坡度點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)中床層寬度對(duì)林火蔓延的影響

摘要： 本研究在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)構(gòu)件目標(biāo)林分下的可燃物結(jié)構(gòu)床層并進(jìn)行點(diǎn)燒試驗(yàn)，通過改變點(diǎn)燒平臺(tái)的坡度與寬度值，分析有坡點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)中不同床層寬度對(duì)火線燃燒軌跡、林火蔓延速率的影響。實(shí)驗(yàn)包括四種床層坡度（0°、10°、20°、30°）和三種床層寬度（1、2、3 m），每場點(diǎn)燒進(jìn)行兩次共24場點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)。將本研究結(jié)果與現(xiàn)有相關(guān)經(jīng)典模型預(yù)測值對(duì)比后，給出合理的床層寬度范圍，在保證點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)精度的前提下，以期為今后的相關(guān)研究提供參考。

關(guān)鍵詞： 坡度； 床層寬度； 林火蔓延速率

中圖分類號(hào)： S 762. 3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：1001 - 9499（2024）05 - 0043 - 04

Influence of Fuel Bed Width on Slope Fire Spread Rate

Abstract A set of 24 laboratory fires in the fuel beds was used to test the effects of slope （0°、10°、20°、30°）and fuel bed width （1、2、3 m） on fire behaviour variables such as rate of spread. After comparing the results of this study with the predicted values of existing classic models， a reasonable range of bed width is provided， while ensuring the accuracy of point burning experiments， in order to provide experimental reference for future related research.

Key words terrain slope; fuel bed width; forest fire rate of spread

森林資源是地球上最重要的自然資源之一，我國森林火災(zāi)發(fā)生較多，頻繁的森林火災(zāi)會(huì)嚴(yán)重破壞森林資源的數(shù)量與質(zhì)量，而林火預(yù)測預(yù)報(bào)（fire forecast）的研究是目前解決森林火災(zāi)的一項(xiàng)重要手段[ 1 ]。在林火預(yù)測預(yù)報(bào)領(lǐng)域，林火蔓延速率一直是林火生態(tài)學(xué)科中的重要研究內(nèi)容，該領(lǐng)域的研究內(nèi)容主要包括對(duì)可燃物的實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)點(diǎn)燒與野外實(shí)地點(diǎn)燒，再將可燃物屬性與燃燒結(jié)果相結(jié)合，通過綜合各類數(shù)據(jù)擬合出林火蔓延模型，進(jìn)而達(dá)到揭示林火行為發(fā)生發(fā)展規(guī)律的目的。針對(duì)不同地區(qū)，建立合理適用的林火行為預(yù)測模型，對(duì)提高森林火災(zāi)預(yù)測報(bào)技術(shù)水平、撲救指揮合理化、預(yù)防減少火災(zāi)損失都具有非常重要的科學(xué)意義。

我們?cè)_展過無坡無風(fēng)、無坡有風(fēng)條件下紅松針葉床層林火蔓延速率的模擬研究[ 2 - 3 ]，建立了這兩種試驗(yàn)條件下的林火蔓延模型。在鋪設(shè)相同屬性紅松針葉床層的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同坡度條件下的床層繼續(xù)進(jìn)行林火蔓延室內(nèi)點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)，這對(duì)構(gòu)件完整的紅松林火蔓延預(yù)測模型尤為重要。與有坡點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)不同，平地?zé)o風(fēng)點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)中火焰熱輻射對(duì)可燃物的預(yù)熱效果并不顯著，而平地有風(fēng)點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)中風(fēng)速占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位，故之前的兩項(xiàng)研究并沒有考慮床層寬度的影響。而坡度點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)中，坡度對(duì)火焰角度的改變會(huì)產(chǎn)生更多熱輻射，熱輻射是坡度點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)中火焰蔓延速率的重要影響因素。鑒于熱輻射在坡度點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)中的重要地位，且床層寬度對(duì)熱輻射產(chǎn)生的改變顯而易見，所以搞清不同可燃物床層寬度的火行為特征對(duì)于建立更準(zhǔn)確的坡度點(diǎn)燒模型十分必要。

