張玉春,向 冬,郭瀚文,孔林毅,高云驥,馬阿幾

(1. 西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,四川 成都 610031; 2. 木里藏族自治縣氣象局,四川 西昌 615899)

0 引言

森林火災(zāi)是指失去控制,在林地內(nèi)自由擴展蔓延,一定程度上危害森林生態(tài)系統(tǒng)和人類的自然災(zāi)害[1-2]。近兩年,川西南地區(qū)連續(xù)發(fā)生震驚全國的重特大森林火災(zāi),造成了嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。由于當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境較為脆弱,地形條件復(fù)雜,山高坡陡谷深,滅火救援難度較大,災(zāi)后恢復(fù)時間長,易造成巨大損失。森林可燃物是森林燃燒的物質(zhì)基礎(chǔ),是發(fā)生森林火災(zāi)的首要條件[3]。林火發(fā)生的影響因素主要包括氣象、地形和森林可燃物[4],其中森林可燃物是人類唯一能控制的林火因子,有效管理可燃物是解決林火安全問題和恢復(fù)森林健康的根本途徑[5]。

可燃物調(diào)研是森林潛在火行為的基礎(chǔ),其中李穎等[6]以武夷山國家公園4種林型中的7種林分為研究對象,發(fā)現(xiàn)地表可燃物熱值受地形、林分、林齡等因素的綜合影響。解國磊等[7]以魯東低山丘陵區(qū)2種主要森林類型地表死可燃物為研究對象,發(fā)現(xiàn)可燃物含水率與空氣相對濕度呈正相關(guān),與林內(nèi)平均風(fēng)速呈負相關(guān)。而潛在火行為是指在特定的空間條件下如果發(fā)生森林火災(zāi)可能表現(xiàn)出的行為特征[8]。在大量實驗的基礎(chǔ)上,ROTHERMEL[9]提出了著名的Rothermel林火蔓延模型及相關(guān)計算方法。ANDREWS[10]在Rothermel林火蔓延模型的基礎(chǔ)上,深入研究森林火災(zāi)發(fā)生及蔓延特點,建立了BehavePlus林火行為預(yù)測系統(tǒng),為美國林火管理提供了科學(xué)、有效的依據(jù)。ZIEGLER等[11]運用Rothermel模型編寫了R語言程序包來預(yù)測火災(zāi)行為。近年來,國內(nèi)外有大量學(xué)者利用BehavePlus林火行為模擬系統(tǒng)對不同地區(qū)的森林類型進行了潛在火行為的模擬計算與分類,包括長白山林區(qū)[12]、昆明西山國家森林公園[13]、大興安嶺南部[14]、山東省山區(qū)[3]、北京鷲峰國家森林公園[15]、阿巴拉契亞南部[16]、葡萄牙[17]等。DRURY[18]在阿拉斯加的Magitchlie Creek火災(zāi)中系統(tǒng)收集了黑云杉生態(tài)系統(tǒng)的火行為特征與BehavePlus預(yù)測的火行為進行了比較,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)進行了合理的蔓延速度預(yù)測。HAHN等[19]利用BehavePlus模擬了可燃物載量和厚度的改變導(dǎo)致6個火行為參數(shù)的增加,這表明采伐強度和時間可能對潛在火行為有長期影響。國內(nèi)學(xué)者[20-22]基于Rothermel模型模擬我國可燃物類型的火行為,并與室內(nèi)點燒實驗結(jié)果進行對比后修正相關(guān)參數(shù),顯著降低了預(yù)測誤差,得到較好的擬合結(jié)果。

目前,大部分國內(nèi)文獻研究主要以北方林區(qū)為主,北方林區(qū)所在海拔一般低于2 000 m,地形起伏較小,樹種以耐寒的針葉林為主。而川西南林區(qū)地處高山峽谷地區(qū),地勢險峻,海拔落差大,樹種包括常綠闊葉林、落葉闊葉林、針葉林等多種林型,與北方林區(qū)差別較大,然而關(guān)于川西南林區(qū)可燃物分布規(guī)律及潛在火行為的研究相對匱乏,因此文中以川西南地區(qū)涼山州木里縣為研究區(qū)域,開展森林可燃物基礎(chǔ)調(diào)研,統(tǒng)計分析各類型森林可燃物載量和分布特性,建立優(yōu)化相關(guān)燃料模型,利用BehavePlus軟件模擬研究不同林型的潛在火行為,對保護川西南森林資源和預(yù)防森林火災(zāi)具有重要現(xiàn)實意義。

