閆想想，王秋華*，繆秀麗，韓永濤，龍騰騰

(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.昆明市西山林場，云南 昆明 650100； 3.開封市通許縣自然資源局，河南 開封 475400)

林火行為是森林可燃物從被點(diǎn)燃到發(fā)生、發(fā)展直至熄滅的整個(gè)過程中所表現(xiàn)出的各種現(xiàn)象和特征[1]。森林內(nèi)可燃物的種類不同，燃燒性和火行為也有差異[2-3]。研究可燃物的火行為特征，可以評(píng)價(jià)森林內(nèi)火災(zāi)危險(xiǎn)性的大小。目前國內(nèi)已有大量火行為的研究，如大興安嶺森林火災(zāi)的火行為及可燃物變化研究[4]、廣西蒼梧馬尾松(Pinusmassoniana)林和大葉櫟(Quercusgriffitnii)林的火行為比較[5]、湖北主要森林可燃物類型及潛在火行為研究[6]、火行為對森林地表可燃物燃燒碳轉(zhuǎn)化的影響研究[7]、南亞熱帶馬尾松人工林潛在火行為研究[8]、昆明地區(qū)沖天柏(Cupressusduclouxiana)林地表可燃物特征及火行為研究[9]、秦嶺森林潛在火行為數(shù)量分類及劃分指標(biāo)研究[10]、長白山林區(qū)落葉松(Larixgmelinii)林可燃物模型及火行為狀況研究[11]、平地?zé)o風(fēng)條件下蒙古櫟(Quercusmongolica)闊葉床層的火行為研究等[12]。燃燒火行為參數(shù)包括引燃時(shí)間、熱輻射、火強(qiáng)度、蔓延時(shí)間、火焰維持時(shí)間、火焰最高溫度、無焰燃燒維持時(shí)間、無焰燃燒溫度和火強(qiáng)度等[13]。目前研究可燃物火行為的方法較多，包括模型[14-17]、圖像[18]以及可燃物含水率和負(fù)荷量的研究方法[19-23]。地表可燃物的火強(qiáng)度和燃燒性可以反映林內(nèi)可燃物的狀況。一些研究者在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測定樹葉、樹枝、樹皮的含水率、灰分含量和抽提物含量后對可燃物進(jìn)行分類、分級(jí)和排序[6]，國外也有一些研究者通過燃燒試驗(yàn)研究可燃物的燃燒性[24-29]，但有關(guān)長期無人為干擾區(qū)域幾種不同可燃物燃燒性的比較鮮有報(bào)道。

本研究主要采用野外采樣后室內(nèi)測定、燃燒床直接燃燒的方法，調(diào)查西山林場多年無人為干擾主要林型可燃物的林分特征并測定可燃物的火行為參數(shù)，以此為依據(jù)計(jì)算多年未干擾可燃物的火強(qiáng)度大小，并與長期有人為干擾、開展計(jì)劃燒除的新平縣云南松林進(jìn)行對比，分析人為干擾和無人為干擾的可燃物火行為區(qū)別，為西山林場的可燃物管理提供理論依據(jù)。

1 研究地概況

西山林場位于昆明市西北面(102°21′～102°42′E，24°59′～25°09′N)，海拔為1 896～2 510 m，森林面積為3 308.6 hm2，森林覆蓋率達(dá) 67.12%，喬木占54.9%，森林蓄積 182 400 m3。屬于低緯度高海拔的亞熱帶半濕性季風(fēng)氣候，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑。年平均氣溫11.2～13.8 ℃。1月為氣溫最低月份(平均氣溫6.8 ℃)，7月為氣溫最高月份(平均氣溫18.2 ℃)。干濕季節(jié)分明，年平均降水量為980.5～1 156.5 mm，5—8月為年降水集中月份，降水占全年降水量的88%。主要喬木樹種有云南松(P.yunnanensis)、華山松(P.armandii)、麻櫟(Q.acutissima)、柏木(C.funebris)和旱冬瓜(Alnusnepalensis)等[9-10]，這些林地均屬于天然林保護(hù)工程，其中，柏木、華山松和麻櫟為人工林，而旱冬瓜和云南松為天然林；柏木和旱冬瓜屬于混交林，云南松、華山松和麻櫟屬于純林。主要灌木種類有南燭(Vacciniumbracteatum)、杜鵑(Rhododendronsimsii)、芒種花(Hypericumhenryi)、川梨(Pyruspashia)、野牡丹(Melastomamalabathricum)等。主要草本有紫莖澤蘭(Eupatoriumadenophorum)、金茅(Eulaliaspeciosa)、野古草(Arundinellaanomala)、藎草(Arthraxonhispidus)等。昆明市西山林場2015—2019年森林火情火災(zāi)共發(fā)生4起，過火面積300 m2。

