北京地區(qū)主要針葉林型林火行為1)

孫 武 牛樹奎

(省部共建森林培育與保護教育部重點實驗室(北京林業(yè)大學)，北京，100083)

森林火災給人類造成嚴重的危害，所以人們需要認識火行為發(fā)生發(fā)展的規(guī)律，以便預防和撲救。林火行為是森林可燃物從被點燃開始到發(fā)生發(fā)展直至熄滅的整個過程中所表現(xiàn)出的各種現(xiàn)象和特征?；鹦袨槭芸扇嘉?、火環(huán)境(氣象、地形和植被)和火源條件的制約和控制［1］72。國外在林火行為方面的研究起步較早，建立起許多適用模型，并在實際應用中得到了不斷完善，如美國、加拿大和澳大利亞等國都建立了火行為模型［2］。國內許多學者也通過建立相關模型來進行林火預報［3－7］。這些火行為預報和可燃物模型系統(tǒng)以計算機軟件形式提供給用戶，為撲火指揮人員選擇最佳撲火方式和調配撲火力量提供咨詢［7］。美國北方林火實驗室以Rothermel模型［8］為支持，在大量試驗的基礎上建立了一整套火蔓延的數(shù)學模型，并由此編制了一個預測林火行為的大型程序——BehavePlus軟件。通過輸入可燃物的分布特性參數(shù)及相應的氣象條件(風速、環(huán)境濕度等)和地形條件(坡度)后，即能算出若干火蔓延過程中火行為特征量的值。國內在林火行為方面的研究大多以實驗室模擬為主，模型多為經驗性的，應用于實踐的很少［9］。本研究參照美國Rothermel模型，利用 BehavePlus軟件［10］，建立適合八達嶺地區(qū)的自定義林火蔓延模型，計算4種林型的火行為狀況，即蔓延速率、單位面積發(fā)熱量、火線強度、火焰長度，從而根據(jù)火行為預測狀況，制定相應的林火撲救對策。

1 研究地區(qū)概況

研究區(qū)域八達嶺林場位于北京市延慶縣東南部。該地區(qū)年均降水量454 mm，降水多集中在7、8月份，年平均氣溫10.8℃，年平均風速3.1 m，平均相對濕度56.2%。海拔范圍400～1 250 m，平均海拔780 m，坡向多為陰和半陰坡，坡度多在30°～35°。八達嶺林場自20世紀50年代封山育林開始種植人工林，有大面積的針葉林分布，主要包括側柏林(Platycladus orientalis)、油松林(Pinus tabuliformis)、華山松林(Pinus armandii)和華北落葉松林(Larix principis-rupprechtii)。油松林的分布面積最大，以中齡林居多;側柏林和華山松林都屬于幼齡林;華北落葉松林多分布在海拔1 059 m左右，以中齡林為主。由于流動人口多，所以林火發(fā)生比較頻繁。林火的發(fā)生多集中在10月至次年5月，而3、4月份是火災的高發(fā)期，占林火總數(shù)的70%左右。

2 研究方法

2.1 模型及計算方法

目前應用廣泛的林火蔓延模型是Rothermel模型［8］，該模型是Rothermel在芬特遜研究的基礎上于1972年提出來的:

式中:R為火蔓延速度;IR為火反應強度;ξ為與熱傳播有關的系數(shù);φw和φs分別為風和地形坡度影響系數(shù);ρb為可燃物復合體烘干后的體密度;ε0為與體密度有關的加熱系數(shù);Qig為點燃單位質量可燃物需要的熱量。

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年陸續(xù)開發(fā)的BehavePlus軟件現(xiàn)已發(fā)展到53個火行為的可燃物標準模型。本研究使用Behave-Plus fire modeling system(version 5.0)［14］。

在BehavePlus軟件中，火線強度的計算方法采用1959年美國物理學家Byram提出的火線強度計算公式:

式中:I為火線強度［Btu/(ft·s)］;H為可燃物熱值(Btu/lb);W為有效可燃物負荷量(lb/ft2);R為火蔓延速度(ft/s)。

轉換為國際單位，火強度計算公式(式(2))則變?yōu)?

