摘要： 本研究在實驗室內構件目標林分下的可燃物結構床層并進行點燒試驗，通過改變點燒平臺的坡度與寬度值，分析有坡點燒實驗中不同床層寬度對火線燃燒軌跡、林火蔓延速率的影響。實驗包括四種床層坡度（0°、10°、20°、30°）和三種床層寬度（1、2、3 m），每場點燒進行兩次共24場點燒實驗。將本研究結果與現(xiàn)有相關經(jīng)典模型預測值對比后，給出合理的床層寬度范圍，在保證點燒實驗精度的前提下，以期為今后的相關研究提供參考。

關鍵詞： 坡度； 床層寬度； 林火蔓延速率

中圖分類號： S 762. 3 文獻標識碼： A 文章編號：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

森林資源是地球上最重要的自然資源之一，我國森林火災發(fā)生較多，頻繁的森林火災會嚴重破壞森林資源的數(shù)量與質量，而林火預測預報（fire forecast）的研究是目前解決森林火災的一項重要手段[ 1 ]。在林火預測預報領域，林火蔓延速率一直是林火生態(tài)學科中的重要研究內容，該領域的研究內容主要包括對可燃物的實驗室室內點燒與野外實地點燒，再將可燃物屬性與燃燒結果相結合，通過綜合各類數(shù)據(jù)擬合出林火蔓延模型，進而達到揭示林火行為發(fā)生發(fā)展規(guī)律的目的。針對不同地區(qū)，建立合理適用的林火行為預測模型，對提高森林火災預測報技術水平、撲救指揮合理化、預防減少火災損失都具有非常重要的科學意義。

我們曾開展過無坡無風、無坡有風條件下紅松針葉床層林火蔓延速率的模擬研究[ 2 - 3 ]，建立了這兩種試驗條件下的林火蔓延模型。在鋪設相同屬性紅松針葉床層的基礎上，針對不同坡度條件下的床層繼續(xù)進行林火蔓延室內點燒實驗，這對構件完整的紅松林火蔓延預測模型尤為重要。與有坡點燒實驗不同，平地無風點燒實驗中火焰熱輻射對可燃物的預熱效果并不顯著，而平地有風點燒實驗中風速占據(jù)絕對主導地位，故之前的兩項研究并沒有考慮床層寬度的影響。而坡度點燒實驗中，坡度對火焰角度的改變會產生更多熱輻射，熱輻射是坡度點燒實驗中火焰蔓延速率的重要影響因素。鑒于熱輻射在坡度點燒實驗中的重要地位，且床層寬度對熱輻射產生的改變顯而易見，所以搞清不同可燃物床層寬度的火行為特征對于建立更準確的坡度點燒模型十分必要。

從目前開展的室內點燒實驗來看，點燒平臺寬度變化對火行為影響的研究較少，國內相關研究幾乎處于空白。坡度較小時，坡度能夠減小火焰與燃燒床的夾角，進而增強了火焰向前的輻射傳熱能力，這一變化可導致林火蔓延速率增加。坡度較大時，更陡的坡面和上坡火誘導還會產生斜坡風，斜坡風可使火焰進一步向燃燒方向傾斜并促進燃燒，造成類似外界風的效果[ 4 ]。燃燒平臺的寬度變化會改變熱輻射、斜坡風等不確定因素，給坡度點燒的火線燃燒軌跡、火行為演變等帶來不確定因素。本研究主要的研究內容：一是分析可燃物床層寬度變化對林火蔓延速率及燃燒過程的綜合影響；二是給出適當?shù)拇矊訉挾确秶?，在保證坡度點燒實驗精度的前提下，為實驗室合理利用空間提供設計參考。

1 研究方法

1. 1 點燒實驗

實驗在國家林業(yè)局北方林火管理重點實驗室（位于尚志市帽兒山實驗林場的點燒實驗室）進行，鑒于黑龍江省森林防火期的設定，實驗時間為實驗年的5月初至8月中旬。一般選在氣溫、濕度、風力等自然因素相近的時間段進行，可燃物床層屬性誤差控制在合理范圍之內。選擇經(jīng)濟價值較高、燃燒屬性較強的紅松針葉作為點燒實驗的可燃物。對研究地區(qū)可燃物進行野外踏查，按照實地踏查數(shù)據(jù)鋪設相同含水率、載量和高度組合的可燃物均勻床層，這些可燃物屬性的組合與野外實地踏查的主流數(shù)據(jù)相同，與之前的兩項研究[ 2 - 3 ]亦有一定重合。可燃物含水率用烘箱進行調節(jié)，床層坡度調節(jié)值設定為0°、10°、20°、30°，床層寬度調節(jié)值設定為1、2、3 m，床層長度固定為7 m。為提高實驗結果的準確性，相同角度與寬度的場次進行二次點燒并取蔓延速率平均值，即進行4×3×2共24場點燒實驗。

