王秋華，肖慧娟，李世友，阮德振，劉世遠(yuǎn)

（1. 西南林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，云南 昆明 650224；2. 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；3. 西南林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，云南 昆明 650224）

基于BehavePlus的昆明西山國家森林公園潛在火行為研究

王秋華1,2，肖慧娟3，李世友1,2，阮德振1，劉世遠(yuǎn)1

（1. 西南林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，云南 昆明 650224；2. 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；3. 西南林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，云南 昆明 650224）

基于BehavePlus火模型系統(tǒng)，對昆明西山國家森林公園 6個主要林型進(jìn)行火行為研究。結(jié)果表明：在坡度為 25、35°的情形下，單位面積熱量、火線強(qiáng)度和火焰長度最大都是地盤松林，而最小的始終是尼泊爾榿木（旱冬瓜）林，原因是地盤松林為灌木狀態(tài)，可燃物載量大，達(dá)到了 4.60 kg/m2，且水平、垂直連續(xù)性好，可燃物床厚度為0.72 m，熄滅含水率高達(dá)28.51%，而尼泊爾榿木林載量最小，只有2.15 kg/m2，不連續(xù)，可燃物床厚度為0.55 m，熄滅含水率只有9.04%；麻櫟林的蔓延速率最大，為23.1和26.7 m/min，滇青岡林最小，為5.4和6.3 m/min，分別約為4.3和4.2倍。

可燃物；潛在火行為；BehavePlus模型；西山國家森林公園；昆明

火行為表示一個火從著火、發(fā)展、傳播、直至減弱和熄滅一系列連鎖過程的總體[1]。火行為有量變和質(zhì)變的過程，量變指火的蔓延速度，質(zhì)變指火的不同發(fā)展階段，即由森林燃燒過程中各個階段變化來決定的?；鹦袨檠芯棵看瘟只鹪跁r間和空間上的變化。影響火行為的因素很多，機(jī)制很復(fù)雜，火行為對土地增長的變化，可燃物危險性，天氣和風(fēng)狀況以及地形很敏感[2~3]，可燃物的處理方式[4]，氣候變化也會影響到火行為[5]。隨著對林火機(jī)理認(rèn)識的加深，影響因素逐漸集中到可燃物、地形、氣象等方面[6~7]。近年來潛在火行為的研究主要集中于小尺度水平上，如北京西山魏家村林場[8~9]；長白山林區(qū)不同齡級的落葉松林[10]；美國科羅拉多州中北部洛奇波爾地區(qū)松樹建群種傳染性甲蟲病后的潛在火行為[11]，黑龍江省伊春市豐林自然保護(hù)區(qū)的潛在火行為[12]。以及中尺度區(qū)域，如湖北省6大生態(tài)區(qū)11個縣（市）不同類型森林可燃物的潛在火行為[13]，秦嶺中段北坡、北坡等不同林分類型的潛在火行為[14~16]，以及天山云杉幼林的潛在火行為[17]。缺乏大空間、大尺度上的火行為研究，主要原因可能是林火擴(kuò)展具有時間和空間雙重特征，一旦空間或者尺度太大，很難進(jìn)行跟蹤、定位和觀測，同時，林火的復(fù)雜性使得林火試驗(yàn)又比較難開展[18]。研究林火行為有助于及時掌握林火的發(fā)生發(fā)展，準(zhǔn)確的掌握在何時何地在何種條件下會發(fā)生林火，有助于事先做好充分準(zhǔn)備，有助于做出正確的決策，知道何時何地采取何種方法撲滅或控制住林火，有助于更加有效、安全地進(jìn)行撲火，避免事故的發(fā)生[19]。本文用BehavePlus 5.0模型對昆明西山國家森林公園的潛在火行為進(jìn)行模擬研究。

1 研究地概況

昆明西山國家森林公園地處102° 37′ ~ 102° 38′ E，24° 57′ ~ 24° 59′ N，東臨滇池，是滇中高原淺切割中山的一部分，海拔1 890 ~ 2 366 m，山體沿構(gòu)造線成近乎南北走向，面積約16 km2，東南面臨滇池，山體受斷層作用的影響，山勢陡峭。山體中下部年均溫14.7℃，最熱月均溫19.8℃，最冷月均溫7.7℃，年平均氣溫10 ~ 22℃，年較差12.1℃[20]。全年干濕季節(jié)分明，年平均降水量1 094.1 mm，每年5－10月為雨季（降水量占全年的88%），11月至次年4月為干季（降水量占全年的12%），其中2－4月降水最少，年均相對濕度74%[21]。土壤類型復(fù)雜多樣，垂直分異明顯。公園除羅漢崖外，均為繁茂的原始次生林，隨高度變化森林垂直帶譜也十分明顯。山體下部是以櫟類為主的亞熱帶常綠闊葉林，山體上部是以地盤松（Pinus yunnanensis var. pygmaea）、華山松（P. armandii）為主的針葉林。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

