北京地区主要针叶林型林火行为1)

2012-06-13牛树奎

东北林业大学学报 2012年2期

孙武牛树奎

(省部共建森林培育与保护教育部重点实验室(北京林业大学)，北京，100083)

森林火灾给人类造成严重的危害，所以人们需要认识火行为发生发展的规律，以便预防和扑救。林火行为是森林可燃物从被点燃开始到发生发展直至熄灭的整个过程中所表现出的各种现象和特征。火行为受可燃物、火环境(气象、地形和植被)和火源条件的制约和控制［1］72。国外在林火行为方面的研究起步较早，建立起许多适用模型，并在实际应用中得到了不断完善，如美国、加拿大和澳大利亚等国都建立了火行为模型［2］。国内许多学者也通过建立相关模型来进行林火预报［3－7］。这些火行为预报和可燃物模型系统以计算机软件形式提供给用户，为扑火指挥人员选择最佳扑火方式和调配扑火力量提供咨询［7］。美国北方林火实验室以Rothermel模型［8］为支持，在大量试验的基础上建立了一整套火蔓延的数学模型，并由此编制了一个预测林火行为的大型程序——BehavePlus软件。通过输入可燃物的分布特性参数及相应的气象条件(风速、环境湿度等)和地形条件(坡度)后，即能算出若干火蔓延过程中火行为特征量的值。国内在林火行为方面的研究大多以实验室模拟为主，模型多为经验性的，应用于实践的很少［9］。本研究参照美国Rothermel模型，利用 BehavePlus软件［10］，建立适合八达岭地区的自定义林火蔓延模型，计算4种林型的火行为状况，即蔓延速率、单位面积发热量、火线强度、火焰长度，从而根据火行为预测状况，制定相应的林火扑救对策。

1 研究地区概况

研究区域八达岭林场位于北京市延庆县东南部。该地区年均降水量454 mm，降水多集中在7、8月份，年平均气温10.8℃，年平均风速3.1 m，平均相对湿度56.2%。海拔范围400～1 250 m，平均海拔780 m，坡向多为阴和半阴坡，坡度多在30°～35°。八达岭林场自20世纪50年代封山育林开始种植人工林，有大面积的针叶林分布，主要包括侧柏林(Platycladus orientalis)、油松林(Pinus tabuliformis)、华山松林(Pinus armandii)和华北落叶松林(Larix principis-rupprechtii)。油松林的分布面积最大，以中龄林居多;侧柏林和华山松林都属于幼龄林;华北落叶松林多分布在海拔1 059 m左右，以中龄林为主。由于流动人口多，所以林火发生比较频繁。林火的发生多集中在10月至次年5月，而3、4月份是火灾的高发期，占林火总数的70%左右。

2 研究方法

2.1 模型及计算方法

目前应用广泛的林火蔓延模型是Rothermel模型［8］，该模型是Rothermel在芬特逊研究的基础上于1972年提出来的:

式中:R为火蔓延速度;IR为火反应强度;ξ为与热传播有关的系数;φw和φs分别为风和地形坡度影响系数;ρb为可燃物复合体烘干后的体密度;ε0为与体密度有关的加热系数;Qig为点燃单位质量可燃物需要的热量。

在 Rothermel 公布可燃物模型以后［11－12］，Anderson和 Brown于 1982 年［13］，Scott and Burgan于2005年陆续开发的BehavePlus软件现已发展到53个火行为的可燃物标准模型。本研究使用Behave-Plus fire modeling system(version 5.0)［14］。

在BehavePlus软件中，火线强度的计算方法采用1959年美国物理学家Byram提出的火线强度计算公式:

式中:I为火线强度［Btu/(ft·s)］;H为可燃物热值(Btu/lb);W为有效可燃物负荷量(lb/ft2);R为火蔓延速度(ft/s)。

转换为国际单位，火强度计算公式(式(2))则变为:

式中:I为火线强度(kW/m);H为可燃物热值(kJ/g);W为有效可燃物负荷量(t/hm2);R为火蔓延速度(m/min)。

Byram同时提出了利用火线强度计算火焰长度的公式:

式中:I为火线强度［Btu/(ft·s)］;Lf为火焰长度(ft)。

转换为国际单位，公式(4)则转换为:

式中:I为火线强度(kW/m);Lf为火焰长度(m)。

BehavePlus是一套火行为系统的一部分，这套系统还包括 FlamMap、FARSITE、FireFamily Plus等。BehavePlus在预测火行为及计划火烧和可燃物的危险评估中都有应用［15］。BehavePlus由用户进行输入，而不使用地理信息系统(GIS)中的数据［16－18］。结果用表格和曲线图的形式表示，输出的结果能作为数据表或其他程序的原始数据，作进一步的分析或测绘。

2.2 可燃物模型参数的确定

设置20 m×20 m(侧柏林)、20 m×30 m(华山松林)、30 m×30 m(华北落叶松林)、20 m×50 m(油松林)大小的标准地，进行基本林分因子(树种组成、平均树高、平均胸径、冠幅、郁闭度)、地形因子(海拔、坡度、坡向、坡位)和气象因子(风速)调查。对上下层枯落叶及4个时滞的枯枝负荷量进行称量，并在林火实验室对枯枝可燃物含水率、活针叶灰分质量分数、抽提物质量分数和热值进行测量，确定各项可燃物模型参数。

2.3 可燃物模型火行为的计算

本研究利用BehavePlus软件计算可燃物模型的火行为状况，采用自定义可燃物模型的方式，通过输入不同的可燃物模型参数，如不同时滞的地上枯枝载量、可燃物厚度、可燃物含水率、热值、风速、坡度等，来建立八达岭地区主要针叶林的可燃物火行为模型。

决定火行为的主导因素很多［19］。BehavePlus软件的开发者认为，地上可燃物载量、可燃物含水率和风速起决定性作用［20］，特别是1h地上枯枝在地表火蔓延过程中起支配性作用［21］。因此，本研究采用1 h地上枯枝的载量和含水率作为火行为状况分析的双变量，不同的林分输入不同的10 h含水率、100 h含水率、热值及坡度等林火因子数值，并采用一些固定的可燃物模型参数，如可燃物表面积/体积、熄灭含水率和风速等，便于对不同林分火行为状况进行比较和分析。

模型输出的火行为指标有:地表火蔓延速率(m/min)，是火通过地表可燃物的速度［22］;单位面积发热量(kJ/m2)，指火头内单位面积释放的热量，它不受风、坡度和蔓延方向的影响;火线强度(kW/m)指火头从前到后1 m宽的可燃物床单位时间释放的热量，火线强度是蔓延速度和单位面积热量的函数，并直接与火焰长度相关［23］;火焰长度(m)，火焰长度对于灭火人员很直接，并能转化为火强度，所以它是一个主要的火变量［24］。

3 结果与分析

3.1 可燃物模型参数理化性质比较

3.1.1 可燃物负荷量

可燃物负荷量是指单位面积上可燃物的绝干质量。本研究主要研究地表火模型，所指可燃物负荷量为有效可燃物负荷量(表1)。

4种针叶林中，侧柏林、华北落叶松林的枯枝落叶上层负荷量较大，极易引发地表火;油松林、华山松林地表易燃可燃物多，包括草本、较低的灌木和林木下层的细小可燃物(叶和小枝)，这些可燃物颗粒小，受气象要素影响较大，易燃烧，能促进林火蔓延，增大火灾强度，易形成高强度地表火［25］。

表1 地表可燃物负荷量t·hm－2

3.1.2 可燃物含水率

可燃物含水率影响到林火的发生、蔓延速度和火线强度等火行为状况，是进行林火监测的重要因素［26］，特别是1 h枯枝的可燃物含水率在林火蔓延中具有重要意义。本研究在软件中采用动态可燃物含水率参数，为了便于比较，分别计算了1 h枯枝含水率在3%、6%、9%、12%、15%、18%、21%这几个不同情况下的火行为状况，可以在曲线图中看到不同含水率时不同树种之间火行为的差异。

3.1.3 可燃物热值

可燃物热值是指在绝干状态下单位质量的可燃物完全燃烧时所放出的热量［27］，单位为kJ/g。通过试验测得4种针叶树活针叶和地上枯枝的热值(表2)。由表2可以看出，4种针叶林树种的热值都很高，都大于18.8 kJ/g，它们都属于高热值的可燃物，发生森林火灾时释放的能量大，火强度大［28］。本研究可燃物模型有一个输出值是单位面积发热量，就是可燃物发热量，它与可燃物热值和含水率有关。可燃物发热量越大，扑火人员越不容易接近火源，扑火难度越大［29］。

