森林火灾蔓延强度与能量释放表述

张志东，田祖为，王 伟，高铁柱，何 诚

（1.国家林业和草原局调查规划设计院，北京 100714；2.中国林科院热带林业试验中心，广西 凭祥 532600；3.内蒙古大兴安岭重点国有林管理局，内蒙古 牙克石 022150；4.南京森林警察学院，江苏 南京 210023）

森林火行为表示一定时间后，火的强度、火蔓延速度、火焰长度和深度等；山火行为特征主要有：热（温度），热传导、辐射和对流，潜在火灾释放能量，火强度，高温热流；光（火焰），火焰高度。火蔓延速度等。其中，火强度、火焰高度和火蔓延速度是描述山火行为的3大指标[1-3]。森林可燃物燃烧时整个火场热量释放速度称为林火强度（简称火强度）。火强度包括火线强度和发热强度，前者应用较为广泛，是林火行为的重要参数之一。

森林火灾是一种剧烈的氧化反应，火烈度大，并且因为树冠火、飞火、火旋风等的存在，扑救也比较困难，对森林动植物和森林生态系统的危害较大。因此，森林火灾被定义为最严重最难管控的几种自然灾害之一[3-5]。同时，受全球变暖、厄尔尼诺现象等异常气候影响，近年来森林火灾发生频繁，特别是受异常干旱天气的影响，持续干旱少雨的极端气候事件频发。阴燃燃烧受地表风速影响很小，可自由缓慢的蔓延，并且一般条件下不易发生明火，具有隐蔽性强、方向易变、燃烧不连续等特点，对于阴燃火的扑救工作具有很大的困难[6]。因此，研究森林可燃物燃烧时整个火场热量释放速度称为林火强度（简称火强度）。火强度包括火线强度和发热强度，通过了解这些因素对火灾的影响以及控制措施，为扑救森林火灾做好有力的准备。

1 发热强度和火线强度

发热强度即单位面积上单位时间内发出的热量，计算公式为：

式中，IR为发热强度（kJ/（m2·s）），W为单位面积内可燃物质量（kg/m2），H为可燃物燃烧热值（kJ/kg），t为燃烧持续时间（s）。

若以b表示火线宽度，则火线前进速度为：

则火线强度有：

森林火灾中，火线强度变化幅度相差极大，为20～100 000 kW/m，前后相差5000倍。一些林火管理专家认为，当火线强度超过4000 kW/m时，林内所有生物均会被烧死，只有火强度低于4000 kW/m时才有生态意义，即生物会有部分存活[7]。

不同火强度（以火线强度表示，kW/m）分别对应以下火灾等级：10kW/m为地表火蔓延下限；100 kW/m为计划性烧除；1000kW/m为人工灭火队灭火能力上限；10 000 kW/m代表主动型树冠火形成；100 000 kW/m为大范围和高强度火灾灾难性蔓延。其中，低强度750 kW/m以下，中强度750～3500 kW/m，高强度3500～4000 kW/m ；地表火火线强度为144～6595 kW/m，树冠火火线强度为3214～189 002 kW/m[8]。

2 火焰高度

火焰高度是林火行为中较易观测的数值，但是火焰具有波动性。火焰高度是指垂直于地面的连续火焰高度。

1972年美国罗森迈尔（Rothermel）提出根据火焰高度计算火线强度的公式为[8]：

式中，IL为火线强度（kW/m），h为火焰高度（m）。

根据火焰高度计算发热强度的公式为：

式中，IR为发热强度（kW/m2），h为火焰高度（m）。

仅是近似计算公式，火线强度和发热强度因可燃物种类、数量、结构和蔓延速度不同而有较大差异。

3 火蔓延速度

火蔓延是林火行为的一个重要指标，包括火的扩展速度和火的前进方向。林火蔓延速度计算方法包括3种：一是线速度，指在一定时间内，火头向前推进的速度，即火在一定时间内蔓延的直线距离，以m/s、km/h表示；二是以火场面积计算的面速度，以m2/s（min）或hm2（km2）/h表示；三是火周边长度，以m/min或km/h表示。

目前世界上主要的测算火蔓延的模型和公式为：

1）王正非林火蔓延速度

式中，R0为水平无风时火的初始蔓延速度（m/min），KW为风速修正系数，KS为可燃物配置格局更正系数，φ为地面平均坡度角。

2）前苏联阿莫所夫林火蔓延面积计算公式

式中，S为火灾面积（m2），V1为顺风火（火头）速度（m/min），V2为侧方（火翼）速度（m/min），V3为火尾速度（m/min），t为火灾发生后的时间（min）。

3）美国罗森迈尔提出的均匀可燃物林火蔓延模型

式中，IR为反应强度（kJ/min·m2），ξ为传播通量与反应强度的比值（无量纲），ΦW为风速修正因子（无量纲），ΦS为坡度修正因子（无量纲），ρb为可燃物分布的颗粒密度（kg/m2），ε为有效热数（无量纲），Qig为引燃热（kJ/kg），R为火蔓延速率（m/min）。

对非均匀可燃物火蔓延模型的计算，亦可用此模型，按不同可燃物加权平均求得。

4 火持续时间

火持续时间是指山火在某一地点的驻留时间。在同等火强度条件下，火持续时间越长，火作用力越大，产生的空气温度越高。不同温度对于活针叶的影响如表1所示。

火烧持续时间有两种计算方法：火锋持续时间和火停留时间。火锋持续时间计算公式为：

式中，S为火持续时间（h），D为火纵深度（m），r为火蔓延速度（m/min）。

火停留时间有两种含义：火头到达至火尾过后，整个火焰在可燃物上的停留时间，或为明火经过时间。可燃物组成决定火持续时间长短。在粗大杂乱物上，火焰一般停留时间较长；在细小杂乱物上，火焰则停留时间较短。

对局部地块来说，火持续时间长、影响大且有复燃危险，往往是由于火场清理不彻底而存在酿成特大森林火灾的危险。这种现象在山火中屡见不鲜。

表1 不同温度对活针叶的影响[9]

5 潜在火灾释放能量

一般情况下，可燃物发热量越高，火灾中释放能量越多。森林可燃物发热量与可燃物种类和含水率密切相关，其中含水率对发热量的影响比可燃物种类影响更大，且可燃物发热量与含水率成反比。含水率越大，发热量越小，一般含水率超过30%时则不容易燃烧。

常见可燃物类型发热量为：地衣苔藓为8.4～12.5 kJ/g；禾本科杂草为12.5～16.7 kJ/g；木本植物大于16.7 kJ/g；针叶树在20.9 kJ/g左右；阔叶树为16.7～20.9 kJ/g[10]。

火灾发生前可燃物的潜在释放能量可根据以下公式估算：

式中，PW为可燃物潜在释放能量（kJ/kg），Nf为新鲜可燃物质量（t/hm2），A为可燃物系数（按燃烧难易程度），Mf为可燃物含水率（%）。

6 结束语

森林火行为表示一定时间后，出现火的强度、火蔓延速度、火焰长度和深度，其中火强度、火焰高度和火蔓延速度是山火行为的3大指标。

森林可燃物燃烧时整个火场热量释放速度称为林火强度（简称火强度）。火强度包括火线强度和发热强度，前者应用较为广泛，是林火行为的重要参数之一。在实际森林火灾中，火强度变化幅度相差极大，火蔓延速度是林火行为的一个重要指标。

火持续时间是指山火在某一地点的驻留时间。在同等火强度条件下，火持续时间越长，火作用力越大，导致环境空气温度显著提升。