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北京市十三陵林场油松林地表火行为模拟

韩梅 温鹏 许惠敏 张永福 李伟克 刘晓东

韩梅, 温鹏, 许惠敏, 张永福, 李伟克, 刘晓东. 北京市十三陵林场油松林地表火行为模拟[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(10): 95-101. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180249
引用本文: 韩梅, 温鹏, 许惠敏, 张永福, 李伟克, 刘晓东. 北京市十三陵林场油松林地表火行为模拟[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(10): 95-101. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180249
Han Mei, Wen Peng, Xu Huimin, Zhang Yongfu, Li Weike, Liu Xiaodong. Simulation of surface fire behavior of Pinus tabuliformis forest in Ming Tombs Forest Farm in Beijing[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(10): 95-101. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180249
Citation: Han Mei, Wen Peng, Xu Huimin, Zhang Yongfu, Li Weike, Liu Xiaodong. Simulation of surface fire behavior of Pinus tabuliformis forest in Ming Tombs Forest Farm in Beijing[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(10): 95-101. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180249

北京市十三陵林场油松林地表火行为模拟

doi: 10.13332/j.1000-1522.20180249
基金项目: 

国家自然科学 31770696

详细信息
    作者简介:

    韩梅。主要研究方向:森林防火。Email: 1362682921@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:

    刘晓东,副教授。主要研究方向:森林防火。Email: xd_liu@bjfu.edu.cn  地址:同上

  • 中图分类号: S762.1

Simulation of surface fire behavior of Pinus tabuliformis forest in Ming Tombs Forest Farm in Beijing

  • 摘要: 目的油松林是华北地区典型针叶林分,易发生森林火灾。通过对油松林地表火行为模拟研究可以为森林可燃物管理,林火预防及扑救提供科学依据。方法本研究以北京市十三陵林场油松林为研究对象,通过野外调查地表枯死可燃物(1、10、100 h时滞)和灌层可燃物,记录林分因子(第1枝下高、树高、林龄和胸径)和环境因子(坡度、坡向和海拔)。结合内业实验测可燃物含水率和热值,利用火行为模拟软件BehavePlus5.0,对1 h时滞可燃物设定不同含水率和风速值,模拟所研究林分地表火蔓延速度、火线强度、火焰高度以及单位面积发热量4个重要的火行为指标。结果1、10、100 h时滞和灌层可燃物占总可燃物载量比分别为78%、5%、4%和13%。基于实测可燃物载量和含水率,油松林地表火蔓延速度平均值为2.1 m/min,火线强度平均值为270 kW/m,火焰高度平均值为0.95 m单位面积发热量平均值为7 139 kJ/m2。油松林1 h时滞可燃物载量显著高于10 h时滞和灌层可燃物载量。在1 h时滞可燃物含水率为6%,风速为40 km/h的强风和干旱天气条件下,油松林地表火蔓延速度平均值为15.1 m/min,火线强度平均值为3 278.5 kW/m,火焰高度平均值为3.1 m,单位面积发热量平均值为12 337.5 kJ/m2结论油松林内1 h时滞细小可燃物载量高于其他类型可燃物载量。地表火蔓延速度慢,火强度低,火焰高度低于第一枝下高,在正常天气条件下容易被扑灭。模拟结果表明油松林在低含水率的条件下,风速会显著增加地表火蔓延速度,难以人为扑灭,需清理地表可燃物,降低火险。
  • 图  1  不同类型可燃物载量

    Figure  1.  Fuel load of different types

    图  2  不同条件下地表火蔓延速度

    Figure  2.  Spreading speed of surface fire under different conditions

    图  3  不同条件下油松林地表火火线强度

    Figure  3.  Fireline intensity of Pinus tabuliformis forest under different conditions

    表  1  外业调查基本信息

    Table  1.   Basic information of field investigation

    样地号
    Sample plot No.
    林龄
    Stand age
    平均胸径
    Average DBH/cm
    第1枝下高
    Height of first lower branch/m
    坡度
    Slope degree/(°)
    可燃物床厚度
    Depth of fuel bed/cm
    P1 59 15.70 1.84 15 4.9
    P2 59 13.27 2.44 18 8.6
    P3 59 11.27 1.79 20 8.3
    P4 59 11.85 2.30 23 8.3
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    表  2  不同含水率条件下油松林单位面积发热量

    Table  2.   Thermal value per unit area of Pinus tabuliformis forest under different moisture conditions

    含水率Mositure content/% 单位面积发热量Thermal value per unit area/(kJ·m-2)
    P1 P2 P3 P4
    1 10 580 18 754 18 789 18 571
    6 8 051 13 836 13 688 13 775
    11 7 327 12 473 12 309 12 446
    16 6 770 11 583 11 482 11 602
    21 4 622 7 942 7 907 8 085
    26 0 0 0 0
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    表  4  不同条件下油松林地表火火焰高度