昆明西山林場5種主要林型的樣地概況如表1。5種可燃物的坡位均為中坡位中山地貌，樣地設(shè)置的坡度、郁閉度、樹高和胸徑等，能夠較好地代表西山林場地表可燃物特征，及其潛在的火行為。由于西山林場內(nèi)的地表可燃物長期沒有人為干擾，5種林型郁閉度達(dá)到了較高值(柏木自然稀疏郁閉度較低)，平均樹高和胸徑也反映了林分缺乏更新。林內(nèi)都有一定數(shù)量的灌木(高度不到2.0 m)和草類(高度小于等于1.3 m)，導(dǎo)致可燃物載量均比較大，載量大小分別為旱冬瓜(3.37 kg/m2)=華山松(3.37 kg/m2) >云南松(2.35 kg/m2)>麻櫟(2.24 kg/m2)>柏木(1.47 kg/m2)；柏木和華山松地表可燃物的含水率在15%左右，而云南松、旱冬瓜和麻櫟均在10%左右，相對干燥，地表可燃物含水率均在20%以下。5種可燃物的熱值比較接近，都在20 000 kJ/kg左右。

表1 西山林場主要林型的樣地概況

2 材料與方法

2.1 樣地設(shè)置

在西山林場云南松、華山松、麻櫟、柏木和旱冬瓜林連續(xù)分布區(qū)設(shè)置樣地(20 m×20 m)，每種可燃物各3個(gè)樣地，總計(jì)15個(gè)。在防火期內(nèi)采集可燃物，每個(gè)樣地內(nèi)沿著對角線設(shè)置3個(gè)(1 m×1 m)小樣方，總計(jì)45個(gè)小樣方。在樣地內(nèi)分別測海拔、坡度、坡向等地形要素，測樣地內(nèi)所有胸徑>1 cm樹的樹高、胸(地)徑、叢數(shù)等林分因子。統(tǒng)計(jì)每個(gè)小樣方的地表可燃物，對所有可燃物稱質(zhì)量，為單位面積的鮮質(zhì)量，然后在小樣方內(nèi)取樣后用便攜式電子天平(精度±0.01 g)稱鮮質(zhì)量后裝進(jìn)信封備用。

云南森林防火期為12月1日至次年6月15日。分別于2019年4月14日，采集可燃物柏木，地點(diǎn)昆明市西山林場馬街林區(qū)；2019年4月17日，采集華山松，地點(diǎn)黑泥凹林區(qū)；2019年4月21日采集旱冬瓜、云南松和麻櫟，地點(diǎn)是馬街林區(qū)，采取的5種可燃物均為地表凋落物。

2.2 可燃物特征和燃燒性測定與計(jì)算

2.2.1 含水率測定及載量計(jì)算

把帶回的試樣放入電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，在 105 ℃下連續(xù) 24 h 烘至絕干狀態(tài)， 用電子天平稱其絕干質(zhì)量，計(jì)算出每個(gè)樣方內(nèi)不同種類可燃物的絕干含水率。計(jì)算公式如下：

(1)

式中：W為可燃物的絕干含水率；m1為可燃物的鮮質(zhì)量，g；m0為可燃物的絕干質(zhì)量，g。

可燃物的載量計(jì)算公式為：

(2)

式中：L為可燃物的載量，kg/m2；m為樣方內(nèi)可燃物的絕干質(zhì)量，kg；S為樣方面積，m2。

2.2.2 熱值測定

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：

(3)

式中：Q為預(yù)測可燃物的發(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， ℃；Δt為溫度校正值， ℃；G為樣品質(zhì)量，g。

2.3 燃燒試驗(yàn)

