基于火強度的西山國家森林公園主要可燃物類型劃分

王秋華，單保君，徐偉恒，李世友，劉世遠

（1.西南林業大學土木工程學院，云南省森林災害預警與控制重點實驗室，云南 昆明 650224；2.西南林業大學計算機與信息學院，云南 昆明 650224）

森林可燃物是森林燃燒的基礎，是構成林火行為的主體，其結構和組成影響林火發生與蔓延。林火行為是森林可燃物燃燒現象的總和[1]。火行為的影響因素主要有可燃物、地形、氣象等[2，3]。研究火行為有助于及時掌握林火的發生、發展過程，有助于更加有效、安全地進行撲火[4]，也有利于反過來深入可燃物的研究，上升到林火規律的高度，增強火險等級劃分的準確性，進行科學火險區劃，建立全國性的可燃物類型系統[5]。我國目前還沒有合適的全國森林可燃物類型劃分系統。現有研究主要集中于小尺度區域，如從潛在林火行為的角度出發，依據可燃物的關鍵參數，利用系統聚類方法在豐林自然保護區建立標準森林可燃物模型[6]。本文以火強度的大小進行分類，用BehavePlus 6.0模型對昆明西山國家森林公園的6個主要林型潛在火行為進行模擬，根據研究結果中的火強度大小劃分可燃物類型，從而更好地有針對性地對可燃物進行科學管理，節約相應的人力、物力和財力。

1 研究地概況

昆明西山國家森林公園地處滇池湖畔，地理坐標為102°37′—102°38′E，24°57′—24°59′N，最高峰海拔2 507.5m，高出滇池水面約620多m，山勢陡峭，占地約889hm2。最熱月均溫19.8℃，最冷月均溫7.7℃，年平均氣溫在10～22℃，年較差為12.1 ℃[7]。全年干、濕季節分明，年均降水量為1 094.1mm，5—10月為雨季（降水量占全年的88%），11月至次年4月為干季（降水量僅占全年的12% ），其中2—4月降水最少，年均相對濕度74%[8]。公園植被大多為繁茂的原始次生林，隨高度變化森林垂直帶譜十分明顯。山體下部以櫟類為主的亞熱帶常綠闊葉林，山體上部是以地盤松（Pinusyunnanensisvar.pygmaea）、華山松（Pinusarmandii）為主的針葉林，在海拔2 150m以上的石灰巖地帶，分布有沖天柏（Cupressusduclouxiana）林和多種落葉闊葉林。

2 研究方法

2.1 外業調查

外業調查時間選擇在2013年4月21日、23日、27日（云南省防火緊要期為3—4月，這時森林火險等級最高，火災危險性最大），連旱天數（連續不下雨的天數）分別為8、10和14d。從山頂至山腳選擇華山松林，地盤松林，云南油杉（Keteleeriaevelyniana）林、滇青岡（Cyclobalanopsisglaucoides）林、旱冬瓜（Alnusnepalensis）林和麻櫟（Quercus acutissima）林連續分布且具有代表性的林地設置樣地（20m×10m），每個林型各3塊樣地，共計18塊樣地。并于2013年12月3日、4日（防火期剛開始），連旱天數為25d、26d對樣地進行跟蹤和調查。

測定每個樣地的海拔、坡度、坡向等地形要素，林分密度（株·hm－2），郁閉度及樹高、胸徑等林分特征。在每個樣地內沿對角線設置3塊2m×2m小樣方。在每個小樣方內用鋼卷尺測死可燃物的厚度，按照1h（直徑＜0.64cm），10h（0.64≤直徑≤2.54cm），100h（2.55cm≤直徑≤7.62cm）對可燃物分別取樣，用便攜式電子天平稱鮮質量后裝進信封帶回實驗室。用平面截取法估算可燃物床的高度，用鋼卷尺測灌木、草本的高度，平均高度約是葉或莖最高處的70%[9]。