按實驗設計將可燃物均勻鋪設于燃燒床上，采用烘干稱重法測定可燃物載量，采用千分之五電子式水分測定儀GDS-1005MB測定含水率，米尺測量床層高度。在坡度燃燒床前設有一段1 m長的平緩引燃區(qū)，引燃區(qū)起點端固定有一水槽，在槽內注入高濃度酒精后點燃，可快速形成一條火強度均勻的火線。無風條件下，最初的火頭呈一條直線向前均勻蔓延，當火蔓延過引燃區(qū)達到火線的“似穩(wěn)態(tài)”（Quasi-steady state）時，便可從坡度平臺的起點處記錄燃燒過程。在點燒平臺上，每相隔0.2 m垂直固定一個1m長的金屬桿，以輔助人工觀測記錄林火蔓延速率；在燃燒平臺中線上，每隔0.5 m設置一個熱電偶，用以記錄燃燒過程中可燃物床層的溫度變化，通過記錄各熱電偶溫度峰值的時間節(jié)點，從而達到輔助觀測林火蔓延速率的目的[ 5 ]。在垂直于燃燒床的正面架設可俯瞰燃燒床的1號攝像機，側面架設一臺可拍攝整個床層剖面的2號攝像機，用以記錄可燃物燃燒過程。點燒結束后確認視頻數(shù)據(jù)并清理燃燒床，調節(jié)燃燒臺及1號攝像機角度，視情況需要改變床層寬度，即可準備下一場點燒實驗（圖1）。

1. 2 數(shù)據(jù)處理

通過對24場點燒試驗的統(tǒng)計分析，給出可燃物床層變坡、變寬條件下林火蔓延速率的基本特征，包括均值、中位數(shù)、最大值和最小值等。根據(jù)坡度相同寬度不同的蔓延速率數(shù)據(jù)對比，及坡度不同寬度相同的蔓延速率對比，尋求床層寬度對變坡條件下林火蔓延速率的影響。根據(jù)實驗條件，計算三個經(jīng)典林火坡度蔓延模型的預測結果，與實驗結果進行對比，尋求本實驗與經(jīng)典研究之間是否存在差異，以及床層寬度的變化對經(jīng)典模型預測結果是否存在影響（表1）。

2 結果與分析

2. 1點燒跡地分析

通過1號攝像機，拍攝各點燒場次的燃燒過程，對不同燃燒階段的圖像進行定格截取，將定格圖片組合在一起，用以展示各點燒場次火線的蔓延過程（圖2～圖4）。

2. 2 床層寬度對蔓延速率的影響分析

將不同實驗臺角度與三種床層寬度進行組合，在其他點燒條件完全一致的前提下記錄火焰點燒速率。通過標桿記錄法、熱電偶峰值觀測及視頻圖像分析等方法，可使每場記錄的火焰蔓延速率盡可能準確。每個床層寬度與角度的組合點燒兩次，取平均值。圖5為三種床層寬度在不同角度條件下燃燒速率的對比情況。床層寬度在較為平緩的地形上對林火蔓延速率影響不大，隨著實驗臺角度的增加，床層寬度越寬蔓延速率越高，且角度在30°時的林火蔓延速率出現(xiàn)了斷崖式增長。

