22第二章 林火基础理论

章林火基础理论

BasicTheoryofForestFire

节森林燃烧的基本规律节森林可燃物节森林火源节林火环境节林火行为2021/5/91第二节森林可燃物

ForestFuel一、森林可燃物的燃烧性质二、可燃物种类三、树种易燃性和森林燃烧性四、可燃物类型2021/5/92森林可燃物森林可燃物（forestfuel）是指森林和林地上一切可以燃烧的物质，如树木的干、枝、叶、树皮；灌木、草本、苔藓、地表枯落物、土壤中的腐殖质、泥炭等。森林可燃物是森林火灾发生的物质基础。2021/5/93一、森林可燃物的燃烧性质可燃物的燃烧性质是由可燃物的物理性质和化学性质来决定的。物理性质有：可燃物的结构、含水率、发热量等；化学性质有：油脂含量、可燃气体含量、灰分含量等。（一）可燃物床层的结构可燃物床层（fuelbed）是指从土壤下层的矿质层起，上至植被顶端（树冠）之间的各种可燃物的综合体。可燃物床层中即有活可燃物、枯死可燃物，也包括土壤中的有机物质（腐殖质、泥炭、树根及各种小动物和微生物）。通常是指土壤表面以上的可燃物总体。可燃物结构主要是指可燃物床层中可燃物的负荷量、大小、紧密度、连续性等。2021/5/941.可燃物负荷量可燃物负荷量（fuelloading）是指单位面积上可燃物的绝干重量，单位是kg/m2、t/ha。又称可燃物载量1971年、福特·罗勃逊（FordRobertson）对可燃物进行定义：“可以点着和燃烧的任何物质或复杂的混合物”。从理论上讲，所有物质都可以燃烧，但在实际中有的物质在特定的林火中从来没有燃烧过，如大树的树干。所以，可燃物负荷量又可分①总可燃物负荷量②潜在可燃物负荷量②有效可燃物负荷量2021/5/952.可燃物的大小（粗细）可燃物的大小（Fuelsize）影响可燃物对外来热量的吸收。对于单位质量的可燃物来说，可燃物越小，表面积越大，受热面积大，接收热量多，水分蒸发快，可燃物越容易燃烧。常用表面积与体积比（surface-area-to-volumeratio）来衡量可燃物的粗细度。可燃物的表面积与体积比值越大，越容易燃烧。我们可以根据可燃物颗粒的形状，采用一定的计算方法，对各种可燃物的表面积与体积比值进行估测。可燃物的形状：圆柱形；半圆柱形；长方形；扇形柱等2021/5/963.可燃物的紧密度可燃物紧密度（Fuelcompactness）可燃物床层中可燃物颗粒自然状态下堆放的紧密程度。紧密度影响着可燃物床层中空气的供应，同时也影响火焰在可燃物颗粒间的热量传递。紧密度的计算公式如下：最适紧密度是火燃烧最充分时的紧密度。小于最适紧密度，氧气供应不足大于最适紧密度，可燃物连续性低2021/5/974.可燃物的连续性可燃物连续性（Fuelcontinuity）是指能够使火持续燃烧的可燃物连续分布状态。可燃物床层在垂直方向和水平方向上的分布的连续性对火行为有着极为重要的影响。①垂直连续性各层次之间的连接：地下可燃物（腐殖质、泥炭、根系等）、地表可燃物（枯枝落叶）、草本可燃物（草类、蕨类等）、中间可燃物（灌木、幼树等）、上层树冠可燃物（枝叶）②水平连续性各层次自身的水平各方向上的连接：如树间有100m的空隙，树冠火可下落成为地表火。2021/5/98（二）可燃物的含水量可燃物含水量（Fuelmoisturecontent，FMC）的度量方法可分为相对含水率和绝对含水率：相对含水率绝对含水率2021/5/991.