式中:I為火線強度(kW/m);H為可燃物熱值(kJ/g);W為有效可燃物負荷量(t/hm2);R為火蔓延速度(m/min)。

Byram同時提出了利用火線強度計算火焰長度的公式:

式中:I為火線強度［Btu/(ft·s)］;Lf為火焰長度(ft)。

轉換為國際單位，公式(4)則轉換為:

式中:I為火線強度(kW/m);Lf為火焰長度(m)。

BehavePlus是一套火行為系統(tǒng)的一部分，這套系統(tǒng)還包括 FlamMap、FARSITE、FireFamily Plus等。BehavePlus在預測火行為及計劃火燒和可燃物的危險評估中都有應用［15］。BehavePlus由用戶進行輸入，而不使用地理信息系統(tǒng)(GIS)中的數(shù)據(jù)［16－18］。結果用表格和曲線圖的形式表示，輸出的結果能作為數(shù)據(jù)表或其他程序的原始數(shù)據(jù)，作進一步的分析或測繪。

2.2 可燃物模型參數(shù)的確定

設置20 m×20 m(側柏林)、20 m×30 m(華山松林)、30 m×30 m(華北落葉松林)、20 m×50 m(油松林)大小的標準地，進行基本林分因子(樹種組成、平均樹高、平均胸徑、冠幅、郁閉度)、地形因子(海拔、坡度、坡向、坡位)和氣象因子(風速)調查。對上下層枯落葉及4個時滯的枯枝負荷量進行稱量，并在林火實驗室對枯枝可燃物含水率、活針葉灰分質量分數(shù)、抽提物質量分數(shù)和熱值進行測量，確定各項可燃物模型參數(shù)。

2.3 可燃物模型火行為的計算

本研究利用BehavePlus軟件計算可燃物模型的火行為狀況，采用自定義可燃物模型的方式，通過輸入不同的可燃物模型參數(shù)，如不同時滯的地上枯枝載量、可燃物厚度、可燃物含水率、熱值、風速、坡度等，來建立八達嶺地區(qū)主要針葉林的可燃物火行為模型。

決定火行為的主導因素很多［19］。BehavePlus軟件的開發(fā)者認為，地上可燃物載量、可燃物含水率和風速起決定性作用［20］，特別是1h地上枯枝在地表火蔓延過程中起支配性作用［21］。因此，本研究采用1 h地上枯枝的載量和含水率作為火行為狀況分析的雙變量，不同的林分輸入不同的10 h含水率、100 h含水率、熱值及坡度等林火因子數(shù)值，并采用一些固定的可燃物模型參數(shù)，如可燃物表面積/體積、熄滅含水率和風速等，便于對不同林分火行為狀況進行比較和分析。

模型輸出的火行為指標有:地表火蔓延速率(m/min)，是火通過地表可燃物的速度［22］;單位面積發(fā)熱量(kJ/m2)，指火頭內單位面積釋放的熱量，它不受風、坡度和蔓延方向的影響;火線強度(kW/m)指火頭從前到后1 m寬的可燃物床單位時間釋放的熱量，火線強度是蔓延速度和單位面積熱量的函數(shù)，并直接與火焰長度相關［23］;火焰長度(m)，火焰長度對于滅火人員很直接，并能轉化為火強度，所以它是一個主要的火變量［24］。

3 結果與分析

3.1 可燃物模型參數(shù)理化性質比較

3.1.1 可燃物負荷量

可燃物負荷量是指單位面積上可燃物的絕干質量。本研究主要研究地表火模型，所指可燃物負荷量為有效可燃物負荷量(表1)。

4種針葉林中，側柏林、華北落葉松林的枯枝落葉上層負荷量較大，極易引發(fā)地表火;油松林、華山松林地表易燃可燃物多，包括草本、較低的灌木和林木下層的細小可燃物(葉和小枝)，這些可燃物顆粒小，受氣象要素影響較大，易燃燒，能促進林火蔓延，增大火災強度，易形成高強度地表火［25］。

