森林可燃物含水率新算法研究

李旭

（西南林業(yè)大學(xué)，云南 昆明650000）

1 引言

在森林火險(xiǎn)等級(jí)的劃分和森林火險(xiǎn)預(yù)報(bào)方面，森林可燃物含水率是非常重要的影響因素。通常而言，在測(cè)定可燃物含水率、氣象因子以及可燃物載量等因素之后，借助于某種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突蛘呤菙?shù)理模型便可以對(duì)森林火災(zāi)的發(fā)生率、發(fā)生趨勢(shì)以及火災(zāi)發(fā)生后的蔓延趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。由于火災(zāi)通常會(huì)給森林資源造成巨大的損害，世界上各國均在本國的林火管理當(dāng)中加入了森林火險(xiǎn)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)制度，以便可以更好地保護(hù)本國的森林資源。其中森林可燃物含水率是影響森林火險(xiǎn)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)精度的重要因素。

在某些歐美發(fā)達(dá)國家，例如美國及其鄰國加拿大，森林可燃物含水率作為本國森林火險(xiǎn)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的基本出發(fā)點(diǎn)，甚至每天都會(huì)有專業(yè)人員到森林內(nèi)部對(duì)森林可燃物含水率進(jìn)行人工的測(cè)定，并進(jìn)行及時(shí)地上報(bào)與匯總，最終計(jì)算出該區(qū)域內(nèi)森林的火險(xiǎn)等級(jí)。雖然我國在森林火險(xiǎn)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方面做出了重要的努力，例如在1998年開始著手構(gòu)建國家森林火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，但是由于我國的國土面積廣闊、森林資源分布全國并且森林可燃物類型非常復(fù)雜，因此，幾乎沒有辦法像歐美發(fā)達(dá)國家那樣在每天對(duì)森林可燃物含水率進(jìn)行人工的測(cè)定。有鑒于此，開展森林可燃物含水率的研究便具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，借助于科學(xué)的森林可燃物含水率模型及其算法能夠?yàn)槲覈纳只痣U(xiǎn)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)支持，最終有利于保護(hù)我國的森林資源不受火災(zāi)的侵害。

2 森林可燃物含水率的動(dòng)態(tài)變化

森林中的可燃物如果處于生存狀態(tài)下，例如綠葉、綠針葉以及樹枝等，其內(nèi)部的含水率和含水量均處于某個(gè)特定的范圍之內(nèi)，變化幅度不大。但是在植物死亡之后，植物內(nèi)部進(jìn)行的水分循環(huán)與營養(yǎng)加工活動(dòng)也就隨之終止，其內(nèi)部水分在總體上處于“流失”的狀態(tài)下，一直持續(xù)到植物被風(fēng)干。但是植物死亡之后至腐化之前依然保持著有機(jī)結(jié)構(gòu)（例如纖維結(jié)構(gòu)、細(xì)胞結(jié)構(gòu)等），這些有機(jī)結(jié)構(gòu)中水分含量會(huì)在不同天氣的作用下產(chǎn)生相應(yīng)的變化?？扇嘉锼劳鲋?，它會(huì)吸收空氣當(dāng)中的水分或者附著在它表面的液態(tài)水的水分，其它細(xì)胞間隙被水分充滿與外界水分達(dá)成特定的平衡之后便不會(huì)再吸收水分。在該物理平衡規(guī)律的控制之下，可燃物死亡之后所含有的水分相當(dāng)于自身干重的2～3倍左右。如果可燃物體形較小，其死亡后能夠在數(shù)分鐘內(nèi)便可以讓水分充滿自己的細(xì)胞間隙，但是如果可燃物的體形較大，則這一過程的時(shí)間也相對(duì)延長(zhǎng)。

在死亡可燃物顆粒內(nèi)部的含水量大于1／3的情況下，如果環(huán)境水汽高于邊界水外部表面水氣壓，它便可以將大氣環(huán)境當(dāng)中的水分吸收到體內(nèi)，除非植物纖維達(dá)到飽和，否則這一過程不會(huì)停止；但是需要特別說明的是，由于可燃物細(xì)胞內(nèi)部的水氣交換會(huì)消耗水分，在短液態(tài)水的狀況，真正意義上的纖維飽和點(diǎn)無法持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間。除此之外，表面張力作用會(huì)利用毛細(xì)管將水分?jǐn)U散至其表面，并且水分的擴(kuò)散速度與可燃物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在著莫大關(guān)聯(lián)。

