坡度点烧实验中床层宽度对林火蔓延的影响

摘要： 本研究在实验室内构件目标林分下的可燃物结构床层并进行点烧试验，通过改变点烧平台的坡度与宽度值，分析有坡点烧实验中不同床层宽度对火线燃烧轨迹、林火蔓延速率的影响。实验包括四种床层坡度（0°、10°、20°、30°）和三种床层宽度（1、2、3 m），每场点烧进行两次共24场点烧实验。将本研究结果与现有相关经典模型预测值对比后，给出合理的床层宽度范围，在保证点烧实验精度的前提下，以期为今后的相关研究提供参考。

关键词： 坡度； 床层宽度； 林火蔓延速率

中图分类号： S 762. 3 文献标识码： A 文章编号：1001 - 9499（2024）05 - 0043 - 04

Influence of Fuel Bed Width on Slope Fire Spread Rate

Abstract A set of 24 laboratory fires in the fuel beds was used to test the effects of slope （0°、10°、20°、30°）and fuel bed width （1、2、3 m） on fire behaviour variables such as rate of spread. After comparing the results of this study with the predicted values of existing classic models， a reasonable range of bed width is provided， while ensuring the accuracy of point burning experiments， in order to provide experimental reference for future related research.

Key words terrain slope; fuel bed width; forest fire rate of spread

森林资源是地球上最重要的自然资源之一，我国森林火灾发生较多，频繁的森林火灾会严重破坏森林资源的数量与质量，而林火预测预报（fire forecast）的研究是目前解决森林火灾的一项重要手段[ 1 ]。在林火预测预报领域，林火蔓延速率一直是林火生态学科中的重要研究内容，该领域的研究内容主要包括对可燃物的实验室室内点烧与野外实地点烧，再将可燃物属性与燃烧结果相结合，通过综合各类数据拟合出林火蔓延模型，进而达到揭示林火行为发生发展规律的目的。针对不同地区，建立合理适用的林火行为预测模型，对提高森林火灾预测报技术水平、扑救指挥合理化、预防减少火灾损失都具有非常重要的科学意义。

我们曾开展过无坡无风、无坡有风条件下红松针叶床层林火蔓延速率的模拟研究[ 2 - 3 ]，建立了这两种试验条件下的林火蔓延模型。在铺设相同属性红松针叶床层的基础上，针对不同坡度条件下的床层继续进行林火蔓延室内点烧实验，这对构件完整的红松林火蔓延预测模型尤为重要。与有坡点烧实验不同，平地无风点烧实验中火焰热辐射对可燃物的预热效果并不显著，而平地有风点烧实验中风速占据绝对主导地位，故之前的两项研究并没有考虑床层宽度的影响。而坡度点烧实验中，坡度对火焰角度的改变会产生更多热辐射，热辐射是坡度点烧实验中火焰蔓延速率的重要影响因素。鉴于热辐射在坡度点烧实验中的重要地位，且床层宽度对热辐射产生的改变显而易见，所以搞清不同可燃物床层宽度的火行为特征对于建立更准确的坡度点烧模型十分必要。

从目前开展的室内点烧实验来看，点烧平台宽度变化对火行为影响的研究较少，国内相关研究几乎处于空白。坡度较小时，坡度能够减小火焰与燃烧床的夹角，进而增强了火焰向前的辐射传热能力，这一变化可导致林火蔓延速率增加。坡度较大时，更陡的坡面和上坡火诱导还会产生斜坡风，斜坡风可使火焰进一步向燃烧方向倾斜并促进燃烧，造成类似外界风的效果[ 4 ]。燃烧平台的宽度变化会改变热辐射、斜坡风等不确定因素，给坡度点烧的火线燃烧轨迹、火行为演变等带来不确定因素。本研究主要的研究内容：一是分析可燃物床层宽度变化对林火蔓延速率及燃烧过程的综合影响；二是给出适当的床层宽度范围，在保证坡度点烧实验精度的前提下，为实验室合理利用空间提供设计参考。

1 研究方法

1. 1 点烧实验

实验在国家林业局北方林火管理重点实验室（位于尚志市帽儿山实验林场的点烧实验室）进行，鉴于黑龙江省森林防火期的设定，实验时间为实验年的5月初至8月中旬。一般选在气温、湿度、风力等自然因素相近的时间段进行，可燃物床层属性误差控制在合理范围之内。选择经济价值较高、燃烧属性较强的红松针叶作为点烧实验的可燃物。对研究地区可燃物进行野外踏查，按照实地踏查数据铺设相同含水率、载量和高度组合的可燃物均匀床层，这些可燃物属性的组合与野外实地踏查的主流数据相同，与之前的两项研究[ 2 - 3 ]亦有一定重合。可燃物含水率用烘箱进行调节，床层坡度调节值设定为0°、10°、20°、30°，床层宽度调节值设定为1、2、3 m，床层长度固定为7 m。为提高实验结果的准确性，相同角度与宽度的场次进行二次点烧并取蔓延速率平均值，即进行4×3×2共24场点烧实验。