2.2 試驗室測定

2.2.1 載量計算 根據樣方內可燃物鮮質量和含水率計算可燃物的載量（kg·m－2）。

可燃物載量＝樣方內可燃物絕干質量／樣方面積

2.2.2 死可燃物熱值 用XRY－1C微機氧彈式熱量計測定。

2.2.3 死可燃物熄滅含水率 在實地采樣的基礎上進行室外模擬測定[9]。

2.2.4 可燃物表面積體積比 單位體積或質量可燃物的表面積與其體積之比，表示可燃物的大小和形狀，是影響燃燒和蔓延的重要特征。

2.3 模型建立

BehavePlus模型能夠用于多種目標的火管理，能夠產生表格、圖像和圖表。該模型應用非常廣泛，各國、各地區可結合當地的可燃物模型來預測潛在的火行為。

2.3.1 模型因子選擇 火焰平均風速：西山國家森林公園位于昆明西郊，11月至次年4月是旱季，其中2—4月風速較大，大部分時間為1～5m·s－1。春季多大風，特別午后風力劇增，是該區域最顯著的特征，出現大風時風向以東南風為主[10]。本文選取火焰中部風速（5m·s－1）。

坡度：林火蔓延與坡度有直接密切的關系，一般來說，隨坡度增加，蔓延速度變大。當坡度大于20°后，燃燒初始階段火焰高度和火蔓延速度比較穩定、波動幅度不大；當坡度為35°時，火勢由平穩燃燒狀態轉變為抖動燃燒狀態，出現貼壁燃燒[11]。在西山國家森林公園，由于植被茂盛，坡度對火行為的作用遠大于風，所以選擇坡度作為關鍵因子。因為只做靜態研究，本文選擇6種主要林型都存在的地形坡度（25°和35°）對火行為進行模擬。

2.3.2 火行為指標 火行為包括最大蔓延速率、單位面積熱量、火線強度和火焰長度等。因為火強度的大小直接影響到火災的安全撲救，是否會引起災變[12]，以及火災后的損失評估、生態恢復等。本文主要對火線強度進行分析，以此劃分可燃物類型。

2.4 可燃物類型劃分

根據模型模擬的結果，用OriginPro 8.5作圖，得到25°、35°情形下的火強度圖，以火強度的大小，按照高、中、低進行可燃物類型的劃分，并提出相應合理的可燃物管理措施。

3 結果與分析

3.1 主要林型的特征

在西山國家森林公園東南坡，從山頂至山腳主要有華山松、云南油杉和滇青岡，在西坡主要有地盤松、麻櫟和旱冬瓜。林分密度80～1 700株·hm－2，林齡8～40a，郁閉度80%～95%，樹高3.5～21.1 m，胸徑8.1～27.2cm，具有代表性，具備6個主要林型的基本特征以及可燃物的相關屬性特征[13]。6個主要林型包括了針葉林和闊葉林，是昆明西山國家森林公園里主要的植被類型，具有代表性。

3.2 可燃物類型的劃分

對潛在火行為指標的描述主要有火強度、火焰高度和火蔓延速度等參數。火焰高度越高，火線強度就越大，對樹木的損害能力就越強。火焰高度受可燃物種類、數量、結構和蔓延速度直接影響。火強度和火蔓延速度可通過經驗模型或數學模型進行計算。

3.2.1 火線強度特征 火強度是林火行為重要標志之一，是森林可燃物燃燒時的熱量釋放速度，包括火線強度、火面強度和發熱強度等，影響到撲救方式和撲火力量的配備，也影響到森林生態系統健康。火面強度也稱單位面積熱量，指火頭前沿單位燃燒面上釋放出來的熱量，不受風、坡度和蔓延速率的影響，僅和可燃物的載量及熱值有關。當火線強度相同，快速蔓延的火向生境中釋放熱量少，火的生態效應小；反之，緩慢移動的火釋放熱量多，火的生態效應大。火線強度是在單位時間內單位火線長度上向前推進釋放出的熱量，也就是指火頭從前到后1m寬的可燃物床在單位時間釋放的熱量，是火鋒單位時間、單位長度所釋放的能量。釋放能量越多、越快，火強度越高，對植物殺傷力越大，對森林的結構和功能破壞越嚴重。現有技術還不能直接撲打達到3 500kW·m－1的高強度火，這時大部分植物容易燒死或嚴重燒傷。

