張玉春,向 冬,郭瀚文,孔林毅,高云驥,馬阿幾

(1. 西南交通大學 地球科學與環(huán)境工程學院,四川 成都 610031; 2. 木里藏族自治縣氣象局,四川 西昌 615899)

0 引言

森林火災是指失去控制,在林地內自由擴展蔓延,一定程度上危害森林生態(tài)系統(tǒng)和人類的自然災害[1-2]。近兩年,川西南地區(qū)連續(xù)發(fā)生震驚全國的重特大森林火災,造成了嚴重的人員傷亡和財產損失。由于當地生態(tài)環(huán)境較為脆弱,地形條件復雜,山高坡陡谷深,滅火救援難度較大,災后恢復時間長,易造成巨大損失。森林可燃物是森林燃燒的物質基礎,是發(fā)生森林火災的首要條件[3]。林火發(fā)生的影響因素主要包括氣象、地形和森林可燃物[4],其中森林可燃物是人類唯一能控制的林火因子,有效管理可燃物是解決林火安全問題和恢復森林健康的根本途徑[5]。

可燃物調研是森林潛在火行為的基礎,其中李穎等[6]以武夷山國家公園4種林型中的7種林分為研究對象,發(fā)現地表可燃物熱值受地形、林分、林齡等因素的綜合影響。解國磊等[7]以魯東低山丘陵區(qū)2種主要森林類型地表死可燃物為研究對象,發(fā)現可燃物含水率與空氣相對濕度呈正相關,與林內平均風速呈負相關。而潛在火行為是指在特定的空間條件下如果發(fā)生森林火災可能表現出的行為特征[8]。在大量實驗的基礎上,ROTHERMEL[9]提出了著名的Rothermel林火蔓延模型及相關計算方法。ANDREWS[10]在Rothermel林火蔓延模型的基礎上,深入研究森林火災發(fā)生及蔓延特點,建立了BehavePlus林火行為預測系統(tǒng),為美國林火管理提供了科學、有效的依據。ZIEGLER等[11]運用Rothermel模型編寫了R語言程序包來預測火災行為。近年來,國內外有大量學者利用BehavePlus林火行為模擬系統(tǒng)對不同地區(qū)的森林類型進行了潛在火行為的模擬計算與分類,包括長白山林區(qū)[12]、昆明西山國家森林公園[13]、大興安嶺南部[14]、山東省山區(qū)[3]、北京鷲峰國家森林公園[15]、阿巴拉契亞南部[16]、葡萄牙[17]等。DRURY[18]在阿拉斯加的Magitchlie Creek火災中系統(tǒng)收集了黑云杉生態(tài)系統(tǒng)的火行為特征與BehavePlus預測的火行為進行了比較,發(fā)現系統(tǒng)進行了合理的蔓延速度預測。HAHN等[19]利用BehavePlus模擬了可燃物載量和厚度的改變導致6個火行為參數的增加,這表明采伐強度和時間可能對潛在火行為有長期影響。國內學者[20-22]基于Rothermel模型模擬我國可燃物類型的火行為,并與室內點燒實驗結果進行對比后修正相關參數,顯著降低了預測誤差,得到較好的擬合結果。

目前,大部分國內文獻研究主要以北方林區(qū)為主,北方林區(qū)所在海拔一般低于2 000 m,地形起伏較小,樹種以耐寒的針葉林為主。而川西南林區(qū)地處高山峽谷地區(qū),地勢險峻,海拔落差大,樹種包括常綠闊葉林、落葉闊葉林、針葉林等多種林型,與北方林區(qū)差別較大,然而關于川西南林區(qū)可燃物分布規(guī)律及潛在火行為的研究相對匱乏,因此文中以川西南地區(qū)涼山州木里縣為研究區(qū)域,開展森林可燃物基礎調研,統(tǒng)計分析各類型森林可燃物載量和分布特性,建立優(yōu)化相關燃料模型,利用BehavePlus軟件模擬研究不同林型的潛在火行為,對保護川西南森林資源和預防森林火災具有重要現實意義。