從目前開展的室內(nèi)點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)來看，點(diǎn)燒平臺(tái)寬度變化對(duì)火行為影響的研究較少，國內(nèi)相關(guān)研究幾乎處于空白。坡度較小時(shí)，坡度能夠減小火焰與燃燒床的夾角，進(jìn)而增強(qiáng)了火焰向前的輻射傳熱能力，這一變化可導(dǎo)致林火蔓延速率增加。坡度較大時(shí)，更陡的坡面和上坡火誘導(dǎo)還會(huì)產(chǎn)生斜坡風(fēng)，斜坡風(fēng)可使火焰進(jìn)一步向燃燒方向傾斜并促進(jìn)燃燒，造成類似外界風(fēng)的效果[ 4 ]。燃燒平臺(tái)的寬度變化會(huì)改變熱輻射、斜坡風(fēng)等不確定因素，給坡度點(diǎn)燒的火線燃燒軌跡、火行為演變等帶來不確定因素。本研究主要的研究內(nèi)容：一是分析可燃物床層寬度變化對(duì)林火蔓延速率及燃燒過程的綜合影響；二是給出適當(dāng)?shù)拇矊訉挾确秶?，在保證坡度點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)精度的前提下，為實(shí)驗(yàn)室合理利用空間提供設(shè)計(jì)參考。

1 研究方法

1. 1 點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)在國家林業(yè)局北方林火管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（位于尚志市帽兒山實(shí)驗(yàn)林場的點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)室）進(jìn)行，鑒于黑龍江省森林防火期的設(shè)定，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為實(shí)驗(yàn)?zāi)甑?月初至8月中旬。一般選在氣溫、濕度、風(fēng)力等自然因素相近的時(shí)間段進(jìn)行，可燃物床層屬性誤差控制在合理范圍之內(nèi)。選擇經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高、燃燒屬性較強(qiáng)的紅松針葉作為點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)的可燃物。對(duì)研究地區(qū)可燃物進(jìn)行野外踏查，按照實(shí)地踏查數(shù)據(jù)鋪設(shè)相同含水率、載量和高度組合的可燃物均勻床層，這些可燃物屬性的組合與野外實(shí)地踏查的主流數(shù)據(jù)相同，與之前的兩項(xiàng)研究[ 2 - 3 ]亦有一定重合?？扇嘉锖视煤嫦溥M(jìn)行調(diào)節(jié)，床層坡度調(diào)節(jié)值設(shè)定為0°、10°、20°、30°，床層寬度調(diào)節(jié)值設(shè)定為1、2、3 m，床層長度固定為7 m。為提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，相同角度與寬度的場次進(jìn)行二次點(diǎn)燒并取蔓延速率平均值，即進(jìn)行4×3×2共24場點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)。

按實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)將可燃物均勻鋪設(shè)于燃燒床上，采用烘干稱重法測定可燃物載量，采用千分之五電子式水分測定儀GDS-1005MB測定含水率，米尺測量床層高度。在坡度燃燒床前設(shè)有一段1 m長的平緩引燃區(qū)，引燃區(qū)起點(diǎn)端固定有一水槽，在槽內(nèi)注入高濃度酒精后點(diǎn)燃，可快速形成一條火強(qiáng)度均勻的火線。無風(fēng)條件下，最初的火頭呈一條直線向前均勻蔓延，當(dāng)火蔓延過引燃區(qū)達(dá)到火線的“似穩(wěn)態(tài)”（Quasi-steady state）時(shí)，便可從坡度平臺(tái)的起點(diǎn)處記錄燃燒過程。在點(diǎn)燒平臺(tái)上，每相隔0.2 m垂直固定一個(gè)1m長的金屬桿，以輔助人工觀測記錄林火蔓延速率；在燃燒平臺(tái)中線上，每隔0.5 m設(shè)置一個(gè)熱電偶，用以記錄燃燒過程中可燃物床層的溫度變化，通過記錄各熱電偶溫度峰值的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，從而達(dá)到輔助觀測林火蔓延速率的目的[ 5 ]。在垂直于燃燒床的正面架設(shè)可俯瞰燃燒床的1號(hào)攝像機(jī)，側(cè)面架設(shè)一臺(tái)可拍攝整個(gè)床層剖面的2號(hào)攝像機(jī)，用以記錄可燃物燃燒過程。點(diǎn)燒結(jié)束后確認(rèn)視頻數(shù)據(jù)并清理燃燒床，調(diào)節(jié)燃燒臺(tái)及1號(hào)攝像機(jī)角度，視情況需要改變床層寬度，即可準(zhǔn)備下一場點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)（圖1）。

1. 2 數(shù)據(jù)處理

通過對(duì)24場點(diǎn)燒試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)分析，給出可燃物床層變坡、變寬條件下林火蔓延速率的基本特征，包括均值、中位數(shù)、最大值和最小值等。根據(jù)坡度相同寬度不同的蔓延速率數(shù)據(jù)對(duì)比，及坡度不同寬度相同的蔓延速率對(duì)比，尋求床層寬度對(duì)變坡條件下林火蔓延速率的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，計(jì)算三個(gè)經(jīng)典林火坡度蔓延模型的預(yù)測結(jié)果，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，尋求本實(shí)驗(yàn)與經(jīng)典研究之間是否存在差異，以及床層寬度的變化對(duì)經(jīng)典模型預(yù)測結(jié)果是否存在影響（表1）。

