森林可燃物含水率新算法研究

李旭

（西南林业大学，云南 昆明650000）

1 引言

在森林火险等级的划分和森林火险预报方面，森林可燃物含水率是非常重要的影响因素。通常而言，在测定可燃物含水率、气象因子以及可燃物载量等因素之后，借助于某种经验模型或者是数理模型便可以对森林火灾的发生率、发生趋势以及火灾发生后的蔓延趋势进行预测。由于火灾通常会给森林资源造成巨大的损害，世界上各国均在本国的林火管理当中加入了森林火险预测预报制度，以便可以更好地保护本国的森林资源。其中森林可燃物含水率是影响森林火险预测预报精度的重要因素。

在某些欧美发达国家，例如美国及其邻国加拿大，森林可燃物含水率作为本国森林火险预测预报的基本出发点，甚至每天都会有专业人员到森林内部对森林可燃物含水率进行人工的测定，并进行及时地上报与汇总，最终计算出该区域内森林的火险等级。虽然我国在森林火险预测预报方面做出了重要的努力，例如在1998年开始着手构建国家森林火险等级预测预报系统，但是由于我国的国土面积广阔、森林资源分布全国并且森林可燃物类型非常复杂，因此，几乎没有办法像欧美发达国家那样在每天对森林可燃物含水率进行人工的测定。有鉴于此，开展森林可燃物含水率的研究便具有重要的现实意义，借助于科学的森林可燃物含水率模型及其算法能够为我国的森林火险的预测预报提供高质量的数据支持，最终有利于保护我国的森林资源不受火灾的侵害。

2 森林可燃物含水率的动态变化

森林中的可燃物如果处于生存状态下，例如绿叶、绿针叶以及树枝等，其内部的含水率和含水量均处于某个特定的范围之内，变化幅度不大。但是在植物死亡之后，植物内部进行的水分循环与营养加工活动也就随之终止，其内部水分在总体上处于“流失”的状态下，一直持续到植物被风干。但是植物死亡之后至腐化之前依然保持着有机结构（例如纤维结构、细胞结构等），这些有机结构中水分含量会在不同天气的作用下产生相应的变化。可燃物死亡之后，它会吸收空气当中的水分或者附着在它表面的液态水的水分，其它细胞间隙被水分充满与外界水分达成特定的平衡之后便不会再吸收水分。在该物理平衡规律的控制之下，可燃物死亡之后所含有的水分相当于自身干重的2～3倍左右。如果可燃物体形较小，其死亡后能够在数分钟内便可以让水分充满自己的细胞间隙，但是如果可燃物的体形较大，则这一过程的时间也相对延长。

在死亡可燃物颗粒内部的含水量大于1／3的情况下，如果环境水汽高于边界水外部表面水气压，它便可以将大气环境当中的水分吸收到体内，除非植物纤维达到饱和，否则这一过程不会停止；但是需要特别说明的是，由于可燃物细胞内部的水气交换会消耗水分，在短液态水的状况，真正意义上的纤维饱和点无法持续较长的时间。除此之外，表面张力作用会利用毛细管将水分扩散至其表面，并且水分的扩散速度与可燃物的内部结构存在着莫大关联。

死亡可燃物变湿的现象说明死细胞仍然具有比较强的吸水作用，这主要是因为具有吸湿属性的物质对水分有一种天然的亲和力，因此，一旦空气的含水率超过该物质的含水率，则它便会从空气当中吸收水分。正是因为以上原因，即便是没有降水的情况下，死亡可燃物的含水率也会跟随附近空气湿度的变化而产生对应的变化。

可燃物死亡之后的变干单纯通过大气吸收其蒸发的水分来完成。通常情况下，可燃物死亡之后的变干分为以下3个过程。

（1）变干速率恒定期。在该时期，死亡可燃物的水分减少无关于可燃物的吸水性质或者其自身含水量，一旦饱和水气压高于环境水气压，则可燃物的水分蒸发便进行，并且其蒸发速率和向外的水气压梯度呈正比例关系。如果是出于平静稳定的空气当中，表面蒸发开始时，空气与自由水之间存在着一层薄膜，使薄膜附近的水汽趋向于饱和；饱和能够有效降低蒸发速率，其水汽扩散仅仅通过缓慢的分子运动完成，因此，其变干速率相对恒定。

