基于火強(qiáng)度的西山國(guó)家森林公園主要可燃物類型劃分

王秋華，單保君，徐偉恒，李世友，劉世遠(yuǎn)

（1.西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，云南省森林災(zāi)害預(yù)警與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650224；2.西南林業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，云南 昆明 650224）

森林可燃物是森林燃燒的基礎(chǔ)，是構(gòu)成林火行為的主體，其結(jié)構(gòu)和組成影響林火發(fā)生與蔓延。林火行為是森林可燃物燃燒現(xiàn)象的總和[1]?；鹦袨榈挠绊懸蛩刂饕锌扇嘉?、地形、氣象等[2，3]。研究火行為有助于及時(shí)掌握林火的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程，有助于更加有效、安全地進(jìn)行撲火[4]，也有利于反過(guò)來(lái)深入可燃物的研究，上升到林火規(guī)律的高度，增強(qiáng)火險(xiǎn)等級(jí)劃分的準(zhǔn)確性，進(jìn)行科學(xué)火險(xiǎn)區(qū)劃，建立全國(guó)性的可燃物類型系統(tǒng)[5]。我國(guó)目前還沒(méi)有合適的全國(guó)森林可燃物類型劃分系統(tǒng)?，F(xiàn)有研究主要集中于小尺度區(qū)域，如從潛在林火行為的角度出發(fā)，依據(jù)可燃物的關(guān)鍵參數(shù)，利用系統(tǒng)聚類方法在豐林自然保護(hù)區(qū)建立標(biāo)準(zhǔn)森林可燃物模型[6]。本文以火強(qiáng)度的大小進(jìn)行分類，用BehavePlus 6.0模型對(duì)昆明西山國(guó)家森林公園的6個(gè)主要林型潛在火行為進(jìn)行模擬，根據(jù)研究結(jié)果中的火強(qiáng)度大小劃分可燃物類型，從而更好地有針對(duì)性地對(duì)可燃物進(jìn)行科學(xué)管理，節(jié)約相應(yīng)的人力、物力和財(cái)力。

1 研究地概況

昆明西山國(guó)家森林公園地處滇池湖畔，地理坐標(biāo)為102°37′—102°38′E，24°57′—24°59′N，最高峰海拔2 507.5m，高出滇池水面約620多m，山勢(shì)陡峭，占地約889hm2。最熱月均溫19.8℃，最冷月均溫7.7℃，年平均氣溫在10～22℃，年較差為12.1 ℃[7]。全年干、濕季節(jié)分明，年均降水量為1 094.1mm，5—10月為雨季（降水量占全年的88%），11月至次年4月為干季（降水量?jī)H占全年的12% ），其中2—4月降水最少，年均相對(duì)濕度74%[8]。公園植被大多為繁茂的原始次生林，隨高度變化森林垂直帶譜十分明顯。山體下部以櫟類為主的亞熱帶常綠闊葉林，山體上部是以地盤松（Pinusyunnanensisvar.pygmaea）、華山松（Pinusarmandii）為主的針葉林，在海拔2 150m以上的石灰?guī)r地帶，分布有沖天柏（Cupressusduclouxiana）林和多種落葉闊葉林。

2 研究方法

2.1 外業(yè)調(diào)查

外業(yè)調(diào)查時(shí)間選擇在2013年4月21日、23日、27日（云南省防火緊要期為3—4月，這時(shí)森林火險(xiǎn)等級(jí)最高，火災(zāi)危險(xiǎn)性最大），連旱天數(shù)（連續(xù)不下雨的天數(shù)）分別為8、10和14d。從山頂至山腳選擇華山松林，地盤松林，云南油杉（Keteleeriaevelyniana）林、滇青岡（Cyclobalanopsisglaucoides）林、旱冬瓜（Alnusnepalensis）林和麻櫟（Quercus acutissima）林連續(xù)分布且具有代表性的林地設(shè)置樣地（20m×10m），每個(gè)林型各3塊樣地，共計(jì)18塊樣地。并于2013年12月3日、4日（防火期剛開(kāi)始），連旱天數(shù)為25d、26d對(duì)樣地進(jìn)行跟蹤和調(diào)查。

