基于火强度的西山国家森林公园主要可燃物类型划分

王秋华，单保君，徐伟恒，李世友，刘世远

（1.西南林业大学土木工程学院，云南省森林灾害预警与控制重点实验室，云南 昆明 650224；2.西南林业大学计算机与信息学院，云南 昆明 650224）

森林可燃物是森林燃烧的基础，是构成林火行为的主体，其结构和组成影响林火发生与蔓延。林火行为是森林可燃物燃烧现象的总和[1]。火行为的影响因素主要有可燃物、地形、气象等[2，3]。研究火行为有助于及时掌握林火的发生、发展过程，有助于更加有效、安全地进行扑火[4]，也有利于反过来深入可燃物的研究，上升到林火规律的高度，增强火险等级划分的准确性，进行科学火险区划，建立全国性的可燃物类型系统[5]。我国目前还没有合适的全国森林可燃物类型划分系统。现有研究主要集中于小尺度区域，如从潜在林火行为的角度出发，依据可燃物的关键参数，利用系统聚类方法在丰林自然保护区建立标准森林可燃物模型[6]。本文以火强度的大小进行分类，用BehavePlus 6.0模型对昆明西山国家森林公园的6个主要林型潜在火行为进行模拟，根据研究结果中的火强度大小划分可燃物类型，从而更好地有针对性地对可燃物进行科学管理，节约相应的人力、物力和财力。

1 研究地概况

昆明西山国家森林公园地处滇池湖畔，地理坐标为102°37′—102°38′E，24°57′—24°59′N，最高峰海拔2 507.5m，高出滇池水面约620多m，山势陡峭，占地约889hm2。最热月均温19.8℃，最冷月均温7.7℃，年平均气温在10～22℃，年较差为12.1 ℃[7]。全年干、湿季节分明，年均降水量为1 094.1mm，5—10月为雨季（降水量占全年的88%），11月至次年4月为干季（降水量仅占全年的12% ），其中2—4月降水最少，年均相对湿度74%[8]。公园植被大多为繁茂的原始次生林，随高度变化森林垂直带谱十分明显。山体下部以栎类为主的亚热带常绿阔叶林，山体上部是以地盘松（Pinusyunnanensisvar.pygmaea）、华山松（Pinusarmandii）为主的针叶林，在海拔2 150m以上的石灰岩地带，分布有冲天柏（Cupressusduclouxiana）林和多种落叶阔叶林。

2 研究方法

2.1 外业调查

外业调查时间选择在2013年4月21日、23日、27日（云南省防火紧要期为3—4月，这时森林火险等级最高，火灾危险性最大），连旱天数（连续不下雨的天数）分别为8、10和14d。从山顶至山脚选择华山松林，地盘松林，云南油杉（Keteleeriaevelyniana）林、滇青冈（Cyclobalanopsisglaucoides）林、旱冬瓜（Alnusnepalensis）林和麻栎（Quercus acutissima）林连续分布且具有代表性的林地设置样地（20m×10m），每个林型各3块样地，共计18块样地。并于2013年12月3日、4日（防火期刚开始），连旱天数为25d、26d对样地进行跟踪和调查。

测定每个样地的海拔、坡度、坡向等地形要素，林分密度（株·hm－2），郁闭度及树高、胸径等林分特征。在每个样地内沿对角线设置3块2m×2m小样方。在每个小样方内用钢卷尺测死可燃物的厚度，按照1h（直径＜0.64cm），10h（0.64≤直径≤2.54cm），100h（2.55cm≤直径≤7.62cm）对可燃物分别取样，用便携式电子天平称鲜质量后装进信封带回实验室。用平面截取法估算可燃物床的高度，用钢卷尺测灌木、草本的高度，平均高度约是叶或茎最高处的70%[9]。