2012年1月2日至4月30日，從山頂至山腳選擇森林植被連續(xù)分布且具有代表性的林地，分別在云南的森林防火期（12月1日至翌年的6月15日），特別是在防火緊要期間（三四月份森林火險等級最高，最具有代表性）內(nèi)設(shè)置樣地（20 m×10 m），包括華山松、地盤松、云南油杉（Keteleeria evelyniana）、旱冬瓜（尼泊爾榿木Alnus nepalensis）、麻櫟（Quercus acutissima）和滇青岡（Cyclobalanopsis glaucoides）林，共計(jì)21塊樣地。在樣地內(nèi)測定樹高、年齡、密度、胸徑、郁閉度等林分因子，測定海拔、坡度、坡向等地形要素。在每個樣地內(nèi)沿對角線設(shè)置3塊2 m×2 m小樣方，測定死可燃物的厚度，統(tǒng)計(jì)每個小樣方地表可燃物，死可燃物，活灌木，按照1 h（直徑 < 0.64 cm）、10 h（0.64 cm≤直徑≤2.54 cm）、100 h（2.55 cm≤直徑≤7.62 cm）分別取樣，用便攜式電子天平（9號電池，精度±0.01 g）稱鮮重后裝進(jìn)信封并用封口袋密封帶回實(shí)驗(yàn)室。用平面截取法估算可燃物床的高度，草或灌木的平均高度約是葉或莖最高處的70%[22]，因?yàn)榭扇嘉锎餐ǔＪ钱愘|(zhì)、不連續(xù)性的。

2.2 實(shí)驗(yàn)室測定

2.2.1 載量計(jì)算 根據(jù)樣方內(nèi)可燃物鮮重和含水率計(jì)算可燃物的載量（kg/m2）。

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)，采用量熱法測定熱值。計(jì)算公式如下：

式中，Q為可燃物的發(fā)熱量（kJ/kg），k為水當(dāng)量（kJ/℃），T0為點(diǎn)燃前的溫度（℃），T為點(diǎn)燃后的溫度（℃），△t為溫度校正值（℃），G為樣品質(zhì)量（g）。

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)行室外模擬測定[22]。計(jì)算公式如下：式中，W為可燃物帶信封濕重（g），D為可燃物帶信封干重（g），A為標(biāo)準(zhǔn)信封重（g）；B為標(biāo)準(zhǔn)信封烘干重（g）。

2.2.4 可燃物表面積體積比 可燃物的大小和形狀是影響燃燒和蔓延的重要特征，通常用表面積體積比來表示可燃物的大小和形狀。可燃物的表面積體積比指單位體積（或質(zhì)量）可燃物的表面積與其體積之比。

式中，R為可燃物表面積體積比；S為單位可燃物表面積（m2）；V為單位可燃物體積（m3）。

2.3 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2007和SPSS 17.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2.4 模型的建立

2.4.1 模型簡介 BehavePlus火模型系統(tǒng)建立在羅遜邁爾林火蔓延模型上，是一個能夠用于多種火管理的系統(tǒng)，能夠產(chǎn)生表格，圖像和圖表。該模型應(yīng)用非常廣泛，許多國家都采用該模型來進(jìn)行火行為的研究，根據(jù)當(dāng)?shù)氐目扇嘉锬Ｐ皖A(yù)測潛在的火行為。

2.4.2 因子選擇

2.4.2.1 火焰平均風(fēng)速 西山地區(qū)11月至次年4月是干季，其中2－4月風(fēng)速較大，大部分地區(qū)為1 ~ 5 m/s。春季多大風(fēng)和午后風(fēng)力劇增是西山地區(qū)最顯著的特征，出現(xiàn)大風(fēng)時風(fēng)向以東南風(fēng)為主[23]。本文選取火焰中部風(fēng)速為5 m/s。

