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北京山区主要针叶林潜在火行为及冠层危险指数研究

陶长森 牛树奎 陈锋 李连强 陈羚 张鹏

陶长森, 牛树奎, 陈锋, 李连强, 陈羚, 张鹏. 北京山区主要针叶林潜在火行为及冠层危险指数研究[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(9): 55-62. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180109
引用本文: 陶长森, 牛树奎, 陈锋, 李连强, 陈羚, 张鹏. 北京山区主要针叶林潜在火行为及冠层危险指数研究[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(9): 55-62. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180109
Tao Changsen, Niu Shukui, Chen Feng, Li Lianqiang, Chen Ling, Zhang Peng. Potential fire behavior and canopy hazard index of main coniferous forests in Beijing mountain area[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(9): 55-62. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180109
Citation: Tao Changsen, Niu Shukui, Chen Feng, Li Lianqiang, Chen Ling, Zhang Peng. Potential fire behavior and canopy hazard index of main coniferous forests in Beijing mountain area[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(9): 55-62. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180109

北京山区主要针叶林潜在火行为及冠层危险指数研究

doi: 10.13332/j.1000-1522.20180109
基金项目: 

国家林业局科技推广项目 2015-04

详细信息
    作者简介:

    陶长森。主要研究方向:生态规划与管理。Email: 492008465@qq.com 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学林学院

    通讯作者:

    牛树奎,教授,博士生导师。主要研究方向:生态规划与管理。Email: niushukui@163.com 地址:同上

  • 中图分类号: S762.1

Potential fire behavior and canopy hazard index of main coniferous forests in Beijing mountain area

  • 摘要: 目的树冠火作为一类对森林生态系统特别是针叶林造成严重损害的森林火灾, 一旦发生树冠火, 其在林火蔓延过程中起主导作用。通过对针叶林潜在火行为大小和冠层危险指数的探究, 以及其在一天中的变化情况, 了解树冠火危害大小及发生的条件, 为预防及扑救林火提供科学依据。方法本文以北京山区主要的针叶树种油松和侧柏作为研究对象, 通过对2种林分可燃物的载量、理化性质、分布规律的调查, 计算林分潜在火行为随风速变化的趋势, 并利用树冠火发生和发展的气象因子临界指标来建立冠层危险指数。最终, 结合该地区的气象资料, 选取外业调查期间的2 d为例, 计算冠层危险指数, 判断2种林分可能发生树冠火的类型、时间、持续时长以及林分潜在火行为大小。结果2种林分的理化性质差距较小, 但冠基高度上相差较大; 在高风速(40 km/h)天气下, 油松林发生连续型树冠火, 蔓延速度和火线强度分别为17.0 m/min、16079 kW/m, 侧柏林发生间歇型树冠火, 蔓延速度和火线强度分别为11.4 m/min、5290 kW/m, 油松林和侧柏林分别在风速为30、37 km/h时达到高强度火; 油松林的冠层危险指数TI(torching index)和CI(crowning index)值随时间分别在17.1~29.6 km/h和33.9~38.8 km/h范围内波动, 侧柏林的波动范围分别为11.9~21.1 km/h和47.5~54.9 km/h, 油松林在48 h内发生地表火、间歇型树冠火、连续型树冠火的时间占比分别为87%、9%、4%, 其最高速度和火焰最大强度分别为17.5 m/min、8598 kW/m, 而侧柏林只能发生地表火和间歇型树冠火, 其比例为56%、44%, 最大潜在火行为指标分别为14.5 m/min、4506 kW/m。结论2种林分中, 冠基高度是树冠火发生最主要的影响因素之一; 林分整体潜在火行为随风速变化明显, 且能在5级风速下形成高强度森林火灾; 侧柏林更易形成树冠火, 油松林发生极高强度火灾的可能性大。
  • 图  1  林分潜在火行为随风速变化趋势

    Figure  1.  Potential fire behavior of stands with wind speed changing

    图  2  细小可燃物含水率随气象因子变化

    Figure  2.  Moisture content of fine dead fuel varies with weather factors

    图  3  冠层危险指数变化趋势

    A.实际风速;TI.树冠火发生指数;CI.树冠火蔓延指数。

    Figure  3.  Changing trends of canopy hazard index

    A, actual wind speed; TI, torching Index; CI, crowning index.

