森林可燃物含水率新算法研究

李旭

（西南林業大學，云南 昆明650000）

1 引言

在森林火險等級的劃分和森林火險預報方面，森林可燃物含水率是非常重要的影響因素。通常而言，在測定可燃物含水率、氣象因子以及可燃物載量等因素之后，借助于某種經驗模型或者是數理模型便可以對森林火災的發生率、發生趨勢以及火災發生后的蔓延趨勢進行預測。由于火災通常會給森林資源造成巨大的損害，世界上各國均在本國的林火管理當中加入了森林火險預測預報制度，以便可以更好地保護本國的森林資源。其中森林可燃物含水率是影響森林火險預測預報精度的重要因素。

在某些歐美發達國家，例如美國及其鄰國加拿大，森林可燃物含水率作為本國森林火險預測預報的基本出發點，甚至每天都會有專業人員到森林內部對森林可燃物含水率進行人工的測定，并進行及時地上報與匯總，最終計算出該區域內森林的火險等級。雖然我國在森林火險預測預報方面做出了重要的努力，例如在1998年開始著手構建國家森林火險等級預測預報系統，但是由于我國的國土面積廣闊、森林資源分布全國并且森林可燃物類型非常復雜，因此，幾乎沒有辦法像歐美發達國家那樣在每天對森林可燃物含水率進行人工的測定。有鑒于此，開展森林可燃物含水率的研究便具有重要的現實意義，借助于科學的森林可燃物含水率模型及其算法能夠為我國的森林火險的預測預報提供高質量的數據支持，最終有利于保護我國的森林資源不受火災的侵害。

2 森林可燃物含水率的動態變化

森林中的可燃物如果處于生存狀態下，例如綠葉、綠針葉以及樹枝等，其內部的含水率和含水量均處于某個特定的范圍之內，變化幅度不大。但是在植物死亡之后，植物內部進行的水分循環與營養加工活動也就隨之終止，其內部水分在總體上處于“流失”的狀態下，一直持續到植物被風干。但是植物死亡之后至腐化之前依然保持著有機結構（例如纖維結構、細胞結構等），這些有機結構中水分含量會在不同天氣的作用下產生相應的變化。可燃物死亡之后，它會吸收空氣當中的水分或者附著在它表面的液態水的水分，其它細胞間隙被水分充滿與外界水分達成特定的平衡之后便不會再吸收水分。在該物理平衡規律的控制之下，可燃物死亡之后所含有的水分相當于自身干重的2～3倍左右。如果可燃物體形較小，其死亡后能夠在數分鐘內便可以讓水分充滿自己的細胞間隙，但是如果可燃物的體形較大，則這一過程的時間也相對延長。

在死亡可燃物顆粒內部的含水量大于1／3的情況下，如果環境水汽高于邊界水外部表面水氣壓，它便可以將大氣環境當中的水分吸收到體內，除非植物纖維達到飽和，否則這一過程不會停止；但是需要特別說明的是，由于可燃物細胞內部的水氣交換會消耗水分，在短液態水的狀況，真正意義上的纖維飽和點無法持續較長的時間。除此之外，表面張力作用會利用毛細管將水分擴散至其表面，并且水分的擴散速度與可燃物的內部結構存在著莫大關聯。

死亡可燃物變濕的現象說明死細胞仍然具有比較強的吸水作用，這主要是因為具有吸濕屬性的物質對水分有一種天然的親和力，因此，一旦空氣的含水率超過該物質的含水率，則它便會從空氣當中吸收水分。正是因為以上原因，即便是沒有降水的情況下，死亡可燃物的含水率也會跟隨附近空氣濕度的變化而產生對應的變化。

可燃物死亡之后的變干單純通過大氣吸收其蒸發的水分來完成。通常情況下，可燃物死亡之后的變干分為以下3個過程。

（1）變干速率恒定期。在該時期，死亡可燃物的水分減少無關于可燃物的吸水性質或者其自身含水量，一旦飽和水氣壓高于環境水氣壓，則可燃物的水分蒸發便進行，并且其蒸發速率和向外的水氣壓梯度呈正比例關系。如果是出于平靜穩定的空氣當中，表面蒸發開始時，空氣與自由水之間存在著一層薄膜，使薄膜附近的水汽趨向于飽和；飽和能夠有效降低蒸發速率，其水汽擴散僅僅通過緩慢的分子運動完成，因此，其變干速率相對恒定。