2.2 试验室测定

2.2.1 载量计算 根据样方内可燃物鲜质量和含水率计算可燃物的载量（kg·m－2）。

可燃物载量＝样方内可燃物绝干质量／样方面积

2.2.2 死可燃物热值 用XRY－1C微机氧弹式热量计测定。

2.2.3 死可燃物熄灭含水率 在实地采样的基础上进行室外模拟测定[9]。

2.2.4 可燃物表面积体积比 单位体积或质量可燃物的表面积与其体积之比，表示可燃物的大小和形状，是影响燃烧和蔓延的重要特征。

2.3 模型建立

BehavePlus模型能够用于多种目标的火管理，能够产生表格、图像和图表。该模型应用非常广泛，各国、各地区可结合当地的可燃物模型来预测潜在的火行为。

2.3.1 模型因子选择 火焰平均风速：西山国家森林公园位于昆明西郊，11月至次年4月是旱季，其中2—4月风速较大，大部分时间为1～5m·s－1。春季多大风，特别午后风力剧增，是该区域最显著的特征，出现大风时风向以东南风为主[10]。本文选取火焰中部风速（5m·s－1）。

坡度：林火蔓延与坡度有直接密切的关系，一般来说，随坡度增加，蔓延速度变大。当坡度大于20°后，燃烧初始阶段火焰高度和火蔓延速度比较稳定、波动幅度不大；当坡度为35°时，火势由平稳燃烧状态转变为抖动燃烧状态，出现贴壁燃烧[11]。在西山国家森林公园，由于植被茂盛，坡度对火行为的作用远大于风，所以选择坡度作为关键因子。因为只做静态研究，本文选择6种主要林型都存在的地形坡度（25°和35°）对火行为进行模拟。

2.3.2 火行为指标 火行为包括最大蔓延速率、单位面积热量、火线强度和火焰长度等。因为火强度的大小直接影响到火灾的安全扑救，是否会引起灾变[12]，以及火灾后的损失评估、生态恢复等。本文主要对火线强度进行分析，以此划分可燃物类型。

2.4 可燃物类型划分

根据模型模拟的结果，用OriginPro 8.5作图，得到25°、35°情形下的火强度图，以火强度的大小，按照高、中、低进行可燃物类型的划分，并提出相应合理的可燃物管理措施。

3 结果与分析

3.1 主要林型的特征

在西山国家森林公园东南坡，从山顶至山脚主要有华山松、云南油杉和滇青冈，在西坡主要有地盘松、麻栎和旱冬瓜。林分密度80～1 700株·hm－2，林龄8～40a，郁闭度80%～95%，树高3.5～21.1 m，胸径8.1～27.2cm，具有代表性，具备6个主要林型的基本特征以及可燃物的相关属性特征[13]。6个主要林型包括了针叶林和阔叶林，是昆明西山国家森林公园里主要的植被类型，具有代表性。

3.2 可燃物类型的划分

对潜在火行为指标的描述主要有火强度、火焰高度和火蔓延速度等参数。火焰高度越高，火线强度就越大，对树木的损害能力就越强。火焰高度受可燃物种类、数量、结构和蔓延速度直接影响。火强度和火蔓延速度可通过经验模型或数学模型进行计算。

3.2.1 火线强度特征 火强度是林火行为重要标志之一，是森林可燃物燃烧时的热量释放速度，包括火线强度、火面强度和发热强度等，影响到扑救方式和扑火力量的配备，也影响到森林生态系统健康。火面强度也称单位面积热量，指火头前沿单位燃烧面上释放出来的热量，不受风、坡度和蔓延速率的影响，仅和可燃物的载量及热值有关。当火线强度相同，快速蔓延的火向生境中释放热量少，火的生态效应小；反之，缓慢移动的火释放热量多，火的生态效应大。火线强度是在单位时间内单位火线长度上向前推进释放出的热量，也就是指火头从前到后1m宽的可燃物床在单位时间释放的热量，是火锋单位时间、单位长度所释放的能量。释放能量越多、越快，火强度越高，对植物杀伤力越大，对森林的结构和功能破坏越严重。现有技术还不能直接扑打达到3 500kW·m－1的高强度火，这时大部分植物容易烧死或严重烧伤。

