龍騰騰，李佳琳，王勁，張文文，王秋華

(西南林業(yè)大學土木工程學院，昆明 650224)

火是森林生態(tài)系統(tǒng)中廣泛存在的雙重干擾因子，不同強度的火干擾構成生態(tài)系統(tǒng)的不同火險等級、火后更新及功能恢復[1]。計劃燒除有目的、有計劃地將低強度火因子引入森林生態(tài)系統(tǒng)，重建林分結構和地表可燃物特征，達到合理且有效防控火發(fā)生和蔓延的目的[2]。計劃燒除能減少森林可燃物，其燒除次數增加可降低樹冠火發(fā)生概率，但在燒除過程中必須控制火強度，高強度燒除會影響森林結構及功能[3-5]。由于火強度直接影響主干燒焦的高度(莖焦高度)，增加火強度會導致植物死亡率上升[6-7]。生態(tài)學家發(fā)現土壤有機碳含量短期內會隨燒除火強度增加而降低[8]。因此，明確不同計劃燒除火強度的防火效果，可為科學精準地實施計劃燒除提供理論支撐和實踐指導。由于林火的復雜性及實體實驗的條件限制，計算機數值模擬已經成為重要手段。國外學者提出了基于物理模型的火災模擬，并將其運用到實體模型中進行驗證[9]。Lopes等[10]利用橢圓模型，通過輸入燃料特性和環(huán)境參數，研究了半經驗模型下的火蔓延。國內部分學者基于場模型軟件FDS，模擬分析不同可燃物的場蔓延，并提取其場分布規(guī)律[11-12]。目前的研究焦點都集中在單次火災事件在大尺度上的宏觀火蔓延，而計劃燒除是研究中、小時空尺度火干擾對燃燒區(qū)域植被長期累積的反饋及影響。

圖1 采樣設置圖Fig.1 Sampling setting diagram

我國計劃燒除主要在西南林區(qū)針葉林、東北及內蒙古林區(qū)的人工針葉林和針闊混交林得到廣泛應用，其中云南林區(qū)易發(fā)生重大森林火災，是我國實施計劃火燒最早和面積最大的地區(qū)之一[13]。云南省是較早實行飛播造林的地區(qū)之一，形成了以云南松(Pinusyunnanensis)等為主的飛播林群。云南松在云南省的分布面積約5×106hm2，約占云南省林地面積的52%，是滇中地區(qū)成林面積最廣的森林植被類型。云南松林木富含高燃油脂，一旦發(fā)生林火，尤其是樹冠火，會造成毀滅性影響[14]。戚書瑋等[15]對計劃燒除20年后恢復1年的云南松林地研究發(fā)現，計劃燒除對于云南松生長無顯著影響，可作為云南松林防火與經營的一種方法[15]。云南松林地形地貌、氣候及火源形成的特殊生境，使得物種在不斷進化中產生了對周期性火的適應性[16]。如厚樹皮，發(fā)生火燒次數越多，樹皮越厚，樹皮厚度的增加能在一定程度上增加防火能力；頻繁火燒區(qū)域松針可燃性強于未火燒地區(qū)，其點燃時間更短，燃燒時間更長，釋放熱量更多[17]。

本研究在連續(xù)進行計劃燒除的滇中地區(qū)新平縣云南松純林樣地進行長期定點監(jiān)測，通過野外采樣及實驗室測定獲取云南松樹皮、地表凋落物松針燃燒性能參數，利用Pyrosim模擬不同火強度下的林火蔓延，分析溫度、速度等場模型來綜合評價計劃燒除，以期為精準實施計劃燒除、實現森林防火效應與生態(tài)效益的統(tǒng)一提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省玉溪市新平彝族傣族自治縣南部照壁山(102°00′19″～102°02′10″E，24°01′15″～24°02′27″N)，屬溫帶氣候區(qū)。取樣地年總日照時長約2 800 h，年均氣溫17.9 ℃，年降水量869 mm，林區(qū)內較為干燥，無霜期316 d。照壁山自20世紀90年代后期開始每年1月底至2月中旬進行計劃點燒，從未間斷。2019年計劃燒除時間為2月12日—13日。2020、2021年未開展計劃燒除，2022年2月12日進行燒除。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置與樣品采集

