兴安落叶松针叶床层火蔓延的模拟1)

张笑一 胡同欣 刘方策 孙龙

(森林生态系统可持续经营教育部重点实验室(东北林业大学),哈尔滨,150400)

林火行为是指森林可燃物从被点燃开始到发生发展直至熄灭的整个过程中所表现出的各种现象和特征。林火行为预报作为林火预报中的主要部分，能够在结合气象条件和可燃物干湿程度以及地形因素(坡向、坡位、坡度、海拔等)预报林火发生后火蔓延速度和火强度等林火行为指标[1]。地表可燃物是地表火发生的物质基础，也是影响地表火蔓延的主要因素，95%以上的地表火是由1 h时滞细小死可燃物引起的[2]。地表细小死可燃物作为地表火的载体，其含水率、载量和压缩比等对火行为具有重要影响，风速和地形等环境因素对地表火行为的影响也十分显著[3-6]。

国外有关林火行为的研究较早，Mcallister et al.[7]研究了可燃物含水率的差异对火行为的影响；Albini et al.[8]利用森林冠层内的风速构建了预测地表火蔓延速度的模型；Porterie et al.[3]模拟风在可燃物床层内部传播，利用风速和时间因子建立火蔓延模型，同时通过质量、动量和能量的交换来量化氧气与可燃物蔓延速度之间的关系；Frandsen[9]建立了森林草原地下火阴燃蔓延概率与可燃物中无机物含量、可燃物含水率和可燃物密度的3因素模型；Watts et al.[10]研究了可燃物含水率、可燃物无机物含量、可燃物密度对地下火阴燃速率的影响，构建了阴燃蔓延速度模型。国内对火行为研究起步较晚，主要包括室内点烧试验和潜在火行为等方面的研究。李存宇等[11]、唐晓燕等[12]、金森等[13]在Rothermel模型的基础上研究了红松(Pinuskoraiensis)凋落物床层风速因子的模拟试验，分别以床层压缩比和可燃物含水率建立了新的风速因子模型[11-13]。王凯[14]分析了北京西山林场主要森林类型的可燃物分布及潜在火行为状况，建立了不同气象条件及立地因子的林火行为预测模型，并计算了不同可燃物类型的潜在火行为。陶奇等[4-5]、武金模等[6]研究了坡度与火蔓延之间的关系，将坡度归纳为坡度自身的作用和上坡火诱导产生斜坡风的作用。金森等[15]、张吉利等[16]以帽儿山地区红松、蒙古栎(Quercusmongolica)林下地表凋落叶为材料，在不同条件下进行点烧试验，分析了各类相关火险因子对火行为指标的影响。何诚等[17]研究了大兴安岭森林草原地下火阴燃特征，认为可燃物含水率与地表可燃物温度上升速度成反比；而且可燃物载量越大，释放的热量越大，达到最高温度所需时间越短。

综上所述，可燃物特征、风速和坡度都是影响火行为的重要因素，并且这些因素之间存在对火行为产生影响的交互作用，因此在分析林火蔓延的过程中，必须考虑各个因素对火行为所产生的作用。兴安落叶松(Larixgmelinii)是中国北方森林生态系统的建群种和优势种，也是受森林火灾影响最大的群落类型。本文以兴安落叶松针叶凋落物为研究对象，系统的研究兴安落叶松林床层的可燃物特征、风速、坡度以及这些因子之间的交互作用对林火蔓延速度产生的影响，建立兴安落叶松针叶凋落物蔓延速度模型，为预测兴安落叶松林地表火行为，以及提高森林火灾的预防和扑救效率提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于黑龙江省南部尚志市帽儿山林场，张广才岭西坡(45°20′～45°25′N，127°30′～127°34′E)，平均海拔为300 m，境内最高海拔805 m。该地区属于典型温带大陆性气候，年均气温2.8 ℃，1月份最冷，7月份最热；年均降水量724 mm，降水集中在6—8月份。该地区土壤多为暗棕壤。植被类型主要包括蒙古栎、胡桃楸(Juglansmandshurica)、樟子松(Pinussylvestnisvar.mongolica)、红松、山杨(Populusdavidiana)、白桦(Betulaplatuphylla)及兴安落叶松等。

