一种森林防火水库及库容计算方法

技术领域

本发明涉及森林防火技术领域，具体地指一种森林防火水库及库容计算方法。

背景技术

森林火灾仍时有发生并具有很强的不可预见性，且发生地往往交通不便，发生后火势较大并快速蔓延，灭火人员及一般灭火器材难以接近实施有效灭火，处置救助较为困难，不仅烧毁大片森林、林区贮木场，还会烧毁大量建筑物、民房，甚至造成当地居民及灭火人员伤亡，给国家森林资源和人民生命财产带来了巨大的损失。目前，森林火灾扑救常采用直接扑救法、间接扑救法、航空灭火和人工降雨灭火等方法，其中直接扑救法中的用水灭火法是现今最普通、方便、廉价、效果又好的灭火方法，但由于森林火灾常发生在干燥季节且位置偏僻，支沟可用水量、交通不便、载水量和往返时间等因素限制了直升机、消防车等灭火工具用水灭火的效果。灭火水源的水量及其运输方式对于灭火效果起到至关重要的作用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种森林防火水库及库容计算方法，以解决发生森林火灾时着火点附近缺水和交通不便输水困难问题，提高森林火灾灭火速度和效果，减少火灾损失。

本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种森林防火水库，包括设于森林河道附近的大坝，大坝蓄水后形成森林防火水库，防火限制水位h

优选地，所述输水管网靠近大坝附近的位置设有阀井，阀井内设置有阀门，用于控制出流。

优选地，上述森林防火水库的防火库容计算方法包括如下步骤：

S1：从森林防火水库往易着火的山林区域铺设输水管网，并按设计预留多个出水点，形成森林防火供水系统；

S2：先用直线连接相邻出水点，构成若干个三角形，再作每个三角形各边的垂直平分线，这些垂直平分线彼此连接后将出水点覆盖的森林区域分成若干个多边形，覆盖区域边界处的多边形以覆盖区域边界为界，每个多边形内有一个出水点，使得多边形区域内的任何位置离该多边形的出水点的距离均最近；

S3：扑灭不同位置多边形覆盖区域内的森林火灾要考虑不同的影响因素，涉及不同地势构造山林多点同时发生火灾的概率；不同比例的乔木、灌木和草本植被种类组成森林区域的系数；水库水流流经输水管网、蓄水池、和出水点组成的不同输水管网的损失系数；抽水蓄能电站上、下库均设置防火库容时综合两库联动的效率等参数的取值；

S4：以每个多边形内出水点扑灭不同种类植被火情的喷水量代表该多边形面积上灭火的综合需水量，最后按单位面积灭火的综合消防流量、灭火时长和面积大小推求覆盖区域内灭火的总需水量，并综合考虑各类影响因素，以此来推算防火库容；覆盖区域内防火库容V计算公式如下式：

式中：

A

q为能够抑制覆盖区域单位面积火灾发展态势的综合消防流量，(m

β为植被种类系数，不同比例的乔木、灌木和草本等植被种类组成森林区域的系数取值不同，取值需根据实际测量；

θ为水库水流流经输水管网、蓄水池、和出水点时的有效利用系数，不同输水管网其有效利用系数取值不同，一般取值范围为0.8-1.0；

λ为两库联动系数，抽水蓄能电站上、下库均设置防火库容时综合考虑两库联动的效率取值，非抽蓄电站取值为1。

优选地，对于已建水库，它还包括如下步骤：

S5：水库库容的量算根据其水库图纸，在适当比例尺的河道地形横断面图上量得的坝址以上若干条等高线所包围的面积进行概算，将各相邻等高线之间的水库体积用平均面积法计算，然后进行汇总求和，如下式(1-2)；

式中：

A

△h为相邻两等高线之间的距离，m；

S6：当△h划分越小，V计算越准确，当△h无穷小时，可根据各高程对应水库面积精确求出对应的库容，确定水库水位和水库面积曲线、水库水位和库容关系曲线；

S7：根据上述公式(1-1)可以求得V

本发明的有益效果：

1、本发明提出了森林防火水库、防火库容、防火限制水位等概念，把水利工程的概念同消防工程结合起来，促进了学科交叉和融合创新；同时，本发明结合实际情况重点应用于易发生火灾的所覆盖区域内的森林，解决了森林灭火最为关键的水源问题，改变了传统消防人员处理林区灭火重新构造消防水带通道的繁琐过程，在控制灭火的同时，辅以更便捷、更充足、更高效、更安全的人工灭火方式，既能达到保护绿色森林资源的作用也能一定程度上降低消防人员工作的危险性，减少伤亡率。