    图  4  油松林潜在火行为变化趋势

    S.地表火;P.间歇型树冠火;A.连续型树冠火。

    Figure  4.  Changing trends in potential fire behavior of Pinus tabuliformis forest

    S, surface fire; P, passive crown fire; A, active crown fire.

    图  5  侧柏林潜在火行为变化趋势

    S.地表火;P.间歇型树冠火;A.连续型树冠火。

    Figure  5.  Changing trends in potential fire behavior of Platycladus orientalis forest

    S, surface fire; P, passive crown fire; A, active crown fire.

    表  1  林分可燃物特征及理化指标

    Table  1.   Fuel characteristics and physicochemical indicators

    特征值Characteristic value 油松Pinus tabuliformis 侧柏Platycladus orientalis
    林分因子特征 郁闭度Canopy density/% 75 70
    Stand factor characteristics 优势树高Dominant stand height/m 11.5 10.0
    坡度Slope degree/(°) 20 20
    可燃物载量Fuel load/(kg·m-2) 0.98 0.84
    表面积体积比Surface area to volume ratio/cm-1 37.09 37.85
    地表可燃物特征 热值Heat value/(kJ·kg-1) 21 093 20 928
    Surface fuel characteristics 时滞1 h含水率1 hour time lag moisture/% 7.4 8.8
    时滞10 h含水率10 hour time lag moisture/% 8.0 9.2
    时滞100 h含水率100 hour time lag moisture/% 10.2 8.5
    细小活可燃物含水率Fine live fuel moisture content/% 118 121
    冠基高度Canopy base height/m 1.8 0.8
    冠层特征Canopy characteristics 冠层密度Canopy bulk density/(kg·m-3) 0.21 0.13
    冠层可燃物载量Canopy fuel load/(kg·m-2) 1.28 0.67
    叶片含水率Leaf moisture content/% 105 105
    注:含水率均为绝对含水率。Note: moisture content is absolute moisture content.
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    表  2  林分潜在火行为指标

    Table  2.   Potential fire behavior indexes of stand

    火行为指标Fire behavior index 油松Pinus tabuliformis 侧柏Platycladus orientalis
    蔓延速度Spreading rate/(m·min-1) 1.3 1.1
    地表火Surface fire 火线强度Fire line intensity/(kW·m-1) 641 338
    间歇型树冠火临界强度Critical fire line intensity for passive crown fire/(kW·m-1) 433 128
    间歇型树冠火临界速度Critical rate of spread for passive crown fire/(m·min-1) 0.9 0.4
    蔓延速度Spreading rate/(m·min-1) 17.0 16.7
    连续型树冠火临界速度Rate of spread for a fully active crown fire/(m·min-1) 14.3 23.6
    林分整体Overall stand
    树冠火Crown fire 树冠火类型Crown fire type 连续型Active 间歇型Passive
    冠层燃烧比Crown fraction burned 1 0.65
    整体蔓延速度Overall spreading rate/(m·min-1) 17.0 11.4
    整体火线强度Overall fire line intensity/(kW·m-1) 16 079 5 290
    冠层潜在危险指数 树冠火发生指数(TI)Torching index 27 15
    Potential canopy hazard index 树冠火蔓延指数(CI)Crowning index 35 51
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-04-11
  • 修回日期:  2018-06-13
  • 刊出日期:  2018-09-01

北京山区主要针叶林潜在火行为及冠层危险指数研究

doi: 10.13332/j.1000-1522.20180109
    基金项目:

    国家林业局科技推广项目 2015-04

    作者简介:

    陶长森。主要研究方向:生态规划与管理。Email: 492008465@qq.com 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学林学院

    通讯作者: 牛树奎,教授,博士生导师。主要研究方向:生态规划与管理。Email: niushukui@163.com 地址:同上
  • 中图分类号: S762.1

