凉山州森林火灾形成的火环境研究

白 夜,王 博,武英达,,刘 波

(1.中国消防救援学院,北京 102202；2.北京林业大学,北京 100083；3.四川省林业和草原调查规划院,成都 610000)

森林火灾的火环境是指气象条件、地形、地势,以及各种影响因素与控制火行为的各种力量的总和[1]。目前,关于林火环境,已经开展了大量的研究。王振师等[2]通过2017年台风“天鸽”影响后的凤凰山可燃物调查和2017年12月20日凤凰山火烧迹地调查,分析了台风灾害后林火环境的变化；刘珂珍等[3]利用Arcgis和SPSS软件分析了大兴安岭地区1967—2008年夏季火险期森林火灾发生当天的气象因子和火点位置的植被、地形因子,探讨了大兴安岭地区夏季林火的火环境特征；王秋华等[4]通过分析云南省安宁市1971—2000年气象资料和基础地形数据,结合安宁市2006年3月29日森林火灾火烧迹地调查,研究了云南松林飞火发生的火环境特征。

2019年3月30日,四川省凉山州木里县发生森林雷击火,31日下午,扑火人员在转场途中,受瞬间风力风向突变影响,突遇山火爆燃,30名灭火人员牺牲[5]；2020年3月30日,四川省凉山州西昌市发生森林火灾,火灾扑救中因风向突变19人(18名扑火队员和1名向导)被大火包围导致遇难,另外还有3名扑火人员受伤[6],两起森林火灾引发社会广泛关注。目前,关于凉山州森林火灾火环境和火行为分析的相关研究较少,本文在搜集凉山州气象数据、森林资源数据、地形数据的基础上,从可燃物、气象条件、地形条件3个方面分析凉山州森林火灾的火环境特征,以期为凉山州森林火灾的管理提供参考。

1 研究区概况

凉山州位于四川省西南部,地理坐标为北纬26°03′～29°18′,东经100°03′～103°52′,东临云南省昭通市和四川省宜宾市、乐山市,南至金沙江与云南省相望,西连甘孜州,北与雅安市、甘孜州接壤。全州东西宽度为360km,南北长度为370km,土地面积60 423km2。

凉山州地处川西南横断山系东北缘,界于四川盆地和云南省中部高原之间。地貌复杂多样,以山地为主,地势西北高、东南低,相对高差达5 633m；气候复杂多样,属于亚热带季风气候区,干湿分明,每年5—10月为湿季,11月至翌年4月为干季,干热河谷特征明显,呈现“一山有四季,十里不同天”的复杂多样气候景象；植被分布多样,类型丰富,跨越四川省内“川东盆地及川西南山地常绿阔叶林地带”和“川西高山峡谷山原针叶林地带”。

按照《全国森林火险区划等级》(LY/T 1063-2008)划分,凉山州共有12个Ⅰ级火险单位(木里县、盐源县、西昌市、德昌县、冕宁县、甘洛县、普格县、会理县、会东县、美姑县、布拖县、雷波县),约占全省Ⅰ级火险单位(94个)的1/8,特别是近年极端天气增多,防火形势异常严峻[7-8]。

2 研究方法

2.1 气象资料分析

收集凉山州不同县的年平均气温(℃)、年总降水量(mm)、日照时数(h)等气象要素数据,分析凉山州不同县气象条件特征；收集越西、木里、会理、雷波、盐源、西昌、昭觉7个气象站2010—2019年防火期内(12月至翌年3月)的气象要素数据；选择极大风速、平均2分钟风速、平均气温、日照时数、平均相对湿度、最大日降水量6个指标(数据来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn/)),分析凉山州气象要素的年际变化。

2.2 文献收集分析

通过查阅第九次森林资源清查数据[9]、2018年度四川林业资源及效益监测报告(1)四川省林业和草原局.四川林业资源及效益监测报告.2018.、森林火灾历史数据[10-11]分析凉山州可燃物特征和地形特征。

3 结果与分析

火环境是森林燃烧的重要条件,本文主要从可燃物、气象条件、地形条件3个方面分析凉山州森林火灾的火环境。

3.1 可燃物

凉山州森林面积为315.57万hm2(占全省森林面积近1/6),森林覆盖率为52.37%；乔木林面积293.11万hm2,占森林面积的92.88%；森林蓄积3.40亿m3,占全省森林蓄积近1/6。凉山州不同县(市)森林资源情况如表1所示。