死亡可燃物變濕的現(xiàn)象說明死細(xì)胞仍然具有比較強(qiáng)的吸水作用，這主要是因?yàn)榫哂形鼭駥傩缘奈镔|(zhì)對(duì)水分有一種天然的親和力，因此，一旦空氣的含水率超過該物質(zhì)的含水率，則它便會(huì)從空氣當(dāng)中吸收水分。正是因?yàn)橐陨显?，即便是沒有降水的情況下，死亡可燃物的含水率也會(huì)跟隨附近空氣濕度的變化而產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的變化。

可燃物死亡之后的變干單純通過大氣吸收其蒸發(fā)的水分來完成。通常情況下，可燃物死亡之后的變干分為以下3個(gè)過程。

（1）變干速率恒定期。在該時(shí)期，死亡可燃物的水分減少無關(guān)于可燃物的吸水性質(zhì)或者其自身含水量，一旦飽和水氣壓高于環(huán)境水氣壓，則可燃物的水分蒸發(fā)便進(jìn)行，并且其蒸發(fā)速率和向外的水氣壓梯度呈正比例關(guān)系。如果是出于平靜穩(wěn)定的空氣當(dāng)中，表面蒸發(fā)開始時(shí)，空氣與自由水之間存在著一層薄膜，使薄膜附近的水汽趨向于飽和；飽和能夠有效降低蒸發(fā)速率，其水汽擴(kuò)散僅僅通過緩慢的分子運(yùn)動(dòng)完成，因此，其變干速率相對(duì)恒定。

（2）變干速率減少期。該時(shí)期是可燃物變干時(shí)中間速率下降的過渡時(shí)期，在該階段，其變干速率逐漸減少，并一直過渡到變干速率下降期。導(dǎo)致變化速率減少的因素包括諸多的不確定的環(huán)境因素和可燃物自身因素，因此想要找出規(guī)律并進(jìn)行估算則具有很大難度。正是因?yàn)檫@個(gè)原因，在森林可燃物含水率的計(jì)算中，該時(shí)期的變干速率被認(rèn)為是可以允許的誤差。

（3）變干速率下降期。速率下降期主要取決于邊界水氣壓和周圍大氣中水氣壓之間的向外梯度［1］，當(dāng)水分逸出進(jìn)行到纖維飽和點(diǎn)時(shí)，邊界水的水氣壓逐漸減小，同時(shí)水氣壓梯度逐漸減弱，保持可燃物變干必須具備兩個(gè)條件：一個(gè)是環(huán)境水氣壓保持明顯的低于正在減小的邊界水氣壓［2］，另一個(gè)是以一定的速率給可燃物增加熱量，以增加它的溫度［3］。

通過以上分析得出，在濕度和溫度相同的條件下，可燃物的變干速度越快，其失水效率便越大，其可燃性便越高。了解以上特征有助于深入理解森林可燃物含水率模型及其計(jì)算方法。

3 森林可燃物含水率新算法研究

可燃物含水率計(jì)算公式如下：

為了取得不同樹種、不同規(guī)格的可燃物試樣在同等溫度作用下含水率的動(dòng)態(tài)變化的定量數(shù)據(jù)，研究采用全控電熱鼓風(fēng)干燥箱。為避免測(cè)試樣品在稱量中吸收大氣中的水分，稱量采用高精度產(chǎn)電子天平，平均稱量時(shí)間不大于30s。