摘要: 目的树冠火作为一类对森林生态系统特别是针叶林造成严重损害的森林火灾, 一旦发生树冠火, 其在林火蔓延过程中起主导作用。通过对针叶林潜在火行为大小和冠层危险指数的探究, 以及其在一天中的变化情况, 了解树冠火危害大小及发生的条件, 为预防及扑救林火提供科学依据。方法本文以北京山区主要的针叶树种油松和侧柏作为研究对象, 通过对2种林分可燃物的载量、理化性质、分布规律的调查, 计算林分潜在火行为随风速变化的趋势, 并利用树冠火发生和发展的气象因子临界指标来建立冠层危险指数。最终, 结合该地区的气象资料, 选取外业调查期间的2 d为例, 计算冠层危险指数, 判断2种林分可能发生树冠火的类型、时间、持续时长以及林分潜在火行为大小。结果2种林分的理化性质差距较小, 但冠基高度上相差较大; 在高风速(40 km/h)天气下, 油松林发生连续型树冠火, 蔓延速度和火线强度分别为17.0 m/min、16079 kW/m, 侧柏林发生间歇型树冠火, 蔓延速度和火线强度分别为11.4 m/min、5290 kW/m, 油松林和侧柏林分别在风速为30、37 km/h时达到高强度火; 油松林的冠层危险指数TI(torching index)和CI(crowning index)值随时间分别在17.1~29.6 km/h和33.9~38.8 km/h范围内波动, 侧柏林的波动范围分别为11.9~21.1 km/h和47.5~54.9 km/h, 油松林在48 h内发生地表火、间歇型树冠火、连续型树冠火的时间占比分别为87%、9%、4%, 其最高速度和火焰最大强度分别为17.5 m/min、8598 kW/m, 而侧柏林只能发生地表火和间歇型树冠火, 其比例为56%、44%, 最大潜在火行为指标分别为14.5 m/min、4506 kW/m。结论2种林分中, 冠基高度是树冠火发生最主要的影响因素之一; 林分整体潜在火行为随风速变化明显, 且能在5级风速下形成高强度森林火灾; 侧柏林更易形成树冠火, 油松林发生极高强度火灾的可能性大。

English Abstract

陶长森, 牛树奎, 陈锋, 李连强, 陈羚, 张鹏. 北京山区主要针叶林潜在火行为及冠层危险指数研究[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(9): 55-62. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180109
引用本文: 陶长森, 牛树奎, 陈锋, 李连强, 陈羚, 张鹏. 北京山区主要针叶林潜在火行为及冠层危险指数研究[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(9): 55-62. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180109
Tao Changsen, Niu Shukui, Chen Feng, Li Lianqiang, Chen Ling, Zhang Peng. Potential fire behavior and canopy hazard index of main coniferous forests in Beijing mountain area[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(9): 55-62. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180109
Citation: Tao Changsen, Niu Shukui, Chen Feng, Li Lianqiang, Chen Ling, Zhang Peng. Potential fire behavior and canopy hazard index of main coniferous forests in Beijing mountain area[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(9): 55-62. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180109
  • 树冠火是一种具有短时爆发性强,火行为十分复杂,仅在特定的地形条件、可燃物条件和气象条件下才可能发生,对森林生态系统特别是针叶林造成严重损害的森林火灾[1-2]。由于林火的蔓延速度突然增大,导致火线强度增大,并产生剧烈的热对流和热辐射[3-4],较强的树冠火一旦发生,将对扑救人员和群众生命安全产生极大的威胁,并且极难对火势进行直接控制[5]。在发生的森林火灾中,虽然仅有很少部分会发展形成树冠火,但是大面积森林火灾主要由树冠火所导致的[6-7]。根据树冠火对地表火的依赖程度可将其划分为独立树冠火、间歇型树冠火和连续型树冠火三类[1],间歇型和连续型树冠火均由地表火引发,区别在于间歇型树冠火仅在林分中几株树的冠层进行燃烧,蔓延速度受地表火阶段的控制;连续型树冠火则是整个林分的冠层燃烧,并形成稳定的火墙;独立树冠火指火仅发生在树冠上,也称为离地火,该类树冠火发生情况较少。

