全 文 ：平地无风条件下蒙古栎阔叶床层的火行为
玉.蔓延速率影响因子与预测模型*
金摇 森**摇 刘礴霏摇 邸雪颖摇 褚腾飞摇 张吉利
(东北林业大学林学院, 哈尔滨 150040)
摘摇 要摇 以东北林业大学帽儿山实验林场蒙古栎次生林下的蒙古栎凋落叶片为材料,根据研
究地区同类可燃物的野外条件,在实验室内构建了不同载量、高度和含水率的可燃物床层,进
行 100 次平地无风条件下的点烧试验.结果表明:平地无风条件下蒙古栎阔叶床层的林火蔓
延速率不超过 0. 5 m·min-1;可燃物含水率、床层载量和高度对蒙古栎阔叶床层的林火蔓延
速率具有显著影响;含水率对林火蔓延速率的影响与可燃物床层高度、载量等无显著关系,而
可燃物床层高度对林火蔓延速率的影响与可燃物床层载量有关.可燃物床层压缩比对蒙古栎
阔叶床层的林火蔓延速率影响不大.以可燃物含水率、床层载量和高度为预测因子的林火蔓
延速率预测模型能解释 83%的林火蔓延速率变差,模型的平均绝对误差为 0. 04 m·min-1,平
均相对误差不超过 17% .
关键词摇 火行为摇 蔓延速率摇 含水率摇 床层高度摇 压缩比摇 蒙古栎
文章编号摇 1001-9332(2012)01-0051-09摇 中图分类号摇 S762摇 文献标识码摇 A
Fire behavior of Mongolian Oak leaves fuel鄄bed under no鄄wind and zero鄄slope conditions. I.
Factors affecting fire spread rate and modeling. JIN Sen, LIU Bo鄄fei, DI Xue鄄ying, CHU
Teng鄄fei, ZHANG Ji鄄li ( College of Forestry, Northeast Forestry University, Harbin 150040,
China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2012,23(1): 51-59.
Abstract: Aimed to understand the fire behavior of Mongolian oak leaves fuel鄄bed under field con鄄
dition, the leaves of a secondary Mongolian oak forest in Northeast Forestry University experimental
forest farm were collected and brought into laboratory to construct fuel鄄beds with varied loading,
height, and moisture content, and a total of 100 experimental fires were burned under no鄄wind and
zero鄄slope conditions. It was observed that the fire spread rate of the fuel鄄beds was less than
0. 5 m·min-1 . Fuel鄄bed loading, height, and moisture contents all had significant effects on the
fire spread rate. The effect of fuel鄄bed moisture content on the fire spread had no significant correla鄄
tions with fuel鄄bed loading and height, but the effect of fuel鄄bed height was related to the fuel鄄bed
loading. The packing ratio of fuel鄄beds had less effect on the fire spread rate. Taking the fuel鄄bed
loading, height, and moisture content as predictive variables, a prediction model for the fire spread
rate of Mongolian oak leaves fuel鄄bed was established, which could explain 83% of the variance of
the fire spread rate, with a mean absolute error 0. 04 m·min-1 and a mean relative error less than
17% .
Key words: fire behavior; spread rate; moisture content; fuel鄄bed depth; packing ratio; Quercus
mongolica.
*林业公益性行业科研专项(200804002)、教育部新世纪优秀人才
支持计划项目( NCET鄄10鄄0278)和中央高校基本科研业务费专项
(DL09CA15)资助.
**通讯作者. E鄄mail: jinsen2005@ 126. com
2011鄄04鄄26 收稿,2011鄄10鄄09 接受.
摇 摇 蒙古栎(Quercus mongolica)主要分布在我国的
东北三省、内蒙古和河北省北部,地跨寒温带、温带
和暖温带[1] .在黑龙江省,蒙古栎广泛分布于大、小
兴安岭、张广才岭和三江平原,其既是原始红松
(Pinus koraiensis)针阔混交林和兴安落叶松( Larix
gmelinii)林中的重要伴生树种,也是人为和自然干
扰后形成的次生林的重要建群树种[2-3] . 蒙古栎叶
片宽大,秋季停止生长后叶片短期不脱落,极易燃
应 用 生 态 学 报摇 2012 年 1 月摇 第 23 卷摇 第 1 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jan. 2012,23(1): 51-59
烧,特别是大兴安岭南部反复干扰后形成的蒙古栎
矮林,易形成树冠火. 因此,蒙古栎林是黑龙江林区
乃至该树种其他分布区内的重要可燃物类型. 明确
蒙古栎火行为特征,对于做好森林火险预报、提高森
林火灾扑救效率和更好地分析林火对森林生态系统
的影响十分必要[4] .
目前,林火行为研究在国内外已广泛开展[5-8] .
