川西南森林可燃物分布调研及潜在火行为研究

张玉春,向 冬,郭瀚文,孔林毅,高云骥,马阿几

(1. 西南交通大学 地球科学与环境工程学院,四川 成都 610031; 2. 木里藏族自治县气象局,四川 西昌 615899)

森林火灾是指失去控制,在林地内自由扩展蔓延,一定程度上危害森林生态系统和人类的自然灾害[1-2]。近两年,川西南地区连续发生震惊全国的重特大森林火灾,造成了严重的人员伤亡和财产损失。由于当地生态环境较为脆弱,地形条件复杂,山高坡陡谷深,灭火救援难度较大,灾后恢复时间长,易造成巨大损失。森林可燃物是森林燃烧的物质基础,是发生森林火灾的首要条件[3]。林火发生的影响因素主要包括气象、地形和森林可燃物[4],其中森林可燃物是人类唯一能控制的林火因子,有效管理可燃物是解决林火安全问题和恢复森林健康的根本途径[5]。

可燃物调研是森林潜在火行为的基础,其中李颖等[6]以武夷山国家公园4种林型中的7种林分为研究对象,发现地表可燃物热值受地形、林分、林龄等因素的综合影响。解国磊等[7]以鲁东低山丘陵区2种主要森林类型地表死可燃物为研究对象,发现可燃物含水率与空气相对湿度呈正相关,与林内平均风速呈负相关。而潜在火行为是指在特定的空间条件下如果发生森林火灾可能表现出的行为特征[8]。在大量实验的基础上,ROTHERMEL[9]提出了著名的Rothermel林火蔓延模型及相关计算方法。ANDREWS[10]在Rothermel林火蔓延模型的基础上,深入研究森林火灾发生及蔓延特点,建立了BehavePlus林火行为预测系统,为美国林火管理提供了科学、有效的依据。ZIEGLER等[11]运用Rothermel模型编写了R语言程序包来预测火灾行为。近年来,国内外有大量学者利用BehavePlus林火行为模拟系统对不同地区的森林类型进行了潜在火行为的模拟计算与分类,包括长白山林区[12]、昆明西山国家森林公园[13]、大兴安岭南部[14]、山东省山区[3]、北京鹫峰国家森林公园[15]、阿巴拉契亚南部[16]、葡萄牙[17]等。DRURY[18]在阿拉斯加的Magitchlie Creek火灾中系统收集了黑云杉生态系统的火行为特征与BehavePlus预测的火行为进行了比较,发现系统进行了合理的蔓延速度预测。HAHN等[19]利用BehavePlus模拟了可燃物载量和厚度的改变导致6个火行为参数的增加,这表明采伐强度和时间可能对潜在火行为有长期影响。国内学者[20-22]基于Rothermel模型模拟我国可燃物类型的火行为,并与室内点烧实验结果进行对比后修正相关参数,显著降低了预测误差,得到较好的拟合结果。

目前,大部分国内文献研究主要以北方林区为主,北方林区所在海拔一般低于2 000 m,地形起伏较小,树种以耐寒的针叶林为主。而川西南林区地处高山峡谷地区,地势险峻,海拔落差大,树种包括常绿阔叶林、落叶阔叶林、针叶林等多种林型,与北方林区差别较大,然而关于川西南林区可燃物分布规律及潜在火行为的研究相对匮乏,因此文中以川西南地区凉山州木里县为研究区域,开展森林可燃物基础调研,统计分析各类型森林可燃物载量和分布特性,建立优化相关燃料模型,利用BehavePlus软件模拟研究不同林型的潜在火行为,对保护川西南森林资源和预防森林火灾具有重要现实意义。

