興安落葉松針葉床層火蔓延的模擬1)

張笑一 胡同欣 劉方策 孫龍

(森林生態系統可持續經營教育部重點實驗室(東北林業大學),哈爾濱,150400)

林火行為是指森林可燃物從被點燃開始到發生發展直至熄滅的整個過程中所表現出的各種現象和特征。林火行為預報作為林火預報中的主要部分，能夠在結合氣象條件和可燃物干濕程度以及地形因素(坡向、坡位、坡度、海拔等)預報林火發生后火蔓延速度和火強度等林火行為指標[1]。地表可燃物是地表火發生的物質基礎，也是影響地表火蔓延的主要因素，95%以上的地表火是由1 h時滯細小死可燃物引起的[2]。地表細小死可燃物作為地表火的載體，其含水率、載量和壓縮比等對火行為具有重要影響，風速和地形等環境因素對地表火行為的影響也十分顯著[3-6]。

國外有關林火行為的研究較早，Mcallister et al.[7]研究了可燃物含水率的差異對火行為的影響；Albini et al.[8]利用森林冠層內的風速構建了預測地表火蔓延速度的模型；Porterie et al.[3]模擬風在可燃物床層內部傳播，利用風速和時間因子建立火蔓延模型，同時通過質量、動量和能量的交換來量化氧氣與可燃物蔓延速度之間的關系；Frandsen[9]建立了森林草原地下火陰燃蔓延概率與可燃物中無機物含量、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、可燃物無機物含量、可燃物密度對地下火陰燃速率的影響，構建了陰燃蔓延速度模型。國內對火行為研究起步較晚，主要包括室內點燒試驗和潛在火行為等方面的研究。李存宇等[11]、唐曉燕等[12]、金森等[13]在Rothermel模型的基礎上研究了紅松(Pinuskoraiensis)凋落物床層風速因子的模擬試驗，分別以床層壓縮比和可燃物含水率建立了新的風速因子模型[11-13]。王凱[14]分析了北京西山林場主要森林類型的可燃物分布及潛在火行為狀況，建立了不同氣象條件及立地因子的林火行為預測模型，并計算了不同可燃物類型的潛在火行為。陶奇等[4-5]、武金模等[6]研究了坡度與火蔓延之間的關系，將坡度歸納為坡度自身的作用和上坡火誘導產生斜坡風的作用。金森等[15]、張吉利等[16]以帽兒山地區紅松、蒙古櫟(Quercusmongolica)林下地表凋落葉為材料，在不同條件下進行點燒試驗，分析了各類相關火險因子對火行為指標的影響。何誠等[17]研究了大興安嶺森林草原地下火陰燃特征，認為可燃物含水率與地表可燃物溫度上升速度成反比；而且可燃物載量越大，釋放的熱量越大，達到最高溫度所需時間越短。

綜上所述，可燃物特征、風速和坡度都是影響火行為的重要因素，并且這些因素之間存在對火行為產生影響的交互作用，因此在分析林火蔓延的過程中，必須考慮各個因素對火行為所產生的作用。興安落葉松(Larixgmelinii)是中國北方森林生態系統的建群種和優勢種，也是受森林火災影響最大的群落類型。本文以興安落葉松針葉凋落物為研究對象，系統的研究興安落葉松林床層的可燃物特征、風速、坡度以及這些因子之間的交互作用對林火蔓延速度產生的影響，建立興安落葉松針葉凋落物蔓延速度模型，為預測興安落葉松林地表火行為，以及提高森林火災的預防和撲救效率提供科學依據。

1 研究區概況

研究區位于黑龍江省南部尚志市帽兒山林場，張廣才嶺西坡(45°20′～45°25′N，127°30′～127°34′E)，平均海拔為300 m，境內最高海拔805 m。該地區屬于典型溫帶大陸性氣候，年均氣溫2.8 ℃，1月份最冷，7月份最熱；年均降水量724 mm，降水集中在6—8月份。該地區土壤多為暗棕壤。植被類型主要包括蒙古櫟、胡桃楸(Juglansmandshurica)、樟子松(Pinussylvestnisvar.mongolica)、紅松、山楊(Populusdavidiana)、白樺(Betulaplatuphylla)及興安落葉松等。