可燃物含水量与易燃性FMC与可燃物的易燃性（inflammability）之间的关系十分密切，是影响可燃物燃烧的重要指标。枯死可燃物（deadfuel）和活可燃物（livefuel）的FMC差异很大，对燃烧的影响也不一样。枯死可燃物的含水量变化幅度较大，它们可吸收超过本身重量1倍以上的水，其变化范围为2-250%。一般情况下，当FMC超过35%时，不燃；25-35%时，难燃；17-25%时，可燃；10-16时，易燃；小于10%时，极易燃。活可燃物的含水量变化幅度不大，在75-250%之间。在干旱季节，为75-150%。活可燃物与树冠火的发生有关。当针叶FMC低于100%，常绿灌木叶丛FMC低于75%时，可发生猛烈的树冠火。2021/5/9102.平衡含水率平衡含水率（EquilibriumMoistureContent，EMC）是可燃物吸收大气中水分的速度与蒸发到大气中水分的速度相等时的可燃物含水率。在美国的国家火险等级系统（NationalFire-DangerRatingSystem，NFDRS）中，EMC通过相对湿度（RH）和温度（TEMP）由下式进行估测：RH<10%时：EMC=0.03229+0.281073RH-0.000578TEMP×RHRH>=10%，RH<50%时：EMC=2.22749+0.160107RH-0.014784TEMPRH>=50%：EMC=21.0606+0.005565RH2-0.00035RH×TEMP-0.483199RH2021/5/9113.可燃物时滞等级可燃物失去最初含水量和平衡含水量之差数的63％（即1-1/e）的水分所需的时间称为时滞（timelag）。美国国家火险等级系统（NFDRS）中根据可燃物的时滞范围将枯死可燃物划分为四个时滞等级（见表2-4）。2021/5/9124.熄灭含水率（临界含水量）熄灭含水率（moistureofextinction，MOE）是指在一定热源作用下可燃物能够维持有焰燃烧的最大含水率。又称临界含水率可燃物的MOEMOE取决于可燃物的化学组成。不同的可燃物种类，MOE有所不同。熄灭含水量越高的可燃物越容易燃烧，反之越不容易燃烧。大多数枯死可燃物的MOE为25-40%；大多数活可燃物的MOE为120-160%。FMC与MOE的关系FMC>MOE，可燃物不能燃烧FMC<MOE，可燃物能够被引燃着火，且二者差值越大，火险越大2021/5/913（三）热值（发热量）可燃物热值（CalorificValue，HeatYield，）是指在绝干状态下单位重量的可燃物完全燃烧时所放出的热量，单位有cal/g、kcal/kg、kJ/kg、J/g。确切定义：热值为1克物质，在1个大气压、25℃下，完全燃烧释放出的能量。非绝干状态下的单位质量的可燃物完全燃烧释放的热量，称为发热量（HeatContent）。（有水分的影响）2021/5/9141.热值等级一般情况下，物质的热值越高，释放的能量越多，反之，则越少。森林可燃物的热值范围在12.6-23.4kJ/g之间。可划分三个等级：14.7kJ/g以下为低热值，大多数为地衣、苔藓、蕨类和草本植物；14.7-18.8kJ/g为中热值，一般为阔叶树的枝、叶、木材等；18.8kJ/g以上为高热值，如针叶树的叶、枝、树皮、木材等。一般情况下，高热值的可燃物燃烧时释放的能量大，火强度大；低热值可燃物燃烧时释放的能量少，火强度小。2021/5/9152.