表1 凉山州不同县(市)森林资源Tab.1 Forest resources in different counties (cities) of Liangshan Prefecture

由表1可知,木里县和盐源县森林面积和乔木林面积均最大,森林面积分别占全州森林面积的29.22%和15.23%,乔木林面积分别占全州乔木林面积的26.47%和16.09%,其他县森林面积和乔木林面积占全州比例均不超过10%。有6个县森林覆盖率超过50%,分别是德昌县、木里县、冕宁县、盐源县、会理县、宁南县。木里县、盐源县、冕宁县森林蓄积最大,分别占全州森林蓄积的43.59%、11.17%和10.54%,其他县森林蓄积占全州森林蓄积比例均不超过6%。

根据第九次森林资源清查数据[9]结果,从全国范围来看,凉山州森林面积排在山西省(第24)和山东省(第25)之间,乔木林面积排在甘肃省(第18)和安徽省(第19)之间,森林蓄积排在湖北省(第15)和辽宁省(第16)之间。凉山州森林资源的丰富程度超过了全国近一半的省份。

云南松是凉山州的乡土树种,也是该地区荒山绿化的造林先锋树种,多分布在海拔1 000～3 200m的地区,常形成大面积纯林,是喜光性强的深根性树种,适应性强,能够耐冬春干旱气候以及瘠薄土壤[12]。凉山州特殊的气候条件为云南松提供了适宜的生存环境,是云南松的主要分布地和适生地。第九次森林资源清查数据[9]显示,凉山州拥有云南松127.5万hm2,占全州乔木林面积的43.5%,占凉山州土地面积的21.1%,蓄积量为1.37亿m3,占全州森林蓄积的40.3%。凉山州不同县云南松面积和蓄积分布如表2所示。

表2 凉山州不同县(市)云南松分布Tab.2 Pinus yunnanensis distribution in different counties (cities) of Liangshan Prefecture

《区域林业碳汇(源)计量体系开发与应用研究》(2)刘波,徐明,张文,等.区域林业碳汇(源)计量体系开发及应用研究.四川省林业调查规划院,2013.结果显示,云南松林区可燃物负荷量达10～70t/hm2,平均约30t/hm2(国际上公认30t/hm2为发生重特大森林火灾的临界值),容易引发重特大森林火灾。根据云南松分布面积和平均可燃物载量推算(表3、表4),凉山州云南松林区可燃物负荷量达到4 000万t/hm2。由于凋落物多,不易分解,成为主要森林火灾的起源。

表3 不同林龄云南松生物量分布Tab.3 Biomass distribution of Pinus yunnanensis in different forest ages

表4 云南松林下可燃物负荷量Tab.4 Fuel load under Pinus yunnanensis forest

紫茎泽兰是原产于墨西哥的入侵物种,具有长久性土壤种子库,可以通过风媒、流水、动物、车载等途径传播,繁殖能力强,适应性广,容易称为群落中的优势种,甚至发展为单一优势群落。其根状茎发达,扩展蔓延速度极快,在干旱、贫瘠的荒坡,甚至是石缝和楼顶上均可以生长,冬季干枯,容易形成细小可燃物引发森林火灾[13]。2018年度四川林业资源及效益监测报告(5)四川省林业和草原局.四川林业资源及效益监测报告.2018.显示,凉山州紫茎泽兰危害面积达到69.23万hm2,占凉山州土地面积的11.5%,严重危害面积达到29.31万hm2,占凉山州土地面积的4.9%。凉山州不同县紫茎泽兰危害面积和严重危害面积所占比例如表5所示。

表5 凉山州不同县(市)紫茎泽兰危害面积Tab.5 Harm area of Ageratina Adenophora(Spreng.) in different counties (cities) of Liangshan Prefecture

凉山州森林集中连片分布,植被以云南松、紫茎泽兰为主,松节油含量高、燃点低,长期枯枝落叶形成了较厚的地面腐殖层,紫茎泽兰等细小可燃物交错复杂,特别是天然林商业性采伐全面停止及近年退耕还林还草持续推进,林下可燃物大量积累,为森林火灾爆发提供了可燃物条件[14]。一些森林地面植被长期堆积后,容易发生腐烂,产生大量可燃气体,一旦遇到明火,短时间内会出现快速蔓延现象[5]。