表1 地表可燃物負荷量t·hm－2

3.1.2 可燃物含水率

可燃物含水率影響到林火的發(fā)生、蔓延速度和火線強度等火行為狀況，是進行林火監(jiān)測的重要因素［26］，特別是1 h枯枝的可燃物含水率在林火蔓延中具有重要意義。本研究在軟件中采用動態(tài)可燃物含水率參數(shù)，為了便于比較，分別計算了1 h枯枝含水率在3%、6%、9%、12%、15%、18%、21%這幾個不同情況下的火行為狀況，可以在曲線圖中看到不同含水率時不同樹種之間火行為的差異。

3.1.3 可燃物熱值

可燃物熱值是指在絕干狀態(tài)下單位質量的可燃物完全燃燒時所放出的熱量［27］，單位為kJ/g。通過試驗測得4種針葉樹活針葉和地上枯枝的熱值(表2)。由表2可以看出，4種針葉林樹種的熱值都很高，都大于18.8 kJ/g，它們都屬于高熱值的可燃物，發(fā)生森林火災時釋放的能量大，火強度大［28］。本研究可燃物模型有一個輸出值是單位面積發(fā)熱量，就是可燃物發(fā)熱量，它與可燃物熱值和含水率有關?？扇嘉锇l(fā)熱量越大，撲火人員越不容易接近火源，撲火難度越大［29］。

表2 4種針葉樹活針葉和地上枯枝的可燃物熱值kJ·g－1

3.1.4 活針葉理化性質對比

樹種的理化性質直接影響森林燃燒性及其火行為特點［30］。測定分析樹種這些基礎數(shù)據(jù)，可為研究火行為提供依據(jù)。4種針葉樹的活針葉理化性質的差異見表3。

抽提物質量分數(shù)的大小是可燃物易燃性的重要指標。抽提物質量分數(shù)＜3%時為低含量;3%≤抽提物質量分數(shù)＜6%時為中含量;抽提物質量分數(shù)≥6%時為高含量［1］35。由表3可以看出，4種針葉樹的抽提物含量都很高，都屬于易燃可燃物。

表3 4種針葉樹活針葉理化性質的差異

灰分質量分數(shù)是指可燃物中礦物質的含量，可大大降低火焰的活動，對能量的釋放起抑制作用，因此熱值與灰分質量分數(shù)成反比，灰分質量分數(shù)越低，熱值越高。一般情況下，可燃物灰分質量分數(shù)＜5%時為低灰分含量;5%≤灰分質量分數(shù)＜10%時為中灰分含量;灰分質量分數(shù)≥10%時為高灰分含量［1］36。由表3可以看出，油松和華山松灰分含量較低，而側柏和華北落葉松都為中灰分含量，都易燃。

3.2 可燃物模型

3.2.1 側柏林地表火火行為狀況

自定義側柏林林火蔓延模型，分別計算了側柏林1 h枯枝含水率在3%、6%、9%、12%、15%、18%、21%這幾種不同情況下的火行為指標(圖1～圖4)。

圖1 側柏林地表火在不同枯枝含水率下的蔓延速率

由圖1～圖4可以看出，側柏林可燃物負荷量較大，隨著負荷量的增大，林火蔓延速度、單位面積發(fā)熱量、火線強度和火焰長度的值都增大;但是，這一系列的值與可燃物含水率呈負相關，隨著可燃物含水率從3%增加至21%，各個火行為的指標也隨之減小，并且減小幅度也逐漸拉大，含水率從12%增加至21%時，各個火行為指標明顯下降。另外，結合可燃物負荷量和理化性質進行分析:側柏林屬于幼齡林，下層枯枝落葉累積較少，不易發(fā)生地下火;林分尚未郁閉，但林內草本和灌木生長旺盛，幼樹本身2 m以下冠層的葉和小枝很多，導致林分內細小可燃物較多，因此，側柏林極易形成高強度地表火。