測(cè)定每個(gè)樣地的海拔、坡度、坡向等地形要素，林分密度（株·hm－2），郁閉度及樹(shù)高、胸徑等林分特征。在每個(gè)樣地內(nèi)沿對(duì)角線設(shè)置3塊2m×2m小樣方。在每個(gè)小樣方內(nèi)用鋼卷尺測(cè)死可燃物的厚度，按照1h（直徑＜0.64cm），10h（0.64≤直徑≤2.54cm），100h（2.55cm≤直徑≤7.62cm）對(duì)可燃物分別取樣，用便攜式電子天平稱鮮質(zhì)量后裝進(jìn)信封帶回實(shí)驗(yàn)室。用平面截取法估算可燃物床的高度，用鋼卷尺測(cè)灌木、草本的高度，平均高度約是葉或莖最高處的70%[9]。

2.2 試驗(yàn)室測(cè)定

2.2.1 載量計(jì)算 根據(jù)樣方內(nèi)可燃物鮮質(zhì)量和含水率計(jì)算可燃物的載量（kg·m－2）。

可燃物載量＝樣方內(nèi)可燃物絕干質(zhì)量／樣方面積

2.2.2 死可燃物熱值 用XRY－1C微機(jī)氧彈式熱量計(jì)測(cè)定。

2.2.3 死可燃物熄滅含水率 在實(shí)地采樣的基礎(chǔ)上進(jìn)行室外模擬測(cè)定[9]。

2.2.4 可燃物表面積體積比 單位體積或質(zhì)量可燃物的表面積與其體積之比，表示可燃物的大小和形狀，是影響燃燒和蔓延的重要特征。

2.3 模型建立

BehavePlus模型能夠用于多種目標(biāo)的火管理，能夠產(chǎn)生表格、圖像和圖表。該模型應(yīng)用非常廣泛，各國(guó)、各地區(qū)可結(jié)合當(dāng)?shù)氐目扇嘉锬Ｐ蛠?lái)預(yù)測(cè)潛在的火行為。

2.3.1 模型因子選擇 火焰平均風(fēng)速：西山國(guó)家森林公園位于昆明西郊，11月至次年4月是旱季，其中2—4月風(fēng)速較大，大部分時(shí)間為1～5m·s－1。春季多大風(fēng)，特別午后風(fēng)力劇增，是該區(qū)域最顯著的特征，出現(xiàn)大風(fēng)時(shí)風(fēng)向以東南風(fēng)為主[10]。本文選取火焰中部風(fēng)速（5m·s－1）。

坡度：林火蔓延與坡度有直接密切的關(guān)系，一般來(lái)說(shuō)，隨坡度增加，蔓延速度變大。當(dāng)坡度大于20°后，燃燒初始階段火焰高度和火蔓延速度比較穩(wěn)定、波動(dòng)幅度不大；當(dāng)坡度為35°時(shí)，火勢(shì)由平穩(wěn)燃燒狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎秳?dòng)燃燒狀態(tài)，出現(xiàn)貼壁燃燒[11]。在西山國(guó)家森林公園，由于植被茂盛，坡度對(duì)火行為的作用遠(yuǎn)大于風(fēng)，所以選擇坡度作為關(guān)鍵因子。因?yàn)橹蛔鲮o態(tài)研究，本文選擇6種主要林型都存在的地形坡度（25°和35°）對(duì)火行為進(jìn)行模擬。

2.3.2 火行為指標(biāo) 火行為包括最大蔓延速率、單位面積熱量、火線強(qiáng)度和火焰長(zhǎng)度等。因?yàn)榛饛?qiáng)度的大小直接影響到火災(zāi)的安全撲救，是否會(huì)引起災(zāi)變[12]，以及火災(zāi)后的損失評(píng)估、生態(tài)恢復(fù)等。本文主要對(duì)火線強(qiáng)度進(jìn)行分析，以此劃分可燃物類型。

2.4 可燃物類型劃分

根據(jù)模型模擬的結(jié)果，用OriginPro 8.5作圖，得到25°、35°情形下的火強(qiáng)度圖，以火強(qiáng)度的大小，按照高、中、低進(jìn)行可燃物類型的劃分，并提出相應(yīng)合理的可燃物管理措施。