于2020年1月9日—15日(防火緊要期內)，選取距2019年2月進行計劃燒除后約1年具有代表性的5塊樣地進行調研，樣地大小為10 m×10 m;同時選擇生境條件基本一致但從未計劃燒除的5塊樣地作為對照(圖1)。詳細記錄地理位置、坡度、坡向、坡位，每木檢尺并記錄樣地內所有云南松的樹高、枝下高、胸徑，估測林分的郁閉度，計算林分的密度。沿每個樣地對角線設置1 m×1 m小樣方，用收獲法稱取可燃物，取樣后用塑封袋密封并帶回實驗室。并在每處標準樣地中按照“S”形至少選取5個取樣點，測量取樣樹木的胸徑、樹高、過火高度，并記錄取樣高度和樹皮厚度。用刀在不同方向上采集樹皮，所取樹皮樣品大小約10 cm×3 cm，分別放在信封中并做好標記帶回實驗室。

1.2.2 實驗測定

樹皮厚度使用游標卡尺，在取樣現場對所取樹皮樣品進行反復測量，并記錄測量數據，后期數據處理取其平均值；使用XRY-1C型微機氧彈式熱量計測定熱值；MDJ-300S密度測定儀測定密度；DW-02測定儀測定燃點。

1.2.3 計算機模擬

Pyrosim是基于FDS開發(fā)的可視化火災數值模擬軟件，依據流體動力學理論，能夠搭建并模擬復雜火災場景效果，通過Smokeview輸出溫度、濃度、速度等場分布預測火災發(fā)生、發(fā)展規(guī)律，被廣泛應用于各領域火災仿真模擬。

2 數值模型過程

2.1 模型建立

基于實地采樣數據1∶1建立Pyrosim數值模型，其中，云南松林木采用錐柱模型[18]，選擇蒙特卡洛法隨機分布在網格內，樹干表面為纖維素。計劃燒除前燃燒模型為松針+云南松林木，根據實地測量結果，設定松針表面積∶土壤表面積=9∶1；燒除效果設定計劃燒除后松針表面積∶土壤表面積=2∶ 8，燒除后樹干靠近地表面處形成一層較薄的碳化層，設定為纖維素和碳質量比為17∶3的表面，如圖2所示。模型水平方向和冠層下表面均設有熱電偶，水平方向每隔2 m設置1個，用于計算火焰水平蔓延速度；冠層下表面熱電偶用于測量松針是否達到分解溫度，進而判斷計劃燒除所產生的熱量傳遞是否足以引燃云南松樹冠。整個計劃燒除模型搭建如圖3所示。

圖2 云南松表面碳化層Fig.2 Carbonized layer on the surface of Pinus yunnanensis

圖3 計劃燒除Pyrosim模型Fig.3 Planned burning Pyrosim model

2.2 參數設置

對采集的松針和樹皮在實驗室進行密度、燃燒熱和碳化層厚度測定，并參考相關研究的參數設置，模型中材料的表面結構組成和性能參數如密度、熱傳導率和反應熱等如表1所示。

表1 材料組成及性能參數Table 1 Performance and material composition

2.3 火強度設定

考慮計劃燒除是低強度火燒，模型分別設置6種不同火強度工況：50，100，200，500，1 000，2 000 kW/m，分別對云南松林進行數值模擬。

3 結果與分析

數值模擬結果表明：火強度為50和100 kW/m時，計劃燒除前后火源溫度均為300～500 ℃；火強度為1 000和2 000 kW/m時，計劃燒除后火焰高度達2.3 m。根據王秋華等[4]通過燃燒床模擬計劃燒除的結論，計劃燒除的火焰高度小于50 cm且火源溫度接近600 ℃。因此，本研究將與火場實際情況不符的火強度場景模擬結果舍棄，重點分析200和500 kW/m的情況。