    近年来,国外对树冠火进行了大量深入的研究,Curz等人[9-10]根据野外实验提出了树冠火发生概率模型及蔓延模型,并取得了较好的预测精度;Mitsopoulos等人[11-12]构建了冠层垂直结构模型,并在不同燃烧条件下估测树冠火发生类型和冠层潜在火行为;Gómez-Vázquez等人[13]利用密度控制图,结合树冠火发生和传播模型对不同密度条件下可能发生的树冠火类型进行了研究;Hevia等人[14]评估了修枝和疏伐对冠层潜在火行为的影响。国内对树冠火的研究较少,主要集中在冠层可燃物分布规律与树冠潜在火行为的关系以及对树冠火模型的初步探究上[15-19],而潜在火行为是指在特定的环境条件下如果森林发生火灾可能表现出的林火行为特征[8]。目前国内对地表潜在火行为研究较多,对树冠火发生时林分整体潜在火行为、树冠火与环境的关系研究极少。针叶林中含有大量的松脂和挥发性油类,多数具有较高的易燃性,使得针叶林更易发生森林火灾;故本研究选择北京山区主要针叶林油松(Pinus tabuliformis)和侧柏(Platycladus orientalis)作为研究对象,通过对不同林分树冠火发生和发展时的环境阈值的研究,建立冠层危险指数CI(crowning index)和TI(torching index),对不同环境条件下林分潜在林火类型进行判别,将树冠火和地表火同时进行考虑,研究林分整体潜在火行为。以期为该地区的可燃物管理和扑火工作提供科学依据。

    • 妙峰山林场位于北京市海淀区西北部苏家坨镇境内(39°54′ N、116°28′ E),地跨海淀、门头沟两区。海拔范围为100~1 153 m。属温带湿润季风气候区,冬季寒冷干燥,夏季高温多雨,年均气温12.5 ℃,年平均降水量628.9 mm,降水集中于夏季的6—8月。

      该地区植被属温带落叶林带的山地栎(Quercus spp.)林和油松林带,主要为次生林和人工林,森林覆盖率达96.2%。其中,针叶林以人工油松林和侧柏林为主,高海拔区域有部分华山松(Pinus armandii)林和华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)林。林下植被有三裂叶绣线菊(Spiraea trilobata)、胡枝子(Lespedeza bicolor)、扁担杆(Grewia biloba)等灌木和宽叶薹草(Carex sideresticta)、白草(Pennisetum centrasiaticum)、野古草(Arundinella anomala)等草本以及葎叶蛇葡萄(Ampelopsis humulifolia)、南蛇藤(Celastrus orbiculatus)、穿龙薯蓣(Dioscorea nipponica)、蝙蝠葛(Menispermum dauricum)等藤本。

    • 在油松林和侧柏林中,选择林分密度适中、地势平坦、具有代表性、人为干扰较小的区域,分别设置6块20 m×20 m的标准地。记录每块标准地的地形因子(海拔、坡度、坡向、坡位)和林分基本特征(郁闭度、层次)等信息,同时将标准地划分16个5 m×5 m的小样方用于调查灌木、草本和地表枯落物。

      林分可燃物主要分为地表可燃物层和树冠可燃物层。地表可燃物层主要包括灌木、草本以及地表枯落物。在每个5 m×5 m小样方内,调查每种灌木的平均高度、盖度以及株数等,利用王欢等[20]在该地区建立的林下灌木生物量模型对样地内灌木生物量进行估算;同时,在每个5 m×5 m小样方内选择具有代表性的1个1 m×1 m的地块,利用收获法对草本植物进行称质量取样;选择样地四角和中心的5个5 m×5 m的小样方,按照不同时滞(10、100、1 000 h)对地表枯落物进行分类称质量取样,在每个小样方中选取具有代表性的1个1 m×1 m地块测量未分解和分解半分解枯枝落叶层厚度,并对时滞1可燃物称质量取样。

      树冠可燃物分层进行估测。本文采用分段标准枝法对树冠可燃物特征值进行估算,该方法在文献[27]中有详述。将所有样品带回实验室进行含水率、表面积体积比、热值、灰分等理化分析,参照牛树奎等人[16]的方法进行测量,利用表面积载量加权法对可燃物理化性质进行计算。