1.1 研究区概况

川西南地区一般认为包括凉山彝族自治州和攀枝花市两市州,地处26°03′～29°18′N,100°03′～103°52′E之间,位于青藏高原东南缘,横断山系东北缘,界于四川盆地和云南省中部高原之间。年平均气温为19.2～20.3 ℃,全年日照时数达2 300～2 700 h,年均蒸发量超过1 300 mm,年平均降水量为818.2 mm,每年的11月～翌年6月为干季,降雨量仅占全年总量的10%左右,林火集中发生在该段时间内。气候具有四季不分明,干、湿(雨)季分明,气温日变化大,气候干燥,降雨量高度集中,日照多,太阳辐射强,蒸发量大,小气候复杂多样等特点[23]。植被分布从下到上分别为:普带植被常绿阔叶林带(含常绿阔叶与落叶阔叶混交林);海拔2 400～4 300 m以冷杉(Abiesfabri)、云杉(Piceaasperata)、云南松(Pinusyunnanensis)和高山松(Pinusyunnanensis)为主的亚高山针叶林带;海拔3 600～4 500 m以杜鹃(Rhododendronsimsii)、高山栎(Quercussemecarpifolia)、嵩草(Kobresiamyosuroides)、羊茅(Festucaovina)等组成的高山灌丛草甸带;海拔4 500～5 000 m的流石滩稀疏植被[24]。

1.2 样地设置与样品采集

根据资料收集以及近年来森林火灾发生情况,选取川西南地区凉山彝族自治州木里藏族自治县为调研区域,于2021年4月开展实地调研与样本采集工作。

在林分内设置标准样方,记录坐标位置,进行地形因子和基本林分因子调查。在样地内设置2 m×2 m的灌木层样方,1 m×1 m的草本层样方和枯落物层样方,调查灌木层优势种、株(丛)数、平均高、枝下高、叶厚度等,选择3株平均大小的标准灌木,收获并测定其地上干、枝和叶的鲜重。调查草本层的优势种、平均高度,收割每个样方内所有活草本植物地上部分,称其鲜重。调查枯落物厚度,收集样方内全部枯落物,按时滞分为1 h(直径小于0.6 cm的小枝、叶和杂草)、10 h(直径大于或等于0.6 cm但小于2.5 cm的小枝)和100 h(直径大于或等于2.5 cm但小于7.62 cm的枝条)等3类,称其鲜重。然后将收集的各部分样本分别取样100 g左右,带回实验室测定各样本的含水率(干鲜比)和热值[25]。

1.3 内业实验方法

1.3.1 干鲜比和含水率

采集的样品及时带回实验室内,放入电热恒温鼓风干燥箱内进行烘干,在105 ℃条件下连续烘干24 h至恒重后取出称重,计算干鲜比和含水率。

其干鲜比计算公式:

(1)

式中:R为可燃物干鲜比;m1为可燃物干重质量(g);m2为可燃物湿重质量(g)。

含水率计算公式:

(2)

式中,W为可燃物含水率(%)。

1.3.2 热值

热值测定使用微机全自动量热仪。采用电子天平称取1.0 g左右的样品压成饼状,烘干至恒重,放入坩埚后称量并记录重量,安装好点火丝,在氧弹中加入10.0 ml纯水,将燃烧坩埚放入氧弹中,使用高压氧气瓶充入氧气,之后放入量热仪内,电脑控制“启动”,系统进行自动注水后点火,待实验结束后,对实验结果进行读取、记录。

1.3.3 表面积体积比

可燃物大小和形状是影响燃烧和蔓延的重要特征。通常用表面积体积比来表示可燃物的大小和形状,其指单位体积(或重量)可燃物的表面积与其体积之比,计算公式如式(3):

(3)

式中:R为可燃物表面积体积比(cm-1);S为单位可燃物表面积(cm2);V为单位可燃物体积(cm3)。

1.3.4 可燃物载量

可燃物载量是指单位面积上所有可燃物的绝对干物质量。可燃物载量计算公式如式(4):

(4)

式中,样方总干重单位为千克(kg)。

1.3.5 熄灭含水率

可燃物熄灭含水率是指可燃物点燃后能连续蔓延的上限含水率,其计算公式如式(5):

(5)

式中: EMC为可燃物的熄灭含水率(%);mh为可燃物样品的湿重(g);mx为信封净重(g);md为可燃物的干重(g);my为信封干重(g)[26]。

1.4 调研数据结果

根据植被类型归纳确定不同的林分类型,共涉及包括云南松优势种的常绿针叶林、栎类优势种的常绿阔叶林、云南松-栎类优势种的针阔混交林、高山杜鹃优势种的常绿阔叶灌丛、高山草甸和高草丛6种植被类型。由于云南松优势种的常绿针叶林在川西南地区分布广泛,故取样时对于包含云南松的林型调查了多个样地。现场调研情况如图1所示,调研数据整理如表1所示。

