本研究由 Edward G. Richter (Holmes)、Erica C. Fischer* 和 Amy Metz (俄勒冈州立大学土木与建筑工程学院) 以及 Brad P. Wham (科罗拉多大学博尔德分校土木、环境与建筑工程系) 共同完成。论文《Simulation of Heat Transfer Through Soil for the Investigation of Wildfire Impacts on Buried Pipelines》发表于 Fire Technology 期刊，于2022年3月23日在线发表，并于2022年收录于第58卷。
学术背景 本研究属于野火生态学、土木工程与市政基础设施安全交叉领域。近年来，美国西部野地-城市交界带（Wildland Urban Interface， WUI）社区频发历史性、毁灭性的野火，如2017年Tubbs火灾、2018年Camp火灾和2020年俄勒冈州劳动节火灾。这些火灾不仅造成巨大的人员伤亡和财产损失，还导致了严重的次生灾害——饮用水分配系统污染。研究发现，火灾后供水系统中检测出挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds， VOCs），如致癌物苯，污染源可能包括因系统失压吸入的灰烬，以及火灾高温导致的服务支管（Service Lateral）材料本身的热降解。
然而，社区缺乏一个系统性的框架来评估和识别供水基础设施在野火中的脆弱性。特别是，对于埋地管道，火灾期间地表热量如何通过土壤传递并影响管道温度，以及何时会超过管道的最高承压服务温度（Upper Limit Temperature for Pressure Service），从而可能导致塑料管道材料热降解并污染水质，尚缺乏量化的评估方法。因此，本研究旨在建立一个数值建模框架，通过模拟火灾期间热量通过土壤向埋地管道的传递过程，量化评估在典型WUI社区火灾条件下，常见服务支管材料是否可能超过其最高承压服务温度，从而为社区的防灾规划和基础设施韧性提升提供科学依据。
详细工作流程 本研究主要包含四个核心步骤，构成了一个完整的分析框架（如图2所示）。
第一步：建立并运行土壤热传导模型。 本研究利用一维瞬态热传导方程（公式1）来模拟热量在土壤中的传递。模型将地面视为半无限大体，并假设热量传递仅通过传导进行，这是基于前人研究在类似问题上的简化。模型的核心输入参数包括：地表热通量（q”）或地表温度（Ts）、加热持续时间（t）、土壤热扩散率（α）和管道埋深（x）。土壤的初始温度（Ti）设定为恒定的20°C。研究使用Python编写程序求解该偏微分方程。为了全面覆盖WUI社区可能遇到的情况，模型参数设置了宽泛的取值范围：地表热通量15-30 kW/m²（代表从林下火到建筑火灾的强度），地表温度100-900°C，加热持续时间15分钟至4小时，土壤热扩散率0.5×10⁻⁶ 至 1.8×10⁻⁶ m²/s（覆盖不同类型土壤），管道埋深0至0.5米（涵盖规范要求和实际可能的最小埋深）。模型输出为不同火灾情景和土壤参数下，沿土壤深度方向的温度分布。
第二步：进行敏感性分析。 在完成广泛的参数化模拟后，研究者设定了一个“基准情景”来评估各参数对地下土壤温度影响的相对重要性。该基准情景设定为：管道埋深0.305米（规范最低要求）、加热持续时间2小时、土壤热扩散率1.64×10⁻⁶ m²/s（代表类似Paradise, CA的土壤）、地表温度800°C。随后，在保持其他参数为基准值不变的情况下，分别将每个参数调整至其取值范围的最大值和最小值，观察并比较土壤在0.305米深度处的温度变化。通过这种“龙卷风图”（Tornado Diagram）分析，可以直观地识别出对管道周围土壤温度影响最大的关键参数。