3.1 水平方向溫度場分布

距離火源位置2 m處的水平方向溫度場分布情況見圖4。從圖4a可以看出，計劃燒除前，不同火強度下火源周邊區(qū)域溫度場表現出顯著差異?；饛姸葹?00 kW/m時，火源周邊區(qū)域經過近80 s的預熱時間，才開始出現驟然升溫達到火災發(fā)展階段，最高溫度為700 ℃；而火強度為500 kW/m時，地表可燃物只需要30 s發(fā)展到猛烈燃燒階段，到達最高溫度接近1 000 ℃。在森林火災發(fā)生發(fā)展過程中，非接觸式的熱輻射傳播，通過預熱未點燃的可燃物，使其迅速達到著火點溫度，繼而維持燃燒現象，成為地表火快速蔓延傳播的主要路徑。火強度越大，引燃前方可燃物越容易，由低溫無焰燃燒發(fā)展為明火燃燒所需要的時間越短。圖4b顯示，兩種火強度下計劃燒除后火源附近溫度場分布較燒除前均有大幅度下降，火焰均難以在水平方向上蔓延擴散，無法形成大面積火災，火蔓延速度隨火強度降低而減小。一方面是因為計劃燒除能有效清理地表凋落物，地表松針表面積與土壤表面積比由0.8降至0.2，大大降低了地表可燃性；另一方面，周期性計劃燒除火干擾使得云南松樹干表皮形成了5 cm碳化層，對火產生了一定的適應性，增強了其阻火性能。

圖4 火源附近溫度隨時間變化情況(L=2 m)Fig.4 Variation of temperature near fire source with time(L=2 m)

3.2 垂直方向溫度場分布

t=60 s時，火強度為200和500 kW/m情況下冠層底部溫度場分布見圖5。觀察圖5a、c可知，計劃燒除實施前冠層表面溫度值隨火強度增加而升高，當火強度增大到500 kW/m時冠層表面溫度高達894 ℃，極易形成樹冠火。由于木材在280～500 ℃會發(fā)生熱分解，因此該火強度下冠層下表面均處于著火狀態(tài)，地表火焰開始向上垂直蔓延至冠層。圖5a中火場面積較圖5c有明顯的擴大，能夠蔓延至相鄰樹冠表面。對比分析圖5b、d發(fā)現，實施計劃燒除后，冠層表面溫度均呈現顯著驟降趨勢，200 kW/m冠層表面最高溫度為常溫狀態(tài)(24.3 ℃)，當火強度增加至500 kW/m時，冠層最高溫度達40.9 ℃。一方面計劃燒除后，地表可燃物載量降低，可燃物在垂直方向上無法形成較好的連續(xù)性，冠層下表面溫度難以達到可燃物的著火點，且高溫區(qū)范圍向火源正上方縮減，但火強度增加，會影響操作人員的熱舒適感?？梢姡侠碚瓶赜媱潫饛姸?，可更加精準實施營林性用火，保障實施燒除人員人身安全。

圖5 冠層表面溫度場分布圖(t=60 s)Fig.5 Distribution of canopy surface temperature field(t=60 s)

3.3 火蔓延速度場分布

選取時間節(jié)點20，60和100 s，對比計劃燒除前后不同火強度的蔓延情況(圖6)。計劃燒除前，當火強度為200 kW/m時，燃燒能在短時間內向四周蔓延，而計劃燒除后燃燒無法形成蔓延，火焰只維持在火源中心；當火強度升高至500 kW/m時，計劃燒除前火蔓延速度極快，不到80 s的時間蔓延至整個模型。云南松地表可燃物主要有松針、枯枝等凋落物，如果不及時撫育、清理，即使地表火為低強度火，一旦著火，地表火很可能蔓延到樹冠，形成樹冠火。這與王秋華等[19]對華山松純林中地表可燃物蔓延行為的研究結論一致。

圖6 火蔓延速度隨時間變化情況Fig.6 Variation of fire spreading speed with time

運用逐差法對火蔓延速度進行計算，具體公式如下：

式中：v為火蔓延速度；L2為t2時間點火焰位置；L1為t1時間點火焰位置。

根據計算得知，計劃燒除前，200 kW/m中水平方向上火蔓延速度為2.2 cm/s，垂直方向為2.00 cm/s；500 kW/m中水平方向上火蔓延速度為4.8 cm/s，垂直方向為5.06 cm/s?；鹧嬖诖怪狈较蛏鲜芑饛姸扔绊戄^大，水平方向上蔓延速度增長較緩慢，主要是因為熱輻射通量不足以引燃地表可燃物。計劃燒除后:火強度為200 kW/m時，火焰最高溫度僅為216 ℃，火焰無法蔓延；火強度為500 kW/m時，火焰最高溫度為557 ℃，火蔓延速度為1.2 cm/s，蔓延速度較計劃燒除前下降76.3%。