2.4.2.2 坡度 林火蔓延的速度與坡度有著直接密切的關(guān)系。在西山國家森林公園，坡度對火行為的作用遠(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)的研究，本文選擇6種主要林型都存在的地形坡度（25°和35°）對火行為進(jìn)行研究。

2.4.3 火行為輸入?yún)?shù)（表1）

表1 火行為輸入?yún)?shù)Table 1 Parameters input for fire behaviors

2.4.4 火行為輸出指標(biāo) 輸出的火行為指標(biāo)包括最大蔓延速率、單位面積熱量、火線強(qiáng)度和火焰長度。

3 結(jié)果與分析

3.1 主要林型的特征

表2 西山國家森林公園主要林型的特征Table 2 Properties of major forest types in the Park

西山國家森林公園主要林型的特征見表 2。經(jīng)樣地設(shè)置、分析，在西山國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、麻櫟和尼泊爾榿木。從林分密度、林齡、郁閉度、樹高以及胸徑等，都具有代表性，具備西山國家森林公園6個主要林型的基本特征以及可燃物的相關(guān)屬性特征[24]。由于地盤松為灌木狀，主干不明顯，緊貼地表，且非常茂密，在此忽略不計(jì)密度。

3.2 主要林型的潛在火行為對火行為的描述主要采用火強(qiáng)度、火焰高度和火蔓延速度等指標(biāo)?；鹧娓叨扔?，火線強(qiáng)度就愈大，對樹木的損害能力就愈強(qiáng)。火焰高度受可燃物種類、數(shù)量、結(jié)構(gòu)和蔓延速度密切影響?；饛?qiáng)度和火蔓延速度可通過經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突驍?shù)學(xué)模型進(jìn)行估計(jì)。

3.2.1 最大蔓延速率 林火蔓延是林火行為的一個重要指標(biāo)，包括火場各個方向上的蔓延速度、火場形狀的變化、火場面積的擴(kuò)展速度、火場周長的增長速度等。由于火場部位不同，風(fēng)向與火蔓延的方向不一致，所以火場上各個方向的蔓延速度也是不同的，也就形成了火場復(fù)雜的形狀。蔓延速率則指火通過地表可燃物的速率，最大的蔓延速率是火頭的蔓延速率?；鹞猜铀俾屎突鹨砺铀俾视指鞑幌嗤?/p>

表3 西山國家森林公園主要林型的潛在火行為Table 3 Potential fire behaviors of major forest types in the Park

由表3可知，當(dāng)坡度為25°時，6個林型中蔓延速率最大的是麻櫟林，為23.1 m/min，最小的是滇青岡林，為5.4 m/min，前者約為后者的4.3倍，華山松林與云南油杉林、尼泊爾榿木林和滇青岡林的差距都不是很明顯；當(dāng)坡度為35°時，蔓延速率最大的是麻櫟林，為26.7 m/min，最小的也是滇青岡林，為6.3 m/min，前者約為后者的 4.2倍，華山松林與云南油杉林、尼泊爾榿木林和滇青岡林的差距仍不很明顯。林火蔓延速率與可燃物的狀況、熱能釋放速度、地形、天氣狀況有關(guān)[25]。麻櫟林的蔓延速率最大可能和滇中地區(qū)麻櫟林分布廣，環(huán)境條件的多樣和人為破壞程度高有關(guān)，麻櫟純林多為中幼齡林或萌生矮林，單層林，林冠整齊，林內(nèi)可燃物較少，為2.80 kg/m2，僅比尼泊爾榿木林多了0.65 kg/m2，同時，可燃物高度較高，達(dá)到了0.76 m，表面積/體積比為 2 857。而滇青岡林是滇中高原地區(qū)偏干旱生境下發(fā)育的一類較為典型常綠闊葉林，在公園里主要生長在地勢較陡的地方，同時受到的人為影響也較大，樹不高、較稀疏，樹干多彎曲，樹皮厚，分枝多，林內(nèi)下木不發(fā)達(dá)，可燃物載量為4.88 kg/m2，高度為0.65 m，表面積/體積比為2 500。

3.2.2 單位面積熱量 單位面積熱量，也稱火面強(qiáng)度，指火頭前沿單位燃燒面上釋放出來的熱量，它不受風(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，緩慢移動的火釋放熱量多，火的生態(tài)效應(yīng)大。