2 材料与方法

2.1 材料的采集及预处理

于2018年5月春季防火期，利用五点估计法计算样地内松针载量，在兴安落叶松林地内设置5个20 m×20 m的正方形样地，调查样地的基本信息。在样地内4角和中央分别设置5个50 cm×50 cm的小样方，随机选取小样方内3处测量其松针针叶的厚度，求平均值；采集林下松针针叶(不包括腐殖质层和半腐殖质层)，使用档案袋一次性取回小样方内所有的松针针叶并计算其载量。称重后，将样品存放储藏室内保存，在收纳袋上标记采集地点、日期和质量。样地基础信息和可燃物特征见表1。

表1 样地基础信息和可燃物特征

2.2 室内点烧试验

试验在东北林业大学帽儿山风洞实验室开展，试验以可燃物含水率、可燃物载量、床层坡度、风速为控制变量。在野外调查中发现，受地形因素的影响，兴安落叶松针叶载量为6～14 t·hm-2，试验将载量设为4个水平(8、10、12、14 t·hm-2)。可燃物含水率设4个水平(5%、10%、15%、20%)，每次点燃前将松针放入烘箱中，在105 ℃条件下连续烘干24 h以上，烘干至恒质量。根据实验所需可燃物干质量计算所需加水量(可燃物湿质量-可燃物干质量)，利用喷壶将指定质量的水均匀喷洒到指定质量的可燃物上，并用封口袋密封24 h至水分完全被吸收，完成可燃物含水率的制备。可燃物含水率计算公式如下：

野外调查发现帽儿山地区兴安落叶松所生长的坡度不超过20°，因此床层坡度设3个水平(0°、10°、20°)。森林中风速一般不超过5 m·s-1。预试验结果表明，当风速为1和2 m·s-1时，可燃物床层不蔓延，故风速设3个水平(2、3、4 m·s-1)。

试验共进行144组。为确保室内温度、相对湿度，点燃试验在09：00—16：00进行。每次试验开始前利用Kestrella4500型手持气象站进行测量。早08：00开始为床层预热，冷却数分钟后，进行第一场试验的点燃，试验需间隔5～10 min进行第二场试验的点燃。选择不同可燃物含水率、可燃物载量的兴安落叶松针叶均匀铺设在长1.2 m、宽0.5 m的可倾斜燃烧床上，在燃烧床上随机选取3个点测量松针可燃物的高度并计算其平均高度，然后计算其床层压缩比。燃烧床下方垫石棉网，可以隔热、绝缘、防火，防止点燃其他物品。在燃烧床的侧边布设5根钢尺，钢尺距离床头分别为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 m，用来计算床层可燃物的蔓延速度。用木炭均匀引燃兴安落叶松针叶床层的前端，打开风洞，记录蔓延速度试验数据。

2.3 数据分析

对兴安落叶松针叶床层火蔓延速度的均值、标准差、最小值、最大值和百分数等基本数据进行初步统计分析。

利用SPSS 19.0(IBM.USA)软件进行相关性分析，分析蔓延速度与可燃物含水率、可燃物载量、床层坡度、风速和床层压缩比之间是否存在相关性，并用Sigma Plot 12.5绘制与蔓延速度呈显著相关的各因子的散点图。

利用Statistica 10.0(Stat Soft. USA)，进行的统计分析，仅考虑了单个变量对蔓延速度的影响，并不能够剔除其他变量对蔓延速度的影响。在多个可控变量中，选取2个变量交互对蔓延速度进行分析时，在不考虑第3个变量的情况下，分析2个变量的交互作用对蔓延速度的影响。