火行为模型一般可分为物理、半物理和实验统计模
型 3 类[9-11] .物理模型普适性好,但要求较高的计算
能力,在目前的技术条件下,难以广泛应用[12] .实验
统计模型或半物理模型目前应用较多[12-14],如 Ro鄄
thermel模型[15]、加拿大火行为模型[16-18]、澳大利亚
火行为模型[19-20]等. 对于一个地区而言,如果建立
这种模型,必须对区域内主要可燃物类型的火行为
进行系统的点烧试验研究,明确不同可燃物床层条
件和环境条件下的火行为特征. 以往关于蒙古栎林
分燃烧性的研究较多[21-24],但对其林火行为的直接
研究还很少.田晓瑞等[25]对吉林延边地区典型蒙古
栎林进行了低强度点烧试验,研究了火烧对相应森
林生态系统的影响,为该类型可燃物的火行为研究
提供了重要信息.但总体来讲,对蒙古栎火行为的研
究还不充分,尚需系统和深入研究.
野外可燃物往往由不同种类的针叶、阔叶和其
他组分组成,其火行为受这些组分的火行为影
响[15,26] .明确这些组分的火行为是建立准确的混合
可燃物模型的基础[27] . 为此,本文对蒙古栎阔叶组
成的可燃物床层的火行为进行实验室内点烧试验,
对平地无风条件下蒙古栎阔叶床层林火蔓延速率的
基本特征进行分析,确定了影响蒙古栎阔叶床层林
火蔓延速率的主要因子,并分析这些因子对林火蔓
延速率的影响是否相关,最后建立了蒙古栎阔叶床
层的林火蔓延速率预测模型,以期为建立更符合野
外条件的火行为预测模型提供基础数据.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 试验材料采集
试验材料为凋落的蒙古栎叶片,采于东北林业
大 学 帽 儿 山 试 验 林 场 ( 45毅18忆42. 95义 N,
127毅37忆15郾 38义 E)的蒙古栎次生林. 该林场位于黑
龙江省尚志市最西部,距哈尔滨市约 100 km,属长
白山系支脉张广才岭西北部小岭的余脉,境内最高
峰为帽儿山,海拔 805 m,平均海拔 300 m.研究区属
温带大陆性气候,年均气温 2. 8 益,1 月(日均气温
-18 ~ -23 益)最冷,7 月(日均气温 21 ~ 22 益)最
热;年均降水量 723. 8 mm,降水集中在 6—8 月,年
蒸发量1093. 9 mm. 采集叶片的林分以蒙古栎为优
势树种,蒙古栎的平均胸径 23. 2 cm,平均树高
12. 6 m,林下地表可燃物以蒙古栎凋落叶为主,叶
片已蜷曲,最大可燃物床层深度达 10 cm.
1郾 2摇 室内点烧试验
点烧试验在东北林业大学帽儿山森林防火实验
室进行.燃烧床尺寸为 2 m伊2 m. 燃烧床水平放置,
模拟平地无风条件下的燃烧. 在燃烧床一端固定有
一点火槽,放入酒精后点燃,可迅速形成一条火线.
点烧前在试验地的蒙古栎林下采集蒙古栎落叶,同
时测定可燃物的载量、厚度等特征;然后在实验室内
模拟这些可燃物的野外状态,铺设不同含水率、载量
和高度组合的、均匀的蒙古栎阔叶床层,其中,可燃
物含水率设 5 个水平 ( 5% 、 10% 、 15% 、 20% 、
25% ),载量设 5 个水平(3、4、5、6、7 t·hm-2),可燃
物床层高度设 4 个处理 (4、6、8、10 cm),共构建
5伊5伊4 =100 个阔叶床层,进行 100 次点烧试验. 每
次点烧中,在点燃以后,火头呈一条直线向前蔓延,
当火蔓延达到“似稳态冶 (quasi鄄steady state)时开始
记录燃烧时间和火焰高度,采用标杆法测量火蔓延
速率[28-30],用摄像机在床层正面及侧面记录整个点
烧过程.采用烘干称量法,在 105 益的烘箱中烘干
24 h后测载量干质量.采用高精度快速水分测定仪
AND鄄ML50 测定含水率.
1郾 3摇 数据分析
首先分析蒙古栎阔叶床层林火蔓延速率的统计
特征,然后分析影响其蔓延速率的因子,在此基础上
建立蔓延预测模型.
1郾 3郾 1 蒙古栎阔叶床层林火蔓延的基本情况分析摇
通过对 100 次点烧试验数据的统计分析,得出蒙古
栎阔叶床层平地无风条件下林火蔓延速率的基本特
征,如均值、中数、最大和最小值等.
