基于有限元热分析的长白落叶松人工林采伐迹地地表温度的研究
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基于有限元热分析的长白落叶松人工林采伐迹地地表温度的研究*耿志伟1,张德新1,2,薛伟1(1.东北林业大学,黑龙江哈尔滨150040; 2.长白山森工集团,吉林延吉133000)摘要:长白落叶松人工林采伐迹地具有与其他林地不同的独特性质,因此其地表温度变化也呈现特定的规律。
本文应用有限元热分析的方法,利用线性单元建立热传导分析模型,对长白落叶松人工林采伐迹地地表的温度场进行分析。
将分析结果与实测结果进行比较,验证了分析模型的可行性。
表明基于有限元热分析的人工落叶松林采伐迹地地表温度模拟具有一定的实际意义,可以为长白落叶松人工林采伐迹地的更新改造、林木管理以及森林防火提供一定的理论依据。
关键词:有限元热分析;人工长白落叶松;采伐迹地;温度场中图分类号:S76文献标识码:A文章编号:1672-8246(2014)03-0016-06Study on Land Surface Temperature of Cutting-blank of Larix olgensis Plantation based on Finite Element Thermal AnalysisGENG Zhi-wei1,ZHANG De-xin1,2,XUE Wei1(1.Northeast Forestry University,Harbin Heilongjiang150040,P.R.China;2.Changbai Mountain Forest Indurstry Group,Yanji Jilin133000,P.R.China)Abstract:Cutting-blank of Larix olgensis plantation has unique properties which different from other forest lands,therefore the changes of its land surface temperature also presents specific laws.With application of finite element thermal analysis approach and establishment of heat conduction analysis model with linear unit,the land surface temperature of cutting-blank of Larix olgensis were analyzed,and the comparison between analysising results and actual measured results were conducted for testing the feasibility of this model.The result showed that the simula-tion of land surface temperature dynamics of the cutting-blanks of Larix olgensis plantation based on finite element thermal analysis has practical significant meaning in providing theorical basis for renovation,forest management and forest fire prevention in cutting-blank of Larix olgensis plantation.Key words:finite element thermal analysis;Larix olgensis plantation;cutting-blanks;temperature field地表温度不仅直接影响林地林木的生长、发育,而且间接影响土壤热通量等其他热状况因素,甚至在时空尺度上影响森林生态系统的恢复和群落的演替进程。
长白落叶松(Larix olgensis)人工林采伐迹地具有与其他林地不同的性质,因此其地表温度变化也呈现特定的规律[1]。
目前对林区地表温度的研究较少,且较多采用实验方法[2],利用软件进行热分析模拟的很少。
本文采用有限元热分析的方法,对长白落叶松人工林采伐迹地的土壤温度进行模拟分析,直观地观察长白落叶松人工林采第43卷第3期2014年6月西部林业科学Journal of West China Forestry ScienceVol.43No.3Jun.2014*收稿日期:2014-02-16基金项目:黑龙江省教育厅科学技术研究资助项目(11553031)。
第一作者简介:耿志伟(1990-),女,河北沧州人,硕士研究生,主要从事森林工程方面的研究。
通讯作者简介:薛伟(1962-),男,黑龙江绥化人,教授,博士,博士生导师,主要从事森林工程方面的研究。
伐迹地的温度场分布。
并将模拟结果与实测温度进行比较,验证模型的可行性,具有一定的创新意义。