取3個(gè)小樣方內(nèi)所有可燃物帶回實(shí)驗(yàn)室，在燃燒床上進(jìn)行燃燒(圖1)。在燃燒室內(nèi)設(shè)置鐵質(zhì)燃燒床[203 cm(長)× 127 cm(寬)× 34 cm(高)]，坡度均設(shè)為15°(取野外可燃物采集時(shí)的坡度均值)，底部覆蓋一層2 cm厚的石膏板，以減少熱量損失。用鋼卷尺測出可燃物的厚度。用秒表計(jì)時(shí)，記錄引燃時(shí)間、火焰維持時(shí)間、蔓延時(shí)間和無焰燃燒時(shí)間。用點(diǎn)火器點(diǎn)火，用SL-309手持紅外測儀測火焰的溫度和無焰燃燒溫度，用SFR-Ⅲ數(shù)字式輻射熱計(jì)測量火焰的熱輻射和無焰燃燒熱輻射，當(dāng)火焰熄滅且有明亮的火星時(shí)，測得明亮火星部分熱輻射即為無焰燃燒的熱輻射，同時(shí)用鋼卷尺測量火焰高度。每個(gè)燃燒實(shí)驗(yàn)分別記錄5組火焰溫度、火焰高度、熱輻射，選取最大值。

圖1中，在可燃物正方形的中心上方垂直距離燃燒床150、130、110、90、70、50、30和10 cm處分別固定一個(gè)熱電偶絲，標(biāo)號(hào)為1、2、3、4、5、6、7和8，熱電偶絲連接熱電偶，熱電偶經(jīng)過數(shù)據(jù)線、數(shù)據(jù)收集卡與電腦銜接，溫度數(shù)據(jù)通過8通道數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集并以MDB的形式存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)硬盤。

圖1 燃燒床和熱電偶裝置Fig.1 The installation diagram combustionbed and thermocouple

2.3.1 燒損率計(jì)算

燒損率計(jì)算公式為：

(4)

式中：B表示燒損率；m3為燒前可燃物的質(zhì)量，g；m2為燒后剩余殘?jiān)馁|(zhì)量，g。

2.3.2 火強(qiáng)度計(jì)算

用勃蘭姆公式(Byram’s equation) 計(jì)算火強(qiáng)度：

I=0.007×H×W×R。

(5)

式中：I為火強(qiáng)度，kW/m；H為熱值，J/g；W為消耗的可燃物量，t/hm2；R為蔓延速度，m/min。

2.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2015對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算各項(xiàng)平均值，并制作柱狀圖、折線圖等。

3 結(jié)果與分析

3.1 地表可燃物的火行為

通過燃燒實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采集的旱冬瓜樣品均不能燃燒，這和旱冬瓜林分特征有關(guān)，其葉片在防火期前凋落，葉片較大，分解較快，但較易吸水，因此，無旱冬瓜燃燒試驗(yàn)數(shù)據(jù)。柏木的3個(gè)樣品中也只有1個(gè)能緩慢燃燒，其余兩個(gè)樣品均不能燃燒，可能是因?yàn)榘啬镜蚵湮锓纸饴?，?xì)密且緊實(shí)。而云南松、華山松和麻櫟的每個(gè)樣品均能燃燒(表2)。

表2 地表可燃物的燃燒火行為特征

從引燃時(shí)間分析，柏木和麻櫟相對不容易被引燃，引燃時(shí)間為3 s，而云南松和華山松均用時(shí)1 s被點(diǎn)燃。由蔓延速率可知，云南松的蔓延速率最大，柏木、華山松和麻櫟的蔓延速率較為接近。這也表明了云南松和華山松林易燃。

熱輻射的大小體現(xiàn)了引燃未被燃燒可燃物的能力大小，無焰燃燒熱輻射的大小代表了可燃物無火焰時(shí)的火災(zāi)危險(xiǎn)性，無焰燃燒的熱輻射越大，點(diǎn)燃未燃燒可燃物的可能性就越大，火災(zāi)危險(xiǎn)性就越大，它能給火災(zāi)撲救提供有力的數(shù)據(jù)支撐，可燃物的無焰熱輻射越大，就需要在撲滅明火后采取措施防止發(fā)生復(fù)燃。有焰燃燒時(shí)麻櫟的最大熱輻射和云南松、華山松較接近，均為柏木的火焰最大熱輻射2倍多，而無焰燃燒狀態(tài)下最大熱輻射由大到小依次為：麻櫟、華山松、云南松、柏木，因此無論在有焰燃燒還是無焰燃燒狀態(tài)，麻櫟的最大熱輻射均比其他幾種可燃物大。

火焰特征的大小反映了可燃物燃燒時(shí)釋放的能量大小。華山松的火焰維持時(shí)間約是云南松、柏木、麻櫟的2倍，火焰最高溫度及最大高度大小排序均為：麻櫟>云南松>華山松>柏木，由此可見華山松燃燒時(shí)產(chǎn)生的火焰較大，但火焰的溫度和高度不及云南松和麻櫟，但相差不大。