    • 林分潜在火行为主要包括了林火蔓延速率以及火线强度大小。由于地下火发生较少,本文只讨论地表火和树冠火以及其耦合的潜在火行为。利用Rothermel地表火[4]和树冠火蔓延速度模型[21]进行计算,公式如下:

      $$ \begin{array}{c}{R_{\mathrm{s}}=\frac{I_{\mathrm{R}} \xi\left(1+\varphi_{\mathrm{w}}+\varphi_{\mathrm{s}}\right)}{\rho_{\mathrm{b}} \varepsilon Q_{\mathrm{g}}}} \\ {R_{\mathrm{a}}=3.34 R_{10}}\end{array} $$

      式中:Rs为地表火蔓延速度(m/min);IR为反应强度(kW/m2);ξ为传播系数;Φw为风速修正系数;Φs为坡度修正系数;ρb为可燃物床层密度(kg/m3);ε为有效热系数;Qg为预燃热(kJ/kg);Ra为树冠火蔓延速度(m/min);R10为相同外界条件下Rothermel可燃物模型10的地表火蔓延速度(m/min)。

      利用Wagner等人[28]提出的树冠火和地表火耦合计算模型,同时,模型中冠层燃烧比(K)利用Scott等人[29]提出的线性冠层燃烧比对林分整体潜在火行为进行计算,公式如下:

      $$ \begin{array}{c}{R_{\mathrm{f}}=R_{\mathrm{s}}+K\left(R_{\mathrm{a}}-R_{\mathrm{s}}\right)} \\ {K=\frac{R_{\mathrm{s}}-R_{\mathrm{f}}}{R_{\mathrm{sa}}-R_{\mathrm{f}}}}\end{array} $$

      式中:Rf为林火蔓延耦合速度(m/min);K为冠层燃烧比,最大值为1;Rf为树冠火发生时地表火蔓延速度(m/min);Rsa为连续型树冠火发生时的地表火蔓延速度(m/min)。

    • 火线强度同样包括地表火强度,树冠火强度以及耦合的强度,根据Byram火线强度公式[22],利用Wagner等人[28]的耦合火线强度公式如下所示:

      $$ \begin{array}{c}{I_{\mathrm{s}}=P_{\mathrm{s}} \cdot R_{\mathrm{s}}} \\ {P_{\mathrm{s}}=\frac{12.595 I_{\mathrm{R}}}{\sigma}} \\ {I_{\mathrm{f}}=\frac{\left(P_{\mathrm{s}}+W_{\mathrm{c}} H_{\mathrm{c}} K\right) R_{\mathrm{f}}}{60}}\end{array} $$

      式中:Is为地表火蔓延强度(kW/m);Ps为地表单位面积发热量(kJ/m2);σ为可燃物加权表面积体积比(cm-1);If为火线耦合强度(kW/m);Wc为冠层有效可燃物载量,Hc为冠层可燃物热值(kJ/kg)。

    • 冠层危险指数包括树冠火发生指数(TI)和树冠火蔓延指数(CI),其中TI的值为地表火线强度达到发生树冠火的临界火强度时的风速,而CI的值为间歇型树冠火蔓延速度达到连续型树冠火蔓延临界速度时的风速。由于对冠层可燃物下层的下限值存在较大的争议使得林分的冠基高度目前没有一个明确的定义[30],本文采用目前被广泛接受的将冠层密度达到0.01 kg/m3时的林分高度作为冠基高度进行计算[29]。根据Wagner[23]的树冠火类型的判定标准,树冠火发生临界强度为Ii,连续型树冠火发生的临界蔓延速度为RA,公式如下:

      $$ \begin{array}{c}{I_{\mathrm{i}}=\left[0.01 L_{\mathrm{z}}\left(460+25.9 M_{\mathrm{y}}\right)\right]^{1.5}} \\ {R_{A}^{\prime}=\frac{3}{C_{\mathrm{z}}}}\end{array} $$

      式中:Ii为树冠火发生临界强度(kW/m);Lz为冠基高度(m);My为叶片绝对含水率(%);RA为连续型树冠火临界蔓延速度(m/min);Cz为冠层容积密度(kg/m3)。