1 可燃物分布調(diào)研

1.1 研究區(qū)概況

川西南地區(qū)一般認為包括涼山彝族自治州和攀枝花市兩市州,地處26°03′～29°18′N,100°03′～103°52′E之間,位于青藏高原東南緣,橫斷山系東北緣,界于四川盆地和云南省中部高原之間。年平均氣溫為19.2～20.3 ℃,全年日照時數(shù)達2 300～2 700 h,年均蒸發(fā)量超過1 300 mm,年平均降水量為818.2 mm,每年的11月～翌年6月為干季,降雨量僅占全年總量的10%左右,林火集中發(fā)生在該段時間內(nèi)。氣候具有四季不分明,干、濕(雨)季分明,氣溫日變化大,氣候干燥,降雨量高度集中,日照多,太陽輻射強,蒸發(fā)量大,小氣候復(fù)雜多樣等特點[23]。植被分布從下到上分別為:普帶植被常綠闊葉林帶(含常綠闊葉與落葉闊葉混交林);海拔2 400～4 300 m以冷杉(Abiesfabri)、云杉(Piceaasperata)、云南松(Pinusyunnanensis)和高山松(Pinusyunnanensis)為主的亞高山針葉林帶;海拔3 600～4 500 m以杜鵑(Rhododendronsimsii)、高山櫟(Quercussemecarpifolia)、嵩草(Kobresiamyosuroides)、羊茅(Festucaovina)等組成的高山灌叢草甸帶;海拔4 500～5 000 m的流石灘稀疏植被[24]。

1.2 樣地設(shè)置與樣品采集

根據(jù)資料收集以及近年來森林火災(zāi)發(fā)生情況,選取川西南地區(qū)涼山彝族自治州木里藏族自治縣為調(diào)研區(qū)域,于2021年4月開展實地調(diào)研與樣本采集工作。

在林分內(nèi)設(shè)置標準樣方,記錄坐標位置,進行地形因子和基本林分因子調(diào)查。在樣地內(nèi)設(shè)置2 m×2 m的灌木層樣方,1 m×1 m的草本層樣方和枯落物層樣方,調(diào)查灌木層優(yōu)勢種、株(叢)數(shù)、平均高、枝下高、葉厚度等,選擇3株平均大小的標準灌木,收獲并測定其地上干、枝和葉的鮮重。調(diào)查草本層的優(yōu)勢種、平均高度,收割每個樣方內(nèi)所有活草本植物地上部分,稱其鮮重。調(diào)查枯落物厚度,收集樣方內(nèi)全部枯落物,按時滯分為1 h(直徑小于0.6 cm的小枝、葉和雜草)、10 h(直徑大于或等于0.6 cm但小于2.5 cm的小枝)和100 h(直徑大于或等于2.5 cm但小于7.62 cm的枝條)等3類,稱其鮮重。然后將收集的各部分樣本分別取樣100 g左右,帶回實驗室測定各樣本的含水率(干鮮比)和熱值[25]。

1.3 內(nèi)業(yè)實驗方法

1.3.1 干鮮比和含水率

采集的樣品及時帶回實驗室內(nèi),放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)進行烘干,在105 ℃條件下連續(xù)烘干24 h至恒重后取出稱重,計算干鮮比和含水率。

其干鮮比計算公式:

(1)

式中:R為可燃物干鮮比;m1為可燃物干重質(zhì)量(g);m2為可燃物濕重質(zhì)量(g)。

含水率計算公式:

(2)

式中,W為可燃物含水率(%)。

1.3.2 熱值

熱值測定使用微機全自動量熱儀。采用電子天平稱取1.0 g左右的樣品壓成餅狀,烘干至恒重,放入坩堝后稱量并記錄重量,安裝好點火絲,在氧彈中加入10.0 ml純水,將燃燒坩堝放入氧彈中,使用高壓氧氣瓶充入氧氣,之后放入量熱儀內(nèi),電腦控制“啟動”,系統(tǒng)進行自動注水后點火,待實驗結(jié)束后,對實驗結(jié)果進行讀取、記錄。