2 材料與方法

2.1 材料的采集及預處理

于2018年5月春季防火期，利用五點估計法計算樣地內松針載量，在興安落葉松林地內設置5個20 m×20 m的正方形樣地，調查樣地的基本信息。在樣地內4角和中央分別設置5個50 cm×50 cm的小樣方，隨機選取小樣方內3處測量其松針針葉的厚度，求平均值；采集林下松針針葉(不包括腐殖質層和半腐殖質層)，使用檔案袋一次性取回小樣方內所有的松針針葉并計算其載量。稱重后，將樣品存放儲藏室內保存，在收納袋上標記采集地點、日期和質量。樣地基礎信息和可燃物特征見表1。

表1 樣地基礎信息和可燃物特征

2.2 室內點燒試驗

試驗在東北林業大學帽兒山風洞實驗室開展，試驗以可燃物含水率、可燃物載量、床層坡度、風速為控制變量。在野外調查中發現，受地形因素的影響，興安落葉松針葉載量為6～14 t·hm-2，試驗將載量設為4個水平(8、10、12、14 t·hm-2)。可燃物含水率設4個水平(5%、10%、15%、20%)，每次點燃前將松針放入烘箱中，在105 ℃條件下連續烘干24 h以上，烘干至恒質量。根據實驗所需可燃物干質量計算所需加水量(可燃物濕質量-可燃物干質量)，利用噴壺將指定質量的水均勻噴灑到指定質量的可燃物上，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備。可燃物含水率計算公式如下：

野外調查發現帽兒山地區興安落葉松所生長的坡度不超過20°，因此床層坡度設3個水平(0°、10°、20°)。森林中風速一般不超過5 m·s-1。預試驗結果表明，當風速為1和2 m·s-1時，可燃物床層不蔓延，故風速設3個水平(2、3、4 m·s-1)。

試驗共進行144組。為確保室內溫度、相對濕度，點燃試驗在09：00—16：00進行。每次試驗開始前利用Kestrella4500型手持氣象站進行測量。早08：00開始為床層預熱，冷卻數分鐘后，進行第一場試驗的點燃，試驗需間隔5～10 min進行第二場試驗的點燃。選擇不同可燃物含水率、可燃物載量的興安落葉松針葉均勻鋪設在長1.2 m、寬0.5 m的可傾斜燃燒床上，在燃燒床上隨機選取3個點測量松針可燃物的高度并計算其平均高度，然后計算其床層壓縮比。燃燒床下方墊石棉網，可以隔熱、絕緣、防火，防止點燃其他物品。在燃燒床的側邊布設5根鋼尺，鋼尺距離床頭分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 m，用來計算床層可燃物的蔓延速度。用木炭均勻引燃興安落葉松針葉床層的前端，打開風洞，記錄蔓延速度試驗數據。

2.3 數據分析

對興安落葉松針葉床層火蔓延速度的均值、標準差、最小值、最大值和百分數等基本數據進行初步統計分析。

利用SPSS 19.0(IBM.USA)軟件進行相關性分析，分析蔓延速度與可燃物含水率、可燃物載量、床層坡度、風速和床層壓縮比之間是否存在相關性，并用Sigma Plot 12.5繪制與蔓延速度呈顯著相關的各因子的散點圖。

利用Statistica 10.0(Stat Soft. USA)，進行的統計分析，僅考慮了單個變量對蔓延速度的影響，并不能夠剔除其他變量對蔓延速度的影響。在多個可控變量中，選取2個變量交互對蔓延速度進行分析時，在不考慮第3個變量的情況下，分析2個變量的交互作用對蔓延速度的影響。