2. 3 現(xiàn)有模型適用分析

將本研究中的實驗臺角度帶入三個經(jīng)典的坡度林火蔓延速率預測模型中，即Canadian FBP模型[ 6 ]、McArthur模型[ 7 ]和Rotherrmel模型[ 8 ]，其中Rotherrmel模型還需帶入可燃物床層壓縮比這一數(shù)據(jù)。分別計算出該三種模型在四種不同坡度條件下的坡度因子值，再與本研究中對應坡度條件下的三個（燃燒層寬度分別為1、2、3 m）實測坡度因子值進行對比。由圖6可以看出，含有野外實驗的McArthur模型與其他兩個模型預測曲線存在小幅差異，而通過室內小型點燒實驗獲得數(shù)據(jù)的Canadian FBP模型與Rotherrmel模型的預測結果則幾乎一致。本研究的實測坡度因子值在燃燒角度較小時與現(xiàn)有模型預測結果基本一致，當坡度達到20°時開始出現(xiàn)輕微差異，坡度30°時差異則較為明顯，由其是床層寬度為3 m的坡度因子值，在坡度30°時其實測值遠大于三個現(xiàn)有模型的預測結果。另外由圖可見，隨著坡度的增加，林火蔓延速率陡增，床層寬度對林火蔓延速率坡度因子值的影響也更為明顯，床層寬度越寬坡度因子值越大。

3 結論與討論

床層寬度對火線燃燒形狀影響不大，火線燃燒形狀主要取決于坡度值，坡度越大火線前端越尖銳，坡度越小則越平滑。從圖5中可以看出，較低角度中床層寬度為3 m的林火蔓延速率也要低于較高角度中床層寬度為1 m的林火蔓延速率，可見床層寬度對林火蔓延速率的影響遠低于坡度對林火蔓延速率的影響，但隨著坡度的增加，床層寬度對林火蔓延速率的正向影響變得逐漸明顯。綜上所述，床層寬度帶來的額外熱輻射會更多地影響至火線側翼，與火線中心的火頭部分交互作用不大，故對林火蔓延速率影響有限。但坡度為30°、床層寬度為3 m的點燒場次，其實測林火蔓延速率遠高于床層寬度為1 m和2 m的點燒場次。結合整體數(shù)據(jù)，認為坡度點燒實驗中，在20°～30°之間存在一個坡度閾值，當坡度值大于該閾值時，林火蔓延速率會呈現(xiàn)斷崖式增長，閾值前后應當使用不同的林火速率蔓延模型，且隨著坡度的增加，床層寬度對林火蔓延速率的影響逐漸增強。

將實驗中實測坡度因子值與各經(jīng)典坡度模型預測值進行對比可見，坡度在0～20°、床層寬度1～3 m時的燃燒情況與現(xiàn)有預測模型相近。30°坡度時實測值相較現(xiàn)有模型預測值則有大幅提升，這說明在某些坡度閾值外經(jīng)典模型的預測結果存在一定的局限性。相關現(xiàn)有研究指出：坡度較大時，火焰依靠坡度大幅減小了與燃燒床的夾角，增強了火焰輻射能力，進而加快了蔓延速率[ 9 ]；隨著坡度不斷增加，火焰前后溫度場的不對稱和空氣卷吸能力的差異引起斜坡風，斜坡風不能穿透火焰面，火焰前方只存在微弱的逆向（與火蔓延方向相反）卷吸氣流，斜坡風使火焰進一步向前傾斜并持續(xù)促進燃燒，形成類似外界風的效果[ 4 ]。隨著坡度逐步增大，斜坡風也隨之迅速增強，這也解釋了較低坡度下的火焰面相對豎直而較高坡度下的火焰會產生向前傾斜的現(xiàn)象。以上理論與本研究的實驗結果相符，即隨著坡度的增加，坡度閾值外的模型預測值應遠遠小于林火實際蔓延速率。圖6中為坡度30°床層寬3 m的點燒場次，其實測坡度因子值遠高于床層寬度為1 m和2 m的點燒場次，且嚴重偏離現(xiàn)有模型的預測結果。這與前面提到的林火蔓延速率坡度閾值相似，當坡度值大于某一閾值時，床層寬度對坡度因子預測值存在顯著影響。

現(xiàn)有相關實驗多在室內無風或弱風條件下進行，且對坡度閾值的研究不夠深入。本研究的結果也表明，床層寬度只有在坡度較大時才會產生一定影響，且床層寬度本身也存在介于2～3 m之間的閾值。野外實地研究斜坡及火線寬度對林火蔓延速率的影響仍然十分必要，且野火會出現(xiàn)室內實驗無法模擬的火旋（fire whirls）等極端火行為[ 10 ]，此類坡度條件下真實火場的林火蔓延預測還有待進一步研究。

參考文獻

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