1.3.3 表面積體積比

可燃物大小和形狀是影響燃燒和蔓延的重要特征。通常用表面積體積比來表示可燃物的大小和形狀,其指單位體積(或重量)可燃物的表面積與其體積之比,計算公式如式(3):

(3)

式中:R為可燃物表面積體積比(cm-1);S為單位可燃物表面積(cm2);V為單位可燃物體積(cm3)。

1.3.4 可燃物載量

可燃物載量是指單位面積上所有可燃物的絕對干物質(zhì)量?？扇嘉镙d量計算公式如式(4):

(4)

式中,樣方總干重單位為千克(kg)。

1.3.5 熄滅含水率

可燃物熄滅含水率是指可燃物點燃后能連續(xù)蔓延的上限含水率,其計算公式如式(5):

(5)

式中: EMC為可燃物的熄滅含水率(%);mh為可燃物樣品的濕重(g);mx為信封凈重(g);md為可燃物的干重(g);my為信封干重(g)[26]。

1.4 調(diào)研數(shù)據(jù)結(jié)果

根據(jù)植被類型歸納確定不同的林分類型,共涉及包括云南松優(yōu)勢種的常綠針葉林、櫟類優(yōu)勢種的常綠闊葉林、云南松-櫟類優(yōu)勢種的針闊混交林、高山杜鵑優(yōu)勢種的常綠闊葉灌叢、高山草甸和高草叢6種植被類型。由于云南松優(yōu)勢種的常綠針葉林在川西南地區(qū)分布廣泛,故取樣時對于包含云南松的林型調(diào)查了多個樣地。現(xiàn)場調(diào)研情況如圖1所示,調(diào)研數(shù)據(jù)整理如表1所示。

圖1 川西南地區(qū)典型林地Fig. 1 Typical woodland in southwest Sichuan area

表1 川西南森林可燃物調(diào)研數(shù)據(jù)Table 1 Forest fuel investigation data in southwest Sichuan

2 潛在火行為研究

2.1 BehavePlus軟件介紹

BehavePlus火災(zāi)建模系統(tǒng)是一個基于數(shù)學(xué)模型的計算機程序,用于描述森林火災(zāi)和火災(zāi)環(huán)境。BehavePlus程序是由美國農(nóng)業(yè)部(USDA)林業(yè)局下屬的Missoula火災(zāi)科學(xué)實驗室和環(huán)境管理系統(tǒng)合作開發(fā)完成的。它可以用于任何涉及火災(zāi)行為和影響建模的火災(zāi)管理應(yīng)用,包括預(yù)測正在發(fā)生的火災(zāi)行為、規(guī)劃計劃燒除、評估燃料危險[10]。

地表火的蔓延速度預(yù)測應(yīng)用的是Rothermel于1972年建立的Rothermel模型[9];地表火火線強度是指從地表火燃燒區(qū)的前部到后部的單位寬度的燃料床部分在單位時間內(nèi)釋放的熱能,由BYRAM[27]提出的火線強度公式計算得到,是地表火蔓延速度和單位面積熱量的一個函數(shù)。地表火在火焰前沿內(nèi)的火焰高度是從活躍火焰燃燒區(qū)的中間位置到火焰的平均頂端的距離[28],BYRAM[27]提出了根據(jù)火線強度計算火焰長度的公式。樹冠火轉(zhuǎn)化率是地表火火線強度除以臨界火線強度,表示是否可能從地表火轉(zhuǎn)化到樹冠火的條件。如果轉(zhuǎn)化率大于或等于1,那么地表火火線強度就足以轉(zhuǎn)化到樹冠火[25]。樹冠火蔓延速度是使用Rothermel樹冠火蔓延模型預(yù)測的樹冠火頭火的蔓延速度,是由6.1 m的風(fēng)速和地表燃料含水率計算出來的[28]。