通過多因素方差分析，計算各因子對火蔓延速度變異解釋的百分比，綜合考慮各因子之間的交互作用對蔓延速度變異的解釋。通過逐步回歸分析，計算與蔓延速度有顯著影響的因子，在此基礎上，構建火蔓延速度預測模型。

3 結果與分析

3.1 興安落葉松針葉床層火蔓延速度的統計特征

在144組點燃試驗中有22組沒有點燃或者沒有蔓延到床尾，其中風速為2 m·s-1的占16組。由表2可知，122組點燃試驗的統計數據中，興安落葉松針葉床層蔓延速度的平均值為6.76 m·h-1，最大值與最小值相差較大，為92.61 m·h-1，從75%的區間值來看，多數點燒試驗的林火蔓延速度小于5.58 m·h-1。床層高度為自然鋪平的狀態。

表2 點燒試驗蔓延速度的統計數據

由表3可知，在0.01水平(雙側檢驗)上，極顯著相關的變量，對火蔓延速度的影響由大到小的順序為：風速、可燃物含水率、坡度。火蔓延速度與可燃物載量沒有顯著相關性，試驗過程由于興安落葉松針葉細小，無法設置固定床層高度，床層壓縮比幾乎為恒定值。本試驗主要研究興安落葉松針葉床層火蔓延(明火燃燒和陰燃)速度與可燃物含水率、可燃物載量、床層坡度、風速之間的關系。

表3 火蔓延速度與變量因子的相關分析

3.2 興安落葉松針葉床層林火蔓延速度的影響因子

3.2.1 可燃物含水率對蔓延速度的影響

由圖1可知，興安落葉松針葉床層可燃物含水率與火蔓延速度擬合曲線符合線性相關，火蔓延速度與可燃物含水率呈極顯著負相關。隨著可燃物含水率的增加，火蔓延速度減小，可燃物含水率較低時，被點燃概率増加。火蔓延速度超過20 m·h-1的數據點大部分都集中在可燃物含水率為5%的區域。說明火蔓延速度對可燃物含水率的變化較為敏感。

圖1 林火蔓延速度與可燃物含水率之間的關系

由圖2可知，興安落葉松針葉床層火蔓延速度與可燃物含水率的關系在不同床層坡度與風速的可燃物床層條件下基本一致，可燃物含水率與興安落葉松針葉床層火蔓延速度均呈顯著負相關(P<0.05)，擬合度較好。說明可燃物含水率對火蔓延速度的影響與坡度、風速無明顯依賴關系，但坡度與風速相對于可燃物含水率對火蔓延速度的影響具有一定的負相關作用，可燃物含水率對火蔓延速度的影響獨立于坡度與風速。可燃物含水率為5%、10%、15%、20%的最大蔓延速度分別為93.02、30.60、15.55、12.70 m·h-1，平均蔓延速度分別為14.36、5.28、3.88、3.03 m·h-1。當興安落葉松可燃物含水率為5%時，其平均蔓延速度是可燃物含水率為10%的3倍。可燃物含水率為10%時，其平均蔓延速度是可燃物含水率為15%的1.36倍，由此可見，隨可燃物含水率的增加，興安落葉松針葉床層火蔓延速度增加的趨勢越來越緩慢。

E、F、G分別表示風速為2、3、4 m·s-1；a、b、c分別表示床層坡度為0°、10°、20°。

3.2.2 床層坡度對蔓延速度的影響

由圖3可知，試驗觀測上坡火蔓延過程中，隨床層坡度角增加，興安落葉松針葉床層火蔓延速度呈線性增加。火蔓延速度超過20 m·h-1的點較多，大部分都集中在20°坡的燃燒床上。