（2）变干速率减少期。该时期是可燃物变干时中间速率下降的过渡时期，在该阶段，其变干速率逐渐减少，并一直过渡到变干速率下降期。导致变化速率减少的因素包括诸多的不确定的环境因素和可燃物自身因素，因此想要找出规律并进行估算则具有很大难度。正是因为这个原因，在森林可燃物含水率的计算中，该时期的变干速率被认为是可以允许的误差。

（3）变干速率下降期。速率下降期主要取决于边界水气压和周围大气中水气压之间的向外梯度［1］，当水分逸出进行到纤维饱和点时，边界水的水气压逐渐减小，同时水气压梯度逐渐减弱，保持可燃物变干必须具备两个条件：一个是环境水气压保持明显的低于正在减小的边界水气压［2］，另一个是以一定的速率给可燃物增加热量，以增加它的温度［3］。

通过以上分析得出，在湿度和温度相同的条件下，可燃物的变干速度越快，其失水效率便越大，其可燃性便越高。了解以上特征有助于深入理解森林可燃物含水率模型及其计算方法。

3 森林可燃物含水率新算法研究

可燃物含水率计算公式如下：

为了取得不同树种、不同规格的可燃物试样在同等温度作用下含水率的动态变化的定量数据，研究采用全控电热鼓风干燥箱。为避免测试样品在称量中吸收大气中的水分，称量采用高精度产电子天平，平均称量时间不大于30s。

将装有可燃物的标准布袋放入105℃连续烘干8h至恒重，同时确保两次称重误差不超过0.5g，用电子天平分别称重，记为样本干重；将可燃物叶子、枝条、树皮完全浸入水中24h，至可燃物吸水达到饱和状态，同时确保两次称重误差不超过0.5g。枯叶、枝条、树皮捞出，在报纸上吸干表面的自由水，使可燃物表面无水滴。枯叶平铺在长40cm、宽30cm的纸上（以下同），大约2层叶子厚度，放入20℃的烘箱中烘干，每隔30min测1次，记录湿重，在干燥期间随时用火柴点烧枯叶。平铺在报纸上的枝条和树皮分别留有空隙，放入20摄氏度的烘箱中烘干，均每隔30min测一次，记录湿重，在干燥期间随时用火柴点烧枝条和树皮。多次重复烘干直至可燃物在5s内刚能够点燃为止，同时称重，记为可燃物初始点燃湿重。

失水效率公式按下式计算：

时间用X（X＝0.5，1.5，2.2，2.5，3，3.5，4）表示，失水率用Y表示，用a、b表示logistic方程的常数，其结果能够用logistic方程进行表示。具体公式如下：

本文主要通过加权方法分析可燃物含水率。灌木可燃物计算公式为：

可燃物易燃性得分＝枯叶可燃物点燃含水率×0.3＋枯叶可燃物蔓延含水率×0.3＋枝条可燃物点燃含水率×0.2＋枝条可燃物蔓延含水率×0.2。

乔木可燃物计算公式为：

可燃物易燃性得分＝枯叶可燃物点燃含水率×0.3＋枯叶可燃物蔓延含水率×0.3＋树皮可燃物点燃含水率×0.2＋树皮可燃物蔓延含水率×0.2。

根据可燃物易燃性得分，将可燃物划分为3类：第一，易燃可燃物，其得分大于80；第二，一般可燃物，其得分大于40、小于等于80；第三，难燃可燃物，其得分小于40。

4 结语

认真研究森林可燃物含水率问题，构建基于森林可燃物含水率之上的、完善的森林火险预报系统对于提高我国森林的防火水平和防火能力均是至关重要的。利用森林可燃物含水率模型及其算法促进了可燃物含水率研究的发展。

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