1郾 3郾 2 蒙古栎阔叶床层林火蔓延速率的影响因子分
析摇 1)可燃物含水率对林火蔓延速率的影响.用全
部点烧数据绘制蒙古栎阔叶含水率和林火蔓延速率
的散点图并计算其相关系数. 然后以载量(5 个水
平)和高度(4 个水平)为分类变量,将 100 次点烧试
验数据分为 5伊4 = 20 组,每组点烧实验的载量和高
度相同但含水率不同,以独立研究含水率对林火蔓
延速率的影响.分别绘制这 20 组数据的蒙古栎阔叶
含水率和林火蔓延速率的散点图并计算其相关系
数.比较分类散点图和全部数据散点图所表现出来
的含水率与林火蔓延速率之间的关系,分析蒙古栎
25 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
阔叶含水率对林火蔓延速率的影响及其与可燃物床
层载量和高度的关系.
2)蒙古栎阔叶床层载量对林火蔓延速率的影
响.与上述方法相同,只是采用可燃物含水率(5 个
水平)和高度(4 个水平)作为分类变量进行数据分
组,共 20 组分类数据.
3)蒙古栎阔叶床层高度对林火蔓延速率的影
响.与上述方法相同,只是采用可燃物含水率(5 个
水平)和载量(5 个水平)作为分类变量进行数据分
组,共 25 组分类数据.
4)蒙古栎阔叶床层压缩比对林火蔓延速率的
影响.可燃物床层压缩比是可燃物床层密度与颗粒
密度之比[15] .该指标对蔓延速率有影响,但压缩比
与床层载量和高度联系在一起,在试验中难以剥离
处理.可燃物床层载量和高度对林火蔓延速率的影
响分析中就隐含着压缩比对蔓延速率的影响,且该
条件下两者趋势一致.为此,本文仅用全部点烧实验
数据绘制可燃物床层压缩比和林火蔓延速率的散点
图并计算相关系数,进而综合分析压缩比对林火蔓
延速率的影响.
1郾 3郾 3 蒙古栎阔叶床层林火蔓延速率的预测模型摇
根据 1. 3. 2 分析所确定的对林火蔓延速率有影响的
因子,采用两种形式建模,一种是加式模型(additive
model),即整个模型由各因子对林火蔓延速率的影
响相 加 而 成; 一 种 是 乘 式 模 型 ( multiplicative
model),即整个模型由各因子对林火蔓延速率的影
响相乘而成[12],各个因子对蔓延的影响形式仍为线
性.本文的加式模型采用线性回归形式,要求各因子
之间不能存在强烈的相关,因此,载量和压缩比、高
度和压缩比不能同时出现在加式模型中,同时要考
虑各因子之间的交互作用,若一些因子之间的交互
作用显著,则将其加入模型中.采用逐步回归的方法
进行因子选择和建模.对于每个模型,进行 100 次的
交叉验证,即每次选择 1 次点烧试验的数据作为验
证数据,用其余 99 次点烧试验数据建模. 计算这
100 次验证的平均绝对误差(MAE)和平均相对误差
(MRE),其算式如下:
MAE =
移
n
i = 1
| R i - R j |
n
MRE =
移
n
i = 1
R i - R j
R i
n 伊 100%
式中:R i和 R j分别为实测和预测的蒙古栎阔叶床层
林火蔓延速率(m·min-1).
本研究设显著性水平为 琢 = 0. 05,极显著水平
为 琢=0. 01.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 蒙古栎阔叶床层林火蔓延速率的统计特征
试验地蒙古栎阔叶床层的林火蔓延速率在 0 ~
0. 48 m·min-1,平均值为 0. 2 m·min-1,从 75%的
区间值看,多数点烧试验的林火蔓延速率小于
0郾 3 m·min-1,可燃物床层的压缩比在 0. 01 ~ 0. 03
(表1).在100次点烧试验中,有14次没有持续燃烧,
其中 9次的可燃物含水率为 25%,其余 5 次为 20%,
这些不燃试验的床层载量一般不超过 4 t·hm-2 .
2郾 2摇 蒙古栎阔叶床层林火蔓延速率的影响因子
2郾 2郾 1 蒙古栎阔叶含水率对林火蔓延速率的影响摇
从图 1 可以看出,含水率对蒙古栎阔叶床层蔓延速
率具有显著的阻滞作用. 可燃物载量 3 t·hm-2、床
层高度 10 cm条件下含水率与蔓延速率不相关,主
要原因是其中一次试验没有持续燃烧;对于其他 19
组试验,除可燃物载量 6 t·hm-2、床层高度 4 cm 以
及可燃物载量 3 t·hm-2、床层高度 6 cm 条件下含
水率与蔓延速率的关系极显著相关外,其他 17 组点
烧试验中含水率与蔓延速率均呈显著负相关关系,
且这些拟合直线的斜率比较相近(图 2). 表明试验
地蒙古栎阔叶床层蔓延速率与含水率的关系在不同
载量和高度的可燃物床层条件下基本一致,说明蒙
表 1摇 点烧试验和蔓延速率的统计数据
Table 1摇 Statistics of experimental fires and spread rate (n=100)
因子
Fctor
均值
Mean
中数
Median
标准差
Standard
deviation
最小值
Minimum
最大值
Maximum
25%区间值
25% interval
value
75%区间值
75% interval
value
蔓延速率 Spread rate (m·min-1) 0. 20 0. 19 0. 12 0 0. 48 0. 15 0. 28
可燃物含水率 Fuel moisture content (% ) 15 15 7. 1 5 25 10 20
载量 Fuel loading ( t· hm-2) 5 5 1. 4 3 7 4 6
床层高度 Fuelbed depth (cm) 7 7 2. 2 4 10 5 9
压缩比 Packing ratio 0. 02 0. 01 0. 01 0. 01 0. 03 0. 01 0. 02
351 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 金摇 森等: 平地无风条件下蒙古栎阔叶床层的火行为 I.蔓延速率影响因子与预测模型摇 摇
图 1摇 林火蔓延速率与可燃物含水率之间的关系
Fig. 1摇 Relationship between spread rate and fuel moisture (n=
100).
