林火生態與管理

ForestFireEcologyandManagement林學院牛樹奎niushukui@126.com196011906192023/6/31第二章林火基礎理論

BasicTheoryofForestFire第一節森林燃燒的基本規律第二節森林可燃物第三節森林火源第四節林火環境第五節林火行為2023/6/32第五節林火行為

ForestFireBehavior一、火行為特征二、火行為指標三、火場特性四、林火種類五、影響火行為的主要因素2023/6/33火行為（firebehavior）是森林燃燒的重要指標。火行為是指森林可燃物被點燃后，火在蔓延和發展過程中所表現出的現象和特征。它受可燃物類型、火環境和火源條件的制約和控制。火行為也是火的瞬時特征和火災發展過程中的整體特征的描述指標。火在其發生和發展過程中，由于受可燃物、地形、天氣條件的影響，表現出各種各樣的火行為特性。林火的外在表現是極其復雜的，但也有內在的規律性。掌握林火行為的規律性，預測林火發生和蔓延的特征和發展動向，可為森林防火、滅火、用火的決策提供科學依據。一、火行為特征火行為特征是理解和研究火行為的基礎。特點：可見性瞬間變化除內在因素，主要受風速和坡度的影響主要包括火焰特征和火蔓延特征（一）火焰特征（平地、坡地；有風、無風）1.平地無風2023/6/362.平地有風火焰高度（h）；火焰長度（L）；火焰深度（D）2023/6/373.坡地（有風和無風）2023/6/38（二）火蔓延模型一場森林火災在發展過程中，各火行為指標隨著火后的時間推移而發生變化。一般來講，一個點著火后，起初蔓延速度和火強度都較小，逐漸加大到最大值。輕型可燃物（如草類等）達到最大速度只需10～20分鐘；重型可燃物（如采伐剩余物等）則需要幾個小時。由于可燃物的狀況、熱能釋放速度、地形、天氣狀況的影響，表現出各種各樣的火蔓延特征。假定在均勻一致的可燃物條件下，對林火蔓延形成的火場形狀起主要作用的是風和地形的影響。2023/6/391.典型的火蔓延模型火頭（head）；火翼（flank）；火尾（rear）2023/6/3102.火場形狀的變化（1）平地無風（剖面和平面）2023/6/3112023/6/312（2）平地有風橢圓形；扇形2023/6/3133.山地條件下山谷；山脊；支脈；坡度變化2023/6/314二、火行為指標蔓延速度火強度火焰高度火燒持續時間火場面積與周邊長火烈度（一）蔓延速度（RateofSpread）蔓延速度是在單位時間內，火向前移動的距離，單位是m/min、ft/min、km/hr等。在實際火場中，根據所在的火場位置可以劃分：火頭速度，或順風火速度火尾速度，或逆風火速度火側（翼）速度，火側風火速度實際上，在任何方向上，都有的蔓延速度2023/6/3161.王正非林火蔓延速度R---林火蔓延速度（m/min）

R0---水平無風時火的初始蔓延速度（m/min）

KW---風速更正系數

KS---可燃物配置格局更正系數

θ---地面平均坡度（）

I0為無風是的火強度（）

l

為著火點到火頭的距離（m）

H為可燃物熱值（）

W0為可燃物負荷量

Wr為潛在可燃物負荷量2023/6/317風速m/s123456789101112KW2.04.15.06.07.18.5可燃物類型枯枝落葉厚度0-4cm枯枝落葉厚度4-9cm枯草地KS10.7-0.91.5-1.82.澳大利亞草地火蔓延模型麥克阿瑟（McArthur）等人1960年以來當M<18.8%時當18.8%≤M≤30%時F為火蔓延指標；W為可燃物負荷量（t/hm2）；M為可燃物含水率（%）；V為距地面10m高的平均風速（m/min）。2023/6/3183.加拿大林火蔓延模型是依據加拿大林火天氣指標中的初始蔓延指標（ISI）得來的，針對加拿大的16個可燃物類型，在同一天氣條件下，每個可燃物類型都有一個特定的ISI。當ISI≤20時，當ISI>20時，2023/6/3194.羅森邁爾（Rothermel）林火蔓延速度模型1972年，1981年基本假設：直徑8cm以下，均勻的混合物應用了“似穩態”的概念，各方面的條件保持不變式中R為火蔓延速度（ft/min），IR為火反應強度（Btu/ft2min-1），ξ為傳播通量比率，Φw和Φs分別為風系數和坡度系數，ρb為可燃物容積密度（lb/ft3），ε為有效加熱系數，Qig為點燃單位重量可燃物需要的熱量（預引燃熱量）（Btu/lb）。2023/6/320（二）火強度（FirelineIndensity）1.Byram公式火強度一般是指火線強度（firelineindensity），是指單位火線長度，單位時間內釋放的熱量，單位是Btu/ft.s-1、kw/m等。1959年，美國物理學家勃蘭姆（Byram）提出了火線強度的計算公式：I=HWR式中：I---fireindensityinBtupersecondperfootoffirefront(Btu/(ft.s))H---heatyieldinBtuperpoundoffuel(Btu/lb)W---weightofavailablefuelinpoundspersquarefoot(lb/ft2)R---rateofspreadinfeetpersecond

(ft/s)火強度的公制公式：I=0.007HWRI=HWR/600=0.001667HWR√式中：I---kw/mH---J/gW---t/haR----m/min2023/6/3212.用火焰長（高）度計算火線強度1954年，勃蘭姆Lf=0.45I0.46