    Table  4.   Flame height of surface fire for Pinus tabuliformis forest under different conditions

    m
    项目
    Item
    1 h时滞可燃物含水率
    1 hour timelag fuel moisture/%
    中焰风速Mid-flame wind speed/(km·h-1)
    0 8 16 24 32 40 48 56 64
    均值Average 1 1.1 1.9 2.6 3.2 3.8 4.4 4.9 5.3 5.7
    6 0.7 1.3 1.9 2.3 2.8 3.1 3.5 3.7 4.0
    11 0.7 1.2 1.6 2.0 2.4 2.7 3.0 3.2 3.4
    16 0.6 1.0 1.4 1.8 2.1 2.4 2.6 2.8 3.0
    21 0.4 0.7 1.0 1.3 1.4 1.6 1.7 1.7 1.7
    26 0 0 0 0 0 0 0 0 0
    最大值Max. 1 1.3 2.2 3.2 3.9 4.6 5.3 5.9 6.4 6.9
    6 0.9 1.6 2.3 2.8 3.3 3.8 4.2 4.6 5.0
    11 0.8 1.4 2.0 2.4 2.9 3.3 3.6 4.0 4.3
    16 0.7 1.2 1.7 2.2 2.6 2.9 3.2 3.5 3.8
    21 0.5 0.8 1.2 1.5 1.7 2.0 2.1 2.1 2.1
    26 0 0 0 0 0 0 0 0 0
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  • [1] Forrestel A B, Ramage B S, Moody T, et al. Disease, fuels and potential fire behavior: impacts of sudden oak death in two coastal California forest types[J]. Forest Ecology & Management, 2015, 348:23-30. http://cn.bing.com/academic/profile?id=6a782045b1f1c639646d574d3840fa9b&encoded=0&v=paper_preview&mkt=zh-cn
    [2] 田晓瑞, 舒立福, 赵凤君, 等.气候变化对中国森林火险的影响[J].林业科学, 2017, 53(7):159-169. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/lykx201707016

    Tian X R, Shu L F, Zhao F J, et al. Impacts of climate change on forest fire danger in China[J]. Scientia Silvae Sinicae, 2017, 53(7):159-169. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/lykx201707016
    [3] Rothermel R C. A mathematical model for predicting fire spread in wildland fuels[M]. Ogden: USDA Forest Service General Technical Report, 1972.
    [4] Bilgili E, Durmaz B D, Saglam B, et al. Fire behaviour in immature calabrian pine plantations[J]. Forest Ecology & Management, 2006, 234:S112-S112. http://cn.bing.com/academic/profile?id=af8904844d50f9cc1a7676880df77451&encoded=0&v=paper_preview&mkt=zh-cn
    [5] 赵璠, 舒立福, 周汝良, 等.西南林区森林火灾火行为模拟模型评价[J].应用生态学报, 2017, 28(10):3144-3154. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yystxb201710005

    Zhao P, Shu L F, Zhou R L, et al. Evaluating fire behavior simulators in southwestern China forest area[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2017, 28(10):3144-3154. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yystxb201710005
    [6] 陈宏伟, 常禹, 胡远满, 等.大兴安岭呼中林区森林死可燃物载量及其影响因子[J].生态学杂志, 2008, 27(1):50-55. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/stxzz200801009

    Chen H W, Chang Y, Hu Y M, et al. Load of forest surface dead fuel in Huzhong area of Daxing' anling Mountains and relevant affecting factors[J].Journal of Ecology, 2008, 27(1):50-55. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/stxzz200801009
    [7] 吴志伟, 贺红士, 梁宇, 等.丰林自然保护区森林可燃物模型的建立[J].应用生态学报, 2012, 23(6):1503-1510. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yystxb201206011

    Wu Z W, He H S, Liang Y, et al. Establishment of standard forest fuel models for Fenglin Natural Reserve, Heilongjiang Province, China [J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2012, 23(6):1503-1510. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yystxb201206011
    [8] 王明玉, 李涛, 任云卯, 等.森林火行为与特殊火行为研究进展[J].世界林业研究, 2009, 22(2):45-49. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-SJLY200902009.htm

    Wang M Y, Li T, Ren Y M, et al. Research advances in forest fire behavior and special forest fire behaviors[J].World Forestry Research, 2009, 22(2):45-49. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-SJLY200902009.htm
    [9] 武军, 朱霁平, 贾敬蕊, 等.一种基于聚类分析的由林分因子估算地表可燃物载量的方法[J].火灾科学, 2011, 20(2):99-104. doi:  10.3969/j.issn.1004-5309.2011.02.005

    Wu J, Zhu J P, Jia J R, et al. Forest surface fuel load estimation by stand factors based on cluster analysis method[J].Fire Safety Science, 2011, 20(2):99-104. doi:  10.3969/j.issn.1004-5309.2011.02.005
    [10] 王刚, 金晓钟.细小可燃物易燃性的试验研究[J].森林防火, 1995(3):5-7. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=QK199500452011