不同种类可燃物的热值表2-5某些可燃物的热值（kJ/kg）2021/5/9163.FMC的变化直接影响可燃物的发热量发热量是指单位重量的可燃物完全燃烧时释放的热量。是含水率的函数。发热量与可燃物含水量的多少成反比。可燃物发热量与含水量之间有如下关系：式中：Mf为可燃物含水量，%；Q为为在Mf下的可燃物发热量，kJ/kg；Q0为不含水时可燃物的热值，kJ/kg；Vb为可燃物中水分的蒸发潜热，kJ/kg。木材的含水量越高，发热量越低，见表2-6。表2-6木材热值与含水量的关系2021/5/917（四）抽提物（油脂）含量抽提物是粗脂肪，它包括脂肪、游离脂肪酸、蜡、磷酸脂、芳香油、色素等脂溶性物质的总称。油脂是俗称。油脂含量越高的树种越易燃，特别是含挥发油的植物更易燃。1.抽提物含量等级抽提物含量的多少是可燃物易燃性的重要指标。抽提物含量低于2%时，为低含量；3-5%为中含量；6%以上为高含量。一般来说，针叶树含脂量较高，阔叶树含脂量较少；树叶含脂量较高，枝条的含脂量较少；木本植物含脂量较高，草本植物含脂量较少。2.抽提物含量的计算油脂含量（%）＝（油脂重量／样品绝干重量）×100挥发油含量（毫升／100克）＝挥发油毫升数／样品鲜重2021/5/918（五）灰分物质含量灰分物质含量是指可燃物中的矿物质的含量。各种矿物质通过催化纤维素的某些早期反应，对燃烧有明显的影响。它们增加木炭的生成和减少焦油的形成，可大大降低火焰的活动。1.灰分含量及等级一般情况下，可燃物灰分低于5%时为低灰分含量；5-10%时为中灰分含量；高于10%时为高灰分含量。2.灰分中SiO2含量在灰分物质中二氧化硅的含量对燃烧的逆相关更加明显。即二氧化硅含量越多，可燃物越不易燃。2021/5/919（六）可燃气体含量森林可燃物可燃气体是有焰燃烧的源泉。可燃气体充足，火焰高，火强度大。不同植物，热分解时产生的气体中，可燃性气体的比例不一样。一般乔木树种的可燃性气体总量为最高，在20-50%；其次是草本可燃物，含量在10-30%；最小是灌木可燃物，在10-20%；地衣和苔藓在7-20%。2021/5/920二、可燃物种类可燃物种类（fuelkinds）的不同，着火的难易程度不一样。细小可燃物（finefuel，如枯落叶、枯草等）容易干燥易于引燃，成为森林火灾的引火物，森林火灾大多是森林火源引燃细小枯死可燃物从而引发森林火灾。体积较大的可燃物（如树木、灌木、采伐剩余物等）含有较多的水分，不易引燃，但被引燃后能释放出大量的能量，是森林火灾的主要能量来源。2021/5/921可燃物的种类、配置、结构不同，发生火灾后的林火种类也不一样。草地、灌丛、落叶阔叶林一般发生地表火；常绿针叶林、个别常绿阔叶林（桉树林）由于叶富含油脂易燃常常发生树冠火；土壤中的腐殖质和泥炭，只有在天气极端干旱的条件下，才能燃烧而形成地下火。林内垂直连续分布，可使地表火转变成树冠火2021/5/922（一）根据地被物的种类划分1.地表枯枝落叶层（litter）：①上层：当年的落叶②下层：一年以前的落叶2.地衣（lichen）易燃3.苔藓（mosses）难燃4.草本植物（herb）①易燃草本：禾本科、莎草科、及部分菊科等阳性杂草。②难燃草本：毛茛科、百合科、酱草科、虎耳草科等。5.灌木（bush，shrubs）①易燃灌木：胡枝子、绣线菊、偃松、兴安、西伯利亚等。②难燃灌木：鸭脚木、越桔、接骨木、榛子、白丁香等。6.乔木（trees）①易燃乔木：针叶树和带油脂的阔叶树（如桉树）②难燃乔木：阔叶树（落叶、常绿）和落叶松7.