無焰燃燒特征參數(shù)的大小決定了發(fā)生二次火災(zāi)的可能性大小，也是火災(zāi)撲救中容易發(fā)生人員受傷的因素。無焰燃燒溫度越大及無焰燃燒時(shí)間越長，發(fā)生二次火災(zāi)的可能性就越大。無焰燃燒維持時(shí)間大小排序?yàn)椋涸颇纤?麻櫟>柏木>華山松，云南松無焰燃燒維持時(shí)間最長。無焰燃燒最高溫度大小排序?yàn)椋郝闄?華山松>云南松>柏木。

3.2 可燃物的燒損率及火強(qiáng)度

燒損率的大小反映了可燃物燃燒狀況，燒損率越大，說明可燃物燃燒得越充分。也能從側(cè)面說明可燃物的無焰燃燒狀況，若過火較快，但無焰燃燒的特征較長，也會(huì)使可燃物的燒損率變大，但無焰燃燒消耗的可燃物量遠(yuǎn)小于燃燒時(shí)的可燃物量。燒損率大小主要取決于可燃物燃燒時(shí)的特征。5種可燃物的燒損率見圖2，圖2表明，麻櫟的燒損率最大，其次為云南松，再次為華山松，最小為柏木，僅為0.68%。麻櫟燃燒時(shí)火焰溫度、高度和熱輻射均最大，且無焰燃燒的溫度、熱輻射和維持時(shí)間也都趨于最大值，因此不僅燃燒充分，而且在無焰燃燒的過程中又消耗了可燃物的量?？梢娐闄档臒龘p率最大，而柏木燃燒的火行為參數(shù)較小，燃燒不充分，因此燒損率較小。

圖2 5種可燃物的燒損率及火強(qiáng)度Fig.2 Burning rates and fire intensity of five kinds of fuels

火強(qiáng)度的大小綜合反映了可燃物燃燒時(shí)整個(gè)火的熱量釋放速度大小。火強(qiáng)度一般分為：低強(qiáng)度(350～750 kW/m)、中強(qiáng)度(750～3 500 kW/m)、高強(qiáng)度(>3 500 kW/m)。由圖2可見，5種可燃物火強(qiáng)度的大小順序?yàn)椋涸颇纤?麻櫟>華山松>柏木。其中，云南松的火強(qiáng)度最大為786.07 kW/m，屬于中強(qiáng)度火；而麻櫟和華山松為低強(qiáng)度火，火強(qiáng)度分別為564.39 和275.30 kW/m；柏木的火強(qiáng)度僅為6.26 kW/m。

3.3 可燃物的阻滯時(shí)間

阻滯時(shí)間是指可燃物著火時(shí)火峰前沿穿過某一定點(diǎn)所需要的時(shí)間，在野外借助于肉眼觀察測定阻滯時(shí)間較為困難，因?yàn)榇_定火峰拖尾邊十分不容易，但可借助熱電偶設(shè)備進(jìn)行測量，熱電偶從上升到下降之間的時(shí)間間隔即為阻滯時(shí)間，當(dāng)已知阻滯時(shí)間，也可以估測蔓延速度和火強(qiáng)度[30]。

在可燃物中心上方垂直距離燃燒床150、130、110、90、70、50、30和10 cm處固定熱電偶絲，不同電偶絲連接熱電偶所反映的可燃物熱電偶曲線分別為曲線1、2、3、4、5、6、7和8(圖3)，柏木和麻櫟的曲線8溫度和其他曲線不一致可能是由于距離可燃物比較近，隨著可燃物的燃燒變化波動(dòng)較大。從其余的7條曲線來看結(jié)果一致，其中柏木的溫度最低，阻滯時(shí)間較短；而云南松的溫度最高可達(dá)800 ℃，阻滯時(shí)間為100 s左右，華山松的溫度接近600 ℃，阻滯時(shí)間為63 s左右，麻櫟的溫度可達(dá)600 ℃，阻滯時(shí)間為48 s。由熱電偶曲線可以得出可燃物的燃燒特性大小順序?yàn)椋涸颇纤?麻櫟>華山松>柏木。