通过多因素方差分析，计算各因子对火蔓延速度变异解释的百分比，综合考虑各因子之间的交互作用对蔓延速度变异的解释。通过逐步回归分析，计算与蔓延速度有显著影响的因子，在此基础上，构建火蔓延速度预测模型。

3 结果与分析

3.1 兴安落叶松针叶床层火蔓延速度的统计特征

在144组点燃试验中有22组没有点燃或者没有蔓延到床尾，其中风速为2 m·s-1的占16组。由表2可知，122组点燃试验的统计数据中，兴安落叶松针叶床层蔓延速度的平均值为6.76 m·h-1，最大值与最小值相差较大，为92.61 m·h-1，从75%的区间值来看，多数点烧试验的林火蔓延速度小于5.58 m·h-1。床层高度为自然铺平的状态。

表2 点烧试验蔓延速度的统计数据

由表3可知，在0.01水平(双侧检验)上，极显著相关的变量，对火蔓延速度的影响由大到小的顺序为：风速、可燃物含水率、坡度。火蔓延速度与可燃物载量没有显著相关性，试验过程由于兴安落叶松针叶细小，无法设置固定床层高度，床层压缩比几乎为恒定值。本试验主要研究兴安落叶松针叶床层火蔓延(明火燃烧和阴燃)速度与可燃物含水率、可燃物载量、床层坡度、风速之间的关系。

表3 火蔓延速度与变量因子的相关分析

3.2 兴安落叶松针叶床层林火蔓延速度的影响因子

3.2.1 可燃物含水率对蔓延速度的影响

由图1可知，兴安落叶松针叶床层可燃物含水率与火蔓延速度拟合曲线符合线性相关，火蔓延速度与可燃物含水率呈极显著负相关。随着可燃物含水率的增加，火蔓延速度减小，可燃物含水率较低时，被点燃概率増加。火蔓延速度超过20 m·h-1的数据点大部分都集中在可燃物含水率为5%的区域。说明火蔓延速度对可燃物含水率的变化较为敏感。

图1 林火蔓延速度与可燃物含水率之间的关系

由图2可知，兴安落叶松针叶床层火蔓延速度与可燃物含水率的关系在不同床层坡度与风速的可燃物床层条件下基本一致，可燃物含水率与兴安落叶松针叶床层火蔓延速度均呈显著负相关(P<0.05)，拟合度较好。说明可燃物含水率对火蔓延速度的影响与坡度、风速无明显依赖关系，但坡度与风速相对于可燃物含水率对火蔓延速度的影响具有一定的负相关作用，可燃物含水率对火蔓延速度的影响独立于坡度与风速。可燃物含水率为5%、10%、15%、20%的最大蔓延速度分别为93.02、30.60、15.55、12.70 m·h-1，平均蔓延速度分别为14.36、5.28、3.88、3.03 m·h-1。当兴安落叶松可燃物含水率为5%时，其平均蔓延速度是可燃物含水率为10%的3倍。可燃物含水率为10%时，其平均蔓延速度是可燃物含水率为15%的1.36倍，由此可见，随可燃物含水率的增加，兴安落叶松针叶床层火蔓延速度增加的趋势越来越缓慢。

E、F、G分别表示风速为2、3、4 m·s-1；a、b、c分别表示床层坡度为0°、10°、20°。

3.2.2 床层坡度对蔓延速度的影响

由图3可知，试验观测上坡火蔓延过程中，随床层坡度角增加，兴安落叶松针叶床层火蔓延速度呈线性增加。火蔓延速度超过20 m·h-1的点较多，大部分都集中在20°坡的燃烧床上。

