全 文 ：平地无风条件下蒙古栎阔叶床层的火行为域.
火焰长度和驻留时间影响因子分析与预测模型*
张吉利摇 刘礴霏摇 邸雪颖摇 褚腾飞摇 金摇 森**
(东北林业大学林学院, 哈尔滨 150040)
摘摇 要摇 以帽儿山地区蒙古栎凋落叶的含水率、载量和床层高度为控制变量,模拟野外凋落
叶床层状态,进行了 100 次平地无风条件下的室内点烧试验,分析含水率、载量和床层高度对
火焰长度和驻留时间的影响,并建立了多元线性预测模型. 结果表明: 含水率与火焰长度呈
极显著线性负相关(P<0. 01),与驻留时间的线性关系并不显著(P>0. 05);载量、床层高度与
火焰长度和驻留时间均呈极显著线性正相关(P<0. 01) .床层高度与含水率、载量的交互作用
对火焰长度有显著影响;含水率与载量、床层高度的交互作用对驻留时间有显著影响.火焰长
度预测模型的预测效果较好,能解释火焰长度 83. 3%的变异,平均绝对误差为 7. 8 cm,平均
相对误差为 16. 2% ;驻留时间预测模型的效果略差,仅能解释驻留时间 54%的变异,平均绝
对误差为 9. 2 s,平均相对误差为 18. 6% .
关键词摇 火行为摇 火焰长度摇 驻留时间摇 含水率摇 载量摇 床层高度
文章编号摇 1001-9332(2012)11-3149-08摇 中图分类号摇 S762摇 文献标识码摇 A
Fire behavior of Mongolian oak leaves fuel bed under no鄄wind and zero鄄slope conditions. 域.
Analysis of the factors affecting flame length and residence time and related prediction mod鄄
els. ZHANG Ji鄄li, LIU Bo鄄fei, DI Xue鄄ying, CHU Teng鄄fei, JIN Sen (College of Forestry, Northeast
Forestry University, Harbin 150040, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2012,23(11): 3149-3156.
Abstract: Taking fuel moisture content, fuel loading, and fuel bed depth as controlling factors, the
fuel beds of Mongolian oak leaves in Maoershan region of Northeast China in field were simulated,
and a total of one hundred experimental burnings under no鄄wind and zero鄄slope conditions were con鄄
ducted in laboratory, with the effects of the fuel moisture content, fuel loading, and fuel bed depth
on the flame length and its residence time analyzed and the multivariate linear prediction models
constructed. The results indicated that fuel moisture content had a significant negative liner correla鄄
tion with flame length, but less correlation with flame residence time. Both the fuel loading and the
fuel bed depth were significantly positively correlated with flame length and its residence time. The
interactions of fuel bed depth with fuel moisture content and fuel loading had significant effects on
the flame length, while the interactions of fuel moisture content with fuel loading and fuel bed depth
affected the flame residence time significantly. The prediction model of flame length had better pre鄄
diction effect, which could explain 83. 3% of variance, with a mean absolute error of 7. 8 cm and a
mean relative error of 16. 2% , while the prediction model of flame residence time was not good
enough, which could only explain 54% of variance, with a mean absolute error of 9. 2 s and a mean
relative error of 18. 6% .
Key words: fire behavior; flame length; residence time; moisture content; load; fuel bed depth.
*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
2012鄄01鄄22 收稿,2012鄄08鄄21 接受.
摇 摇 火焰的几何形状是重要的林火行为指标,是估 计火焰辐射和对流情况的基础,也是确定地表火与
树冠火之间转换的重要参数[1-3] . 平地无风条件的
火焰形状取决于火焰长度和火焰宽度(reaction zone
depth).火焰宽度一般通过驻留时间与蔓延速率的
乘积获取.火焰长度易于直接观测,常被用来估计林
应 用 生 态 学 报摇 2012 年 11 月摇 第 23 卷摇 第 11 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, Nov. 2012,23(11): 3149-3156
火强度,如 Byram[4]提出通过火焰长度估测火线强
度(fire line intensity)的方法已被美国国家火险等级
系统(NFDRS) [5]和 Behave 系统[6]所应用;Nelson
和 Adkins[7]对 Byram公式的参数进行了修正,使其
更适用于有风状态下火线强度的预测;周建军等[8]
对火焰长度、火焰高度相互间的变化和影响进行研
究,并比较了以这两个火行为指标估测火强度的适
用性.驻留时间直接影响火焰宽度,进而影响着扑火
难易程度,它也是衡量林火对森林生态系统破坏程
度和过火林木死亡率的重要火行为指标,驻留时间
较短时,林火主要影响森林中植物的地上部分,反之
将影响到植物的地下部分和土壤有机质. 驻留时间
还是地表火与树冠火之间转换的重要判据[9-10] . 因
此,准确预测火焰长度和驻留时间对于估测火后树
木死亡率具有重要意义. 目前虽然对这两个指标的
研究有所开展[11-14],但远不如对蔓延速度等的研
究[8,15] .