    Wang G, Jin X Z. Experimental study on flammability of fine fuel[J]. Forest Fire Prevention, 1995(3):5-7. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=QK199500452011
    [11] Heinsch F A, Andrews P L. BehavePlus fire modeling system, version 5.0[J]. USDA Forest Service-General Technical Report RMRS-GTR, 2010, 106(213):1-110.
    [12] Andrews P L. Current status and future needs of the BehavePlus Fire Modeling System[J]. International Journal of Wildland Fire, 2014, 23(1):21. doi:  10.1071/WF12167
    [13] Kucuk O, Bilgili E, Fernandes P M. Fuel modelling and potential fire behavior in Turkey[J]. Sumarski List, 2015, 139(11-12):553-560. https://www.worldcat.org/title/behaveplus-fire-modeling-system-version-50-design-and-features/oclc/713836248
    [14] 黄小荣, 庞世龙, 彭玉华, 等.广西苍梧马尾松林和大叶栎林的火行为比较[J].火灾科学, 2015(1):9-15. doi:  10.3969/j.issn.1004-5309.2015.01.02

    Huang X R, Pang S L, Peng Y H, et al.Assessing fire potential of Pinus massoniana and Castanopsis fissa forests in Cangwu by fuel modelling[J]. Fire Safety Science, 2015(1):9-15. doi:  10.3969/j.issn.1004-5309.2015.01.02
    [15] 宋洁, 朱敏, 刘晓东, 等.疏伐对北京西山油松林可燃物特征及潜在火行为影响[J].北京林业大学学报, 2017, 39(5):41-47. doi:  10.13332/j.1000-1522.20160353

    Song J, Zhu M, Liu X D, et al. Effects of thinning on fuel characteristics and potential fire behaviors of Pinus tabuliformis forest in Beijing West Mountain[J].Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(5):41-47. doi:  10.13332/j.1000-1522.20160353
    [16] 卢欣艳.北京西山森林火险影响因素时空规律研究[D].北京: 北京林业大学, 2010. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10022-2010128835.htm

    Lu X Y. The spatial and temporal rules of forest fire factors in Beijng Xishan Centre[D]. Beijing: Beijing Forestry University, 2010. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10022-2010128835.htm
    [17] 王晓丽, 牛树奎, 马钦彦, 等.以地表死可燃物评估八达岭林场森林燃烧性[J].生态学报, 2009, 29(10):5313-5319. doi:  10.3321/j.issn:1000-0933.2009.10.017

    Wang X L, Niu S K, Ma Q Y, et al.Forests combustibility evaluation in Badaling Forest Farm based on surface dead fuel[J]. Acta Ecologica Sinica, 2009, 29(10):5313-5319. doi:  10.3321/j.issn:1000-0933.2009.10.017
    [18] 王凯, 牛树奎.基于Rothermel模型的北京鹫峰国家森林公园潜在火行为[J].浙江农林大学学报, 2016, 33(1):42-50. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zjlxyxb201601006

    Wang K, Niu S K. Research on the potential fire behavior in Jiufeng National Forest Park of Beijing based on the Rothermel Model [J]. Journal of Zhejiang A & F University, 2016, 33(1):42-50. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zjlxyxb201601006
    [19] 王晓丽.北京山区森林燃烧性研究[D].北京: 北京林业大学, 2010. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=degree&id=Y1766516

    Wang X L. Study on combustibility of forests in Beijing Mountain Area[D]. Beijing: Beijing Forestry University, 2010. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=degree&id=Y1766516
    [20] 杨淑香, 王立明.北京十三陵林场公益林可燃物特征与经营[J].森林防火, 2007(1):14-17. doi:  10.3969/j.issn.1002-2511.2007.01.007

    Yang S X, Wang L M.The public welfare forest combustible characteristic and management of Beijing Ming Tombs Farm[J].Forest Fire Prevention, 2007(1):14-17. doi:  10.3969/j.issn.1002-2511.2007.01.007
    [21] Page W, Jenkins M J. Predicted fire behavior in selected mountain pine beetle-infested lodgepole pine[J]. Forest Science, 2007, 53(6):662-674. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=1ca659bd12b75cd351958acbf1646a72
    [22] 胡海清, 陆昕, 孙龙, 等.大兴安岭典型林分地表死可燃物含水率动态变化及预测模型[J].应用生态学报, 2016, 27(7):2212-2224. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yystxb201607021

    Hu H Q, Lu X, Sun L, et al.Dynamics and prediction models of ground surface dead fuel moisture content for typical stands in Great Xing' an Mountains, Northeast China[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2016, 27(7):2212-2224. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yystxb201607021
    [23] 张国防.杉木人工林地表易燃物含水率变化规律的研究[J].森林防火, 2000(2):19-20. doi:  10.3969/j.issn.1002-2511.2000.02.013

    Zhang G F.Study on the moisture change of flammable surface fuel of Chinese fir plantation[J].Forest Fire Prevention, 2000(2):19-20. doi:  10.3969/j.issn.1002-2511.2000.02.013
    [24] Wu Z W, He H S, Chang Y, et al. Development of customized fire behavior fuel models for boreal forests of northeastern China[J]. Environmental Management, 2011, 48(6):1148-1157. doi:  10.1007/s00267-011-9707-3
    [25] Fontaine J B, Westcott V C, Enright N J, et al. Fire behaviour in south-western Australian shrublands: evaluating the influence of fuel age and fire weather[J]. International Journal of Wildland Fire, 2012, 21(4):385. doi:  10.1071/WF11065
    [26] Albini F A. Estimating wildfire behavior and effects[M]. Ogden: USDA Forest Service General Technical Report, 1976.
    [27] Anderson W R, Cruz M G, Fernandes P M, et al. A generic, empirical-based model for predicting rate of fire spread in shrublands[J]. International Journal of Wildland Fire, 2015, 24:443-460. doi:  10.1071/WF14130
    [28] 舒立福, 王明玉, 田晓瑞, 等.关于森林燃烧火行为特征参数的计算与表述[J].林业科学, 2004, 40(3):179-183. doi:  10.3321/j.issn:1001-7488.2004.03.031