圖3 林火蔓延速度與床層坡度之間的關系

如圖4所示，在可燃物含水率和風速為定值的情況下，床層坡度為唯一變量時，其中只有床層坡度為10°，風速為2 m·s-1時，火蔓延速度與可燃物床層坡度呈弱相關，其余都為顯著相關。趨勢線斜率均隨著可燃物含水率的增加而降低，火蔓延速度隨床層坡度變化的趨勢愈加緩和；隨風速的增加，火蔓延速度隨床層坡度的變化逐步加強。床層坡度為0°時，試驗共點燒38組，其中有18組火蔓延速度小于2 m·h-1，16組火蔓延速度在2～4 m·h-1；床層坡度為10°時，試驗共點燒38組，其中有14組火蔓延速度小于2 m·h-1，6組點燒試驗火蔓延速度大于10 m·h-1，最快的火蔓延速度達到36 m·h-1；床層坡度為20°時，試驗共點燒46組，其中僅有8組點燒試驗火蔓延速度小于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組點燒試驗大于10 m·h-1，5組火蔓延速度大于30 m·h-1，火蔓延速度最大達到93 m·h-1。床層坡度為0°、10°、20°坡的平均火蔓延速度分別為2.66、5.63、11.08 m·h-1。從總體情況來看，興安落葉松針葉床層在不同可燃物含水率和不同風速條件下，坡度對火蔓延速度的影響依舊呈線性相關。

3.2.3 風速對蔓延速度的影響

由圖5可知，興安落葉松針葉床層點燒試驗中，風速對蔓延速度具有較強的影響，風速不僅增加可燃物燃燒蔓延速度，也提高了可燃物的點燃概率。風速為4 m·s-1試驗的有效數據為48組，風速為2 m·s-1試驗的有效數據為32組。且火蔓延速度大于20 m·h-1的點幾乎全部集中在風速為4 m·s-1的燃燒床上。所以，從整體情況來看興安落葉松針葉床層風速與火蔓延速度呈極顯著正相關。

由圖6可知，各趨勢線斜率總體趨勢隨風速的增加而增加，也就是說林火蔓延速度隨風速的增加而增大。隨著可燃物含水率逐步增大時，火蔓延速度隨風速增加而增加，但這種變化趨勢越來越緩慢；隨著床層坡度逐步增大時，火蔓延速度隨風速的增加而增加，這種變化趨勢逐步增強。風速為2 m·s-1時，共進行32組點燒試驗，占總點燒試驗的26%，其中火蔓延速度小于3 m·h-1的為29組，最大的火蔓延速度為7.2 m·h-1，且在可燃物含水率為5%、可燃物載量為14 t·hm-2、床層坡度為20°時實現的；風速為3 m·s-1時，床層試驗共點燒42組，火蔓延速度的最大值為29.7 m·h-1；風速為4 m·s-1時，共進行48組點燒試驗，約占總點燒組數的40%，火蔓延速度大于5 m·h-1不超過10 m·h-1的點燒床層試驗為12組，大于10 m·h-1的點燒試驗共18組，其中火蔓延速度超過30 m·h-1的點燒試驗共6組，最大的火蔓延速度為93.02 m·h-1。風速為2、3、4 m·s-1的平均火蔓延速度分別為1.69、3.51、12.99 m·h-1。在不同可燃物含水率和床層坡度的條件下，林火蔓延速度與風速依舊呈顯著正相關(P<0.05)，風速為4 m·s-1的平均火蔓延速度為風速為3 m·s-1的3倍以上。

A、B、C、D分別表示可燃物含水率為5%、10%、15%、20%；E、F、G分別表示風速為2、3、4 m·s-1。

圖5 林火蔓延速度與風速之間的關系

3.3 不同蔓延速度等級間可燃物特征和環境因素的差異分析

興安落葉松林的點燒試驗有效數據共有122組，分為四個等級：第Ⅰ等級火蔓延速度不超過5 m·h-1，共87組，平均火蔓延速度為2.31 m·h-1，且全部為陰燃；第Ⅱ等級火蔓延速度在5～10 m·h-1，共15組，平均蔓延速度為6.37 m·h-1；第Ⅲ等級火蔓延速度在10～20 m·h-1，共13組，平均火蔓延速度為14.14 m·h-1；第Ⅳ等級火蔓延速度為超過20 m·h-1，共7組，平均火蔓延速度為49.21 m·h-1，且全部為明火。

