林火基础理论解析课件

林火生态与管理

ForestFireEcologyandManagement林学院牛树奎niushukui@126.com196011906192022/11/231林火生态与管理

ForestFireEcologyan第二章林火基础理论

BasicTheoryofForestFire第一节森林燃烧的基本规律第二节森林可燃物第三节森林火源第四节林火环境第五节林火行为2022/11/232第二章林火基础理论

BasicTheoryofFo第五节林火行为

ForestFireBehavior一、火行为特征二、火行为指标三、火场特性四、林火种类五、影响火行为的主要因素2022/11/233第五节林火行为

ForestFireBehavior火行为（firebehavior）是森林燃烧的重要指标。火行为是指森林可燃物被点燃后，火在蔓延和发展过程中所表现出的现象和特征。它受可燃物类型、火环境和火源条件的制约和控制。火行为也是火的瞬时特征和火灾发展过程中的整体特征的描述指标。火在其发生和发展过程中，由于受可燃物、地形、天气条件的影响，表现出各种各样的火行为特性。林火的外在表现是极其复杂的，但也有内在的规律性。掌握林火行为的规律性，预测林火发生和蔓延的特征和发展动向，可为森林防火、灭火、用火的决策提供科学依据。火行为（firebehavior）是森林燃烧的重要指标。一、火行为特征火行为特征是理解和研究火行为的基础。特点：可见性瞬间变化除内在因素，主要受风速和坡度的影响主要包括火焰特征和火蔓延特征一、火行为特征火行为特征是理解和研究火行为的基础。（一）火焰特征（平地、坡地；有风、无风）1.平地无风2022/11/236（一）火焰特征（平地、坡地；有风、无风）2022/10/112.平地有风火焰高度（h）；火焰长度（L）；火焰深度（D）2022/11/2372.平地有风2022/10/1173.坡地（有风和无风）2022/11/2383.坡地（有风和无风）2022/10/118（二）火蔓延模型一场森林火灾在发展过程中，各火行为指标随着火后的时间推移而发生变化。一般来讲，一个点着火后，起初蔓延速度和火强度都较小，逐渐加大到最大值。轻型可燃物（如草类等）达到最大速度只需10～20分钟；重型可燃物（如采伐剩余物等）则需要几个小时。由于可燃物的状况、热能释放速度、地形、天气状况的影响，表现出各种各样的火蔓延特征。假定在均匀一致的可燃物条件下，对林火蔓延形成的火场形状起主要作用的是风和地形的影响。2022/11/239（二）火蔓延模型2022/10/1191.典型的火蔓延模型火头（head）；火翼（flank）；火尾（rear）2022/11/23101.典型的火蔓延模型2022/10/11102.火场形状的变化（1）平地无风（剖面和平面）2022/11/23112.火场形状的变化2022/10/11112022/11/23122022/10/1112（2）平地有风椭圆形；扇形2022/11/2313（2）平地有风2022/10/11133.山地条件下山谷；山脊；支脉；坡度变化2022/11/23143.山地条件下2022/10/1114二、火行为指标蔓延速度火强度火焰高度火烧持续时间火场面积与周边长火烈度二、火行为指标蔓延速度（一）蔓延速度（RateofSpread）蔓延速度是在单位时间内，火向前移动的距离，单位是m/min、ft/min、km/hr等。在实际火场中，根据所在的火场位置可以划分：火头速度，或顺风火速度火尾速度，或逆风火速度火侧（翼）速度，火侧风火速度实际上，在任何方向上，都有的蔓延速度2022/11/2316（一）蔓延速度（RateofSpread）2022/101.王正非林火蔓延速度R---林火蔓延速度（m/min）