3.2 气象条件

天气是指一个地方在一个时刻或时间段内,各种气象要素的总体特征[15]。火灾的发生发展与天气密切相关,气象要素的变化会影响森林可燃物干燥易燃程度,直接决定未来火险等级的高低[16]。

凉山州位于横断山脉中部,属于亚热带季风气候区,高山峡谷特征明显,干湿分明,干热河谷气候特征明显,进入防火期后森林火险居高不下[6]。凉山州不同县气象要素统计结果如表6所示。

由表6可知,凉山州年平均气温14.8℃,年总降水量1 002.5mm,日照时数1 967.2h。其中,宁南年平均气温最高,为19.1℃；布拖年平均气温最低,为10.4℃；普格年总降水量最多,为1 165.6mm；金阳年总降水量最少,为773.8mm；盐源日照时数最多,为2 577.8h；雷波日照时数最少,为1 084.8h。

表6 凉山州不同县(市)气象要素统计Tab.6 Statistics of meteorological elements in different counties of Liangshan Prefecture

收集整理凉山州越西、木里、会理、雷波、盐源、西昌、昭觉7个气象站2010—2019年防火期内(每年12月至翌年3月)的气象要素数据,基于极大风速、平均2分钟风速、平均气温、日照时数、平均相对湿度、最大日降水量6个指标,分析凉山州气象要素的年际变化,结果如图1所示。

注:气象站缺测2016年1月和3月的日照时数数据。图1 凉山州气象要素年际变化Fig.1 Annual variation of meteorological elements in Liangshan Prefecture

风能够加快可燃物水分蒸发,补充氧气,很大程度上决定了林火蔓延速度。由图1可知,凉山州2月和3月风速增大。2010—2019年期间,2010年2月和3月的极大风速最大,分别是17.34m/s和18.19m/s。每年2月份的平均2分钟风速中,2019年2月的平均2分钟风速最大,为2.81m/s；每年3月份的平均2分钟风速中,2017年和2019年2分钟风速最大,为2.51m/s。

气温能直接影响空气相对湿度和可燃物含水率,日照是指一天内太阳直射光线照射地面的时间,都与森林火灾的发生蔓延关系密切。进入防火期后,气温和日照时数逐渐增大,2010—2019年期间,每年3月份的平均气温和日照时数中,2015年3月的平均气温和日照时数最高,平均气温为14.21℃,日照时数为253.90h。

相对湿度和降水量也会影响森林火灾的发生蔓延。防火期内,12月平均相对湿度总体最高,2月份平均相对湿度总体最低。2010—2019年期间,每年12月的平均相对湿度中,2016年12月的平均相对湿度最高,为69.54%；每年2月的平均相对湿度中,2010年2月的平均相对湿度最低,为40.71%。分析最大日降水量发现,2018年3月出现极大值,最大日降水量为17.03mm。

总体上凉山州极端天气增加,林火发生蔓延的高温、干旱、大风天气增多,森林火险加大。

3.3 地形条件

凉山州地处川西南横断山系东北缘,界于四川盆地和云南省中部高原之间,位于中国东部稳定区和西部活动区的结合部。地质结构复杂,地貌复杂多样:1)以山地为主,约占土地总面积的80%,海拔超过4 000m以上的高峰有20多座;山原次之；丘陵、冲积平原及宽谷和断陷盆地约占10%。2)地势西北高、东南低,高山、深谷、平原、盆地和丘陵相互交错,相对高差达5 633m。3)具有我国罕见的亚热带干热河谷稀树草原景观。由于高原立体性气候特征,复杂的地形导致“一年有四季,十里不同天”的复杂气候景象,特别是山区的风向变化非常复杂,对森林火灾发生蔓延产生影响[17]。

干热河谷特征形成的主要影响因素是焚风效应和山谷风局地环流效应。焚风是由于气流越过高山后下沉造成的,湿润的空气在越过山脉的过程中,被迫随地形抬升,并形成降水,空气的水份减少,当气流翻过山脊后,在背风坡开始下沉,并逐渐增温,变得炎热干燥,形成焚风。焚风常出现在山脉背风坡,横断山区的河谷大多呈南北走向,而来自印度洋的暖湿气流呈西南—东北走向,使得背风坡的河谷极易形成焚风[17-18]。