從表4中可以看到四個等級中可燃物載量、床層高度、床層壓縮比與火蔓延速度差異不顯著(P>0.05)，而可燃物含水率、床層坡度、風速與火蔓延速度之間差異顯著(P<0.05)。當火蔓延速度為Ⅳ級時，其可燃物含水率與其他火蔓延速度可燃物含水率具有顯著差異(P<0.05)。當火蔓延速度為Ⅰ級時，其床層坡度與其他蔓延速度床層坡度值具有顯著差異(P<0.05)；其風速與其他蔓延速度風速值具有顯著差異(P<0.05)。由此可知，當可燃物含水率低于6%或床層坡度高于12°或風速大于3 m·s-1時，興安落葉松針葉火蔓延速度急劇增加，極易引發森林大火。

A、B、C、D分別表示可燃物含水率為5%、10%、15%、20%；a、b、c分別表示床層坡度為0°、10°、20°。

表4 不同火蔓延速度等級之間可燃物特征和環境因素的差異分析

3.4 興安落葉松林火蔓延的預測模型

根據多因素方差分析不同火險因子在興安落葉松林針葉火蔓延速度中的相對貢獻，風速、可燃物含水率、坡度各自解釋火蔓延速度變異的17.2%、6.1%、3.9%，可燃物載量僅能解釋蔓延速度變異的0.2%。當考慮各因子間的交互作用時，交互作用能夠解釋蔓延速度變異的72.1%，其中，可燃物含水率×坡度×風速、可燃物含水率×坡度×風速×可燃物載量、可燃物含水率×風速、坡度×風速、坡度×風速×可燃物載量、可燃物含水率×坡度分別能夠解釋蔓延速度變異的27.7%、13.0%、11.0%、9.2%、6.2%、5.0%(R2=0.670 8)。

通過逐步線性回歸分析，所選擇的6個變量中，僅風速、可燃物含水率和坡度對火蔓延速度有顯著影響，三者能夠解釋其變異的43.1%(R2=0.431)。預測模型為V=-6.448+5.520W-0.719M+0.478S。式中，V為火蔓延速度，W為風速，M為可燃物含水率，S為坡度。通過預測模型可以得到3個變量因子對火蔓延速度的影響由大到小的順序為：風速、可燃物含水率、坡度。模型調整后的R2為0.41；5%≤M≤20%，2 m·s-1≤W≤4 m·s-1，0°≤S≤20°；模型的標準估計誤差值為8.56，驗證誤差為12.93。

4 結論與討論

興安落葉松針葉床層可燃物蔓延速度，在不同可燃物含水率、可燃物載量、床層坡度、風速的條件下，蔓延速度存在較大的差異。且興安落葉松與蒙古櫟、紅松床層蔓延有明顯區別。通過差異性分析，當興安落葉松松針含水率低于6%或坡度高于12°或風速大于3 m·s-1時，可燃物床層蔓延速度急劇增加，極易引發森林大火。通過試驗說明興安落葉松雖為難燃樹種，試驗設定范圍內80%左右為陰燃，但條件發生改變，可以完全轉化為明火，蔓延速度較快，火勢較強。而蒙古櫟、紅松為易燃樹種，點燒試驗全部為明火[15-16]。試驗結果表明可燃物含水率、床層坡度、風速與火蔓延速率呈極顯著相關(P<0.05)。可燃物含水率較低時，可燃物床層火蔓延概率増加；隨可燃物含水率的增加會增加吸熱，使可燃物床層表層的熱量散失較快，減緩火蔓延速度[18]。試驗過程中，可燃物含水率為30%不會引燃，有些點燒試驗可燃物含水率為20%，可燃物床層火不蔓延。這一研究結果表明熄滅可燃物含水率并不是一個固定值，這可能與可燃物床層結構、可燃物載量、風速和火源大小等都有密切關系[19]。床層坡度平緩，火蔓延緩慢，隨坡度的增加，蔓延速度呈線性增加。在有坡度存在的條件下，火焰向上蔓延，坡度加大了火焰長度，加強了火焰向前方的熱輻射[4]，快速加熱可燃物，引發了火蔓延速度的增大。在無風的條件下，火蔓延速度較慢，增大風速可以帶走可燃物表層的氣體，能降低可燃物含水率，使其干燥易燃，同時加強可燃物上層的氣體流動[20]，在一定程度上帶走可燃物床層表層的CO2氣體，補充氧氣，增加供氧量，加速燃燒過程；隨著風速增加，增加了火焰穿過床層內部的動能，為火蔓延提供熱量[6]。風速作為森林火災發生最重要的因子，當發生森林火災時，風速加劇了熱輻射改變熱對流，加快林火蔓延速度。