林地杂乱物（slash）枯死可燃物，易燃2021/5/923（二）根据可燃物燃烧的难易程度划分⒈危险可燃物在一般情况下，容易着火，燃烧快，如地表的干枯杂草、枯枝、落叶、树皮、地衣、苔藓等。⒉缓慢燃烧可燃物一般是粗大的重型可燃物，如枯立木、腐殖质、泥炭、树根、大枝桠、倒木等。⒊难燃可燃物指正在生长的草本植物、灌木和乔木。2021/5/924（三）根据可燃物在林内的位置划分⒈地下可燃物（groundfuel）⒉地表可燃物（surfacefuel，1.5m以内）⒊空中可燃物（aerialfuel，abovegroundfuel，1.5m以上）2021/5/925（四）按可燃物含水率的变化性质划分⒈活可燃物（LiveFuel）叶、小枝(D<1cm)、大枝（1cm<D<10cm）、干（D>10cm）⒉死可燃物（DeadFuel）美国：时滞等级：1时滞可燃物；10时滞可燃物；100时滞可燃物；1000时滞可燃物加拿大：FFMC；DMC；DC2021/5/926三、树种易燃性和森林燃烧性（一）树种易燃性和森林燃烧性的概念1.树种易燃性（或称种类易燃性）树种易燃性（speciesflammability）是指森林中的各树种或可燃物种类在森林火灾中所表现出燃烧的难易程度，是对森林中某一树种燃烧特性的相对的定性描述，一般可划分三个等级：易然、可燃、难燃。易燃性的定量研究灌木、苔藓和草本植物的易燃性树种易燃性对森林燃烧性的影响取决于组成树种所占的比例。2021/5/9272.森林燃烧性森林燃烧性（ForestCombustibility）是指在有利于森林燃烧的条件下，森林被引燃着火的难易程度以及着火后所表现出的燃烧状态（火种类）和燃烧速度（火强度）的综合。森林燃烧性可作为森林发生火灾难易的指标。一般说来，可定性划分为三个燃烧性等级，即易燃、可燃、难燃。这是对森林燃烧性的定性的、简单的、相对的描述。燃烧性的定量研究森林燃烧性还可作为森林燃烧释放能量大小的指标。可以根据火强度和火焰高度定量确定四个能量释放等级，即轻度燃烧、中度燃烧、高度燃烧和强度燃烧。从着火蔓延的难易和能量释放的两个方面划分森林燃烧性的等级，有利于区分不同的森林群落的燃烧性质，为防火、灭火和用火提供依据。森林燃烧性也是划分可燃物类型的依据。2021/5/928（二）森林特性与森林燃烧性森林不是可燃物的简单堆积，而是一个具有不同的时间和空间的可燃物集合。每一个森林群落是由多种植物所构成的，因而形成不同的森林特性。这些特性与森林燃烧性有着密切的关系。⒈林木组成由于树种的易燃性各不相同，同时影响着林下死、活地被物的数量、组成及其性质。这样，由不同树种构成的森林，燃烧性也不一样。2021/5/929⒉林分郁闭度林分郁闭度的大小直接影响到林内的光照条件，进而影响林内小气候（温度、相对湿度、风速等）。也就影响到林下可燃物的种类、数量及其含水率。⒊林分年龄同龄林，不同的龄级阶段，森林燃烧性不同；异龄林，林中各龄级林木所占的比例，决定森林的燃烧性。⒋林木的层次结构单层林，森林燃烧性的高低，取决于林木的组成复层林，森林燃烧性的高低，取决于各层次林木的组成以及各层次间的差异⒌林木的水平分布格局主要指可燃物如地表、林冠的水平连续性。地表可燃物的水平连续性影响地表火的蔓延；树冠的水平连续性影响树冠火的蔓延。2021/5/930（三）我国主要树种的易燃性1.针叶树种针叶树的枝叶、树皮及木材或多或少含有松脂和挥发性油类，较阔叶树易燃。不同树种的理化性质和生物学特性的有差异，易燃性也有明显的不同。