蒙古栎(Quercus mongolica)广泛分布于大、小兴
安岭、张广才岭和三江平原,既是原始红松(Pinus
koraiensis)针阔混交林和兴安落叶松( Larix gmeli鄄
nii)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[16-18] .蒙古栎约占帽
儿山地区可燃物类型面积的 18% ,其凋落叶在该区
阔叶树种中的燃烧性最强、分解速度最慢 (分解
95%需 8 年) [19-20],加之该地区冬季寒冷干燥、春秋
季多大风天气[21-22],发生森林火灾的可能性及火灾
造成的危害性较大. 本文基于蒙古栎阔叶床层室内
点烧试验,对平地无风条件下蒙古栎阔叶床层火焰
长度和驻留时间的基本特征,以及含水率、载量和床
层高度对蒙古栎阔叶床层火焰长度和驻留时间的影
响进行研究,分析了蔓延速率与火焰长度和驻留时
间的相关性,并建立了蒙古栎阔叶床层的火焰长度
和驻留时间预测模型,旨在明确蒙古栎可燃物的火
行为特征 郾
1摇 材料与方法
1郾 1摇 试验材料采集
试验材料为蒙古栎凋落叶,采于东北林业大学
帽儿山试验林场,详见文献[22].
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.在野外调查中发现,风干后的蒙古栎凋落叶
含水率普遍在 15% ~ 20% ;受地形因素的影响,凋
落叶载量在 3 ~ 7 t·hm-2,床层高度在 2 ~ 10 cm.为
在室内模拟蒙古栎凋落叶的野外状态,铺设不同含
水率、载量和高度组合的均匀蒙古栎阔叶床层,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 和 7
t·hm-2),可燃物床层高度设 4 个处理(4、6、8 和
10 cm),共构建 5伊5伊4 = 100 个阔叶床层,进行 100
次点烧试验,试验方法详见文献[22]. 火焰长度采
用标杆法测量,沿火焰蔓延方向以火焰后缘和火焰
顶端间的距离作为火焰长度观测值. 蔓延达到“似
稳态冶后开始数据测量并记录. 火头每次到达标杆
都测量一次火焰长度,共测量 10 次,取算术平均值
作为最终的火焰长度观测值. 当含水率较低而火强
度较大时,火焰波动较大,根据试验录像对火焰长度
进行较正,以减小火焰波动过程中的观测误差.火焰
宽度测量方法与火焰长度相似,沿蔓延方向测量火
焰后缘与火焰前缘间的距离.驻留时间按下式[23]计
算:
子 = 60D / R (1)
式中:子为观测驻留时间(s);D 为火焰宽度(m);R
为蔓延速率(m·min-1).点烧时实验室内温度范围
在 23 ~ 28 益,空气相对湿度范围在 59% ~78% .
1郾 3摇 数据处理
首先对 100 次点烧试验的火焰长度和驻留时间
进行基本的统计分析,明确其统计特征.其次计算这
两个指标与蔓延速率、含水率、载量和床层高度的相
关系数,利用方差分析法分析含水率、载量和床层高
度及其两两交互作用对火焰长度和驻留时间的影
响,从而取得影响显著的因子. 再分别以含水率、载
量和床层高度为自变量,以火焰长度和驻留时间为
因变量绘制柱形图,具体分析控制变量在不同水平
下对火焰长度和驻留时间的影响.最后将 100 次点
烧数据按 4 颐 1 的比例随机分为两组,较多的一组以
方差分析中对火焰长度和驻留时间影响显著的因子
为自变量,利用 SPSS 软件建立多元线性预测模型;
较少的一组用于模型验证,并绘制实测值与模拟预
测值的对比散点图,计算平均绝对误差(MAE)和平
均相对误差(MRE),其计算公式如下:
MAE =
移
n
i = 1
| yi - y^i |
n (2)
MRE =
移
n
i = 1
|
yi - y^i
yi
|
n 伊 100% (3)
式中:yi、y^i 分别为观测值和预测值;n为样本数.