2.2 燃料模型建立

根據(jù)實地調(diào)研及室內(nèi)試驗數(shù)據(jù),依據(jù)標準燃料模型參數(shù)進行適當?shù)恼{(diào)整和補充,采用自定義模型的方法,設(shè)置如表2所示9種川西南地區(qū)木里縣典型燃料模型[29-32]。

表2 川西南地區(qū)木里縣典型燃料模型Table 2 Typical fuel model of Muli County in southwest Sichuan area

2.3 模擬工況設(shè)計

川西南地區(qū)山高谷深,地表起伏大,高差懸殊。根據(jù)調(diào)研樣地所處地形實際測量,坡度范圍在10°～40°不等。在調(diào)研區(qū)域旱季的下午,通常每日的平均風(fēng)力可達6級以上,山口河谷和高山平均風(fēng)力可達8級以上。文中為了研究風(fēng)速和坡度對典型林地潛在火行為的影響,共設(shè)置0、10、20、30、40和50 km/h 等6種風(fēng)速,分別對應(yīng)蒲福風(fēng)級0、2、4、5、6和7級及0°、10°、20°、30°和40°等5種坡度條件。

2.4 潛在火行為分析

無風(fēng)平坡條件下川西南典型林地潛在火行為特性統(tǒng)計如表3所示。通過表3可以看出,由于較高的1 h時滯燃料載量,云南松-灌木2林型的地表火蔓延速度、火線強度、火焰高度明顯大于云南松-灌木1林型,且火焰高度可高達4.1 m。由于云南松-灌木林型的冠層枝下高較低,且存在大量梯狀可燃物灌木,在無風(fēng)條件下極易形成樹冠火。但對于地盤松林分模型,無中間梯狀可燃物存在,燃料床厚度較低,只有林下地表枯落物層燃料,無法形成穩(wěn)定蔓延的地表火。對于云南松與川滇高山櫟交錯分布的針闊混交林,云南松-高山櫟1林型可形成強度極低的地表火,但該林分模型枝下高較高,其樹冠火轉(zhuǎn)化率只有0.02,幾乎不可能形成樹冠火。然而由于燃料床厚度過低,云南松-高山櫟2、川滇高山櫟常綠闊葉林、高山杜鵑常綠闊葉灌木等林型無法形成連續(xù)蔓延的地表火,更無法向上燃燒轉(zhuǎn)化為樹冠火。高草叢和常綠闊葉灌叢的地表火強度在無風(fēng)平坡條件下較小。下文將選取云南松-灌木1、云南松-灌木2、灌木、高草叢等4種林型為研究對象,進一步分析風(fēng)速和坡度對不同林型潛在火行為的影響。

表3 川西南地區(qū)無風(fēng)平坡條件下不同林型潛在火行為Table 3 Potential fire behavior of different forest types under windless and flat slope conditions in southwest Sichuan area

2.4.1 地表火蔓延速度

圖2為不同風(fēng)速和坡度條件下不同林型地表火蔓延速度變化曲線。從圖2中可以看出,地表火蔓延速度隨風(fēng)速增加而增大,隨坡度增加而增大。在相同風(fēng)速和坡度條件下,地表火蔓延速度高草叢>云南松-灌木2>灌木>云南松-灌木1。由于云南松-灌木2林型的1 h時滯燃料載量明顯大于云南松-灌木1林型,導(dǎo)致其地表火蔓延速度明顯大于云南松-灌木1林型。云南松是川西南地區(qū)最有代表性的優(yōu)勢種,作為針葉林樹種由于其枯落物油脂含量高,可燃物載量相對較大,其火強度也相對較大,在平坡無風(fēng)條件下得到的云南松地表火蔓延速率結(jié)果高于滿子源等[21]的研究結(jié)果,主要原因是文中可燃物載量大于其研究,而與王秋華等[13]、王凱等[15]研究中的針葉林樹種火行為模擬結(jié)果相符。