图1 川西南地区典型林地Fig. 1 Typical woodland in southwest Sichuan area

表1 川西南森林可燃物调研数据Table 1 Forest fuel investigation data in southwest Sichuan

2.1 BehavePlus软件介绍

BehavePlus火灾建模系统是一个基于数学模型的计算机程序,用于描述森林火灾和火灾环境。BehavePlus程序是由美国农业部(USDA)林业局下属的Missoula火灾科学实验室和环境管理系统合作开发完成的。它可以用于任何涉及火灾行为和影响建模的火灾管理应用,包括预测正在发生的火灾行为、规划计划烧除、评估燃料危险[10]。

地表火的蔓延速度预测应用的是Rothermel于1972年建立的Rothermel模型[9];地表火火线强度是指从地表火燃烧区的前部到后部的单位宽度的燃料床部分在单位时间内释放的热能,由BYRAM[27]提出的火线强度公式计算得到,是地表火蔓延速度和单位面积热量的一个函数。地表火在火焰前沿内的火焰高度是从活跃火焰燃烧区的中间位置到火焰的平均顶端的距离[28],BYRAM[27]提出了根据火线强度计算火焰长度的公式。树冠火转化率是地表火火线强度除以临界火线强度,表示是否可能从地表火转化到树冠火的条件。如果转化率大于或等于1,那么地表火火线强度就足以转化到树冠火[25]。树冠火蔓延速度是使用Rothermel树冠火蔓延模型预测的树冠火头火的蔓延速度,是由6.1 m的风速和地表燃料含水率计算出来的[28]。

2.2 燃料模型建立

根据实地调研及室内试验数据,依据标准燃料模型参数进行适当的调整和补充,采用自定义模型的方法,设置如表2所示9种川西南地区木里县典型燃料模型[29-32]。

表2 川西南地区木里县典型燃料模型Table 2 Typical fuel model of Muli County in southwest Sichuan area

2.3 模拟工况设计

川西南地区山高谷深,地表起伏大,高差悬殊。根据调研样地所处地形实际测量,坡度范围在10°～40°不等。在调研区域旱季的下午,通常每日的平均风力可达6级以上,山口河谷和高山平均风力可达8级以上。文中为了研究风速和坡度对典型林地潜在火行为的影响,共设置0、10、20、30、40和50 km/h 等6种风速,分别对应蒲福风级0、2、4、5、6和7级及0°、10°、20°、30°和40°等5种坡度条件。

2.4 潜在火行为分析

无风平坡条件下川西南典型林地潜在火行为特性统计如表3所示。通过表3可以看出,由于较高的1 h时滞燃料载量,云南松-灌木2林型的地表火蔓延速度、火线强度、火焰高度明显大于云南松-灌木1林型,且火焰高度可高达4.1 m。由于云南松-灌木林型的冠层枝下高较低,且存在大量梯状可燃物灌木,在无风条件下极易形成树冠火。但对于地盘松林分模型,无中间梯状可燃物存在,燃料床厚度较低,只有林下地表枯落物层燃料,无法形成稳定蔓延的地表火。对于云南松与川滇高山栎交错分布的针阔混交林,云南松-高山栎1林型可形成强度极低的地表火,但该林分模型枝下高较高,其树冠火转化率只有0.02,几乎不可能形成树冠火。然而由于燃料床厚度过低,云南松-高山栎2、川滇高山栎常绿阔叶林、高山杜鹃常绿阔叶灌木等林型无法形成连续蔓延的地表火,更无法向上燃烧转化为树冠火。高草丛和常绿阔叶灌丛的地表火强度在无风平坡条件下较小。下文将选取云南松-灌木1、云南松-灌木2、灌木、高草丛等4种林型为研究对象,进一步分析风速和坡度对不同林型潜在火行为的影响。