第三步：计算管道壁及内部水温升。 在获得土壤温度分布的基础上，研究者进一步将土壤-管道界面处的温度作为边界条件，应用另一组一维瞬态热传导方程（公式3）来计算热量通过管道壁（以高密度聚乙烯HDPE为例）并传入内部静止水体的过程。这一步的模型考虑了管道材料（HDPE）的密度、比热容和热导率等恒定热物性参数（因缺乏温度依赖性的公开数据）。模型旨在探究在给定的土壤加热条件下，管道内壁（即与水接触的界面）的温度是否会超过管道的最高承压服务温度（对于HDPE为60°C），因为此处是污染物可能从管材迁移到水中的关键位置。
第四步：开发脆弱性曲线（Fragility Curve）。 为了将复杂的参数组合转化为对社区规划者更有用的决策工具，研究者基于大量的模拟结果（50,000次不同参数组合的模拟）开发了一条对数正态分布的脆弱性曲线。该曲线用于估计，在考虑了地表温度、加热持续时间、土壤热扩散率等所有参数的可能变化范围后，管道在某一特定埋深下，其周围土壤温度超过60°C（HDPE管道的最高承压服务温度）的概率。曲线通过最大似然估计法拟合得到两个参数：中位值（θ）和对数标准差（β）。这条曲线可以直观地展示管道埋深与其过热风险概率之间的关系。
主要结果 土壤热传导模拟结果： 模拟结果清晰地展示了各参数对地下温度场的影响。1) 地表热通量与温度：增加地表热通量会显著提高地表温度及地下各深度的温度。例如，在2小时加热下，热通量从15 kW/m²增至30 kW/m²，地表温度从538°C升至1056°C，导致60°C等温线深度从0.24米加深到0.28米。然而，与加热持续时间相比，地表温度的影响相对较小。将地表温度从600°C提高到900°C，仅使60°C等温线深度增加约10%。2) 加热持续时间：这是影响热量向地下传递深度的最关键因素之一。在热扩散率为1.64×10⁻⁶ m²/s、地表温度600°C的条件下，加热时间从15分钟延长到2小时，60°C等温线深度从0.099米大幅增加到0.266米。在更长的4小时加热下，即使地表温度仅为233°C，也能在0.3米深度处使土壤温度超过60°C。这表明持续的、长时间的加热比短暂的高温峰值对埋地管道构成更大的威胁。3) 土壤热扩散率：土壤热扩散率越高，热量向地下传递得越快、越深。在0.1米深度、4小时加热的情景下，热扩散率为1.8×10⁻⁶ m²/s的土壤只需81°C的地表温度就能达到60°C，而热扩散率为0.5×10⁻⁶ m²/s的土壤则需要119°C。4) 埋深：埋深是决定管道最终温度的最关键参数。模拟显示，在极端火灾情景（900°C， 4小时， α=1.8×10⁻⁶ m²/s）下，0.46米埋深处的土壤最高温度仅为58°C，略低于60°C的阈值；而在0.1米深度，温度可高达600°C以上。这突显了规范埋深（0.305米）和行业推荐埋深（0.46米）对于保护管道免受火灾热影响的重要性。
敏感性分析结果： 龙卷风图（图10）定量证实了上述观察。对0.305米深度处土壤温度影响最大的参数是埋深。将埋深从0.305米减小到0.1米，土壤温度从60°C飙升至427°C；而增加到0.5米，则温度降至21°C。影响第二大的参数是加热持续时间，从2小时增加到4小时，温度上升了146%（从60°C到147°C）。土壤热扩散率的影响次之，而地表温度的变化对地下该深度温度的影响相对最小。这一分析为后续脆弱性分析中选取埋深作为关键指标变量提供了依据。