I=5.67Lf2.17式中，Lf為火焰長度，ft；I=Btu/ft.s-1

1980年，羅森邁爾等人，改寫為法定單位Lf=0.237I0.46

I=258Lf2.17L=0.077476I0.46式中，火焰長度，m；火強度，kW/m1983年，昌特萊爾等人提出用火焰高度計算火強度I=273hf2.17式中，I，kW/m；hf為火焰高度，m

2023/6/3223.用火的反應強度計算火強度單位面積上的熱量釋放速度為反應強度。1976年，阿爾巴尼提出反應強度和火線強度之間的關系式：I=IRDIR=I/D式中，IR，kW/m2；D為火焰深度，m；I，kW/m4.用燒焦高度計算火強度1973年，紛?韋格爾提出樹冠燒焦高度與火線強度之間的關系式：hs=0.1483I2/3

I=0.173hs1.5式中，hs，m；I，kw/m2023/6/3235.火面強度單位面積上釋放出來的熱量，稱為火面強度英制：HA=60I/R式中，HA，btu/ft2；I，Btu/ft/s公制：HA=681I/R式中，kJ/m2；kW/m2023/6/324（三）火燒持續時間火燒持續時間的長短與火的溫度高低對于活的可燃物的影響是不同的。火燒持續時間由下式計算：

式中：S=火持續時間（min）D=火縱深度（m）R=火蔓延速度（m/min）2023/6/325（四）火場面積模型和周長模型1.安德烈的林火蔓延雙橢圓模型（1983）火場面積周邊長式中：詳見教材76頁圖2-202023/6/3262.前蘇聯阿莫索夫的林火蔓延面積公式式中：V1、V2、V3分別是順風、側風、逆風火的蔓延速度（m/min）；t是火發生后的時間（min）。2023/6/3273.加拿大的火行為計算公式火蔓延面積

火場周邊長上兩式中：V、U、W分別是順風、側風、逆風火的蔓延速度（m/min）；t是火發生后的時間（min）；K是基于（V+W）/2U的常數。2023/6/328（六）火烈度1.火烈度的概念火烈度是指火破壞森林生態系統的程度，是王正非先生在80年代提出來的。王正非先生認為火烈度與火強度成正比，與火的蔓延速度的平方根成反比。式中：P為樹木損傷率，%；b為樹種抗火能力系數；I是火強度；R為火蔓延速度。2023/6/329鄭煥能先生認為：火對生態系統的影響表現在三個方面：能量釋放多少；能量釋放速度；火燒持續時間。由于火的種類不同，火強度和火烈度表現出四種相關性：火強度大，火烈度也大，如強度樹冠火火強度大，火烈度小，如急進地表火火強度小，火烈度大，如地下火火強度小，火烈度小，如一般地表火2.表達方法（1）火燒前后的蓄積量變化式中：PM為火烈度（%）；M0、M1分別為火燒前的蓄積量（m3）（2）火燒前后林木株數的變化式中：PN為火烈度（%）；N0、N1分別為火燒前后的林木株數3.火烈度等級王正非以燒死林木的%劃分火烈度級別：等級林木死亡率（%）火災影響程度一級0-5無損失，輕微地表火二級6-201-2年影響生長，一般地表火三級21-41部分樹種更替，地表火、樹干火四級41-80樹種全部更替，樹干火、部分樹冠火五級81-100毀滅性，狂燃大火三、火場特性（一）對流柱⒈低能量火，火線強度在3500kW/m以下，火焰高度在3.5以下一般屬于中、低度火⒉高能量火，火線強度大于3500kW/m，火焰高度在3.5m以上，一般屬于高強度地表火和樹冠火，形成對流柱2023/6/333（二）高能量火特征1.對流柱：2-7km；塔狀；蘑菇帽2.跳躍式火團：燃燒著的可燃物的抬升3.爆發火：有低能量火轉變為高能量火時的火行為4.飛火（spotting，spotfire）：高空飛落在前方的火點5.火旋風（flamewhile）：高速旋轉的火焰渦旋6.火爆（blowup）：多個飛火形成的爆炸式燃燒7.高溫熱流：看不見的高溫高速熱流（三）高能量火的火行為模型詳見教材85-86頁四、林火種類林火種類（KindsofForestFires）是對森林燃燒狀況劃分的燃燒類型。林火種類是林火行為的一個重要指標，對正確估計森林火災的危害和后果以及實施林火撲救工作具有重要意義。19世紀初，俄國人就將林火劃分為地下火、地表火、樹冠火三類。20世紀初，蘇聯特卡欽科（М.Е.ТКАЧЕНКО）劃分為四類：地下火、地表火、樹冠火和樹干火。2023/6/33550年代，蘇聯聶斯切洛夫（В．Г．Нестеров）又細分為六類：急進樹冠火、穩進樹冠火、急進地表火、穩進地表火、腐殖質火和泥炭火。建國以來，我國一直也采用這種劃分方法。1976年，加拿大范·瓦格納（C.E.VanWagner）按火強度劃分為九類：輕度地表火、中度地表火、強度地表火、沖冠火、依賴樹冠火、活動樹冠火、獨立樹冠火、大火和火爆。1992年，鄭煥能等按林火的蔓延特點、火燃燒部位、火蔓延速度和火強度（火焰高度）將林火劃分為六大類20種。2023/6/336（一）樹冠火1.急進樹冠火2.