    Shu L F, Wang M Y, Tian X R, et al. Calculation and description of forest fire behavior characters[J].Scientia Silvae Sinicae, 2004, 40(3):179-183. doi:  10.3321/j.issn:1001-7488.2004.03.031
    [29] Hunter M E. Comprehensive guide to fuels treatment practices for ponderosa pine in the Black Hills, Colorado Front Range, and Southwest[M]. Ogden: USDA Forest Service-General Technical Report RMRS-GTR, 2007.
    [30] Cruz M G, Alexander M E, Sullivan A L, et al. Assessing improvements in models used to operationally predict wildland fire rate of spread[J]. Environmental Modelling & Software, 2018, 105:54-63. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=57c53d5b64b2b66ee44745ed2b2100de
  • [1] 詹航, 牛树奎, 王博.  北京地区8种树种枯死可燃物含水率预测模型及变化规律 . 北京林业大学学报, 2020, 42(6): 80-90. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190370
    [2] 王博, 韩树文, 武英达, 牛树奎, 刘晓东.  辽河源自然保护区油松林火烧迹地林木更新研究 . 北京林业大学学报, 2020, 42(4): 41-50. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190315
    [3] 满子源, 胡海清, 张运林, 刘方策, 李远.  帽儿山地区典型地表可燃物含水率动态变化及预测模型 . 北京林业大学学报, 2019, 41(3): 49-57. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180326
    [4] 刘冠宏, 李炳怡, 宫大鹏, 李伟克, 刘晓东.  林火对北京平谷区油松林土壤化学性质的影响 . 北京林业大学学报, 2019, 41(2): 29-40. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180339
    [5] 李连强, 牛树奎, 陈锋, 陶长森, 陈羚, 张鹏.  北京妙峰山林场地表潜在火行为及燃烧性分析 . 北京林业大学学报, 2019, 41(3): 58-67. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180361
    [6] 李连强, 牛树奎, 陶长森, 陈羚, 陈锋.  妙峰山油松林分结构与地表潜在火行为相关性分析 . 北京林业大学学报, 2019, 41(1): 73-81. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180304
    [7] 陈冀岱, 牛树奎.  多时相高分辨率遥感影像的森林可燃物分类和变化分析 . 北京林业大学学报, 2018, 40(12): 38-48. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180269
    [8] 王坚, 刘晓东.  福建三明2000—2011年森林火灾PM2.5排放量的估算 . 北京林业大学学报, 2018, 40(6): 41-47. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180075
    [9] 张远艳, 邸雪颖, 赵凤君, 于宏洲, 杨光.  红松人工林地表针叶可燃物燃烧PM2.5排放影响因子 . 北京林业大学学报, 2018, 40(6): 30-40. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170446
    [10] 谷越, 王芳, 陈鹏狮, 张军辉, 韩士杰, 张雪, 陈志杰, 岳琳艳.  长期施氮和降水减少对长白山阔叶红松林凋落物量的影响 . 北京林业大学学报, 2017, 39(4): 29-37. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160171
    [11] 李伟克, 刘晓东, 牛树奎, 李炳怡, 刘冠宏, 褚艳琴.  火烧对河北平泉油松林土壤微生物量的影响 . 北京林业大学学报, 2017, 39(10): 70-77. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160420
    [12] 宋洁, 朱敏, 刘晓东, 任云卯, 王奇峰, 金莹杉.  疏伐对北京西山油松林可燃物特征及潜在火行为影响 . 北京林业大学学报, 2017, 39(5): 41-47. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160353
    [13] 汪金松, 王晨, 赵秀海, 张春雨, 李化山, 王娜, 赵博.  模拟氮沉降对油松林单一及混合叶凋落物分解的影响 . 北京林业大学学报, 2015, 37(10): 14-21. doi: 10.13332/j.1000-1522.20140292
    [14] 刘艳红, 马炜.  长白落叶松人工林可燃物碳储量分布及燃烧性 . 北京林业大学学报, 2013, 35(3): 32-38.
    [15] 牛树奎, 贺庆棠, 陈锋, 王叁, 许格希, 孙武.  北京山区主要针叶林可燃物空间连续性研究——可燃物水平连续性与树冠火蔓延 . 北京林业大学学报, 2012, 34(4): 1-9.
    [16] 牛树奎, 王叁, 贺庆棠, 孙武, 陈锋.  北京山区主要针叶林可燃物空间连续性研究——可燃物垂直连续性与树冠火发生 . 北京林业大学学报, 2012, 34(3): 1-7.
    [17] 王晓丽, 牛树奎, 马钦彦, 刘艳红, 阚振国.  北京地区主要针叶林易燃可燃物垂直分布 . 北京林业大学学报, 2009, 31(2): 31-35.
    [18] 周宇峰, 周国模, 余树全, 徐小军, 金伟.  木荷林分可燃物载量空间分布的研究 . 北京林业大学学报, 2008, 30(6): 99-106.
    [19] 江泽慧, 程丽莉, 赵俊卉, 周志强, 李贤军, 刘志军, 杜官本, 黄心渊, 程金新, 王志玲, 施婷婷, 雷霆, 于寒颖, 曹伟, 李国平, 徐剑琦, 宗世祥, 周国模, 张展羽, 刘智, 雷相东, 肖化顺, 陈伟, 张煜星, 崔彬彬, 郝雨, 张璧光, 郭广猛, 张璧光, 张彩虹, 王海, 雷洪, 黄群策, 丁立建, 吴家森, 苏里坦, 杨谦, 李云, 曹金珍, 张则路, 刘童燕, 李云, 关德新, 王正, 苏淑钗, 骆有庆, 张贵, 王正, 陈晓光, 刘大鹏, 黄晓丽, 王勇, 常亮, 周晓燕, 张佳蕊, 吴家兵, 张国华, 张大红, 张慧东, 宋南, 姜培坤, 方群, 秦广雍, 李文军, 刘彤, 许志春, 秦岭, 贺宏奎, 张书香, 金晓洁], 刘海龙, 冯慧, 高黎, 张弥, 刘建立, 苏晓华, 蔡学理, 陈燕, 李延军, 姜静, 张金桐, 于兴华, 姜金仲, 尹伟伦, 王谦, 周梅, 陈绪和, 王安志, 王德国, 张冰玉, 朱彩霞, 成小芳, 冯大领, 聂立水, 张勤, 陈建伟3, 张连生, 金昌杰, 亢新刚, 崔国发, 韩士杰, 梁树军, 胡君艳, 姚国龙.  用MODIS数据预估森林可燃物湿度的研究 . 北京林业大学学报, 2006, 28(6): 148-150.
    [20] 程广有, 王跃思, 吕建雄, 李利平, 李红, 高莉萍, 贺康宁, 孙仁山, 包仁艳, 王继强, 谢力生, 周存宇, 赵东, 包满珠, 姜春宁, 高林, 孙扬, 于志明, 邢韶华, 李吉跃, 李世荣, 殷亚方, 高峰, 向仕龙, 李文彬, 周国逸, 史常青, 田勇臣, 刘娟娟, 葛春华, 赵勃, 郑彩霞, 孙磊, 王迎红, 曹全军, 赵有科, 孙艳玲, 王清春, 唐晓杰, 周心澄, 华丽, 丁坤善, 张德强, 高亦珂, 姜笑梅, 崔国发, 刘世忠, 张启翔, .  北京山区不同区域油松林植物多样性比较研究 . 北京林业大学学报, 2005, 27(4): 12-16.
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-08-06
  • 修回日期:  2018-09-04
  • 刊出日期:  2018-10-01