（2）變干速率減少期。該時期是可燃物變干時中間速率下降的過渡時期，在該階段，其變干速率逐漸減少，并一直過渡到變干速率下降期。導致變化速率減少的因素包括諸多的不確定的環境因素和可燃物自身因素，因此想要找出規律并進行估算則具有很大難度。正是因為這個原因，在森林可燃物含水率的計算中，該時期的變干速率被認為是可以允許的誤差。

（3）變干速率下降期。速率下降期主要取決于邊界水氣壓和周圍大氣中水氣壓之間的向外梯度［1］，當水分逸出進行到纖維飽和點時，邊界水的水氣壓逐漸減小，同時水氣壓梯度逐漸減弱，保持可燃物變干必須具備兩個條件：一個是環境水氣壓保持明顯的低于正在減小的邊界水氣壓［2］，另一個是以一定的速率給可燃物增加熱量，以增加它的溫度［3］。

通過以上分析得出，在濕度和溫度相同的條件下，可燃物的變干速度越快，其失水效率便越大，其可燃性便越高。了解以上特征有助于深入理解森林可燃物含水率模型及其計算方法。

3 森林可燃物含水率新算法研究

可燃物含水率計算公式如下：

為了取得不同樹種、不同規格的可燃物試樣在同等溫度作用下含水率的動態變化的定量數據，研究采用全控電熱鼓風干燥箱。為避免測試樣品在稱量中吸收大氣中的水分，稱量采用高精度產電子天平，平均稱量時間不大于30s。

將裝有可燃物的標準布袋放入105℃連續烘干8h至恒重，同時確保兩次稱重誤差不超過0.5g，用電子天平分別稱重，記為樣本干重；將可燃物葉子、枝條、樹皮完全浸入水中24h，至可燃物吸水達到飽和狀態，同時確保兩次稱重誤差不超過0.5g。枯葉、枝條、樹皮撈出，在報紙上吸干表面的自由水，使可燃物表面無水滴。枯葉平鋪在長40cm、寬30cm的紙上（以下同），大約2層葉子厚度，放入20℃的烘箱中烘干，每隔30min測1次，記錄濕重，在干燥期間隨時用火柴點燒枯葉。平鋪在報紙上的枝條和樹皮分別留有空隙，放入20攝氏度的烘箱中烘干，均每隔30min測一次，記錄濕重，在干燥期間隨時用火柴點燒枝條和樹皮。多次重復烘干直至可燃物在5s內剛能夠點燃為止，同時稱重，記為可燃物初始點燃濕重。

失水效率公式按下式計算：

時間用X（X＝0.5，1.5，2.2，2.5，3，3.5，4）表示，失水率用Y表示，用a、b表示logistic方程的常數，其結果能夠用logistic方程進行表示。具體公式如下：

本文主要通過加權方法分析可燃物含水率。灌木可燃物計算公式為：

可燃物易燃性得分＝枯葉可燃物點燃含水率×0.3＋枯葉可燃物蔓延含水率×0.3＋枝條可燃物點燃含水率×0.2＋枝條可燃物蔓延含水率×0.2。

喬木可燃物計算公式為：

可燃物易燃性得分＝枯葉可燃物點燃含水率×0.3＋枯葉可燃物蔓延含水率×0.3＋樹皮可燃物點燃含水率×0.2＋樹皮可燃物蔓延含水率×0.2。

根據可燃物易燃性得分，將可燃物劃分為3類：第一，易燃可燃物，其得分大于80；第二，一般可燃物，其得分大于40、小于等于80；第三，難燃可燃物，其得分小于40。

4 結語

認真研究森林可燃物含水率問題，構建基于森林可燃物含水率之上的、完善的森林火險預報系統對于提高我國森林的防火水平和防火能力均是至關重要的。利用森林可燃物含水率模型及其算法促進了可燃物含水率研究的發展。

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