將裝有可燃物的標(biāo)準(zhǔn)布袋放入105℃連續(xù)烘干8h至恒重，同時(shí)確保兩次稱重誤差不超過0.5g，用電子天平分別稱重，記為樣本干重；將可燃物葉子、枝條、樹皮完全浸入水中24h，至可燃物吸水達(dá)到飽和狀態(tài)，同時(shí)確保兩次稱重誤差不超過0.5g?？萑~、枝條、樹皮撈出，在報(bào)紙上吸干表面的自由水，使可燃物表面無水滴?？萑~平鋪在長(zhǎng)40cm、寬30cm的紙上（以下同），大約2層葉子厚度，放入20℃的烘箱中烘干，每隔30min測(cè)1次，記錄濕重，在干燥期間隨時(shí)用火柴點(diǎn)燒枯葉。平鋪在報(bào)紙上的枝條和樹皮分別留有空隙，放入20攝氏度的烘箱中烘干，均每隔30min測(cè)一次，記錄濕重，在干燥期間隨時(shí)用火柴點(diǎn)燒枝條和樹皮。多次重復(fù)烘干直至可燃物在5s內(nèi)剛能夠點(diǎn)燃為止，同時(shí)稱重，記為可燃物初始點(diǎn)燃濕重。

失水效率公式按下式計(jì)算：

時(shí)間用X（X＝0.5，1.5，2.2，2.5，3，3.5，4）表示，失水率用Y表示，用a、b表示logistic方程的常數(shù)，其結(jié)果能夠用logistic方程進(jìn)行表示。具體公式如下：

本文主要通過加權(quán)方法分析可燃物含水率。灌木可燃物計(jì)算公式為：

可燃物易燃性得分＝枯葉可燃物點(diǎn)燃含水率×0.3＋枯葉可燃物蔓延含水率×0.3＋枝條可燃物點(diǎn)燃含水率×0.2＋枝條可燃物蔓延含水率×0.2。

喬木可燃物計(jì)算公式為：

可燃物易燃性得分＝枯葉可燃物點(diǎn)燃含水率×0.3＋枯葉可燃物蔓延含水率×0.3＋樹皮可燃物點(diǎn)燃含水率×0.2＋樹皮可燃物蔓延含水率×0.2。

根據(jù)可燃物易燃性得分，將可燃物劃分為3類：第一，易燃可燃物，其得分大于80；第二，一般可燃物，其得分大于40、小于等于80；第三，難燃可燃物，其得分小于40。

4 結(jié)語

認(rèn)真研究森林可燃物含水率問題，構(gòu)建基于森林可燃物含水率之上的、完善的森林火險(xiǎn)預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)于提高我國森林的防火水平和防火能力均是至關(guān)重要的。利用森林可燃物含水率模型及其算法促進(jìn)了可燃物含水率研究的發(fā)展。

［1］張廣英，高永剛，曹曉波，等.伊春市五營森林可燃物含水率預(yù)測(cè)模型初步研究［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007（36）：147～148.

［2］岳金柱，馮仲科，姜 偉.大興安嶺林區(qū)重特大森林火災(zāi)撲救時(shí)限預(yù)測(cè)模型構(gòu)建研究［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007（2）：225～226.

［3］王曉麗，牛樹奎，馬欽彥，等.北京地區(qū)主要針葉林易燃可燃物垂直分布［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（2）：258～259.

［4］高永剛，張廣英，韓俊杰，等.3種森林火險(xiǎn)氣象指數(shù)在黑龍江省北部林區(qū)應(yīng)用效果的對(duì)比分析［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（11）：147～151.

［5］徐海龍，曲智林.過火面積與氣象要素相關(guān)性分析［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（5）：144～146.

［6］陳建忠，劉劍斌，肖應(yīng)忠，等.建陽市森林火災(zāi)時(shí)空分布特征［J］.福建林學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（2）：258～259.

［7］梁 峻，周禮洋，葉枝茂.云南松林內(nèi)可燃物與計(jì)劃燒除火行為的相關(guān)分析［J］.福建林業(yè)科技，2009（1）：258～259.

［8］包艷麗，牛樹奎，孫國慶，等.阿爾泰山主要林型燃燒性研究［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2010（4）：223～227.

［9］Peter M Brown，Merrill R Kaufmann，Wayne D Shepperd.Long～term，landscape patterns of past fire events in a montane ponderosa pine forest of central Colorado［J］.Landscape Ecology，1999，14（6）：147～150，153.

［10］Bertram Ostendorf，James F.Reynolds.A model of arctic tundra vegetation derived from topographic gradients［J］.Landscape Ecology，1998，13（3）：140～145.