3 結(jié)果與分析

3.1 主要林型的特征

在西山國(guó)家森林公園東南坡，從山頂至山腳主要有華山松、云南油杉和滇青岡，在西坡主要有地盤松、麻櫟和旱冬瓜。林分密度80～1 700株·hm－2，林齡8～40a，郁閉度80%～95%，樹(shù)高3.5～21.1 m，胸徑8.1～27.2cm，具有代表性，具備6個(gè)主要林型的基本特征以及可燃物的相關(guān)屬性特征[13]。6個(gè)主要林型包括了針葉林和闊葉林，是昆明西山國(guó)家森林公園里主要的植被類型，具有代表性。

3.2 可燃物類型的劃分

對(duì)潛在火行為指標(biāo)的描述主要有火強(qiáng)度、火焰高度和火蔓延速度等參數(shù)?；鹧娓叨仍礁撸鹁€強(qiáng)度就越大，對(duì)樹(shù)木的損害能力就越強(qiáng)?；鹧娓叨仁芸扇嘉锓N類、數(shù)量、結(jié)構(gòu)和蔓延速度直接影響。火強(qiáng)度和火蔓延速度可通過(guò)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突驍?shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算。

3.2.1 火線強(qiáng)度特征 火強(qiáng)度是林火行為重要標(biāo)志之一，是森林可燃物燃燒時(shí)的熱量釋放速度，包括火線強(qiáng)度、火面強(qiáng)度和發(fā)熱強(qiáng)度等，影響到撲救方式和撲火力量的配備，也影響到森林生態(tài)系統(tǒng)健康?；鹈鎻?qiáng)度也稱單位面積熱量，指火頭前沿單位燃燒面上釋放出來(lái)的熱量，不受風(fēng)、坡度和蔓延速率的影響，僅和可燃物的載量及熱值有關(guān)。當(dāng)火線強(qiáng)度相同，快速蔓延的火向生境中釋放熱量少，火的生態(tài)效應(yīng)??；反之，緩慢移動(dòng)的火釋放熱量多，火的生態(tài)效應(yīng)大。火線強(qiáng)度是在單位時(shí)間內(nèi)單位火線長(zhǎng)度上向前推進(jìn)釋放出的熱量，也就是指火頭從前到后1m寬的可燃物床在單位時(shí)間釋放的熱量，是火鋒單位時(shí)間、單位長(zhǎng)度所釋放的能量。釋放能量越多、越快，火強(qiáng)度越高，對(duì)植物殺傷力越大，對(duì)森林的結(jié)構(gòu)和功能破壞越嚴(yán)重。現(xiàn)有技術(shù)還不能直接撲打達(dá)到3 500kW·m－1的高強(qiáng)度火，這時(shí)大部分植物容易燒死或嚴(yán)重?zé)齻?/p>

圖1 西山國(guó)家森林公園主要林型的火線強(qiáng)度

坡度是影響林火蔓延的主要因子之一?；鹧厣狡孪蛏下优c順風(fēng)蔓延的情況相似，上坡火火焰隨坡度的變化呈現(xiàn)為小坡度的緩慢燃燒、隨坡度增加的火焰抖動(dòng)以及大坡度時(shí)的貼壁劇烈燃燒[14]，而沿山坡向下蔓延的情況則與逆風(fēng)相似。由圖1可見(jiàn)，當(dāng)坡度為25°時(shí)，火線強(qiáng)度最大的是地盤松林，為16 205kW·m－1，約為最小的旱冬瓜林火線強(qiáng)度的26.7倍，后者只有608kW·m－1。云南油杉林火線強(qiáng)度達(dá)到3 808kW·m－1，分別為華山松林2 219 kW·m－1和滇青岡林1 277kW·m－1的1.7和3.0倍。地盤松林的火線強(qiáng)度約為麻櫟林10 565kW·m－1的1.5倍。當(dāng)坡度為35°時(shí)，火線強(qiáng)度最大的仍然是地盤松林，為18 996kW·m－1，約為最小火線強(qiáng)度旱冬瓜林的27.1倍，后者只有701kW·m－1。云南油杉林的火線強(qiáng)度達(dá)到4 502kW·m－1，分別為華山松林2 572kW·m－1、滇青岡林1 495kW·m－1的1.8和3.0倍，地盤松林的火線強(qiáng)度約為麻櫟12 196kW·m－1的1.6倍。這和可燃物的載量和死可燃物的熄滅含水率有關(guān)。地盤松林和旱冬瓜林的載量分別為4.60和2.15kg·m－2，約為2.1倍，而熄滅含水率分別為28.51%和9.04%。同時(shí)，地盤松林非常密集且連續(xù)性好，地表至樹(shù)冠都掛滿了枯死的針葉和小枝條。而旱冬瓜林則非常稀疏，地表可燃物少。地盤松林的灌木發(fā)達(dá)，高度為1.2m，而旱冬瓜林內(nèi)灌木較少且分散，高度為0.55m。麻櫟林內(nèi)比較干燥，灌木高度為0.9m，有利于火的蔓延，而旱冬瓜林內(nèi)比較濕潤(rùn)，地表可燃物較少，不連續(xù)且分解快。