古栎阔叶含水率对林火蔓延速率的影响与床层的载
量、高度无明显的依赖关系.图 2 中个别的含水率与
蔓延速率弱相关为试验测量误差所致. 图2中各小
图的压缩比不同,说明可燃物含水率对林火蔓延速
率的影响独立于床层压缩比. 由图 1 和图 2 的比较
发现,含水率对蒙古栎阔叶床层林火蔓延速率的影
响在两个尺度上基本一致,表现出较强的线性关系.
2郾 2郾 2 蒙古栎阔叶床层载量对林火蔓延速率的影响
摇 床层载量与蒙古栎阔叶床层林火蔓延速率呈显著
正相关,随载量的增加,蒙古栎阔叶床层的林火蔓延
速率增加(图 3). 不同可燃物床层高度和含水率条
件下可燃物床层载量与林火蔓延速率之间的关系比
较复杂,在 20 组试验中,只有 3 个达到显著水平,其
他试验中的可燃物载量与林火蔓延速率没有表现出
简单的线性关系(图 4). 不同高度和可燃物含水率
条件下载量与林火蔓延速率之间的相关系数对比分
析表明,随着可燃物床层高度的增加,可燃物载量对
林火蔓延速率的影响日益显著.对于蒙古栎阔叶床
图 2摇 不同可燃物床层载量和高度条件下林火蔓延速率与可燃物含水率之间的关系
Fig. 2摇 Relationship between spread rate and fuel moisture content of experimental fires under different fuel loads and depths.
A:可燃物载量 3 t·hm-2 Fuel load was 3 t·hm-2; B:可燃物载量 4 t·hm-2 Fuel load was 4 t·hm-2; C:可燃物载量 5 t·hm-2 Fuel load was
5 t·hm-2; D:可燃物载量6 t·hm-2 Fuel load was 6 t·hm-2; E:可燃物载量7 t·hm-2 Fuel load was 7 t·hm-2 . a)床层高度4 cm Fuel bed depth
was 4 cm; b)床层高度 6 cm Fuel bed depth was 6 cm; c)床层高度 8 cm Fuel bed depth was 8 cm; d)床层高度 10 cm Fuel bed depth was 10 cm.
下同 The same below.
45 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
图 3摇 林火蔓延速率与可燃物床层载量之间的关系
Fig. 3摇 Relationship between spread rate and fuel loading (n =
100).
层而言,尽管从统计上来讲,载量对林火蔓延速率有
显著影响(图 3),但在一定的可燃物床层条件下,两
者并未表现出这种趋势(图 4). 表明可燃物载量对
蔓延速率的影响比较复杂,两者之间的关系可能依
赖于其他床层条件,如可燃物含水率或床层高度或
压缩比等.
2郾 2郾 3 蒙古栎阔叶床层高度对林火蔓延速率的影响
摇 可燃物床层高度对蒙古栎阔叶床层林火蔓延速率
具有极显著影响,随可燃物床层高度的增加,蒙古栎
阔叶床层的林火蔓延速率增加(图 5). 不同可燃物
载量和含水率条件下床层高度与蒙古栎阔叶床层林
火蔓延速率之间的关系比较复杂,在 25 组试验中,
仅有 5 组达到了显著水平(图 6).尽管在一定的可
燃物床层条件下 (如含水率 5% 、载量 4 t·hm-2
等),蒙古栎阔叶床层林火蔓延速率与高度的关系
不紧密,但从统计或大量数据来看,高度仍对林火蔓
延速率具有显著影响.由图 6 可以看出,随着可燃物
床层载量的增加,床层高度对林火蔓延速率的影响
有增加趋势,表明高度对林火蔓延速率的作用可能
与载量有关.
图 4摇 不同可燃物含水率和床层高度条件下林火蔓延速率与可燃物载量之间的关系
Fig. 4摇 Relationship between spread rate and fuel loading of experimental fires under different moistures and fuel鄄bed depths.