按实验设计将可燃物均匀铺设于燃烧床上，采用烘干称重法测定可燃物载量，采用千分之五电子式水分测定仪GDS-1005MB测定含水率，米尺测量床层高度。在坡度燃烧床前设有一段1 m长的平缓引燃区，引燃区起点端固定有一水槽，在槽内注入高浓度酒精后点燃，可快速形成一条火强度均匀的火线。无风条件下，最初的火头呈一条直线向前均匀蔓延，当火蔓延过引燃区达到火线的“似稳态”（Quasi-steady state）时，便可从坡度平台的起点处记录燃烧过程。在点烧平台上，每相隔0.2 m垂直固定一个1m长的金属杆，以辅助人工观测记录林火蔓延速率；在燃烧平台中线上，每隔0.5 m设置一个热电偶，用以记录燃烧过程中可燃物床层的温度变化，通过记录各热电偶温度峰值的时间节点，从而达到辅助观测林火蔓延速率的目的[ 5 ]。在垂直于燃烧床的正面架设可俯瞰燃烧床的1号摄像机，侧面架设一台可拍摄整个床层剖面的2号摄像机，用以记录可燃物燃烧过程。点烧结束后确认视频数据并清理燃烧床，调节燃烧台及1号摄像机角度，视情况需要改变床层宽度，即可准备下一场点烧实验（图1）。

1. 2 数据处理

通过对24场点烧试验的统计分析，给出可燃物床层变坡、变宽条件下林火蔓延速率的基本特征，包括均值、中位数、最大值和最小值等。根据坡度相同宽度不同的蔓延速率数据对比，及坡度不同宽度相同的蔓延速率对比，寻求床层宽度对变坡条件下林火蔓延速率的影响。根据实验条件，计算三个经典林火坡度蔓延模型的预测结果，与实验结果进行对比，寻求本实验与经典研究之间是否存在差异，以及床层宽度的变化对经典模型预测结果是否存在影响（表1）。

2 结果与分析

2. 1点烧迹地分析

通过1号摄像机，拍摄各点烧场次的燃烧过程，对不同燃烧阶段的图像进行定格截取，将定格图片组合在一起，用以展示各点烧场次火线的蔓延过程（图2～图4）。

2. 2 床层宽度对蔓延速率的影响分析

将不同实验台角度与三种床层宽度进行组合，在其他点烧条件完全一致的前提下记录火焰点烧速率。通过标杆记录法、热电偶峰值观测及视频图像分析等方法，可使每场记录的火焰蔓延速率尽可能准确。每个床层宽度与角度的组合点烧两次，取平均值。图5为三种床层宽度在不同角度条件下燃烧速率的对比情况。床层宽度在较为平缓的地形上对林火蔓延速率影响不大，随着实验台角度的增加，床层宽度越宽蔓延速率越高，且角度在30°时的林火蔓延速率出现了断崖式增长。

2. 3 现有模型适用分析

将本研究中的实验台角度带入三个经典的坡度林火蔓延速率预测模型中，即Canadian FBP模型[ 6 ]、McArthur模型[ 7 ]和Rotherrmel模型[ 8 ]，其中Rotherrmel模型还需带入可燃物床层压缩比这一数据。分别计算出该三种模型在四种不同坡度条件下的坡度因子值，再与本研究中对应坡度条件下的三个（燃烧层宽度分别为1、2、3 m）实测坡度因子值进行对比。由图6可以看出，含有野外实验的McArthur模型与其他两个模型预测曲线存在小幅差异，而通过室内小型点烧实验获得数据的Canadian FBP模型与Rotherrmel模型的预测结果则几乎一致。本研究的实测坡度因子值在燃烧角度较小时与现有模型预测结果基本一致，当坡度达到20°时开始出现轻微差异，坡度30°时差异则较为明显，由其是床层宽度为3 m的坡度因子值，在坡度30°时其实测值远大于三个现有模型的预测结果。另外由图可见，随着坡度的增加，林火蔓延速率陡增，床层宽度对林火蔓延速率坡度因子值的影响也更为明显，床层宽度越宽坡度因子值越大。