2、覆盖的范围广：通过水工建筑物和管网设施的配合，能够达到山林全空间区域的覆盖，水源统一集约分配，有利于充分高效发挥灭火效率。

3、提供近水条件：当防火水库覆盖区域外发生火灾时，按临近覆盖多边形区域内发生火灾启动，为消防人员处理着火点提供近水条件，减少重新搭建灭火水源通道，及时扑灭火灾。

4、反应速度快：本发明有利于传感器预警+信息系统报警相结合、自动出水+人工控制相结合的方式，有利于及时从小火苗源头上扑灭火灾，控制火势的扩大。

5、科学管理：出水点点状分布+覆盖区域网格化管理，通过预设方案流程化管理，科学、合理、有序控制管网输水，满足消防要求的同时节约水资源；

6、节省消防投资成本：本发明结合已有河流湖泊和抽蓄水库，避免了重新开挖、浇筑、防渗等工程成本的再次投入。

7、定量设计防火库容：本发明根据防护区域，运用计算方法公式准确计算所需防火库容，为森林防火水库的设置提供理论基础。

8、合理选取防火库容区间：通过拟定多个取水口高程，根据计算方法得到多个防火限制水位及防火库容所在水库区间，考虑尽量减少对水库原有发电、防洪等效益的影响，选取最合理的防火库容区间。

附图说明

图1为一种森林防火水库的结构示意图；

图2为一种森林防火库容计算方法示意图；

图3为某水库水位-库容、水位-水库面积关系曲线图；

图4为防火特征水位和库容划分示意图；

图5为ZS水库水位与库容关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，一种森林防火水库，包括设于森林河道附近的大坝1，大坝1蓄水后形成森林防火水库2，防火限制水位h

优选地，所述输水管网3靠近大坝1附近的位置设有阀井5，阀井5内设置有阀门4，用于控制出流。

优选地，本发明提出来的森林防火水库库容计算方法中的防火水库位于山顶等高地，其水源来源于降雨、地表径流、周边河流湖泊汇集或水泵抽水，既可重新修建也可利用已有水库、蓄水池或抽蓄电站的上水库。从防火水库往易着火的山林区域合理铺设输水管网，并按设计预留多个出水点，形成森林防火供水系统。以水库设置位置为基准，在低海拔的森林区域通过管道采用重力自流供水灭火，即在水库深部设置不同方向的输水管，利用水库水头、阀门启闭控制水源的输送；在高海拔的森林区域，通过泵站设计扬程提水灭火。

优选地，上述森林防火水库的防火库容计算方法包括如下步骤：

S1：从森林防火水库2往易着火的山林区域铺设输水管网3，并按设计预留多个出水点6，形成森林防火供水系统；

S2：先用直线连接相邻出水点6，构成若干个三角形，再作每个三角形各边的垂直平分线，这些垂直平分线彼此连接后将出水点6覆盖的森林区域分成若干个多边形，覆盖区域边界处的多边形以覆盖区域边界为界，每个多边形内有一个出水点6，使得多边形区域内的任何位置离该多边形的出水点6的距离均最近；

S3：扑灭不同位置多边形覆盖区域内的森林火灾要考虑不同的影响因素，涉及不同地势构造山林多点同时发生火灾的概率；不同比例的乔木、灌木和草本植被种类组成森林区域的系数；水库水流流经输水管网、蓄水池、和出水点组成的不同输水管网的损失系数；抽水蓄能电站上、下库均设置防火库容时综合两库联动的效率等参数的取值；

S4：以每个多边形内出水点6扑灭不同种类植被火情的喷水量代表该多边形面积上灭火的综合需水量，最后按单位面积灭火的综合消防流量、灭火时长和面积大小推求覆盖区域内灭火的总需水量，并综合考虑各类影响因素，以此来推算防火库容；覆盖区域内防火库容V计算公式如下式：