表2 4种针叶树活针叶和地上枯枝的可燃物热值kJ·g－1

3.1.4 活针叶理化性质对比

树种的理化性质直接影响森林燃烧性及其火行为特点［30］。测定分析树种这些基础数据，可为研究火行为提供依据。4种针叶树的活针叶理化性质的差异见表3。

抽提物质量分数的大小是可燃物易燃性的重要指标。抽提物质量分数＜3%时为低含量;3%≤抽提物质量分数＜6%时为中含量;抽提物质量分数≥6%时为高含量［1］35。由表3可以看出，4种针叶树的抽提物含量都很高，都属于易燃可燃物。

表3 4种针叶树活针叶理化性质的差异

灰分质量分数是指可燃物中矿物质的含量，可大大降低火焰的活动，对能量的释放起抑制作用，因此热值与灰分质量分数成反比，灰分质量分数越低，热值越高。一般情况下，可燃物灰分质量分数＜5%时为低灰分含量;5%≤灰分质量分数＜10%时为中灰分含量;灰分质量分数≥10%时为高灰分含量［1］36。由表3可以看出，油松和华山松灰分含量较低，而侧柏和华北落叶松都为中灰分含量，都易燃。

3.2 可燃物模型

3.2.1 侧柏林地表火火行为状况

自定义侧柏林林火蔓延模型，分别计算了侧柏林1 h枯枝含水率在3%、6%、9%、12%、15%、18%、21%这几种不同情况下的火行为指标(图1～图4)。

图1 侧柏林地表火在不同枯枝含水率下的蔓延速率

由图1～图4可以看出，侧柏林可燃物负荷量较大，随着负荷量的增大，林火蔓延速度、单位面积发热量、火线强度和火焰长度的值都增大;但是，这一系列的值与可燃物含水率呈负相关，随着可燃物含水率从3%增加至21%，各个火行为的指标也随之减小，并且减小幅度也逐渐拉大，含水率从12%增加至21%时，各个火行为指标明显下降。另外，结合可燃物负荷量和理化性质进行分析:侧柏林属于幼龄林，下层枯枝落叶累积较少，不易发生地下火;林分尚未郁闭，但林内草本和灌木生长旺盛，幼树本身2 m以下冠层的叶和小枝很多，导致林分内细小可燃物较多，因此，侧柏林极易形成高强度地表火。

图2 侧柏林在不同枯枝含水率下的单位面积发热量

图3 侧柏林在不同枯枝含水率下的火线强度

图4 侧柏林在不同枯枝含水率下的火焰长度

3.2.2 油松林地表火火行为状况

自定义油松林地表火蔓延模型，不同可燃物含水率条件下火行为指标曲线见图5～图8。

与侧柏林相比，油松的可燃物载量明显减少。油松林属于人工中龄林，由于油松林一直是森林防火的重点，因此所研究的4种针叶林型中，该林分的营林措施迹象最明显，枯枝落叶、草本、灌木均被清理过。林分内枯枝落叶和2 m以下的易燃可燃物较少，油松林不易发生且不会形成高强度地表火;油松林的修枝高度为2～3，2 m以上的油松冠层含有一定量的枯枝，发生树冠火的可能性较大。

图5 油松林地表火在不同枯枝含水率下的蔓延速率

图6 油松林在不同枯枝含水率下的单位面积发热量

图7 油松林在不同枯枝含水率下的火线强度

图8 油松林在不同枯枝含水率下的火焰长度

3.2.3 华山松林地表火火行为状况

自定义华山松林地表火蔓延模型，不同可燃物含水率条件下火行为指标曲线见图9～图12。

图9 华山松林地表火在不同枯枝含水率下的蔓延速率

图10 华山松林在不同枯枝含水率下的单位面积发热量

图11 华山松林在不同枯枝含水率下的火线强度

图12 华山松林在不同枯枝含水率下的火焰长度

由图9～图12可以看出，华山松林可燃物负荷量小，所以林火蔓延速率也不大。对比发现，华山松林的蔓延速率均小于其他树种。华山松林属于人工幼龄林，该林分具有一定量的下层枯枝落叶，有可能发生地下火;与其他3种针叶林分相比，林内上层枯枝落叶含量较少，不易引发地表火;由于2～3 m及3 m以上的易燃可燃物较少，因此，华山松林不易发生树冠火。