R0---水平无风时火的初始蔓延速度（m/min）

KW---风速更正系数

KS---可燃物配置格局更正系数

θ---地面平均坡度（）

I0为无风是的火强度（）

l

为着火点到火头的距离（m）

H为可燃物热值（）

W0为可燃物负荷量

Wr为潜在可燃物负荷量2022/11/2317风速m/s123456789101112KW2.04.15.06.07.18.5可燃物类型枯枝落叶厚度0-4cm枯枝落叶厚度4-9cm枯草地KS10.7-0.91.5-1.81.王正非林火蔓延速度2022/10/1117风速m/s122.澳大利亚草地火蔓延模型麦克阿瑟（McArthur）等人1960年以来当M<18.8%时当18.8%≤M≤30%时F为火蔓延指标；W为可燃物负荷量（t/hm2）；M为可燃物含水率（%）；V为距地面10m高的平均风速（m/min）。2022/11/23182.澳大利亚草地火蔓延模型2022/10/11183.加拿大林火蔓延模型是依据加拿大林火天气指标中的初始蔓延指标（ISI）得来的，针对加拿大的16个可燃物类型，在同一天气条件下，每个可燃物类型都有一个特定的ISI。当ISI≤20时，当ISI>20时，2022/11/23193.加拿大林火蔓延模型2022/10/11194.罗森迈尔（Rothermel）林火蔓延速度模型1972年，1981年基本假设：直径8cm以下，均匀的混合物应用了“似稳态”的概念，各方面的条件保持不变式中R为火蔓延速度（ft/min），IR为火反应强度（Btu/ft2min-1），ξ为传播通量比率，Φw和Φs分别为风系数和坡度系数，ρb为可燃物容积密度（lb/ft3），ε为有效加热系数，Qig为点燃单位重量可燃物需要的热量（预引燃热量）（Btu/lb）。2022/11/23204.罗森迈尔（Rothermel）林火蔓延速度模型2022/（二）火强度（FirelineIndensity）1.Byram公式火强度一般是指火线强度（firelineindensity），是指单位火线长度，单位时间内释放的热量，单位是Btu/ft.s-1、kw/m等。1959年，美国物理学家勃兰姆（Byram）提出了火线强度的计算公式：I=HWR式中：I---fireindensityinBtupersecondperfootoffirefront(Btu/(ft.s))H---heatyieldinBtuperpoundoffuel(Btu/lb)W---weightofavailablefuelinpoundspersquarefoot(lb/ft2)R---rateofspreadinfeetpersecond

(ft/s)火强度的公制公式：I=0.007HWRI=HWR/600=0.001667HWR√式中：I---kw/mH---J/gW---t/haR----m/min2022/11/2321（二）火强度（FirelineIndensity）20222.用火焰长（高）度计算火线强度1954年，勃兰姆Lf=0.45I0.46

I=5.67Lf2.17式中，Lf为火焰长度，ft；I=Btu/ft.s-1

1980年，罗森迈尔等人，改写为法定单位Lf=0.237I0.46

I=258Lf2.17L=0.077476I0.46式中，火焰长度，m；火强度，kW/m1983年，昌特莱尔等人提出用火焰高度计算火强度I=273hf2.17式中，I，kW/m；hf为火焰高度，m

2022/11/23222.用火焰长（高）度计算火线强度2022/10/11223.用火的反应强度计算火强度单位面积上的热量释放速度为反应强度。1976年，阿尔巴尼提出反应强度和火线强度之间的关系式：I=IRDIR=I/D式中，IR，kW/m2；D为火焰深度，m；I，kW/m4.用烧焦高度计算火强度1973年，纷•韦格尔提出树冠烧焦高度与火线强度之间的关系式：hs=0.1483I2/3

I=0.173hs1.5式中，hs，m；I，kw/m2022/11/23233.用火的反应强度计算火强度2022/10/11235.火面强度单位面积上释放出来的热量，称为火面强度英制：HA=60I/R式中，HA，btu/ft2；I，Btu/ft/s公制：HA=681I/R式中，kJ/m2；kW/m2022/11/23245.火面强度2022/10/1124（三）火烧持续时间火烧持续时间的长短与火的温度高低对于活的可燃物的影响是不同的。火烧持续时间由下式计算：

式中：S=火持续时间（min）D=火纵深度（m）R=火蔓延速度（m/min）2022/11/2325（三）火烧持续时间2022/10/1125（四）火场面积模型和周长模型1.安德烈的林火蔓延双椭圆模型（1983）火场面积周边长式中：详见教材76页图2-202022/11/2326（四）火场面积模型和周长模型2022/10/11262.前苏联阿莫索夫的林火蔓延面积公式式中：V1、V2、V3分别是顺风、侧风、逆风火的蔓延速度（m/min）；t是火发生后的时间（min）。2022/11/23272.前苏联阿莫索夫的林火蔓延面积公式2022/10/11273.加拿大的火行为计算公式火蔓延面积