式中：

A

q为能够抑制覆盖区域单位面积火灾发展态势的综合消防流量，(m

β为植被种类系数，不同比例的乔木、灌木和草本等植被种类组成森林区域的系数取值不同，取值需根据实际测量；

θ为水库水流流经输水管网、蓄水池、和出水点时的有效利用系数，不同输水管网其有效利用系数取值不同，一般取值范围为0.8-1.0；

λ为两库联动系数，抽水蓄能电站上、下库均设置防火库容时综合考虑两库联动的效率取值，非抽蓄电站取值为1。

防火库容的设计最大值为一定时段内、覆盖于森林易着火区域内的出水点全部同时启动计算出来的库容值，考虑新建防火库容的成本和已有水库库容用于发电、供水等方面的效益，并根据森林火灾发生的实际情况制定不同的系数，用于计算能够有效抑制、扑灭森林火情且经济成本相对低的最优防火库容值。

实际上，覆盖区域全部易着火点同时发生火灾的可能性较低，可根据预警设备警示的区域，启动相应多边形内及相邻区域覆盖的出水点，关闭不相关区域内的出水点，进行分区域灭火，减少水库水量的消耗。

优选地，对于已建水库，它还包括如下步骤：

S5：水库库容的量算根据其水库图纸，在适当比例尺的河道地形横断面图上量得的坝址以上若干条等高线所包围的面积进行概算，将各相邻等高线之间的水库体积用平均面积法计算，然后进行汇总求和，如下式(1-2)；

式中：

A

△h为相邻两等高线之间的距离，m；

S6：当△h划分越小，V计算越准确，当△h无穷小时，可根据各高程对应水库面积精确求出对应的库容，确定水库水位和水库面积曲线、水库水位和库容关系曲线(如附图3)；

S7：根据上述公式(1-1)可以求得V

总的来说，本发明中森林防火水库库容计算方法的设计思路是：先根据考虑了多因素的综合防火库容计算公式，来确定覆盖区域所需防火库容的大小；再通过拟定多个取水口的高程来确定防火死水位，进而根据公式(1-2)并辅以水库水位与水库库容关系曲线(附图3)一一对应得到防火限制水位，通过多方面比选确定最优的防火特征水位和库容，落实森林防火水库的具体设计应用。

另外，上述平均面积法既是确定水库面积曲线和水库库容曲线的依据也是一种近似且简单的粗略算法，可以作为本发明提出的考虑多因素综合改进的防火库容计算方法的验算方法，达到计算具体的防火库容结合所处的山势地形、库区情况、植被种类等多重因素去更合理设计的目的，两种方法对比验证考虑，即能预估相应的库容值又能符合实际防火需要。

本发明中，防火库容是指防火限制水位以下防火死水位以上的水库库容。通常情况下，对于有森林防火要求的水库运行水位不得低于防火限制水位，而防火限制水位的设置低于防洪限制水位。防火死水位与发电死水位互相独立，只取决于输水管道位置的高低，可以比发电死水位低，以免防火库容影响发电流量，详细特征水位和库容划分如附图4所示。

本发明提供一个算例如下：

ZS水库主要为ZS灌区供水，是一座以农业灌溉、防洪为主，兼有城镇供水和水产养殖等综合利用效益的中型水库。通过对ZS水库的扩建，改善了附近集镇和沿线灌区的农业灌溉及生活用水问题，有利于促进当地社会经济持续、稳定和快速发展。当地属于气候中亚热带半干旱气候，且山林密布，发生火灾可能性高。对ZS水库设置防火库容，有利于有效避免森林资源和周边居民生命财产受大火损害。

根据本发明提出的森林防火水库库容计算方法，以ZS水库库区为基准点，根据其覆盖区域易着火点合理设计输水管网，构建多个出水点形成的森林防火供水系统。根据出水点直线连接形成三角形，再由其垂直平分线交线构造多个出水点覆盖的多边形区域，由此出水点取水扑灭该区域内的火灾。

扑灭ZS水库覆盖区域内森林火灾需要考虑的各个影响因素如下：①期望概率系数α，根据当地的地势构造森林区域多点同时发生火灾的概率取值为0.8；②植被种类系数β，根据当地地区各个比例的乔木、灌木和草本等植被种类组成森林区域的系数取值为0.7；③水库水流流经输水管道、蓄水池、和出水点时的有效利用系数θ，根据其设计输水管网其有效利用系数取值为0.95；非抽水蓄能电站，故两库联动系数取值为1.0。

ZS水库覆盖的各个防火总区域为半径3公里森林，面积约为28260000m

根据计算防火库容公式计算所需的防火库容约为902万m

ZS水库校核洪水位2446.60m、总库容3494万m

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。