圖2 側柏林在不同枯枝含水率下的單位面積發(fā)熱量

圖3 側柏林在不同枯枝含水率下的火線強度

圖4 側柏林在不同枯枝含水率下的火焰長度

3.2.2 油松林地表火火行為狀況

自定義油松林地表火蔓延模型，不同可燃物含水率條件下火行為指標曲線見圖5～圖8。

與側柏林相比，油松的可燃物載量明顯減少。油松林屬于人工中齡林，由于油松林一直是森林防火的重點，因此所研究的4種針葉林型中，該林分的營林措施跡象最明顯，枯枝落葉、草本、灌木均被清理過。林分內枯枝落葉和2 m以下的易燃可燃物較少，油松林不易發(fā)生且不會形成高強度地表火;油松林的修枝高度為2～3，2 m以上的油松冠層含有一定量的枯枝，發(fā)生樹冠火的可能性較大。

圖5 油松林地表火在不同枯枝含水率下的蔓延速率

圖6 油松林在不同枯枝含水率下的單位面積發(fā)熱量

圖7 油松林在不同枯枝含水率下的火線強度

圖8 油松林在不同枯枝含水率下的火焰長度

3.2.3 華山松林地表火火行為狀況

自定義華山松林地表火蔓延模型，不同可燃物含水率條件下火行為指標曲線見圖9～圖12。

圖9 華山松林地表火在不同枯枝含水率下的蔓延速率

圖10 華山松林在不同枯枝含水率下的單位面積發(fā)熱量

圖11 華山松林在不同枯枝含水率下的火線強度

圖12 華山松林在不同枯枝含水率下的火焰長度

由圖9～圖12可以看出，華山松林可燃物負荷量小，所以林火蔓延速率也不大。對比發(fā)現(xiàn)，華山松林的蔓延速率均小于其他樹種。華山松林屬于人工幼齡林，該林分具有一定量的下層枯枝落葉，有可能發(fā)生地下火;與其他3種針葉林分相比，林內上層枯枝落葉含量較少，不易引發(fā)地表火;由于2～3 m及3 m以上的易燃可燃物較少，因此，華山松林不易發(fā)生樹冠火。

3.2.4 華北落葉松林地表火火行為狀況

自定義華北落葉松林地表火蔓延模型，不同可燃物含水率條件下火行為指標曲線見圖13～圖16。

圖13 華北落葉松林地表火在不同枯枝含水率下的蔓延速率

圖14 華北落葉松林在不同枯枝含水率下的單位面積發(fā)熱量

圖15 華北落葉松林在不同枯枝含水率下的火線強度

華北落葉松林中，上層和下層枯枝落葉含量均較高，容易發(fā)生地下火和地表火;林分位于南坡，太陽輻射充足，存在一定量的草本和2 m以下灌木，容易引發(fā)低強度地表火。就其本身而言，華北落葉松難燃，秋季落葉，因此只有在火災季節(jié)，有外來火源的前提下，才有可能發(fā)生樹冠火，不利于樹冠火蔓延。

圖16 華北落葉松林在不同枯枝含水率下的火焰長度

4 結論與建議

利用Rothermel模型，對4種林分可燃物火行為的蔓延速率、單位面積發(fā)熱量、火線強度、火焰長度進行了計算。可燃物含水率低于12%時，各項火行為指標均較高。1 h枯枝可燃物載量與含水率對林火行為的變化具有重要意義。側柏林和油松林發(fā)生地表火后，火蔓延速率快，火線釋放的熱量高，火強度大;華山松林和華北落葉松林發(fā)生地表火時，火蔓延速率及火焰長度均較小，但單位面積發(fā)熱量和火強度卻不低。

