一种森林火强度模拟器及其使用方法与流程

本发明涉及一种森林火灾次生灾害研究的模拟装置，具体涉及一种森林火强度模拟器及其使用方法。

背景技术：

全球每年约有4％的森林面积遭受灾害损失，其中森林火灾对森林资源的破坏占到了所损失森林资源的近1/3。目前,世界各地的森林火灾频繁发生,每年发生火灾约22万次以上,烧毁各种森林达640多万hm²,约占世界森林覆盖率的0.23％以上。我国是一个少林的国家，全国森林覆盖率仅20.36％，同时又是一个森林火灾多发的国家，年均发生森林火灾1.6万次，年均过火面积达9×10⁵hm²。

火对森林生态系统的影响是复杂的，从减少地上部分生物量到对地下部分物理性质、化学性质、微生物降解过程和细根系的生长。火烧能在短时间内剧烈改变环境状况，包括快速改变森林土壤物理性质和水文功能，改变C/N比，加剧侵蚀、淋溶和反硝化作用，导致土壤养分流失，微生物数量及其相关过程发生变化，从而影响整个森林生态系统的养分循环和分配。它对生态系统作用有利或是有害，主要取决于火作用的时间和强度。为了研究火烧对森林土壤的影响，需进行科学实验。

然而，在目前的森林防火科学研究过程中，研究森林火灾对土壤的影响，主要通过以下两种方式：

1、林火点烧控制试验：在一定面积的试验地进行点烧(如可燃物不够还得从附近相同林分的区域收集可燃物铺设到点烧区域)，根据林木的熏黑高度、可燃物的量(载荷)估算出林火点烧的强度。点烧结束后，采集土壤和植物样品，然后进行实验室分析。这种方法的缺点：环境污染较大；火烧强度难以控制；土壤受热强度不均匀造成试验误差大。

2、将林地中的土壤原状土取出，运回实验室，用马弗炉等工具加热，按照火强度的要求来设定加热温度，加热完成后，在实验室模拟室外环境培养土壤。这种方法的缺点：破坏了土壤的原生态系统，造成了较大的试验误差。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是为了弥补现有研究技术的不足，提供了一种森林火强度模拟器及其使用方法。

技术方案：一种森林火强度模拟器，包括本体，所述的模拟器本体由反应室、加热单元、集烟单元和温度传感器构成，加热单元设置在反应室内，温度传感器包括温度探头、引线、温度显示器，且温度探头放置在不同深度土层中，集烟单元设置在反应室外，通过管道连接于反应室。

作为优选，所述的加热单元为设置在反应室内部的电热丝。

作为优选，所述的电热丝为U型电热丝次第相连而成。

作为优选，所述的加热单元由燃烧喷嘴及与其连接的输入管道组成，燃烧喷嘴均匀设置于反应室内顶部，输入管道一端连接燃烧喷嘴，另一端连接气瓶或液瓶。

作为优选，所述的集烟单元内部设有水浴喷头，用于将反应室产生的烟尘沉降吸附。

一种森林火强度模拟器的使用方法，包括如下使用步骤：

1)野外或实验室内用时，在野外研究区或室内原状土土壤表面上挖一个与反应器底部边缘相适配的凹槽，约3cm深，将反应室底部插入槽内，四周固定，以防跑火；

2)按照火灾等级设置加热温度/强度和反应时间，进行实验；

3)实验的同时，打开集烟单元，收集烟尘；

4)实验结束后，将反应室移开，按照实验要求分层取出土样，进行物理、化学和生物等性质分析。

有益效果：本发明采用模拟器进行点烧实验，较大的降低了森林火灾模拟实验的成本；在反应室外设置集烟单元，将反应产生的烟尘沉降，避免了林火点烧试验产生烟气造成的大气污染，而且在模拟器内进行操作，火力大小可控；反应室内电热丝或者燃烧喷嘴加热均匀，不会跑火，能更安全、更精确地获取土壤实验数据，有利于森林火灾后火烧迹地的土壤侵蚀防控与植被恢复工作的开展。