玉:含水率 5%Moisture content was 5% ; 域:含水率 10% Moisture content was 10% ; 芋:含水率 15% Moisture content was 15% ; 郁:含水率 20%
Moisture content was 20% ; 吁:含水率 25%Moisture content was 25% . 下同 The same below.
551 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 金摇 森等: 平地无风条件下蒙古栎阔叶床层的火行为 I.蔓延速率影响因子与预测模型摇 摇
图 5摇 林火蔓延速率与可燃物床层高度之间的关系
Fig. 5 摇 Relationship between spread rate and fuel鄄bed depth
(n=100).
2郾 2郾 4 蒙古栎阔叶床层压缩比对林火蔓延速率的影
响摇 由图 7 可以看出,压缩比对林火蔓延速率没有
显著影响.可燃物床层的压缩比、床层载量和高度三
者之间有一定联系,对于载量和高度这两个变量,如
果其中一个变量保持不变,另一个变量的变化就与
压缩比同步,因此,可以用图 4 和图 6 来分析相应条
件下压缩比对蔓延速率的影响;但如果 3 个变量都
分别变化,三者之间的关系就比较复杂.对图 4、图 6
和图 7 进行比较发现,尽管从统计意义或平均意义
上讲,床层压缩比对林火蔓延速率的影响不显著,但
在一些特定条件下,压缩比对林火蔓延也具一定影
响,或者说,压缩比对林火蔓延的影响也可能与可燃
物的载量和高度等有关,也或者说后两者依赖于压
缩比.
2郾 3摇 蒙古栎阔叶床层林火蔓延速率的预测模型
本文中影响试验地蒙古栎阔叶床层林火蔓延速
率(R)的因子有可燃物含水率(M)、床层载量(L)、
床层高度(D),这 3 个因子之间的相关系数都不显
著,可以同时放到模型中. 因此,加式模型(线性模
型)中备选的变量为这 3 个变量和它们之间的交互
作用.经过逐步回归筛选,确定加式模型的自变量有
2个,为可燃物含水率以及床层高度和载量的交互
图 6摇 不同可燃物含水率和床层载量条件下林火蔓延速率与可燃物床层高度之间的关系
Fig. 6摇 Relationship between spread rate and fuel鄄bed depth of experimental fires under different fuel moistures and loadings.
65 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
表 2摇 两个林火蔓延速率模型的参数和误差
Table 2摇 Parameter and error of two fire spread models
模型方程
Model equation
F检验值
F test
value
P 调整后决定系数
Adjusted determination
coefficient
平均绝对误差
Mean absolute
error(m·min-1)
平均相对误差
Mean relative
error (% )
R=0. 300-0. 138M+0. 003DL F(2,97) = 246. 2 <0. 000 0. 832 0. 04 16. 5
R=(0. 804-0. 026M)(0. 178+0. 026D)(0. 862+0. 106L) - - 0. 805 0. 05 16. 7
R:蔓延速率 Spread rate (m·min-1);M:可燃物含水率 Fuel moisture content (% ); D:可燃物床层高度 Fuel bed depth (cm); L:可燃物床层载量
Fuel bed load (t·hm- 2) .
作用(表 2).该模型中的参数和统计检验为 100 次
点烧试验数据估计的结果,误差是 100 次交叉验证
的结果. 模型因子的选择进一步证实,可燃物含水
率对蔓延速率的影响与床层的其他特征无关,而床
层高度对蔓延速率的影响则与床层载量有关. 乘式
模型的形式为 R=(b0+b1M)(b2 +b3D)(b4 +b5L).从
表 2 的决定系数和误差情况来看,加式模型略优于
乘式模型.从图 8 可以看出,对于低于全部点烧试验
林火蔓延速率平均值(0. 2 m·min-1)的点烧试验,
该模型多数蔓延速率预测值偏低,对于较高的蔓延
速率(0. 2 ~ 0. 35 m·min-1),该模型预测偏高,而对
图 7摇 林火蔓延速率与可燃物床层压缩比之间的关系
Fig. 7摇 Relationship between spread rate and fuel鄄bed packing
ratio (n=100).
图 8摇 以含水率和床层载量为自变量的林火蔓延速率线性
预测模型的预测值和实测值
Fig. 8摇 Observed and predicted spread rate computed from the
model with fuel moisture and fuel鄄bed load as predictive varia鄄
bles.
于最快的若干蔓延速度(>0. 35 m·min-1),该模型预
测明显偏低.在使用该模型时应予以注意:对于蔓延
速率较小的林火,预测误差对实际工作影响不大;但
对于蔓延速率较快部分(>0. 35 m·min-1),这种偏低
的误差约在 0. 05 m·min-1,因此,当预测结果
>0. 35 m·min-1时,可增加 0. 05 m·min-1的修正量.