在試驗設定范圍內，可燃物載量與興安落葉松的蔓延速度無顯著影響。由于興安落葉松針葉表面積與體積比較小，針葉為條形或倒披針狀條形，長3～6 cm，寬在1 mm以內，很難設置固定的床層高度，且床層高度極差小。因此在布置可燃物床層時，盡可能使可燃物床層為自然平鋪狀態。而可燃物的壓縮比幾乎恒定，故本試驗中興安落葉松針葉床層高度、床層壓縮比對蔓延速度均無顯著影響。與金森等[20]、孫武等[21]試驗的結果相反，他們認為床層壓縮比與蔓延速度呈極顯著正相關，只有在可燃物之間的空隙發生火焰接觸后，火勢才會在不連續可燃物中蔓延，而風速增加了火焰穿過可燃物空隙的可能性，并通過對流傳熱點燃未燃燒的可燃物；楊語田[22]研究了可燃物載量與火行為的關系，認為細小可燃物載量對是否發生森林火災起著決定性作用；Lacroix et al.[23]試驗結果表明，中低可燃物的載量能夠減緩火勢蔓延，當可燃物的載量不足以維持火焰傳播，燃燒終止。本試驗中，可燃物載量小于6 t·hm-2時，增加風速、加大床層坡度、減少可燃物的含水率，燃燒也無法進行，所以試驗設置的最低可燃物載量為8 t·hm-2。在所有未燃及未蔓延的試驗中，可燃物載量為8 t·hm-2占總數的36%。故可燃物載量可能與熱傳導和燃燒強度有極顯著關系[24]。本試驗中，當載量滿足火勢蔓延的情況下，蔓延速度與載量無顯著相關。由于載量能夠增加火勢蔓延，從而增加燃燒強度，引起蔓延速度的變化，未燃可燃物起燃所需要的能量完全來自火焰對它的熱輻射[25]。而本研究中興安落葉松針葉多數為陰燃蔓延，在興安落葉松針葉陰燃過程中隨載量的增加受到的熱輻射變化不明顯，而且試驗所設置載量梯度較小。因此，在可燃物含水率、坡度、風速等同時存在的條件下，興安落葉松針葉的蔓延速度與載量的關系還需要進一步研究。

風速為2～4 m·s-1，可燃物含水率為5%～20%，床層坡度最大為20°的情況下，最大蔓延速度不超過100 m·h-1，75%區間的蔓延速度都在6 m·h-1以內，在平地無風的條件下不蔓延。而與田曉瑞等[26]室外點燒試驗的結果不一致，主要原因是興安落葉松松針堆積起來的可燃物床層壓縮比較小，興安落葉松針葉為不易燃樹種，80%左右為陰燃。蒙古櫟的葉片倒卵形至長倒卵形，表面積體積比較大，堆積起來的可燃物床層壓縮比較大，床層內部氧氣含量足；兩者研究所設置的可燃物載量梯度不同，試驗條件不同。因此，興安落葉松室內點燒試驗研究對于提升林火預報精度和林火管理有著十分重要的意義，但是對于興安落葉松林火行為的研究還不夠深入，室內模擬點燒實驗開展較少，將來應加大林火行為方面的研究，進一步量化全國典型可燃物類型火行為的動態模擬，為科學開展森林火災防控提供科學方法以及決策依據。