附图说明：

附图1为本发明实施例1的结构示意图；

附图2为本发明实施例2的结构示意图。

具体实施方式：

本发明中反应器采用市售耐火度不低于1580℃的无机非金属耐火材料所制，如碳复合耐火材料、锆质耐火材料等，电热丝主要为铁铬铝合金电炉丝和铁镍合金电炉丝两大类，抗氧化性强，电阻大，使用温度高。气体加热主要使用可燃性气体，如一氧化碳和氧气、氢气和氧气等；液体加热主要使用乙醇、汽油等有机液体。

实施例1：

一种森林火强度模拟器，如附图1，由底面不封闭的反应室1、加热单元、集烟单元2和温度传感器4构成，加热单元设置在反应室1内，集烟单元2设置在反应室1外，通过管道连接于反应室1。本实施例中，加热单元为设置在反应室1中间部位的电热丝31，电热丝为U型电热丝次第相连而成，温度传感器4由温度探头、引线、温度显示器构成，温度探头为若干个且放置在不同深度土层中用于测土壤温度。

模拟器使用方法及工作原理：本实施例中的模拟器工作时，在野外研究区或室内原状土土壤表面上挖一个与反应器底部边缘相适配的凹槽，约3cm深，将反应室底部插入槽内，四周固定，打开U型电热丝开关进行加热，并根据试验设计设定好所需的温度范围和加热时间，加热丝的温度和每层土的温度通过温度探头感应，显示在温度显示器上，实验的同时需要打开集烟2单元的开关，集烟单元2水浴喷头34喷洒水雾，将烟尘沉降，以防有害烟尘的排放。工作结束后，将反应室1移开，按照实验要求分层取出土样，进行物理、化学和生物等性质分析。

实施例2：

一种森林火强度模拟器，如附图2,包括本体，由底面不封闭的反应室1、加热单元、集烟单元2和温度传感器4构成，温度传感器4由温度探头、引线、温度显示器构成，温度探头为若干个且放置在不同深度土层中用于测土壤温度。加热单元设置在反应室1内，集烟单元2设置在反应室1外，通过管道连接于反应室1。本实施例中，加热单元由燃烧喷嘴32及与其连接的输入管道33组成，燃烧喷嘴32均匀设置于反应室内顶部，输入管道33一端连接燃烧喷嘴，另一端连接气瓶或液瓶，集烟单元2内部设有水浴喷头34，用于将反应室1产生的烟尘沉降吸附。

使用时，在野外研究区或室内原状土土壤表面上挖一个与反应器底部边缘相适配的凹槽，约3cm深，将反应室底部插入槽内，四周固定。通过输入管道输入气体或液体，气体或液体的输入反应量根据试验所需的火强度与单位体积气体或液体的发热量进行换算设定(火强度的标准见表1)。

表1地表火和树冠火强度的分级标准

通过表1可以看出火强度与燃烧发热量之间的关系，并通过两个公式即可换算出气体或液体的输入反应量。

公式1：(强度等级的阈值)/(模拟器的边缘长度)＝(可燃物的总发热量)

公式2：(可燃物的总发热量)/(气体或液体单位体积的发热量)＝(气体/液体燃料体积)

通过燃烧喷嘴进行点火，对反应器底部的原状土点烧，火焰温度和每层土的温度通过温度探头感应，显示在温度显示器上。实验的同时需要打开集烟2单元的开关，集烟单元2水浴喷头34喷洒水雾，将烟尘沉降，以防有害烟尘的排放，工作结束后，将反应室1移开，按照实验要求分层取出土样，进行物理、化学和生物等性质分析。

本实施例和现有技术相比，较大的降低了成本，更安全；采用电热丝或者燃烧喷头作为加热单元，加热均匀，利于更精确地开展实验，更好地分析实验结果，而且本发明的设计大大降低了环境污染的可能性，利于环保。