对长白落叶松人工林采伐迹地地表温度进行模拟研究,便于对林地环境进行预测,节约时间和成本,可为促进采伐迹地的更新改造、林木管理以及加强森林防火提供一定的理论依据。
1研究地概况研究区域位于吉林省白河林业局的黄松浦林场境内,地处北纬42ʎ03' 42ʎ04',东经127ʎ53' 127ʎ54',平均海拔500 700m ,处于阳坡,平均坡度5ʎ。
土质较薄,一般在10 20cm ,腐殖质平均在5cm 左右,杂木及灌木生长较少。
年平均温度3.0ħ,最高气温27.9ħ,最低气温-36ħ,无霜期110天,年降雨量700mm ,年平均风速2.3m /s ,冬季寒冷漫长,夏季潮湿温暖,春秋干旱多风,属于北寒大陆性气候。
该长白落叶松人工林采伐迹地采用择伐方式,择伐强度为25%,保留郁闭度0.6。
2地表温度变化的影响因子及其参数选取2.1地表温度变化的影响因子地表温度的环境参数包括环境温度、热量、对流换热系数。
热量来源包括太阳的辐射能、生物热、地球内热,其中最主要的热量来源是太阳辐射能[3];对流换热系数主要与风速有关[4]。
因此模拟过程中环境参数包括环境温度、太阳辐射量、对流换热系数。
2.2参数选取及其方法2.2.1环境参数选取(1)环境温度根据历史气候提供的资料可知白河林业局黄松浦林场月平均最高温度、月平均最低温度(表1),加载的环境温度取月平均温度。
表1黄松浦林场月平均温度表Tab.1Monthly mean temperature of Huang-Song Pu Forest Farmħ月份123456789101112平均最高-11-61111923282919121-9平均最低-24-20-101815181491-10-20表2郁闭度系数表Tab.2Crown density coefficient 郁闭度 1.00.90.80.70.6郁闭系数0.10.140.190.250.30表3坡向系数表Tab.3Slope direction coefficient 坡向正阳面台地半阳面半阴面正阴面坡向系数10.80.60.40.2(2)太阳辐射量太阳辐射中很大一部分能量被地面反射,地表性质和状态不同,反射率也不同[5]。
对于郁闭冠层,到达地表的辐射量不超过净辐射的10% 15%,对稀疏植被或裸地,辐射量可高达净辐射的50%[6]。
采伐迹地的郁闭度系数、坡向系数及季节系数见表2 4。
由此可见,即使总辐射的强度一样,地表性质不同,接收到的辐射量不同,地表温度也就不同。
在本项研究过程中不考虑太阳辐射的年周期变化,太阳辐射强度=太阳常数(1367W /m 2)ˑαˑβˑγ。
表4季节系数表Tab.4Season coefficient 季节春季夏季秋季冬季季节系数0.710.80.5(3)风速有关研究表明,在0 20m /s 的风速范围内,林地表面的对流换热系数h 与风速V 成线性关系:h =5.8+3.7ν[7]。
表5采伐迹地月平均对流换热系数Tab.5Monthly average convection heat transfer coefficient of cutting-blank landW /m 2·K 月份123456789101112v 2.6 2.5 3.9 2.2 1.8 1.9 1.5 2.0 1.2 2.4 2.7 3.0h15.4215.0520.2313.9412.4612.8311.3513.210.2414.6815.7916.971第3期耿志伟等:基于有限元热分析的长白落叶松人工林采伐迹地地表温度的研究2.2.2采伐迹地地表热学性能参数计算时采用测得的平均土壤密度值2.45g /cm 3。
土壤的体积热容量由公式C ν=1.92(1-Q S )+4.18Q V 计算得出[8],其中,Q S 、Q V 分别为土壤饱和体积含水量、实际体积含水量,由环刀法在研究地直接测得。
热扩散系数取用由凯波法计算所得值,为0.57/(cm 2·S )[9]。
2.3采伐迹地温度测量方法2.3.1地表温度测量设备简介人工长白落叶松采伐迹地地表温度采用RHD-4型多点土壤温度记录仪进行测量。
该多点土壤温度记录仪采用铂电阻为测量元件,温度测量范围为-40ħ 120ħ,温度分辨率为0.1ħ,测量精度ʃ0.2ħ,可以满足实验要求[10]。
全程跟踪记录被测环境中的温度数据,单台可以外接6条温度记录通道,记录容量达130000条,记录仪间隔1min 24h 可调,并且存储时间长,1h 1条,能存储2700天。
电池使用寿命可达半年以上,具有断电数据自动存储保护功能。
可脱开计算机独立工作,并可以存储为Excel 表格文件,当需要查看当前环境数据时可通过通讯接口由计算机读取记录仪内的数据。
2.3.2地表温度测点布置在该人工长白落叶松采伐迹地共设置RHD-4型多点土壤温度记录仪6台,每台仪器设置6个测温通道,各测点距离测量仪10m 。
地表温度测量过程中设置测量间隔2h ,检测人员每个月查看设备1次,读取数据并进行整理。
并且1 3月、11 12月份对设备进行保暖处理,进入雪季定期清理测点积雪。
测点布置如图1所示。
图1地表温度测点布置图Fig.1Points layout for measuring surface temperature3采伐迹地地表温度的有限元模拟及对比3.1采伐迹地温度有限元热分析步骤及其模型有限元法是伴随着电子计算机技术普及应用而迅速发展起来的一种非常有效的数值计算方法。