3.4 質量燃燒速率

質量燃燒速率反映的是單位時間可燃物燃燒數量。從圖7a可以看出，計劃燒除前，可燃物質量燃燒速率隨火強度增加而增加，當火強度從200 kW/m增加至500 kW/m時，質量燃燒速率從1.1 g/s升高至2.6 g/s，燃燒過程從初期階段過渡至充分發(fā)展階段所需時長從60 s明顯縮短至20 s。由于燃燒過程進入發(fā)展階段后，火焰反饋的熱量主要用于加熱地表可燃物揮發(fā)的可燃蒸氣，火場溫度逐漸升高，可參與燃燒的可燃物數量隨之增加，進而質量燃燒速率不斷增加。觀察圖7b得知，實施計劃燒除后兩種火強度下質量燃燒速率均出現顯著下降，降幅均達95%以上，充分說明計劃燒除能夠極大減少地表可燃物數量，能顯著降低區(qū)域火災風險。

圖7 火強度對質量燃燒速率的影響Fig.7 Effect of fire intensity on mass combustion rate

4 結論與討論

計劃燒除作為一種常見且重要的可燃物調控措施，能有效預防大面積森林火災發(fā)生風險。計劃燒除前火源中心可燃物點燃后產生的熱通量，通過輻射和對流等方式向前進行傳播，能迅速預熱引燃相鄰可燃物，傳播速度隨火強度增加而加快；火強度增大的情況下，由地表火發(fā)展為樹冠火的可能性增加。通過對比不同火強度下冠層表面溫度和火蔓延速度發(fā)現，冠層被點燃的可能性隨著火強度增加而變大。計劃燒除后，能極大減少地表可燃物載量，可燃物水平和垂直連續(xù)性降低。火源中心附近溫度和冠層表面溫度都處于可控范圍，火焰無向前傳播、蔓延趨勢。冠層下表面溫度難以達到可燃物的著火點，且高溫區(qū)范圍隨火強度減小而縮減。相關研究也表明，地表可燃物載量與水平方向火行為關系密切，計劃燒除后即使防火緊要期發(fā)生火災也不會蔓延至未著火區(qū)[3]，可以在一定程度上減少潛在的森林火災面積[20]。

本研究較準確地模擬了不同計劃燒除火強度情況下區(qū)域森林燃燒情況，實現了火災精細化仿真，計劃燒除火強度控制在200～500 kW/m時防火效果最為明顯，這與王秋華等[4]野外計劃燒除和室內模擬火燒實驗結論中得到的火強度為405 kW/m基本一致。張文文等[14]發(fā)現在計劃燒除條件下，云南松死亡率為0.93%～1.27%，表明云南松對計劃燒除產生了一定的適應性。進一步論證了計劃燒除能有效降低區(qū)域火災危險性，是預防滇中云南松純林大面積森林火災發(fā)生的有效措施。

計劃燒除作為森林生態(tài)系統(tǒng)重要干擾因子，可以通過減小林分密度等方式改變林分結構和物種組成[21]。陳思帆等[22]研究表明，中、輕度火燒可以促進草本、灌木層的物種多樣性。由于研究區(qū)域計劃燒除自20世紀90年代末期開始從未間斷，計劃燒除雖然在一定程度上能有效調控可燃物載量，卻降低了灌木和草本的物種數[3]。但是周期性計劃燒除的開展，有利于云南松對生境的適應和更新。張文文等[3]發(fā)現，計劃燒除后3個月樣地里的小喬木、灌木和草本基本重新萌發(fā)，計劃燒除1年后，多數灌木和草本高度已超過計劃燒除前的高度。因此，計劃燒除的開展需綜合考慮生態(tài)系統(tǒng)防火效應和生態(tài)效益，以發(fā)揮其對生態(tài)效益的正反饋作用。由于計劃燒除過程也使土壤溫度升高，進而導致有機碳損失，不同火強度影響下土壤有機碳含量變化明顯[23-24]。土壤呼吸是森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程的關鍵環(huán)節(jié)，有研究表明大部分土壤呼吸隨火強度增加顯著減少，減少程度主要取決于火強度[25]。因此，計劃燒除火強度的選擇要同時兼顧森林生態(tài)系統(tǒng)的短期影響和長期效應，既能實現森林防火目標，又能保持森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展。

本研究在模擬計算過程中僅考慮計劃燒除火強度因素的影響，而計劃燒除是開放空間的燃燒現象，受諸多因素影響，在將來還需考慮地形、氣候和防火通道道路等參數，提高模型精度。同時兼顧其生態(tài)效益，為當地的林火管理和雙碳目標實現提供理論和技術參考。