森林火災(zāi)蔓延強度與能量釋放表述

張志東，田祖為，王 偉，高鐵柱，何 誠

（1.國家林業(yè)和草原局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院，北京 100714；2.中國林科院熱帶林業(yè)試驗中心，廣西 憑祥 532600；3.內(nèi)蒙古大興安嶺重點國有林管理局，內(nèi)蒙古 牙克石 022150；4.南京森林警察學院，江蘇 南京 210023）

森林火行為表示一定時間后，火的強度、火蔓延速度、火焰長度和深度等；山火行為特征主要有：熱（溫度），熱傳導(dǎo)、輻射和對流，潛在火災(zāi)釋放能量，火強度，高溫熱流；光（火焰），火焰高度?；鹇铀俣鹊取Ｆ渲?，火強度、火焰高度和火蔓延速度是描述山火行為的3大指標[1-3]。森林可燃物燃燒時整個火場熱量釋放速度稱為林火強度（簡稱火強度）?；饛姸劝ɑ鹁€強度和發(fā)熱強度，前者應(yīng)用較為廣泛，是林火行為的重要參數(shù)之一。

森林火災(zāi)是一種劇烈的氧化反應(yīng)，火烈度大，并且因為樹冠火、飛火、火旋風等的存在，撲救也比較困難，對森林動植物和森林生態(tài)系統(tǒng)的危害較大。因此，森林火災(zāi)被定義為最嚴重最難管控的幾種自然災(zāi)害之一[3-5]。同時，受全球變暖、厄爾尼諾現(xiàn)象等異常氣候影響，近年來森林火災(zāi)發(fā)生頻繁，特別是受異常干旱天氣的影響，持續(xù)干旱少雨的極端氣候事件頻發(fā)。陰燃燃燒受地表風速影響很小，可自由緩慢的蔓延，并且一般條件下不易發(fā)生明火，具有隱蔽性強、方向易變、燃燒不連續(xù)等特點，對于陰燃火的撲救工作具有很大的困難[6]。因此，研究森林可燃物燃燒時整個火場熱量釋放速度稱為林火強度（簡稱火強度）?；饛姸劝ɑ鹁€強度和發(fā)熱強度，通過了解這些因素對火災(zāi)的影響以及控制措施，為撲救森林火災(zāi)做好有力的準備。

1 發(fā)熱強度和火線強度

發(fā)熱強度即單位面積上單位時間內(nèi)發(fā)出的熱量，計算公式為：

式中，IR為發(fā)熱強度（kJ/（m2·s）），W為單位面積內(nèi)可燃物質(zhì)量（kg/m2），H為可燃物燃燒熱值（kJ/kg），t為燃燒持續(xù)時間（s）。

若以b表示火線寬度，則火線前進速度為：

則火線強度有：

森林火災(zāi)中，火線強度變化幅度相差極大，為20～100 000 kW/m，前后相差5000倍。一些林火管理專家認為，當火線強度超過4000 kW/m時，林內(nèi)所有生物均會被燒死，只有火強度低于4000 kW/m時才有生態(tài)意義，即生物會有部分存活[7]。

不同火強度（以火線強度表示，kW/m）分別對應(yīng)以下火災(zāi)等級：10kW/m為地表火蔓延下限；100 kW/m為計劃性燒除；1000kW/m為人工滅火隊滅火能力上限；10 000 kW/m代表主動型樹冠火形成；100 000 kW/m為大范圍和高強度火災(zāi)災(zāi)難性蔓延。其中，低強度750 kW/m以下，中強度750～3500 kW/m，高強度3500～4000 kW/m ；地表火火線強度為144～6595 kW/m，樹冠火火線強度為3214～189 002 kW/m[8]。

2 火焰高度

火焰高度是林火行為中較易觀測的數(shù)值，但是火焰具有波動性?；鹧娓叨仁侵复怪庇诘孛娴倪B續(xù)火焰高度。

1972年美國羅森邁爾（Rothermel）提出根據(jù)火焰高度計算火線強度的公式為[8]：

式中，IL為火線強度（kW/m），h為火焰高度（m）。

根據(jù)火焰高度計算發(fā)熱強度的公式為：

式中，IR為發(fā)熱強度（kW/m2），h為火焰高度（m）。

僅是近似計算公式，火線強度和發(fā)熱強度因可燃物種類、數(shù)量、結(jié)構(gòu)和蔓延速度不同而有較大差異。

3 火蔓延速度

火蔓延是林火行為的一個重要指標，包括火的擴展速度和火的前進方向。林火蔓延速度計算方法包括3種：一是線速度，指在一定時間內(nèi)，火頭向前推進的速度，即火在一定時間內(nèi)蔓延的直線距離，以m/s、km/h表示；二是以火場面積計算的面速度，以m2/s（min）或hm2（km2）/h表示；三是火周邊長度，以m/min或km/h表示。