3摇 讨摇 摇 论
系统设计的室内点烧试验结果表明,平地无风
条件下试验地蒙古栎阔叶床层的林火蔓延速率不超
过 0. 5 m·min-1 .可燃物含水率、床层载量和高度对
蒙古栎阔叶床层的林火蔓延速率具有显著影响. 其
中,含水率对林火蔓延速率的影响与可燃物床层的
高度、载量等无显著关系,而可燃物床层高度对林火
蔓延速率的影响受可燃物床层载量的影响较大,但
可燃物载量对林火蔓延的影响与可燃物其他特征的
关系并不明确,需进一步研究.可燃物床层压缩比对
蒙古栎阔叶床层的林火蔓延速率影响不大. 以可燃
物含水率、床层载量和高度为预测因子的林火蔓延
速率预测模型能够解释 83%的林火蔓延速率变差,
模型的平均绝对误差为 0. 04 m·min-1,平均相对误
差不超过 17% .
田晓瑞等[25]在蒙古栎林中开展的点烧试验的
平均蔓延速率为 1. 7 m·min-1,远大于本研究结果.
原因在于田晓瑞等[25]的地表凋落物平均载量为
13. 9 t·hm-2,超过本研究的载量,且有风的影响
(尽管速度较低);根据本文关于林火蔓延速率和载
量关系的结论,田晓瑞等[25]的林火蔓延速率也应超
过本研究;前者的林下可燃物是不同组分的混合体,
不同于本研究所用的单纯的蒙古栎阔叶床层.
本文中可燃物含水率对林火蔓延速率的影响是
线性的,且与可燃物床层特征无关,这与相同条件下
开展的红松针叶床层上得到的结论相似[31],这种线
性影响与文献[32-33]的点烧试验结果也相似. 但
本文中含水率对蒙古栎阔叶床层蔓延速率的影响,
与红松针叶床层在全部试验数据和各分组数据所表
现的不一致.这可能与蒙古栎叶片较大,凋落后的叶
751 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 金摇 森等: 平地无风条件下蒙古栎阔叶床层的火行为 I.蔓延速率影响因子与预测模型摇 摇
子有蜷缩有关. 在构建床层时,内部结构的变异较
大,对试验结果也会有所影响.
本研究中有些点烧试验在 25%含水率时不燃,
有些在 20%含水率时就不燃,表明熄灭含水率与可
燃物床层的结构有关,与 Rothermel[15]研究中所采
用的固定熄灭含水率不同. 本研究中蒙古栎阔叶床
层在 100 次实验中有 14 次不能够持续燃烧,比红松
针叶床层出现的概率高[31] . 对于蒙古栎阔叶而言,
这些不能持续燃烧的床层的载量一般较小
(<4 t·hm-2),而对于红松针叶床层,那些不能持续
燃烧的床层的高度都较小. 这反映了导致不能持续
燃烧的两种不同的机理. 蒙古栎床层的不燃是因为
可燃物载量小,所产生的热量因在数量或速率上不
能达到将水分烤干所需的热量要求;而红松针叶床
层不燃是因为床层高度小,压缩比大,对热量传输有
影响,即使产生足够多和足够快的热量,但因结构的
影响,这些热不能及时供给需预热的可燃物,从而导
致不持续燃烧. 这些研究结果支持 Wilson[34]的结
论,即可燃物含水率对林火燃烧或蔓延持续性的影
响与可燃物床层结构有关.
可燃物床层的载量、高度和压缩比对林火蔓延
速率的影响比较复杂. 本研究中蒙古栎阔叶床层高
度对蔓延速率的影响与红松针叶床层[31]相似,但不
如红松针叶床层那样密切. 这种影响随着可燃物床
层载量的变化而变化,而红松针叶床层中这种影响
与床层载量无关.蒙古栎阔叶床层的载量对林火蔓
延速率有显著影响,这与 Anderson 等[35] 和 Wil鄄
son[34]所得结论一致. 压缩比对蒙古栎阔叶床层林
火蔓延速率没有显著影响,而对红松针叶床层的林
火蔓延则有显著影响,这些差异可能与两种可燃物
形状上的差异有关,需进一步研究.
环境因子(如温度和湿度)对火行为有一定影
响,这种影响主要通过影响可燃物的含水率动态和
预引燃热等体现出来,以影响可燃物含水率尤为重
要.本研究中实验室内温湿度,特别是同一控制因子
的点烧试验,其温湿度变化很小,且燃烧时间短,整
个可燃物床层的含水率比较均匀.因此,温湿度的影
响可以忽略,没有单独研究. 但在野外,当火场面积
较大时,不同点的可燃物含水率有所不同,应充分考
虑可燃物含水率的空间异质性.
本文建立的林火蔓延速率模拟模型基本反映了
点烧试验中对蒙古栎阔叶床层林火蔓延速率有影响
的因子对林火蔓延的影响和作用.目前,关于林火行
为的试验统计模型和半物理模型很多[15,36],今后应
开展这些模型与本模型的比较研究,以更好地理解
蒙古栎阔叶床层的林火蔓延过程和做好火行为预测
工作.风和地形对林火蔓延有很大影响,下一步将在
本研究基础上,研究风和地形的影响,从而使模型更
加完善,以便野外应用.