圖1 西山國家森林公園主要林型的火線強度

坡度是影響林火蔓延的主要因子之一。火沿山坡向上蔓延與順風蔓延的情況相似，上坡火火焰隨坡度的變化呈現為小坡度的緩慢燃燒、隨坡度增加的火焰抖動以及大坡度時的貼壁劇烈燃燒[14]，而沿山坡向下蔓延的情況則與逆風相似。由圖1可見，當坡度為25°時，火線強度最大的是地盤松林，為16 205kW·m－1，約為最小的旱冬瓜林火線強度的26.7倍，后者只有608kW·m－1。云南油杉林火線強度達到3 808kW·m－1，分別為華山松林2 219 kW·m－1和滇青岡林1 277kW·m－1的1.7和3.0倍。地盤松林的火線強度約為麻櫟林10 565kW·m－1的1.5倍。當坡度為35°時，火線強度最大的仍然是地盤松林，為18 996kW·m－1，約為最小火線強度旱冬瓜林的27.1倍，后者只有701kW·m－1。云南油杉林的火線強度達到4 502kW·m－1，分別為華山松林2 572kW·m－1、滇青岡林1 495kW·m－1的1.8和3.0倍，地盤松林的火線強度約為麻櫟12 196kW·m－1的1.6倍。這和可燃物的載量和死可燃物的熄滅含水率有關。地盤松林和旱冬瓜林的載量分別為4.60和2.15kg·m－2，約為2.1倍，而熄滅含水率分別為28.51%和9.04%。同時，地盤松林非常密集且連續性好，地表至樹冠都掛滿了枯死的針葉和小枝條。而旱冬瓜林則非常稀疏，地表可燃物少。地盤松林的灌木發達，高度為1.2m，而旱冬瓜林內灌木較少且分散，高度為0.55m。麻櫟林內比較干燥，灌木高度為0.9m，有利于火的蔓延，而旱冬瓜林內比較濕潤，地表可燃物較少，不連續且分解快。

3.2.2 可燃物類型的劃分 可燃物是林火發生和燃燒的物質基礎，對其有效管理是改善森林結構、提高森林健康水平，解決林火安全問題的途徑。

森林燃燒時，火強度變化幅度非常大，為20～100 000kW·m－1，相差5 000倍。當火強度超過4 000kW·m－1時，林內所有生物都會燒死，只有火強度小于4 000kW·m－1時，才有生態意義，一般將火強度分為：750kW·m－1以下為低強度火；750～3 500kW·m－1為中強度火；大于3 500kW·m－1的為高強度火[15]。由圖1看出，在坡度為25°、35°的情形下，高強度火的為地盤松林、麻櫟林和云南油杉林，尤其是地盤松林，火強度始終最大，遠遠超過了3 500kW·m－1，而云南油杉林則與3 500 kW·m－1差距不大。中強度火的為華山松林和滇青岡林，低強度火的是旱冬瓜林。依據火強度圖，結合植被分布的狀況，能夠用GIS制圖，繪制火險等級分布圖，從而配置相應的撲火隊員、滅火裝備，儲存必備的防火物質，預防林火發生。

4 結論與討論

在西山國家森林公園坡度為25°、35°情形下，火線強度最大的都是地盤松林，而最小的都是旱冬瓜林。高強度火的可燃物類型為地盤松林、麻櫟林和云南油杉林，尤其是地盤松林，火強度始終最大，遠遠超過了3 500kW·m－1，而云南油杉林則與3 500 kW·m－1差距不大。中強度火的可燃物類型有華山松林和滇青岡林，低強度火的可燃物類型是旱冬瓜林。根據火強度的大小，在森林防火期特別是防火緊要期進行火險等級區劃，對不同可燃物類型采取不同的措施，進行針對性的林火管理，從而降低管理成本。在地盤松林，要進行重點看護，嚴格禁止攜帶火種進入林內，也可以在地盤松林與別的可燃物類型交界處開設一定寬度的防火隔離帶，防止地盤松著火后快速蔓延到相鄰的植被。

利用BehavePlus模型對同坡度的6種主要林型的潛在火行為進行計算和比較，按照火強度高、中、低進行火險等級劃分，研究結果較好地反映了不同可燃物類型的潛在火災風險性。在今后的研究中可以分齡級、坡向、火焰平均風速等進行深入的火行為研究，以便為火險等級的劃分、林火管理提供更精確的理論依據。

目前很多國家（包括我國）缺乏全國統一的森林可燃物類型劃分標準，火行為模型的開發與應用受到了限制[16]。在全球氣候變暖、極端氣候頻繁、火險不斷增加的未來[17，18]，更應繼續深入從火行為的角度來研究可燃物的類型。

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