火场周边长上两式中：V、U、W分别是顺风、侧风、逆风火的蔓延速度（m/min）；t是火发生后的时间（min）；K是基于（V+W）/2U的常数。2022/11/23283.加拿大的火行为计算公式2022/10/1128（六）火烈度1.火烈度的概念火烈度是指火破坏森林生态系统的程度，是王正非先生在80年代提出来的。王正非先生认为火烈度与火强度成正比，与火的蔓延速度的平方根成反比。式中：P为树木损伤率，%；b为树种抗火能力系数；I是火强度；R为火蔓延速度。2022/11/2329（六）火烈度2022/10/1129郑焕能先生认为：火对生态系统的影响表现在三个方面：能量释放多少；能量释放速度；火烧持续时间。由于火的种类不同，火强度和火烈度表现出四种相关性：火强度大，火烈度也大，如强度树冠火火强度大，火烈度小，如急进地表火火强度小，火烈度大，如地下火火强度小，火烈度小，如一般地表火郑焕能先生认为：火对生态系统的影响表现在三个方面：2.表达方法（1）火烧前后的蓄积量变化式中：PM为火烈度（%）；M0、M1分别为火烧前的蓄积量（m3）（2）火烧前后林木株数的变化式中：PN为火烈度（%）；N0、N1分别为火烧前后的林木株数2.表达方法3.火烈度等级王正非以烧死林木的%划分火烈度级别：等级林木死亡率（%）火灾影响程度一级0-5无损失，轻微地表火二级6-201-2年影响生长，一般地表火三级21-41部分树种更替，地表火、树干火四级41-80树种全部更替，树干火、部分树冠火五级81-100毁灭性，狂燃大火3.火烈度等级等级林木死亡率（%）火灾影响程度一级0-5无损三、火场特性（一）对流柱⒈低能量火，火线强度在3500kW/m以下，火焰高度在3.5以下一般属于中、低度火⒉高能量火，火线强度大于3500kW/m，火焰高度在3.5m以上，一般属于高强度地表火和树冠火，形成对流柱2022/11/2333三、火场特性（一）对流柱2022/10/1133（二）高能量火特征1.对流柱：2-7km；塔状；蘑菇帽2.跳跃式火团：燃烧着的可燃物的抬升3.爆发火：有低能量火转变为高能量火时的火行为4.飞火（spotting，spotfire）：高空飞落在前方的火点5.火旋风（flamewhile）：高速旋转的火焰涡旋6.火爆（blowup）：多个飞火形成的爆炸式燃烧7.高温热流：看不见的高温高速热流（三）高能量火的火行为模型详见教材85-86页（二）高能量火特征四、林火种类林火种类（KindsofForestFires）是对森林燃烧状况划分的燃烧类型。林火种类是林火行为的一个重要指标，对正确估计森林火灾的危害和后果以及实施林火扑救工作具有重要意义。19世纪初，俄国人就将林火划分为地下火、地表火、树冠火三类。20世纪初，苏联特卡钦科（М.Е.ТКАЧЕНКО）划分为四类：地下火、地表火、树冠火和树干火。2022/11/2335四、林火种类林火种类（KindsofForestFir50年代，苏联聂斯切洛夫（В．Г．Нестеров）又细分为六类：急进树冠火、稳进树冠火、急进地表火、稳进地表火、腐殖质火和泥炭火。建国以来，我国一直也采用这种划分方法。1976年，加拿大范·瓦格纳（C.E.VanWagner）按火强度划分为九类：轻度地表火、中度地表火、强度地表火、冲冠火、依赖树冠火、活动树冠火、独立树冠火、大火和火爆。1992年，郑焕能等按林火的蔓延特点、火燃烧部位、火蔓延速度和火强度（火焰高度）将林火划分为六大类20种。2022/11/233650年代，苏联聂斯切洛夫（В．Г．Нестеров）又细分为（一）树冠火1.急进树冠火2.稳进树