北京市十三陵林场油松林地表火行为模拟

doi: 10.13332/j.1000-1522.20180249
    基金项目:

    国家自然科学 31770696

    作者简介:

    韩梅。主要研究方向:森林防火。Email: 1362682921@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: 刘晓东,副教授。主要研究方向:森林防火。Email: xd_liu@bjfu.edu.cn  地址:同上
  • 中图分类号: S762.1

摘要: 目的油松林是华北地区典型针叶林分,易发生森林火灾。通过对油松林地表火行为模拟研究可以为森林可燃物管理,林火预防及扑救提供科学依据。方法本研究以北京市十三陵林场油松林为研究对象,通过野外调查地表枯死可燃物(1、10、100 h时滞)和灌层可燃物,记录林分因子(第1枝下高、树高、林龄和胸径)和环境因子(坡度、坡向和海拔)。结合内业实验测可燃物含水率和热值,利用火行为模拟软件BehavePlus5.0,对1 h时滞可燃物设定不同含水率和风速值,模拟所研究林分地表火蔓延速度、火线强度、火焰高度以及单位面积发热量4个重要的火行为指标。结果1、10、100 h时滞和灌层可燃物占总可燃物载量比分别为78%、5%、4%和13%。基于实测可燃物载量和含水率,油松林地表火蔓延速度平均值为2.1 m/min,火线强度平均值为270 kW/m,火焰高度平均值为0.95 m单位面积发热量平均值为7 139 kJ/m2。油松林1 h时滞可燃物载量显著高于10 h时滞和灌层可燃物载量。在1 h时滞可燃物含水率为6%,风速为40 km/h的强风和干旱天气条件下,油松林地表火蔓延速度平均值为15.1 m/min,火线强度平均值为3 278.5 kW/m,火焰高度平均值为3.1 m,单位面积发热量平均值为12 337.5 kJ/m2结论油松林内1 h时滞细小可燃物载量高于其他类型可燃物载量。地表火蔓延速度慢,火强度低,火焰高度低于第一枝下高,在正常天气条件下容易被扑灭。模拟结果表明油松林在低含水率的条件下,风速会显著增加地表火蔓延速度,难以人为扑灭,需清理地表可燃物,降低火险。