從火行為指標看，在一般天氣條件下，油松林和側柏林著火后，容易引發(fā)中強度穩(wěn)進地表火，在冬、春風大的惡劣天氣條件下，還容易引發(fā)中、高、輕度急進地表火。由于人工林樹多矮小，并且針葉和小枝油脂含量都高，在特殊天氣條件下地表火會很容易上升為樹冠火和飛火，控制火勢很難，在火頭控制比較困難時，可采取開辟防火隔離帶等辦法滅火。

華山松和華北落葉松林著火后，風速較小時容易引發(fā)低強度穩(wěn)進地表火，撲救時可使用輕型滅火裝備;如果風大導致林火轉變?yōu)榧边M地表火，滅火難度增大，可在有水源的地方進行水泵滅火，或點迎面火控制火勢。

針葉林發(fā)生火災后，由于其枝葉油脂含量較高，蔓延速度快，火線強度大，所以給撲火工作帶來了很大難度。在八達嶺林場可燃物積累多，隱患大。特別是新造林區(qū)，多數(shù)為易燃的油松、側柏純林，幼樹低矮，雜草叢生，一旦起火，極易造成大面積森林燒毀。側柏生長環(huán)境一般干旱缺水，可燃物較干燥，一旦發(fā)生森林火災，前方未點燃可燃物預熱時間短，會加速火災的蔓延;華山松和華北落葉松分布海拔較高，由于山區(qū)交通不便，林內坡度較大，預防和撲救森林火災的難度很大。

林火行為狀況的預測預報是森林防火滅火的重點。在火險期，及時準確地預測火災的發(fā)生蔓延狀況及趨勢，對于有效組織防火滅火工作、減少火災損失具有重要意義。用計算機模擬的方法預測林火行為的狀況則是一項功效最大、最有前途的方法。但是，將該程序的計算結果與我國八達嶺地區(qū)林火觀測結果對比表明，與我國林區(qū)的實際情況有一定差距，主要原因有兩個方面:一方面由于該程序中所采用的可燃物模型不太符合我國林區(qū)的林況，一些可燃物參數(shù)值與我國林區(qū)的實際情況有出入;另一方面，火行為受到小氣候、復雜地形的影響，要做到準確模擬具有一定難度。

目前要從研究火行為入手，盡早建立適合我國可燃物類型和氣候特點的火行為模型，注重防火和滅火技術的研究。首先，森林防火重在林火管理，只要林場管理者杜絕火源進林，做好林火預測預報工作，及時清理林下積累的大量枯落葉可燃物，并注意在平時就做好營林防火工作，利用當?shù)乜够饦浞N開展生物防火，就能有效防止林火的發(fā)生。其次，要深入研究火行為并建立實用的可燃物模型，爭取在林火發(fā)生的第一時間做出撲救對策，使火災損失降至最低。

［1］胡海清，牛樹奎，金森，等.林火生態(tài)與管理［M］.北京:中國林業(yè)出版社，2005.

［2］唐曉燕，孟憲宇，易浩若.林火蔓延模型及蔓延模擬的研究進展［J］.北京林業(yè)大學學報，2002，24(1):87－91.

［3］肖化順，張貴，蔡學理.基于模糊數(shù)據(jù)挖掘技術的林火行為預測研究［J］.南京林業(yè)大學學報:自然科學版，2006，30(4):97－100.

［4］鄧湘雯，呂勇，潘曉杰，等.南方杉木人工林火行為預測專家系統(tǒng)的研究［J］.中南林業(yè)調查規(guī)劃，2002，21(3):50－52.

［5］王曉晶，張曉麗，黃華國.DEM在林火行為模擬中的應用［J］.林業(yè)資源管理，2007(1):99－101，37.

［6］趙憲文.森林火災遙感監(jiān)測評價［M］.北京:中國林業(yè)出版社，1995:105－120.

［7］單延龍，金森，李長江.國內外林火蔓延模型簡介［J］.森林防火，2004(4):18－21.