1 可燃物分布調研

1.1 研究區(qū)概況

川西南地區(qū)一般認為包括涼山彝族自治州和攀枝花市兩市州,地處26°03′～29°18′N,100°03′～103°52′E之間,位于青藏高原東南緣,橫斷山系東北緣,界于四川盆地和云南省中部高原之間。年平均氣溫為19.2～20.3 ℃,全年日照時數達2 300～2 700 h,年均蒸發(fā)量超過1 300 mm,年平均降水量為818.2 mm,每年的11月～翌年6月為干季,降雨量僅占全年總量的10%左右,林火集中發(fā)生在該段時間內。氣候具有四季不分明,干、濕(雨)季分明,氣溫日變化大,氣候干燥,降雨量高度集中,日照多,太陽輻射強,蒸發(fā)量大,小氣候復雜多樣等特點[23]。植被分布從下到上分別為:普帶植被常綠闊葉林帶(含常綠闊葉與落葉闊葉混交林);海拔2 400～4 300 m以冷杉(Abiesfabri)、云杉(Piceaasperata)、云南松(Pinusyunnanensis)和高山松(Pinusyunnanensis)為主的亞高山針葉林帶;海拔3 600～4 500 m以杜鵑(Rhododendronsimsii)、高山櫟(Quercussemecarpifolia)、嵩草(Kobresiamyosuroides)、羊茅(Festucaovina)等組成的高山灌叢草甸帶;海拔4 500～5 000 m的流石灘稀疏植被[24]。

1.2 樣地設置與樣品采集

根據資料收集以及近年來森林火災發(fā)生情況,選取川西南地區(qū)涼山彝族自治州木里藏族自治縣為調研區(qū)域,于2021年4月開展實地調研與樣本采集工作。

在林分內設置標準樣方,記錄坐標位置,進行地形因子和基本林分因子調查。在樣地內設置2 m×2 m的灌木層樣方,1 m×1 m的草本層樣方和枯落物層樣方,調查灌木層優(yōu)勢種、株(叢)數、平均高、枝下高、葉厚度等,選擇3株平均大小的標準灌木,收獲并測定其地上干、枝和葉的鮮重。調查草本層的優(yōu)勢種、平均高度,收割每個樣方內所有活草本植物地上部分,稱其鮮重。調查枯落物厚度,收集樣方內全部枯落物,按時滯分為1 h(直徑小于0.6 cm的小枝、葉和雜草)、10 h(直徑大于或等于0.6 cm但小于2.5 cm的小枝)和100 h(直徑大于或等于2.5 cm但小于7.62 cm的枝條)等3類,稱其鮮重。然后將收集的各部分樣本分別取樣100 g左右,帶回實驗室測定各樣本的含水率(干鮮比)和熱值[25]。

1.3 內業(yè)實驗方法

1.3.1 干鮮比和含水率

采集的樣品及時帶回實驗室內,放入電熱恒溫鼓風干燥箱內進行烘干,在105 ℃條件下連續(xù)烘干24 h至恒重后取出稱重,計算干鮮比和含水率。

其干鮮比計算公式:

(1)

式中:R為可燃物干鮮比;m1為可燃物干重質量(g);m2為可燃物濕重質量(g)。

含水率計算公式:

(2)

式中,W為可燃物含水率(%)。

1.3.2 熱值

熱值測定使用微機全自動量熱儀。采用電子天平稱取1.0 g左右的樣品壓成餅狀,烘干至恒重,放入坩堝后稱量并記錄重量,安裝好點火絲,在氧彈中加入10.0 ml純水,將燃燒坩堝放入氧彈中,使用高壓氧氣瓶充入氧氣,之后放入量熱儀內,電腦控制“啟動”,系統(tǒng)進行自動注水后點火,待實驗結束后,對實驗結果進行讀取、記錄。

1.3.3 表面積體積比

可燃物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,其指單位體積(或重量)可燃物的表面積與其體積之比,計算公式如式(3):

(3)

式中:R為可燃物表面積體積比(cm-1);S為單位可燃物表面積(cm2);V為單位可燃物體積(cm3)。

1.3.4 可燃物載量

可燃物載量是指單位面積上所有可燃物的絕對干物質量?？扇嘉镙d量計算公式如式(4):

(4)

式中,樣方總干重單位為千克(kg)。

1.3.5 熄滅含水率

可燃物熄滅含水率是指可燃物點燃后能連續(xù)蔓延的上限含水率,其計算公式如式(5):

(5)

式中: EMC為可燃物的熄滅含水率(%);mh為可燃物樣品的濕重(g);mx為信封凈重(g);md為可燃物的干重(g);my為信封干重(g)[26]。

1.4 調研數據結果

根據植被類型歸納確定不同的林分類型,共涉及包括云南松優(yōu)勢種的常綠針葉林、櫟類優(yōu)勢種的常綠闊葉林、云南松-櫟類優(yōu)勢種的針闊混交林、高山杜鵑優(yōu)勢種的常綠闊葉灌叢、高山草甸和高草叢6種植被類型。由于云南松優(yōu)勢種的常綠針葉林在川西南地區(qū)分布廣泛,故取樣時對于包含云南松的林型調查了多個樣地?，F場調研情況如圖1所示,調研數據整理如表1所示。