目前世界上主要的測算火蔓延的模型和公式為：

1）王正非林火蔓延速度

式中，R0為水平無風時火的初始蔓延速度（m/min），KW為風速修正系數(shù)，KS為可燃物配置格局更正系數(shù)，φ為地面平均坡度角。

2）前蘇聯(lián)阿莫所夫林火蔓延面積計算公式

式中，S為火災(zāi)面積（m2），V1為順風火（火頭）速度（m/min），V2為側(cè)方（火翼）速度（m/min），V3為火尾速度（m/min），t為火災(zāi)發(fā)生后的時間（min）。

3）美國羅森邁爾提出的均勻可燃物林火蔓延模型

式中，IR為反應(yīng)強度（kJ/min·m2），ξ為傳播通量與反應(yīng)強度的比值（無量綱），ΦW為風速修正因子（無量綱），ΦS為坡度修正因子（無量綱），ρb為可燃物分布的顆粒密度（kg/m2），ε為有效熱數(shù)（無量綱），Qig為引燃熱（kJ/kg），R為火蔓延速率（m/min）。

對非均勻可燃物火蔓延模型的計算，亦可用此模型，按不同可燃物加權(quán)平均求得。

4 火持續(xù)時間

火持續(xù)時間是指山火在某一地點的駐留時間。在同等火強度條件下，火持續(xù)時間越長，火作用力越大，產(chǎn)生的空氣溫度越高。不同溫度對于活針葉的影響如表1所示。

火燒持續(xù)時間有兩種計算方法：火鋒持續(xù)時間和火停留時間?；痄h持續(xù)時間計算公式為：

式中，S為火持續(xù)時間（h），D為火縱深度（m），r為火蔓延速度（m/min）。

火停留時間有兩種含義：火頭到達至火尾過后，整個火焰在可燃物上的停留時間，或為明火經(jīng)過時間?？扇嘉锝M成決定火持續(xù)時間長短。在粗大雜亂物上，火焰一般停留時間較長；在細小雜亂物上，火焰則停留時間較短。

對局部地塊來說，火持續(xù)時間長、影響大且有復(fù)燃危險，往往是由于火場清理不徹底而存在釀成特大森林火災(zāi)的危險。這種現(xiàn)象在山火中屢見不鮮。

表1 不同溫度對活針葉的影響[9]

5 潛在火災(zāi)釋放能量

一般情況下，可燃物發(fā)熱量越高，火災(zāi)中釋放能量越多。森林可燃物發(fā)熱量與可燃物種類和含水率密切相關(guān)，其中含水率對發(fā)熱量的影響比可燃物種類影響更大，且可燃物發(fā)熱量與含水率成反比。含水率越大，發(fā)熱量越小，一般含水率超過30%時則不容易燃燒。

常見可燃物類型發(fā)熱量為：地衣苔蘚為8.4～12.5 kJ/g；禾本科雜草為12.5～16.7 kJ/g；木本植物大于16.7 kJ/g；針葉樹在20.9 kJ/g左右；闊葉樹為16.7～20.9 kJ/g[10]。

火災(zāi)發(fā)生前可燃物的潛在釋放能量可根據(jù)以下公式估算：

式中，PW為可燃物潛在釋放能量（kJ/kg），Nf為新鮮可燃物質(zhì)量（t/hm2），A為可燃物系數(shù)（按燃燒難易程度），Mf為可燃物含水率（%）。

6 結(jié)束語

森林火行為表示一定時間后，出現(xiàn)火的強度、火蔓延速度、火焰長度和深度，其中火強度、火焰高度和火蔓延速度是山火行為的3大指標。

森林可燃物燃燒時整個火場熱量釋放速度稱為林火強度（簡稱火強度）。火強度包括火線強度和發(fā)熱強度，前者應(yīng)用較為廣泛，是林火行為的重要參數(shù)之一。在實際森林火災(zāi)中，火強度變化幅度相差極大，火蔓延速度是林火行為的一個重要指標。

火持續(xù)時間是指山火在某一地點的駐留時間。在同等火強度條件下，火持續(xù)時間越長，火作用力越大，導(dǎo)致環(huán)境空氣溫度顯著提升。