3.2.4 华北落叶松林地表火火行为状况

自定义华北落叶松林地表火蔓延模型，不同可燃物含水率条件下火行为指标曲线见图13～图16。

图13 华北落叶松林地表火在不同枯枝含水率下的蔓延速率

图14 华北落叶松林在不同枯枝含水率下的单位面积发热量

图15 华北落叶松林在不同枯枝含水率下的火线强度

华北落叶松林中，上层和下层枯枝落叶含量均较高，容易发生地下火和地表火;林分位于南坡，太阳辐射充足，存在一定量的草本和2 m以下灌木，容易引发低强度地表火。就其本身而言，华北落叶松难燃，秋季落叶，因此只有在火灾季节，有外来火源的前提下，才有可能发生树冠火，不利于树冠火蔓延。

图16 华北落叶松林在不同枯枝含水率下的火焰长度

4 结论与建议

利用Rothermel模型，对4种林分可燃物火行为的蔓延速率、单位面积发热量、火线强度、火焰长度进行了计算。可燃物含水率低于12%时，各项火行为指标均较高。1 h枯枝可燃物载量与含水率对林火行为的变化具有重要意义。侧柏林和油松林发生地表火后，火蔓延速率快，火线释放的热量高，火强度大;华山松林和华北落叶松林发生地表火时，火蔓延速率及火焰长度均较小，但单位面积发热量和火强度却不低。

从火行为指标看，在一般天气条件下，油松林和侧柏林着火后，容易引发中强度稳进地表火，在冬、春风大的恶劣天气条件下，还容易引发中、高、轻度急进地表火。由于人工林树多矮小，并且针叶和小枝油脂含量都高，在特殊天气条件下地表火会很容易上升为树冠火和飞火，控制火势很难，在火头控制比较困难时，可采取开辟防火隔离带等办法灭火。

华山松和华北落叶松林着火后，风速较小时容易引发低强度稳进地表火，扑救时可使用轻型灭火装备;如果风大导致林火转变为急进地表火，灭火难度增大，可在有水源的地方进行水泵灭火，或点迎面火控制火势。

针叶林发生火灾后，由于其枝叶油脂含量较高，蔓延速度快，火线强度大，所以给扑火工作带来了很大难度。在八达岭林场可燃物积累多，隐患大。特别是新造林区，多数为易燃的油松、侧柏纯林，幼树低矮，杂草丛生，一旦起火，极易造成大面积森林烧毁。侧柏生长环境一般干旱缺水，可燃物较干燥，一旦发生森林火灾，前方未点燃可燃物预热时间短，会加速火灾的蔓延;华山松和华北落叶松分布海拔较高，由于山区交通不便，林内坡度较大，预防和扑救森林火灾的难度很大。

林火行为状况的预测预报是森林防火灭火的重点。在火险期，及时准确地预测火灾的发生蔓延状况及趋势，对于有效组织防火灭火工作、减少火灾损失具有重要意义。用计算机模拟的方法预测林火行为的状况则是一项功效最大、最有前途的方法。但是，将该程序的计算结果与我国八达岭地区林火观测结果对比表明，与我国林区的实际情况有一定差距，主要原因有两个方面:一方面由于该程序中所采用的可燃物模型不太符合我国林区的林况，一些可燃物参数值与我国林区的实际情况有出入;另一方面，火行为受到小气候、复杂地形的影响，要做到准确模拟具有一定难度。

目前要从研究火行为入手，尽早建立适合我国可燃物类型和气候特点的火行为模型，注重防火和灭火技术的研究。首先，森林防火重在林火管理，只要林场管理者杜绝火源进林，做好林火预测预报工作，及时清理林下积累的大量枯落叶可燃物，并注意在平时就做好营林防火工作，利用当地抗火树种开展生物防火，就能有效防止林火的发生。其次，要深入研究火行为并建立实用的可燃物模型，争取在林火发生的第一时间做出扑救对策，使火灾损失降至最低。

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