由表3可知，單位面積熱量最大的是地盤松林，為81 655 kJ/m2，最小的是尼泊爾榿木林，為6 174 kJ/m2，前者約為后者的13.2倍，差異非常顯著。原因主要在于載量間的差異，地盤松林為4.60 kg/m2，而尼泊爾榿木林只有2.15 kg/m2。地盤松林的熱值為19 338 kJ/kg，尼泊爾榿木林為19 716 kJ/kg，僅相差378 kJ/kg，因?yàn)樗揽扇嘉镌谧匀画h(huán)境中經(jīng)過腐爛、與外界的物質(zhì)交換，熱值差異不是很大。地盤松林的單位面積熱量分別為華山松林、麻櫟林、滇青岡林和云南油杉林的4.1、3.0、5.7和2.4倍，差異比較明顯。而滇青岡林約為華山松林的72%，麻櫟林約為云南油杉林的79%，差異都不是很明顯。

3.2.3 火線強(qiáng)度 火強(qiáng)度是森林可燃物燃燒時火的熱量釋放速度，是林火行為的重要標(biāo)志之一?；饛?qiáng)度大小關(guān)系到火對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響程度，也關(guān)系到撲救森林火災(zāi)的方式，相應(yīng)撲火力量的配備。火線強(qiáng)度指火頭從前到后1 m寬的可燃物床在單位時間釋放的熱量，是蔓延速度與單位面積熱量的函數(shù)，并直接與火焰長度相關(guān)。

由表3可知，當(dāng)坡度為25°時，火線強(qiáng)度最大的是地盤松林，為16 205 kw/m，最小的是尼泊爾榿木林，為608 kw/m，前者約為后者的26.7倍，差異非常顯著，云南油杉林分別為華山松林和滇青岡林的1.7和3.0倍，差距比較明顯，地盤松林約為麻櫟林的1.5倍，差異不是很顯著；當(dāng)坡度為35°時，火線強(qiáng)度最大的是地盤松林，為18 996 kw/m，最小的是尼泊爾榿木林，為701 kw/m，約為27.1倍，差異非常顯著，云南油杉林分別為華山松林和滇青岡林1.8的和3.0倍，地盤松林約為麻櫟林的1.6倍，差異不是很顯著。這和可燃物的載量和死可燃物的熄滅含水率有關(guān)。地盤松林的載量約為尼泊爾榿木林的 2.1倍，地盤松林的熄滅含水率約為尼泊爾榿木林的3.2倍。

3.2.4 火焰長度 森林可燃物在燃燒時產(chǎn)生的火焰是隨意的、動亂的和暫時的現(xiàn)象?；鹧嫣卣髋c林火強(qiáng)度的大小密切相關(guān)?；鹧骈L度指一個蔓延地表火火頭內(nèi)火焰長度，即從活動的燃燒區(qū)的中點(diǎn)到火焰的平均尖端的距離，通?？梢詮囊巴庵苯訙y量獲得，也可以從火焰照片中來估測。由于火焰長度隨時在不斷地變化，要間隔一定時間（如5 min）測量一次。

由表3可知，當(dāng)坡度為25°時，火焰長度最大的是地盤松林，最小的是尼泊爾榿木林，前者約為后者的4.5倍，差異顯著；云南油杉林分別是華山松林、滇青岡林的1.3和1.6倍，地盤松林約為麻櫟林的1.2倍，差距不是很明顯；當(dāng)坡度為35°時，火焰長度最大的是地盤松林，最小的是尼泊爾榿木林，前者約為后者的4.5倍，云南油杉林分別為華山松林、滇青岡林的1.3和1.7倍，地盤松林約為麻櫟林的1.2倍。在同等坡度的條件下，地盤松林的火焰長度總是最大，尼泊爾榿木林的最小，這和地盤松林為灌木狀，垂直連續(xù)性好，同時載量又大，而尼泊爾榿木林的枝下高較高，地表可燃物少，容易分解，林內(nèi)的濕度大有關(guān)。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

