城镇森林交界域火行为模型及应急辅助决策研究

摘要

城镇森林交界域(Wildland-Urban imerface，WUI)火灾是新的课题，国外对城镇森林交界域火灾的研究已经成为热点。与发达国家相比，我国在城镇森林火灾防治的研究方面总体上处于落后状态，在相关关键技术的研究方面基本上处于空白，导致在实际建设城镇森林工程时缺乏科学参考和技术手段。面向城镇森林交界域火灾防治的重大需求，围绕城镇森林交界域火灾这一国际火灾科学的前沿课题，研究基于热辐射机制的城镇森林交界域的火蔓延模型，预测火灾发展的趋势，发展城镇森林交界域火灾预测应急辅助决策系统，为有效应对城镇森林交界域火灾提供科学的方法和技术指导，是本文的研究目标。 首先，以典型树冠火为对象，研究典型树冠火对建筑的热辐射影响，从而建立城镇森林交界域典型的火行为模型。根据热辐射的可叠加性，通过深入研究实际植被的火焰特征，在单树直圆柱热辐射几何模型的基础上，发展了单树斜圆柱热辐射几何模型，并应用环路积分法求解了上述几何模型的视角系数，并进一步扩展到多树情况下，建立了多树热辐射的简化模型。通过对典型树冠火热辐射的实验研究，以雪松为实验树，测量了实验树的热释放速率、由单颗雪松产生的树冠火的空间燕辐射随时间的变化，并将测量值与利用单树热辐射模型计算出的理论值进行了对比分析，验证了单树热辐射模型的合理性；然后测量了由多个雪松同时燃烧产生的空间热辐射随时间的变化，并将测量值与利用多树热辐射模型计算出的理论值进行了对比分析，验证了多树热辐射模型的合理性。研究表明在开放空间无外部通风或通风较弱的条件下，单树热辐射模型和多树热辐射模型能够较为准确的预测树冠火辐射热流密度随时间的变化。 接着，利用元胞自动机模型来建立城镇森林交界域火蔓延模型，从理论上研究分析了城镇森林交界域燃料分布的特点。通过研究，给出了城镇森林交界域火蔓延有植被到植被的火蔓延、植被到建筑的火蔓延、建筑到建筑的火蔓延和建筑到植被的火蔓延四种类型；在Berjak的林火元胞自动机火蔓延子模型和A．Ohgai的社区元胞自动机火蔓延子模型基础上，分别建立了建筑到植被火蔓延子模型和植被到建筑火蔓延子模型，综合植被到植被火蔓延子模型、建筑到建筑火蔓延子模型、建筑到植被火蔓延子模型和植被到建筑火蔓延子模型四个子模型，构建了适合整个城镇森林交界域的复合火蔓延模型。 最后，将元胞自动机与GIS网格结合起来，以复合火蔓延模型为核心，以SuperMap和VC++为平台设计建立了城镇森林交界域火灾应急辅助决策系统，利用该系统对Black Tiger典型城镇森林交界域实际的火灾案例进行案例分析，通过模拟实际的火灾过程，分析了系统的实用性。研究表明，建立的BIack Yiger城镇森林交界域火灾应急辅助决策系统可以形象直观的模拟火蔓延过程，火蔓延趋势与实际的Black Tiger火灾事故发展的趋势一致；在相同时间内火蔓延燃烧过的距离与实际记录的距离大致一致；系统能较好的模拟森林火蔓延的发展趋势；系统能够模拟决策建筑是否烧毁，建筑燃烧蔓延的情况符合实际。

目录

文摘

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主要符号表

第一章绪论

§1.1研究背景

§1.1.1城镇森林发展与城镇森林交界域火灾

§1.1.2研究城镇森林交界域火灾的重要性

§1.1.3城镇森林防火技术研究的发展趋势

§1.2研究现状

§1.2.1城镇森林交界域火蔓延机制研究

§1.2.2城镇森林交界域火蔓延模型研究

§1.2.3城镇森林交界域火灾应急辅助决策研究

§1.3研究目标及思路

§1.4研究内容及章节安排

参考文献

第二章城镇森林交界域火灾热辐射理论模型

§2.1概述

§2.2单树热辐射的简化几何模型

§2.2.1几何模型的简化

§2.2.2单树直圆柱火焰热辐射模型

§2.2.3单树β-斜圆柱火焰热辐射模型

§2.2.4单树热辐射模型分析

§2.3多树热辐射的简化几何模型

§2.3.1多树直圆柱火焰热辐射模型

§2.3.2多树β-斜圆柱火焰热辐射模型

§2.3.3多树热辐射模型分析

§2.4小结

参考文献

第三章城镇森林交界域典型树冠火热辐射实验模拟

§3.1概述

§3.2实验条件

§3.3单树热辐射实验模拟

§3.3.1实验装置

§3.3.2实验原理

§3.3.3实验结果与分析

§3.4多树热辐射实验模拟

§3.4.1实验原理

§3.4.2实验设计与装置

§3.4.3实验说明

§3.4.4实验模拟结果及分析

§3.5小结

参考文献

第四章城镇森林交界域火蔓延模型

§4.1引言

§4.2元胞自动机

§4.2.1元胞自动机理论基础

§4.2.2本文采用的元胞自动机

§4.3城镇森林交界域燃料类型

§4.4城镇森林交界域复合火蔓延模型

§4.4.1模型描述

§4.4.2元胞单元的属性状态与尺寸

§4.4.3植被到植被火蔓延推演

§4.4.4建筑到建筑火蔓延推演

§4.4.5植被到建筑火蔓延推演

§4.4.6建筑到植被火蔓延推演

§4.5本章小结

参考文献

第五章城镇森林交界域火灾应急辅助决策系统构建

§5.1引言

§5.2理论基础

§5.2.1地理信息系统(GIS)

§5.2.2基于GIS的空间决策支持系统

§5.3系统的总体设计

§5.4系统建立

§5.4.1地理信息平台

§5.4.2地理图层子系统

§5.4.3火蔓延模拟子系统

§5.5系统运行示例

§5.6小结

参考文献

第六章典型城镇森林交界域火灾应急辅助决策案例研究

§6.1引言

§6.2典型城镇森林交界域火灾

§6.2.1Black Tiger城镇森林交界域火灾简介

§6.2.2Black Tiger城镇森林交界域火灾植被分布状况

§6.2.3Black Tiger城镇森林交界域建筑分布状况

§6.2.4致灾因素分析

§6.3 Black Tiger火灾应急辅助决策系统

§6.4火蔓延案例分析

§6.5小结

参考文献

第七章结论与展望

§7.1论文结论

§7.2论文创新点

§7.3进一步工作展望

附录Sparrow环路积分法求视角系数

致谢

发表的学术论文、取得的专利及参与的项目