针叶树种的易燃性可划分三个等级：Ⅰ级：易燃这类树种含有大量松脂和挥发性油类，枝叶中灰分含量低，热值高易燃物数量比例较大，可燃物结构疏松地被物紧密度小，含水率低。常绿，多为阳性树种，分布在比较干燥的立地上。常见的易燃树种有：马尾松、海南松、思茅松、云南松、油松、黑松、华山松、高山松、白皮松、赤松、红松、西伯利亚红松、樟子松、侧柏、圆柏等。2021/5/931Ⅱ级：可燃松脂和挥发油含量中等，灰分含量居中，热值中等，易燃可燃物比例居中，可燃物结构较紧密，含水率较多，树冠较密集，多为中性树种，所处立地条件较湿润，土壤较肥沃。主要树种有：杉木、柳杉、三尖杉、红豆杉、紫杉、黄杉、粗榧等。III级：难燃含有较少油脂及挥发性油类，灰分含量高，热值低，易燃可燃物比例小，可燃物结构紧密，多为耐荫性树种，也有少数处于水湿条件下的阳性树种。如云杉、冷杉、落叶松、水杉、落羽杉、池杉等2021/5/9322.阔叶树种阔叶树含挥发性油类少，大多数枝叶、树干内含水分较多。相对针叶树来说不易燃烧。但由于各树种的理化性质不同，生物学特性不一样，易燃性也有明显的差异。阔叶树也可划分为三个易燃性等级：Ⅰ级：易燃枝叶、干、树皮含有挥发性油类，体内水分较少，易燃可燃物数量多结构疏松，多为阳性树种，处于干燥条件下。如栎类、桉树类、樟科、黑桦、安息香科等。2021/5/933Ⅱ级：可燃枝叶不含挥发性油类，多生长在潮润的土壤上，体内含水分较多，多为中性树种易燃可燃物数量中等，多生长在山中部较肥沃、水分适中的立地条件上。如：各种桦树、杨树、椴树、槭树、榆树、化香树、楝树、泡桐等。Ⅲ级：难燃不含挥发性油类，多为常绿阔叶树，水分含量大易燃可燃物数量少，多为耐阴、耐水湿树种，多处于潮湿—水湿立地条件。如水曲柳、黄菠萝、柳树、竹类、木荷、火力楠、红花油茶、茶树等。2021/5/934（四）我国主要森林类型的燃烧性1.落叶松林（兴安落叶松林）（1）易燃，草类落叶松林、柞木落叶松林、杜鹃落叶松林；（2）可燃，杜香落叶松林、偃松落叶松林；（3）难燃，溪旁落叶松林、杜香云杉落叶松林、泥炭藓杜香落叶松林2.云、冷杉林（1）可燃，草类云杉林、草类冷杉林；（2）难燃，藓类云杉林、藓类冷杉林2021/5/9353.针阔混交林（阔叶红松林）（1）易燃，山脊陡坡苔草红松林；（2）可燃，山麓缓坡蕨类红松林；（3）难燃，山坡下部湿润云冷杉红松林4.山地杨桦林（1）可燃，草类山杨林、草类白桦林；（2）难燃，沿溪朝鲜柳林、珍珠梅赤松林、洼地柳林5.易燃林分类型樟子松林；蒙古栎林；油松林；马尾松林；杉木林；云南松林；桉树林等6.难燃林分类型常绿阔叶林；竹林2021/5/936四、可燃物类型树木和林下植物种类的不同，形成不同的林分结构，也影响着林火的种类和强度及森林火灾的损失程度，所以，依据这种差异可以划分若干个可燃物类型。划分可燃物类型主要依据：植被（森林）类型；树种组成；立地条件；森林破坏程度等2021/5/937（一）可燃物类型的概念可燃物类型（fueltype）是指具有明显的代表植物种、可燃物种类、形状、大小、组成以及其它一些对林火蔓延和控制难易有影响的特征相似或相同的同质复合体。简言之，可燃物类型是占据一定时间和空间的具有相同或相似燃烧性的可燃物复合体。不同的可燃物类型具有不同的森林燃烧性，预示着发生森林火灾的难易程度、林火种类和能量的释放强度。调节可燃物类型的燃烧性是森林防火的基础，也是日常工作的内容，它贯穿于整个森林生长发育的全过程。可燃物类型是构成森林