English Abstract

韩梅, 温鹏, 许惠敏, 张永福, 李伟克, 刘晓东. 北京市十三陵林场油松林地表火行为模拟[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(10): 95-101. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180249
引用本文: 韩梅, 温鹏, 许惠敏, 张永福, 李伟克, 刘晓东. 北京市十三陵林场油松林地表火行为模拟[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(10): 95-101. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180249
Han Mei, Wen Peng, Xu Huimin, Zhang Yongfu, Li Weike, Liu Xiaodong. Simulation of surface fire behavior of Pinus tabuliformis forest in Ming Tombs Forest Farm in Beijing[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(10): 95-101. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180249
Citation: Han Mei, Wen Peng, Xu Huimin, Zhang Yongfu, Li Weike, Liu Xiaodong. Simulation of surface fire behavior of Pinus tabuliformis forest in Ming Tombs Forest Farm in Beijing[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(10): 95-101. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180249
  • 随着全球变暖,林火将会更加活跃[1]。全国未来森林火险指数呈上升趋势[2]。可燃物和火行为预测模型可以帮助林火管理者做出科学决策,国内外众多学者分析可燃物的理化性质和相关因子,建立模型对可燃物和火行为进行模拟[3-7]

    森林火灾主要有地表火,地下火和树冠火3种模式[8],其中地表火发生最为频繁,占森林火灾的90%以上[9]。地表可燃物是地表火发生的物质基础,是影响地表火蔓延的主要因素。95%以上的林火是由1 h时滞细小可燃物引起[10]。BehavePlus5.0软件以Rothermal地表火蔓延模型为基础,可以对火行为特征,如地表火蔓延速度、单位面积发热量和火焰高度进行模拟[11]。国内外众多学者利用该软件自定义可燃物模型来预测潜在火行为,并取得了良好的效果型[12-15]。模拟条件单一,模拟结果缺少广泛适用性。风速变化的同时会影响可燃物的含水率,含水率是火行为的决定性因素[16],由于风速变化瞬时性强,还没有统一的可燃物含水率与风速变化的模型。但是该软件以地表火蔓延模型为基础可以计算出不同含水率和风速条件下的火行为。尚没有人同时对不同风速和含水率条件下的地表火行为进行模拟。

    油松(Pinus tabuliformis)是我国特有树种,分布于东北、华北、西北诸多省份,也是主要的造林树种之一,具有易燃性,多为纯林。油松林内可燃物含水率季节变化明显[16]。通过分析油松林内可燃物载量、含水率等,对森林可燃物的燃烧性进行评估,得出低含水率的油松林属于可燃烧性林分[17]。连续的干旱天气对可燃物的含水率有显著影响,一旦遇到大风天气很容易使地表火蔓延,烧毁大片森林[18]。因此开展油松林地表火行为研究具有重要意义。

    本研究以北京十三陵林场油松林为研究对象,基于地表可燃物载量调查数据,利用BehavePlus5.0软件,模拟不同风速和含水率条件下的地表火行为,为油松林可燃物管理及林火扑救提供指导。

    • 十三陵林场位于北京市,建于1962年,属于国有公益林场,总面积为8 622 hm2。处于北温带季风气候区,研究地海拔为100~200 m, 地理位置40°21′~40°23′N、115°50′~116°29′E。坡度15°~23°,冬春季节干燥多风,夏季炎热降水分布不均。林场内主要树种有油松、侧柏(Platycladus orientalis)、白皮松(Pinus bungeana)、五角枫(Acer mono)、黄栌(Cotinus coggygria)等,多为人工林[19]。根据2014年小班调查数据可知油松林内坡度平缓,土壤主要为褐土,土壤质地为沙壤土,受轻度侵蚀。林下灌木主要有酸枣(Ziziphus jujuba)、荆条(Vitex negundo)。草本主要为白草(Pennisetum centrasiaticum)。10月到第2年5月为北京地区防火季,由于风大和人为干扰等原因,极易引起森林火灾[20]

    • 2017年11月防火期内进行外业调查。随机选取远离林缘、人为干扰小的4块油松林样地(P1、P2、P3、P4)。建立20 m×20 m标准样地记录坡度,坡向和海拔,油松林胸径、树高、冠幅和第1枝下高。标准地内设置5个5 m×5 m样方和1 m×1 m小样方。在1 m×1 m小样方内对1、10和100 h时滞的地表可燃物进行调查。将样方内所有可燃物分别装袋并称质量,记录空袋质量和装有可燃物后的总质量。其中1 h时滞可燃物包括0~0.6 cm枯枝、落叶、死草和细小死茎[14],10 h时滞可燃物包括0.6~2.5 cm枯枝,100 h时滞可燃物包括2.5~7.6 cm枯枝。在5 m×5 m样方内对灌层可燃物进行调查,将样方内所有灌木割除并称质量。测量可燃物床厚度(外业信息见表 1)。将灌木和不同时滞可燃物各取150 g左右带回实验室,105 ℃下烘干24 h至恒质量,计算可燃物含水率和1、10、100 h时滞和灌层可燃物载量(见图 1)。将样本烘干后磨粉,取约1 g左右压饼,放入坩埚中,采用氧弹量热仪测定油松林热值。