山谷风垂直厚度大,并有一定范围的局地昼夜环流,其规模与谷地形态、位置有关。白天山坡接受太阳光热较多,空气增温较多,而与山顶相同高度的山谷上空,因离地较远,空气增温较少。由于山坡上的暖空气不断膨胀上升,在山顶的近地面形成低压,并在山谷的上空从山坡流向谷地上空积聚,谷地上空空气受重力影响收缩下沉,在谷底近地面形成高压,下沉气流形成干热的环境[19]。

复杂的山地地形会形成越山气流,当大风越过山脊后,会产生复杂涡流,导致局部地区的风向更加多变。林火蔓延到狭窄的山脊、单口山谷、陡坡、鞍部、草塘沟、山岩凸起等特殊地形处,容易形成飘忽不定的气流,与可燃物同时预热共同燃烧,瞬间形成巨大火球和蘑菇云,形成轰燃。风速的增加还会加速燃烧,飞溅的火花还会扩大火灾区域,导致过火面积快速增加,使得地表火变为树冠火,增加扑救难度[5]。

4 对策建议

火环境是多个因素综合作用的结果,结合多年森林灭火实战经验及凉山州森林火灾火环境特点,提出林火管理对策建议。

1) 加大防火宣传力度。大部分森林火灾都是由于人为原因引发。凉山州属于少数民族聚集地区,彝族同胞有崇尚火的习俗,存在刀耕火种等传统耕作方式,火源管理难度极大。必须进一步加大防火宣传力度,提高民众的防火意识；加大火源管理力度,强化森林火灾案件查处力度；充分发挥警示作用,确保森林防火安全。

2) 加强森林可燃物管理。凉山州从20世纪70年代开始,在防火期前,通过计划烧除手段减少森林可燃物载量。近年来由于环境保护压力加大,计划烧除力度有所减弱。建议今后在蓄积量大、郁闭度高的林分中开展计划烧除实验,对具备条件的地段开展计划烧除,降低可燃物负荷量。此外,建议制定相关政策以鼓励植物利用,如通过生物质发电、松针活性炭、乙酸龙脑酯提取等方式,既可以利用森林资源,降低可燃物负荷量,也可以增加经济收入。

3) 加强森林经营管理。开展云南松疏伐实验,指导云南松林分改造。选取有阔叶树种源的云南松林,以调整营养空间为原则,伐除阻碍阔叶树生长的云南松。也可以采取先植耐阴或半耐阴树种,待有一定竞争力后,再伐除云南松。同时要伐除部分易燃树种,通过栽植难燃乡土树种的方法建立生物隔离带,防止林火蔓延。对于紫茎泽兰,要采取措施,抑制其入侵。

4) 完善基础设施建设。加大森林防火投资力度,积极争取森林防火基础设施建设配套资金,完善森林防火基础设施配套建设。充分利用现代技术,建立“天空地”一体化监测体系,提升野外自动火情识别和监测能力。针对特殊区域进行雷电监测,完善林区通讯和气象观察设施设备,配备适合林区复杂地形的大型森林灭火装备,为森林防火提供科技支撑。

5) 提升应急处置水平。切实将机构改革后应急管理体制优势转化为森林火灾治理效能,科学编制森林火灾应急预案,加强森林防灭火专业队伍建设,加大森林灭火安全培训力度。通过现场演练和实战推演,提高跨区域机动作战能力,提高“打大火、救大灾”的能力。加强部门间配合协作,实现“共同防、协同救”的目的,从源头上防范化解重大森林火灾风险。

5 结语

森林火灾严重威胁人民群众生命财产安全,威胁生态安全,破坏野生动物生存栖息地,甚至会影响社会和谐稳定。党的十八大以后,生态文明建设已经上升到前所未有的高度,做好森林防火工作,事关山水林田湖草生命共同体建设,事关国家生态安全和社会和谐稳定。凉山州森林资源丰富,林下易燃可燃物多,极端天气频繁发生,火环境复杂,容易发生高强度森林火灾。今后仍要继续研究凉山州林火行为特征和火灾扑救对策,做好森林防火工作,为生态文明和美丽中国建设保驾护航。