0513 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 1摇 火焰长度和驻留时间统计数据
Table 1摇 Statistics of flame length and residence time
参数
Parameter
样本数
Sample number
均值
Mean
标准差
Standard deviation
中位数
Median
最小值
Minimum
最大值
Maximum
百分位值 Percentile
25% 75%
火焰长度 Flame length (cm) 100 31郾 09 19郾 08 29郾 32 0郾 00 82郾 50 19郾 83 41郾 49
驻留时间 Residence time (s) 100 39郾 03 18郾 57 42郾 50 0郾 00 78郾 00 35郾 00 50郾 00
2摇 结果与分析
2郾 1摇 平地无风条件下蒙古栎阔叶床层的火焰长度
和驻留时间
由表 1 可以看出,点烧试验中,蒙古栎阔叶床层
的火焰长度在 0 ~ 82郾 5 cm,均值为 31郾 09 cm;火焰
驻留时间在 0 ~ 78 s,均值为 39郾 03 s.
2郾 2摇 平地无风条件下蒙古栎阔叶床层火焰长度和
驻留时间的影响因子
平地无风条件下蒙古栎阔叶床层蔓延速率与火
焰长度、驻留时间呈线性极显著相关(P = 0郾 000),
其中,蔓延速率与火焰长度的相关性较大,相关系数
为 0郾 929,而与驻留时间的相关性较小,相关系数为
0郾 528.这表明随火焰长度和驻留时间的增加所积累
的热量对蔓延速率的增加有明显的促进作用. 驻留
时间与含水率的相关关系不显著(P = 0郾 103),与其
他因子呈线性极显著相关(P = 0郾 000).火焰长度与
3 个控制变量均呈极显著线性相关(P = 0郾 000),其
中,与含水率的相关系数最大, 且为负相关
(-0郾 681),与蔓延速率、载量和床层厚度均呈正相
关关系(表 2).
摇 摇 含水率与驻留时间的线性相关性不显著(表
2),含水率对驻留时间的影响却极显著(P = 0郾 007,
表 3),由此可以推断含水率与驻留时间可能为非线
性关系.由表 3 可以看出,3 个影响因子对火焰长度
和驻留时间的影响并不独立,其中,床层高度对火焰
长度产生影响时与含水率(P = 0郾 004)、载量(P =
0郾 004)均存在极显著的交互作用,而含水率和载量
间的交互作用对火焰长度的影响并不显著 (P =
0郾 111);含水率对驻留时间产生影响时与载量(P =
0郾 005)、床层高度(P=0郾 006)均存在极显著的交互
作用,而载量和床层高度的交互作用对驻留时间的
影响并不显著(P=0郾 989).
摇 摇 可燃物载量和床层高度固定时,火焰长度随含
水率的增加呈明显下降趋势,含水率为 5%时,火焰
长度达最大值,含水率为 20%和 25%时,火焰长度
最小并有火焰熄灭的现象发生;驻留时间随含水率
的变化呈上下波动,且变化趋势不明显(图 1).可燃
物含水率和床层高度固定时,火焰长度随可燃物载
量的增加普遍呈上升趋势,载量为 7 t·hm-2时,火
焰长度达最大值,熄灭主要发生在载量为 3 和 4
t·hm-2时;驻留时间随载量增加而增大的变化趋势
比较明显(图2) . 可燃物含水率和载量固定时,火
表 2摇 火焰长度、驻留时间与蔓延速率、含水率、载量、床层
高度的相关系数
Table 2摇 Correlation coefficients of flame length and resi鄄
dence time with rate of spread, fuel moisture, fuel loading
and fuel bed depth
参数
Parameter
火焰长度
Flame length
驻留时间
Residence time
蔓延速率 Rate of spread 0郾 929** 0郾 528**
含水率 Fuel moisture -0郾 681** -0郾 164
载量 Fuel loading 0郾 410** 0郾 487**
床层高度 Fuel bed depth 0郾 444** 0郾 400**
**P<0郾 001郾
表 3摇 火焰长度和驻留时间影响因子的方差分析
Table 3摇 Variance analysis on affecting factors of flame length and residence time
变异来源
Source of variation
驻留时间 Residence time
自由度
df
均方
Mean square
F P
火焰长度 Flame length
自由度
df
均方
Mean square
F P
含水率 Fuel moisture 4 540郾 62 4郾 02 0郾 007 4 4307郾 01 117郾 82 0郾 000
载量 Fuel loading 4 2195郾 92 16郾 32 0郾 000 4 1574郾 69 43郾 08 0郾 000
床层高度 Fuel bed depth 3 2029郾 10 15郾 08 0郾 000 3 2429郾 54 66郾 46 0郾 000
含水率伊载量 Fuel moisture 伊 Fuel loading 16 357郾 35 2郾 66 0郾 005 16 57郾 80 1郾 58 0郾 111
含水率伊床层高度
Fuel moisture 伊Fuel bed depth