      表 1  外业调查基本信息

      Table 1.  Basic information of field investigation

      样地号
      Sample plot No.
      林龄
      Stand age
      平均胸径
      Average DBH/cm
      第1枝下高
      Height of first lower branch/m
      坡度
      Slope degree/(°)
      可燃物床厚度
      Depth of fuel bed/cm
      P1 59 15.70 1.84 15 4.9
      P2 59 13.27 2.44 18 8.6
      P3 59 11.27 1.79 20 8.3
      P4 59 11.85 2.30 23 8.3

      图  1  不同类型可燃物载量

      Figure 1.  Fuel load of different types

    • 1 h时滞可燃物在地表火蔓延过程中起决定性作用[21]。可燃物含水率和风速对林火发生和蔓延有重要影响, 当风速较高时,可燃物含水率会显著下降,而且带来更多的氧气,加剧林火的破坏,使扑救困难[22-23]。单位面积发热量也是基于细小可燃计算得出,且影响可燃物燃烧的速度,活灌可燃物含水率受风速变化影响相对较小。因此拟选取1 h时滞可燃物不同含水率和风速条件下对地表火行为进行模拟。参考卢欣艳[16]对北京油松林全年含水率观测情况,出于地表火预防的角度将含水率变化设计为1%~30%,步长为5。根据北京历年的风速变化情况将风速设定为0~64 km/h (0~1 066.7 m/min),步长为8。风速与含水率同时变化,可以更加准确模拟地表火行为,提高油松林火险预测准确度,细化重点防火时间及修枝高度。

      Behaveplus火行为模拟系统是使用最广泛的林火预防系统,可以通过自定义可燃物模型[24],在不同类型可燃物和多种天气条件下预测潜在火行为[25]。其中对地表火进行模拟时需要输入的参数有不同时滞地表可燃物载量,可燃物床厚度,可燃物含水率,热值,坡度以及风速,可燃物表积比和熄灭含水率。将实验所得可燃物载量,厚度,热值和坡度数据输入BehavePlus5.0软件。参照软件自带说明和其他可燃物模型将可燃物表积比和熄灭含水率分别设置为4 921 m2/m3和25%[26],设置1 h时滞可燃物含水率和风速的变化范围及步长对地表火行为进行模拟。

    • 油松成熟林内郁闭度高,灌木相对较少,冬季草本植物枯萎,无活草本可燃物载量。由图 1可知油松林内1 h时滞可燃物载量显著高于10、100 h时滞和灌木可燃物载量。地表火的燃烧受地表可燃物载量影响,载量越高,火强度越大,破坏力越大。P1、P2、P3、P4的可燃物总载量依次为874、907、1 322、1 126 g/m2。其中P3样地内1 h时滞的可燃物载量最高为1 110 g/m2。P4样地内的灌木可燃物最高为155 g/m2

    • 地表火蔓延速度随风速上升而上升,随可燃物含水率上升而下降。由图 2可知当1 h时滞可燃物的含水率大于26%时,地表火的蔓延速率为零,油松林地表火蔓延的速度为0, 不会发生地表火。当含水率下降时,地表火蔓延速度随风速上升而上升。风速极大含水率极低时地表火蔓延速度最高可达56.1 m/min。含水率相同条件下,地表火蔓延速度随风速上升而上升,与其他学者研究结果相同[27]。当可燃物含水率极低时,风速对地表火蔓延的影响显著上升。含水率在0~6%时地表火蔓延速度下降显著。含水率继续上升时地表火蔓延速度下降趋势变缓,活灌等不易燃烧的可燃物消耗热量,阻止了地表火蔓延速度。

      图  2  不同条件下地表火蔓延速度

      Figure 2.  Spreading speed of surface fire under different conditions

    • 单位面积发热量是衡量林火对土壤以及土壤微生物动植物破坏程度的重要指标,不受风速坡度影响。从表 2可以看出,油松林P1在不同含水率条件下,单位面积发热量都较低。当1 h时滞可燃物含水率为6%时单位面积发热量最高达13 836 kJ/m2,相比含水率为21%时的单位面积发热量(最高为8 085 kJ/m2)有显著上升。

      表 2  不同含水率条件下油松林单位面积发热量

      Table 2.  Thermal value per unit area of Pinus tabuliformis forest under different moisture conditions

      含水率Mositure content/% 单位面积发热量Thermal value per unit area/(kJ·m-2)
      P1 P2 P3 P4
      1 10 580 18 754 18 789 18 571
      6 8 051 13 836 13 688 13 775
      11 7 327 12 473 12 309 12 446
      16 6 770 11 583 11 482 11 602
      21 4 622 7 942 7 907 8 085
      26 0 0 0 0
    • 火线强度按照破坏程度分为: 750 kW/m以下为低强度,750~3 500 kW/m为中强度, 3 500~4 000 kW/m为高强度[28],其中高强度火可以烧死所有地面植被,破坏土壤理化性质,水分养分丢失,植被恢复困难。由图 3可知,在极端干旱,含水率低的大风天气里火线强度高,当含水率小于16%,油松林在大风条件下均有可能发生破坏严重的高强度地表火,需要人为进行干预。当含水率为21%~26%时,即使大风天气下,地表火仍为中等强度,产生的地表火可以作为生态系统中林火动态的一部分,无需人为干预。当含水率大于26%地表火线强度为0,不发生地表火。样地在低含水率条件下,均有可能发生地表火,且单位面积发热量均为高强度。在春秋等大风天气,应着重清理,避免发生超强地表火。