表3 川西南地区无风平坡条件下不同林型潜在火行为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

图2为不同风速和坡度条件下不同林型地表火蔓延速度变化曲线。从图2中可以看出,地表火蔓延速度随风速增加而增大,随坡度增加而增大。在相同风速和坡度条件下,地表火蔓延速度高草丛>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时滞燃料载量明显大于云南松-灌木1林型,导致其地表火蔓延速度明显大于云南松-灌木1林型。云南松是川西南地区最有代表性的优势种,作为针叶林树种由于其枯落物油脂含量高,可燃物载量相对较大,其火强度也相对较大,在平坡无风条件下得到的云南松地表火蔓延速率结果高于满子源等[21]的研究结果,主要原因是文中可燃物载量大于其研究,而与王秋华等[13]、王凯等[15]研究中的针叶林树种火行为模拟结果相符。

2.4.2 火线强度

图3为不同风速和坡度条件下不同林型地表火火线强度变化曲线。从图3中可以看出,地表火火线强度随风速和坡度增加而增大, 从大到小依次为高草丛、云南松-灌木2、 灌木、 云南松-灌木1。云南松-灌木2林型(图3(b))在地形起伏大或有大风天气时可形成强度较高的地表火。高草丛林型(图3(d))随风速增加火线强度增大最为显著,大风天气下易形成强度极高的地表火。

2.4.3 火焰高度

图4为不同风速和坡度条件下不同林型地表火火焰高度变化曲线。从图4中可以看出,地表火火焰高度随风速和坡度增加而增大,从大到小依次为云南松-灌木2、高草丛、灌木、云南松、灌木1。云南松-灌木2林型(图4(b))和高草丛林型(图4(d))最大火焰高度均超过14 m,而灌木林型(图4(c))和云南松-灌木1林型(图4(a))在大坡度地形下火焰高度会超过2 m。

图4 不同林型火焰高度变化曲线Fig. 4 Flame length of different forest types

2.4.4 树冠火转化率

图5为不同风速和坡度条件下不同林型树冠火转化率变化曲线。从图5中可以看出,2种云南松-灌木林型树冠火转化率在任何条件下均大于1,即可转化为树冠火,同时树冠火转化率随风速和坡度的增加而增大,说明风速和坡度增大可以增加树冠火发生概率。

图5 不同林型树冠火转化率变化曲线Fig. 5 Crown fire transition ratio of different forest types

2.4.5 树冠火蔓延速度

图6为不同风速条件下不同林型树冠火蔓延速度变化曲线。从图6中可以看出,随着风速的增加,所有林型树冠火蔓延速度均表现为指数增加,从大到小依次为云南松-灌木2、高山栎、云南松-高山栎2、地盘松、高山杜鹃、云南松-灌木1、云南松-高山栎1。

图6 不同林型树冠火蔓延速度变化曲线Fig. 6 Crown fire spread rate of different forest types

文中通过对川西南地区凉山州木里县境内森林可燃物进行现场调研获取不同林分的可燃物基础数据和分布特性,针对不同林分建立了对应的燃料模型并利用BehavePlus软件模拟研究了不同林分模型的潜在火行为。主要的研究结论如下:

1)林下层无灌木和草本的林分可燃物模型,其燃料床厚度通常不会很高,达不到形成稳定蔓延的地表火所需的条件,而林下覆盖有灌木层或草本层的林分模型,其林下可燃物垂直分布连续性较好,燃料床厚度较高,可形成较高强度地表火,同时能够引燃冠层可燃物形成稳定燃烧的遍燃型树冠火。

2)地表火蔓延速度、火线强度、火焰高度、树冠火转化率等潜在火行为均随风速和坡度的增加而增加,且增长幅度与燃料床厚度、高度相关,而树冠火蔓延速度随风速的增加大体呈指数型增长。综合分析各林型潜在火行为特性,高草丛、云南松-灌木2林分的火行为特性参数值均较大,危险性较高。

通过本文研究可知,对于林下覆盖有灌木层或草本层的林分模型,由此类林型失火导致引发特别重大森林火灾的风险极大,日常应注意对梯状可燃物的管理和控制。可利用计划烧除减少可燃物累积,破坏林内可燃物垂直连续性,从而降低森林燃烧性,即使发生火灾也很难发展成树冠火。面对不同火行为,消防救援人员所采取的灭火扑救方法差异很大。根据火焰高度和火线强度的大小,应采用不同的灭火扑救措施来控制火势。

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