管道壁传热结果： 针对基准情景（地表热通量20 kW/m²， 埋深0.3米）的进一步计算表明（图11），在4小时加热条件下，HDPE管道的外壁、内壁以及内部水体中心点的温度都会超过60°C。而对于更短的加热持续时间（15分钟、30分钟、1小时、2小时），管道内壁和内部水温均保持在60°C以下。这说明，即使土壤温度在某些条件下可能超过管材阈值，热量传递到管道内部并使内壁达到危险温度还需要更长的暴露时间。这指出了未来研究需要关注热暴露时间与污染物迁移之间关系的重要性。
脆弱性曲线结果： 基于大量模拟数据拟合出的脆弱性曲线（图12）显示，管道过热风险随埋深减小而急剧上升。曲线中位值（θ）为0.19米，意味着在考虑所有参数变化后，埋深小于0.19米的管道有50%的概率其周围土壤温度会超过60°C。在规范最低埋深0.305米处，这一概率降至17%。在行业推荐的0.46米埋深处，概率进一步降低到3.8%。而在仅0.1米的浅埋深度（可能出现在房屋连接处），过热概率高达90%。这条曲线为WUI社区提供了一个直观的风险评估工具。
结论与意义 本研究得出结论：在WUI社区预期的野火条件下，埋地服务支管（特别是塑料管道）存在因土壤传热而超过其最高承压服务温度（如HDPE的60°C）的显著风险。风险程度高度依赖于管道埋深和地表火持续时间。模型计算表明，在典型火灾条件下，60°C的阈值温度在深度达0.45米处仍可能被超过。脆弱性分析进一步指出，在深度达0.19米处，管道有过半的概率会超过此温度。
本研究的科学价值在于首次建立了一个系统的、参数化的热传导模型框架，用于量化评估野火通过土壤对埋地管道造成的热威胁。它将火灾科学、土壤热物性与市政工程材料性能联系起来，填补了该交叉领域的知识空白。其应用价值尤为突出：1) 为社区提供规划工具：脆弱性曲线可直接帮助市政部门评估现有供水网络的脆弱性，并在未来规划和改造中，针对高风险区域（如浅埋区域）考虑使用更耐热的管材或增加埋深。2) 指导灾后响应与修复：研究指出，仅凭肉眼观察管道是否熔化来判断污染风险是不充分的。模型结果可以帮助决策者在灾后快速识别可能受热超过安全阈值的管道区段，进行优先检测和更换，从而更高效地恢复供水安全。3) 指明未来研究方向：研究揭示了当前知识的不足，例如缺乏塑料管材热物性随温度变化的数据，以及管道内壁温度超过阈值后污染物迁移的动力学过程，为后续研究指明了方向。
研究亮点 1. 研究目标具有重要现实意义：聚焦于野火次生灾害——饮用水系统污染这一新兴且严峻的公共安全问题，选题精准且紧迫。 2. 建立了完整的分析框架：研究并非单一模拟，而是构建了一个从土壤传热到管道壁传热、再到概率风险评估的完整建模链条（图2），逻辑清晰，系统性强。 3. 深入的参数化分析与敏感性识别：通过大范围的参数扫描，不仅展示了各种火灾-土壤情景下的温度分布，更通过敏感性分析定量识别出“埋深”和“加热持续时间”是关键主导因素，这比单纯展示温度结果更具指导价值。 4. 开发了工程实用的脆弱性曲线：将复杂的多参数物理模型输出，转化为以“埋深”为单一变量的概率风险曲线，极大提升了研究成果对工程实践和社区规划的可操作性。 5. 揭示了规范埋深的保护作用与局限：研究明确验证了将管道埋设到规范要求深度（如0.305米以下）对于防范野火热威胁的有效性，同时也指出在极端长时间火灾或浅埋情况下风险依然存在，为规范条款提供了科学验证和补充依据。
其他有价值内容 论文还详细讨论了研究的局限性，包括：模型仅考虑了热传导，忽略了辐射和对流；假设地表温度和热通量恒定，而实际火灾中是变化的；假设土壤和管材的热物性为常数，未考虑其随温度的变化；脆弱性曲线是基于参数范围而非具体土壤类别构建的。这些诚实的讨论为模型应用的边界和未来改进方向提供了清晰说明。此外，论文在引言和背景部分系统梳理了野火导致水系统污染的机制、相关前期研究以及土壤热物性的关键影响因素，为读者提供了扎实的知识背景。