参考文献
[1]摇 Gao Z鄄T (高志涛), Wu X鄄C (吴晓春). Discussion of
geographic distribution of Mongolica forest. Protection
Forest Science and Technology (防护林科技), 2005
(2): 83-84 (in Chinese)
[2]摇 Liu H鄄R (刘洪儒). Resource status and management
countermeasures of Mongolia forest in Heilongjiang Prov鄄
ince. Forest Resources Management (林业资源管理),
1994(1): 56-57 (in Chinese)
[3]摇 Xu Z鄄Q (许中旗), Wang Y鄄H (王义弘). Mongolian
oak research progress. Hebei Journal of Forestry and Or鄄
chard Research (河北林果研究), 2002, 17(4): 365-
370 (in Chinese)
[4]摇 Shu L鄄F (舒立福), Tian X鄄R (田晓瑞), Ma L鄄T (马
林涛). The studies and application of forest fire ecolo鄄
gy. Forest Research (林业科学研究), 1999, 12(4):
422-427 (in Chinese)
[5]摇 Chai R鄄H (柴瑞海), Zhao Y鄄S (赵雨森), Du X鄄W
(杜秀文). Studies on predicting model of grassland fire
spread. Journal of Northeast Forestry University (东北
林业大学学报), 1988, 16(4): 90-93 (in Chinese)
[6]摇 Wang H鄄H (王海晖), Zhu J鄄P (朱霁平). A mathe鄄
matical model for estimating surface fire behavior. Fire
Safety Science (火灾科学), 1994, 3(1): 33-41 ( in
Chinese)
[7]摇 Zhong Z鄄R (钟占荣), Zhou J鄄J (周建军), Zou Y鄄H
(邹样辉), et al. Study on the model of wildland fire
spread. Fire Safety Science (火灾科学), 2001, 10
(2): 83-87 (in Chinese)
[8]摇 Tian X鄄R (田晓瑞), Wang M鄄Y (王明玉), Yin L
(殷摇 丽), et al. Fire behavior and consumption of fuel
loadings in spring season in southern Daxing 爷 an
Mountains. Scientia Silvae Sinicae (林业科学), 2009,
45(3): 90-95 (in Chinese)
[9]摇 Yuan C鄄M (袁春明), Wen D鄄Y (文定元). Outline of
forest fire behavior research. World Forestry Research
(世界林业研究), 2000, 12(6): 27-31 (in Chinese)
[10]摇 Tang X鄄Y (唐晓燕), Meng X鄄Y (孟宪宇), Yi H鄄R
(易浩若). Review and prospect of researches on forest
fire spreading models and simulating method. Journal of
Beijing Forestry University (北京林业大学学报),
2002, 24(1): 87-91 (in Chinese)
[11]摇 Wang M鄄Y (王明玉), Li T (李摇 涛), Ren Y鄄M (任
云卯), et al. Research advances in forest fire behavior
and special forest fire behaviors. World Forestry Re鄄
search (世界林业研究), 2009, 22(2): 45 -49 ( in
Chinese)
[12]摇 Sullivan AL. Wildland surface fire spread modeling,
1990-2007. 2: Empirical and quasi鄄empirical models.
85 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
International Journal of Wildland Fire, 2009, 18: 369-
386
[13]摇 Catchpole EA, Catchpole WR, Rothermel RC. Fire be鄄
havior experiments in mixed fuel complexes. Internation鄄
al Journal of Wildland Fire, 1993, 3: 45-57
[14]摇 McCaw LM. Predicting Fire Spread in Western Austral鄄
ian Mallee鄄heath Shrubland. PhD Thesis. Delft: Delft
University of New South Wales, 1997
[15]摇 Rothermel RC. A Mathematical Model for Predicting
Fire Spread in Wildland Fuels. Odgen, UT: USDA For鄄
est Service, Intermountain Forest and Range Experimen鄄
tal Station, Research Paper INT鄄115, 1972
[16]摇 Stocks BJ, Lawson BD, Alexander ME, et al. The Ca鄄
nadian system of forest fire danger rating. Conference on
Bushfire Modelling and Fire Danger Rating Systems,
Canberra, 1991: 195-211
[17] 摇 Forestry Canada Fire Danger Group. Development and
Structure of the Canadian Forest Fire Behavior Prediction
System. Ottawa: Forestry Canada Science and Sustain鄄
able Development Directorate, Information Report ST鄄X鄄
3, 1992
[18]摇 Taylor SW, Alexander ME. Science, technology, and
human factors in fire danger rating: The Canadian expe鄄
rience. International Journal of Wildland Fire, 2006,
15: 121-135
[19]摇 Cheney NP, Gould JS, Catchpole WR. Prediction of fire
spread in grasslands. International Journal of Wildland
Fire, 1998, 8: 1-13
[20]摇 Gould JS, McCaw WL, Cheney NP, et al. Project Ves鄄
ta鄄Fire in Dry Eucalypt Forest: Fuel Structure, Dynam鄄
ics and Fire Behavior. Canberra: CSIRO Ensis and De鄄
partment of Environment and Conservation, 2007
[21]摇 Tian X鄄R (田晓瑞), He Q鄄T (贺庆堂), Shu L鄄F (舒
立福). Application of cone calorimeter for the assess鄄
ment of the fire resistance of tree species. Journal of
Beijing Forestry University (北京林业大学学报),
2001, 23(1): 48-51 (in Chinese)
[22]摇 Shan Y鄄L (单延龙), Hu H鄄Q (胡海清), Shu L鄄F
(舒立福). Ordering and sorting of fire resistance of
tree leaves. Scientia Silvae Sinicae (林业科学), 2003,
39(1): 105-113 (in Chinese)
[23]摇 Lu F鄄Z (卢凤珠), Xu Y鄄B (徐跃标). Combustion
properties of Phyllostachys pubescens wood at different
ages. Journal of Zhejiang Forestry College (浙江林业
大学学报), 2005, 22(2): 198-202 (in Chinese)
[24]摇 Hu H鄄Q (胡海清), Ju L (鞠摇 琳). Fire resistance of
eight broadleaf woody species in Xiaoxing爷an Mountain.