2 結(jié)果與分析

2. 1點(diǎn)燒跡地分析

通過1號(hào)攝像機(jī)，拍攝各點(diǎn)燒場次的燃燒過程，對(duì)不同燃燒階段的圖像進(jìn)行定格截取，將定格圖片組合在一起，用以展示各點(diǎn)燒場次火線的蔓延過程（圖2～圖4）。

2. 2 床層寬度對(duì)蔓延速率的影響分析

將不同實(shí)驗(yàn)臺(tái)角度與三種床層寬度進(jìn)行組合，在其他點(diǎn)燒條件完全一致的前提下記錄火焰點(diǎn)燒速率。通過標(biāo)桿記錄法、熱電偶峰值觀測及視頻圖像分析等方法，可使每場記錄的火焰蔓延速率盡可能準(zhǔn)確。每個(gè)床層寬度與角度的組合點(diǎn)燒兩次，取平均值。圖5為三種床層寬度在不同角度條件下燃燒速率的對(duì)比情況。床層寬度在較為平緩的地形上對(duì)林火蔓延速率影響不大，隨著實(shí)驗(yàn)臺(tái)角度的增加，床層寬度越寬蔓延速率越高，且角度在30°時(shí)的林火蔓延速率出現(xiàn)了斷崖式增長。

2. 3 現(xiàn)有模型適用分析

將本研究中的實(shí)驗(yàn)臺(tái)角度帶入三個(gè)經(jīng)典的坡度林火蔓延速率預(yù)測模型中，即Canadian FBP模型[ 6 ]、McArthur模型[ 7 ]和Rotherrmel模型[ 8 ]，其中Rotherrmel模型還需帶入可燃物床層壓縮比這一數(shù)據(jù)。分別計(jì)算出該三種模型在四種不同坡度條件下的坡度因子值，再與本研究中對(duì)應(yīng)坡度條件下的三個(gè)（燃燒層寬度分別為1、2、3 m）實(shí)測坡度因子值進(jìn)行對(duì)比。由圖6可以看出，含有野外實(shí)驗(yàn)的McArthur模型與其他兩個(gè)模型預(yù)測曲線存在小幅差異，而通過室內(nèi)小型點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)的Canadian FBP模型與Rotherrmel模型的預(yù)測結(jié)果則幾乎一致。本研究的實(shí)測坡度因子值在燃燒角度較小時(shí)與現(xiàn)有模型預(yù)測結(jié)果基本一致，當(dāng)坡度達(dá)到20°時(shí)開始出現(xiàn)輕微差異，坡度30°時(shí)差異則較為明顯，由其是床層寬度為3 m的坡度因子值，在坡度30°時(shí)其實(shí)測值遠(yuǎn)大于三個(gè)現(xiàn)有模型的預(yù)測結(jié)果。另外由圖可見，隨著坡度的增加，林火蔓延速率陡增，床層寬度對(duì)林火蔓延速率坡度因子值的影響也更為明顯，床層寬度越寬坡度因子值越大。

3 結(jié)論與討論

床層寬度對(duì)火線燃燒形狀影響不大，火線燃燒形狀主要取決于坡度值，坡度越大火線前端越尖銳，坡度越小則越平滑。從圖5中可以看出，較低角度中床層寬度為3 m的林火蔓延速率也要低于較高角度中床層寬度為1 m的林火蔓延速率，可見床層寬度對(duì)林火蔓延速率的影響遠(yuǎn)低于坡度對(duì)林火蔓延速率的影響，但隨著坡度的增加，床層寬度對(duì)林火蔓延速率的正向影響變得逐漸明顯。綜上所述，床層寬度帶來的額外熱輻射會(huì)更多地影響至火線側(cè)翼，與火線中心的火頭部分交互作用不大，故對(duì)林火蔓延速率影響有限。但坡度為30°、床層寬度為3 m的點(diǎn)燒場次，其實(shí)測林火蔓延速率遠(yuǎn)高于床層寬度為1 m和2 m的點(diǎn)燒場次。結(jié)合整體數(shù)據(jù)，認(rèn)為坡度點(diǎn)燒實(shí)驗(yàn)中，在20°～30°之間存在一個(gè)坡度閾值，當(dāng)坡度值大于該閾值時(shí)，林火蔓延速率會(huì)呈現(xiàn)斷崖式增長，閾值前后應(yīng)當(dāng)使用不同的林火速率蔓延模型，且隨著坡度的增加，床層寬度對(duì)林火蔓延速率的影響逐漸增強(qiáng)。