在坡度25°、35°條件時，火線強(qiáng)度、火焰長度和單位面積熱量最大的都是地盤松，而最小的是尼泊爾榿木。原因是地盤松的林下灌木發(fā)達(dá)，高度為1.2 m，可燃物載量也大，達(dá)到了4.6 kg/m2，可燃物高度為0.72 m，且可燃物連續(xù)性好。而尼泊爾榿木林內(nèi)灌木較少且分散，載量最小，只有2.15 kg/m2，可燃物高度為0.55 m，不連續(xù)，林內(nèi)濕度較大。麻櫟林的最大蔓延速率最大，尼泊爾榿木林的最小，原因是麻櫟林內(nèi)比較干燥，灌木高度為0.9 m，有利于火的蔓延，而尼泊爾榿木林內(nèi)比較濕潤，地表可燃物較少，不連續(xù)且分解快。

地盤松的潛在火行為風(fēng)險性最大，而尼泊爾榿木林的潛在火行為風(fēng)險性最小。因此，根據(jù)不同林型的火行為，可以在防火緊要期進(jìn)行重點(diǎn)火險等級區(qū)劃，特別是地盤松林，要進(jìn)行重點(diǎn)看護(hù)，禁止攜帶火種進(jìn)入林內(nèi)?？梢栽诘乇P松與別的林型交界的地方開設(shè)一定寬度的防火隔離帶或者建設(shè)生物防火隔離帶，防火樹種可以選用滇中地區(qū)常見的尼泊爾榿木或者木荷。

4.2 討論

利用BehavePlus模型對6種主要林型的蔓延速率、單位面積熱量、火線強(qiáng)度、火焰長度進(jìn)行了計(jì)算和對比，得到了比較滿意的結(jié)果。如果可能的話，還需要結(jié)合實(shí)際發(fā)生的火災(zāi)，進(jìn)行火行為的修正，從而用于林火管理工作中，使其更能精確的反映現(xiàn)實(shí)情況。

本文只研究了西山森林公園主要的6種主要林型在坡度25°、35°情形下的潛在火行為，由于公園實(shí)行嚴(yán)格的林火管理政策，無法對模型進(jìn)行驗(yàn)證，但在今后的研究中可以分齡級、坡向、火焰平均風(fēng)速等進(jìn)行深入的火行為研究，結(jié)果應(yīng)該能夠?qū)ξ魃缴止珗@的林火管理提供更好的參考。也有必要對森林可燃物進(jìn)行連續(xù)定位跟蹤調(diào)查，找到動態(tài)變化規(guī)律，從而為林火行為的動態(tài)分析提供更好的基礎(chǔ)。

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Study on Potential Fire Behaviors of Xishan National Forest Park in Kunming Using BehavePlus Model

WANG Qiu-hua1,2，XIAO Hui-juan3，LI Shi-you1,2，RUAN De-zhen1，LIU Shi-yuan1
（1. Faculty of Civil Engineering, Southwest Forestry University, Kunming 650224, China; 2. Yunnan Key Laboratory of Forest Disaster Warning and Control, Kunming 650224, China; 3. Faculty of Forestry, Southwest Forestry University, Kunming 650224, China）

From 2009 to 2012, studies by BehavePlus Fire Modeling System(BehavePlus Model) were conducted on fire behaviors by plots surveying of 6 major forest types in Xishan National Forest Park of Kunming and lab experiment. Fuel loads, fuel length, heat value of coarse woody debris of six forest types were determined. Putting these indexes into BehavuPlus fire model, fire behaviors including heat per unit area, the max rate of spread, fireline intensity and flame height were calculated. The results showed the highest values of heat per unit area, fireline intensity and flame height were Piuus yunnanensis var. pygmaea, while the lowest values were Alnus nepalensis. The reasons were as following: P. yunnanensis var. pygmaea forests were shrub, their fuel load reached 4.60 kg/m2, with well horizontal and vertical spatial distribution, and fuel thickness topped 0.72 m and its moisture content of extinction(MOE) was 28.51%, while, A. nepalensis forests were arbors, their fuel load was 2.15kg/m2, of discontinuity, and fuel thickness of 0.55m and MOE was 9.04%. The highest spread rate was Quercus acutissima forest, topped to 23.1 and 26.7m/min respectively, while the lowest was Cyclobalanopsis glaucoides forest, of 5.4 and 6.3 m/min, respectively.

fuel; potential fire behaviors; behavePlus model; Xishan National Forest Park; Kunming

S762

A

1001-3776（2013）04-0043-06

2013-03-14；

2013-06-25

云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃（2011FZ136）；西南林業(yè)大學(xué)科研啟動基金（111101）

王秋華（1978－），男，福建長汀人，副教授，博士，從事森林防火教學(xué)、科研工作。