圖1 川西南地區(qū)典型林地Fig. 1 Typical woodland in southwest Sichuan area

表1 川西南森林可燃物調研數據Table 1 Forest fuel investigation data in southwest Sichuan

2 潛在火行為研究

2.1 BehavePlus軟件介紹

BehavePlus火災建模系統(tǒng)是一個基于數學模型的計算機程序,用于描述森林火災和火災環(huán)境。BehavePlus程序是由美國農業(yè)部(USDA)林業(yè)局下屬的Missoula火災科學實驗室和環(huán)境管理系統(tǒng)合作開發(fā)完成的。它可以用于任何涉及火災行為和影響建模的火災管理應用,包括預測正在發(fā)生的火災行為、規(guī)劃計劃燒除、評估燃料危險[10]。

地表火的蔓延速度預測應用的是Rothermel于1972年建立的Rothermel模型[9];地表火火線強度是指從地表火燃燒區(qū)的前部到后部的單位寬度的燃料床部分在單位時間內釋放的熱能,由BYRAM[27]提出的火線強度公式計算得到,是地表火蔓延速度和單位面積熱量的一個函數。地表火在火焰前沿內的火焰高度是從活躍火焰燃燒區(qū)的中間位置到火焰的平均頂端的距離[28],BYRAM[27]提出了根據火線強度計算火焰長度的公式。樹冠火轉化率是地表火火線強度除以臨界火線強度,表示是否可能從地表火轉化到樹冠火的條件。如果轉化率大于或等于1,那么地表火火線強度就足以轉化到樹冠火[25]。樹冠火蔓延速度是使用Rothermel樹冠火蔓延模型預測的樹冠火頭火的蔓延速度,是由6.1 m的風速和地表燃料含水率計算出來的[28]。

2.2 燃料模型建立

根據實地調研及室內試驗數據,依據標準燃料模型參數進行適當的調整和補充,采用自定義模型的方法,設置如表2所示9種川西南地區(qū)木里縣典型燃料模型[29-32]。

表2 川西南地區(qū)木里縣典型燃料模型Table 2 Typical fuel model of Muli County in southwest Sichuan area

2.3 模擬工況設計

川西南地區(qū)山高谷深,地表起伏大,高差懸殊。根據調研樣地所處地形實際測量,坡度范圍在10°～40°不等。在調研區(qū)域旱季的下午,通常每日的平均風力可達6級以上,山口河谷和高山平均風力可達8級以上。文中為了研究風速和坡度對典型林地潛在火行為的影響,共設置0、10、20、30、40和50 km/h 等6種風速,分別對應蒲福風級0、2、4、5、6和7級及0°、10°、20°、30°和40°等5種坡度條件。

2.4 潛在火行為分析

無風平坡條件下川西南典型林地潛在火行為特性統(tǒng)計如表3所示。通過表3可以看出,由于較高的1 h時滯燃料載量,云南松-灌木2林型的地表火蔓延速度、火線強度、火焰高度明顯大于云南松-灌木1林型,且火焰高度可高達4.1 m。由于云南松-灌木林型的冠層枝下高較低,且存在大量梯狀可燃物灌木,在無風條件下極易形成樹冠火。但對于地盤松林分模型,無中間梯狀可燃物存在,燃料床厚度較低,只有林下地表枯落物層燃料,無法形成穩(wěn)定蔓延的地表火。對于云南松與川滇高山櫟交錯分布的針闊混交林,云南松-高山櫟1林型可形成強度極低的地表火,但該林分模型枝下高較高,其樹冠火轉化率只有0.02,幾乎不可能形成樹冠火。然而由于燃料床厚度過低,云南松-高山櫟2、川滇高山櫟常綠闊葉林、高山杜鵑常綠闊葉灌木等林型無法形成連續(xù)蔓延的地表火,更無法向上燃燒轉化為樹冠火。高草叢和常綠闊葉灌叢的地表火強度在無風平坡條件下較小。下文將選取云南松-灌木1、云南松-灌木2、灌木、高草叢等4種林型為研究對象,進一步分析風速和坡度對不同林型潛在火行為的影響。

表3 川西南地區(qū)無風平坡條件下不同林型潛在火行為Table 3 Potential fire behavior of different forest types under windless and flat slope conditions in southwest Sichuan area