將實(shí)驗(yàn)中實(shí)測坡度因子值與各經(jīng)典坡度模型預(yù)測值進(jìn)行對(duì)比可見，坡度在0～20°、床層寬度1～3 m時(shí)的燃燒情況與現(xiàn)有預(yù)測模型相近。30°坡度時(shí)實(shí)測值相較現(xiàn)有模型預(yù)測值則有大幅提升，這說明在某些坡度閾值外經(jīng)典模型的預(yù)測結(jié)果存在一定的局限性。相關(guān)現(xiàn)有研究指出：坡度較大時(shí)，火焰依靠坡度大幅減小了與燃燒床的夾角，增強(qiáng)了火焰輻射能力，進(jìn)而加快了蔓延速率[ 9 ]；隨著坡度不斷增加，火焰前后溫度場的不對(duì)稱和空氣卷吸能力的差異引起斜坡風(fēng)，斜坡風(fēng)不能穿透火焰面，火焰前方只存在微弱的逆向（與火蔓延方向相反）卷吸氣流，斜坡風(fēng)使火焰進(jìn)一步向前傾斜并持續(xù)促進(jìn)燃燒，形成類似外界風(fēng)的效果[ 4 ]。隨著坡度逐步增大，斜坡風(fēng)也隨之迅速增強(qiáng)，這也解釋了較低坡度下的火焰面相對(duì)豎直而較高坡度下的火焰會(huì)產(chǎn)生向前傾斜的現(xiàn)象。以上理論與本研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，即隨著坡度的增加，坡度閾值外的模型預(yù)測值應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于林火實(shí)際蔓延速率。圖6中為坡度30°床層寬3 m的點(diǎn)燒場次，其實(shí)測坡度因子值遠(yuǎn)高于床層寬度為1 m和2 m的點(diǎn)燒場次，且嚴(yán)重偏離現(xiàn)有模型的預(yù)測結(jié)果。這與前面提到的林火蔓延速率坡度閾值相似，當(dāng)坡度值大于某一閾值時(shí)，床層寬度對(duì)坡度因子預(yù)測值存在顯著影響。

現(xiàn)有相關(guān)實(shí)驗(yàn)多在室內(nèi)無風(fēng)或弱風(fēng)條件下進(jìn)行，且對(duì)坡度閾值的研究不夠深入。本研究的結(jié)果也表明，床層寬度只有在坡度較大時(shí)才會(huì)產(chǎn)生一定影響，且床層寬度本身也存在介于2～3 m之間的閾值。野外實(shí)地研究斜坡及火線寬度對(duì)林火蔓延速率的影響仍然十分必要，且野火會(huì)出現(xiàn)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)無法模擬的火旋（fire whirls）等極端火行為[ 10 ]，此類坡度條件下真實(shí)火場的林火蔓延預(yù)測還有待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

［1］ 舒立福， 張小羅， 戴興安， 等. 林火研究綜述（II）—林火預(yù)測預(yù)報(bào)［J］. 世界林業(yè)研究， 2003， 16（4）： 34 - 37.

［2］ 金森， 褚騰飛， 邸雪穎， 等. 平地?zé)o風(fēng)條件下紅松針葉床層林火蔓延的影響因子分析及模擬［J］. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2012， 40（3）： 51 - 57.

［3］ 李存宇， 金森， 周勇， 等. 紅松針葉床層風(fēng)影響因子的模擬［J］. 林業(yè)科學(xué)， 2014， 50（1）： 116 - 124.

［4］ 武金模. 外界風(fēng)和坡度條件下地表火蔓延的實(shí)驗(yàn)和模型研究［D］. 北京： 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士論文， 2014.

［5］ 崔文彬， 喬啟宇， 牛樹奎， 等. 地表火燃燒參數(shù)及其火頭前影響區(qū)的實(shí)驗(yàn)研究［J］. 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 1998， 20（5）： 22 -27.

［6］ Van Wagner CE. Effect of slope on fire spread rate［J］. Canadian Forestry Service Bi-monthly Research Notes， 1977.

［7］ McArthur AG. Weather and grassland fire behaviour. Depar- tment of National Development［D］. Forestry and Timber Bureau， 1966.

［8］ Rothermel RC. A mathematical model for predicting fire spread in wildland fuels. USDA Forest Service. Intermountain Forest and Range Experimental Station［D］. Research Paper ， 1972.

［9］ Byram GM， Martin RE. The modeling of fire whirlwinds［J］. Forest Science， 1970， 16（4）， 386–399.

［10］ 金曉鐘， 程邦瑜. 森林火災(zāi)中的火旋風(fēng)特征［J］. 自然災(zāi)害學(xué)報(bào). 1997，6（2）： 34 - 41.