3.2.2 可燃物類型的劃分 可燃物是林火發(fā)生和燃燒的物質(zhì)基礎(chǔ)，對(duì)其有效管理是改善森林結(jié)構(gòu)、提高森林健康水平，解決林火安全問(wèn)題的途徑。

森林燃燒時(shí)，火強(qiáng)度變化幅度非常大，為20～100 000kW·m－1，相差5 000倍。當(dāng)火強(qiáng)度超過(guò)4 000kW·m－1時(shí)，林內(nèi)所有生物都會(huì)燒死，只有火強(qiáng)度小于4 000kW·m－1時(shí)，才有生態(tài)意義，一般將火強(qiáng)度分為：750kW·m－1以下為低強(qiáng)度火；750～3 500kW·m－1為中強(qiáng)度火；大于3 500kW·m－1的為高強(qiáng)度火[15]。由圖1看出，在坡度為25°、35°的情形下，高強(qiáng)度火的為地盤松林、麻櫟林和云南油杉林，尤其是地盤松林，火強(qiáng)度始終最大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了3 500kW·m－1，而云南油杉林則與3 500 kW·m－1差距不大。中強(qiáng)度火的為華山松林和滇青岡林，低強(qiáng)度火的是旱冬瓜林。依據(jù)火強(qiáng)度圖，結(jié)合植被分布的狀況，能夠用GIS制圖，繪制火險(xiǎn)等級(jí)分布圖，從而配置相應(yīng)的撲火隊(duì)員、滅火裝備，儲(chǔ)存必備的防火物質(zhì)，預(yù)防林火發(fā)生。

4 結(jié)論與討論

在西山國(guó)家森林公園坡度為25°、35°情形下，火線強(qiáng)度最大的都是地盤松林，而最小的都是旱冬瓜林。高強(qiáng)度火的可燃物類型為地盤松林、麻櫟林和云南油杉林，尤其是地盤松林，火強(qiáng)度始終最大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了3 500kW·m－1，而云南油杉林則與3 500 kW·m－1差距不大。中強(qiáng)度火的可燃物類型有華山松林和滇青岡林，低強(qiáng)度火的可燃物類型是旱冬瓜林。根據(jù)火強(qiáng)度的大小，在森林防火期特別是防火緊要期進(jìn)行火險(xiǎn)等級(jí)區(qū)劃，對(duì)不同可燃物類型采取不同的措施，進(jìn)行針對(duì)性的林火管理，從而降低管理成本。在地盤松林，要進(jìn)行重點(diǎn)看護(hù)，嚴(yán)格禁止攜帶火種進(jìn)入林內(nèi)，也可以在地盤松林與別的可燃物類型交界處開(kāi)設(shè)一定寬度的防火隔離帶，防止地盤松著火后快速蔓延到相鄰的植被。

利用BehavePlus模型對(duì)同坡度的6種主要林型的潛在火行為進(jìn)行計(jì)算和比較，按照火強(qiáng)度高、中、低進(jìn)行火險(xiǎn)等級(jí)劃分，研究結(jié)果較好地反映了不同可燃物類型的潛在火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)性。在今后的研究中可以分齡級(jí)、坡向、火焰平均風(fēng)速等進(jìn)行深入的火行為研究，以便為火險(xiǎn)等級(jí)的劃分、林火管理提供更精確的理論依據(jù)。

目前很多國(guó)家（包括我國(guó)）缺乏全國(guó)統(tǒng)一的森林可燃物類型劃分標(biāo)準(zhǔn)，火行為模型的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用受到了限制[16]。在全球氣候變暖、極端氣候頻繁、火險(xiǎn)不斷增加的未來(lái)[17，18]，更應(yīng)繼續(xù)深入從火行為的角度來(lái)研究可燃物的類型。

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