2.4.1 地表火蔓延速度

圖2為不同風速和坡度條件下不同林型地表火蔓延速度變化曲線。從圖2中可以看出,地表火蔓延速度隨風速增加而增大,隨坡度增加而增大。在相同風速和坡度條件下,地表火蔓延速度高草叢>云南松-灌木2>灌木>云南松-灌木1。由于云南松-灌木2林型的1 h時滯燃料載量明顯大于云南松-灌木1林型,導致其地表火蔓延速度明顯大于云南松-灌木1林型。云南松是川西南地區(qū)最有代表性的優(yōu)勢種,作為針葉林樹種由于其枯落物油脂含量高,可燃物載量相對較大,其火強度也相對較大,在平坡無風條件下得到的云南松地表火蔓延速率結果高于滿子源等[21]的研究結果,主要原因是文中可燃物載量大于其研究,而與王秋華等[13]、王凱等[15]研究中的針葉林樹種火行為模擬結果相符。

2.4.2 火線強度

圖3為不同風速和坡度條件下不同林型地表火火線強度變化曲線。從圖3中可以看出,地表火火線強度隨風速和坡度增加而增大, 從大到小依次為高草叢、云南松-灌木2、 灌木、 云南松-灌木1。云南松-灌木2林型(圖3(b))在地形起伏大或有大風天氣時可形成強度較高的地表火。高草叢林型(圖3(d))隨風速增加火線強度增大最為顯著,大風天氣下易形成強度極高的地表火。

2.4.3 火焰高度

圖4為不同風速和坡度條件下不同林型地表火火焰高度變化曲線。從圖4中可以看出,地表火火焰高度隨風速和坡度增加而增大,從大到小依次為云南松-灌木2、高草叢、灌木、云南松、灌木1。云南松-灌木2林型(圖4(b))和高草叢林型(圖4(d))最大火焰高度均超過14 m,而灌木林型(圖4(c))和云南松-灌木1林型(圖4(a))在大坡度地形下火焰高度會超過2 m。

圖4 不同林型火焰高度變化曲線Fig. 4 Flame length of different forest types

2.4.4 樹冠火轉化率

圖5為不同風速和坡度條件下不同林型樹冠火轉化率變化曲線。從圖5中可以看出,2種云南松-灌木林型樹冠火轉化率在任何條件下均大于1,即可轉化為樹冠火,同時樹冠火轉化率隨風速和坡度的增加而增大,說明風速和坡度增大可以增加樹冠火發(fā)生概率。

圖5 不同林型樹冠火轉化率變化曲線Fig. 5 Crown fire transition ratio of different forest types

2.4.5 樹冠火蔓延速度

圖6為不同風速條件下不同林型樹冠火蔓延速度變化曲線。從圖6中可以看出,隨著風速的增加,所有林型樹冠火蔓延速度均表現為指數增加,從大到小依次為云南松-灌木2、高山櫟、云南松-高山櫟2、地盤松、高山杜鵑、云南松-灌木1、云南松-高山櫟1。

圖6 不同林型樹冠火蔓延速度變化曲線Fig. 6 Crown fire spread rate of different forest types

3 結論

文中通過對川西南地區(qū)涼山州木里縣境內森林可燃物進行現場調研獲取不同林分的可燃物基礎數據和分布特性,針對不同林分建立了對應的燃料模型并利用BehavePlus軟件模擬研究了不同林分模型的潛在火行為。主要的研究結論如下:

1)林下層無灌木和草本的林分可燃物模型,其燃料床厚度通常不會很高,達不到形成穩(wěn)定蔓延的地表火所需的條件,而林下覆蓋有灌木層或草本層的林分模型,其林下可燃物垂直分布連續(xù)性較好,燃料床厚度較高,可形成較高強度地表火,同時能夠引燃冠層可燃物形成穩(wěn)定燃燒的遍燃型樹冠火。

2)地表火蔓延速度、火線強度、火焰高度、樹冠火轉化率等潛在火行為均隨風速和坡度的增加而增加,且增長幅度與燃料床厚度、高度相關,而樹冠火蔓延速度隨風速的增加大體呈指數型增長。綜合分析各林型潛在火行為特性,高草叢、云南松-灌木2林分的火行為特性參數值均較大,危險性較高。

通過本文研究可知,對于林下覆蓋有灌木層或草本層的林分模型,由此類林型失火導致引發(fā)特別重大森林火災的風險極大,日常應注意對梯狀可燃物的管理和控制?？衫糜媱潫郎p少可燃物累積,破壞林內可燃物垂直連續(xù)性,從而降低森林燃燒性,即使發(fā)生火災也很難發(fā)展成樹冠火。面對不同火行為,消防救援人員所采取的滅火撲救方法差異很大。根據火焰高度和火線強度的大小,應采用不同的滅火撲救措施來控制火勢。