12 371郾 06 2郾 76 0郾 006 12 105郾 71 2郾 89 0郾 004
载量伊床层高度
Fuel loading 伊 Fuel bed depth
12 38郾 73 0郾 29 0郾 989 12 106郾 61 2郾 92 0郾 004
驻留时间调整后 R2 =0郾 695,火焰长度调整后 R2 =0郾 884 Residence time adjusted R2 was 0郾 695, flame length adjusted R2 was 0郾 884郾
151311 期摇 摇 摇 张吉利等: 平地无风条件下蒙古栎阔叶床层的火行为域.火焰长度和驻留时间影响因子分析与预测模型
图 1摇 可燃物含水率对火焰长度和驻留时间的影响(全部 100 次点烧试验数据)
Fig. 1摇 Impact of fuel moisture on flame length and residence time (data of 100 experimental fires)郾
焰长度随可燃物床层高度的增高呈明显上升趋势,
床层高度为 8 和 10 cm时,火焰长度达到最大值,载
量为 3 t·hm-2时,床层高度的各个水平均存在熄灭
现象;驻留时间随床层高度的变化趋势与火焰长度
相似,但受影响程度没有火焰长度明显(图 3).
2郾 3摇 平地无风条件下蒙古栎阔叶床层火焰长度和
驻留时间的预测模型
由表 4 可以看出,蒙古栎阔叶床层火焰长度和
驻留时间的预测模型均达显著水平.其中,火焰长度
模型能解释火焰长度 83郾 3% 的变差,其 MAE 和
MRE都较小,预测精度较高;驻留时间预测模型的
拟合效果稍逊于火焰长度模型,调整后的 R2较小
(0郾 540),模型中的变量只能解释驻留时间 54%的
变差,但其 MAE和 MRE也相对较小,也可以认为模
型有较高的预测精度.
摇 摇 蒙古栎阔叶床层火烧试验中,火焰长度实测值
与模拟值的线性相关系数为 0郾 860,相关关系极显
著(P<0郾 01),说明模拟值与观测值间线性相关性较
2513 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 2摇 可燃物载量对火焰长度和驻留时间的影响(全部 100 次点烧试验数据)
Fig. 2摇 Impact of fuel loading on flame length and residence time (data of 100 experimental fires)郾
强,除 2 个异常点外,其余散点均在 y = x 两侧均匀
分布;驻留时间实测值与模拟值的线性相关系数为
0郾 584,且相关关系极显著(P<0郾 01),但散点分布相
对集中、不均匀,并且预测结果偏低(图 4).
351311 期摇 摇 摇 张吉利等: 平地无风条件下蒙古栎阔叶床层的火行为域.火焰长度和驻留时间影响因子分析与预测模型
图 3摇 可燃物床层高度对火焰长度和驻留时间的影响(全部 100 次点烧试验数据)
Fig. 3摇 Impact of fuel bed depth on flame length and residence time (data of 100 experimental fires)郾
表 4摇 火焰长度和驻留时间预测模型的相关参数和误差
Table 4摇 Parameters and error of prediction models of flame length and residence time
模型方程
Model equation and parameter
F检验值
F test value
P 调整后 R2
Adjusted R2
平均绝对误差
MAE
平均相对误差
MRE (% )
LF =23郾 469+0郾 726L-1郾 251M+0郾 569D+0郾 711LD-0郾 059MD 79郾 588 0郾 000 0郾 833 7郾 8 cm 16郾 2
子R =56郾 617-2郾 914L-4郾 626M+0郾 339D+0郾 654ML+0郾 157MD 19郾 537 0郾 000 0郾 540 9郾 2 s 18郾 6
LF:火焰长度 Flame length; 子R:驻留时间 Residence time; M:可燃物含水率 Fuel moisture; D:可燃物床层厚度 Fuel bed depth; L:可燃物床层载量
Fuel bed load郾
4513 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 4摇 火焰长度和驻留时间实测值与模拟值的对比
Fig. 4 摇 Comparison of observed and predicted values of flame
length and residence time郾
3摇 讨摇 摇 论
本研究的点烧试验中,可燃物含水率、载量和床
层高度显著影响火焰长度和驻留时间. 火焰长度和
驻留时间与含水率呈负相关,与载量、床层高度和蔓
延速率呈正相关.床层高度与含水率、载量的交互作
用对火焰长度有显著影响;含水率与载量、床层高度
的交互作用对驻留时间有显著影响. 以方差分析后
的显著因子为自变量建立的火焰长度预测模型能够
解释火焰长度 83郾 3% 的变差,平均绝对误差为
7郾 8 cm,平均相对误差为 16郾 2% ;驻留时间预测模
型仅能解释驻留时间 54%的变差,平均绝对误差为
9郾 2 s,平均相对误差为 18郾 6% .