图1 西山国家森林公园主要林型的火线强度

坡度是影响林火蔓延的主要因子之一。火沿山坡向上蔓延与顺风蔓延的情况相似，上坡火火焰随坡度的变化呈现为小坡度的缓慢燃烧、随坡度增加的火焰抖动以及大坡度时的贴壁剧烈燃烧[14]，而沿山坡向下蔓延的情况则与逆风相似。由图1可见，当坡度为25°时，火线强度最大的是地盘松林，为16 205kW·m－1，约为最小的旱冬瓜林火线强度的26.7倍，后者只有608kW·m－1。云南油杉林火线强度达到3 808kW·m－1，分别为华山松林2 219 kW·m－1和滇青冈林1 277kW·m－1的1.7和3.0倍。地盘松林的火线强度约为麻栎林10 565kW·m－1的1.5倍。当坡度为35°时，火线强度最大的仍然是地盘松林，为18 996kW·m－1，约为最小火线强度旱冬瓜林的27.1倍，后者只有701kW·m－1。云南油杉林的火线强度达到4 502kW·m－1，分别为华山松林2 572kW·m－1、滇青冈林1 495kW·m－1的1.8和3.0倍，地盘松林的火线强度约为麻栎12 196kW·m－1的1.6倍。这和可燃物的载量和死可燃物的熄灭含水率有关。地盘松林和旱冬瓜林的载量分别为4.60和2.15kg·m－2，约为2.1倍，而熄灭含水率分别为28.51%和9.04%。同时，地盘松林非常密集且连续性好，地表至树冠都挂满了枯死的针叶和小枝条。而旱冬瓜林则非常稀疏，地表可燃物少。地盘松林的灌木发达，高度为1.2m，而旱冬瓜林内灌木较少且分散，高度为0.55m。麻栎林内比较干燥，灌木高度为0.9m，有利于火的蔓延，而旱冬瓜林内比较湿润，地表可燃物较少，不连续且分解快。

3.2.2 可燃物类型的划分 可燃物是林火发生和燃烧的物质基础，对其有效管理是改善森林结构、提高森林健康水平，解决林火安全问题的途径。

森林燃烧时，火强度变化幅度非常大，为20～100 000kW·m－1，相差5 000倍。当火强度超过4 000kW·m－1时，林内所有生物都会烧死，只有火强度小于4 000kW·m－1时，才有生态意义，一般将火强度分为：750kW·m－1以下为低强度火；750～3 500kW·m－1为中强度火；大于3 500kW·m－1的为高强度火[15]。由图1看出，在坡度为25°、35°的情形下，高强度火的为地盘松林、麻栎林和云南油杉林，尤其是地盘松林，火强度始终最大，远远超过了3 500kW·m－1，而云南油杉林则与3 500 kW·m－1差距不大。中强度火的为华山松林和滇青冈林，低强度火的是旱冬瓜林。依据火强度图，结合植被分布的状况，能够用GIS制图，绘制火险等级分布图，从而配置相应的扑火队员、灭火装备，储存必备的防火物质，预防林火发生。

4 结论与讨论

在西山国家森林公园坡度为25°、35°情形下，火线强度最大的都是地盘松林，而最小的都是旱冬瓜林。高强度火的可燃物类型为地盘松林、麻栎林和云南油杉林，尤其是地盘松林，火强度始终最大，远远超过了3 500kW·m－1，而云南油杉林则与3 500 kW·m－1差距不大。中强度火的可燃物类型有华山松林和滇青冈林，低强度火的可燃物类型是旱冬瓜林。根据火强度的大小，在森林防火期特别是防火紧要期进行火险等级区划，对不同可燃物类型采取不同的措施，进行针对性的林火管理，从而降低管理成本。在地盘松林，要进行重点看护，严格禁止携带火种进入林内，也可以在地盘松林与别的可燃物类型交界处开设一定宽度的防火隔离带，防止地盘松着火后快速蔓延到相邻的植被。

利用BehavePlus模型对同坡度的6种主要林型的潜在火行为进行计算和比较，按照火强度高、中、低进行火险等级划分，研究结果较好地反映了不同可燃物类型的潜在火灾风险性。在今后的研究中可以分龄级、坡向、火焰平均风速等进行深入的火行为研究，以便为火险等级的划分、林火管理提供更精确的理论依据。

目前很多国家（包括我国）缺乏全国统一的森林可燃物类型划分标准，火行为模型的开发与应用受到了限制[16]。在全球气候变暖、极端气候频繁、火险不断增加的未来[17，18]，更应继续深入从火行为的角度来研究可燃物的类型。

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