2.4.2 火線強度

圖3為不同風(fēng)速和坡度條件下不同林型地表火火線強度變化曲線。從圖3中可以看出,地表火火線強度隨風(fēng)速和坡度增加而增大, 從大到小依次為高草叢、云南松-灌木2、 灌木、 云南松-灌木1。云南松-灌木2林型(圖3(b))在地形起伏大或有大風(fēng)天氣時可形成強度較高的地表火。高草叢林型(圖3(d))隨風(fēng)速增加火線強度增大最為顯著,大風(fēng)天氣下易形成強度極高的地表火。

2.4.3 火焰高度

圖4為不同風(fēng)速和坡度條件下不同林型地表火火焰高度變化曲線。從圖4中可以看出,地表火火焰高度隨風(fēng)速和坡度增加而增大,從大到小依次為云南松-灌木2、高草叢、灌木、云南松、灌木1。云南松-灌木2林型(圖4(b))和高草叢林型(圖4(d))最大火焰高度均超過14 m,而灌木林型(圖4(c))和云南松-灌木1林型(圖4(a))在大坡度地形下火焰高度會超過2 m。

圖4 不同林型火焰高度變化曲線Fig. 4 Flame length of different forest types

2.4.4 樹冠火轉(zhuǎn)化率

圖5為不同風(fēng)速和坡度條件下不同林型樹冠火轉(zhuǎn)化率變化曲線。從圖5中可以看出,2種云南松-灌木林型樹冠火轉(zhuǎn)化率在任何條件下均大于1,即可轉(zhuǎn)化為樹冠火,同時樹冠火轉(zhuǎn)化率隨風(fēng)速和坡度的增加而增大,說明風(fēng)速和坡度增大可以增加樹冠火發(fā)生概率。

圖5 不同林型樹冠火轉(zhuǎn)化率變化曲線Fig. 5 Crown fire transition ratio of different forest types

2.4.5 樹冠火蔓延速度

圖6為不同風(fēng)速條件下不同林型樹冠火蔓延速度變化曲線。從圖6中可以看出,隨著風(fēng)速的增加,所有林型樹冠火蔓延速度均表現(xiàn)為指數(shù)增加,從大到小依次為云南松-灌木2、高山櫟、云南松-高山櫟2、地盤松、高山杜鵑、云南松-灌木1、云南松-高山櫟1。

圖6 不同林型樹冠火蔓延速度變化曲線Fig. 6 Crown fire spread rate of different forest types

3 結(jié)論

文中通過對川西南地區(qū)涼山州木里縣境內(nèi)森林可燃物進行現(xiàn)場調(diào)研獲取不同林分的可燃物基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和分布特性,針對不同林分建立了對應(yīng)的燃料模型并利用BehavePlus軟件模擬研究了不同林分模型的潛在火行為。主要的研究結(jié)論如下:

1)林下層無灌木和草本的林分可燃物模型,其燃料床厚度通常不會很高,達不到形成穩(wěn)定蔓延的地表火所需的條件,而林下覆蓋有灌木層或草本層的林分模型,其林下可燃物垂直分布連續(xù)性較好,燃料床厚度較高,可形成較高強度地表火,同時能夠引燃冠層可燃物形成穩(wěn)定燃燒的遍燃型樹冠火。

2)地表火蔓延速度、火線強度、火焰高度、樹冠火轉(zhuǎn)化率等潛在火行為均隨風(fēng)速和坡度的增加而增加,且增長幅度與燃料床厚度、高度相關(guān),而樹冠火蔓延速度隨風(fēng)速的增加大體呈指數(shù)型增長。綜合分析各林型潛在火行為特性,高草叢、云南松-灌木2林分的火行為特性參數(shù)值均較大,危險性較高。

通過本文研究可知,對于林下覆蓋有灌木層或草本層的林分模型,由此類林型失火導(dǎo)致引發(fā)特別重大森林火災(zāi)的風(fēng)險極大,日常應(yīng)注意對梯狀可燃物的管理和控制?？衫糜媱潫郎p少可燃物累積,破壞林內(nèi)可燃物垂直連續(xù)性,從而降低森林燃燒性,即使發(fā)生火災(zāi)也很難發(fā)展成樹冠火。面對不同火行為,消防救援人員所采取的滅火撲救方法差異很大。根據(jù)火焰高度和火線強度的大小,應(yīng)采用不同的滅火撲救措施來控制火勢。