      则TI的值为Is等于Ii时的风速,CI的值则为当RARa相等时的风速,由于该风速均为火焰高度处风速,不便于测量,故本文中出现的风速,无特殊说明均为10 m高空风速。利用Finney等人风速衰减公式,对风速进行转换:

      $$ U=X U_{10}=\frac{U_{10}}{1.15} \cdot \frac{0.555}{\sqrt{\left(P_{\mathrm{e}} / 100\right) \cdot(\pi / 12) \cdot 3.28 L_{0}}} $$

      式中:U为火焰高度风速(m/min);U10为10 m高空处风速(m/min);X为风力衰减系数;Pc为冠层盖度(%);L0为优势树高(m)。将Rothermel模型中的可燃物模型10相关参数带入整理后,TI和CI的计算公式如下:

      $$ \mathrm{TI}=U_{010}^{\prime}=\left(\frac{1}{54.683 X}\right)\left[\frac{\frac{60 I_{\mathrm{i}} \rho_{\mathrm{b}} \varepsilon Q_{\mathrm{g}}}{P_{\mathrm{s}} I_{\mathrm{R}} \xi}-\phi_{\mathrm{s}}-1}{C\left(\frac{\beta}{\beta_{\mathrm{OP}}}\right)^{-E}}\right]^{\frac{1}{B}}\\ \mathrm{CI}=U_{\mathrm{AlO}}^{\prime}=0.0457\left[\frac{\frac{164.8 \varepsilon Q_{\mathrm{g}}}{I_{\mathrm{R}} C_{2}}-\phi_{\mathrm{s}}-1}{0.001612}\right]^{0.7} $$

      式中:β为可燃物床层压缩比;βOP为可燃物床层最优压缩比;C,B,E为系数;UO10为树冠火发生时10 m高空风速(km/h);UA10为连续型树冠火发生时10 m高空风速(km/h)。

    • 林分中地表床层可燃物载量、表面积体积比以及热值等理化性质在一天中不会发生较大变化,但枯死细小可燃物含水率在一天中随着环境因子的改变在不断发生变化,将直接影响林分潜在火行为以及冠层危险指数。根据外业调查时间内林区气象因子的变化情况,选择气象条件有利于树冠火发生的2 d为例进行计算,故本文选择该地区2017年防火期中的5月10号、11号2 d,以小时为单位对风速、温度、相对湿度进行整理,用以计算细小死可燃物含水率变化情况。

    • 森林可燃物是森林火灾发生的物质基础,也是发生森林火灾的首要条件。在分析森林能否被引燃,以及蔓延和整个火行为过程,可燃物的特征比其他任何因素都要重要。同时,可燃物的特征决定于可燃物的燃烧性质,是由可燃物的理化性质决定的。由表 1可以看出,油松林和侧柏林在表面积体积比、热值、含水率等理化性质方面差距较小,但由于林分密度以及郁闭度等林分因子以及树种本身特性的影响,导致2种林分各类可燃物载量特别是冠层可燃物载量具有一定差距。同时,油松由于自身整枝能力较强,冠基高度达到1.8 m,而侧柏林仅为0.8 m。

      表 1  林分可燃物特征及理化指标

      Table 1.  Fuel characteristics and physicochemical indicators

      特征值Characteristic value 油松Pinus tabuliformis 侧柏Platycladus orientalis
      林分因子特征 郁闭度Canopy density/% 75 70
      Stand factor characteristics 优势树高Dominant stand height/m 11.5 10.0
      坡度Slope degree/(°) 20 20
      可燃物载量Fuel load/(kg·m-2) 0.98 0.84
      表面积体积比Surface area to volume ratio/cm-1 37.09 37.85
      地表可燃物特征 热值Heat value/(kJ·kg-1) 21 093 20 928
      Surface fuel characteristics 时滞1 h含水率1 hour time lag moisture/% 7.4 8.8
      时滞10 h含水率10 hour time lag moisture/% 8.0 9.2
      时滞100 h含水率100 hour time lag moisture/% 10.2 8.5
      细小活可燃物含水率Fine live fuel moisture content/% 118 121
      冠基高度Canopy base height/m 1.8 0.8
      冠层特征Canopy characteristics 冠层密度Canopy bulk density/(kg·m-3) 0.21 0.13
      冠层可燃物载量Canopy fuel load/(kg·m-2) 1.28 0.67
      叶片含水率Leaf moisture content/% 105 105
      注:含水率均为绝对含水率。Note: moisture content is absolute moisture content.
    • 风作为森林火灾发生的最重要的因子,能降低可燃物含水率,使其干燥易燃;当发生森林火灾时,补充氧气,加速燃烧过程;能改变热对流,缩短热辐射距离,加快林火蔓延速度。依据妙峰山地区2017年5月风速变化情况,选择风速最大的100个时段(每时段10 min)的平均风速,其值约为40 km/h,利用该风速对2种林分类型潜在火行为进行计算,结果见表 2,同时计算林分整体潜在火行为随风速变化的情况,详见图 1