［8］Rothermel R C.A mathematical model for predicting fire spread in wildland fuels［R］.General Technical Report INT-143.Ogden，UT:USDA Forest Service Intermountain Forest and Range Experiment Station，1972:1－50.

［9］舒立福，田曉瑞，寇曉軍.林火研究綜述(I):研究熱點與進展［J］.世界林業(yè)研究，2003，16(3):37－40.

［10］Rothermel R C.How to predict the spread and intensity of forest and range fires［R］.General Technical Report INT-143.Ogden，UT:US Department of Agriculture，F(xiàn)orest Service，Intermountain Forest and Range Experiment Station，1983:41－50.

［11］Rothmel R C，Deeming J E.Measuring and interpreting fire behave for correlation with fire effects［R］.Forest Service General Technical Report INT-93.Ogden，UT:USDA Forest Service，Intermountain Forest and Range Experiment Station，1980:2－3.

［12］Andrews P L.BEHAVE:fire behavior prediction and fuel modeling system:BURN subsystem，part 1［R］.USDA Forest Service，Intermountain Forest and Range Experiment Station，General Technical Report INT-194，1986:6－10.

［13］Andrews P L.Behave fire behavior prediction and fuel modeling systems—BURN subsystem，Part 2［R］.USDA Forest Service Technical Report INT，1989:2－27.

［14］Andrews P L.BehavePlus fire modeling system:past，present，and future［C］.Proceedings of 7th Symposium on Fire and Forest Meteorology，Boston:American Meteorological Society，2007:21－34.

［15］王秋華.森林火災燃燒過程中的火行為研究［D］.北京:中國林業(yè)科學研究院，2010:85－88.

［16］于成龍.基于GIS和RS森林火險預測的研究［D］.哈爾濱:東北林業(yè)大學，2007:16－25.

［17］黃作維，劉峰.基于GIS和RS的森林火險預測研究［J］.西北林學院學報，2007，22(2):115－118.

［18］趙憲文.森林火災遙感監(jiān)測評價［M］.北京:中國林業(yè)出版社，1995:121－127.

［19］張敏，劉東.長白山林區(qū)落葉松林可燃物模型及火行為［J］.自然災害學報，2007，16(2):127－132.

［20］王明玉，李濤，任云卯，等.森林火行為與特殊火行為研究進展［J］.世界林業(yè)研究，2009，22(2):45－49.

［21］Wesley P，Jenkins M J.Predicted fire behavior in selected mountain pine beetle-infested lodgepole pine［J］.Forest Science，2007，53(6):662－674.

［22］鄭煥能，駱介禹，耿玉超.幾種林火強度計算方法評價［J］.東北林業(yè)大學學報，1988，16(5):103－108.

［23］姚樹人，文定元.森林消防管理學［M］.哈爾濱:東北林業(yè)大學出版社，2002:32－45.

［24］張景群，王得祥，余興弟.可燃物含水率與林火行為的關系［J］.森林防火，1992(3):9－11.

［25］王海暉，朱霽平，姜偉，等.森林地表火行為估算的數(shù)學模型［J］.火災科學，1994，3(1):33－41.

［26］王海暉，王清安，黃立忠.木材著火的實驗研究［J］.中國科學技術大學學報，1991，21(1):118－123.

［27］胡海清.我國森林燃燒性研究綜述［J］.森林防火，1986(2):4－6.

［28］李世友，張橋蓉，馬愛麗，等.6種針葉樹活枝葉在森林防火戒嚴期的燃燒性比較［J］.安徽農業(yè)大學學報，2009，36(2):178－183.

［29］王明玉，舒立福，趙鳳君，等.北京西山可燃物特點及潛在火行為［J］.林業(yè)科學，2010，46(1):84－90.

［30］王曉麗，牛樹奎，馬欽彥，等.以地表死可燃物評估八達嶺林場森林燃燒性［J］.生態(tài)學報，2009，29(10):5313－5319.