3 结论与讨论

床层宽度对火线燃烧形状影响不大，火线燃烧形状主要取决于坡度值，坡度越大火线前端越尖锐，坡度越小则越平滑。从图5中可以看出，较低角度中床层宽度为3 m的林火蔓延速率也要低于较高角度中床层宽度为1 m的林火蔓延速率，可见床层宽度对林火蔓延速率的影响远低于坡度对林火蔓延速率的影响，但随着坡度的增加，床层宽度对林火蔓延速率的正向影响变得逐渐明显。综上所述，床层宽度带来的额外热辐射会更多地影响至火线侧翼，与火线中心的火头部分交互作用不大，故对林火蔓延速率影响有限。但坡度为30°、床层宽度为3 m的点烧场次，其实测林火蔓延速率远高于床层宽度为1 m和2 m的点烧场次。结合整体数据，认为坡度点烧实验中，在20°～30°之间存在一个坡度阈值，当坡度值大于该阈值时，林火蔓延速率会呈现断崖式增长，阈值前后应当使用不同的林火速率蔓延模型，且随着坡度的增加，床层宽度对林火蔓延速率的影响逐渐增强。

将实验中实测坡度因子值与各经典坡度模型预测值进行对比可见，坡度在0～20°、床层宽度1～3 m时的燃烧情况与现有预测模型相近。30°坡度时实测值相较现有模型预测值则有大幅提升，这说明在某些坡度阈值外经典模型的预测结果存在一定的局限性。相关现有研究指出：坡度较大时，火焰依靠坡度大幅减小了与燃烧床的夹角，增强了火焰辐射能力，进而加快了蔓延速率[ 9 ]；随着坡度不断增加，火焰前后温度场的不对称和空气卷吸能力的差异引起斜坡风，斜坡风不能穿透火焰面，火焰前方只存在微弱的逆向（与火蔓延方向相反）卷吸气流，斜坡风使火焰进一步向前倾斜并持续促进燃烧，形成类似外界风的效果[ 4 ]。随着坡度逐步增大，斜坡风也随之迅速增强，这也解释了较低坡度下的火焰面相对竖直而较高坡度下的火焰会产生向前倾斜的现象。以上理论与本研究的实验结果相符，即随着坡度的增加，坡度阈值外的模型预测值应远远小于林火实际蔓延速率。图6中为坡度30°床层宽3 m的点烧场次，其实测坡度因子值远高于床层宽度为1 m和2 m的点烧场次，且严重偏离现有模型的预测结果。这与前面提到的林火蔓延速率坡度阈值相似，当坡度值大于某一阈值时，床层宽度对坡度因子预测值存在显著影响。

现有相关实验多在室内无风或弱风条件下进行，且对坡度阈值的研究不够深入。本研究的结果也表明，床层宽度只有在坡度较大时才会产生一定影响，且床层宽度本身也存在介于2～3 m之间的阈值。野外实地研究斜坡及火线宽度对林火蔓延速率的影响仍然十分必要，且野火会出现室内实验无法模拟的火旋（fire whirls）等极端火行为[ 10 ]，此类坡度条件下真实火场的林火蔓延预测还有待进一步研究。

参考文献

［1］ 舒立福， 张小罗， 戴兴安， 等. 林火研究综述（II）—林火预测预报［J］. 世界林业研究， 2003， 16（4）： 34 - 37.

［2］ 金森， 褚腾飞， 邸雪颖， 等. 平地无风条件下红松针叶床层林火蔓延的影响因子分析及模拟［J］. 东北林业大学学报， 2012， 40（3）： 51 - 57.

［3］ 李存宇， 金森， 周勇， 等. 红松针叶床层风影响因子的模拟［J］. 林业科学， 2014， 50（1）： 116 - 124.

［4］ 武金模. 外界风和坡度条件下地表火蔓延的实验和模型研究［D］. 北京： 中国科学技术大学博士论文， 2014.

［5］ 崔文彬， 乔启宇， 牛树奎， 等. 地表火燃烧参数及其火头前影响区的实验研究［J］. 北京林业大学学报， 1998， 20（5）： 22 -27.

［6］ Van Wagner CE. Effect of slope on fire spread rate［J］. Canadian Forestry Service Bi-monthly Research Notes， 1977.

［7］ McArthur AG. Weather and grassland fire behaviour. Depar- tment of National Development［D］. Forestry and Timber Bureau， 1966.

［8］ Rothermel RC. A mathematical model for predicting fire spread in wildland fuels. USDA Forest Service. Intermountain Forest and Range Experimental Station［D］. Research Paper ， 1972.

［9］ Byram GM， Martin RE. The modeling of fire whirlwinds［J］. Forest Science， 1970， 16（4）， 386–399.

［10］ 金晓钟， 程邦瑜. 森林火灾中的火旋风特征［J］. 自然灾害学报. 1997，6（2）： 34 - 41.