      表 2  林分潜在火行为指标

      Table 2.  Potential fire behavior indexes of stand

      火行为指标Fire behavior index 油松Pinus tabuliformis 侧柏Platycladus orientalis
      蔓延速度Spreading rate/(m·min-1) 1.3 1.1
      地表火Surface fire 火线强度Fire line intensity/(kW·m-1) 641 338
      间歇型树冠火临界强度Critical fire line intensity for passive crown fire/(kW·m-1) 433 128
      间歇型树冠火临界速度Critical rate of spread for passive crown fire/(m·min-1) 0.9 0.4
      蔓延速度Spreading rate/(m·min-1) 17.0 16.7
      连续型树冠火临界速度Rate of spread for a fully active crown fire/(m·min-1) 14.3 23.6
      林分整体Overall stand
      树冠火Crown fire 树冠火类型Crown fire type 连续型Active 间歇型Passive
      冠层燃烧比Crown fraction burned 1 0.65
      整体蔓延速度Overall spreading rate/(m·min-1) 17.0 11.4
      整体火线强度Overall fire line intensity/(kW·m-1) 16 079 5 290
      冠层潜在危险指数 树冠火发生指数(TI)Torching index 27 15
      Potential canopy hazard index 树冠火蔓延指数(CI)Crowning index 35 51

      图  1  林分潜在火行为随风速变化趋势

      Figure 1.  Potential fire behavior of stands with wind speed changing

      表 2可知,从发生树冠火类型来看,2种林分类型均能发生树冠火,侧柏林只能发生间歇型树冠火,而油松林能演变为连续型树冠火。从临界指标上看,侧柏林的间歇型树冠火的地面临界速度高于油松林,但连续型树冠火临界速度比油松林高;表明侧柏林发生地表火后更容易形成树冠火,而油松林一旦发生树冠火更容易形成危害较大的连续型树冠火。其主要原因为侧柏林的冠基高度低,冠层密度远小于油松林。从火行为指标上看,油松林的整体蔓延速度达17.0 m/min,火线强度达16 079 kW/m,侧柏林分别为11.4 m/min、5 290 kW/m,根据林火强度等级划分[26],2种林分均发生高强度火(3 500 kW/m)。同时,从图 1可以看出,林火潜在火行为指标随风速变化并出现了拐点,其中,油松林变化曲线的拐点更加明显,主要是因为油松林发生树冠火后,由于冠层密度高以及冠层可燃物载量大,树冠燃烧剧烈造成的;油松林和侧柏林分别在风速为30、37 km/h时达到高强度火,根据我国对不同风速条件下风力等级,即在5级风(29~38 km/h)的情况下,2种林分类型都能形成高强度森林火灾。

    • 风速是影响林火蔓延的一种重要的气象因子,本文中所计算的2个冠层危险指数本质上也是风速的大小,通过计算出TI和CI这2个指标一天中随时间变化的规律,与实际风速进行比较,将有助于了解在什么时间段林分发生树冠火的概率较大,以及保持发生树冠火可能性的持续时间,利用选定2 d的气象因子,根据邵潇等人[25]在该地区建立的含水率模型对细小枯死可燃物含水率进行计算,结果如图 2所示,同时计算出冠层危险指数48 h变化趋势如图 3所示。