圖3 可燃物的熱電偶曲線圖Fig.3 Thermocouple curves of the fuels

4 討 論

在森林防火期內(nèi)，昆明西山林場分布的柏木、旱冬瓜、云南松、華山松、麻櫟5種林型可燃物的燃燒火行為研究中發(fā)現(xiàn)，旱冬瓜的每一個(gè)樣品均不能燃燒，而柏木中的樣品中僅有一個(gè)能燃燒。柏木、旱冬瓜、云南松、華山松和麻櫟的載量分別為1.47、3.37、2.35、3.37和2.24 kg/m2，達(dá)到了較高值，一旦著火，將釋放大量熱能；不同林種可燃物的火強(qiáng)度大小依次為：云南松(786.07 kW/m)>麻櫟(564.39 kW/m)>華山松(275.30 kW/m)>柏木(6.26 kW/m)，云南松林為中強(qiáng)度火，其他林型的為低強(qiáng)度火；長期沒有人為干擾的云南松林內(nèi)載量2.35 kg/m2，火焰最高溫度628 ℃，火焰最大高度70 cm，火焰最大熱輻射為6.92 kW/m2，無焰燃燒的最高溫度為266 ℃和火強(qiáng)度為786.07 kW/m，均大于每年進(jìn)行計(jì)劃燒除的云南松純林[31]，人為干擾下云南松的火行為比長期未人為干擾的云南松火行為復(fù)雜，這也表明人工調(diào)控措施的計(jì)劃燒除能夠較好地調(diào)控云南松林林下的可燃物，降低火險(xiǎn)。

本研究的西山林場內(nèi)旱冬瓜、華山松和麻櫟的載量分別為3.37、3.37和2.24 kg/m2，與昆明西山國家森林公園的研究結(jié)果(0.04 ～ 0.10 kg/m2，0.03 ～ 0.28 kg/m2和0.09 ～ 0.22 kg/m2)有明顯不同[32]。這主要是由于西山林場長期未進(jìn)行人為干擾(如可燃物計(jì)劃燒除)，所以其可燃物載量較大；西山林場長期沒有人為干擾的云南松林與每年計(jì)劃燒除云南松純林的火行為有差異[31]，這也說明在云南松純林中采取人工調(diào)控措施能夠有效調(diào)控林內(nèi)可燃物，尤其是載量和連續(xù)性，顯著降低火強(qiáng)度，最終實(shí)現(xiàn)林火管理目的。但西山林場地處昆明城郊，不可能開展計(jì)劃燒除，應(yīng)通過其他調(diào)控方式進(jìn)行管理，如結(jié)合撫育更新措施進(jìn)行修枝、割灌等，有效減少可燃物載量，切斷可燃物連續(xù)性。也從側(cè)面說明可燃物載量在一定程度上影響了燃燒火行為。

西山林場內(nèi)的5種主要可燃物在一定程度上能反映林內(nèi)的林火狀況，具有代表性。通過本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)西山林場雖多年未進(jìn)行人為干擾，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測定的火行為較復(fù)雜，但實(shí)際發(fā)生的火災(zāi)次數(shù)卻比較少，幾乎均在萌芽狀態(tài)即可撲滅，可見火行為的研究結(jié)果受多個(gè)條件控制。將來研究中應(yīng)適當(dāng)增加外界因素對西山林場內(nèi)的可燃物火行為變化，以及火環(huán)境(如風(fēng)速)對可燃物火行為的變化，完善實(shí)驗(yàn)條件并增加可燃物的種類。由于西山林場內(nèi)特殊的火環(huán)境導(dǎo)致實(shí)際的火災(zāi)和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的火行為有較大差異，因此，以后應(yīng)加強(qiáng)森林火災(zāi)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集和整理，特別是對滅火過程的詳細(xì)資料分析，能夠把試驗(yàn)測得的火行為與實(shí)際發(fā)生火災(zāi)狀況進(jìn)行對比分析，通過模型對西山林場內(nèi)各種可燃物火行為進(jìn)行建模，判斷實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬與火行為模擬軟件之間的差異性；通過遙感技術(shù)監(jiān)測野外低強(qiáng)度計(jì)劃燒除時(shí)的火行為，判斷實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬與野外燃燒的差異性。由于實(shí)驗(yàn)條件限制，本試驗(yàn)僅在垂直方向上設(shè)置了熱電偶，以后可布置水平方向的熱電偶監(jiān)測火行為變化，以便全方位、多角度研究火行為，從而使研究結(jié)果更具有代表性和實(shí)用性，為西山林場的林火管理提供科學(xué)依據(jù)。