      图  3  不同条件下油松林地表火火线强度

      Figure 3.  Fireline intensity of Pinus tabuliformis forest under different conditions

    • 当含水率降低时地表火强度,蔓延速率和火焰高度随着风速升高而升高。由表 4可知地表火在不同条件下,火焰高度均小于6.9 m, 4块样地平均最大值为5.7 m。风速小于40 km/h时即使在干旱天气下(含水率为6%)火焰高度均低于4 m。当含水率小于6%,必要时可根据火焰高度清理梯状可燃物,预防大风天气发生地表火燃及树冠。

      表 4  不同条件下油松林地表火火焰高度

      Table 4.  Flame height of surface fire for Pinus tabuliformis forest under different conditions

      m
      项目
      Item
      1 h时滞可燃物含水率
      1 hour timelag fuel moisture/%
      中焰风速Mid-flame wind speed/(km·h-1)
      0 8 16 24 32 40 48 56 64
      均值Average 1 1.1 1.9 2.6 3.2 3.8 4.4 4.9 5.3 5.7
      6 0.7 1.3 1.9 2.3 2.8 3.1 3.5 3.7 4.0
      11 0.7 1.2 1.6 2.0 2.4 2.7 3.0 3.2 3.4
      16 0.6 1.0 1.4 1.8 2.1 2.4 2.6 2.8 3.0
      21 0.4 0.7 1.0 1.3 1.4 1.6 1.7 1.7 1.7
      26 0 0 0 0 0 0 0 0 0
      最大值Max. 1 1.3 2.2 3.2 3.9 4.6 5.3 5.9 6.4 6.9
      6 0.9 1.6 2.3 2.8 3.3 3.8 4.2 4.6 5.0
      11 0.8 1.4 2.0 2.4 2.9 3.3 3.6 4.0 4.3
      16 0.7 1.2 1.7 2.2 2.6 2.9 3.2 3.5 3.8
      21 0.5 0.8 1.2 1.5 1.7 2.0 2.1 2.1 2.1
      26 0 0 0 0 0 0 0 0 0
    • 对油松林内地表可燃物调查可以发现,1 h时滞细小可燃物载量占总可燃物载量的78%,显著高于其他类型可燃物载量,针叶凋落后不易分解。油松成熟林可燃物强燃烧性和蓬松的结构使地表火易于燃烧和蔓延。其中,样地P1细小可燃物载量最低,各项指标均低,也可以进一步证明1 h时滞细小可燃物对地表火影响显著。基于实测可燃物载量和含水率,油松林地表火蔓延速度平均值为2.1 m/min,火线强度平均值为270 kW/m,火焰高度平均值为0.95 m单位面积发热量平均值为7 139 kJ/m2,可知所研究林分通常条件下只发生中等强度地表火。通过对不同含水率和风速条件下地表火蔓延速度、火线强度、单位面积发热量和火焰高度4个重要的火行为指标模拟得出,含水率为21%时地表火焰高度最高为2.1 m, 单位面积发热量最高为8 058 kJ/m2,蔓延速度最高为9.8 m/min,火线强度最高为1 291 kW/m。需进行人为修枝割灌,防止地表火蔓延到树冠。油松林含水率低于6%,火线强度最高达8 464 kW/m,单位面积发热量高达13 836 kJ/m2,风速会显著加剧地表火的蔓延速度。油松林含水率的月变化观测可知,12月到翌年2月细小可燃物含水率低[2],也是北京地区重要的防火时期,此时清出防火带,进行中等强度疏伐[15],移除地表可燃物,从根源上降低火险尤为必要。也可在油松林地表可燃物含水率超过26%低风速条件下进行计划烧除。高相对含水率,高相对湿度,低风速条件下,火强度低,消耗一定的可燃物,更加接近自然状态下的林火,也可降低风险[29]

      火焰高度超出第1枝下高,低枝、灌木等成为梯状可燃物,将有可能蔓延到树冠,产生树冠火,烧死林木,造成巨大的经济损失。利用火行为模型对潜在林火行为进行预测,可以提高林火管理效果,为人身安全提供保障[30]。利用BehavePlus5.0软件,选取相应的可燃物类型,模拟风速和含水率的变化,得出不同含水率和风速条件下的火行为指标,结合当地风速和可燃物含水率月变化情况,确定高火险时节,同时可以为其他林分地表火的预防提供参考。

      不同林分由于其可燃物载量和结构差异较大,在选取模拟条件时应充分考虑。在灌层可燃物较高的林分,由于活灌可燃物含水率受风速影响相对较小,失水慢,则不宜只对细小可燃物行风速及含水率的模拟。增加样本量可以进一步调高预测的准确性。日后应着重进行不同类型可燃物含水率的年际间变化和可燃物含水率模型的研究,结合当地的风速条件,利用该软件预测地表火发生的条件,细化防火月份,准确地制定重点防火日期,为森林防火提供决策依据。

参考文献 (30)

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