通过 检验可知，通过不同数量参数混合效应建立的地下火燃烧温度预测模型都收敛，但 参数混合效应模型的 值最小，说明拟合结果最好，而无混合效应的模型结果最差对于非线性混合参数效应模型来说，增加混合效应的参数数量，可以有效提高模型预测精度当然，由于研究材料和基础模型不同，混合效应的参数数量也不同由配对 检验结果可知，真实值与预测值之间不存在显著差异，并且一般认为当平均相对误差的值小于 时，模型可以在实际中应用在不同含水率下建立的不同深度地下火燃烧温度预测模型绝大多数的平均相对误差值都小于，尤其是 深度由此可见，基于非线性混合模型建立的地下火燃烧温度预测模型精度较高，且具有较强的应用价值由模型检验结果可知，不同含水率对模型的预测效果和精度影响较大，含水率较低的 和 预测效果较好，含水率较高的 和 预测效果较差由于含水率被认为是决定地下火能否发生以及维持燃烧的重要因素，所以当腐殖质中含水率低时，地下火燃烧过程平稳；而含水率高时，对地下火的燃烧过程影响较大，温度波动幅度变大，导致模型预测结果较差参考文献：，：，（）：尹赛男，单延龙，宋光辉，等不同粒径腐殖质火垂直燃烧特征研究中南林业科技大学学报，（）：，（）：舒立福，王明玉，田晓瑞，等大兴安岭林区地下火形成火环境研究自然灾害学报，（）：，（）：，（）：，（）：张吉利，邸雪颖地下火及阴燃研究进展温带林业研究，（）：，（）：赵伟涛，陈海翔，周建军，等森林泥炭的热解特性及热解动力学物理化学学报，（）：尹赛男，杜帅，单延龙，等兴安落叶松人工林腐殖质阴燃燃烧温度变化特征生态学报，（）：何诚，舒立福，刘超，等南方人工林地阴燃火温度变化特征研究林业工程学报，（）：，：，（）：，（）：，：，：，（）：，：刘娜，齐淑艳，陈宏伟，等大兴安岭呼中林区不同火后恢复年限森林碳密度变化研究西北林学院学报，（）：，冯玉婷，常禹，胡远满，等大兴安岭呼中森林景观的空间点格局分析生态学杂志，（）：北华大学学报（自然科学版）第 卷 ，：，：张恒，窦旭，王玉霞，等自建模型间外推对森林可燃物含水率预测精度的影响东北林业大学学报，（）：詹航，牛树奎，王博北京地区 种树种枯死可燃物含水率预测模型及变化规律北京林业大学学报，（）：苏迪，高心丹基于无人机航测数据的森林郁闭度和蓄积量估测林业工程学报，（）：解鑫，陈鑫，李东一，等中俄跨界水体水质联合监测数据可比性研究中国环境监测，（）：，：，：，：，：，：，（）：张恒，金森，张运林，等气象法预测盘古林场可燃物含水率的外推精度中南林业科技大学学报，（）：，：，（）：燕云飞，王君杰，姜立春基于混合效应模型的人工红松枝下高模型研建北京林业大学学报，（）：王霓虹，杨英奎，戴巍基于 方程的落叶松人工林断面积生长模型森林工程，（）：，杨阳，彭浩贤，潘萍，等基于混合效应的飞播马尾松林单木冠幅预测模型江西农业大学学报，（）：，（）：，：【责任编辑：郭 伟】第 期于 渤，等：我国北方森林地下火燃烧温度预测