Scientia Silvae Sinicae (林业科学), 2008, 44(5): 90
-95 (in Chinese)
[25]摇 Tian X鄄R (田晓瑞), Zhao F鄄J (赵风君), Li H (李摇
红). Influence of low intensity burning on Quercus mon鄄
golica forest in Changbai Mountain region. Journal of
Natural Disasters (自然灾害学报), 2007, 16(1): 66
-70 (in Chinese)
[26]摇 Zheng H鄄N (郑焕能). Forest Fire Prevention. Harbin:
Northeast Forestry University Press, 1992 (in Chinese)
[27]摇 Viegas DX, Miguel A, Ana IM, et al. Linear model for
spread rate and mass loss rate for mixed鄄size fuel beds.
International Journal of Wildland Fire, 2010, 19: 531-
540
[28]摇 Cui W鄄B (崔文彬), Qiao Q鄄Y (乔启宇), Niu S鄄K
(牛树奎). Test of combustion indexes, air velocity and
temperature in front of the surface fire. Journal of Bei鄄
jing Forestry University (北京林业大学学报), 1998,
20(5): 22-27 (in Chinese)
[29]摇 Wotton BM, McAlpine RS, Hobbs MW. The effects of
fire front width on surface fire behavior. International
Journal of Wildland Fire, 1999, 9: 247-253
[30]摇 Balbi JH, Santoni PA, Dupuy JL. Dynamic modeling of
fire spread across a fuel bed. International Journal of
Wildland Fire, 1999, 9: 275-284
[31]摇 Jin S (金摇 森), Chu T鄄F (褚腾飞), Di X鄄Y (邸雪
颖), et al. Study on factors and modelling of fire behav鄄
ior of fuelbed of Korean pine needles under no鄄wind and
zero鄄slope conditions. Journal of Northeast Forestry Uni鄄
versity (东北林业大学学报) (In press) (in Chinese)
[32]摇 Burrows N, Ward B, Robinson A. Fire behaviour in
spinifex fuels on the Gibson Desert Nature Reserve,
Western Australia. Journal of Arid Environments, 1991,
20: 189-204
[33]摇 Baeza M, DeLu侏s M, Ravent佼s J, et al. Factors influen鄄
cing fire behavior in shrublands of different stand ages
and the implications for using prescribed burning to
reduce wildfire risk. Journal of Environmental Manage鄄
ment, 2002, 65: 199-208
[34]摇 Wilson RA. Reexamination of Rothermel爷 s Fire Spread
Equations in No鄄wind and No鄄slope Conditions. Ogden,
Utah: Intermountain Forest and Range Experiment Sta鄄
tion, Forest Service, USDA, 1990
[35]摇 Anderson HE, Brackebusch RP, Mutch RW, et al.
Mechanisms of Fire Spread Research Progress Report
No. 2. Ogden, Utah: Intermountain Forest and Range
Experiment Station, Forest Service, USDA, 1966
[36]摇 Catchpole WR, Catchpole EA, Butler BW, et al. Rate
of spread of free鄄burning fires in woody fuels in a wind
tunnel. Combustion Science and Technology, 1998,
131: 1-37
作者简介 摇 金 摇 森,男,1970 年生,教授,博士生导师. 主要
从事森林防火研究,发表论文 40 余篇. E鄄mail: jinsen2005@
126. com
责任编辑摇 杨摇 弘
951 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 金摇 森等: 平地无风条件下蒙古栎阔叶床层的火行为 I.蔓延速率影响因子与预测模型摇 摇