图3 林火蔓延速度与床层坡度之间的关系

如图4所示，在可燃物含水率和风速为定值的情况下，床层坡度为唯一变量时，其中只有床层坡度为10°，风速为2 m·s-1时，火蔓延速度与可燃物床层坡度呈弱相关，其余都为显著相关。趋势线斜率均随着可燃物含水率的增加而降低，火蔓延速度随床层坡度变化的趋势愈加缓和；随风速的增加，火蔓延速度随床层坡度的变化逐步加强。床层坡度为0°时，试验共点烧38组，其中有18组火蔓延速度小于2 m·h-1，16组火蔓延速度在2～4 m·h-1；床层坡度为10°时，试验共点烧38组，其中有14组火蔓延速度小于2 m·h-1，6组点烧试验火蔓延速度大于10 m·h-1，最快的火蔓延速度达到36 m·h-1；床层坡度为20°时，试验共点烧46组，其中仅有8组点烧试验火蔓延速度小于2 m·h-1，大部分火蔓延速度集中在10 m·h-1左右，其中有13组点烧试验大于10 m·h-1，5组火蔓延速度大于30 m·h-1，火蔓延速度最大达到93 m·h-1。床层坡度为0°、10°、20°坡的平均火蔓延速度分别为2.66、5.63、11.08 m·h-1。从总体情况来看，兴安落叶松针叶床层在不同可燃物含水率和不同风速条件下，坡度对火蔓延速度的影响依旧呈线性相关。

3.2.3 风速对蔓延速度的影响

由图5可知，兴安落叶松针叶床层点烧试验中，风速对蔓延速度具有较强的影响，风速不仅增加可燃物燃烧蔓延速度，也提高了可燃物的点燃概率。风速为4 m·s-1试验的有效数据为48组，风速为2 m·s-1试验的有效数据为32组。且火蔓延速度大于20 m·h-1的点几乎全部集中在风速为4 m·s-1的燃烧床上。所以，从整体情况来看兴安落叶松针叶床层风速与火蔓延速度呈极显著正相关。

由图6可知，各趋势线斜率总体趋势随风速的增加而增加，也就是说林火蔓延速度随风速的增加而增大。随着可燃物含水率逐步增大时，火蔓延速度随风速增加而增加，但这种变化趋势越来越缓慢；随着床层坡度逐步增大时，火蔓延速度随风速的增加而增加，这种变化趋势逐步增强。风速为2 m·s-1时，共进行32组点烧试验，占总点烧试验的26%，其中火蔓延速度小于3 m·h-1的为29组，最大的火蔓延速度为7.2 m·h-1，且在可燃物含水率为5%、可燃物载量为14 t·hm-2、床层坡度为20°时实现的；风速为3 m·s-1时，床层试验共点烧42组，火蔓延速度的最大值为29.7 m·h-1；风速为4 m·s-1时，共进行48组点烧试验，约占总点烧组数的40%，火蔓延速度大于5 m·h-1不超过10 m·h-1的点烧床层试验为12组，大于10 m·h-1的点烧试验共18组，其中火蔓延速度超过30 m·h-1的点烧试验共6组，最大的火蔓延速度为93.02 m·h-1。风速为2、3、4 m·s-1的平均火蔓延速度分别为1.69、3.51、12.99 m·h-1。在不同可燃物含水率和床层坡度的条件下，林火蔓延速度与风速依旧呈显著正相关(P<0.05)，风速为4 m·s-1的平均火蔓延速度为风速为3 m·s-1的3倍以上。

A、B、C、D分别表示可燃物含水率为5%、10%、15%、20%；E、F、G分别表示风速为2、3、4 m·s-1。

图5 林火蔓延速度与风速之间的关系

3.3 不同蔓延速度等级间可燃物特征和环境因素的差异分析

兴安落叶松林的点烧试验有效数据共有122组，分为四个等级：第Ⅰ等级火蔓延速度不超过5 m·h-1，共87组，平均火蔓延速度为2.31 m·h-1，且全部为阴燃；第Ⅱ等级火蔓延速度在5～10 m·h-1，共15组，平均蔓延速度为6.37 m·h-1；第Ⅲ等级火蔓延速度在10～20 m·h-1，共13组，平均火蔓延速度为14.14 m·h-1；第Ⅳ等级火蔓延速度为超过20 m·h-1，共7组，平均火蔓延速度为49.21 m·h-1，且全部为明火。