      图  2  细小可燃物含水率随气象因子变化

      Figure 2.  Moisture content of fine dead fuel varies with weather factors

      图  3  冠层危险指数变化趋势

      Figure 3.  Changing trends of canopy hazard index

      图 3可知,油松林的TI和CI随时间分别在17.1~29.6 km/h和33.9~38.8 km/h范围内波动,侧柏林分别为11.9~21.1 km/h和47.5~54.9 km/h。从树冠火发生时间段看,油松林可能发生树冠火的时间段主要集中在17:00—21:00,2 d内共计6.0 h,侧柏林则在11:00—15:00,17:00—22:00,32~42 h发生树冠火的可能性较大,2 d共计20.9 h。从发生类型来看,油松林在48 h内发生地表火、间歇型树冠火、连续型树冠火的时间占比分别为87%、9%、4%,侧柏林只能发生地表火和间歇型树冠火,其比例为56%、44%。

      同时,利用冠层危险指数对林分潜在林火类型进行分类,计算2 d内林分潜在火行为的变化情况,变化情况如下图 45所示。

      图  4  油松林潜在火行为变化趋势

      Figure 4.  Changing trends in potential fire behavior of Pinus tabuliformis forest

      图  5  侧柏林潜在火行为变化趋势

      Figure 5.  Changing trends in potential fire behavior of Platycladus orientalis forest

      图 45可知,2种林分一旦发生树冠火,潜在火行为将明显的增加,油松林在2 d内林火蔓延最高速度和火焰最大强度分别为17.5 m/min、8 598 kW/m,侧柏林为14.5 m/min、4 506 kW/m。通过计算,油松林平均蔓延速度为2.3 m/min,平均蔓延强度为1 178 kW/m,侧柏林分别为1.8 m/min、559 kW/m,一旦发生树冠火,油松林的平均蔓延速度为3.8 m/min,平均火强度为1 921 kW/m,侧柏林则分别为2.5 m/min、803 kW/m。可以看出,侧柏林虽然可能发生树冠火的时间较长,但其燃烧并没有油松林剧烈,其主要是由于油松林容易从间歇型树冠火形成连续型树冠火,增加了冠层燃烧比,使其蔓延速度高、火线强度大。

    • 本文通过对油松林和侧柏林可燃物载量分布、林分潜在火行为及冠层危险指数的研究,得出如下结论。

      (1) 2种林分中,冠基高度是树冠火发生最主要的影响因素之一。油松林和侧柏林在可燃物理化性质、地理条件、林分特征等方面差距较小,且侧柏林的地表可燃物载量还低于油松林,但通过树冠火发生指数上看,由于冠基高度的差异,侧柏林更容易发生树冠火。建议在侧柏林中,通过修枝降低下层(0~3 m)冠层可燃物载量,提高冠基高度,将有效降低树冠火发生的可能性。

      (2) 林分整体潜在火行为随风速变化明显,且能在5级风速下形成高强度森林火灾。由于地表可燃物的载量和理化性质与冠层可燃物的差异,加上该地区的针叶林主要为人工纯林,林分密度大,冠层可燃物载量高,含有大量的松脂和挥发性油类,随着风速增加,林分由地表火蔓延形成树冠火,潜在火行为指标明显增加,并在5级风速条件下迅速形成高强度(3 500 kW/m)森林火灾。

      (3) 从冠层危险指数的变化情况上看,侧柏林更易形成树冠火,油松林发生极高强度火灾的可能性大。这一结论关于侧柏的部分与牛树奎等人[15]的研究结果一致,而牛树奎等人[16]在针叶林可燃物水平连续性的研究中指出侧柏林可燃物连续性高,更容易发生大面积火灾,造成区别的主要原因为冠层密度上的差异性,侧面说明了冠层密度不仅影响林分潜在火行为大小,也对可燃物的水平连续性起着重要作用。

      冠层危险指数CI和TI能够较好的反映不同林分树冠火发生和蔓延的难易程度,与实际风速比较也能直观的判断树冠火的危险程度以及持续时间。但同时该指数仅将风速作为了参考因子,缺乏全面性,在林分其他因子变化较小的情况下,若将环境因子进行综合考虑形成指标,对不同林分树冠火危险程度进行评价将是下步研究的重点。同时,本研究中的2种林分类型均为中龄林,由于林分在不同林龄阶段树木干形、可燃物分布状况的不同,对同一树种不同林龄阶段林分潜在火行为及冠层危险指数的研究还需要进一步深入。

参考文献 (30)

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