Bradstock和 Gill[24]对野外草丛的点烧研究发
现,火焰高度与草丛高度和草本直径呈正相关;
Mendes鄄Lopes 等[12]及 Scott 和 Burgan[25]的研究表
明,可燃物含水率的升高对火焰长度有明显抑制作
用,而且在细小( fine fuel)可燃物上的表现尤为明
显.含水率与火焰长度呈负相关主要是由于含水率
高时,热解速率慢、可燃物消耗量少、产生的热解气
体少,导致火焰长度小.本文中关于床层高度和含水
率对火焰长度影响的研究结果与文献[12,24-25]
基本一致,但本研究中模型采用更多的变量,对其影
响因子的分析相对更全面. 对火焰高度或火焰长度
进行研究时存在局限性,主要表现为火焰本身的波
动性、火焰顶端非常不稳定,测量需要考虑其上下波
动的距离[13] .较早的研究发现,火焰在比较均匀的
液体燃料池中的波动期为 0郾 2 ~ 1郾 2 s,而在草和松
针构成的燃烧床上的波动期为 0郾 17 ~ 0郾 33 s,这种
波动在试验过程中造成的误差很难估计[26-27] .本文
采取单次试验重复测量的方法来减小因火焰波动性
造成的观测值误差,而没有采用估测“波动距离平
均值冶的方式,但哪种方式对减小误差更有效还有
待进一步对比研究.
一些研究认为,驻留时间与可燃物颗粒大小存
在一定关系,表面积体积比较大的可燃物驻留时间
较小[14,28],这些研究只根据可燃物直径或可燃物表
面积体积比来计算驻留时间[14] . Burrows[29]对比了
“近柱状冶可燃物(如针叶可燃物和树枝)的直径和
阔叶可燃物厚度与驻留时间的关系,并分别建立了
两类可燃物的驻留时间预测模型. 按照上述研究计
算,蒙古栎叶片的驻留时间应为 11 ~ 12 s(表面积体
积比按 61郾 5 cm-1),这显然低估了驻留时间.上述研
究针对单独的可燃物枝条或叶片,而本研究对象是
由多个叶片组成的、具有一定厚度的可燃物床层,床
层的驻留时间显然大于单个叶片的燃烧时间,这是
上述模型低估驻留时间的重要原因. 上述模型仅考
虑了可燃物几何尺寸对驻留时间的影响,没有考虑
其他可燃物特征的影响,存在着一定的局限性. Nel鄄
son[30]从物质和能量转换的角度出发建立了驻留时
间预测模型,从机理上分析了影响驻留时间的各个
因子,但因模型较复杂而较少应用.本文模型比 Nel鄄
son[30]的方法简单,更适于估计具有一定结构的可
燃物床层的林火驻留时间,这在评价林火对森林生
态系统影响等工作中应具有一定的应用价值.
本文所建模型可基本反映含水率、载量和床层
高度对蒙古栎阔叶床层火焰长度和驻留时间的影响
和作用.本文没有加入风和坡度这 2 个影响因子,在
以后的研究中应逐步加入,并加强与其他模型的比
较研究,以便完善后在野外应用.
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作者简介摇 张吉利,男,1986 年生,硕士研究生.主要从事林
火模型研究,发表论文 2 篇. E鄄mail: xtafktj@ 126. com
责任编辑摇 杨摇 弘
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