从表4中可以看到四个等级中可燃物载量、床层高度、床层压缩比与火蔓延速度差异不显著(P>0.05)，而可燃物含水率、床层坡度、风速与火蔓延速度之间差异显著(P<0.05)。当火蔓延速度为Ⅳ级时，其可燃物含水率与其他火蔓延速度可燃物含水率具有显著差异(P<0.05)。当火蔓延速度为Ⅰ级时，其床层坡度与其他蔓延速度床层坡度值具有显著差异(P<0.05)；其风速与其他蔓延速度风速值具有显著差异(P<0.05)。由此可知，当可燃物含水率低于6%或床层坡度高于12°或风速大于3 m·s-1时，兴安落叶松针叶火蔓延速度急剧增加，极易引发森林大火。

A、B、C、D分别表示可燃物含水率为5%、10%、15%、20%；a、b、c分别表示床层坡度为0°、10°、20°。

表4 不同火蔓延速度等级之间可燃物特征和环境因素的差异分析

3.4 兴安落叶松林火蔓延的预测模型

根据多因素方差分析不同火险因子在兴安落叶松林针叶火蔓延速度中的相对贡献，风速、可燃物含水率、坡度各自解释火蔓延速度变异的17.2%、6.1%、3.9%，可燃物载量仅能解释蔓延速度变异的0.2%。当考虑各因子间的交互作用时，交互作用能够解释蔓延速度变异的72.1%，其中，可燃物含水率×坡度×风速、可燃物含水率×坡度×风速×可燃物载量、可燃物含水率×风速、坡度×风速、坡度×风速×可燃物载量、可燃物含水率×坡度分别能够解释蔓延速度变异的27.7%、13.0%、11.0%、9.2%、6.2%、5.0%(R2=0.670 8)。

通过逐步线性回归分析，所选择的6个变量中，仅风速、可燃物含水率和坡度对火蔓延速度有显著影响，三者能够解释其变异的43.1%(R2=0.431)。预测模型为V=-6.448+5.520W-0.719M+0.478S。式中，V为火蔓延速度，W为风速，M为可燃物含水率，S为坡度。通过预测模型可以得到3个变量因子对火蔓延速度的影响由大到小的顺序为：风速、可燃物含水率、坡度。模型调整后的R2为0.41；5%≤M≤20%，2 m·s-1≤W≤4 m·s-1，0°≤S≤20°；模型的标准估计误差值为8.56，验证误差为12.93。

4 结论与讨论

兴安落叶松针叶床层可燃物蔓延速度，在不同可燃物含水率、可燃物载量、床层坡度、风速的条件下，蔓延速度存在较大的差异。且兴安落叶松与蒙古栎、红松床层蔓延有明显区别。通过差异性分析，当兴安落叶松松针含水率低于6%或坡度高于12°或风速大于3 m·s-1时，可燃物床层蔓延速度急剧增加，极易引发森林大火。通过试验说明兴安落叶松虽为难燃树种，试验设定范围内80%左右为阴燃，但条件发生改变，可以完全转化为明火，蔓延速度较快，火势较强。而蒙古栎、红松为易燃树种，点烧试验全部为明火[15-16]。试验结果表明可燃物含水率、床层坡度、风速与火蔓延速率呈极显著相关(P<0.05)。可燃物含水率较低时，可燃物床层火蔓延概率増加；随可燃物含水率的增加会增加吸热，使可燃物床层表层的热量散失较快，减缓火蔓延速度[18]。试验过程中，可燃物含水率为30%不会引燃，有些点烧试验可燃物含水率为20%，可燃物床层火不蔓延。这一研究结果表明熄灭可燃物含水率并不是一个固定值，这可能与可燃物床层结构、可燃物载量、风速和火源大小等都有密切关系[19]。床层坡度平缓，火蔓延缓慢，随坡度的增加，蔓延速度呈线性增加。在有坡度存在的条件下，火焰向上蔓延，坡度加大了火焰长度，加强了火焰向前方的热辐射[4]，快速加热可燃物，引发了火蔓延速度的增大。在无风的条件下，火蔓延速度较慢，增大风速可以带走可燃物表层的气体，能降低可燃物含水率，使其干燥易燃，同时加强可燃物上层的气体流动[20]，在一定程度上带走可燃物床层表层的CO2气体，补充氧气，增加供氧量，加速燃烧过程；随着风速增加，增加了火焰穿过床层内部的动能，为火蔓延提供热量[6]。风速作为森林火灾发生最重要的因子，当发生森林火灾时，风速加剧了热辐射改变热对流，加快林火蔓延速度。

在试验设定范围内，可燃物载量与兴安落叶松的蔓延速度无显著影响。由于兴安落叶松针叶表面积与体积比较小，针叶为条形或倒披针状条形，长3～6 cm，宽在1 mm以内，很难设置固定的床层高度，且床层高度极差小。因此在布置可燃物床层时，尽可能使可燃物床层为自然平铺状态。而可燃物的压缩比几乎恒定，故本试验中兴安落叶松针叶床层高度、床层压缩比对蔓延速度均无显著影响。与金森等[20]、孙武等[21]试验的结果相反，他们认为床层压缩比与蔓延速度呈极显著正相关，只有在可燃物之间的空隙发生火焰接触后，火势才会在不连续可燃物中蔓延，而风速增加了火焰穿过可燃物空隙的可能性，并通过对流传热点燃未燃烧的可燃物；杨语田[22]研究了可燃物载量与火行为的关系，认为细小可燃物载量对是否发生森林火灾起着决定性作用；Lacroix et al.[23]试验结果表明，中低可燃物的载量能够减缓火势蔓延，当可燃物的载量不足以维持火焰传播，燃烧终止。本试验中，可燃物载量小于6 t·hm-2时，增加风速、加大床层坡度、减少可燃物的含水率，燃烧也无法进行，所以试验设置的最低可燃物载量为8 t·hm-2。在所有未燃及未蔓延的试验中，可燃物载量为8 t·hm-2占总数的36%。故可燃物载量可能与热传导和燃烧强度有极显著关系[24]。本试验中，当载量满足火势蔓延的情况下，蔓延速度与载量无显著相关。由于载量能够增加火势蔓延，从而增加燃烧强度，引起蔓延速度的变化，未燃可燃物起燃所需要的能量完全来自火焰对它的热辐射[25]。而本研究中兴安落叶松针叶多数为阴燃蔓延，在兴安落叶松针叶阴燃过程中随载量的增加受到的热辐射变化不明显，而且试验所设置载量梯度较小。因此，在可燃物含水率、坡度、风速等同时存在的条件下，兴安落叶松针叶的蔓延速度与载量的关系还需要进一步研究。

风速为2～4 m·s-1，可燃物含水率为5%～20%，床层坡度最大为20°的情况下，最大蔓延速度不超过100 m·h-1，75%区间的蔓延速度都在6 m·h-1以内，在平地无风的条件下不蔓延。而与田晓瑞等[26]室外点烧试验的结果不一致，主要原因是兴安落叶松松针堆积起来的可燃物床层压缩比较小，兴安落叶松针叶为不易燃树种，80%左右为阴燃。蒙古栎的叶片倒卵形至长倒卵形，表面积体积比较大，堆积起来的可燃物床层压缩比较大，床层内部氧气含量足；两者研究所设置的可燃物载量梯度不同，试验条件不同。因此，兴安落叶松室内点烧试验研究对于提升林火预报精度和林火管理有着十分重要的意义，但是对于兴安落叶松林火行为的研究还不够深入，室内模拟点烧实验开展较少，将来应加大林火行为方面的研究，进一步量化全国典型可燃物类型火行为的动态模拟，为科学开展森林火灾防控提供科学方法以及决策依据。